基于ＵＳＢ总线的电缆网自动测试仪的设计和实现

摘要：为解决一种大容量的电缆网的导通和绝缘测试，本文介绍了一种基于USB总线的电缆网自动测试仪的工作原理、软硬件设计与实现方法，经过级联，该测试仪能够测试超过4000余点的电缆的导通和绝缘测试，目前广泛应用于各种电缆的测试与分析。

关键词：USB总线；自动测试仪；电缆网；绝缘检查

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)12-21628-01

Design and Implementation of Automatic Test Instrument for Cable Network Based on USB

YANG Zhao-zhong,LEI Xiao-qing,LEI Jin-hong

(The Army 63981,Hubei 430311,China)

Abstract:In order to have the testing of a bulky cable network,The article introduces the way of the design and implementation,and working process.After cascading，the instrument can test more than four thousands cores of the cable.the content of the testing include the switching and insulation resistance. Now,the instrument be widely worked in all kinds of cable to test.

Key words:USB;Automatic Test Instrument;Cable Network;insulation resistance

1 引言

某装备的某型号电缆网线路容量较大，接近500余点。为了保证电缆线束的安全可靠使用，必须对线束的导通、阻抗和绝缘性能等进行严格的检测。随装的导通检查采用欧姆表逐点进行；绝缘电阻测试仪有两种，一是500V 手摇式传统兆欧表，另一种是经过对8节2号电池进行DC— DC转换成100V/500V的指针式兆欧表，并与专用电缆测试转接箱构成专用测试仪。测试时，操作手按照被测电缆的接点分配表，逐次接通各孤立点(在插头处连接在一起的若干导线芯或独立的导线芯都称为一个孤立点)，测量并逐项记录被测孤立点的绝缘电阻值。因此， 传统测试方法存在测试时间长、自动化程度低、对操作人员要求高等缺点。所以，研制一种大容量的电缆线束自动测试系统的要求显得尤为迫切。

通用串行总线（简称USB）是为了解决传统总线的不足，而推出的一种新型串行通信标准，该总线接口具有安装方便、高带宽、易扩展等优点，已经成为现代数据采集、控制、传输的发展趋势。

本文将介绍一种基于USB接口的大容量的电缆线束自动测试仪，通过本测试仪，用户可以对大量的电缆线束进行自动测量。可检测到电缆导通和兆欧级的绝缘阻值，检测出其可能存在的配线错误、通断路，绝缘不良等问题。

2 测试仪工作原理

2.1绝缘电阻测试原理

该测试仪绝缘电阻测试原理如图1所示。高压直流电源(500V／100V)由PC机控制经继电器加到被测电缆的导线芯上，该导线芯与其他的导线芯间绝缘介质上的泄露电流，经I／V转换、A／D转换电路， 由单片机测量采样电阻R2上的电压值，按下式计算出绝缘电阻Rx的值：Rx＝R2U/U0-R2-R2-R1。

图1 绝缘电阻测试原理

2.2多芯电缆测试原理

某型号电缆网由若干相互连接在一起的电缆束和若干单根电缆组成，插头座为多个某型号航空插头，最大导线芯为512个。为了传输电源、大电流信号或保证重要信号的可靠性而采用了冗余技术， 即采用多芯或双芯导线传送一个信号或电源。多芯电缆测试的基本思想是：测试前所有的导线芯均不与高压电源相连，测试的第一步是将第一个点通过继电器接通高压电源，其他点接测量端(R1的前端)，测量第一个点与其他点间的绝缘电阻； 然后将第一、二个点通过继电器接通高压电源，其他孤立点接测量端， 测量第一、二个孤立点与其他孤立点间的绝缘电阻，绝缘电阻为零的为导通点，反之为孤立点，测试值为绝缘电阻值；依此类推，测试所有的点。

3 测试仪硬件组成

整个系统分为PC机软件和自动测试仪两个部分。每台电缆自动测试仪有512个测试点的容量，最多可级联8台测试仪以扩大测试容量。为了灵活配置，测试仪采用基于USB总线形式的机箱插板式结构，内部有控制测量电路、电缆测量接口电路、干扰抑制电路等组成。硬件电路原理见图2。

图2 测试硬件原理图

3.1控制测量电路

控制测量电路的核心是阿尔泰的USB2016模板，能够完成测试仪的级联通信、转接测试命令和进行命令的分发、同时控制激励源信号，以及完成电缆通断、绝缘的测量。。测试过程中，4路D/A输出通道提供0~10直流电压，经相关转换电路输出0~500直流电；16路单端模拟量输入通道，测量绝缘电阻电压；16路开关量输出控制接口板完成电缆测试；16路开关量输入监测接口电路状态。电缆测量接口板一共有4块，每板有128个测试接点，通过板上的继电器阵列，将激励信号送到面板的待测电缆接人点，将电压测量信号返回到控制测量电路。

3.2 电缆测量接口电路

接口板主要功能是将激励信号送到面板的待测电缆接人点，将电压测量信号返回到模拟量输入通道。接口电路通过12位开关量输出完成512点的选择，4位开关量输出、16位开关量完成测试仪的级联以及测试接口板状态检测。驱动电路芯片MC1413组成，其输出端能提供50 mA 的负载电流，可以驱动继电器。该电缆芯经继电器闭合触点接100V／500V的高压电源，继电器常开点则接分压电阻测量电路。

3.3 干扰抑制电路

考虑到测量电路的测量结果稳定性，在硬件电路中设计了干扰抑制电路。该测试仪在分压电阻测量端加了射极跟随器，射极跟随器的深度负反馈作用，使之具有工作稳定、频响宽、输入电阻大和输出电阻小等突出优点，解决了输入信号测量的干扰问题。为了滤除电路的杂波干扰信号，在分压电阻的测量端加了低通滤波电容，滤除杂波干扰。

4 应用软件设计

应用软件采用VC++6.0开发，采用自顶向下的模块化设计方案，其组成框图如图3所示。主程序位于应用软件的最上层，主要功能是进行系统初始化设置、测试条件选择、人机交互等，并通过调用各功能程序模块完成测试指令生成与调用、测试逻辑控制、A／D转换控制、测试结果通讯、分析、显示与打印等测试过程控制。功能程序模块是由6个独立的基本子程序组成，用于完成测试过程某一阶段的任务：系统维护程序主要用于录入与维护导弹电缆网或其他已知电缆网的型号、接点分配表等电缆网信息，并生成符合测试逻辑的控制指令；测试控制程序由测试选择子模块和测试指令调用子模块组成，用于选择被测电缆的型号，并调用相应的测试控制指令，该程序模块也可以按固定的测试逻辑生成未知电缆的测试指令，顺序寻找出孤立点，并完成绝缘电阻测试，对未知电缆进行测试。信号采集与控制程序主要用于对测试指令进行地址译码，将其锁存到端口扩展锁存器中，控制接通相应的电缆芯，并测量该孤立点与其他孤立点间的绝缘电阻，将测试结果存放在数据库中，供分析、显示与打印用。测试记录管理程序主要由结果判读子模块、结果显示与打印模块组成，主要用于将测试结果与预先存储的标准结果相比较， 自动判别测试结果，并进行结果显示与打印。系统监控程序，对测试过程中出现的异常能够适时监控和处理，保护测试系统和被测单板不受伤害。

图3

软件框图

5 结束语

该测试仪总体设计USB总线模式，既体现了仪器的便携性， 又考虑到维护、测试操作的方便和直观；在测试方式上考虑了绝缘电阻测试，同时兼顾导通测试，既能测试已知电缆，又能测试未知电缆，简化了硬件电路设计，缩短了测试时间，具有很强的通用性和可扩展性；在测试控制上采用了端口扩展、输出驱动、信号采集、继电器矩阵等设计思路，实现了多路信号的输出控制， 完成了绝缘电阻的测量；在使用管理上采用了菜单、控件、文本框等友好界面和开放式维护管理措施，使测试原理、测试过程和测试结果形象直观，便于测试接点分配表的添加、修改和删除等维护。

因此，该测试仪能够完成自动测量、自动判别测试结果、显示并打印绝缘电阻测量值、生成与维护被测电缆网数据库等任务，具有测试操作简单、测试时间短、人-机界面友好等特点， 已应用于某型导弹电缆网和通用多芯电缆的自动测试。

参考文献：

[1]张弘.USB接口设计[M].西安电子科技大学出版社,2002．

[2]黄艳华.一种大容量电缆自动测试仪的设计和实现[J].微计算机信息,2005-2.

[3]汪庆宝.通用串行总线用于测试和测量仪器[M].国外电子测量技术,2000年第3期.

“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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