鉆取采樣裝置靜態接口測試系統設計

陳德靖，侯 文，高曰云

（1.中北大學 儀器與電子學院，太原 030051；2.中北大學 信息與通信工程學院，太原 030051；3.大唐微電子技術有限公司，北京100094）

鉆取采樣裝置在電測過程中，靜態接口測試需要檢驗人員手工檢測4～5 h，且操作時由于裝置位置關系，部分操作較為困難，同時手工檢測還存在靜電、短接等風險，因此為節省檢測時間，降低操作風險，需要研制鉆取采樣裝置靜態接口檢測儀。該測試系統針對鉆取采樣裝置在電測過程中遇到的相關問題進行設計，在LabVIEW應用程序和PXI嵌入式控制器的基礎上[1-2]，對鉆取電纜網各機構組件電接口接點間特性進行測量，為評估線纜網及各功能模塊技術狀態建立基本依據，實現上位機與被測設備的信號采集、通信。經交付、試驗，該測試系統測量精度高[3]，具有良好的穩定性和可靠性[4]。

1 系統構成

測試系統由前端接線箱、繼電器矩陣模塊、測量模塊、主控制器、機箱構成，功能邏輯框圖如圖1所示。其中，前端接線箱提供多個型號接插件的接入，由低阻率導線將多個接插件節點匯總為64端子的單接插件輸出，同時接線箱提供線路電阻自動補償接口；接線箱輸出與繼電器矩陣模塊連接，在主機控制下，繼電器矩陣模塊按照既定測量要求通斷，將待測量端子路由至測量模塊。測量模塊根據策略實現測量模式切換，輸出測量結果，由主控制器讀取并記錄測量結果。繼電器矩陣模塊、測量模塊、主控制器均采用PXI總線測試架構，插接在便攜式架構機箱背板。配套測試軟件，完成對設備各功能模塊的控制，具有人機交互、測量、記錄、分析、報告輸出等功能。

圖1 測試系統功能邏輯Fig.1 Functional logic block diagram of test system

2 系統軟件設計

2.1 軟件結構功能設計

圖2 程序總體設計Fig.2 Block diagram of the overall program design

通過LabVIEW的自動多線程技術[5]，軟件結構包含4個并行的循環，程序總體設計框架如圖2所示。主程序除去初始化界面，共包含4個模塊：事件處理模塊、消息處理模塊、通訊模塊、數據解析模塊。各模塊在功能上各有不同，事件處理模塊主要用來響應用戶的操作，判斷用戶需要測試整形機構電纜、加載機構電纜或者是鉆進機構電纜中的測試項，事件處理模塊能夠實時處理用戶的操作，并依據其操作，將不同的處理信息交給消息處理模塊進行處理；消息處理模塊主要是接收事件處理模塊的指令，并且將接收的指令或者采集到的數據進行處理，在處理過程中也會與通信模塊進行通信，或者將部分數據交由數據解析模塊來處理；通信模塊主要實現與各硬件之間的通信，能夠保證上位機指令準確無誤地作用到硬件板卡上；數據解析模塊可進行大量的數據操作，主要包括曲線顯示、數據記錄和報表生成等一系列圍繞數據參數進行的處理，系統大量的數據解析與處理都在此模塊中完成。

2.2 JKI與生產者消費者結構結合

程序整體上采用LabVIEW連續采集記錄的生產者消費者結構[6]，事件處理模塊采用的是JKI狀態機，作為生產者，向其消費者（消息處理模塊、通信模塊、數據解析模塊）發送信息，其他條件分支負責響應事件結構產生的事件。JKI狀態機通過事件結構快速響應前面板用戶事件，并且能夠通過簡單的出隊列、入隊列命令靈活地修改程序執行的狀態，能夠很好地解決本項目前面板大量操作的問題。連續采集的消息處理循環作為典型的消費者，不斷地接收來自生產者事件處理模塊的信息，并根據其不同，交由其他的分支處理，與此同時，該循環還不斷地同各板卡之間進行通信以完成數據的連續采集工作。

3 電阻測試鏈路補償

連接器端子輸入輸出采用物理多路復用方式，為避免出現測試結果有誤，在測試過程中要時刻保持同一時刻僅有一個接插件接入。而接線箱提供有線路電阻補償端子，將補償附件與補償端子插接后，可完成電阻測試鏈路中線纜、接線端子接觸等引入電阻的補償。測量鏈路中引入電阻如圖3所示，針對該鏈路，給出以下2種設備測量結果補償方案。

圖3 鏈路引入路電阻構成Fig.3 Path resistance of link is introduced

補償方案一線纜箱補償端子與輸出接插件連接。該鏈路中，繼電器通路電阻所占比例較大。經補償后，輸出端子、連接線纜、繼電器通路電阻可以消除，在設計上，補償端子、補償附件所引入電阻較小，可以測量得到。這種補償方案的優點是設計簡單，可以選擇多種類型補償端子；缺點是不能補償輸入接插件端子電阻與線纜箱電阻的誤差。在實際的補償過程中，由于選取的補償端子較為合適，輸入接插件端子電阻與線纜箱電阻的誤差在測量允許的范圍內，因此本著設計簡單易實現的原則，在最終的設計方案中采用了這一方案。而第二種方案，能夠得到更精確的電阻測量精度，在此也列出作為參考。

補償方案二線纜箱補償端子與輸入接插件連接。該鏈路中所引入電阻都可以完成補償。這種補償方案的優點是線纜間電阻測量精度更準確；缺點是需要配備與輸入端子型號一致的補償端子。根據需要，用戶可選擇定期補償或測量前補償，補償系數保存在主機中，在下次測量時自動讀取使用。

4 測量模塊模式

繼電器矩陣模塊用于將接線箱任意端子的組合切換為測量模塊所規定的形式。該模塊為64×4矩陣，邏輯示意如圖4所示。

圖4 繼電器矩陣模塊原理Fig.4 Principle of relay matrix module

圖4中，Y1～Y4分別與測量模塊的輸入端連接，運行于主機的測試軟件根據測試序列控制完成接插件端點的切換。X1～X64為接線箱的輸出，該輸出與被測線纜存在一定的映射關系。測量模塊用于完成被測線纜端點間特性的測量，如電阻、電壓等。根據任務需要，測量模塊可配置為四線制電阻測量、兩線制電阻測量和二極管測量3種工作模式[7-8]。

測量模塊工作時對外可等效為一個恒流源，以小阻值電阻測量時采用的四線制為例，其基本測量原理如圖5所示。測試軟件將繼電器矩陣模塊切換為四線輸出，圖4中繼電器輸出Y1、Y2切換到與圖5 中 HI、HIsense 輸入保持連接；Y3、Y4切換到與圖 5中 LO、LOsense 輸 入保持連接。測量模塊輸出恒流，該恒流在被測線纜兩節點產生電壓，由測量模塊測量后輸出。主機完成對測量結果的讀取、補償以及顯示。

大阻值電阻的測量采用兩線制方式，測量原理如圖6所示，測試流程同小阻值測量一致，此處不再贅述。

二極管的基本特性是二極管正向電壓在某一區段內基本不隨電流變化。依據這一特性，測量模塊采用對二極管進行恒流激勵，并讀取二極管兩端電壓值的方式判定二極管狀態。

圖5 四線制測量原理Fig.5 Four-wire measurement principle

圖6 兩線制測量原理Fig.6 Two-wire measurement principle

5 結語

本文介紹了一種基于LabVIEW應用程序和PXI嵌入式控制器的鉆取采樣裝置靜態接口測試系統[9]。該系統對鉆取電纜網各機構組件電接口接點間特性進行測量，為評估線纜網及各功能模塊技術狀態建立了基本依據，并且在試驗的過程中得到完整的測試數據，提供了完整的數據存儲與處理。本文所提及的電阻測試鏈路補償方案，能夠很好地避免電阻測量誤差，不同模式的測量模塊能夠高精度完成小電阻、大電阻和二極管的測量。在交付試驗中，其性能穩定，實用性強，結構設計合理，集成度高，具有很強的通用性，對其他的測試系統有一定的借鑒意義[10]。

[1]張華，鄭賓，武曉棟.基于LabVIEW的溫度測試系統[J].電子器件，2013，36（2）：243-244．

[2]盧超，李鵬輝.基于虛擬儀器的有害氣體報警儀[J].電子器件，2013，36（4）：561-563．

[3] 孫先松，王魯濤.基于DSP和LabVIEW的1553B總線芯片測試系統的設計與實現[J]．計算機測量與控制，2014，22（8）：2412-2413．

[4] 梁立柱，施華君，傅山．1553B總線控制器雙冗余方案的LabVIEW仿真[J]．計算機工程，2012，38（16）：230-231．

[5]冉景洪，趙玲，季辰，等.基于LabVIEW的顫振激勵信號生成與測試系統研究[J].中國測試，2011，37（1）：85-87．

[6]李寧，徐冠基，張志強，等．列車車載蓄電池組參數在線監測系統研發[J]．中國測試，2014，40（1）：107-109．

[7]周敏，葛興市.三線制及四線制熱電阻測量方法的探究[J].計量測試與檢定，2015，25（3）：33-34．

[8]徐偉，行鴻彥.自動氣象站采集器的溫度通道檢定儀[J].儀表技術與傳感器，2014（10）：40-42．

[9]黎文航，楊峰，朱志愿，等.基于LabVIEW的高精度電阻-溫度法相變點測試儀研制[J].江蘇科技大學學報，2010，24（6）：555-557．

[10]趙大鵬，李澤乾.基于VXI總線的空空導彈發控平臺測試系統設計[J].計算機測量與控制，2008，16（1）：78-80．