摘要：介紹了一種基于C8051F的大容量電纜線束自動(dòng)測(cè)試儀的硬件和軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該測(cè)試儀不僅可以測(cè)量電纜線束的毫歐級(jí)電阻和絕緣性能，而且可給電纜的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢測(cè)提供一個(gè)一體化的管理手段。文章重點(diǎn)介紹了測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵電路以及軟件的功能結(jié)構(gòu)等。
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(lǐng)域，為了保證電纜線 束的安全可靠使用，必須對(duì)線束的配線、阻抗和絕緣性能等進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。如果采用人工 測(cè)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(dòng)測(cè)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(dòng)測(cè)試儀，通過(guò)本測(cè)試儀，用戶可以對(duì)大量的電纜 線束進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，可檢測(cè)到電纜毫歐級(jí)的阻值和兆歐級(jí)的絕緣阻值，檢測(cè)出其可能存在的 配線錯(cuò)誤、通斷路，絕緣不良等問(wèn)題。同時(shí)，利用上位機(jī)的電纜數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)軟件，用戶可以 迅速建立起一套電纜線束的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)接、應(yīng)用和測(cè)量的整體方案。
2 測(cè)試原理說(shuō)明
電纜測(cè)試儀采用單端激勵(lì)源輸入測(cè)量的方法。激勵(lì)源分為低電壓小電流測(cè)試源，恒定電 流測(cè)試源和高電壓弱電流測(cè)試源三種。低電壓測(cè)試源主要用于測(cè)量電纜線束的通斷，短路和 誤配線功能。恒定電流測(cè)試源可編程輸出高達(dá)1A 的電流，配合4 線開(kāi)爾文測(cè)量方法，可以 測(cè)量小于5 毫歐的精密阻值，能檢測(cè)出電纜的微小變化。高電壓測(cè)試源可以步進(jìn)輸出高達(dá) 1000VDC 的電壓，最大電流則不到2mA，用于檢測(cè)電纜線束可能存在的絕緣、耐壓不足等 問(wèn)題。
電纜的測(cè)試工作原理如圖1 所示。
開(kāi)關(guān)K3 閉合，低電壓激勵(lì)源加載到接M1 上，接點(diǎn)電壓為VM1。其它所有的測(cè)試接點(diǎn) 開(kāi)關(guān)均打開(kāi)，測(cè)量其它所有接點(diǎn)電壓，如果其它接點(diǎn)處測(cè)量到激勵(lì)電壓，則表示這些接點(diǎn)和 電纜A 相通。將檢測(cè)到電壓的接點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合(如N1)，測(cè)量接點(diǎn)電壓，得VN1，則這兩點(diǎn)之 間的電纜阻值為
測(cè)量出串接在低電壓激勵(lì)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，
由圖1 可知，逐點(diǎn)進(jìn)行全排列測(cè)量，可以找出所有點(diǎn)的連接關(guān)系和電纜阻值，找到可能 的電纜通斷路，搭接短路和配線錯(cuò)誤等。檢查次數(shù)為：N= [ n * ( n－1) ] / 2；式中N 為檢查 次數(shù)，n 為線束的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)。
3 測(cè)試儀的硬件組成
整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)軟件和自動(dòng)測(cè)試儀兩個(gè)部分。每臺(tái)電纜自動(dòng)測(cè)試儀有512 個(gè)測(cè) 試點(diǎn)的容量，最多可級(jí)聯(lián)7 臺(tái)測(cè)試儀以擴(kuò)大測(cè)試容量。為了靈活配置，測(cè)試儀采用基于總線 形式的機(jī)箱插板式結(jié)構(gòu)，圖2 為測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)框圖?？刂茰y(cè)量板包括CPU 及外圍模塊， 完成和上位機(jī)、級(jí)聯(lián)機(jī)的通信，轉(zhuǎn)接測(cè)試命令和進(jìn)行命令的分發(fā)，同時(shí)控制激勵(lì)源信號(hào)，完 成電纜通斷、精密阻值和絕緣的測(cè)量。電纜測(cè)量接口板一共有4 塊，每板有128 個(gè)測(cè)試接點(diǎn)， 通過(guò)板上的繼電器陣列，將激勵(lì)信號(hào)送到面板的待測(cè)電纜接入點(diǎn)，將電壓測(cè)量信號(hào)返回到控 制測(cè)量板進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。
3.1 微處理器和外圍電路
測(cè)試儀的單片機(jī)選用 Cygnal 公司的模擬和數(shù)字混合信號(hào)的單片機(jī)C8051F020[1]，這顆芯 片具有高速51 處理器內(nèi)核，高達(dá)25MIPS 運(yùn)行速度；64K 字節(jié)片上FLASH，4K 字節(jié)片上RAM(外 部RAM 可擴(kuò)展至64K 字節(jié))。兩個(gè)URAT 接口，一個(gè)SPI 接口和一個(gè)I2C 接口，一個(gè)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(gè)12 Bit 的 DAC 單元。 在本設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)內(nèi)部12 Bit 的 A/D 轉(zhuǎn)換電路測(cè)量電纜接點(diǎn)的電壓，12 Bit 的 DAC 電路控制測(cè)試激勵(lì)源的輸出電壓和電流。I2C 總線連接的8K 字節(jié)EEPROM，主要用來(lái) 保存所有繼電器的使用次數(shù)，防止繼電器出現(xiàn)壽命過(guò)載。外部擴(kuò)展的16KB 的SRAM，用于暫 存測(cè)試數(shù)據(jù)。單片機(jī)外部擴(kuò)展的EPLD，用于地址譯碼，擴(kuò)展測(cè)試控制空間，包括和級(jí)聯(lián)機(jī) 箱的通信空間，測(cè)量接口板的繼電器、模擬復(fù)用器控制空間等。
3.1.1. 主測(cè)試儀和上位機(jī)的通信接口
測(cè)量過(guò)程中，主設(shè)備單片機(jī)需要實(shí)時(shí)向上位機(jī)上報(bào)大量測(cè)量數(shù)據(jù)，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(guī)范的器件 PDIUSBD12[2]。PDIUSBD12 通過(guò)高速通用并行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，接口模式采用地址 /總線復(fù)用方式，對(duì)器件的讀寫(xiě)就像單片機(jī)外擴(kuò)的一片RAM 器件一樣，通過(guò)觸發(fā)單片機(jī)外 部中斷模式通知主程序處理上位機(jī)通信事件。