基于單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)原理和工程應(yīng)用方案

智能型電纜測(cè)試系統(tǒng)采用單片機(jī)和工控機(jī)相結(jié)合的方案實(shí)現(xiàn)了1 536個(gè)測(cè)試點(diǎn)之問(wèn)導(dǎo)通和絕緣關(guān)系的測(cè)試。詳細(xì)說(shuō)明了基于單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)原理和工程應(yīng)用方案。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電纜測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，大幅度提高了洲試的效率和準(zhǔn)確性。

0 引言

隨著航空設(shè)備自動(dòng)化程度的不斷提高，多芯電纜越來(lái)越多地得到了應(yīng)用，電纜的性能也很大程度地影響著設(shè)備的正常工作。由于多芯電纜芯數(shù)增多，其互聯(lián)關(guān)系也變得更復(fù)雜，這就要求電纜測(cè)試設(shè)備具備更多的測(cè)試點(diǎn)數(shù)。傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，準(zhǔn)確性差，已經(jīng)不能滿(mǎn)足工程化，批量生產(chǎn)的需要。本文提出了一種針對(duì)航空多芯電纜故障檢測(cè)的新方案，并闡述了系統(tǒng)構(gòu)成和測(cè)試原理。

1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

電纜測(cè)試系統(tǒng)主要由工控機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)和繼電器陣列三部分構(gòu)成。其中工控機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)系統(tǒng)控制硬件電路完成相應(yīng)動(dòng)作，繼電器陣列負(fù)責(zé)響應(yīng)譯碼電路的請(qǐng)求將外部電纜接入測(cè)試系統(tǒng)。單片機(jī)和工控機(jī)通過(guò)USB進(jìn)行通信。如圖1所示。

其中：硬件電路系統(tǒng)選用AT80C52單片機(jī)作為控制核心，主要包括導(dǎo)通測(cè)試電路，絕緣測(cè)試電路，譯碼電路，繼電器陣列，A/D采樣電路，高壓產(chǎn)生電路和USB通信電路等;單片機(jī)軟件則能夠依據(jù)接收到的命令控制硬件設(shè)備完成各個(gè)電纜的性能測(cè)試。

工控機(jī)選用研華的IPC-610工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為終端，負(fù)責(zé)人機(jī)交互和數(shù)據(jù)交換。電纜測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要由人機(jī)界面和數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成，人機(jī)界面將操作者輸入的信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的命令，控制單片機(jī)進(jìn)行不同的操作;數(shù)據(jù)處理部分對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和修正后，建立測(cè)試數(shù)據(jù)及其端口信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，最終生成被測(cè)設(shè)備端口的導(dǎo)通和絕緣關(guān)系，并提供顯示和打印等功能。

繼電器陣列由3168個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)了1536個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間的導(dǎo)通/絕緣測(cè)試和繼電器組之間的隔離。1 536個(gè)測(cè)試點(diǎn)分布在12塊單板上面，每塊單板上面有128個(gè)測(cè)試點(diǎn)，單板內(nèi)又分為16行，每行8列，即12×16×8=1 536。每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)由兩個(gè)繼電器控制，分別是輸入繼電器(Kat)和輸出繼電器(Kab)。每塊單板對(duì)應(yīng)外部的一個(gè)128芯的航空插頭，負(fù)責(zé)和被測(cè)產(chǎn)品的連接。其原理如圖2所示。

2 測(cè)試系統(tǒng)的原理

電纜測(cè)試系統(tǒng)硬件部分以單片機(jī)為控制核心，主要分為導(dǎo)通測(cè)試電路，絕緣測(cè)試電路和繼電器譯碼電路三大部分，各部分工作原理如下所述。

2.1 導(dǎo)通測(cè)試部分

由于導(dǎo)通電阻很小，一般為歐姆級(jí)，容易受到外界干擾的影響，惠斯登電橋的兩臂同時(shí)對(duì)電源的微小變化做出反應(yīng)，將輸出信號(hào)送入差分放大器，從而消除了共模干擾，可以提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。其原理如圖3所示。

在圖3中：R1，R2和R3組成基準(zhǔn)電路;R4，R5和Rx串聯(lián)起來(lái)組成主測(cè)試回路。當(dāng)待測(cè)電阻Rx為零時(shí)，調(diào)整R1使電橋處于平衡狀態(tài)，即U1=U2，電路輸出約為零，同時(shí)產(chǎn)生基準(zhǔn)比較電壓U1。在電路正常工作情況下，Rx串聯(lián)進(jìn)入電路后，電橋的平衡被打破，U2變小，U1和U2經(jīng)過(guò)運(yùn)放OP497的隔離后送入差分放大器INA145進(jìn)行放大，放大后的電壓信號(hào)送入12位精度的MAX197進(jìn)行采樣。

2.2 絕緣測(cè)試部分

對(duì)于絕緣測(cè)試電路而言，由于輸入測(cè)試電壓為500～1 000 V，對(duì)干擾不太敏感，所以絕緣測(cè)試電路采用相對(duì)簡(jiǎn)單的電阻分壓法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在圖4中：Rx為被測(cè)兩根導(dǎo)線(xiàn)間的絕緣電阻;Kat，Kab分別是Rx的輸入控制繼電器和輸出控制繼電器，由譯碼電路選通，二極管D1保護(hù)電源;R1，R2和R3組成分壓測(cè)試電路，R4為限流電阻，C1為了濾除雜波的干擾，測(cè)試回路的分壓值經(jīng)運(yùn)放后輸入放大電路;MAX6176為高精度低噪聲基準(zhǔn)電源，經(jīng)過(guò)分壓電路和跟隨器后為放大電路INA145提供基準(zhǔn)比較電壓，INA145把放大后的信號(hào)送給MAX197進(jìn)行采樣。

2.3 繼電器譯碼電路

繼電器譯碼電路的作用是在單片機(jī)的控制下將1 536個(gè)測(cè)試點(diǎn)中的某兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)接入相應(yīng)的測(cè)試電路。比如譯碼電路選中測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器Kat和測(cè)試點(diǎn)2的輸出繼電器Kab，外部的被測(cè)電纜通過(guò)這兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)接入相應(yīng)的測(cè)試電路，從而實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通或者絕緣測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能譯碼電路可以分為地址鎖存電路，輸入繼電器譯碼電路和輸出繼電器譯碼電路。以輸入地址鎖存電路為例，其原理如圖5，圖6所示。

單片機(jī)P0口作為數(shù)據(jù)總線(xiàn)將地址信號(hào)送給鎖存器74HC573，同時(shí)P2.4，P2.5，P2.6，P2.7驅(qū)動(dòng)HC138譯碼器形成鎖存有效信號(hào)，使地址信號(hào)鎖存在74HC573，由于地址信號(hào)為11位，所以需要單機(jī)發(fā)送兩次地址信息。

當(dāng)11位地址準(zhǔn)備完畢后，由單片機(jī)發(fā)送地址有效信號(hào)，將地址信號(hào)送給譯碼電路。譯碼電路原理如圖7所示。

輸入繼電器譯碼電路和輸出繼電器譯碼電路具有相同的電路結(jié)構(gòu)，以輸入繼電器譯碼電路為例，可以分為三級(jí)譯碼電路，每一級(jí)譯碼電路由總線(xiàn)隔離芯片 74HC245，3～8線(xiàn)譯碼器74HC138和其他邏輯控制電路組成。第一級(jí)譯碼電路由11位地址信號(hào)中的AT10，AT09，AT08，AT07組成，負(fù)責(zé)選擇12塊單板中的某一塊;第二級(jí)譯碼電路由AT06，AT05，AT04，AT03組成，負(fù)責(zé)選擇某塊單板中的某一行;第三級(jí)譯碼電路由

AT02，AT01，AT00組成，負(fù)責(zé)選擇某塊單板中的某一列，這樣行列交叉就選中某一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸入繼電器驅(qū)動(dòng)電路，從而將該測(cè)試點(diǎn)接入了測(cè)試電路。地址信號(hào)在單板與單板之間經(jīng)過(guò)74HC245的隔離，防止其驅(qū)動(dòng)能力下降。輸出繼電器的選擇過(guò)程完全一樣，不再贅述。

3 工程應(yīng)用方案研究

3.1 電纜測(cè)試系統(tǒng)工作流程

電纜測(cè)試系統(tǒng)由單片機(jī)和工控機(jī)共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)，工控機(jī)的人機(jī)交互界面將操作者輸入的信息通過(guò)USB發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這些命令啟動(dòng)相應(yīng)的外設(shè)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的測(cè)試功能。電纜測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢，全部導(dǎo)通/絕緣測(cè)試，單獨(dú)兩點(diǎn)之間導(dǎo)通/絕緣測(cè)試和指定區(qū)間內(nèi)兩點(diǎn)間導(dǎo)通/絕緣測(cè)試。單片機(jī)的工作流程如圖 8所示。

下面以導(dǎo)通電阻測(cè)試為例來(lái)說(shuō)明電纜測(cè)試系統(tǒng)的工作流程：當(dāng)被測(cè)產(chǎn)品通過(guò)轉(zhuǎn)接電纜接入電纜測(cè)試系統(tǒng)后，操作者通過(guò)參數(shù)設(shè)定來(lái)選擇被測(cè)產(chǎn)品的型號(hào)。當(dāng)單片機(jī)接收到全部導(dǎo)通測(cè)試的命令，首先閉合測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器，其次依次閉合第2個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出繼電器，第3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出繼電器到第m個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出繼電器(m∈[2，1 536]);當(dāng)閉合測(cè)試點(diǎn)n的輸入繼電器(n∈[2，1 535])后，依次閉合測(cè)試點(diǎn)m的輸出繼電器(m∈[n+1，1 536])。每閉合一次輸出繼電器，采樣一次輸出電壓值，并上傳給工控機(jī)。工控機(jī)上的數(shù)據(jù)處理部分將這個(gè)電壓值和對(duì)應(yīng)的地址信息生成數(shù)據(jù)庫(kù)，在測(cè)試結(jié)束時(shí)，工控機(jī)將生成的數(shù)據(jù)庫(kù)與標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，從而確定出被測(cè)產(chǎn)品中那些通道是導(dǎo)通的。導(dǎo)通測(cè)試部分的工作流程如圖9所示。

絕緣測(cè)試部分的工作流程和導(dǎo)通測(cè)試類(lèi)似，但是需要特別注意的是在執(zhí)行絕緣測(cè)試命令時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)對(duì)測(cè)試區(qū)間內(nèi)的點(diǎn)進(jìn)行一次導(dǎo)通測(cè)試，并記錄導(dǎo)通的通道號(hào)，這樣在工控機(jī)向單片機(jī)發(fā)送地址指令時(shí)會(huì)自動(dòng)跳過(guò)這些通道，從而保證操作人員和被測(cè)產(chǎn)品的安全，防止高壓短路可能引起的災(zāi)難性后果。

需要說(shuō)明的是絕緣測(cè)試電壓由采用SG3524芯片的開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，將15V直流電壓作為輸入電壓，由SG3524產(chǎn)生的PWM脈沖經(jīng)過(guò)MOSFET推動(dòng)之后，驅(qū)動(dòng)升壓變壓器，經(jīng)過(guò)倍壓、整流、濾波后得到穩(wěn)定的高壓輸出，該高壓輸出反饋回SG3524的比較輸入端，通過(guò)數(shù)字電位器來(lái)控制PWM波形的占空比，從而使得輸出電壓恒定。

3.2 電纜測(cè)試系統(tǒng)自檢流程

為了保證設(shè)備本身的工作正常，電纜測(cè)試系統(tǒng)提供自檢功能。自檢流程分為兩部分，第一部分對(duì)USB通道進(jìn)行自檢，USB自檢流程如圖10所示。系統(tǒng)上電后，工控機(jī)發(fā)送校驗(yàn)指令，單片機(jī)判斷校驗(yàn)碼是否正確，在校驗(yàn)碼正確的情況下，按照協(xié)議返回復(fù)碼，工控機(jī)判斷回復(fù)碼正確的情況下，USB通信建立正常。第二部分是對(duì)繼電器陣列進(jìn)行自檢，其流程與導(dǎo)通測(cè)試類(lèi)似。以測(cè)試點(diǎn)1和測(cè)試點(diǎn)2為例，首先，閉合測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器，采樣測(cè)試電壓，如果系統(tǒng)判斷為斷開(kāi)，則可以說(shuō)明測(cè)試點(diǎn)1的輸出繼電器沒(méi)有常閉，反之則說(shuō)明為常閉故障。把測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器更換為輸出繼電器，采用同樣的方法可以判斷出測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器是否為常閉故障。其次，分別打開(kāi)測(cè)試點(diǎn)1的輸入和輸出繼電器，如果系統(tǒng)判斷為導(dǎo)通，在第一步的基礎(chǔ)上就可以說(shuō)明兩個(gè)繼電器均正常;如果系統(tǒng)判斷為斷開(kāi)，則兩個(gè)繼電器中至少有一個(gè)為常開(kāi)故障。最后，在外部端口上接入自檢插頭，分別選擇測(cè)試點(diǎn)1的輸入繼電器和測(cè)試點(diǎn)2的輸出繼電器，如果系統(tǒng)判斷為導(dǎo)通，則可以說(shuō)明內(nèi)部繼電器和單板到端口的引線(xiàn)正常，反之則說(shuō)明繼電器到測(cè)試端的引線(xiàn)出現(xiàn)問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

電纜測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了嵌入式子測(cè)試系統(tǒng)與主控計(jì)算機(jī)的有機(jī)結(jié)合，具有良好的擴(kuò)展性和通用性。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品內(nèi)部電纜連接關(guān)系的測(cè)試，大幅提高了測(cè)試效率和準(zhǔn)確性。