- 探究智能型電纜測試系統的設計與實現
- 學習測試系統的構成、原理
- 分析測試系統工程應用方案研究
智能型電纜測試系統采用單片機和工控機相結合的方案實現了1 536個測試點之問導通和絕緣關系的測試。詳細說明了基于單片機的硬件電路設計原理和工程應用方案。經實際測試，電纜測試系統達到了設計要求，大幅度提高了測試的效率和準確性。
引言
隨著航空設備自動化程度的不斷提高，多芯電纜越來越多地得到了應用，電纜的性能也很大程度地影響著設備的正常工作。由于多芯電纜芯數增多，其互聯關系也變得更復雜，這就要求電纜測試設備具備更多的測試點數。傳統的手動測試方法費時費力，準確性差，已經不能滿足工程化，批量生產的需要。本文提出了一種針對航空多芯電纜故障檢測的新方案，并闡述了系統構成和測試原理。
1 測試系統構成
電纜測試系統主要由工控機系統，單片機系統和繼電器陣列三部分構成。其中工控機負責人機交互和數據處理，單片機系統控制硬件電路完成相應動作，繼電器陣列負責響應譯碼電路的請求將外部電纜接入測試系統。單片機和工控機通過USB進行通信。如圖1所示。
工控機選用研華的IPC-610工業控制計算機作為終端，負責人機交互和數據交換。電纜測試系統的軟件主要由人機界面和數據處理部分構成，人機界面將操作者輸入的信息轉化成相應的命令，控制單片機進行不同的操作;數據處理部分對測試數據進行比對和修正后，建立測試數據及其端口信息的數據庫，最終生成被測設備端口的導通和絕緣關系，并提供顯示和打印等功能。
繼電器陣列由3168個繼電器實現了1536個測試點之間的導通/絕緣測試和繼電器組之間的隔離。1 536個測試點分布在12塊單板上面，每塊單板上面有128個測試點，單板內又分為16行，每行8列，即12×16×8=1 536。每一個測試點由兩個繼電器控制，分別是輸入繼電器(Kat)和輸出繼電器(Kab)。每塊單板對應外部的一個128芯的航空插頭，負責和被測產品的連接。其原理如圖2所示。
2 測試系統的原理
電纜測試系統硬件部分以單片機為控制核心，主要分為導通測試電路，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 導通測試部分
由于導通電阻很小，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，將輸出信號送入差分放大器，從而消除了共模干擾，可以提高測試的準確性。其原理如圖3所示。
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現。
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2.3 繼電器譯碼電路
繼電器譯碼電路的作用是在單片機的控制下將1 536個測試點中的某兩個測試點接入相應的測試電路。比如譯碼電路選中測試點1的輸入繼電器Kat和測試點2的輸出繼電器Kab，外部的被測電纜通過這兩個測試點接入相應的測試電路，從而實現了導通或者絕緣測試。為了實現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。
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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構，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，負責選擇12塊單板中的某一塊;第二級譯碼電路由AT06，AT05，AT04，AT03組成，負責選擇某塊單板中的某一行;第三級譯碼電路由
AT02，AT01，AT00組成，負責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的輸入繼電器驅動電路，從而將該測試點接入了測試電路。地址信號在單板與單板之間經過74HC245的隔離，防止其驅動能力下降。輸出繼電器的選擇過程完全一樣，不再贅述。
3 工程應用方案研究
3.1 電纜測試系統工作流程
電纜測試系統由單片機和工控機共同作用來實現，工控機的人機交互界面將操作者輸入的信息通過USB發送給單片機，單片機根據這些命令啟動相應的外設，實現相應的測試功能。電纜測試系統可實現系統自檢，全部導通/絕緣測試，單獨兩點之間導通/絕緣測試和指定區間內兩點間導通/絕緣測試。單片機的工作流程如圖 8所示。
下面以導通電阻測試為例來說明電纜測試系統的工作流程：當被測產品通過轉接電纜接入電纜測試系統后，操作者通過參數設定來選擇被測產品的型號。當單片機接收到全部導通測試的命令，首先閉合測試點1的輸入繼電器，其次依次閉合第2個測試點的輸出繼電器，第3個測試點的輸出繼電器到第m個測試點的輸出繼電器(m∈[2，1 536]);當閉合測試點n的輸入繼電器(n∈[2，1 535])后，依次閉合測試點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。工控機上的數據處理部分將這個電壓值和對應的地址信息生成數據庫，在測試結束時，工控機將生成的數據庫與標準的數據庫進行比對，從而確定出被測產品中那些通道是導通的。導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通測試類似，但是需要特別注意的是在執行絕緣測試命令時，系統首先會對測試區間內的點進行一次導通測試，并記錄導通的通道號，這樣在工控機向單片機發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品的安全，防止高壓短路可能引起的災難性后果。
需要說明的是絕緣測試電壓由采用SG3524芯片的開關電源來實現，將15V直流電壓作為輸入電壓，由SG3524產生的PWM脈沖經過MOSFET推動之后，驅動升壓變壓器，經過倍壓、整流、濾波后得到穩定的高壓輸出，該高壓輸出反饋回SG3524的比較輸入端，通過數字電位器來控制PWM波形的占空比，從而使得輸出電壓恒定。
3.2 電纜測試系統自檢流程
為了保證設備本身的工作正常，電纜測試系統提供自檢功能。自檢流程分為兩部分，第一部分對USB通道進行自檢，USB自檢流程如圖10所示。系統上電后，工控機發送校驗指令，單片機判斷校驗碼是否正確，在校驗碼正確的情況下，按照協議返回復碼，工控機判斷回復碼正確的情況下，USB通信建立正常。第二部分是對繼電器陣列進行自檢，其流程與導通測試類似。以測試點1和測試點2為例，首先，閉合測試點1的輸入繼電器，采樣測試電壓，如果系統判斷為斷開，則可以說明測試點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1的輸入繼電器是否為常閉故障。其次，分別打開測試點1的輸入和輸出繼電器，如果系統判斷為導通，在第一步的基礎上就可以說明兩個繼電器均正常;如果系統判斷為斷開，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1的輸入繼電器和測試點2的輸出繼電器，如果系統判斷為導通，則可以說明內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問題。
電纜測試系統實現了嵌入式子測試系統與主控計算機的有機結合，具有良好的擴展性和通用性。經實際測試，可以實現多種產品內部電纜連接關系的測試，大幅提高了測試效率和準確性。
