一種大容量電纜自動測試儀的設計和實現

1、一種大容量電纜自動測試儀的設計和實現目前，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 束的平安牢靠用法，必需對線束的配線、阻抗和絕緣性能等舉行嚴格的檢測。假如采納人工 測量辦法，簡單造成漏檢和誤檢，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 線束舉行自動測量，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 快速建立起一套電纜線束的設計、轉接、應用和測量的整體計劃。

2、2 測試原理解釋電纜測試儀采納單端激勵源輸入測量的辦法。激勵源分為低小測試源，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，協(xié)作4 線開爾文測量辦法，可以 測量小于5 毫歐的精密阻值，能檢測出電纜的極小變幻。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。其它全部的測試接點 開關均打開，測量其它全部接點電壓，假如其它接點處測量到激

3、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 測試原理暗示圖由圖1 可知，逐點舉行全羅列測量，可以找出全部點的銜接關系和電纜阻值，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 測試儀的硬件組成囫圇系統(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7 臺測試儀以擴大測試容量

4、。為了靈便配置，測試儀采納基于形式的機箱插板式結構，圖2 為測試儀的硬件結構框圖?？刂茰y量板包括cpu 及外圍模塊， 完成和上位機、級聯機的通信，轉接測試指令和舉行指令的分發(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 制測量板舉行a/d 轉換。圖2 測試儀硬件結構暗示圖3.1 微處理器和外圍測試儀的選用 cygnal 公司的模擬和數字混合信號的單片機c8051f0201，這顆芯 片具有高速51 處理器內核，高達25 運行速度;64k 字節(jié)片上fla

5、sh，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 單元(8 路ad 接口)和兩個12 bit 的 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 總線銜接的8k 字節(jié)eeprom，主要用來 保存全部繼電器的用法次數，防止繼電器浮現壽命過載。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

6、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。接口電路采納 philips 公司徹低兼容usb1.1 規(guī)范的器件 pdiusbd122。pdiusbd12 通過高速通用并行接口與單片機舉行通信，接口模式采納地址 /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(fā)單片機外 部中斷模式通知主程序處理上位機通信大事。3.1.2. 主測試儀和級聯測試儀的通信接口多臺測試儀舉行級聯時，為了提高通信速度，簡化設計，設計中利用了單片機

7、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，采納菊花鏈的方式級聯， 包括串行時鐘線(slk)、主片輸入/從片輸出數據線spimiso、主片輸出/從片輸入數據 線spimosi、低電平有效的從片挑選線spinss 、一根用于從設備中斷哀求的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 部片選和中斷哀求線，削減了銜接的總線數量。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(tài)。主設備和

8、從設備之間的 spi 接口物理層銜接采納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 精密恒流激勵源當舉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3 所示。ref2003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，提供應儀表pga2043作為精密輸入電壓。pga204 是ti 公司的一款g = 1

9、/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尾隨器選用ti 公司的具有極低偏置電流(1pa)的精密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

10、*iref*ref1/ ref2= g*100ua *10 = g (ma) ( iref =100ua, ref1/ ref2=10)選用驅動力強的n 溝道，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(wěn)定性，降低噪聲影響。3.3 信號調理和a/d 轉換電路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 挑選，由epld 控制，復用器輸出經背板傳到信號放大調理電路。當采納開爾文四線測量辦法，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，則最小辨別電壓為1mv。單片機c8051f 內置了一

11、個12bits 的a/d 轉換器，輸入量程參考電壓vref 為2.5v，a/d 測量辨別率為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 測試儀單片機軟件解釋 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，通過設置中斷大事標記、交互數據緩沖區(qū)和單片機通信4。當單片

12、機處 理前臺任務時usb 的傳輸可在后臺舉行，這不僅保證了傳輸速度，而且軟件結構清楚，便 于編程和調試。 在設計中用法了控制傳輸、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，固定用法端點0;中斷傳輸用法端點1，用來傳送指令的傳遞和應答;批量傳輸 用法端點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： 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(tài)信息; usb 固件程序，用于響應pdiusbd12 發(fā)出的中斷哀求。usb 中斷優(yōu)先級設為最高，上位機發(fā)指令包給pdiusbd12，它接到指令后就給單片機發(fā)

13、中斷。 中斷程序中，單片機首先讀取pdiusbd12 的中斷寄存器，推斷指令包類型，然后設定相應 的大事標記并將指令數據從pdiusbd12 的內部緩沖區(qū)移到交互的數據緩沖區(qū)，通知主程序 已經預備好 主循環(huán)程序，按照usb 中斷大事標記，讀取數據緩沖區(qū)的上位機指令，根 據指令執(zhí)行相應的操作。單片機處理上位機命令，向從測試儀分發(fā)測試指令，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(qū)。 在上位機發(fā)送in 令牌中斷之后，固件將緩沖區(qū)數據發(fā)送出去。5 上位機軟件解釋上位機軟件采納 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

14、界面提供的主要功能有五個(4)：.管理功能，如測試儀操作權限的管理，銜接 和測試數據的報表查詢，打印等。. 電纜的銜接關系數據庫生成和輸入。銜接關系可以采 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、接插件的銜接、轉 接關系，而且包括它們狀態(tài)和電氣屬性等。.轉接面板的設計。普通狀況下，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，便于電纜測量人員用法。.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