一種大容量電纜自動(dòng)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　目前，大容量的電纜線束廣泛用于汽車、船舶和航天航空等高端領(lǐng)域，為了保證電纜線 束的安全可靠使用，必須對(duì)線束的配線、阻抗和絕緣性能等進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。如果采用人工 測(cè)量方法，容易造成漏檢和誤檢，效率低下，所以，研制一種大容量的電纜線束自動(dòng)測(cè)試系 統(tǒng)的要求顯得尤為迫切。

　　本文將介紹一種大容量的電纜線束自動(dòng)測(cè)試儀，通過(guò)本測(cè)試儀，用戶可以對(duì)大量的電纜 線束進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，可檢測(cè)到電纜毫歐級(jí)的阻值和兆歐級(jí)的絕緣阻值，檢測(cè)出其可能存在的 配線錯(cuò)誤、通斷路，絕緣不良等問(wèn)題。同時(shí)，利用上位機(jī)的電纜數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)軟件，用戶可以 迅速建立起一套電纜線束的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)接、應(yīng)用和測(cè)量的整體方案。

　　2 測(cè)試原理說(shuō)明

　　電纜測(cè)試儀采用單端激勵(lì)源輸入測(cè)量的方法。激勵(lì)源分為低電壓小電流測(cè)試源，恒定電 流測(cè)試源和高電壓弱電流測(cè)試源三種。低電壓測(cè)試源主要用于測(cè)量電纜線束的通斷，短路和 誤配線功能。恒定電流測(cè)試源可編程輸出高達(dá)1A 的電流，配合4 線開爾文測(cè)量方法，可以 測(cè)量小于5 毫歐的精密阻值，能檢測(cè)出電纜的微小變化。高電壓測(cè)試源可以步進(jìn)輸出高達(dá) 1000VDC 的電壓，最大電流則不到2mA，用于檢測(cè)電纜線束可能存在的絕緣、耐壓不足等 問(wèn)題。

　　電纜的測(cè)試工作原理如圖1 所示。

　　開關(guān)K3 閉合，低電壓激勵(lì)源加載到接M1 上，接點(diǎn)電壓為VM1。其它所有的測(cè)試接點(diǎn) 開關(guān)均打開，測(cè)量其它所有接點(diǎn)電壓，如果其它接點(diǎn)處測(cè)量到激勵(lì)電壓，則表示這些接點(diǎn)和 電纜A 相通。將檢測(cè)到電壓的接點(diǎn)開關(guān)閉合(如N1)，測(cè)量接點(diǎn)電壓，得VN1，則這兩點(diǎn)之 間的電纜阻值為

　　測(cè)量出串接在低電壓激勵(lì)源回路的精密電阻R1 兩端的電壓VR1，即可求出回路的電流值，代如上式(1)中，

　　圖1 測(cè)試原理示意圖

　　由圖1 可知，逐點(diǎn)進(jìn)行全排列測(cè)量，可以找出所有點(diǎn)的連接關(guān)系和電纜阻值，找到可能 的電纜通斷路，搭接短路和配線錯(cuò)誤等。檢查次數(shù)為：N= [ n * ( n-1) ] / 2;式中N 為檢查 次數(shù)，n 為線束的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)。

　　3 測(cè)試儀的硬件組成

　　整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件和自動(dòng)測(cè)試儀兩個(gè)部分。每臺(tái)電纜自動(dòng)測(cè)試儀有512 個(gè)測(cè) 試點(diǎn)的容量，最多可級(jí)聯(lián)7 臺(tái)測(cè)試儀以擴(kuò)大測(cè)試容量。為了靈活配置，測(cè)試儀采用基于總線形式的機(jī)箱插板式結(jié)構(gòu)，圖2 為測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖。控制測(cè)量板包括CPU 及外圍模塊， 完成和上位機(jī)、級(jí)聯(lián)機(jī)的通信，轉(zhuǎn)接測(cè)試命令和進(jìn)行命令的分發(fā)，同時(shí)控制激勵(lì)源信號(hào)，完 成電纜通斷、精密阻值和絕緣的測(cè)量。電纜測(cè)量接口板一共有4 塊，每板有128 個(gè)測(cè)試接點(diǎn)， 通過(guò)板上的繼電器陣列，將激勵(lì)信號(hào)送到面板的待測(cè)電纜接入點(diǎn)，將電壓測(cè)量信號(hào)返回到控 制測(cè)量板進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。

　　圖2 測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)示意圖

　　3.1 微處理器和外圍電路

　　測(cè)試儀的單片機(jī)選用 Cygnal 公司的模擬和數(shù)字混合信號(hào)的單片機(jī)C8051F020[1]，這顆芯 片具有高速51 處理器內(nèi)核，高達(dá)25MIPS 運(yùn)行速度;64K 字節(jié)片上Flash，4K 字節(jié)片上RAM(外 部RAM 可擴(kuò)展至64K 字節(jié))。兩個(gè)URAT 接口，一個(gè)SPI 接口和一個(gè)I2C 接口，一個(gè)采樣速度 為100KSPS，增益可編程的12 Bit ADC 單元(8 路AD 接口)和兩個(gè)12 Bit 的 DAC 單元。 在本設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)內(nèi)部12 Bit 的 A/D 轉(zhuǎn)換電路測(cè)量電纜接點(diǎn)的電壓，12 Bit 的 DAC 電路控制測(cè)試激勵(lì)源的輸出電壓和電流。I2C 總線連接的8K 字節(jié)EEPROM，主要用來(lái) 保存所有繼電器的使用次數(shù)，防止繼電器出現(xiàn)壽命過(guò)載。外部擴(kuò)展的16KB 的SRAM，用于暫 存測(cè)試數(shù)據(jù)。單片機(jī)外部擴(kuò)展的EPLD，用于地址譯碼，擴(kuò)展測(cè)試控制空間，包括和級(jí)聯(lián)機(jī) 箱的通信空間，測(cè)量接口板的繼電器、模擬復(fù)用器控制空間等。

　　3.1.1. 主測(cè)試儀和上位機(jī)的通信接口

　　測(cè)量過(guò)程中，主設(shè)備單片機(jī)需要實(shí)時(shí)向上位機(jī)上報(bào)大量測(cè)量數(shù)據(jù)，所以接口形式選用了 通用串行總線接口USB。接口電路采用 PHILIPS 公司完全兼容USB1.1 規(guī)范的器件 PDIUSBD12[2]。PDIUSBD12 通過(guò)高速通用并行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，接口模式采用地址 /總線復(fù)用方式，對(duì)器件的讀寫就像單片機(jī)外擴(kuò)的一片RAM 器件一樣，通過(guò)觸發(fā)單片機(jī)外 部中斷模式通知主程序處理上位機(jī)通信事件。

　　3.1.2. 主測(cè)試儀和級(jí)聯(lián)測(cè)試儀的通信接口

　　多臺(tái)測(cè)試儀進(jìn)行級(jí)聯(lián)時(shí)，為了提高通信速度，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中利用了單片機(jī) C8051 的同步串行外設(shè)接口SPI，提供了超過(guò)2Mbps 的通信速度。主設(shè)備的單片機(jī)SPI 接口做主片， 從設(shè)備的單片機(jī)SPI 接口做從片，它們之間的通信總線一共有8 條，采用菊花鏈的方式級(jí)聯(lián)， 包括串行時(shí)鐘線(SPICLK)、主片輸入/從片輸出數(shù)據(jù)線SPIMISO、主片輸出/從片輸入數(shù)據(jù) 線SPIMOSI、低電平有效的從片選擇線SPINSS 、一根用于從設(shè)備中斷請(qǐng)求的SPIINT 總線和三根選通IO 線。三根IO 總線用于和從設(shè)備地址譯碼，分時(shí)選通最多7 個(gè)從設(shè)備的內(nèi) 部片選和中斷請(qǐng)求線，減少了連接的總線數(shù)量。當(dāng)從設(shè)備地址未選通時(shí)，本機(jī)中的MISO 信 號(hào)線和INT 信號(hào)線處于高阻狀態(tài)。

　　主設(shè)備和從設(shè)備之間的 SPI 接口物理層連接采用RS422 總線驅(qū)動(dòng)形式，RS422 接口采 用差分模式，在雙絞線上可傳輸10Mbps 的傳輸速率，可以滿足本設(shè)計(jì)中SPI 接口的需要。

　　3.2 精密恒流激勵(lì)源

　　當(dāng)進(jìn)行毫歐級(jí)的電纜精密測(cè)量時(shí)，需要一個(gè)低漂移的精密恒定大電流源。測(cè)試儀提供了 一個(gè)可編程的輸出1mA/10mA/100mA/1A 的精密恒流源模塊，可編程精密恒流源的原理電 路如圖3 所示。

　　REF200[3]是一個(gè)雙通道的100uA±0.5%的精密恒流源，流經(jīng)20 歐姆的精密電阻Ref1 后產(chǎn)生2mV 的精密電壓，提供給儀表放大器PGA204[3]作為精密輸入電壓。PGA204 是TI 公司的一款G = 1/10/100/1000 增益可選的儀表放大器，它的輸入偏置電壓最大為50uV，輸 入偏置電流最大為2nA，具有很高的共模抑制比(115dB，G=1000 時(shí))，適合作為測(cè)試儀精 密電壓放大電路。

　　圖 3 可編程精密恒流源電路簡(jiǎn)圖

　　圖中恒流源跟隨器選用TI 公司的具有極低偏置電流(1pA)的精密運(yùn)算放大器OPA602。 它的正輸入端和負(fù)輸入端相當(dāng)于“虛斷”,電壓等于PGA204 輸出的電壓G(VIN+-VIN-)+VREF ( PGA204 的電壓參考輸入)。則流經(jīng)精密電阻Ref2 兩端的電流為：

　　I_OUT={[G(VIN+-VIN-)+VREF]-VREF}/Ref2

　　= G(VIN+-VIN-)/Ref2 = G*IREF*Ref1/ Ref2

　　= G*100uA *10 = G (mA) ( IREF =100uA, Ref1/ Ref2=10)

　　選用驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)的N 溝道MOSFET，當(dāng)軟件設(shè)定G=1000 時(shí)，恒流源能輸出達(dá)1A 的精密 電流。圖中R1 和C1 的作用是提高運(yùn)放穩(wěn)定性，降低噪聲影響。

　　3.3 信號(hào)調(diào)理和A/D 轉(zhuǎn)換電路

　　如圖2 所示，A/D 轉(zhuǎn)換的測(cè)試接點(diǎn)電壓信號(hào)經(jīng)由多片16 選一的模擬復(fù)用器MPC506A 選擇，由EPLD 控制，復(fù)用器輸出經(jīng)背板傳到信號(hào)放大調(diào)理電路。當(dāng)采用開爾文四線測(cè)量方法，精密恒定激勵(lì)電流為1A 時(shí)，若要求本機(jī)內(nèi)的測(cè)量精度為1 毫歐，則最小分辨電壓為1mV。

　　單片機(jī)C8051F 內(nèi)置了一個(gè)12Bits 的A/D 轉(zhuǎn)換器，輸入量程參考電壓VREF 為2.5V，A/D 測(cè)量分辨率為0.61mV。 考慮到噪聲和干擾對(duì)測(cè)試精度的影響，在A/D 轉(zhuǎn)換器之前加一個(gè)可編程增益儀表放大 器PGA204，當(dāng)儀表放大器的增益為100 時(shí)，1mV 的讀數(shù)為1mV*100*211 /2.5V ≈ 81LSB， 充分滿足了測(cè)量精度的需要。

　　4 測(cè)試儀單片機(jī)軟件說(shuō)明 主設(shè)備單片機(jī)完成和上位機(jī)、從設(shè)備的通信，激勵(lì)源的輸出控制，本端設(shè)備測(cè)試端口的 電壓測(cè)量等。和上位機(jī)通信的USB 接口PDIUSBD12 的固件程序設(shè)計(jì)成中斷驅(qū)動(dòng)，占用單 片機(jī)的外部中斷1，通過(guò)設(shè)置中斷事件標(biāo)志、交互數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和單片機(jī)通信[4]。當(dāng)單片機(jī)處 理前臺(tái)任務(wù)時(shí)USB 的傳輸可在后臺(tái)進(jìn)行，這不僅保證了傳輸速度，而且軟件結(jié)構(gòu)清晰，便 于編程和調(diào)試。 在設(shè)計(jì)中使用了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸三種模式。控制傳輸中只用來(lái)傳遞建立 控制信息，固定使用端點(diǎn)0;中斷傳輸使用端點(diǎn)1，用來(lái)傳送命令的傳遞和應(yīng)答;批量傳輸 使用端點(diǎn)2，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀的測(cè)量數(shù)據(jù)上報(bào)。主測(cè)試儀單片機(jī)程序由三部分組成：① 初始化操作，包括單片機(jī)內(nèi)部(定時(shí)器、中斷，端口等)和外圍電路的初始化、讀取本端和 級(jí)聯(lián)設(shè)備的狀態(tài)信息; ② USB 固件程序，用于響應(yīng)PDIUSBD12 發(fā)出的中斷請(qǐng)求。

　　USB 中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高，上位機(jī)發(fā)命令包給PDIUSBD12，它接到命令后就給單片機(jī)發(fā)中斷。 中斷程序中，單片機(jī)首先讀取PDIUSBD12 的中斷寄存器，判斷命令包類型，然后設(shè)定相應(yīng) 的事件標(biāo)志并將命令數(shù)據(jù)從PDIUSBD12 的內(nèi)部緩沖區(qū)移到交互的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通知主程序 已經(jīng)準(zhǔn)備好 ③ 主循環(huán)程序，根據(jù)USB 中斷事件標(biāo)志，讀取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的上位機(jī)命令，根 據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。單片機(jī)處理上位機(jī)指令，向從測(cè)試儀分發(fā)測(cè)試命令，控制本設(shè)備測(cè) 試激勵(lì)源，測(cè)量本設(shè)備待測(cè)電纜端點(diǎn)的電壓，計(jì)算電纜的阻值，測(cè)量結(jié)果存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 在上位機(jī)發(fā)送IN 令牌中斷之后，固件將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　5 上位機(jī)軟件說(shuō)明

　　上位機(jī)軟件采用 VC 編寫，底層對(duì)USB 設(shè)備和硬件的驅(qū)動(dòng)通過(guò)調(diào)用API 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，操 作界面提供的主要功能有五個(gè)(如圖4)：①.管理功能，如測(cè)試儀操作權(quán)限的管理，連接 和測(cè)試數(shù)據(jù)的報(bào)表查詢，打印等。②. 電纜的連接關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)生成和輸入。連接關(guān)系可以采 用ACCESS 報(bào)表輸入或CAD 用戶繪圖形式生成。數(shù)據(jù)庫(kù)不僅包括線纜、接插件的連接、轉(zhuǎn) 接關(guān)系，而且包括它們狀態(tài)和電氣屬性等。③.轉(zhuǎn)接面板的設(shè)計(jì)。一般情況下，用戶的電纜 插頭和測(cè)試儀的面板插頭并不兼容，需要生產(chǎn)轉(zhuǎn)接的面板和電纜，轉(zhuǎn)接面板和電纜的生成， 用戶插頭和測(cè)試儀插頭的對(duì)應(yīng)關(guān)系也需要形成數(shù)據(jù)表形式，便于電纜測(cè)量人員使用。④.測(cè) 試流程的設(shè)定。包括用戶定義功能和流程參數(shù)的設(shè)定，如測(cè)量范圍、測(cè)量次數(shù)、電纜測(cè)試阻 值門限值設(shè)定等。自學(xué)習(xí)測(cè)試是指測(cè)試儀通過(guò)全排列測(cè)試，自動(dòng)找出電纜線束之間的連接關(guān) 系表。⑤. 測(cè)試結(jié)果分析。如測(cè)試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表的對(duì)比，這些結(jié)果還可以反饋回電纜網(wǎng) 設(shè)計(jì)的圖和表中，標(biāo)識(shí)電纜的阻抗等。

　　圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　該電纜自動(dòng)測(cè)試儀采用級(jí)聯(lián)方式，測(cè)試容量大;精密恒流激勵(lì)源和信號(hào)調(diào)理電路的 使用，極大提高了測(cè)量精度。測(cè)試系統(tǒng)能夠全面管理電纜線束的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)接和生產(chǎn)檢測(cè)， 可以顯著提高電纜測(cè)試的工作效率，適合在汽車、船舶和航天航空等領(lǐng)域使用。