智能型線纜檢測儀的設計

浙江工業(yè)職業(yè)技術學院電氣工程分院 李 博 高建強

1.引言

電氣產品中往往密布著各類線纜，這些線纜具有各種型號、規(guī)格，帶著各種類型的接插件，它們的質量好壞直接影響到電氣產品的整體質量情況。所以必須對各類線纜進行檢測，以提升產品的質量。檢測包括檢測效果和檢測速度兩個方面，好的檢測手段要求檢測速度快，測試精度高、準確率高。

當前行業(yè)中普遍采用人工手動測量的方式，通過萬用表測線纜兩端的通斷情況。這種方法效率低、誤差大，常常出現漏檢錯檢的情況。數字萬用表在被測對象組織小于30歐姆的情況下默認為導通，但普通線纜在有線損或接觸不良等狀況時，阻值仍然小于30歐姆，所以單純用數字萬用表無法進行有效的判別。

市場上某些專用的線纜測試儀器，如網線通斷測試儀，只能對接口型號固定的線纜進行測試，不具備通用性，難以滿足普通用戶對機柜內各類線纜的測試要求。

本文討論了開發(fā)智能型線纜檢測儀，能夠對大量的、不同規(guī)格型號的、帶有接插件的線纜進行方便、快速、準確地自動檢測，以及時發(fā)現線纜是否存在通斷或規(guī)格等方面的質量問題，實現線纜檢測手段的自動化、準確化、標準化和便捷化。

2.系統(tǒng)設計

2.1 設計指標

測試系統(tǒng)將實現對各類線纜進行快速、準確、方便地測試這一技術目標，其中，通用性、測試速度和測試精度是主要的設計方面。根據類比國外同類型測試儀，我們提出了“實現即插即測功能、實現自學習功能、每根線纜測試時間小于20ms、出錯概率小于0.1%”的具體技術指標。為滿足設計要求，在技術方案中主要采取以下措施：恒流源設計輸出能力達到0～10A可調的范圍，保證被測線纜線徑范圍可達0.1～4mm2；采用Cyclone系列的FPGA芯片作為主控制器[1]，保證系統(tǒng)工作頻率可達100MHz，并有一百多個用戶可用I/O口，從而保證系統(tǒng)可以高速可靠地進行數據處理；采用12位高精度A/D轉換器進行數據采集；硬件上采用全系統(tǒng)屏蔽、小信號濾波、恒流源低噪聲處理等技術，軟件上采用改進型快速濾波算法，保證測試的準確度。

2.2 分系統(tǒng)設計

智能型線纜檢測儀由控制器、萬能接口、上位機、電源等部分組成?？刂破鲄f調系統(tǒng)各部分的工作，調整數控恒流源的輸出為系統(tǒng)提供高精度的測試電流，控制數據采集及信號轉換模塊，并與上位機通訊，將測試數據發(fā)送到上位機進行處理。萬能接口實現了不同規(guī)格型號的線纜接插件與測試系統(tǒng)進行快速插拔、即插即測。上位機通過CAN總線與控制器進行數據通訊，采用自學習的方式識別陌生被測線纜，構建被測線纜數據庫，分析計算測試數據并將測試結果顯示在軟件界面上。電源主要由系統(tǒng)工作電源部分及測試用恒流源部分組成，系統(tǒng)工作電源部分采用開關電源及穩(wěn)壓芯片獲取系統(tǒng)所需的各個等級的直流電壓，恒流源部分采用PWM控制芯片和場效應管獲取精確可調的定值電流。

測試時，被測線纜通過萬能接口接到測試儀，選擇被測線纜的參數規(guī)格。上位機查詢數據庫，如果該型號線纜為首次被測則進入自學習流程并建立該型號線纜的數據庫，否則進入正式測試流程。控制器根據上位機的命令調整恒流源的輸出，采集被測線纜兩端的即時壓降值，并同步采樣被測線纜的實際電流值。上位機通過對理論值與實際采樣值進行分析計算，得出測試結果。

圖1 自學習工作流成

2.2.1 控制器

與傳統(tǒng)的單片機相比，FPGA芯片具有可靠性更高、處理速度更快、集成度更高、設計更靈活的優(yōu)勢。本系統(tǒng)使用EP1C6Q240C8型FPGA，它擁有豐富的I/0口資源和片內資源。采用硬件描述語言在FPGA內構建了CAN總線控制器[2]、電流通道切換器、MAX186模數轉換器控制器[3]、AD0832數模轉換器控制器等功能模塊，這些模塊在控制器中以并行的方式工作，極大地提高了系統(tǒng)的效率。

2.2.2 恒流源

數控恒流源為系統(tǒng)提供測試電流，所以恒流源的輸出精度直接影響到系統(tǒng)的測試精度。根據恒流器件的不同，恒流源可分為集成電路恒流源、晶體管恒流源和場效應管恒流源。集成電路恒流源輸出電流小，晶體管恒流源的穩(wěn)流精度低，場效應管恒流源具有輸出電流可調范圍大、精度高的特點，滿足本設計的需要[4]。本系統(tǒng)恒流源采用PWM控制芯片SG3525，以閉環(huán)反饋系統(tǒng)動態(tài)地調整恒流源的輸出，較大地提高了輸出精度。另外對輸出電流與基準電壓的關系式進行全微分后，得到公式：

圖2 測試結果

由公式可知，采樣電阻的溫度特性是影響輸出穩(wěn)定度的主要因素，采用高精度金屬殼散熱式電阻，可以有效改善恒流源的輸出穩(wěn)定度[5]。經過合理化設計，本系統(tǒng)恒流源可達到5%的輸出精度，較好地保證了系統(tǒng)的整體測試精度。

2.2.3 自學習功能

自學習功能是線纜檢測儀達到智能化設計要求的重要標志。自學習流程中，系統(tǒng)從0mA開始，對陌生的被測線纜遞增地施加測試電流，遞增幅度為10mA，直到被測線纜兩端實測電壓平均值的數模轉換返回值超過預設值，該值既是當前型號線芯的自學習數據庫參數值。圖1為自學習流程示意圖。

對于同一根線纜中具有不同線芯、不同接插件的復雜線纜，系統(tǒng)也可以簡便快速地建立陌生線纜自學習參數庫，在之后的正式測試過程中，同類線纜即可采用數據庫參數進行測試。

3.試驗結果分析

圖2為對同一型號的三芯不同質量的線纜進行測試的結果，三芯線纜分別為正常狀態(tài)、有損傷狀態(tài)和斷線狀態(tài)，三種情況下分別采樣20次的數據。

從數據可知，把數據庫中該型線纜參數12位的預設值100110000000按等比轉換得到3.0±0.1的正常，第1個測試結果正常；當線芯損傷時，測試數據分布在3.5±0.1的范圍區(qū)間，測試結果如實反映了線芯受損后線阻增大但仍導通的特性；當線斷芯時，測試電壓數據為5.0，測試電流數據為0.0，表明線芯斷芯后電流斷流，電壓為電流源的路端電壓值。上位機對測試數據進行分析計算，從而判斷并顯示線芯的質量狀況。

4.結束語

本項目為2009年浙江省教育廳科研項目“基于FPGA的線纜自動化檢測系統(tǒng)的研究”，項目編號Y200909512?；贔PGA技術的智能型線纜檢測儀采克服了傳統(tǒng)線纜檢測手段中效率低、精度低、錯檢率高的弊端，實現了對各類線纜進行快速準確地測量的功能，實現了線纜檢測手段質量與效率的雙重提升，具有較為現實的社會經濟效益。

[1]王彥.基于FPGA的工程設計與應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007.

[2]陳萍.基于FPGA的CAN總線通信系統(tǒng)[J].計算機測量與控制,2009(17):2482-2484.

[3]劉寶華.新型12位串行A/D轉換器MAX186及其應用[J].電測與儀表,1996(8):34-37.

[4]常鐵原.一種高穩(wěn)定數控恒流源的設計[J].電測與儀表,2010(3):59-61.

[5]胡宴如.模擬電子技術[M].北京:高等教育出版社,2000.