一种大容量电缆自动测试仪的设计和实现

1、一种大容量电缆自动测试仪的设计和实现目前，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 束的平安牢靠用法，必需对线束的配线、阻抗和绝缘性能等举行严格的检测。假如采纳人工 测量办法，简单造成漏检和误检，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 线束举行自动测量，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 快速建立起一套电缆线束的设计、转接、应用和测量的整体计划。

2、2 测试原理解释电缆测试仪采纳单端激励源输入测量的办法。激励源分为低小测试源，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，协作4 线开尔文测量办法，可以 测量小于5 毫欧的精密阻值，能检测出电缆的极小变幻。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。其它全部的测试接点 开关均打开，测量其它全部接点电压，假如其它接点处测量到激

3、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 间的电缆阻值为测量出串接在低电压激励源回路的精密r1 两端的电压vr1，即可求出回路的电流值，代如上式(1)中，图1 测试原理暗示图由图1 可知，逐点举行全罗列测量，可以找出全部点的衔接关系和电缆阻值，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 * ( n-1) / 2;式中n 为检查 次数，n 为线束的检测点数。3 测试仪的硬件组成囫囵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

4、。为了灵便配置，测试仪采纳基于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，转接测试指令和举行指令的分发，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 制测量板举行a/d 转换。图2 测试仪硬件结构暗示图3.1 微处理器和外围测试仪的选用 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25 运行速度;64k 字节片上fla

5、sh，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 单元(8 路ad 接口)和两个12 bit 的 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 总线衔接的8k 字节eeprom，主要用来 保存全部继电器的用法次数，防止继电器浮现寿命过载。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

6、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。接口电路采纳 philips 公司彻低兼容usb1.1 规范的器件 pdiusbd122。pdiusbd12 通过高速通用并行接口与单片机举行通信，接口模式采纳地址 /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大事。3.1.2. 主测试仪和级联测试仪的通信接口多台测试仪举行级联时，为了提高通信速度，简化设计，设计中利用了单片机

7、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，采纳菊花链的方式级联， 包括串行时钟线(slk)、主片输入/从片输出数据线spimiso、主片输出/从片输入数据 线spimosi、低电平有效的从片挑选线spinss 、一根用于从设备中断哀求的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 部片选和中断哀求线，削减了衔接的总线数量。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

8、从设备之间的 spi 接口物理层衔接采纳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 精密恒流激励源当举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3 所示。ref2003是一个双通道的100ua±0.5%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，提供应仪表pga2043作为精密输入电压。pga204 是ti 公司的一款g = 1

9、/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尾随器选用ti 公司的具有极低偏置电流(1pa)的精密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

10、*iref*ref1/ ref2= g*100ua *10 = g (ma) ( iref =100ua, ref1/ ref2=10)选用驱动力强的n 沟道，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 挑选，由epld 控制，复用器输出经背板传到信号放大调理电路。当采纳开尔文四线测量办法，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，则最小辨别电压为1mv。单片机c8051f 内置了一

11、个12bits 的a/d 转换器，输入量程参考电压vref 为2.5v，a/d 测量辨别率为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 测试仪单片机软件解释 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，通过设置中断大事标记、交互数据缓冲区和单片机通信4。当单片

12、机处 理前台任务时usb 的传输可在后台举行，这不仅保证了传输速度，而且软件结构清楚，便 于编程和调试。 在设计中用法了控制传输、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，固定用法端点0;中断传输用法端点1，用来传送指令的传递和应答;批量传输 用法端点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 发出的中断哀求。usb 中断优先级设为最高，上位机发指令包给pdiusbd12，它接到指令后就给单片机发

13、中断。 中断程序中，单片机首先读取pdiusbd12 的中断寄存器，推断指令包类型，然后设定相应 的大事标记并将指令数据从pdiusbd12 的内部缓冲区移到交互的数据缓冲区，通知主程序 已经预备好 主循环程序，按照usb 中断大事标记，读取数据缓冲区的上位机指令，根 据指令执行相应的操作。单片机处理上位机命令，向从测试仪分发测试指令，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 上位机软件解释上位机软件采纳 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

14、界面提供的主要功能有五个(4)：.管理功能，如测试仪操作权限的管理，衔接 和测试数据的报表查询，打印等。. 电缆的衔接关系数据库生成和输入。衔接关系可以采 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、接插件的衔接、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。普通状况下，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，便于电缆测量人员用法。.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