基于單片機的硬件電路設(shè)計原理和工程應(yīng)用方案

智能型電纜測試系統(tǒng)采用單片機和工控機相結(jié)合的方案實現(xiàn)了1 536個測試點之問導(dǎo)通和絕緣關(guān)系的測試。詳細說明了基于單片機的硬件電路設(shè)計原理和工程應(yīng)用方案。經(jīng)實際測試，電纜測試系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，大幅度提高了洲試的效率和準確性。

0 引言

隨著航空設(shè)備自動化程度的不斷提高，多芯電纜越來越多地得到了應(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，這就要求電纜測試設(shè)備具備更多的測試點數(shù)。傳統(tǒng)的手動測試方法費時費力，準確性差，已經(jīng)不能滿足工程化，批量生產(chǎn)的需要。本文提出了一種針對航空多芯電纜故障檢測的新方案，并闡述了系統(tǒng)構(gòu)成和測試原理。

1 測試系統(tǒng)構(gòu)成

電纜測試系統(tǒng)主要由工控機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)和繼電器陣列三部分構(gòu)成。其中工控機負責(zé)人機交互和數(shù)據(jù)處理，單片機系統(tǒng)控制硬件電路完成相應(yīng)動作，繼電器陣列負責(zé)響應(yīng)譯碼電路的請求將外部電纜接入測試系統(tǒng)。單片機和工控機通過USB進行通信。如圖1所示。

其中：硬件電路系統(tǒng)選用AT80C52單片機作為控制核心，主要包括導(dǎo)通測試電路，絕緣測試電路，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)備完成各個電纜的性能測試。

工控機選用研華的IPC-610工業(yè)控制計算機作為終端，負責(zé)人機交互和數(shù)據(jù)交換。電纜測試系統(tǒng)的軟件主要由人機界面和數(shù)據(jù)處理部分構(gòu)成，人機界面將操作者輸入的信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的命令，控制單片機進行不同的操作;數(shù)據(jù)處理部分對測試數(shù)據(jù)進行比對和修正后，建立測試數(shù)據(jù)及其端口信息的數(shù)據(jù)庫，最終生成被測設(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個繼電器實現(xiàn)了1536個測試點之間的導(dǎo)通/絕緣測試和繼電器組之間的隔離。1 536個測試點分布在12塊單板上面，每塊單板上面有128個測試點，單板內(nèi)又分為16行，每行8列，即12×16×8=1 536。每一個測試點由兩個繼電器控制，分別是輸入繼電器(Kat)和輸出繼電器(Kab)。每塊單板對應(yīng)外部的一個128芯的航空插頭，負責(zé)和被測產(chǎn)品的連接。其原理如圖2所示。

2 測試系統(tǒng)的原理

電纜測試系統(tǒng)硬件部分以單片機為控制核心，主要分為導(dǎo)通測試電路，絕緣測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)通測試部分

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

在圖3中：R1，R2和R3組成基準電路;R4，R5和Rx串聯(lián)起來組成主測試回路。當待測電阻Rx為零時，調(diào)整R1使電橋處于平衡狀態(tài)，即U1=U2，電路輸出約為零，同時產(chǎn)生基準比較電壓U1。在電路正常工作情況下，Rx串聯(lián)進入電路后，電橋的平衡被打破，U2變小，U1和U2經(jīng)過運放OP497的隔離后送入差分放大器INA145進行放大，放大后的電壓信號送入12位精度的MAX197進行采樣。

2.2 絕緣測試部分

對于絕緣測試電路而言，由于輸入測試電壓為500～1 000 V，對干擾不太敏感，所以絕緣測試電路采用相對簡單的電阻分壓法來實現(xiàn)。

在圖4中：Rx為被測兩根導(dǎo)線間的絕緣電阻;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保護電源;R1，R2和R3組成分壓測試電路，R4為限流電阻，C1為了濾除雜波的干擾，測試回路的分壓值經(jīng)運放后輸入放大電路;MAX6176為高精度低噪聲基準電源，經(jīng)過分壓電路和跟隨器后為放大電路INA145提供基準比較電壓，INA145把放大后的信號送給MAX197進行采樣。

2.3 繼電器譯碼電路

繼電器譯碼電路的作用是在單片機的控制下將1 536個測試點中的某兩個測試點接入相應(yīng)的測試電路。比如譯碼電路選中測試點1的輸入繼電器Kat和測試點2的輸出繼電器Kab，外部的被測電纜通過這兩個測試點接入相應(yīng)的測試電路，從而實現(xiàn)了導(dǎo)通或者絕緣測試。為了實現(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P0口作為數(shù)據(jù)總線將地址信號送給鎖存器74HC573，同時P2.4，P2.5，P2.6，P2.7驅(qū)動HC138譯碼器形成鎖存有效信號，使地址信號鎖存在74HC573，由于地址信號為11位，所以需要單機發(fā)送兩次地址信息。

當11位地址準備完畢后，由單片機發(fā)送地址有效信號，將地址信號送給譯碼電路。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，可以分為三級譯碼電路，每一級譯碼電路由總線隔離芯片 74HC245，3～8線譯碼器74HC138和其他邏輯控制電路組成。第一級譯碼電路由11位地址信號中的AT10，AT09，AT08，AT07組成，負責(zé)選擇12塊單板中的某一塊;第二級譯碼電路由AT06，AT05，AT04，AT03組成，負責(zé)選擇某塊單板中的某一行;第三級譯碼電路由

AT02，AT01，AT00組成，負責(zé)選擇某塊單板中的某一列，這樣行列交叉就選中某一個測試點的輸入繼電器驅(qū)動電路，從而將該測試點接入了測試電路。地址信號在單板與單板之間經(jīng)過74HC245的隔離，防止其驅(qū)動能力下降。輸出繼電器的選擇過程完全一樣，不再贅述。

3 工程應(yīng)用方案研究

3.1 電纜測試系統(tǒng)工作流程

電纜測試系統(tǒng)由單片機和工控機共同作用來實現(xiàn)，工控機的人機交互界面將操作者輸入的信息通過USB發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)這些命令啟動相應(yīng)的外設(shè)，實現(xiàn)相應(yīng)的測試功能。電纜測試系統(tǒng)可實現(xiàn)系統(tǒng)自檢，全部導(dǎo)通/絕緣測試，單獨兩點之間導(dǎo)通/絕緣測試和指定區(qū)間內(nèi)兩點間導(dǎo)通/絕緣測試。單片機的工作流程如圖 8所示。

下面以導(dǎo)通電阻測試為例來說明電纜測試系統(tǒng)的工作流程：當被測產(chǎn)品通過轉(zhuǎn)接電纜接入電纜測試系統(tǒng)后，操作者通過參數(shù)設(shè)定來選擇被測產(chǎn)品的型號。當單片機接收到全部導(dǎo)通測試的命令，首先閉合測試點1的輸入繼電器，其次依次閉合第2個測試點的輸出繼電器，第3個測試點的輸出繼電器到第m個測試點的輸出繼電器(m∈[2，1 536]);當閉合測試點n的輸入繼電器(n∈[2，1 535])后，依次閉合測試點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。工控機上的數(shù)據(jù)處理部分將這個電壓值和對應(yīng)的地址信息生成數(shù)據(jù)庫，在測試結(jié)束時，工控機將生成的數(shù)據(jù)庫與標準的數(shù)據(jù)庫進行比對，從而確定出被測產(chǎn)品中那些通道是導(dǎo)通的。導(dǎo)通測試部分的工作流程如圖9所示。

絕緣測試部分的工作流程和導(dǎo)通測試類似，但是需要特別注意的是在執(zhí)行絕緣測試命令時，系統(tǒng)首先會對測試區(qū)間內(nèi)的點進行一次導(dǎo)通測試，并記錄導(dǎo)通的通道號，這樣在工控機向單片機發(fā)送地址指令時會自動跳過這些通道，從而保證操作人員和被測產(chǎn)品的安全，防止高壓短路可能引起的災(zāi)難性后果。

需要說明的是絕緣測試電壓由采用SG3524芯片的開關(guān)電源來實現(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MOSFET推動之后，驅(qū)動升壓變壓器，經(jīng)過倍壓、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，通過數(shù)字電位器來控制PWM波形的占空比，從而使得輸出電壓恒定。

3.2 電纜測試系統(tǒng)自檢流程

為了保證設(shè)備本身的工作正常，電纜測試系統(tǒng)提供自檢功能。自檢流程分為兩部分，第一部分對USB通道進行自檢，USB自檢流程如圖10所示。系統(tǒng)上電后，工控機發(fā)送校驗指令，單片機判斷校驗碼是否正確，在校驗碼正確的情況下，按照協(xié)議返回復(fù)碼，工控機判斷回復(fù)碼正確的情況下，USB通信建立正常。第二部分是對繼電器陣列進行自檢，其流程與導(dǎo)通測試類似。以測試點1和測試點2為例，首先，閉合測試點1的輸入繼電器，采樣測試電壓，如果系統(tǒng)判斷為斷開，則可以說明測試點1的輸出繼電器沒有常閉，反之則說明為常閉故障。把測試點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試點1的輸入繼電器是否為常閉故障。其次，分別打開測試點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)上就可以說明兩個繼電器均正常;如果系統(tǒng)判斷為斷開，則兩個繼電器中至少有一個為常開故障。最后，在外部端口上接入自檢插頭，分別選擇測試點1的輸入繼電器和測試點2的輸出繼電器，如果系統(tǒng)判斷為導(dǎo)通，則可以說明內(nèi)部繼電器和單板到端口的引線正常，反之則說明繼電器到測試端的引線出現(xiàn)問題。

4 結(jié)語

電纜測試系統(tǒng)實現(xiàn)了嵌入式子測試系統(tǒng)與主控計算機的有機結(jié)合，具有良好的擴展性和通用性。經(jīng)實際測試，可以實現(xiàn)多種產(chǎn)品內(nèi)部電纜連接關(guān)系的測試，大幅提高了測試效率和準確性。