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一種大容量電纜自動測試儀的設計和實現

時間:2016-09-14 來源:電子產品世界 作者:中國國家電纜網 點擊:
  

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域,為了保證電纜線 束的安全可靠使用,必須對線束的配線、阻抗和絕緣性能等進行嚴格的檢測。如果采用人工 測量方法,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測試系 統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測試儀,通過本測試儀,用戶可以對大量的電纜 線束進行自動測量,可檢測到電纜毫歐級的阻值和兆歐級的絕緣阻值,檢測出其可能存在的 配線錯誤、通斷路,絕緣不良等問題。同時,利用上位機的電纜數據庫設計軟件,用戶可以 迅速建立起一套電纜線束的設計、轉接、應用和測量的整體方案。

2 測試原理說明

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

電纜的測試工作原理如圖1 所示。

開關K3 閉合,低電壓激勵源加載到接M1 上,接點電壓為VM1。其它所有的測試接點 開關均打開,測量其它所有接點電壓,如果其它接點處測量到激勵電壓,則表示這些接點和 電纜A 相通。將檢測到電壓的接點開關閉合(如N1),測量接點電壓,得VN1,則這兩點之 間的電纜阻值為

 

 

測量出串接在低電壓激勵源回路的精密電阻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 測試原理示意圖

由圖1 可知,逐點進行全排列測量,可以找出所有點的連接關系和電纜阻值,找到可能 的電纜通斷路,搭接短路和配線錯誤等。檢查次數為:N= [ n * ( n-1) ] / 2;式中N 為檢查 次數,n 為線束的檢測點數。

3 測試儀的硬件組成

整個系統分為上位機軟件和自動測試儀兩個部分。每臺電纜自動測試儀有512 個測 試點的容量,最多可級聯7 臺測試儀以擴大測試容量。為了靈活配置,測試儀采用基于總線形式的機箱插板式結構,圖2 為測試儀的硬件結構框圖。控制測量板包括CPU 及外圍模塊, 完成和上位機、級聯機的通信,轉接測試命令和進行命令的分發,同時控制激勵源信號,完 成電纜通斷、精密阻值和絕緣的測量。電纜測量接口板一共有4 塊,每板有128 個測試接點, 通過板上的繼電器陣列,將激勵信號送到面板的待測電纜接入點,將電壓測量信號返回到控 制測量板進行A/D 轉換。

 

 

圖2 測試儀硬件結構示意圖

3.1 微處理器和外圍電路

測試儀的單片機選用 Cygnal 公司的模擬和數字混合信號的單片機C8051F020[1],這顆芯 片具有高速51 處理器內核,高達25MIPS 運行速度;64K 字節片上Flash,4K 字節片上RAM(外 部RAM 可擴展至64K 字節)。兩個URAT 接口,一個SPI 接口和一個I2C 接口,一個采樣速度 為100KSPS,增益可編程的12 Bit ADC 單元(8 路AD 接口)和兩個12 Bit 的 DAC 單元。 在本設計中,利用單片機內部12 Bit 的 A/D 轉換電路測量電纜接點的電壓,12 Bit 的 DAC 電路控制測試激勵源的輸出電壓和電流。I2C 總線連接的8K 字節EEPROM,主要用來 保存所有繼電器的使用次數,防止繼電器出現壽命過載。外部擴展的16KB 的SRAM,用于暫 存測試數據。單片機外部擴展的EPLD,用于地址譯碼,擴展測試控制空間,包括和級聯機 箱的通信空間,測量接口板的繼電器、模擬復用器控制空間等。

3.1.1. 主測試儀和上位機的通信接口

測量過程中,主設備單片機需要實時向上位機上報大量測量數據,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 規范的器件 PDIUSBD12[2]。PDIUSBD12 通過高速通用并行接口與單片機進行通信,接口模式采用地址 /總線復用方式,對器件的讀寫就像單片機外擴的一片RAM 器件一樣,通過觸發單片機外 部中斷模式通知主程序處理上位機通信事件。

3.1.2. 主測試儀和級聯測試儀的通信接口

多臺測試儀進行級聯時,為了提高通信速度,簡化設計,設計中利用了單片機 C8051 的同步串行外設接口SPI,提供了超過2Mbps 的通信速度。主設備的單片機SPI 接口做主片, 從設備的單片機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聯, 包括串行時鐘線(SPICLK)、主片輸入/從片輸出數據線SPIMISO、主片輸出/從片輸入數據 線SPIMOSI、低電平有效的從片選擇線SPINSS 、一根用于從設備中斷請求的SPIINT 總線和三根選通IO 線。三根IO 總線用于和從設備地址譯碼,分時選通最多7 個從設備的內 部片選和中斷請求線,減少了連接的總線數量。當從設備地址未選通時,本機中的MISO 信 號線和INT 信號線處于高阻狀態。

主設備和從設備之間的 SPI 接口物理層連接采用RS422 總線驅動形式,RS422 接口采 用差分模式,在雙絞線上可傳輸10Mbps 的傳輸速率,可以滿足本設計中SPI 接口的需要。

3.2 精密恒流激勵源

當進行毫歐級的電纜精密測量時,需要一個低漂移的精密恒定大電流源。測試儀提供了 一個可編程的輸出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]是一個雙通道的100uA±0.5%的精密恒流源,流經20 歐姆的精密電阻Ref1 后產生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),適合作為測試儀精 密電壓放大電路。

 

 

圖 3 可編程精密恒流源電路簡圖

圖中恒流源跟隨器選用TI 公司的具有極低偏置電流(1pA)的精密運算放大器OPA602。 它的正輸入端和負輸入端相當于“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)

選用驅動力強的N 溝道MOSFET,當軟件設定G=1000 時,恒流源能輸出達1A 的精密 電流。圖中R1 和C1 的作用是提高運放穩定性,降低噪聲影響。

3.3 信號調理和A/D 轉換電路

如圖2 所示,A/D 轉換的測試接點電壓信號經由多片16 選一的模擬復用器MPC506A 選擇,由EPLD 控制,復用器輸出經背板傳到信號放大調理電路。當采用開爾文四線測量方法,精密恒定激勵電流為1A 時,若要求本機內的測量精度為1 毫歐,則最小分辨電壓為1mV。

單片機C8051F 內置了一個12Bits 的A/D 轉換器,輸入量程參考電壓VREF 為2.5V,A/D 測量分辨率為0.61mV。 考慮到噪聲和干擾對測試精度的影響,在A/D 轉換器之前加一個可編程增益儀表放大 器PGA204,當儀表放大器的增益為100 時,1mV 的讀數為1mV*100*211 /2.5V ≈ 81LSB, 充分滿足了測量精度的需要。

4 測試儀單片機軟件說明 主設備單片機完成和上位機、從設備的通信,激勵源的輸出控制,本端設備測試端口的 電壓測量等。和上位機通信的USB 接口PDIUSBD12 的固件程序設計成中斷驅動,占用單 片機的外部中斷1,通過設置中斷事件標志、交互數據緩沖區和單片機通信[4]。當單片機處 理前臺任務時USB 的傳輸可在后臺進行,這不僅保證了傳輸速度,而且軟件結構清晰,便 于編程和調試。 在設計中使用了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸三種模式。控制傳輸中只用來傳遞建立 控制信息,固定使用端點0;中斷傳輸使用端點1,用來傳送命令的傳遞和應答;批量傳輸 使用端點2,主要用來實現測試儀的測量數據上報。主測試儀單片機程序由三部分組成:① 初始化操作,包括單片機內部(定時器、中斷,端口等)和外圍電路的初始化、讀取本端和 級聯設備的狀態信息; ② USB 固件程序,用于響應PDIUSBD12 發出的中斷請求。

USB 中斷優先級設為最高,上位機發命令包給PDIUSBD12,它接到命令后就給單片機發中斷。 中斷程序中,單片機首先讀取PDIUSBD12 的中斷寄存器,判斷命令包類型,然后設定相應 的事件標志并將命令數據從PDIUSBD12 的內部緩沖區移到交互的數據緩沖區,通知主程序 已經準備好 ③ 主循環程序,根據USB 中斷事件標志,讀取數據緩沖區的上位機命令,根 據命令執行相應的操作。單片機處理上位機指令,向從測試儀分發測試命令,控制本設備測 試激勵源,測量本設備待測電纜端點的電壓,計算電纜的阻值,測量結果存入數據緩沖區。 在上位機發送IN 令牌中斷之后,固件將緩沖區數據發送出去。

5 上位機軟件說明

上位機軟件采用 VC 編寫,底層對USB 設備和硬件的驅動通過調用API 函數實現,操 作界面提供的主要功能有五個(如圖4):①.管理功能,如測試儀操作權限的管理,連接 和測試數據的報表查詢,打印等。②. 電纜的連接關系數據庫生成和輸入。連接關系可以采 用ACCESS 報表輸入或CAD 用戶繪圖形式生成。數據庫不僅包括線纜、接插件的連接、轉 接關系,而且包括它們狀態和電氣屬性等。③.轉接面板的設計。一般情況下,用戶的電纜 插頭和測試儀的面板插頭并不兼容,需要生產轉接的面板和電纜,轉接面板和電纜的生成, 用戶插頭和測試儀插頭的對應關系也需要形成數據表形式,便于電纜測量人員使用。④.測 試流程的設定。包括用戶定義功能和流程參數的設定,如測量范圍、測量次數、電纜測試阻 值門限值設定等。自學習測試是指測試儀通過全排列測試,自動找出電纜線束之間的連接關 系表。⑤. 測試結果分析。如測試結果和標準數據表的對比,這些結果還可以反饋回電纜網 設計的圖和表中,標識電纜的阻抗等。

6 結束語

該電纜自動測試儀采用級聯方式,測試容量大;精密恒流激勵源和信號調理電路的 使用,極大提高了測量精度。測試系統能夠全面管理電纜線束的設計、轉接和生產檢測, 可以顯著提高電纜測試的工作效率,適合在汽車、船舶和航天航空等領域使用。

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