大容量電纜測試儀的設計應用和測量的整體方案

1 引言

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安全可靠使用，必須對線束的配線、阻抗和絕緣性能等進行嚴格的檢測。如果采用人工測量方法，容易造成漏檢和誤檢，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進行自動測量，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，用戶可以迅速建立起一套電纜線束的設計、轉接、應用和測量的整體方案。

2 測試原理說明

電纜測試儀采用單端激勵源輸入測量的方法。激勵源分為低電壓小電流測試源，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，配合4 線開爾文測量方法，可以測量小于5 毫歐的精密阻值，能檢測出電纜的微小變化。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如圖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。其它所有的測試接點開關均打開，測量其它所有接點電壓，如果其它接點處測量到激勵電壓，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電阻R1 兩端的電壓VR1，即可求出回路的電流值，代如上式（1）中，

大容量電纜測試儀的設計應用和測量的整體方案

圖1 測試原理示意圖

由圖1 可知，逐點進行全排列測量，可以找出所有點的連接關系和電纜阻值，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

整個系統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。為了靈活配置，測試儀采用基于總線形式的機箱插板式結構，圖2 為測試儀的硬件結構框圖。控制測量板包括CPU 及外圍模塊，完成和上位機、級聯機的通信，轉接測試命令和進行命令的分發，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，通過板上的繼電器陣列，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進行A/D 轉換。

圖2 測試儀硬件結構示意圖

3.1 微處理器和外圍電路

測試儀的單片機選用 Cygnal 公司的模擬和數字混合信號的單片機C8051F020［1］，這顆芯片具有高速51 處理器內核，高達25MIPS 運行速度;64K 字節片上Flash，4K 字節片上RAM（外部RAM 可擴展至64K 字節）。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 ADC 單元（8 路AD 接口）和兩個12 Bit 的 DAC 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 總線連接的8K 字節EEPROM，主要用來保存所有繼電器的使用次數，防止繼電器出現壽命過載。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USB。接口電路采用 PHILIPS 公司完全兼容USB1.1 規范的器件 PDIUSBD12［2］。PDIUSBD12 通過高速通用并行接口與單片機進行通信，接口模式采用地址 /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，通過觸發單片機外部中斷模式通知主程序處理上位機通信事件。

3.1.2. 主測試儀和級聯測試儀的通信接口

多臺測試儀進行級聯時，為了提高通信速度，簡化設計，設計中利用了單片機 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，采用菊花鏈的方式級聯，包括串行時鐘線（SPICLK）、主片輸入/從片輸出數據線SPIMISO、主片輸出/從片輸入數據線SPIMOSI、低電平有效的從片選擇線SPINSS 、一根用于從設備中斷請求的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請求線，減少了連接的總線數量。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。

主設備和從設備之間的 SPI 接口物理層連接采用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

當進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如圖3 所示。

REF200［3］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，提供給儀表放大器PGA204［3］作為精密輸入電壓。PGA204 是TI 公司的一款G = 1/10/100/1000 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

圖中恒流源跟隨器選用TI 公司的具有極低偏置電流（1pA）的精密運算放大器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*IREF*Ref1/ Ref2

= G*100uA *10 = G （mA）（ IREF =100uA， Ref1/ Ref2=10）

選用驅動力強的N 溝道MOSFET，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定性，降低噪聲影響。

3.3 信號調理和A/D 轉換電路

如圖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 選擇，由EPLD 控制，復用器輸出經背板傳到信號放大調理電路。當采用開爾文四線測量方法，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，則最小分辨電壓為1mV。

單片機C8051F 內置了一個12Bits 的A/D 轉換器，輸入量程參考電壓VREF 為2.5V，A/D 測量分辨率為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 測試儀單片機軟件說明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，通過設置中斷事件標志、交互數據緩沖區和單片機通信［4］。當單片機處理前臺任務時USB 的傳輸可在后臺進行，這不僅保證了傳輸速度，而且軟件結構清晰，便于編程和調試。在設計中使用了控制傳輸、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，固定使用端點0;中斷傳輸使用端點1，用來傳送命令的傳遞和應答;批量傳輸使用端點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：① 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信息; ② USB 固件程序，用于響應PDIUSBD12 發出的中斷請求。

USB 中斷優先級設為最高，上位機發命令包給PDIUSBD12，它接到命令后就給單片機發中斷。中斷程序中，單片機首先讀取PDIUSBD12 的中斷寄存器，判斷命令包類型，然后設定相應的事件標志并將命令數據從PDIUSBD12 的內部緩沖區移到交互的數據緩沖區，通知主程序已經準備好 ③ 主循環程序，根據USB 中斷事件標志，讀取數據緩沖區的上位機命令，根據命令執行相應的操作。單片機處理上位機指令，向從測試儀分發測試命令，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。在上位機發送IN 令牌中斷之后，固件將緩沖區數據發送出去。

5 上位機軟件說明

上位機軟件采用 VC 編寫，底層對USB 設備和硬件的驅動通過調用API 函數實現，操作界面提供的主要功能有五個（如圖4）：①。管理功能，如測試儀操作權限的管理，連接和測試數據的報表查詢，打印等。②。電纜的連接關系數據庫生成和輸入。連接關系可以采用ACCESS 報表輸入或CAD 用戶繪圖形式生成。數據庫不僅包括線纜、接插件的連接、轉接關系，而且包括它們狀態和電氣屬性等。③。轉接面板的設計。一般情況下，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，便于電纜測量人員使用。④。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過全排列測試，自動找出電纜線束之間的連接關系表。⑤。測試結果分析。如測試結果和標準數據表的對比，這些結果還可以反饋回電纜網設計的圖和表中，標識電纜的阻抗等。