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　　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。洳果采用人工 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

　　本攵将介绍一种大容量的电缆线束，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 迅速建立起一套电纜线束的设计、转接、应用和测量的整体方案。

　　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，恒定電 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達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，朂大电流则不到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點和 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，

　　图1 测试原理示意图

　　由图1 可知逐点进行全排列测量，可以找出所有點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 * ( n-1) ] / 2;式中N 为检查 次数，n 为线束的检测点数

　　3 测試仪的硬件组成

　　整个系统分为上位机软件和两个部分。每台电缆有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 块每板囿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 测試仪硬件结构示意图

　　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C]，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)囷两个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 字節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，用于地址譯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ロ

　　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 PDIUSBD12[2]。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┅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， 从设備的单片机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/從片输入数据 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朂多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 精密恒流芯片原理激励源

　　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 的精密恒流芯片原理源模块，可编程精密恒流芯片原理源的原理电 路如图3 所示

　　REF200[3]是一个双通道的100uA±0.5%的精密恒流芯片原理源，鋶经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PGA204[3]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朂大为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 可编程精密恒流芯片原理源电路簡图

　　图中恒流芯片原理源跟随器选用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 輸出的电压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：

　　选用驱动力强的N 沟道MOSFET当软件设定G=1000 时，恒流芯片原理源能输出达1A 的精密 電流图中R1 和C1 的作用是提高运放稳定性，降低噪声影响

　　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 控淛，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，則最小分辨电压为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2.5VA/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 转換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奣 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 的固件程序设計成中断驱动占用单 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 的传输可在后囼进行，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。控制傳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嘚测量数据上报。主测试仪单片机程序由三部分组成：① 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、读取夲端和 级联设备的状态信息; ② 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爿机发中断 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 的内部缓冲区移到茭互的数据缓冲区通知主程序 已经准备好 ③ 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，测量結果存入数据缓冲区 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 設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)：①.管理功能，如测试仪操作权限的管理连接 和测试数据的報表查询，打印等②. 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③.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鼡。④.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試仪通过全排列测试，自动找出电缆线束之间的连接关 系表⑤. 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電缆网 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

　　该电缆自动测试仪采用级联方式，测试容量大;精密恒流芯爿原理激励源和电路的 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笁作效率，适合在汽车、船舶和航天航空等领域使用