0 引言
隨著航空設(shè)備自動(dòng)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(cè)試設(shè)備具備更多的測(cè)試點(diǎn)數(shù),。傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)試方法費(fèi)時(shí)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(duì)航空多芯電纜故障檢測(cè)的新方案,，并闡述了系統(tǒng)構(gòu)成和測(cè)試原理。
1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成
電纜測(cè)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(dòng)作,，繼電器陣列負(fù)責(zé)響應(yīng)譯碼電路的請(qǐng)求將外部電纜接入測(cè)試系統(tǒng),。單片機(jī)和工控機(jī)通過USB進(jìn)行通信。如圖1所示,。
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(cè)試電路，絕緣測(cè)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(gè)電纜的性能測(cè)試。
工控機(jī)選用研華的IPC-610工業(yè)控制計(jì)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(cè)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(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和修正后，建立測(cè)試數(shù)據(jù)及其端口信息的數(shù)據(jù)庫(kù),，最終生成被測(cè)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(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)了1536個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間的導(dǎo)通／絕緣測(cè)試和繼電器組之間的隔離。1 536個(gè)測(cè)試點(diǎn)分布在12塊單板上面,，每塊單板上面有128個(gè)測(cè)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(gè)測(cè)試點(diǎn)由兩個(gè)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(duì)應(yīng)外部的一個(gè)128芯的航空插頭,，負(fù)責(zé)和被測(cè)產(chǎn)品的連接。其原理如圖2所示,。
2 測(cè)試系統(tǒng)的原理
電纜測(cè)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(cè)試電路，絕緣測(cè)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(cè)試部分
由于導(dǎo)通電阻很小,，一般為歐姆級(jí),，容易受到外界干擾的影響，惠斯登電橋的兩臂同時(shí)對(duì)電源的微小變化做出反應(yīng),，將輸出信號(hào)送入差分放大器,，從而消除了共模干擾，可以提高測(cè)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(cè)試回路。當(dāng)待測(cè)電阻Rx為零時(shí),，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(shí)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(hào)送入12位精度的MAX197進(jìn)行采樣,。
2．2 絕緣測(cè)試部分
對(duì)于絕緣測(cè)試電路而言，由于輸入測(cè)試電壓為500～1 000 V，對(duì)干擾不太敏感,，所以絕緣測(cè)試電路采用相對(duì)簡(jiǎn)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(cè)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(cè)試電路,，R4為限流電阻,，C1為了濾除雜波的干擾，測(cè)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(hào)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(gè)測(cè)試點(diǎn)中的某兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)接入相應(yīng)的測(cè)試電路,。比如譯碼電路選中測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器Kat和測(cè)試點(diǎn)2的輸出繼電器Kab，外部的被測(cè)電纜通過這兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)接入相應(yīng)的測(cè)試電路,，從而實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通或者絕緣測(cè)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,。以輸入地址鎖存電路為例,，其原理如圖5，圖6所示,。
單片機(jī)P0口作為數(shù)據(jù)總線將地址信號(hào)送給鎖存器74HC573,，同時(shí)P2．4，P2．5,，P2．6,，P2．7驅(qū)動(dòng)HC138譯碼器形成鎖存有效信號(hào)，使地址信號(hào)鎖存在74HC573,，由于地址信號(hào)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(hào),，將地址信號(hào)送給譯碼電路。譯碼電路原理如圖7所示,。
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(jí)譯碼電路，每一級(jí)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(jí)譯碼電路由11位地址信號(hào)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(jí)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(jí)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(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸入繼電器驅(qū)動(dòng)電路,，從而將該測(cè)試點(diǎn)接入了測(cè)試電路。地址信號(hào)在單板與單板之間經(jīng)過74HC245的隔離,，防止其驅(qū)動(dòng)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(cè)試系統(tǒng)工作流程
電纜測(cè)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(dòng)相應(yīng)的外設(shè),，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測(cè)試功能。電纜測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢,，全部導(dǎo)通／絕緣測(cè)試,，單獨(dú)兩點(diǎn)之間導(dǎo)通／絕緣測(cè)試和指定區(qū)間內(nèi)兩點(diǎn)間導(dǎo)通／絕緣測(cè)試。單片機(jī)的工作流程如圖8所示,。
下面以導(dǎo)通電阻測(cè)試為例來說明電纜測(cè)試系統(tǒng)的工作流程：當(dāng)被測(cè)產(chǎn)品通過轉(zhuǎn)接電纜接入電纜測(cè)試系統(tǒng)后,，操作者通過參數(shù)設(shè)定來選擇被測(cè)產(chǎn)品的型號(hào)。當(dāng)單片機(jī)接收到全部導(dǎo)通測(cè)試的命令,，首先閉合測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器,，其次依次閉合第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出繼電器，第3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出繼電器到第m個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出繼電器(m∈[2,，1 536]),；當(dāng)閉合測(cè)試點(diǎn)n的輸入繼電器(n∈[2,，1 535])后，依次閉合測(cè)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(gè)電壓值和對(duì)應(yīng)的地址信息生成數(shù)據(jù)庫(kù)，在測(cè)試結(jié)束時(shí),，工控機(jī)將生成的數(shù)據(jù)庫(kù)與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),，從而確定出被測(cè)產(chǎn)品中那些通道是導(dǎo)通的。導(dǎo)通測(cè)試部分的工作流程如圖9所示,。
絕緣測(cè)試部分的工作流程和導(dǎo)通測(cè)試類似,，但是需要特別注意的是在執(zhí)行絕緣測(cè)試命令時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)對(duì)測(cè)試區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行一次導(dǎo)通測(cè)試,，并記錄導(dǎo)通的通道號(hào),，這樣在工控機(jī)向單片機(jī)發(fā)送地址指令時(shí)會(huì)自動(dòng)跳過這些通道，從而保證操作人員和被測(cè)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(cè)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(dòng)之后,，驅(qū)動(dòng)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)提供自檢功能,。自檢流程分為兩部分，第一部分對(duì)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(duì)繼電器陣列進(jìn)行自檢，其流程與導(dǎo)通測(cè)試類似,。以測(cè)試點(diǎn)1和測(cè)試點(diǎn)2為例,，首先，閉合測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器,，采樣測(cè)試電壓,，如果系統(tǒng)判斷為斷開，則可以說明測(cè)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(cè)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(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器是否為常閉故障,。其次,，分別打開測(cè)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(gè)繼電器均正常,；如果系統(tǒng)判斷為斷開，則兩個(gè)繼電器中至少有一個(gè)為常開故障,。最后,，在外部端口上接入自檢插頭，分別選擇測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器和測(cè)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(cè)試端的引線出現(xiàn)問題,。
4 結(jié)語
電纜測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了嵌入式子測(cè)試系統(tǒng)與主控計(jì)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(cè)試,，可以實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品內(nèi)部電纜連接關(guān)系的測(cè)試,，大幅提高了測(cè)試效率和準(zhǔn)確性,。