一種大容量電纜自動測試儀的設(shè)計和實現(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，必須對線束的配線、阻抗和絕緣性能等進行嚴(yán)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(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(shù)據(jù)庫設(shè)計軟件，用戶可以 迅速建立起一套電纜線束的設(shè)計、轉(zhuǎn)接、應(yīng)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(dá)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(dá) 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(guān)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(guān)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(guān)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(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 為線束的檢測點數(shù)。

　　3 測試儀的硬件組成

　　整個系統(tǒng)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(lián)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(jié)構(gòu)，圖2 為測試儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖?？刂茰y量板包括CPU 及外圍模塊， 完成和上位機、級聯(lián)機的通信，轉(zhuǎn)接測試命令和進行命令的分發(fā)，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(zhuǎn)換。

　　圖2 測試儀硬件結(jié)構(gòu)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(shù)字混合信號的單片機C8051F020[1]，這顆芯 片具有高速51 處理器內(nèi)核，高達(dá)25MIPS 運行速度;64K 字節(jié)片上Flash，4K 字節(jié)片上RAM(外 部RAM 可擴展至64K 字節(jié))。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(shè)計中，利用單片機內(nèi)部12 Bit 的 A/D 轉(zhuǎn)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(jié)EEPROM，主要用來 保存所有繼電器的使用次數(shù)，防止繼電器出現(xiàn)壽命過載。外部擴展的16KB 的SRAM，用于暫 存測試數(shù)據(jù)。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(lián)機 箱的通信空間，測量接口板的繼電器、模擬復(fù)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(shè)備單片機需要實時向上位機上報大量測量數(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(fù)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(fā)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(lián)測試儀的通信接口

　　多臺測試儀進行級聯(lián)時，為了提高通信速度，簡化設(shè)計，設(shè)計中利用了單片機 C8051 的同步串行外設(shè)接口SPI，提供了超過2Mbps 的通信速度。主設(shè)備的單片機SPI 接口做主片， 從設(shè)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(lián)， 包括串行時鐘線(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，分時選通最多7 個從設(shè)備的內(nèi) 部片選和中斷請求線，減少了連接的總線數(shù)量。當(dāng)從設(shè)備地址未選通時，本機中的MISO 信 號線和INT 信號線處于高阻狀態(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)計中SPI 接口的需要。

　　3.2 精密恒流激勵源

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

　　3.3 信號調(diào)理和A/D 轉(zhuǎn)換電路

　　如圖2 所示，A/D 轉(zhuǎn)換的測試接點電壓信號經(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)背板傳到信號放大調(diào)理電路。當(dāng)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(nèi)的測量精度為1 毫歐，則最小分辨電壓為1mV。

　　單片機C8051F 內(nèi)置了一個12Bits 的A/D 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器之前加一個可編程增益儀表放大 器PGA204，當(dāng)儀表放大器的增益為100 時，1mV 的讀數(shù)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(shè)備單片機完成和上位機、從設(shè)備的通信，激勵源的輸出控制，本端設(shè)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(shè)計成中斷驅(qū)動，占用單 片機的外部中斷1，通過設(shè)置中斷事件標(biāo)志、交互數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和單片機通信[4]。當(dāng)單片機處 理前臺任務(wù)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(jié)構(gòu)清晰，便 于編程和調(diào)試。 在設(shè)計中使用了控制傳輸、中斷傳輸和批量傳輸三種模式?？刂苽鬏斨兄挥脕韨鬟f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(yīng)答;批量傳輸 使用端點2，主要用來實現(xiàn)測試儀的測量數(shù)據(jù)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(nèi)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(lián)設(shè)備的狀態(tài)信息; ② USB 固件程序，用于響應(yīng)PDIUSBD12 發(fā)出的中斷請求。

　　USB 中斷優(yōu)先級設(shè)為最高，上位機發(fā)命令包給PDIUSBD12，它接到命令后就給單片機發(fā)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(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)的上位機命令，根 據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。單片機處理上位機指令，向從測試儀分發(fā)測試命令，控制本設(shè)備測 試激勵源，測量本設(shè)備待測電纜端點的電壓，計算電纜的阻值，測量結(jié)果存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。 在上位機發(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 上位機軟件說明

　　上位機軟件采用 VC 編寫，底層對USB 設(shè)備和硬件的驅(qū)動通過調(diào)用API 函數(shù)實現(xiàn)，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(quán)限的管理，連接 和測試數(shù)據(jù)的報表查詢，打印等。②. 電纜的連接關(guān)系數(shù)據(jù)庫生成和輸入。連接關(guān)系可以采 用ACCESS 報表輸入或CAD 用戶繪圖形式生成。數(shù)據(jù)庫不僅包括線纜、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。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(chǎn)轉(zhuǎn)接的面板和電纜，轉(zhuǎn)接面板和電纜的生成， 用戶插頭和測試儀插頭的對應(yīng)關(guān)系也需要形成數(shù)據(jù)表形式，便于電纜測量人員使用。④.測 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，如測量范圍、測量次數(shù)、電纜測試阻 值門限值設(shè)定等。自學(xué)習(xí)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(guān) 系表。⑤. 測試結(jié)果分析。如測試結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表的對比，這些結(jié)果還可以反饋回電纜網(wǎng) 設(shè)計的圖和表中，標(biāo)識電纜的阻抗等。

　　圖4 上位機軟件結(jié)構(gòu)示意圖

　　6 結(jié)束語

　　該電纜自動測試儀采用級聯(lián)方式，測試容量大;精密恒流激勵源和信號調(diào)理電路的 使用，極大提高了測量精度。測試系統(tǒng)能夠全面管理電纜線束的設(shè)計、轉(zhuǎn)接和生產(chǎn)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(lǐng)域使用。