基于CMOS 數(shù)字集成電路的定日鏡推桿電纜組件檢測方法

第五俊峰,孫芳婷,曹 潘

(西安西電光電纜有限責(zé)任公司,西安 710082)

0 引 言

定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的重要聚光元件,定日鏡推桿控制設(shè)備與電機(jī)之間通過電纜連接,用以輸送傳感器信號、控制信號和動力信號[1-2]。定日鏡推桿電纜組件,由多組絕緣線、屏蔽線和連接器組成,整套組件均可在工廠制作完成,交付使用前應(yīng)對電纜的導(dǎo)通、斷線、短路及線序關(guān)系等進(jìn)行檢測,確保用戶在現(xiàn)場通過簡單的接插即可完成安裝并可直接使用。參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3-4],多芯電纜的導(dǎo)體導(dǎo)通、斷線、混線及線序試驗(yàn),采用萬用表或帶有電池的蜂鳴器、電鈴或指示燈,將引線連接到電纜的兩端,通過指示或聲音來判斷。由于存在接線端子,需要工作人員從兩端同步操作,容易出現(xiàn)誤判,且測量過程耗時(shí)費(fèi)力。

在電纜線序識別方法上,一種應(yīng)用于線束產(chǎn)品的基于機(jī)器視覺與模糊控制的電纜線序識別方法及設(shè)備,可通過采集標(biāo)準(zhǔn)模塊圖像和含有待處理電纜線序信息的圖像進(jìn)行檢測[5]。但是,定日鏡推桿電纜中各子單元均由圓形護(hù)套包裹而成,且顏色相同,識別難度大,設(shè)備成本較高,因此這種方法并不適宜。王鵬飛等[6]提出了一種CD4017 電纜測試儀,通過對十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4017 簡單級聯(lián),實(shí)現(xiàn)多芯電纜測試,可用于通信電纜的檢測。對于級聯(lián)方式的掃描電路,上級電路的輸出信號作為下級電路的驅(qū)動信號,即第二級掃描周期為第一級掃描周期的10 倍,第三級掃描周期為第二級掃描周期的10 倍。直接采用級聯(lián)方式掃描會使測試速率逐漸減慢,導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用效果欠佳,而CMOS 數(shù)字集成電路工作可靠、高速低耗、電壓范圍寬且成本低廉。

本工作采用CMOS 數(shù)字集成電路開發(fā)一種檢測方法,以便在工廠完成生產(chǎn)后,能夠高效測試定日鏡推桿電纜組件的通斷、混線及線序是否滿足產(chǎn)品要求。

1 檢測電路原理

自動檢測電路由脈沖發(fā)生電路、自動掃描電路、狀態(tài)指示電路和自檢控制電路等4 個(gè)部分組成。其中,脈沖發(fā)生電路為電纜檢測儀的驅(qū)動電路,提供穩(wěn)定均勻的方波信號;自動掃描電路控制方波信號分配到每根被測導(dǎo)體;狀態(tài)指示電路通過聲光形式指示被測導(dǎo)體的連接狀態(tài);自檢控制電路對整個(gè)檢測電路的工作狀態(tài)進(jìn)行自檢,確保電路工作正常。基于CMOS 數(shù)字集成電路的電纜檢測電路原理見圖1。

圖1 基于CMOS 數(shù)字集成電路的電纜檢測電路原理

1.1 脈沖發(fā)生電路

脈沖發(fā)生電路由CMOS 型555 定時(shí)器U1 及外圍阻容元件組成,通過調(diào)節(jié)可調(diào)電位器RV1 改變脈沖信號的頻率,以便操作者根據(jù)自己的操作習(xí)慣來調(diào)整測試速度。以往的555 集成電路中,一般將定時(shí)器的輸出端Q 作為信號輸出端[7-8],在改變信號頻率時(shí),其信號占空比會同時(shí)發(fā)生改變。該設(shè)計(jì)使得頻率的調(diào)節(jié)范圍受限,占空比的改變還會影響指示信號燈的亮滅時(shí)間。占空比過高或過低,均易造成信號無法分辨的現(xiàn)象。

本工作將電位器RV1 連接在輸出端Q 與閾值端TH 之間,閾值端TH 與觸發(fā)端TR 相連,將放電端DC 作為信號輸出端,在調(diào)節(jié)電位器RV1 時(shí)可獲得固定占空比的方波信號。選擇適當(dāng)?shù)腞1 和C1,使方波信號占空比約為50%,拓寬頻率的調(diào)節(jié)范圍,從而在調(diào)節(jié)頻率時(shí)得到均勻穩(wěn)定的指示信號,以確保在不同的測試速率下指示電路均有足夠的響應(yīng)。

1.2 自動掃描電路

自動掃描電路由5 個(gè)CMOS 型與非門CD4011和兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器CD4017 組成,通過控制脈沖輸入和十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的清零端,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)計(jì)數(shù)器的依次勻速掃描。其中,與非門U2:A 的輸入端與計(jì)數(shù)器U4 的第9 輸出端相連;與非門U2:B 的輸入1端、輸入2 端分別與脈沖發(fā)生電路的輸出端、U2:A的輸出端相連,U2:B 的輸出端與計(jì)數(shù)器U4 的時(shí)鐘端相連;U2:C 的輸入1 端、輸入2 端分別與U1:A的輸入端、脈沖發(fā)生電路的輸出端相連;U2:D 的輸入端與U4 的復(fù)位端和U5 的第9 輸出端相連;U3:A 的輸入端分別于U2:C 輸入端和U2:D 的輸出端相連;U3:A 的輸出端與U5 的時(shí)鐘端相連。

按上述電路連接,電路上電時(shí),計(jì)數(shù)器U4、U5均復(fù)位,脈沖電路輸出為低電平,與非門U2:B 打開,此時(shí)的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動計(jì)數(shù)器U4 依次計(jì)數(shù);輸出高電平時(shí),關(guān)閉與非門U2:B,同時(shí)打開與非門U3:A 驅(qū)動計(jì)數(shù)器U5 依次計(jì)數(shù),直至其脈沖電路輸出高電平關(guān)閉與非門U3:A,同時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)器U4,從而實(shí)現(xiàn)U4 和U5 的循環(huán)計(jì)數(shù),達(dá)到連續(xù)掃描、自動檢測的目的。自動掃描部分采用的兩個(gè)十進(jìn)制計(jì)數(shù)器最多可完成18 路循環(huán)檢測,若需增加檢測回路,還可增加計(jì)數(shù)器CD4017 及相應(yīng)的與非門,其中每個(gè)計(jì)數(shù)器可增加9 個(gè)回路。

1.3 狀態(tài)指示電路

狀態(tài)指示電路中設(shè)計(jì)了聲光指示電路,由依次對應(yīng)的雙排發(fā)光二極管(LED)指示燈(A1、B1,A2、B2,A3、B3……)、與非門CD4011(U3:B、U3:C)和訊響器BUZ1 組成。LED 指示燈用于指示連接狀態(tài),訊響器在電纜連通時(shí)發(fā)出聲音,與非門用來驅(qū)動訊響器BUZ1。通過觀察LED 指示燈點(diǎn)亮狀況,可判斷電纜導(dǎo)體連接狀態(tài)。導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)的信號與脈沖發(fā)生電路共同驅(qū)動音頻發(fā)生電路,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體導(dǎo)通時(shí)的聲音輸出,起到輔助測試的作用。

1.4 自檢控制電路

自檢控制電路由5 個(gè)CMOS 集成芯片CD4066組成,采用雙向模擬開關(guān),具有導(dǎo)通電阻低、隔離度高的特點(diǎn)。當(dāng)控制端C 輸入高電平時(shí),開關(guān)導(dǎo)通;當(dāng)控制端C 輸入低電平時(shí),開關(guān)截止。當(dāng)控制端與電源接通時(shí),可模擬電纜全部導(dǎo)通、線序連接正常的情形,實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部自檢;當(dāng)控制端與電源斷開時(shí),進(jìn)入正常測試狀態(tài)。

2 定日鏡推桿電纜組件的檢測方法

2.1 電纜組件

定日鏡推桿電纜組件型號為XTG-2×3×0.7+3×1.3P+5×0.7P,由電機(jī)電纜、傳感器電纜、限位電纜I 和限位電纜II 等4 個(gè)子單元組成,電纜兩端安裝防水接頭和電連接器,方便用戶即插即用。該電纜可同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電與信號傳輸功能,可以減少布線數(shù)量、減小電纜外徑、降低使用成本,用于替代國內(nèi)外常用的多根電纜。電纜組件外觀及結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 定日鏡推桿電纜組件

定日鏡推桿電纜組件生產(chǎn)制造分兩步。第一步是電纜單元的生產(chǎn),包括導(dǎo)體拉絲、絞合、絕緣擠制、成纜和護(hù)套擠塑等;電纜生產(chǎn)完成后進(jìn)行成盤檢測,包括外觀檢查、結(jié)構(gòu)檢查、直流電阻和絕緣強(qiáng)度等,檢測方法與常規(guī)電纜檢測方法相同。第二步是電纜組件的制作,包括定長、裁剪、接頭和連接器安裝。其中,連接器安裝需要對電纜16 根導(dǎo)體進(jìn)行分組排序,并分別與對應(yīng)的接插端子進(jìn)行壓接。為保證各導(dǎo)體之間可靠連接、彼此絕緣且線序正確,必須在組件制作完成后對其通斷、混線及其線序進(jìn)行檢測。

2.2 檢測裝置

為實(shí)現(xiàn)對定日鏡推桿電纜組件的快速檢測,本工作基于圖1 制作了檢測裝置,包括工裝治具和主機(jī)。檢測裝置主要電路采用CMOS 集成芯片,功耗低,可采用電壓在6～12 V 的電池或電源適配器直流供電。

檢測裝置兩端若安裝專用陽性接插端子,則不易接入檢測電路,因此選用與定日鏡推桿電纜組件陽性接插端子匹配的陰性接插端子來制作工裝治具;主機(jī)面板安裝有電源開關(guān)、自檢開關(guān)、頻率調(diào)節(jié)旋鈕、引線插座,以及兩排LED 指示燈(上下排列)。按照圖1 與內(nèi)部電路進(jìn)行連接,LED 指示燈以數(shù)字1～16 進(jìn)行標(biāo)記,作為電纜中的16 根導(dǎo)體電纜連接狀態(tài)指示燈,17 為預(yù)留。

電纜連接狀態(tài)指示燈顯示定日鏡推桿電纜組件的連接狀態(tài):若上下兩排燈同步依次全部點(diǎn)亮,則定日鏡推桿電纜組件各個(gè)導(dǎo)體線序、連通狀況均正常;對應(yīng)的LED 指示燈中,若有指示燈未點(diǎn)亮,則數(shù)字對應(yīng)的導(dǎo)體存在斷線;若上排指示燈全部點(diǎn)亮,下排有多個(gè)指示燈未點(diǎn)亮?xí)r,則下排指示燈上數(shù)字對應(yīng)的導(dǎo)體存在混線;若上排指示燈依次點(diǎn)亮,下排指示燈點(diǎn)亮次序與上排指示燈點(diǎn)亮次序不一致時(shí),則電纜導(dǎo)體線序有誤。

2.3 檢測方法

采用檢測裝置對定日鏡推桿電纜組件的通斷、混線及排序進(jìn)行檢測時(shí),不僅需要將電纜組件A 端和B 端的接插件分別通過工裝治具與檢測裝置可靠接入,利用儀器自動掃描,通過觀察連接狀態(tài)指示燈即可判斷定日鏡推桿電纜組件各個(gè)導(dǎo)體連通及線序狀況;若采用萬用表對定日鏡推桿電纜組件檢測,則需要將萬用表的表筆分別連接至導(dǎo)體兩端,利用通斷測量檔進(jìn)行人工判斷。

通過對100 套型號為XTG-2×3×0.7+3×1.3P+5×0.7P 的定日鏡推桿電纜組件的跟蹤統(tǒng)計(jì),將F15B 型數(shù)字萬用表的檢測方法與檢測裝置的自動掃描法進(jìn)行對比,并對檢測錯(cuò)誤率進(jìn)行交互復(fù)檢以確定檢錯(cuò)率,檢測結(jié)果見表1。

表1 檢測結(jié)果

萬用表法中,在被測導(dǎo)體連通時(shí),萬用表屏幕顯示值為零,同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。由于接線端子插孔小,只能采用特細(xì)表筆與接插件進(jìn)行連接,每套組件需要工作人員在級件兩端同步操作,通過配合逐根識別導(dǎo)體線序、連通狀況是否符合要求。為全面檢測16 芯電纜組件的通斷、混線及線序情況,更換表筆次數(shù)最多達(dá)120 次。采用自動掃描法檢測,1 個(gè)人操作即可將電纜組件與工裝治具連接,開啟電源后觀察一個(gè)掃描周期即可對電纜狀態(tài)作出判斷。由表1 可以看出,自動掃描法不僅測試速率快、節(jié)約人工成本,還保證了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

本工作設(shè)計(jì)的檢測電路結(jié)構(gòu)簡單,檢測裝置操作方便,并已投入使用,完成對數(shù)萬套定日鏡推桿電纜組件的檢測。與傳統(tǒng)手動測試方式相比,采用集成電路可實(shí)現(xiàn)被測電纜導(dǎo)體的自動掃描,測量速率快,可減少約三分之二的檢測時(shí)間和二分之一的操作人員,測試效率及準(zhǔn)確率均得到有效提升。該檢測回路還可根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展,改變工裝治具后也可用于其他類似多芯電纜組件檢測。