（通信与信息系统专业论文）智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系测试仪的研制.pdf

硕士论文智能型电 线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 ab s t r a c t i nt h ed e b u g g i n go r毗i n t e n a n c e盯o c e s so fe l e c t r i c a le q u i 卿e n tand e l e c t r o n i cd e v i c e ，i ti ss 1 g n i f i c antt oc h e c kt h ec o n n e c t i o nr e l a t i o n s h i pa n d m e a s u r et h ei n s u l a t i o nr e s i s t anc eb e t 能e nt h e刚l t i 一 c o r ec a h l e .e s p e c i a l l y f o r t h e n o n 一 s t a n d a r d e q u i p 田 e n t ， t h e c abl e d e t e c t i o n i s p a r t i c u l arl y i n d i s p e n s abl e .h 卿e v e r ，t h el 叩 e f f i c i e n c y ，t h eh e a v yl abo ri n t e n s i t yf o r w o r k e r s ， a n d s o m e o t h e r s h o r t c o m i n g so f t r a d i t i o n a lm e t h o d s c a u s e t h e d e t e c t i o nu n a b l et ob ec arr i e do u ts moo t h l y .duet oal a r g e盯o p o r t i o nt h a t h u manf a c t o r sa c c o u n tf o r ，t h ea c c u r a c yo fd e t e c t 1 o nr e s u l t si sh a r dt o g u a r ant e ee i t h e r . i nt h i st h e s i s ， an i n t e l l i g e n t c abl e d e t e c t i o ni n s t r u 爬n ti ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d ， w h i c h b a s e s i p c ( i n d u s t r i a l p e r s o n a 1 c o m p u t e r ) a n d a m i c r o p r o c e s s o r a sc o n t r o lc o r e ，a n de 1 i m i n a t e st h et r a d i t 1 o n a im e t h o d sd e f l c i e n c i e sa n d s h o r t c o m i n g s .w i t hd i f f e r e n tm e a s u r i n gr e q u i r e m e n t s ，t h ep a r 胡e t e r sa n d d e t e c t i o np r o c e s ss e t t i n g sc an b ee a s 1 l yc h a n g e d . i nt h ea r e ao ft h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ，t h ed e t e c t i o ns p e e da n dt h ep e r s o n a ls e c u r i t y ，e t c， t h es y s t e mh a sm a d eg r e a ti m p r o v e m e n t s . a c c o r d i n g t o t h e p r a c t i c a l d 朗a n d s ，t h e 哪p e r c o 口 p a r e d t h e f e a s i b i l i t i e s ， a d v a n t a g e sa n dd i s a d v ant a g e so fr e 1 a t e dd e t e c t i o nm e t h o d s .b a s e do nt h e a nal y s i s ，t h ed e s i g na n di 呻l e men t a t i o no ft h eh a r d w a r e ，s u c ha st h e m e a s u r e m e n tc i r c u i t ，t h eh i g h 一 v o l t a g em o d u l e ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t a n dt h e u s bi n t e r fac e ，e t c . ， 粉sd e s c r i b e di nd e t a l l . m e a ll w h i l e ，t h es o f t w are fra 田 e w o r kandf l 仰c h a r tw a sd e e p l yana l y z e da n dt h ec o d e sh a db e e nw r i t t e n i nvc+ +e n v i r o 脱 n tb a s e do nt h edao ( d a t aa c c e s sobj e c t ) d a t a b a s et e c h n o l o g y a n dt he b o t t o m es u p h i e r a r c h i c a l d e s i g n met h o d . f i n a l l y ，t h e s y s t e mc a l i b r a t i o n andt h ec a l i b r a t i o nd a t a百 e r ep r e s e n t e dandana l y z e d . k e y加r d s :c abl ed e t e c t i o n ，m cu，i p c ，u s bi n t e r f a c e ，i n s u l a t i o n r e s i s t anc em e a s u r e 鹏n t ，c o n n e c t i o nr e l a t i o n s h i pd e t e c t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与 通断关系侧试仪的研制 1绪论 1 . 1前言 多 芯电 缆常用于 短距离内电 能的 输送和控制信号的 传 递l 。 随 着设备自 动化水平 的提高， 在飞机、 导弹、 卫星、 舰船、 航天器以及特种车辆等大型装备中， 使用的多 芯电缆逐渐增多. 受烧蚀、腐蚀、 潮湿和高低温等不良因素的影响，而且部分电缆为 移动铺设， 易受挤压、 拉伸、 弯矩和扭矩等外力作用， 电缆在使用过程中不可避免地 会发生故障。 有统计研究表明， 上述领域中超过20% 的系统故障是由电缆的失效引起 的 习 幻 田 ， 。 可见， 多 芯电 缆发生故障己 成为影响系统整体可 靠性的 一个重要因 素。 对于集精密机械、 微电子等技术于一体的复杂设备的内部电缆的测试， 我国一直 采用人工作业的方法对其性能进行检定。由于技术难度大、 人工操作时间长、 计算繁 杂，而且检测精度和评定结论在很大程度上取决于检定人员的技术水平和工作经验。 这对于一些人员变换频繁、 技术力量相对薄弱的单位来说， 成为一个鱼待解决的难题。 因 此， 开发一套基于流行控制总线技术实现计算机程控， 具备检测精度高、 操作 简便、 人为干扰因素少的电缆自 动测试系统， 对于确保设备仪器的正常使用， 加强设 备维护单位技术保障能力， 促进设备仪器检测的现代化具有重要社会效益和显著经济 意义。 近年来， 微处理器( 也称单片机) 凭借其性能高、 功能全、 体积小和环境适应性 强等优点， 在自 动控制领域越来越受到人们的青睐， 在武器系统中的应用也逐渐显示 出 广阔的 前景， 尤 其是 在导弹测试 领域中的 应用日 益被业内 人士所关注们 周 。 导弹电缆的电阻测试一直存在着测试点多、 时间要求紧、 测试环境恶劣等客观困 难。 导弹及其控制附件的电缆的导通电阻和绝缘电阻测试， 是导弹控制系统测试的重 要项目 之一闭 。 导通电 阻反映出电 路点 之间的通断关系， 绝缘电阻则反映电路独立回 路之间绝缘程度，它们量值的合格与否直接影响控制系统的可靠性和导弹发射的成 败。 所以， 提高弹药电 缆侧试的快速性、 高可靠性和方便实用性一直是导弹研制、 生 产和使用单位的追求目 标。 本文研究设计了一套联合工控机与单片机作为控制核心， 融可编程通用外接芯片 等外设组成的智能测试系统，实现了快速量值传递，具备通用性/ 综合性强、可靠性 高、 配套完备等特点， 成功地解决了电缆电阻测试中存在的矛盾与问题， 在反演导弹 以及其它未知设备的内部连接构成方面取得了可喜的效果。 1 . 2电缆测试技术现状及存在问愚 日 本学者在上世纪80年代初期就开始进行电缆绝缘测试方面的研究工作，开发 l 硕 上 论文 智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 出如直流分量法、叠加电压法和电介损耗法等多种检测技术，并在80 年代后期研制 出多种检测仪器. 同时， 国内 学者也对此问题进行了 研究工作， 提出了一些检测方法， 并推出了相应的产品sj 。 目 前电缆电阻的测量方法和仪表有很多， 但大多用于实验室环境测量; 而且一般 是采用高压兆欧摇表对电缆绝缘电阻一一检测， 对于多芯电缆系统， 这种方式显然费 工费时. 在gb3 o 48. 5 及3 0 48 6 标准中， 规定了电 线电 缆绝缘电阻的两种试验方法， 即检流计比较法和电 流一 电压法 ( 高阻计法)。 以上两种测试方法各有优缺点， 检流计比较法在同一测试电压下， 分别对标准电 阻器及被测电阻进行比较测试， 测试验果与测试电压的绝对精度无关， 仪器具有精度 较高、 重复性与稳定 性较好的优点， 但仪器体积庞大、 测量速度慢， 一般只适用于计 量室等固定场合使用。电流一 电压法测试仪则改进了检流计比较法的某些缺点，但测 量结果与测量电压的数值有关， 故对测量电压的精度、 稳定性及内阻都有较高的要求， 此外， 它在不同测量电压下具有不同的读数刻度线， 需将读数乘上不同的电压系数才 能得出 测量结果， 给使用带来了 不便卜 田 。 回复电 压法( r et盯nv olt agem eth od， r v m ) 是一种简便、有效的检测方法。它的 基本原理是利用绝缘介质施加直流高压时会呈现极化现象， 表面出现束缚电荷， 内部 偶极子定向排列。 撤去外施电压并短接两极后， 表面电荷立即释放， 同时介质内部会 发生去极化过程。 去掉两极间的短接线后， 去极化过程仍在继续，自由电荷会在电极 之间呈现一个电势差， 该电压称为回复电压。当电缆绝缘受潮、 脏污或老化时，介电 性能的变化会使其回复电 压发生明显改变卿， 。目 前己 有采用此原理的成套测量仪器， 国内如浙江、香港等地己 将此方法试用于电力变压器、电缆等的绝缘测试。 r vm法为 检查绝缘受潮、老化等提供了 一种简便实用、经济有效的离线检测方法。 上面介绍了离线检测电 缆绝缘电阻的仪器与方法， 而在有的工程应用中则需要实 时在线测量电缆电阻， 一是要在尽量短的时间内测量出电缆电阻值， 二是要尽量减少 在线信号与测量信号之间的影响。 近年来， 国内有不少高校纷纷与铁道部门、 电信部 j 和电力部门等单位合作， 开发出了一些测试设备。 如由上海铁大电信设备有限公司 与同济大学于2 0 03年联合研制的铁路信号电缆绝缘在线测试系统， 解决了测试干扰、 设备互容等关键技术。 该测试系统由电缆切换电路、 恒压发生器、 电压电流取样电路、 滤波电 路、 a /d 转换电 路和单片机电路组成;武汉大学自 动化系于2 0 04 年研制的铁 道信号电 缆绝缘在线检测系统， 采用p lc作为监测系统的核心， 通过通讯模块与上位 机相连接， 上位机不仅根据相应的规程要求发出绝缘测试命令， 分析与管理所有的数 据， 而且实现与各级管理部门的网络通讯。 然而上述产品分别存在系统规模较小、 配 置灵活度较差、 性价比低、 网络功能欠缺、 安装接线工艺复杂等不足; 且不具备分布 式测量能力，对电缆较多的工控场所实现全局在线测量时的实时性要求难以胜任。 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 1 . 3论文研究背景和意义、内容 1 . 3 . 1研究背景 本文对智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系测试仪( 后称为电缆测试系统) 进 行研制的课题是依照某空军研究所的某项目 要求而设定的。 该单位待测装备系统的 种类多、 内部电 缆连接纷繁， 数目 一般在数千以 上， 复杂 程度极高。 按现行的核查连线及测试方法， 检定过程自 动化程度低， 绝大部分工作依 靠人工完成， 需要耗费大量的时间和人力， 存在着测试效率低、 测试周期长、 检定结 果波动性大等问题。 因此， 迫切需要一套具备高自 动化性能的测试系统， 使其能够自 动完成电 线电缆的导通关系和绝缘电阻测量任务， 并具备后期的数据分析和结果保存 的功能。 本文正是在满足该单位此种需求的这一背景下， 开展对多芯电缆的通断关系和绝 缘电阻测试的研究的。 1 . 3 . 2研究意义 在实际的设备维护、保养任务中，使用常规的万用表手工检测往往是行不通的， 因为: 1 . 设备的内部电缆一般都数目 繁多，手工检测效率太低; 2 . 要检测出 某一芯电 缆与所有其他芯电 缆的导通关系，手工检测精度太低。 电缆测试系统可以对测量正确性、 测量速度、 测量人员人身安全等方面有很大的 改善， 可以 针对不同的测试要求方便的设定测量模式， 可以处理、 记录、 保存相关结 果，节省了电缆测试的成本。 在测量方面， 将绝缘电阻测量网络和电缆导通关系测量网络融为一体， 减小系统 的体积和功耗。 在通信和数据处理方面， 融合单片机嵌入式设计技术、 面向对象的软 件设计方法、 u sb通信接口 和计算机通信技术， 大幅提高系统自 动化程度， 一名测试 人员即可完成所有的测试操作。 由于电缆测试系统实现了 快速自 动的智能化测试， 所 以可以在短时间内对被测电缆进行多次测量。 通过对多次测量结果进行数据比 对和综 合分析， 可以进一步提高测量结果的准确度，为待测装备系统的检查、调试、 维修提 供一份有实际参考价值的资料。 1 . 3 . 3研究内容 本文围绕电缆测试系统的设计研发展开，首先从电缆测试技术的方法及发展入 手， 介绍当前较为流行的各种电气设备的绝缘电阻和电缆通断关系检测的方法。 之后， 3 硕 士论文 智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 着重论述电缆测试系统框架的敲定、 功能模块的架构和测试流程的组成等， 主要包括 以下研究内容: 1 . 设计以51系列单片机作为核心的测试系统，选用合适的芯片器件构成其采样 电路、 测量回路电路和u sb接口电路等外围功能模块， 同时设计并绘制由此构成的印 制电 路板( pri n t e dc i r c u i tb o a r d ， 代b ) . 2 . 研究如何在直流低压情况下测量待测电缆的导通关系，并给出导通电阻阻值， 不出现误测情况; 设计能产生稳定度高、 误差小的直流高压的模块， 并将此电压作为 绝缘电阻测试电压，安全可靠的加到电缆两端进行电缆绝缘性能的测试。 3 . 将测试点合理构成一个简洁清晰、 紧凑有序的模块化继电器矩阵， 轻松方便的 完成地址译码、 锁存等工作; 优化继电 器的驱动电路， 保证其在长时间连续的扫描状 态下正常的完成吸合、断开等动作。 4 . 实现下位机与上位机相互之间能够利用u sb接口 进行通信， 完成相关的通信协 议、 接口 驱动、控制软件等的编写，实现高速有效的信息传递。 5 . 在 w indows 环境下，充分利用可视化开发工具和面向对象的程序( o b j e c t ori e n t e dprogr 如 i ng， 加p ) 设计思想，开发界面友好、运行稳定的 操作软件:建立 管理测试结果的数据库，降低对操作人员的技术要求和劳动强度。 硕士论文智能型电线电组的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 2系统构成和技术难点 2 . 1测试系统的构成 电缆测试系统采用上位机与下位机相结合的方案， 主要由测试部分、 控制部分和 人机交互部分等三大部分组成， 如图2 . 1 . 1 所示。 基于对可靠性的 考虑，上位机采用台湾研华( a d vantech)公司的i pc一 6 10工业控 制计算机，下位机采用融测量回路与测量矩阵控制电路为一体的嵌入式单片机系统。 汉 0 试电 缆的接插件采用航空插座， 每个插座含12 8 芯， 共使用12个插座( 即共含1 5 36 芯)。进行电缆测试时，使用专用转接电缆连接本系统与导弹待测电缆的相关端口。 上位机与下位机通信接口 通过u sb 总线连接，方便数据和命令的传输。 软件方面的功能构成， 主要是由 上位机负责完成u sb通信通道的建立， 读取键盘 等设备的录入信息并转化成相关指令发送，将测试状态信息和测试结果等通过 l cd 显示器显示: 以及根据下位机返回的测试数据生成测试结果建立数据库， 对测试数据 进行比较、 修正等。 下位机软件则能够依据接收到的命令控制高压电路、 u sb通信电 路、 矩阵模块译码电 路、 测量模式控制电路、 测量回路和数据采集电路等硬件设备进 行各种电缆测试功能。 图2 . 1 . 1测试系统的构成 2 . 2系统设计的技术难点 如何产生绝缘测试高压， 并且安全地通过测试系统电路板及相关电子元器件加到 待测电缆的两端;如何对数目 庞大的电缆进行编号，设计继电器矩阵;如何实现usb 通信接口的固件电路和通信协议的设计; 如何进行合理、 高效、 稳定的测试流程设计; 如何建立数据库， 保存、 处理和归类测试结果等等， 都是需要在电缆测试系统的研发 过程中解决的技术难点。 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系测试仪的研制 2 . 2 . 1侧量回路的设计 在对电缆的绝缘性能进行测试时， 需要将测试高压直接通过接插件加于被测电缆 两端。 显然采集系统不可能直接将数百乃至上千伏的压值作为输入信号， 因而必须要 设计一个测量回路， 由 精密电阻网络和其他相关元器件构成分压电路， 使得测量回路 输出的测试信号不会超出采样压值的范围。 同时，由于测试信号微弱， 波形复杂多变， 所以极易被背景噪声和外界电磁干扰 噪声淹没。 为了满足测试精度要求， 测量回路中必须包含放大和滤波电路部分， 以保 证输出信号满足数据采集系统的采样分辨率，使之准确采集测试信号。 2 . 2 . 2高压产生技术 直流电压变换器由 于采用了单片集成，使得芯片外部所需的器件数目 得以减少， 而开关电 源的功率密度则得到了显著提高。 但控制电 路和功率开关管都集成在芯片内 部， 如何设计控制电路使电源在较宽的输入输出电压范围内具有良 好的稳定性， 如何 设计功率开关管使其能承受高压大电流， 也就成了一大挑战。 另外，开关噪声也容易 从功率开关管部分引入到控制电路部分， 如何在两者之间进行有效的噪声隔离也是巫 待解决的问题，0 ， ， ， 。 2 . 2 . 3继电 器矩阵的设计技术 在自 动测试系统( a u t o lnatict e s ts y s t em， ats)中，经常需要对多路数据进行采 集， 有时还需在不同的测试流程中获取不同 通道的数据信号幻 。以往人们常通过增加 a / d 采样前端的模拟开关数目 来解决， 但这样增加了 测试系统的复杂性以及软件操作 的重复性工作; 而采用多个分立的继电器单独控制切换不同的数据通道则需要较多的 外接数字1 / 0 口 ， 使得系 统的 走线十分复 杂， 增加了 测试系统的 规模和难度叫。 针 对 这一情况， 本文采用继电器矩阵模块来实现对测试系统中多路信号的实时采集，具有 较大的灵活性和较强的可扩展性。 国内外现有的控制系统一般作开关群控，通信速率较低，控制同步性能也不高， 不能满足大规模动态 控制要求; 而成本 价格高昂 也是 难以 被普遍采用的 一 大原因周 。 因此， 研究出经济实用， 能满足巨量、多点、 实时的大规模动态控制要求的多芯电缆 扫描矩阵具有较高的实用价值。 2 . 2 . 4usb 接口 通信技术 通用串行总线( u niversals eri alb us， u s b)技术，是近年来应用在计算机领域的 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 热门 接口 技术 旧 。 它如同rs一 2 32接口 的应用场合一样，只要能提供相应的u sb硬件 接口 和实现需要的u sb通信协议， u sb接口同样也可以 应用在嵌入式设备中。 计算机 有着丰富的软、 硬件资 源， 可以 很好地实 现u sb通信接口 川 。 但是， 如何在嵌入式设 备中实现usb 接口是真正的挑战， 实际上这也决定了usb 接口在嵌入式设备中的应用 模式。 2 . 2 . 5误差处理技术 在对电子仪器电缆进行检测的过程中， 由于测试参量转换太快、内部电容充放电 等， 都将给 测试结果带 来误差侧。 在详细 分析误差产生来 源的 基础上， 采取一 系列有 效的误差处理方法。 结合设计、调试过程中的实际情况，从软、硬件方面多点考虑， 解决给电阻测量带来的误差问题; 采用多种方法减小系统测试过程中产生的误差、 提 高整个测试系统的可信度。 2 . 2 . 6控制软件设计技术 基于计算机的系统可以根据需要进行可视软件开发， 以增强系统的可操作性。 一 些可视编程环境， 如v i s u a l c + + 、 v i s u a 1 b asi c 和d e l p h i 等都为简化计算机编程迈 出了 可喜的一步，j1 4 幻 1词 .为了降低使用过程中对操作人员的技术要求，软件系统在 扔n d 洲5 环境下开发，使系统具有友好的 操作界面。 嵌入式系统控制软件的开发则基于汇编语言进行编写。 对于相似的功能， 采用模 块封装的形式， 保护系统流程的安全执行。 各模块在实现方法上相互独立， 减小了软 件中 错误的扩散。 同时， 将部分硬件的故障现象和定位交由 软件进行处理、 反馈， 使 故障得以直观地反映，提高了整个系统的容错能力。 2 . 2 . 7数 据库技术 电缆测试结果的内 容重叠、 信息量大、 相互关系错综复杂， 传统的方法是通过常 规统计报表获得汇总数据.因为缺乏基础特征信息，汇总数据受人为因素影响较大， 而且不能紧随测试信息的变化而即时更新， 导致数据的准确性和时效性都很差。 更重 要的是， 由于缺乏统一的数据标准和数据库平台， 统计报表数据的可理解性和可比性 都无法保证， 测试结果数据的分析、 利用受到严重制约， 进而导致大量人力、 财力资 源的浪费，lj 刚。 因 此， 系统地提出一套测试结果数据元标准化的方法， 以 统一的格式 定义和管理电缆测试结果数据， 保证电 缆导通及绝缘信息的收集、 整理与分析具有良 好的一致性，为测试人员进行高效、准确的数据分析提供保障。 硕士论文 智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系测试仪的研制 3电缆检测电路的设计 3 . 1测量原理 在两个导线间有高压作用下，其中间的绝缘介质上会有泄露电流1 ，该电流与绝 缘体的材料，以及外加高压的波形、幅值和作用时间有关。泄露电 流工 由三部分合成 圆 ， 如图 3 . 1 . 1 所 示 。 一 工 c 资 1 。 沙一一一 一t 图3 . 1 . 1电流1 。、10 、ic 及其合成的泄露电流1 其中10 为漏导电流， 是由 带电绝缘体内部离子在电 场作用迁移产生的， 大小由介 质在直流电 场中的导电率所决定， 是一个纯阻性电流:ic 为电容电流，是导线、绝缘 介质和其他导线间组成的电容在高电压作用开始时形成，并迅速衰减到零的指数波， 是一个纯容性电流;1 。 为吸收电流， 是随高压时间增长而衰减的电流，比电容电流要 慢得多， 是一个绝缘体缓慢极化的 过程。 泄露电流工 随时间增加会趋于恒定值1 。 ， 它 反映了设备的绝缘状况，国标规定绝缘电阻应在施加电压1 分钟后测量。本系统中， 首先将高压直流电源经继电器加到被测电缆的导线芯上， 该导线芯与其他的导线芯间 绝缘介质上的泄露电 流1 经转换电 路，由 单片机控制采样测量电阻上的电 压值来计算 出电缆的绝缘电阻值。 3 . 2常用检测方法 常用的电缆故障检测方法有电 桥法、 电容法、 高压电声法、 音频脉冲法和行波法。 每种方 法各有优点 ， 适用的 故 障类型也不尽相同 的 引 。 考虑 弹药电 缆的 实际 情况和可 测 方式， 本节简单介绍了几种常用的测试方法: 电流电压法、 电容充电法和惠斯登电 桥 法。 3 . 2 . 1电流电压法 电 流电 压法应用最为 广 泛， 基本原理如图 3 . 2 . 1 所示17) 。 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 口】. 皿 . 巨 各 图3 . 2 . 1电流电压法原理图 在测量电压ut 稳定的条件下，采样电压u b 与回路中的电流l 成正比，即: u ， 二 1 二 r .( 3 . 2 . 1 ) u ， 在式(3. 2 . 2)中，凡 为限流电阻; ( 3 . 2 . 1 ) 和式( 3 . 2 . 2 ) 可得: r 。 + r 、 + r 。 r : 为被测电缆的绝缘等效电阻; ( 3 . 2 . 2 ) 凡为采样电阻。由式 u i = u : r ， r 。 + r 、 + r m ( 3 . 2 . 3 ) 测量电压ut 为稳定电压源的输出值， 限流电阻ro 和采样电阻凡 均为已知的固定值， 因此，由式( 3 . 2 . 3)就可求得绝缘电阻rx的值: r ， = 卫 卫 旦 一 r 一 r _ u l ( 3 . 2 . 4 ) 3 . 2 . 2电容充电法 电 容充电法测量电阻的测量原理如图3 . 2 . 2 所示， r ， 为被测电 缆的绝缘等效电阻: 电 压u 经r : 给标准电 容c 充电， rc 是电容c 的 漏电 阻同 。 州!1州-: l二_ _ _ _ j 图3 . 2 . 2电容充电法原理图 硕士论文智能型电线电统的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 在实际测量时， 凡 往往是未知数， 为减少非线性和rc 漏电 所引起的误差， 常在uc u 的情况下测量，由于r l 和凡 都是同数量级的绝缘电阻，故凡 中的电流很小，可以略去， 而电容c 中的电流: ( 3 . 2 . 5 ) 是常量，电容c 上的电荷: _.u q=1 。 t 二二 万 一 t kx ( 3 . 2 . 6 ) 是线性增长的。 当t = t o 时，电容c 上的电荷 u-rx.to q 。 二 1 。 t 。 二 ( 3 . 2 . 7 ) 即有: ( 3 . 2 . 8 ) 式(3 . 2 . 8)中的龟 可由 冲击检流计测得。 3 . 2 . 3惠斯登电桥法 惠斯登电桥的 基本原理如图3 . 2 . 3 所示，它由四 个电阻 ri、rz、 rs、 rx连成一个 四边形a cbd ， 在对角线ab上接上电 源e ， 在对角线cd上接上检流计g 。 接入检流计( 平 衡指示) 的 对角线称为“ 桥”，四 个电阻称为 “ 桥臂”田 . 图3 . 2 . 3惠斯登电桥原理图 在一般情况下， 桥路上检流计中有电流通过， 因而检流计的指针有偏转。 若适当 调节某一电阻值，例如改变r . 的大小可使c 、d 两点的电位相等，此时流过检流计g 的 电 流为0 ， 这称为电 桥平衡，即有v 舰 = v d 、 v 山 二 v 。 ，玩二 1 示1 : 、1 护1 扩1 2 。 由欧姆定律知: l 0 硕士论文 智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系测试仪的研制 1 1 r l = 1 2 r l( 3 . 2 . 9 ) 1 1 r 二 = 1 2 r t( 32 . 1 0 ) 由式 (3. 2 . 9)和式(3 2 . 1 0)可得: r 二 = r : r ， r 2 ( 3 . 2 . 1 1 ) 此式即为电 桥的平衡条件， 若r : 、 r z 、 r . 已知， r : 即可由式( 3 . 2 . 1 1 ) 求出。 通常取 r 。 、r ， 为标准电阻，称为比率臂，将r ，/r淋为桥臂比:r 二 为可调电阻， 称为比较臂。 改变r 。 使电桥达到平衡，即检流计g 中无电流流过，便可测出被测电阻r : 之值。 3 . 2 . 4几种方法的比 较 电流电压法测试原理简单、易于实现，但由于测量电压的不稳定和干扰信号的影 响 ， 易 造 成 测 量 误 差 ， 测 量 精 度 不 高 。 电 容 充 电 法 测 试 过 程 较 为 复 杂， 实 际 操 作 起 来 困难， 且测试数据误差较大。电桥法利用了两个桥臂的平衡原理， 抵消了测量电压的 变动对侧量精度的影响，较前两种方法，测试精度更高。 3 . 3导通电 阻测量回路的 设计 在电缆测试系统的研制过程中，基于对测试精度的考虑，采用了惠斯登电桥法的 测试原理来设计导通电阻测量回路. 图3 . 3 . 1取样电路原理图 导通电阻测量回路采用比例分压方式，原理如图3 . 3 . 1 所示， 其中rx 为待测阻抗， r ， 、 r : 分压后产生的电 压uo=基准比较电 压， 其作用是跟随电 源电 压的变化， 从而抵消 电 源波动等干扰对测量带来的 误差， 通过r : 实现限流， 保护后端器件。 r : 、 r 3 和r 津联 起来组成主测试回路、凡 串联在待测阻抗回路中，用于限流保护，r 。 为主测试回路分 压电阻，可实现量程调招。由图3 . 3 . 1 得: 硕士论文 智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 u oz=- 丑 l. u r l + r z ( 3 . 3 . 1 ) u ol= r r 3 + r 二 + r ( 3 . 32 ) 联立上述两方程，可得: r : = 贵 影 阶“ 2卜 r 厂 r ( 3 . 3 . 3 ) 由 于采用了电 桥法， 利用其平衡特性， 辅助测试回路跟踪电 源的 变化， 从而抵消 电源波动对测量带来的误差， 提高测试的准确性。电 桥两端的电 压值经过运放o p 4 97 后，送给差分放大器 i n a145，将导通回路电压的 微弱变化放大，进一步提高整个系 统的测试精度，电路原理如图3 . 3 . 2 所示。 其中， r : 表示待测电缆之间的导通电阻: r ， 为滑动变阻器， 用于当r : 劝 时调节电 桥两臂电压至相等:测量回路输出电压u 。 。 为: u .= 1 5 v 9 9 0 9 9 0 + r x + 9 9 0 ( 3 . 3 . 4 ) 图3 . 3 . 2导通电阻测量原理图 ina145的放大倍数要使得经其差放后的输出压值调整到a/d 芯片以x 1 97输入引 脚允许的 最大值之内， 并刚好覆盖整个采样芯片的采样压值范围， 以 充分利用max 1 97 的12位采样长度， 提高采样的 精度. 在系统中，i na145 的放大倍数为: g=1 +4 9 . 9 /2 0 一留二 0 9 8 1 5 . 5 6 7( 3 . 3 . 5 ) 硕士论文 智能型电线电纹的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 3 . 4绝缘电阻测量回路的设计 与导通电阻测量回路结构相似， 此处采用电阻分压法进行绝缘电阻测量。 电压值 经过运放0p4 97后， 直接将测试回路输出电压送给采样芯片进行采样， 电路原理如图 3 . 4 . 1 所示。 ，义 卜 洲 幻v 厂|1|1|1|1|l 图3 . 4 . 1绝缘电阻测量原理图 由 准所用 rl 和 rz 组成测量网络， 。当有待测电缆连接时， 当没有待测电缆连接时的状态， 可以作为调试时候校 取样电压u l 为: ui =uo r z . r 、 11 ( r l + r z ) r + r :r 、 ! ( r : + r z ) + r ， =uo r、 r z r 二 ( r : + rz ) + r 。 ( r 二 + r l +r z ) ( 3 . 4 . 1 ) 式(3. 4 . 1)中的uo为绝缘测试高压，整理后得: r 二 = u i r 。 r + r z u 。 rz 一 u l ( r : + r z + r . ) ( 3 . 4 . 2 ) 选取u o= s oov 为例，若选取r i二 50m ，凡 红m ，r .月m ，则凡的计算公式为: r 二= - 一互 上 竺一 一 ( 5 0 0 一 5 2 u l ) ( 3 . 4 . 3 ) 由式(3. 4 . 3)可知，在确定电路中高精度、低温漂的精密电阻 r ， 、r z 、 r 。 和测试 高压u 。 后， 只要精确测出 取样电 压u ， ， 就可以计算出绝缘电阻r : 。 此外， 为了能够更精确地测量电缆绝缘电阻正常范围内的阻值， 必须提高测得电 压的放大倍数。所以，在将测量回路的输出值的送给 ina 1 45 的负输入端的同时，将 1 3 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 低噪高精基准电源掀x61 76 的输出值经过精密电阻分压后接入i na1 45 的正输入端作 为基准电 压s3， 然后再将i n a 1 45的 输出 送给琳x 1 97芯片进行采样， 如图3 . 4 . 2 所示。 图3 . 4 . 2间接采样原理图 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 4测试系统的设计与实现 4 . 1基本设计原理 为了 传输电源、 大电流信号或保证重要信号的可靠性， 导弹电缆采用了 冗余技术， 用多芯或双芯导线传送同一个信号或电源。 因而导弹的电 缆网络， 需要由若干相互连 接在一起的电缆束和若干单根电缆共同组成， 这使得电缆的数量庞大， 导通关系错综 复杂。 然而， 使用单位对完成测试任务所需要的时间却要求苛刻。 按照参数规定， 本 系统总容量为1 5 36个测试点，而将所有测试点全部测试的耗时须控制于五小时以内。 为了满足这些要求， 设计系统进行多芯电缆测试的基本思想是: 第一步是将所有 的测试点先从测量回路中孤立出来， 不与测试电压相连; 然后选中两个测试点通过继 电器接至测量回路的输入端，与测试电压相连，测试这两点间的导通或绝缘电阻; 依 此类推，测试所有的测试点。 因此， 考虑采用若干个子阵来组合一个大的阵列的方法， 由嵌入式子系统控制输 入、 输出继电器矩阵来实现被测点的选择和转换。 这样可以极大的减小继电器的矩阵 规模， 并提高速度。 如有特定需要， 我们还可任意改变矩阵大小， 进行系统测试容量 的扩展， 原理框图 如图4 . 1 . 1 所示。 若将每 1 28个测试点的分作一个子矩阵模块子板，则全部1536个测试点共可分 为12个模块子板， 如图4 . 1 . 2 所表示。 显然这些模块结构都相同， 为方便系统寻址， 将它们依次编号为1 至12。 每个模块中又包含有两组独立的译码、 驱动部分， 分别将每个测试点连接到电源 和测量回路上。 这两组独立的译码、 驱动部分电路结构等都完全一样。 进行电缆测试 时，嵌入式子系统受控于上位机程序，首先产生模块选择信号来选择相应的模块m ， m的值根据用户输入的测试范围【 p.tn ， p 进行换算，公式为: 、 _ 孺1 . ， 二 ， 卫 一 11 州 尸1 l 1 2 8 ( 4 . 1 . 1 ) 在式( 4 . 1 . 1 ) 中，p te .t 任 p. ，。 ， 氏1 且p t e ， ， e 0 ， 1 5 3 5 。 其次， 通过模块内 部产生接头的选择信号， 选择该矩阵内的测试点n ， 其换算公 式为: n= 编 % 1 2 8 + 1( 4 . 1 . 2 ) 硕士论文 智能型电 线电统的绝缘电阻与通断关系洲试仪的研制 控制中心m c u 市 章 一 覃 章 - 侧谧线 头选择 译码 逻辑 侧食模块选择 译 码逻 辑 加 电模 块选择 译码 逻辑 加 电线 头选择 译码 逻 辑 二 召二 一，箫觉赘一- 叶 卜 牙 代 竺卜寸于 户 卜 卜卜 模块日摸块峨徽 块0 图4 . 1 . 1嵌入式测试系统原理框图 以测量第 1 00个和第2 00个测试点之间电缆的绝缘电阻为例。 首先选择继电器矩 阵1 ( 即m 抓1 0 0 / 1 2 8 + 1 ) ， 然后再选择该矩阵内的第3 6 个视 0 试点( 即n = 1 0 0%1 2 8 +1 ) ， 这样就将第1 00个测试点就通过耐压连接件和电阻， 同时将绝缘测试高压连接到绝缘 电阻测量回路上。 同理， 选择第2 00个测试点连接到测量回路上， 待绝缘测试高压稳 定后， 模数采集电 路对测量回路的电压值进行采样， 同时将该值与其它测试信息作为 一帧数据存入缓存器，等待回传给上位机。 待全部测试点 均测试完成后， 子系统向 工控机发出 测试结束信号， 工控机收到此 信号后，由usb 通道将所测结果取回。最后关闭测试系统电源，停止工作状态。 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 图4 . 1 . 2电缆测试系统子模块框图 4 . 2基于a t 8 9 c 52的 最小系统设计 at8 9 c 5 2 芯片是美国爱特梅尔( atmel)公司生产的低电 压、 高性能51系列单片机， 提供以 下标准功能: sk字节f l ash 闪 速存储器， 2 56字节内 部r a m ，32个工 /0 口线， 3 个16位定时/ 计数器， 一个6 向 量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振 荡器及时钟电路。 功能强大的at8 9 c 52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合， 选 用该芯片来构建最小系统，完全能够满足系统正常工作的要求。 单片机芯片配以必要的外部器件， 一般包括电源供入及电源开关、 复位电路、 晶 振、 输入输出电 路等就能构成最小系统冈洲 。 本系统中 基于at8 9 c 52所设计的最小系 统作为硬件控制的核心部分，除了 包括使单片机自身能正常工作所必须的电 源电路、 晶振电 路和复位电 路外， 还囊入了 产生地址信号的译码电路、 采集测试信号的模数采 采样电路和负责与上位机通信的u sb接口电路等，其框图如图4 . 2 . 1 所示。 l 7 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系侧试仪的研制 图4 . 2 . 1最小系统原理框图 4 . 3子系统各端口的地址分配 合理的分配单片机各地址端口， 有利于控制程序的编写， 以便最大程度的发挥硬 件设备的作用l剐 ，故于此详细阐 述各端口 地址的分配。地址生成电 路采用译码芯片、 锁存芯片、双向总线驱动器等器件，如图4 . 3 . 1 所示，负责完成对继电器输出/ 输入 矩阵的a t o 一at10和a boa b 10等n位地址信号的译码、锁存; 完成对采样芯片和 u s b 接口芯片的选择等操作。 图4 . 3 . 1译码电路原理图 硕士论文智能型电线电缆的绝缘电阻与通断关系测试仪的研制 单片机的po 口 是八位数据、地址复用端口 刹 ， 用作地址总线时负责产生继电 器 矩阵地址， 并接至锁存器将地址锁存; 用作数据总线时则负责采样芯片的数据传送和 与usb 接口电路相互通讯数据的传输等。单片机的pz 口 配合3 一 8 线译码器74hc1 38 芯片和相关与非门器件， 产生各功能芯片的地址信号， 选中所需芯片运行。 具体的地 址分配情况见表4 ， 3 . 1 。 表4 . 3 . 1子系统端口地址分配 地址端口功能 1 丫 丫 o n n z 丫 y 丫 xy x y y x r 7 4 h c