大容量电缆测试仪的设计应用和测量的整体方案

1 引言

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。如果采用人工 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。

本文将介绍一种大容量的电缆线束自动测试仪，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 迅速建立起一套电缆线束的设计、转接、应用和测量的整体方案。

2 测试原理说明

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，恒定电 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达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，最大电流则不到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，则表示这些接点和 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，可以找出所有点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 测试仪的硬件组成

整个系统分为上位机软件和自动测试仪两个部分。每台电缆自动测试仪有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，每板有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 测试仪硬件结构示意图

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C8051F020［1］，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）和两个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 字节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，用于地址译码，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口

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 器件一样，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， 从设备的单片机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/从片输入数据 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，分时选通最多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 的精密恒流源模块，可编程精密恒流源的原理电 路如图3 所示。

REF200［3］是一个双通道的100uA±0.5%的精密恒流源，流经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，它的输入偏置电压最大为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 可编程精密恒流源电路简图

图中恒流源跟随器选用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 输出的电压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：

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）

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

3.3 信号调理和A/D 转换电路

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 控制，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，则最小分辨电压为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2.5V，A/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 转换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明 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 的固件程序设计成中断驱动，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 的传输可在后台进行，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。控制传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的测量数据上报。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、读取本端和 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片机发中断。 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 的内部缓冲区移到交互的数据缓冲区，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，测量结果存入数据缓冲区。 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 设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 和测试数据的报表查询，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用。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。自学习测试是指测试仪通过全排列测试，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电缆网 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

6 结束语

该电缆自动测试仪采用级联方式，测试容量大;精密恒流激励源和信号调理电路的 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工作效率，适合在汽车、船舶和航天航空等领域使用。

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