線纜彎折測試系統(tǒng)的開發(fā)

王 濤 趙 彤 王東明 朱靈允 朱旭成

(北京理工大學(xué)自動化學(xué)院1，北京 100081;畢普蘭(北京)科技發(fā)展有限公司2，北京 100085)

0 引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各類電子產(chǎn)品層出不窮，給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。但是電子產(chǎn)品在使用中總是會產(chǎn)生各種形式的磨損，這就直接影響了它們的使用壽命。在各類手持電子產(chǎn)品中，數(shù)據(jù)線、電源線、耳機(jī)線等線纜的彎折造成的損壞尤為嚴(yán)重。電子產(chǎn)品的生產(chǎn)者總是希望自己的產(chǎn)品在出產(chǎn)的時候就能達(dá)到應(yīng)有的抗折損指標(biāo)，避免產(chǎn)品因質(zhì)量問題增加售后的成本。為此，電子產(chǎn)品設(shè)計者希望能在設(shè)計的過程中有效地測試各種線纜的抗折損性能。目前一般采用美國ANS/UL817-2009來對線纜進(jìn)行彎折試驗［1］。本文針對各類電子產(chǎn)品的線纜使用壽命，設(shè)計出一套6工位、192通道線纜彎折測試系統(tǒng)，實現(xiàn)線纜的彎折壽命測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)分為兩個部分:彎折動作系統(tǒng)和線纜電阻測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用氣動擺缸對線纜進(jìn)行彎折動作模擬，實現(xiàn)快速運動，同時采用專用的基于恒流源的放大電路對被測線纜電阻進(jìn)行實時檢測，由A/D數(shù)據(jù)采集卡完成信號采集，并通過計算機(jī)對線纜電阻值的實時監(jiān)測得出線纜的折損程度，實現(xiàn)了測試的自動化和高效性。整個系統(tǒng)由工控機(jī)控制并對測試結(jié)果進(jìn)行實時顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線纜彎折測試系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the buckling test system for wires or cables

系統(tǒng)工控機(jī)選用凌華公司的工業(yè)控制計算機(jī)，電磁換向閥采用日本SMC公司的三位五通電磁換向閥SY3220，擺缸采用日本SMC公司的MSQ32-50。換向閥的控制采用的是研華公司的PCI-1620，信號采集卡采用研華公司的PCI-1713。操作系統(tǒng)以Windows XP為平臺，開發(fā)軟件使用美國NI公司的LabVIEW。

電纜彎折測試系統(tǒng)由6套擺動氣缸帶動電纜頭進(jìn)行180°的往復(fù)旋轉(zhuǎn)。6臺微小電阻測試儀實時測試電纜電阻變化，并將電氣信號輸入到工控機(jī)中，從而在顯示屏上實現(xiàn)測試設(shè)置、狀態(tài)和報警等信息的顯示。

2 硬件設(shè)計

2.1 氣動彎折系統(tǒng)設(shè)計

線纜的彎折采用氣動擺缸的夾持?jǐn)[動來實現(xiàn)，擺缸所帶電纜夾持頭初始位置為正下方，即擺缸的90°位置。擺缸的動作由工控機(jī)按照測試人員的輸入動作頻率，通過PCI-1620繼電器輸出板卡發(fā)送換向信號給換向閥，從而實現(xiàn)擺缸的擺動［2］。氣動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 彎折動作系統(tǒng)氣路圖Fig.2 Pneumatic system for buckling

2.2 線纜電阻測量系統(tǒng)

線纜電阻測量系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

圖3 線纜電阻測量原理框圖Fig.3 Measuring principle of cable resistance

由于線纜電阻的阻值通常較小，基本上都在1 Ω以下，屬于微小電阻范圍，因此在電阻測量中，采用恒流源測量的方案［3－4］。

恒流源測量的原理就是在線纜電阻R上施加一個恒流源I，然后在線纜的兩端采集電壓UR，則由歐姆定律推導(dǎo)可以得到:

式中:R為線纜電阻，Ω;I為電流，A;UR為線纜兩端電壓，V。

為保證被測線纜兩端電壓信號具有較高的信噪比，同時避免電流作用于線纜做功產(chǎn)熱對線纜阻值產(chǎn)生的影響，需要對恒流源的電流大小進(jìn)行合理的選取，本系統(tǒng)中選擇恒流源大小為1 mA。這樣線纜兩端的電壓基本在1 mV以內(nèi)。同時，微弱信號必須進(jìn)行放大處理，以保證信號的有效采集。對線纜兩端的電壓進(jìn)行差分放大，可得到符合PCI-1713 A/D數(shù)據(jù)采集卡電壓輸入范圍的信號。

在實際的電路設(shè)計中，恒流源的電流大小總是存在差異，且信號放大電路的放大比例也因為元件和芯片的差異而不同。因此，在系統(tǒng)正式運行之前需要進(jìn)行標(biāo)定。通常采用在測量通道上加入一個阻值已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻的方法。

當(dāng)計算機(jī)采集到此通道的電壓信號之后，由R=k·UR可計算出R與UR之間的比例系數(shù)k。當(dāng)在某個通道進(jìn)行線纜測試時，只要將采集到的電壓值乘以該通道的比例系數(shù)就可得到線纜的電阻值。

3 軟件設(shè)計

LabVIEW是一種圖形化虛擬儀器儀表開發(fā)平臺。在該開發(fā)平臺下，用戶可以在屏幕上構(gòu)建與真實儀器類似的可視化軟面板;通過面板上的虛擬控件控制底層硬件;用各類VI模塊來完成信號的采集、實時或事后分析、顯示和存儲，并給出檢測結(jié)果。LabVIEW已在在線測量、測試及工業(yè)過程控制等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［5］。

本測試系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計與硬件結(jié)構(gòu)相匹配，6個選項卡依次顯示6工位的工作設(shè)定參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)。每個工位下分有32條測試通道，以實時監(jiān)測和顯示被測線纜的阻值變化和各通道阻值的變化趨勢。當(dāng)達(dá)到設(shè)定報警值、設(shè)定擺動次數(shù)或檢測到斷開信號時，自動停止對應(yīng)工位的擺動并記錄下報警信息。測試結(jié)束生成標(biāo)準(zhǔn)測試報表。

系統(tǒng)運行前，需要進(jìn)行工位初始化設(shè)定，包括工作通道選擇、比例報警選定與否、比例報警參數(shù)、擺動總數(shù)、擺動記錄間隔次數(shù)和擺動速率等。初始化完成后，相關(guān)參數(shù)記錄在初始化文檔中，并隨測試工作的進(jìn)行實時更新并保存變化參數(shù)。意外停止工作后，單擊啟動按鍵可以繼續(xù)工作。

擺缸擺動速率范圍為30～90次/min，控制信號最短在334 ms更新一次。從擺缸使用壽命角度考慮，擺缸擺動左右兩側(cè)時間應(yīng)該相等。因此，對軟件的定時精度要求較高。但Windows本身為一個弱實時操作系統(tǒng)，消息循環(huán)的時間為幾十毫秒，且在多任務(wù)執(zhí)行時該時間往往被不確定地延長［6］。因此，本系統(tǒng)采用合理增加線程和提高關(guān)鍵線程優(yōu)先級的方法來提高程序的實時性［7］，即將系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集與顯示、氣動擺缸控制兩條線程，且后者優(yōu)先級設(shè)定為最高。具體的控制流程分別如圖4和圖5所示。

圖4中，數(shù)據(jù)處理流程從對單通道的工作狀態(tài)參數(shù)判斷開始，工作狀態(tài)正常，即狀態(tài)判斷為真時，進(jìn)行對應(yīng)通道數(shù)據(jù)的采集與標(biāo)準(zhǔn)化處理，進(jìn)而進(jìn)行工作狀態(tài)的報警判斷，即電纜斷開報警、設(shè)定值報警和擺動次數(shù)報警判斷(后兩種報警方式隨時可添加或取消)。當(dāng)有報警信號產(chǎn)生時，將停止對應(yīng)工位的運行并記錄下相關(guān)報警信息，最終生成標(biāo)準(zhǔn)測試報表。

報表的生成是調(diào)用LabVIEW Report Generation Toolkit里的VI(類似于C語言中的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù))生成，其工作原理是通過Active X技術(shù)，將Word和Excel與Lab-VIEW集成開發(fā)環(huán)境結(jié)合起來，生成專業(yè)的報告［8］。

4 結(jié)束語

本文總結(jié)了線纜彎折測試系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。系統(tǒng)通過氣動擺動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)電纜反復(fù)彎折，利用恒流源產(chǎn)生電纜微電阻的檢測信號組成測試硬件，實現(xiàn)了高效準(zhǔn)確的測試;基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集處理和擺缸擺動控制以及報表生成實現(xiàn)了良好的人機(jī)交互。該系統(tǒng)已在諾基亞公司的手機(jī)線纜測試實驗室中得到使用，彎折頻率在60次/min以上設(shè)備運行穩(wěn)定，體現(xiàn)了較高的測試效率，與高精度微電阻儀比較后表明，電阻的誤差在0.01%以內(nèi)，顯示了較高的測試精度。

［1］美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會.ANSI/UL817-2009電纜集和電源電纜用安全標(biāo)準(zhǔn)［S］.芝加哥:美國安全檢測實驗室公司，2007.

［2］SMC(中國)有限公司.現(xiàn)代實用氣動技術(shù)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］白雪冰，宋文龍.電阻測量方法的研究［J］.自動化儀表，2006，27(8):58－60.

［4］薛易.一種精密程控恒流源設(shè)計［J］.自動化儀表，2009，30(4):63－65.

［5］楊樂平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW高級程序設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［6］張李超，韓明，董煬斌，等.Windows NT的實時性研究［J］.計算機(jī)工程與應(yīng)用，2002，38(5):41 －43.

［7］鄒富寶，杜磊，束驍驊.基于LabVIEW的Windows實時性提高方法的研究［J］.計量技術(shù)，2007(8):38－40.

［8］汪翠英，裴鋒.LabVIEW中Word報告生成功能的開發(fā)［J］.儀器儀表用戶，2005(1):94－96.