電纜及轉(zhuǎn)接型電路的自動(dòng)化故障檢測方法

石浩，楊軍，蔣敏玉

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京， 210013）

0 引言

在現(xiàn)代電氣設(shè)備中，對多線通路如電纜、轉(zhuǎn)接型電路板的自動(dòng)化檢測需求日益增大。電纜（多線通路）的模型非常簡單[1]，但是在待測通路數(shù)量龐大的情況下，其檢測所需資源和耗費(fèi)時(shí)間也是隨著通路數(shù)量呈幾何級增大[2~3]。

如圖1所示的模型中，我們要對一個(gè)“一對一”通路進(jìn)行檢測。檢測的正常指標(biāo)有兩個(gè)，

圖1 電纜（多線通路）模型

（1）輸入點(diǎn)Sin-n的檢測信號需要在Sout-n的端口檢測到；

（2）輸入點(diǎn)Sin-n的檢測信號必須無法從其他端口檢測到。

如果符合上述兩點(diǎn)指標(biāo)要求，則判定該通路正常。反之，該電纜（多線通路）就存在異常情況。

具體異常的三種情況如下：

Case1：待測線路“斷路”（Open）：表現(xiàn)為從Sin-n端輸入的信號在Sout-n端口檢測不到，并且在其他端口也檢測不到；

Case2：待測線路“短路”（Short）：表現(xiàn)為從Sin-n端輸入的信號除了在Sin-n端口能檢測到，還在其他端口（如Sout-1）端口也被檢測到了；

Case3：待測線路“錯(cuò)接”（Wrong Connection）故障表現(xiàn)為從Sin-n端輸入的信號在Sout-n端口檢測不到，但是在其他端口被檢測到了。

如何對這個(gè)簡單模型設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化檢測方法呢？本文將討論三種方法，并比較其優(yōu)劣。分別為：單信號遍歷查詢法、多信號同時(shí)查詢法、單信號黑箱優(yōu)化查詢法。

1 單信號遍歷查詢法介紹

單信號遍歷查詢法在目前很多的電纜檢測設(shè)備中使用，通常采用矩陣對比的方法[4]。它是對待測電纜和電路的輸入端口依次輸入驅(qū)動(dòng)信號，例如每次在輸入口加載一個(gè)簡單信號（如DC 5V），就在輸出端口全部依次檢測（遍歷查詢），形成矩陣數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 單信號遍歷查詢法

單信號遍歷查詢法的無疑可以細(xì)致全面地給出檢測結(jié)果，分析出每一條待測線路的具體短路或錯(cuò)接對象。

但是其缺點(diǎn)是在輸入口某一端子輸入驅(qū)動(dòng)信號（5V）后，為了檢測其是否與電纜（多線通路）中其他線路存在“短路”“錯(cuò)接”等關(guān)系，需要對輸出口（Sout-1……Sout-n）所有端子進(jìn)行“遍歷式”查詢。

單信號遍歷查詢法需要占用大量數(shù)位資源和消耗檢測時(shí)間，造成自動(dòng)化檢測成本升高、效率下降。這種方法的過程是這樣的：依次從線路1到n分別查詢對應(yīng)通路的電氣狀態(tài)。首先，在查詢“待測通路1”時(shí)（對應(yīng)端口是Sin-1和Sout-1），在端口Sin-1輸入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電平信號，然后在端口Sout-1、Sout-2、Sout-3……Sout-n分別測量：

當(dāng)端口Sout-1測試到電平，而其他所有端口均測試為0時(shí)，可知1通路狀態(tài)為“正?！?；

當(dāng)端口Sout-1測試到電平，同時(shí)其他某一端口也測試到電平時(shí)，可知“待測通路1”對“其他某一端口”存在“短路”故障；

當(dāng)端口Sout-1測試不到電平，并且其他所有端口也測試不到電平時(shí)；可知“待測通路1”存在“斷路”故障；

當(dāng)端口Sout-1測試不到電平，而其他某一端口測試到電平時(shí)，可知“待測通路1”對測試到電平的通路“錯(cuò)接”。

由上述步驟我們可以看到，要檢測待測線路1的電氣故障狀態(tài)，要對Sout-1至Sout-n共計(jì)n個(gè)端子做遍歷測量。如果要測完整個(gè)待測電纜，則需要n×n次測量，即使考慮到已正常電纜無需重復(fù)測試，也需要n+(n-1)+(n-2)……+1次測量。

完成測量所需時(shí)間為：

或至少為：

上式中，T為總測量時(shí)間，n為待測電纜（多線通路）所含線路數(shù)量，t為單次測量消耗時(shí)間。

單信號遍歷查詢法不僅消耗測量時(shí)間，而且對系統(tǒng)數(shù)位資源占用比較高。仍以上述n線電纜為例，對I/O口的要求是：發(fā)出驅(qū)動(dòng)電平信號的I/O口需要n個(gè)，同時(shí)檢測I/O口也需要n個(gè)，總計(jì)需要的I/O口數(shù)量為：

2 多信號同時(shí)查詢法介紹

多信號同時(shí)查詢法可以大幅節(jié)約測試時(shí)間。其原理是采用不同信號同時(shí)輸入至Sin-1、Sin-2、……Sin-n。比如說在Sin-1輸入十六進(jìn)制的1，在Sin-2輸入十六進(jìn)制的2,……在Sin-n輸入十六進(jìn)制的n。然后在輸出端口Sout-1、Sout-2、……Sout-n進(jìn)行一次遍歷查詢。并將輸出結(jié)果和對應(yīng)的輸入端口做差值運(yùn)算，得出結(jié)果為0的（表征輸入輸出一致）判定為正常；得出結(jié)果非0的，判定為異常。如圖3所示。

圖3 多信號同時(shí)查詢法

多信號同時(shí)查詢法，所需的檢測時(shí)間是：

上式中，T為總測量時(shí)間，n為待測電纜（多線通路）所含線路數(shù)量，t為單次測量消耗時(shí)間，tc為差值計(jì)算時(shí)間。這個(gè)方法在遍歷時(shí)間上雖然有優(yōu)勢，但是很容易發(fā)現(xiàn)它有兩個(gè)弱點(diǎn)：

一是在n個(gè)輸入端同時(shí)提供各異信號需要占用大量的硬件資源，造成所需資源龐大；二是存在漏判的可能性—這個(gè)可能性由輸入信號編號的單數(shù)位重合性造成，例如輸入端信號為0001線路（1號線路）和信號為0011的線路（3號線路）短路的話，在3號線路的輸出口信號依然正常，導(dǎo)致出現(xiàn)漏判。如果要避免整個(gè)問題，必須在輸入信號設(shè)計(jì)上避免編號疊加重復(fù)。

由于上述兩個(gè)缺陷，多信號同時(shí)查詢法不建議廣泛推廣。

3 單信號黑箱優(yōu)化查詢法介紹

本文設(shè)計(jì)了一種黑箱故障查詢方法，可以在單信號遍歷查詢的基礎(chǔ)上提高效率。具體方法是，將被測線路作為一路；把其他未測線路全部短路作為一個(gè)整體，成為檢測的另一路。如圖4所示。

圖4 單信號黑箱優(yōu)化查詢法

以線路1為例，測試步驟是：

（1）在線路1的輸入口Sin-1輸入一個(gè)簡單信號：5V；

（2）檢測線路1的輸出口Sout-1進(jìn)行一次查詢，獲得St作為數(shù)據(jù)（0V或5V）；

（3）檢測線路2或3……或n任意一個(gè)端口（因?yàn)?、3……n線路已全部短路）進(jìn)行一次查詢，獲得Su作為數(shù)據(jù)（0V或5V）。

從上述步驟，我們獲得St和Su兩個(gè)數(shù)據(jù)，這兩個(gè)數(shù)據(jù)的組合，就可以表征出待測線路（例中的線路1）的狀態(tài)。

正常情況分析：如圖4所示，當(dāng)待測線路（線路1）正常時(shí)，在Sin-1端口輸入的5V會(huì)出現(xiàn)并且僅出現(xiàn)在Sout-1端口上，其他端口均為0V，我們記錄為（1，0）；

短路情況分析：我們假設(shè)待測線路（線路1）與非待測線路（線路2或其他任意線路）出現(xiàn)短路。如圖5所示。

圖5 短路情況

在短路情況下，輸入的5V檢測信號不僅出現(xiàn)在它應(yīng)該出現(xiàn)的Sout-1輸出端口上，同時(shí)也出現(xiàn)在被短路的Sout-2輸出端口，從而造成了St和Su兩個(gè)數(shù)據(jù)都是5V，我們記錄為（1，1）；

開路情況分析：我們假設(shè)待測線路（線路1）開路。如圖6所示。

圖6 開路情況

在開路情況下，輸入的5V檢測信號沒有出現(xiàn)在任何端口上，從而造成了St和Su兩個(gè)數(shù)據(jù)都是0V，我們記錄為（0，0）；

錯(cuò)接情況分析：我們假設(shè)待測線路（線路1）與非待測線路（線路2或其他任意線路）出現(xiàn)錯(cuò)接。如圖7所示。

圖7 錯(cuò)接情況

在錯(cuò)接情況下，輸入的5V檢測信號沒有出現(xiàn)在它應(yīng)該出現(xiàn)的Sout-1輸出端口上，但是出現(xiàn)在被錯(cuò)接的Sout-2輸出端口，從而造成了St是0V但Su是5V，我們記錄為（0，1）。

以上分析形成如表1的真值表。

表1 檢測結(jié)果真值組成含義

我們只需要依次對輸入端口輸入5V信號，并在每次輸入后進(jìn)行兩次查詢，就可以對待測電纜（多線通路）進(jìn)行全部檢測了。

綜合起來，完成測量的時(shí)間為：

上式中，T為總測量時(shí)間，n為待測電纜（多線通路）所含線路數(shù)量，t為單次測量消耗時(shí)間。

總計(jì)需要硬件的I/O口數(shù)量（含驅(qū)動(dòng)源）為：

4 單信號黑箱優(yōu)化查詢法的電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)單信號黑箱優(yōu)化查詢法的原理，需要對輸入端口進(jìn)行依次選擇，并對輸出信號進(jìn)行查詢，因此設(shè)計(jì)了兩個(gè)PLC模塊進(jìn)行選擇工作，并且兩個(gè)PLC模塊必須選擇同一編號（對應(yīng)同一線路）。電路原理如圖8所示。

圖8 電路原理設(shè)計(jì)

我們將這個(gè)設(shè)計(jì)應(yīng)用在某型雷達(dá)電纜的控制模塊自動(dòng)化維修平臺。作為測試機(jī)柜的一個(gè)部分，專門負(fù)責(zé)檢測一個(gè)60路轉(zhuǎn)接基板（多線通路）及其附屬電纜的電氣故障。如圖9所示。

圖9 電路原理實(shí)現(xiàn)實(shí)物圖

完成自動(dòng)化檢測后，控制電路將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)控制軟件，軟件記錄并提供給用戶直觀的檢測結(jié)果。如圖10所示。

圖10 裝置工作時(shí)軟件界面

5 結(jié)束語

在對三種電纜自動(dòng)化測試方法進(jìn)行比較后，我們認(rèn)為在測試時(shí)間和硬件資源利用效率方面，單信號黑箱優(yōu)化查詢法比較具有優(yōu)勢。并且根據(jù)該方法研制了實(shí)施電路，并應(yīng)用在某自動(dòng)化測試臺上。經(jīng)過驗(yàn)證，效果非常理想。該方法借用了工程分析中常用的黑盒原理[5]，對待測通路和非待測通路進(jìn)行了區(qū)分和統(tǒng)一化處理，這樣從技術(shù)上避免了數(shù)位資源的浪費(fèi)。利用軟件控制單片機(jī)對PLC端口依次選通，并且讀取回饋的真值即可實(shí)現(xiàn)對多路的電連接裝置進(jìn)行電氣故障查詢，這項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)原理簡單，使用的器件價(jià)格成本低廉。在設(shè)計(jì)中充分考慮壽命器件的更換和工作指示等細(xì)節(jié)問題。并且在更多的應(yīng)用環(huán)境下，該方法理論上可以拓展容量，其測試線路越多，效率優(yōu)勢體現(xiàn)越明顯。

該方法及其技術(shù)成果的重要意義在于優(yōu)化了電纜或多線通路自動(dòng)化電氣檢測方法，具有工程推廣價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景。