摘要:智能型電纜測試系統(tǒng)采用單片機(jī)和工控機(jī)相結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)了1 536個測試點(diǎn)之問導(dǎo)通和絕緣關(guān)系的測試,。詳細(xì)說明了基于單片機(jī)的硬件電路設(shè)計原理和工程應(yīng)用方案,。經(jīng)實(shí)際測試,,電纜測試系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求,,大幅度提高了洲試的效率和準(zhǔn)確性,。
0 引言
隨著航空設(shè)備自動化程度的不斷提高,,多芯電纜越來越多地得到了應(yīng)用,電纜的性能也很大程度地影響著設(shè)備的正常工作,。由于多芯電纜芯數(shù)增多,,其互聯(lián)關(guān)系也變得更復(fù)雜,這就要求電纜測試設(shè)備具備更多的測試點(diǎn)數(shù),。傳統(tǒng)的手動測試方法費(fèi)時費(fèi)力,,準(zhǔn)確性差,已經(jīng)不能滿足工程化,,批量生產(chǎn)的需要,。本文提出了一種針對航空多芯電纜故障檢測的新方案,并闡述了系統(tǒng)構(gòu)成和測試原理,。
1 測試系統(tǒng)構(gòu)成
電纜測試系統(tǒng)主要由工控機(jī)系統(tǒng),,單片機(jī)系統(tǒng)和繼電器陣列三部分構(gòu)成。其中工控機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)處理,,單片機(jī)系統(tǒng)控制硬件電路完成相應(yīng)動作,,繼電器陣列負(fù)責(zé)響應(yīng)譯碼電路的請求將外部電纜接入測試系統(tǒng)。單片機(jī)和工控機(jī)通過USB進(jìn)行通信。
其中:硬件電路系統(tǒng)選用AT80C52單片機(jī)作為控制核心,,主要包括導(dǎo)通測試電路,,絕緣測試電路,譯碼電路,,繼電器陣列,,A/D采樣電路,高壓產(chǎn)生電路和USB通信電路等,;單片機(jī)軟件則能夠依據(jù)接收到的命令控制硬件設(shè)備完成各個電纜的性能測試,。
工控機(jī)選用研華的IPC-610工業(yè)控制計算機(jī)作為終端,負(fù)責(zé)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)交換,。電纜測試系統(tǒng)的軟件主要由人機(jī)界面和數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成,,人機(jī)界面將操作者輸入的信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的命令,控制單片機(jī)進(jìn)行不同的操作,;數(shù)據(jù)處理部分對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對和修正后,,建立測試數(shù)據(jù)及其端口信息的數(shù)據(jù)庫,最終生成被測設(shè)備端口的導(dǎo)通和絕緣關(guān)系,,并提供顯示和打印等功能,。
繼電器陣列由3168個繼電器實(shí)現(xiàn)了1536個測試點(diǎn)之間的導(dǎo)通/絕緣測試和繼電器組之間的隔離。1 536個測試點(diǎn)分布在12塊單板上面,,每塊單板上面有128個測試點(diǎn),,單板內(nèi)又分為16行,每行8列,,即12×16×8=1 536,。每一個測試點(diǎn)由兩個繼電器控制,分別是輸入繼電器(Kat)和輸出繼電器(Kab),。每塊單板對應(yīng)外部的一個128芯的航空插頭,,負(fù)責(zé)和被測產(chǎn)品的連接。
2 測試系統(tǒng)的原理
電纜測試系統(tǒng)硬件部分以單片機(jī)為控制核心,,主要分為導(dǎo)通測試電路,,絕緣測試電路和繼電器譯碼電路三大部分,各部分工作原理如下所述,。
2.1 導(dǎo)通測試部分
由于導(dǎo)通電阻很小,,一般為歐姆級,容易受到外界干擾的影響,,惠斯登電橋的兩臂同時對電源的微小變化做出反應(yīng),,將輸出信號送入差分放大器,從而消除了共模干擾,,可以提高測試的準(zhǔn)確性,。其原理如圖3所示,。
在圖3中:R1,R2和R3組成基準(zhǔn)電路,;R4,,R5和Rx串聯(lián)起來組成主測試回路。當(dāng)待測電阻Rx為零時,,調(diào)整R1使電橋處于平衡狀態(tài),,即U1=U2,電路輸出約為零,,同時產(chǎn)生基準(zhǔn)比較電壓U1,。在電路正常工作情況下,Rx串聯(lián)進(jìn)入電路后,,電橋的平衡被打破,,U2變小,U1和U2經(jīng)過運(yùn)放OP497的隔離后送入差分放大器INA145進(jìn)行放大,,放大后的電壓信號送入12位精度的MAX197進(jìn)行采樣,。
2.2 絕緣測試部分
對于絕緣測試電路而言,由于輸入測試電壓為500~1 000 V,,對干擾不太敏感,,所以絕緣測試電路采用相對簡單的電阻分壓法來實(shí)現(xiàn),,原理如圖4所示,。
在圖4中:Rx為被測兩根導(dǎo)線間的絕緣電阻;Kat,,Kab分別是Rx的輸入控制繼電器和輸出控制繼電器,,由譯碼電路選通,二極管D1保護(hù)電源,;R1,,R2和R3組成分壓測試電路,R4為限流電阻,,C1為了濾除雜波的干擾,,測試回路的分壓值經(jīng)運(yùn)放后輸入放大電路;MAX6176為高精度低噪聲基準(zhǔn)電源,,經(jīng)過分壓電路和跟隨器后為放大電路INA145提供基準(zhǔn)比較電壓,,INA145把放大后的信號送給MAX197進(jìn)行采樣。
2.3 繼電器譯碼電路
繼電器譯碼電路的作用是在單片機(jī)的控制下將1 536個測試點(diǎn)中的某兩個測試點(diǎn)接入相應(yīng)的測試電路,。比如譯碼電路選中測試點(diǎn)1的輸入繼電器Kat和測試點(diǎn)2的輸出繼電器Kab,,外部的被測電纜通過這兩個測試點(diǎn)接入相應(yīng)的測試電路,從而實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通或者絕緣測試,。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能譯碼電路可以分為地址鎖存電路,,輸入繼電器譯碼電路和輸出繼電器譯碼電路,。
單片機(jī)P0口作為數(shù)據(jù)總線將地址信號送給鎖存器74HC573,同時P2.4,,P2.5,,P2.6,P2.7驅(qū)動HC138譯碼器形成鎖存有效信號,,使地址信號鎖存在74HC573,,由于地址信號為11位,所以需要單機(jī)發(fā)送兩次地址信息,。
當(dāng)11位地址準(zhǔn)備完畢后,,由單片機(jī)發(fā)送地址有效信號,將地址信號送給譯碼電路,。
輸入繼電器譯碼電路和輸出繼電器譯碼電路具有相同的電路結(jié)構(gòu),,以輸入繼電器譯碼電路為例,可以分為三級譯碼電路,,每一級譯碼電路由總線隔離芯片74HC245,,3~8線譯碼器74HC138和其他邏輯控制電路組成。第一級譯碼電路由11位地址信號中的AT10,,AT09,,AT08,AT07組成,,負(fù)責(zé)選擇12塊單板中的某一塊,;第二級譯碼電路由AT06,AT05,,AT04,,AT03組成,負(fù)責(zé)選擇某塊單板中的某一行,;第三級譯碼電路由AT02,,AT01,AT00組成,,負(fù)責(zé)選擇某塊單板中的某一列,,這樣行列交叉就選中某一個測試點(diǎn)的輸入繼電器驅(qū)動電路,從而將該測試點(diǎn)接入了測試電路,。地址信號在單板與單板之間經(jīng)過74HC245的隔離,,防止其驅(qū)動能力下降。輸出繼電器的選擇過程完全一樣,,不再贅述,。
3 工程應(yīng)用方案研究
3.1 電纜測試系統(tǒng)工作流程
電纜測試系統(tǒng)由單片機(jī)和工控機(jī)共同作用來實(shí)現(xiàn),工控機(jī)的人機(jī)交互界面將操作者輸入的信息通過USB發(fā)送給單片機(jī),,單片機(jī)根據(jù)這些命令啟動相應(yīng)的外設(shè),,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測試功能,。電纜測試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢,全部導(dǎo)通/絕緣測試,,單獨(dú)兩點(diǎn)之間導(dǎo)通/絕緣測試和指定區(qū)間內(nèi)兩點(diǎn)間導(dǎo)通/絕緣測試,。 下面以導(dǎo)通電阻測試為例來說明電纜測試系統(tǒng)的工作流程:當(dāng)被測產(chǎn)品通過轉(zhuǎn)接電纜接入電纜測試系統(tǒng)后,,操作者通過參數(shù)設(shè)定來選擇被測產(chǎn)品的型號,。當(dāng)單片機(jī)接收到全部導(dǎo)通測試的命令,首先閉合測試點(diǎn)1的輸入繼電器,,其次依次閉合第2個測試點(diǎn)的輸出繼電器,,第3個測試點(diǎn)的輸出繼電器到第m個測試點(diǎn)的輸出繼電器(m∈[2,1 536]),;當(dāng)閉合測試點(diǎn)n的輸入繼電器(n∈[2,,1 535])后,依次閉合測試點(diǎn)m的輸出繼電器(m∈[n+1,,1 536]),。每閉合一次輸出繼電器,采樣一次輸出電壓值,,并上傳給工控機(jī),。工控機(jī)上的數(shù)據(jù)處理部分將這個電壓值和對應(yīng)的地址信息生成數(shù)據(jù)庫,在測試結(jié)束時,,工控機(jī)將生成的數(shù)據(jù)庫與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對,,從而確定出被測產(chǎn)品中那些通道是導(dǎo)通的。導(dǎo)通測試部分的工作流程如圖9所示,。
絕緣測試部分的工作流程和導(dǎo)通測試類似,,但是需要特別注意的是在執(zhí)行絕緣測試命令時,系統(tǒng)首先會對測試區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行一次導(dǎo)通測試,,并記錄導(dǎo)通的通道號,這樣在工控機(jī)向單片機(jī)發(fā)送地址指令時會自動跳過這些通道,,從而保證操作人員和被測產(chǎn)品的安全,,防止高壓短路可能引起的災(zāi)難性后果。
需要說明的是絕緣測試電壓由采用SG3524芯片的開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn),,將15V直流電壓作為輸入電壓,,由SG3524產(chǎn)生的PWM脈沖經(jīng)過MOSFET推動之后,驅(qū)動升壓變壓器,,經(jīng)過倍壓,、整流、濾波后得到穩(wěn)定的高壓輸出,,該高壓輸出反饋回SG3524的比較輸入端,,通過數(shù)字電位器來控制PWM波形的占空比,,從而使得輸出電壓恒定。
3.2 電纜測試系統(tǒng)自檢流程
為了保證設(shè)備本身的工作正常,,電纜測試系統(tǒng)提供自檢功能,。自檢流程分為兩部分,第一部分對USB通道進(jìn)行自檢,,USB自檢流程如圖10所示,。系統(tǒng)上電后,工控機(jī)發(fā)送校驗(yàn)指令,,單片機(jī)判斷校驗(yàn)碼是否正確,,在校驗(yàn)碼正確的情況下,按照協(xié)議返回復(fù)碼,,工控機(jī)判斷回復(fù)碼正確的情況下,,USB通信建立正常。第二部分是對繼電器陣列進(jìn)行自檢,,其流程與導(dǎo)通測試類似,。以測試點(diǎn)1和測試點(diǎn)2為例,首先,,閉合測試點(diǎn)1的輸入繼電器,,采樣測試電壓,如果系統(tǒng)判斷為斷開,,則可以說明測試點(diǎn)1的輸出繼電器沒有常閉,,反之則說明為常閉故障。把測試點(diǎn)1的輸入繼電器更換為輸出繼電器,,采用同樣的方法可以判斷出測試點(diǎn)1的輸入繼電器是否為常閉故障,。其次,分別打開測試點(diǎn)1的輸入和輸出繼電器,,如果系統(tǒng)判斷為導(dǎo)通,,在第一步的基礎(chǔ)上就可以說明兩個繼電器均正常;如果系統(tǒng)判斷為斷開,,則兩個繼電器中至少有一個為常開故障,。最后,在外部端口上接入自檢插頭,,分別選擇測試點(diǎn)1的輸入繼電器和測試點(diǎn)2的輸出繼電器,,如果系統(tǒng)判斷為導(dǎo)通,則可以說明內(nèi)部繼電器和單板到端口的引線正常,,反之則說明繼電器到測試端的引線出現(xiàn)問題,。
4 結(jié)語
電纜測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了嵌入式子測試系統(tǒng)與主控計算機(jī)的有機(jī)結(jié)合,具有良好的擴(kuò)展性和通用性,。經(jīng)實(shí)際測試,,可以實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品內(nèi)部電纜連接關(guān)系的測試,,大幅提高了測試效率和準(zhǔn)確性。