基于ARM處理器的機(jī)柜線纜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 彬，范夢(mèng)恒，修小旭

（中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

機(jī)柜是雷達(dá)裝備產(chǎn)品的重要組成部分，機(jī)柜線纜又可被比喻為雷達(dá)的神經(jīng)系統(tǒng)，承載著雷達(dá)的電能輸送、信號(hào)傳遞及各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，而電性能的穩(wěn)定、可靠是雷達(dá)有序運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。目前，機(jī)柜線纜的檢測(cè)方法通常是采用蜂鳴器、萬(wàn)用表和系統(tǒng)接線原理圖，對(duì)每一根芯線進(jìn)行逐個(gè)測(cè)試，從而排除線纜故障［1］，這種檢測(cè)方法效率低、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)且過(guò)程無(wú)記錄。

許多專家學(xué)者研究過(guò)各類線纜的檢測(cè)方法，劉生攀［2］提出一種通用的電纜測(cè)試方法，在特定條件下10 000個(gè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間僅需11秒；王艷麗［3］闡述了CAN總線再線纜檢測(cè)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)線纜通斷、絕緣和電容測(cè)試；胡媛元［4］提出基于ARM處理器的便攜式機(jī)載線纜故障檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)線纜的短路、斷路測(cè)試，以及導(dǎo)通電阻和絕緣電阻的測(cè)量。可見(jiàn)，線纜檢測(cè)系統(tǒng)扮演著越來(lái)越重要的角色［5］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，某型產(chǎn)品的信號(hào)接收和處理機(jī)柜接插件有16種，共66件，單個(gè)接插件芯線數(shù)量最多74芯，單臺(tái)機(jī)柜的接線關(guān)系總數(shù)共計(jì)1 265組，平均單臺(tái)機(jī)柜線纜的人工檢測(cè)時(shí)間約2個(gè)小時(shí)，檢驗(yàn)員每測(cè)一根芯線都需要對(duì)照?qǐng)D紙、接線表及芯線號(hào)，工作精細(xì)、煩瑣、量大、易疲勞。為提高機(jī)柜線纜的檢測(cè)效率、保證系統(tǒng)的可靠性及檢驗(yàn)過(guò)程的可追溯性，現(xiàn)提出開(kāi)發(fā)一套基于ARM處理器的機(jī)柜線纜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)柜線纜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試儀、轉(zhuǎn)接工裝、測(cè)試軟件及PC機(jī)組成，測(cè)試儀與測(cè)試軟件之間采用網(wǎng)口通信，測(cè)試儀的設(shè)計(jì)以平臺(tái)的開(kāi)放性、靈活性為原則，且具有二次開(kāi)發(fā)能力，允許根據(jù)不同測(cè)試對(duì)象靈活地減少、增加測(cè)試接口；測(cè)試軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，并為系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)提供軟件編程接口。

線纜測(cè)試原理如圖1所示。

圖1 線纜測(cè)量原理

初始電壓5V，流經(jīng)保護(hù)電阻R1、在R2和被測(cè)線纜處分流，最后通過(guò)共地形成回路。通過(guò)ARM采樣獲取被測(cè)線纜兩端的電壓U1，可以計(jì)算被測(cè)線纜與R2的并聯(lián)電阻，再通過(guò)并聯(lián)電阻的公式，即可算出被測(cè)線纜的電阻R。具體公式如下：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試模塊

因各型機(jī)柜的待測(cè)芯線數(shù)量大，接插件種類多，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)如果用單塊PCB板實(shí)現(xiàn)，會(huì)造成PCB板體積大且布線困難，不利于后期的調(diào)試、維護(hù)及拓展。因此，系統(tǒng)硬件采取模塊化設(shè)計(jì)，共包含8個(gè)測(cè)試模塊，每個(gè)測(cè)試模塊可完成一組512根芯線的測(cè)試。單個(gè)測(cè)試模塊又細(xì)分為8個(gè)接口，每個(gè)接口可同時(shí)連接的最大芯線數(shù)為64。從成本及系統(tǒng)復(fù)雜程度的角度出發(fā)，每個(gè)測(cè)試模塊的512個(gè)輸出接口對(duì)應(yīng)8塊64路輸出的開(kāi)關(guān)電路板，從優(yōu)化硬件體積因素，整個(gè)模塊采用背板加8塊開(kāi)關(guān)電路板的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

測(cè)試模塊原理框圖如圖2所示。

圖2 模塊原理框

ARM處理器(Advanced RISC Machines）是RISC微處理器，具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn)，ARM處理器是線纜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的核心控制模塊。本系統(tǒng)的ARM處理器采用TI公司的TM4C129XNCZAD芯片，基于Cortex-M4構(gòu)架擁有豐富的集成能力和開(kāi)發(fā)工具，提供了包含浮點(diǎn)運(yùn)算器的120 MHz Cortex-M內(nèi)核以及一系列的集成存儲(chǔ)器和多種可編程通用的I/O接口［6］。其特征如下：

(1）采用以指令和數(shù)據(jù)總線分離的哈佛體系；

(2）具有出色的快速中斷處理能力；

(3）包括10/100以太網(wǎng)MAC帶高級(jí)IEEE1588 PTP硬件；

(4）提供集成在片上的模擬功能，包括2個(gè)12位ADC模塊，共帶24路共享的采樣速度為100萬(wàn)次/秒的模擬輸入通道。

2.2 背板設(shè)計(jì)

背板是整個(gè)測(cè)試模塊信息交互的樞紐，通過(guò)ARM處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送與接收。ARM通過(guò)網(wǎng)口與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)發(fā)送來(lái)的線纜連接指令，獲取輸入/輸出通道，并將對(duì)應(yīng)的指令發(fā)送給開(kāi)關(guān)電路板。同時(shí)，ARM自帶的ADC模塊會(huì)根據(jù)上位機(jī)的指令，采集對(duì)應(yīng)通道的電壓值，并將其回送給上位機(jī)。

在結(jié)構(gòu)上，背板與開(kāi)關(guān)電路板采用接插件互連的形式。類似于電腦主板和顯卡的結(jié)構(gòu)，所有開(kāi)關(guān)電路板均垂直插于背板的對(duì)應(yīng)接口上。此類設(shè)計(jì)可以兼顧外觀、體積及盒體設(shè)計(jì)等要求，背板包括一片ARM、8個(gè)相同的32芯插座及相關(guān)電路。

2.3 開(kāi)關(guān)電路板設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電路板以開(kāi)關(guān)芯片TP0164為核心，主要實(shí)現(xiàn)不同輸出管腳的片選，開(kāi)關(guān)電路板功能如圖3所示。

圖3 開(kāi)關(guān)電路板框

輸出端采用64芯插座，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)芯片的64路輸出。該芯片為64選1雙向開(kāi)關(guān)，芯片的驅(qū)動(dòng)電壓為2.5 V～5.5 V，本設(shè)計(jì)采用5 V驅(qū)動(dòng)，最大可承受電流不超過(guò)150 mA，其導(dǎo)通內(nèi)阻典型值為27Ω。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)柜線纜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要一種安全、穩(wěn)定和高效的語(yǔ)言環(huán)境，.Net是一種具有極高安全性的面向?qū)ο蟪绦騑indows平臺(tái)上編程架構(gòu)，C＃語(yǔ)言是專門為.NET程序框架而創(chuàng)造的語(yǔ)言，是微軟公司發(fā)布的一種精確、簡(jiǎn)單、安全、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言。

3.1 開(kāi)發(fā)工具及運(yùn)行環(huán)境

(1）開(kāi)發(fā)工具。

軟件的開(kāi)發(fā)工具包括系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)工具。系統(tǒng)軟件采用Microsoft Visual Stadio2012作為開(kāi)發(fā)工具，基于.NET Framework 4.0平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server 2008 R2。

(2）運(yùn)行環(huán)境。

軟件環(huán)境：Windows操作系統(tǒng)，.NET Framework 4.0，Microsoft SQL Server 2008 R2，Microsoft Office 2010；

硬件環(huán)境：Intel i5以上的處理器、4G以上內(nèi)存、1T以上可用硬盤空間、鍵盤和鼠標(biāo)。

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件共分為5個(gè)模塊，接線表管理、系統(tǒng)自檢、線纜測(cè)試、測(cè)試結(jié)果管理、系統(tǒng)管理，功能如下。

(1）接線表管理，實(shí)現(xiàn)接線表的新增、刪除、導(dǎo)入等操作，系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)入的接線表，可自動(dòng)識(shí)別接線規(guī)則。

(2）系統(tǒng)自檢，實(shí)現(xiàn)測(cè)量硬件的自檢，包括電池電壓檢測(cè)及測(cè)試模塊的檢測(cè)，保證線纜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

(3）測(cè)試模塊，用戶選擇指定接線表，輸入相關(guān)信息并根據(jù)系統(tǒng)提示連接工裝，連接完畢后開(kāi)始測(cè)試，系統(tǒng)同步顯示自動(dòng)測(cè)試結(jié)果。

(4）測(cè)試結(jié)果管理，用戶根據(jù)檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)人員等要素查看機(jī)柜線纜的測(cè)試結(jié)果，可對(duì)不合格項(xiàng)進(jìn)行手動(dòng)歸零，測(cè)試結(jié)果亦可按指定格式進(jìn)行報(bào)表導(dǎo)出。

(5）系統(tǒng)管理，包括用戶管理、系統(tǒng)配置、權(quán)限管理、日志管理等，實(shí)現(xiàn)用戶信息、權(quán)限的增刪改查等操作，系統(tǒng)管理員可查看全部操作日志。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件電路如圖4所示，圖中詳細(xì)描述了測(cè)試儀背板及開(kāi)關(guān)板的PCB設(shè)計(jì)原理圖，圖5展示了系統(tǒng)主界面及接線表管理界面。

圖4 背板和開(kāi)關(guān)板PCB原理

圖5 部分軟件界面

5 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)目前已投入使用，以某型機(jī)柜為例，待測(cè)接線關(guān)系共1 265組，自動(dòng)檢測(cè)939組，手動(dòng)檢測(cè)326組，自動(dòng)檢測(cè)接線數(shù)量是手動(dòng)檢測(cè)數(shù)量的3倍，自動(dòng)檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)9 s，加上工裝連接及系統(tǒng)自檢等時(shí)間總時(shí)長(zhǎng)約為10分鐘，手動(dòng)檢測(cè)部分時(shí)間約為50分鐘，再對(duì)比原先的檢測(cè)方法單臺(tái)機(jī)柜檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)約2.5小時(shí)。由此可見(jiàn)，機(jī)柜線纜自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的使用大大提高了檢測(cè)效率，保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)線纜檢測(cè)的測(cè)試結(jié)果可追溯、測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化、數(shù)字化以及信息化。