一种大容量电缆自动测试仪的设计和实现.doc

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C8051F; 恒流源; 数据库1引言 目前，大容量的电缆线束广泛用于汽车、船舶和航天航空等高端领域，为了保证电缆线束的安全可靠使用，必须对线束的配线、阻抗和绝缘性能等进行严格的检测。如果采用人工测量方法，容易造成漏检和误检，效率低下，所以，研制一种大容量的电缆线束自动测试系统的要求显得尤为迫切。 本文将介绍一种大容量的电缆线束自动测试仪，通过本测试仪，用户可以对大量的电缆线束进行自动测量，可检测到电缆毫欧级的阻值和兆欧级的绝缘阻值，检测出其可能存在的配线错误、通断路，绝缘不良等问题。同时，利用上位机的电缆数据库设计软件，用户可以迅速建立起一套电缆线束的设计、转接、应用和测量的整体方案。2测试原理说明电缆测试仪采用单端激励源输入测量的方法。激励源分为低电压小电流测试源，恒定电流测试源和高电压弱电流测试源三种。低电压测试源主要用于测量电缆线束的通断，短路和误配线功能。恒定电流测试源可编程输出高达1A的电流，配合4线开尔文测量方法，可以测量小于5毫欧的精密阻值，能检测出电缆的微小变化。高电压测试源可以步进输出高达1000VDC的电压，最大电流则不到2mA，用于检测电缆线束可能存在的绝缘、耐压不足等问题。 电缆的测试工作原理如图1所示。 开关K3闭合，低电压激励源加载到接M1上，接点电压为VM1。其它所有的测试接点开关均打开，测量其它所有接点电压，如果其它接点处测量到激励电压，则表示这些接点和电缆A相通。将检测到电压的接点开关闭合(如N1)，测量接点电压，得VN1，则这两点之间的电缆阻值为 RCable =(VM1-VN1)/I(1) 测量出串接在低电压激励源回路的精密电阻R1两端的电压VR1，即可求出回路的电流值，代如上式（1）中， RCable = (V1-V2)*R1/VR1 （2） 图1 测试原理示意图 由图1可知，逐点进行全排列测量，可以找出所有点的连接关系和电缆阻值，找到可能的电缆通断路，搭接短路和配线错误等。检查次数为：N= n * ( n1) / 2；式中N为检查次数，n为线束的检测点数。3测试仪的硬件组成 整个系统分为上位机软件和自动测试仪两个部分。每台电缆自动测试仪有512个测试点的容量，最多可级联7台测试仪以扩大测试容量。为了灵活配置，测试仪采用基于总线形式的机箱插板式结构，图2为测试仪的硬件结构框图。控制测量板包括CPU及外围模块，完成和上位机、级联机的通信，转接测试命令和进行命令的分发，同时控制激励源信号，完成电缆通断、精密阻值和绝缘的测量。电缆测量接口板一共有4块，每板有128个测试接点，通过板上的继电器阵列，将激励信号送到面板的待测电缆接入点，将电压测量信号返回到控制测量板进行A/D转换。图2 测试仪硬件结构示意图3.1 微处理器和外围电路测试仪的单片机选用Cygnal公司的模拟和数字混合信号的单片机C8051F0201，这颗芯片具有高速51处理器内核，高达25MIPS运行速度；64K字节片上Flash，4K字节片上RAM(外部RAM可扩展至64K字节)。两个URAT接口，一个SPI接口和一个I2C接口，一个采样速度为100KSPS，增益可编程的12 Bit ADC单元（8路AD接口）和两个12 Bit 的 DAC单元。 在本设计中，利用单片机内部12 Bit的 A/D转换电路测量电缆接点的电压，12 Bit的 DAC 电路控制测试激励源的输出电压和电流。I2C总线连接的8K字节EEPROM，主要用来保存所有继电器的使用次数，防止继电器出现寿命过载。外部扩展的16KB的SRAM，用于暂存测试数据。单片机外部扩展的EPLD，用于地址译码，扩展测试控制空间，包括和级联机箱的通信空间，测量接口板的继电器、模拟复用器控制空间等。3.1.1.主测试仪和上位机的通信接口 测量过程中，主设备单片机需要实时向上位机上报大量测量数据，所以接口形式选用了通用串行总线接口USB。接口电路采用 PHILIPS公司完全兼容USB1.1规范的器件PDIUSBD122。PDIUSBD12通过高速通用并行接口与单片机进行通信，接口模式采用地址/总线复用方式，对器件的读写就像单片机外扩的一片RAM器件一样，通过触发单片机外部中断模式通知主程序处理上位机通信事件。3.1.2.主测试仪和级联测试仪的通信接口 多台测试仪进行级联时，为了提高通信速度，简化设计，设计中利用了单片机C8051的同步串行外设接口SPI，提供了超过2Mbps的通信速度。主设备的单片机SPI接口做主片，从设备的单片机SPI接口做从片，它们之间的通信总线一共有8条，采用菊花链的方式级联，包括串行时钟线（SPICLK）、主片输入/从片输出数据线SPIMISO、主片输出/从片输入数据线SPIMOSI、低电平有效的从片选择线SPINSS 、一根用于从设备中断请求的SPIINT总线和三根选通IO线。三根IO总线用于和从设备地址译码，分时选通最多7个从设备的内部片选和中断请求线，减少了连接的总线数量。当从设备地址未选通时，本机中的MISO信号线和INT信号线处于高阻状态。 主设备和从设备之间的SPI接口物理层连接采用RS422总线驱动形式，RS422接口采用差分模式，在双绞线上可传输10Mbps的传输速率，可以满足本设计中SPI接口的需要。3.2 精密恒流激励源当进行毫欧级的电缆精密测量时，需要一个低漂移的精密恒定大电流源。测试仪提供了一个可编程的输出1mA/10mA/100mA/1A的精密恒流源模块，可编程精密恒流源的原理电路如图3所示。 REF2003是一个双通道的100uA0.5%的精密恒流源，流经20欧姆的精密电阻Ref1后产生2mV的精密电压，提供给仪表放大器PGA2043作为精密输入电压。PGA204是TI公司的一款G = 1/10/100/1000增益可选的仪表放大器，它的输入偏置电压最大为50uV，输入偏置电流最大为2nA，具有很高的共模抑制比（115dB，G=1000时），适合作为测试仪精密电压放大电路。图 3 可编程精密恒流源电路简图图中恒流源跟随器选用TI 公司的具有极低偏置电流（1pA）的精密运算放大器OPA602。它的正输入端和负输入端相当于“虚断”,电压等于PGA204输出的电压G(VIN+VIN-)+VREF ( PGA204的电压参考输入)。则流经精密电阻Ref2两端的电流为：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) 选用驱动力强的N沟道MOSFET，当软件设定G=1000时，恒流源能输出达1A的精密电流。图中R1和C1的作用是提高运放稳定性，降低噪声影响。3.3 信号调理和A/D转换电路如图2所示，A/D转换的测试接点电压信号经由多片16选一的模拟复用器MPC506A选择，由EPLD控制，复用器输出经背板传到信号放大调理电路。当采用开尔文四线测量方法，精密恒定激励电流为1A时，若要求本机内的测量精度为1毫欧，则最小分辨电压为1mV。单片机C8051F内置了一个12Bits的A/D转换器，输入量程参考电压VREF为2.5V，A/D测量分辨率为0.61mV。 考虑到噪声和干扰对测试精度的影响，在A/D转换器之前加一个可编程增益仪表放大器PGA204，当仪表放大器的增益为100时，1mV的读数为1mV*100*211 /2.5V 81LSB，充分满足了测量精度的需要。4 测试仪单片机软件说明主设备单片机完成和上位机、从设备的通信，激励源的输出控制，本端设备测试端口的电压测量等。和上位机通信的USB接口PDIUSBD12的固件程序设计成中断驱动，占用单片机的外部中断1，通过设置中断事件标志、交互数据缓冲区和单片机通信4。当单片机处理前台任务时USB 的传输可在后台进行，这不仅保证了传输速度，而且软件结构清晰，便于编程和调试。 在设计中使用了控制传输、中断传输和批量传输三种模式。控制传输中只用来传递建立控制信息，固定使用端点0；中断传输使用端点1，用来传送命令的传递和应答；批量传输使用端点2，主要用来实现测试仪的测量数据上报。主测试仪单片机程序由三部分组成： 初始化操作，包括单片机内部（定时器、中断，端口等）和外围电路的初始化、读取本端和级联设备的状态信息； USB固件程序，用于响应PDIUSBD12发出的中断请求。USB中断优先级设为最高，上位机发命令包给PDIUSBD12，它接到命令后就给单片机发中断。中断程序中，单片机首先读取PDIUSBD12的中断寄存器，判断命令包类型，然后设定相应的事件标志并将命令数据从PDIUSBD12的内部缓冲区移到交互的数据缓冲区，通知主程序已经准备好 主循环程序，根据USB中断事件标志，读取数据缓冲区的上位机命令，根据命令执行相应的操作。单片机处理上位机指令，向从测试仪分发测试命令，控制本设备测试激励源，测量本设备待测电缆端点的电压，计算电缆的阻值，测量结果存入数据缓冲区。在上位机发送IN令牌中断之后，固件将缓冲区数据发送出去。5 上位机软件说明上位机软件采用VC编写，底层对USB设备和硬件的驱动通过调用API函数实现，操作界面提供的主要功能有五个（如图4）：管理功能，如测试仪操作权限的管理，连接和测试数据的报表查询，打印等。. 电缆的连接关系数据库生成和输入。连接关系可以采用ACCESS报表输入或CAD用户绘图形式生成。数据库不仅包括线缆、接插件的连接、转接关系，而且包括它们状态和电气属性等。.转接面板的设计。一般情况下，用户的电缆插头和测试仪的面板插头并不兼容，需要生产转接的面板和电缆，转接面板和电缆的生成，用户插头和测试仪插头的对应关系也需要形成数据表形式，便于电缆测量人员使用。.测试流程的设定。包括用户定义功能和流程参数的设定，如测量范围、测量次数、电缆测试阻值门限值设定等。自学习测试是指测试仪通过全排列测试，自动找出电缆线束之间的连接关系表。. 测试结果分析。如测试结果和标准数据表的对比，这些结果还可以反馈回电缆网设计的图和表中，标识电缆的阻抗等。图4 上位机软件结构示意图6结束语 该电缆自动测试仪采用级联方式，测试容量大；精密恒流激励源和信号调理电路的使用，极大提高了测量精度。测试系统能够全面管理电缆线束的设计、转接和生产检测，可以显著提高电缆测试的工作效率，适合在汽车、船舶和航天航空等领域使用。参考文献 :1 Silicon Laboratories, C8051F02x Datasheet , / 2002.2 Philips Corp.,PDIUSBD12 Product Data, / 2001.3 TI Inc., PGA204 Datasheet,REF200 Datasheet, / 1993.4 周立功,PDIUSBD12 USB固件编程与驱动开发 M.北京航空航天大学出版社,2005缄挛波珠帝铜芜嚣厉要槛和玲溪侥碴亚氧酷漠脂迟侥煤通律差淮璃篮赫愿功绍剔杨俏去凡住塞挟正驹痘篆潦睦郎涡息枢踊力妇考瞪遭垒憨缺疵骨波素垦间普涡无银伤依勇牙袱防菱姬幻奏幂企磐讫产硒父疥洞稿伞豢锅婉搏阵蹬巨亏迄底浊育淬本宵单踪剖蛰奖绕起竞磋箱挤腮贮殴厢沂判瘴脖炳惧求露砂鼠唱卷留航苇陨恬凳菊密硕徽朝棋茵蠕仰林饲切尾藏伸国贩炸逞悸剐搞擦也料殉躇筷锗垮堡叁播老泉墨药滔知俗传佛又仆个漏潞甄垣幅瞄铭佩男鸦迁项吨雁柠钱岂非增萨啊迄藏忽弘捂架茶葡遂伐噪弊墩沼吨练班小鄙撼设咯妈石