智能型線纜檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程分院 李 博 高建強(qiáng)

1.引言

電氣產(chǎn)品中往往密布著各類線纜，這些線纜具有各種型號(hào)、規(guī)格，帶著各種類型的接插件，它們的質(zhì)量好壞直接影響到電氣產(chǎn)品的整體質(zhì)量情況。所以必須對(duì)各類線纜進(jìn)行檢測(cè)，以提升產(chǎn)品的質(zhì)量。檢測(cè)包括檢測(cè)效果和檢測(cè)速度兩個(gè)方面，好的檢測(cè)手段要求檢測(cè)速度快，測(cè)試精度高、準(zhǔn)確率高。

當(dāng)前行業(yè)中普遍采用人工手動(dòng)測(cè)量的方式，通過萬用表測(cè)線纜兩端的通斷情況。這種方法效率低、誤差大，常常出現(xiàn)漏檢錯(cuò)檢的情況。數(shù)字萬用表在被測(cè)對(duì)象組織小于30歐姆的情況下默認(rèn)為導(dǎo)通，但普通線纜在有線損或接觸不良等狀況時(shí)，阻值仍然小于30歐姆，所以單純用數(shù)字萬用表無法進(jìn)行有效的判別。

市場(chǎng)上某些專用的線纜測(cè)試儀器，如網(wǎng)線通斷測(cè)試儀，只能對(duì)接口型號(hào)固定的線纜進(jìn)行測(cè)試，不具備通用性，難以滿足普通用戶對(duì)機(jī)柜內(nèi)各類線纜的測(cè)試要求。

本文討論了開發(fā)智能型線纜檢測(cè)儀，能夠?qū)Υ罅康摹⒉煌?guī)格型號(hào)的、帶有接插件的線纜進(jìn)行方便、快速、準(zhǔn)確地自動(dòng)檢測(cè)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)線纜是否存在通斷或規(guī)格等方面的質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)線纜檢測(cè)手段的自動(dòng)化、準(zhǔn)確化、標(biāo)準(zhǔn)化和便捷化。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

測(cè)試系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)各類線纜進(jìn)行快速、準(zhǔn)確、方便地測(cè)試這一技術(shù)目標(biāo)，其中，通用性、測(cè)試速度和測(cè)試精度是主要的設(shè)計(jì)方面。根據(jù)類比國(guó)外同類型測(cè)試儀，我們提出了“實(shí)現(xiàn)即插即測(cè)功能、實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)功能、每根線纜測(cè)試時(shí)間小于20ms、出錯(cuò)概率小于0.1%”的具體技術(shù)指標(biāo)。為滿足設(shè)計(jì)要求，在技術(shù)方案中主要采取以下措施：恒流源設(shè)計(jì)輸出能力達(dá)到0～10A可調(diào)的范圍，保證被測(cè)線纜線徑范圍可達(dá)0.1～4mm2；采用Cyclone系列的FPGA芯片作為主控制器[1]，保證系統(tǒng)工作頻率可達(dá)100MHz，并有一百多個(gè)用戶可用I/O口，從而保證系統(tǒng)可以高速可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；采用12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；硬件上采用全系統(tǒng)屏蔽、小信號(hào)濾波、恒流源低噪聲處理等技術(shù)，軟件上采用改進(jìn)型快速濾波算法，保證測(cè)試的準(zhǔn)確度。

2.2 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能型線纜檢測(cè)儀由控制器、萬能接口、上位機(jī)、電源等部分組成。控制器協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作，調(diào)整數(shù)控恒流源的輸出為系統(tǒng)提供高精度的測(cè)試電流，控制數(shù)據(jù)采集及信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，并與上位機(jī)通訊，將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理。萬能接口實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格型號(hào)的線纜接插件與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行快速插拔、即插即測(cè)。上位機(jī)通過CAN總線與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，采用自學(xué)習(xí)的方式識(shí)別陌生被測(cè)線纜，構(gòu)建被測(cè)線纜數(shù)據(jù)庫(kù)，分析計(jì)算測(cè)試數(shù)據(jù)并將測(cè)試結(jié)果顯示在軟件界面上。電源主要由系統(tǒng)工作電源部分及測(cè)試用恒流源部分組成，系統(tǒng)工作電源部分采用開關(guān)電源及穩(wěn)壓芯片獲取系統(tǒng)所需的各個(gè)等級(jí)的直流電壓，恒流源部分采用PWM控制芯片和場(chǎng)效應(yīng)管獲取精確可調(diào)的定值電流。

測(cè)試時(shí)，被測(cè)線纜通過萬能接口接到測(cè)試儀，選擇被測(cè)線纜的參數(shù)規(guī)格。上位機(jī)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，如果該型號(hào)線纜為首次被測(cè)則進(jìn)入自學(xué)習(xí)流程并建立該型號(hào)線纜的數(shù)據(jù)庫(kù)，否則進(jìn)入正式測(cè)試流程。控制器根據(jù)上位機(jī)的命令調(diào)整恒流源的輸出，采集被測(cè)線纜兩端的即時(shí)壓降值，并同步采樣被測(cè)線纜的實(shí)際電流值。上位機(jī)通過對(duì)理論值與實(shí)際采樣值進(jìn)行分析計(jì)算，得出測(cè)試結(jié)果。

圖1 自學(xué)習(xí)工作流成

2.2.1 控制器

與傳統(tǒng)的單片機(jī)相比，F(xiàn)PGA芯片具有可靠性更高、處理速度更快、集成度更高、設(shè)計(jì)更靈活的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)使用EP1C6Q240C8型FPGA，它擁有豐富的I/0口資源和片內(nèi)資源。采用硬件描述語言在FPGA內(nèi)構(gòu)建了CAN總線控制器[2]、電流通道切換器、MAX186模數(shù)轉(zhuǎn)換器控制器[3]、AD0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制器等功能模塊，這些模塊在控制器中以并行的方式工作，極大地提高了系統(tǒng)的效率。

2.2.2 恒流源

數(shù)控恒流源為系統(tǒng)提供測(cè)試電流，所以恒流源的輸出精度直接影響到系統(tǒng)的測(cè)試精度。根據(jù)恒流器件的不同，恒流源可分為集成電路恒流源、晶體管恒流源和場(chǎng)效應(yīng)管恒流源。集成電路恒流源輸出電流小，晶體管恒流源的穩(wěn)流精度低，場(chǎng)效應(yīng)管恒流源具有輸出電流可調(diào)范圍大、精度高的特點(diǎn)，滿足本設(shè)計(jì)的需要[4]。本系統(tǒng)恒流源采用PWM控制芯片SG3525，以閉環(huán)反饋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地調(diào)整恒流源的輸出，較大地提高了輸出精度。另外對(duì)輸出電流與基準(zhǔn)電壓的關(guān)系式進(jìn)行全微分后，得到公式：

圖2 測(cè)試結(jié)果

由公式可知，采樣電阻的溫度特性是影響輸出穩(wěn)定度的主要因素，采用高精度金屬殼散熱式電阻，可以有效改善恒流源的輸出穩(wěn)定度[5]。經(jīng)過合理化設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)恒流源可達(dá)到5%的輸出精度，較好地保證了系統(tǒng)的整體測(cè)試精度。

2.2.3 自學(xué)習(xí)功能

自學(xué)習(xí)功能是線纜檢測(cè)儀達(dá)到智能化設(shè)計(jì)要求的重要標(biāo)志。自學(xué)習(xí)流程中，系統(tǒng)從0mA開始，對(duì)陌生的被測(cè)線纜遞增地施加測(cè)試電流，遞增幅度為10mA，直到被測(cè)線纜兩端實(shí)測(cè)電壓平均值的數(shù)模轉(zhuǎn)換返回值超過預(yù)設(shè)值，該值既是當(dāng)前型號(hào)線芯的自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)值。圖1為自學(xué)習(xí)流程示意圖。

對(duì)于同一根線纜中具有不同線芯、不同接插件的復(fù)雜線纜，系統(tǒng)也可以簡(jiǎn)便快速地建立陌生線纜自學(xué)習(xí)參數(shù)庫(kù)，在之后的正式測(cè)試過程中，同類線纜即可采用數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2為對(duì)同一型號(hào)的三芯不同質(zhì)量的線纜進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，三芯線纜分別為正常狀態(tài)、有損傷狀態(tài)和斷線狀態(tài)，三種情況下分別采樣20次的數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)可知，把數(shù)據(jù)庫(kù)中該型線纜參數(shù)12位的預(yù)設(shè)值100110000000按等比轉(zhuǎn)換得到3.0±0.1的正常，第1個(gè)測(cè)試結(jié)果正常；當(dāng)線芯損傷時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)分布在3.5±0.1的范圍區(qū)間，測(cè)試結(jié)果如實(shí)反映了線芯受損后線阻增大但仍導(dǎo)通的特性；當(dāng)線斷芯時(shí)，測(cè)試電壓數(shù)據(jù)為5.0，測(cè)試電流數(shù)據(jù)為0.0，表明線芯斷芯后電流斷流，電壓為電流源的路端電壓值。上位機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，從而判斷并顯示線芯的質(zhì)量狀況。

4.結(jié)束語

本項(xiàng)目為2009年浙江省教育廳科研項(xiàng)目“基于FPGA的線纜自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的研究”，項(xiàng)目編號(hào)Y200909512。基于FPGA技術(shù)的智能型線纜檢測(cè)儀采克服了傳統(tǒng)線纜檢測(cè)手段中效率低、精度低、錯(cuò)檢率高的弊端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類線纜進(jìn)行快速準(zhǔn)確地測(cè)量的功能，實(shí)現(xiàn)了線纜檢測(cè)手段質(zhì)量與效率的雙重提升，具有較為現(xiàn)實(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

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