模擬電子開關陣列的測試系統(tǒng)設計

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(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

模擬電子開關陣列的測試系統(tǒng)設計

孫龍濤，趙月琴

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

0 引言

電子系統(tǒng)中，超過20%的系統(tǒng)故障是由線纜的失效引起的[1]，日常生產和維護中，對其檢測是人工通過萬用表對照接線表進行逐點導通測量，該方法落后，且存在著工作量大、效率低、易出錯和測試不能詳盡等問題。若直接外購通用的線纜測試設備，其功能雖然能夠滿足測試需求，但其價格昂貴，而且通常這種儀器有許多功能不能充分利用，從而造成資源的浪費?；谏鲜鲈颍O計了一種小型、便攜和經濟的線纜測試系統(tǒng)。它不僅可以測出線纜組件中任意兩個端點之間的阻值，根據接線表判斷出錯連和漏連，而且可以檢測出線纜組件中連接的繼電器的故障情況。

1 測試方案設計

某電子設備電纜組件示意如圖1a所示，圖中XS1、XP1～XP4電連接器共有n個連接端點，這n個端點之間的連接關系均為直通線或者是通過功率電阻連接，本測試系統(tǒng)的任務就是測試XS1、XP1～XP4之間及其與電路板之間連接關系，并將其中的漏連和誤連檢測出來?？蓪D1a所示的待測電纜組件看作成如圖1b所示的具有若干端點的待測黑盒子，黑盒子有n個線纜連接端子，用W1～Wn表示，黑盒子內部為直通線、功率電阻或是繼電器。

圖1 待測產品示意

線纜測試系統(tǒng)的測試原理電路圖如圖2所示。設圖1b中所示的2個端點Wi和Wj之間的電阻為Rx，根據歐姆定律，只要測試出R0上的電壓值，就可計算出Rx值。測試過程首先要選中這兩個端點，在端點Wi處施加+5V的基準電壓，然后采集端點Wj處的輸出電壓值，然后根據設定的通斷判據，就可判斷Wi和Wj之間的連接狀態(tài)。如判據可設定Rx值小于5Ω，則認為Wi和Wj之間為短路，如Rx值大于80kΩ，則認為Wi和Wj之間為開路。如果測得阻值在5～80Ω之間，則直接在顯示屏中顯示這2個端點之間的阻值。對于圖1a中繼電器的檢測則是在繼電器的輸入端施加一個激勵，在輸出端檢測是否導通，檢測方法與其它端點相同。

圖2 任意兩端點間通斷關系測試原理

圖3 ADG406原理電路

根據圖2的測試原理，要完成幾百個端點中任意一點Wi與所有其它端點的導通狀態(tài)測試，需要每個端點在測試過程中必須是既可以作為輸入端點又可以作為輸出端點，即每個端點在不同的時刻既能連接到基準5V，又能連接到采集點，這就需要設計開關陣列電路和掃描控制電路。本設計擬采用16選1模擬電子開關器件作為線纜端點選擇陣列的基本器件。模擬電子開關選用的是AD公司生產ADG406，ADG406的電路原理如圖3所示。它可采用單電源供電或雙電源供電，采用雙電源供電時，其導通電阻一般為50Ω，最大為80Ω。設計中采用雙電源供電模式，供電電壓為±15V。EN為ADG406的片選信號，A0～A3為16路開關的地址選通信號，根據通道選通信號A0～A3值的不同，內部譯碼電路通過譯碼可使S1～S16中的其中一個端點與端點D接通。

根據以上測試方案可以推導出圖2的兩個端點之間的電阻為：

(1)

R0為電路中接入的已知電阻，Vin和Vdout都由CPU模塊通過AD采集卡采集得到。ron為模擬電子開關的通道導通電阻，由于模擬電子開關的導通電阻一般為幾十歐姆，所以在計算端點之間電阻時不能忽略該導通電阻。ron模擬電子開關導通時的導通電阻。ron的大小要在實驗中通過測試數(shù)據計算。

2 測試系統(tǒng)設計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)硬件平臺包括：PC/104主機板、接口板、AD采集卡、端點選擇陣列電路板、測試電纜、鍵盤和顯示屏等，如圖4所示。硬件電路除須自行設計線纜端點選擇陣列電路和I/O擴展板卡外，其它采用市場上的貨架產品。主CPU模塊采用X86兼容的處理器，最高運行速度可以達到300MHz，它通過PC/104總線和接口板、AD采集卡連接。AD采集卡具有16路模擬信號采集通道，設置為單極性，每個通道的輸入電壓范圍為0～5V，采集精度12位。主CPU模塊上有顯示器接口和鍵盤接口，用于系統(tǒng)軟件開發(fā)和產品調試。

圖4 系統(tǒng)組成

2.2 端點選擇開關陣列電路設計

由多個ADG406器件組成的開關陣列電路如圖5所示。這些電子開關被分為2組，從U1到Um為一組，稱它為U陣列，從D1到Dm為另一組，稱它為D陣列。這里m的值取決于待測產品的端點數(shù)n。2組模擬電子開關組成了2個n選1的陣列電路，U陣列用于從待測產品的n個端點中選擇一個端點作為輸入端點，并將該端點施加+5V測試基準電壓，而D陣列用于從待測產品的n個端點中選擇一個端點指定為輸出端點，并將該端點經過一個電阻接地。測試系統(tǒng)中的端點數(shù)約為288個，所以共需要288×2=576路開關，需要的ADG406器件數(shù)至少為576÷16=36片，考慮設計余量，測試使用了40片ADG406，也即40片ADG406組成了2個320選1開關。640路開關的通斷由計算機掃描控制電路控制，每一片ADG406的16個開關需要5個I/O控制信號來選擇其中一個開關，則該2組開關陣列需要40×5=200路I/O控制電路，由于計算機I/O空間有限，需要通過計算機I/O擴展板卡完成控制。系統(tǒng)設計了基于CPLD的PC/104 I/O擴展板卡，在嵌入式工控機的控制下，I/O擴展板卡輸出U陣列和D陣列的片選信號和片內通道地址選通信號，使U陣列和D陣列各有一個且僅有一個開關閉合，就形成圖2示的測試電路。這樣當按照一定的排列組合方式依次閉合U陣列中模擬開關，再依次閉合D陣列模擬開關，并采集和處理輸出數(shù)據，即可判斷所有端點間的通斷狀態(tài)。

圖5 線纜通斷檢測實現(xiàn)原理

2.3 基于CPLD的I/O擴展板卡設計

I/O擴展板用于端點選通開關陣列電路板的選通和關斷控制，在主機板的控制下實現(xiàn)對線纜端點的掃描控制。CPU通過對外部I/O寫操作，產生選通I/O信號和控制繼電器檢測的I/O控制信號。PC/104 I/O擴展板電路原理如圖6所示。

PC/104嵌入式系統(tǒng)支持的端口數(shù)目是1024個，其中部分端口被系統(tǒng)占用。為了防止設計接口板時選用的端口地址與PC/104主板已經占用的地址沖突，采用了板卡地址用戶可設置的設計方法[2]。將一個撥碼開關和一個數(shù)據比較器組成一個基地址選擇電路，通過設置撥碼開關就可以修改接口板的地址，以提高系統(tǒng)的可擴展性。

圖6 PC/104總線接口電路

接口電路中CPLD將總線送來的數(shù)據經過鎖存、匹配及譯碼后，轉換為控制電子開關陣列導通的控制信號，其另外一個功能是產生控制繼電器檢測的I/O控制信號。

3 測試系統(tǒng)的軟件設計

根據課題要求，測試系統(tǒng)應具有很好的實時性和友好的人機界面，QNX操作系統(tǒng)實時性好且人機交互界面開發(fā)設計簡單，另外測試系統(tǒng)在進行線纜通斷的檢測過程中需要進行大量的I/O操作，QNX操作系統(tǒng)下I/O操作速度非?？?，可縮短系統(tǒng)的測試速度[3]，故本設計選用QNX操作系統(tǒng)。測試系統(tǒng)應用軟件設計在QNX操作系統(tǒng)平臺和其開發(fā)工具PhAB(photon application builder)環(huán)境下使用C語言完成。應用軟件設計主要是人機交互界面和測試控制程序設計。系統(tǒng)軟件設計主要功能如下：

a.手動輸入接線表功能，在進行線纜通斷關系檢測前，必須要有待檢產品的轉接線表和接線表，需要用戶在測試前能夠通過人機交互界面手動輸入。

b.接線表自動生成功能，通過軟件對完好的產品進行測試后，將測試結果生成接線表并存儲，作為同型號中待測產品的測試基準。

c.端點掃描控制程序，按照設定流程逐次掃描各個端點，完成系統(tǒng)的測試控制。

d.測試完成,顯示錯誤的連線及位置信息。

4 測試系統(tǒng)主要性能分析

4.1 電子開關阻抗測試

ron的確定方法如下，當?shù)趇個端點和第j個端點用短導線直接連通，則Rij的值應該近似為零，這時，式(1)變?yōu)椋?/p>

則

(2)

根據式(2)可以測出每一路電子開關閉合時的實際阻抗值，將這個阻抗值以矩陣的形式儲存，作為式(1)計算Rij的值一個重要參數(shù)。

4.2 線纜通斷阻抗測試精度分析

由于線纜通斷的檢測原理是根據檢測到的電壓值計算兩個端點之間的電阻大小，從而判斷兩者之間的連接關系。因此,電阻測試精度直接影響著線纜通斷的判斷。系統(tǒng)電阻測試精度受電子開關的導通電阻、AD采集精度、被測電阻阻值大小以及計算誤差等因素的影響。在測量小阻值的電阻時，影響系統(tǒng)測試精度的主要因素是模擬電子開關自身的導通電阻，原因是模擬開關導通電阻受到自身特性差異以及環(huán)境和溫度的影響較大。實驗數(shù)據表明，常溫下在對阻值小于10Ω的電阻進行測試時，如果模擬電子開關導通電阻取固定值，則系統(tǒng)電阻測量偏差在3Ω以內。此時AD采集卡引起的模擬信號采集誤差在毫伏級，與模擬開關的導通電阻引起的誤差相比小得多，可以忽略不計。隨著電阻的增大，影響系統(tǒng)測量精度的主要因素轉變?yōu)锳D采集的量化誤差，電阻越大，測量誤差越大，這個結論與理論分析基本是一致的。實驗選取了不同規(guī)格電阻來測試系統(tǒng)的測量精度，統(tǒng)計數(shù)據表明，1kΩ以下電阻測量誤差在5Ω以內，當電阻大于10kΩ時，測量誤差將達到幾千歐姆，且電阻越大誤差越大。

在測量小阻值的電阻時，為了減小模擬開關導通電阻對測試精度的影響，系統(tǒng)采取自校準設計，即每次測量前記錄當時所有通道的導通電阻，通過計算測試值和校準值之間的差值得到各個端點間電阻值，盡可能的減小不同環(huán)境因素造成的測試精度偏差，提高了測試的準確度。試驗表明，采用自校準設計后線纜通斷檢測的測試精度可以達到1Ω以內。系統(tǒng)主要針對線纜的通斷關系測試，所以對大阻值電阻的測試精度要求不高，只要設置好相應的判斷臨界值，即能正確判斷出線纜的連接關系。結果表明，系統(tǒng)測試精度滿足線纜通斷判斷的測試要求。

4.3 系統(tǒng)測試時間分析

系統(tǒng)測試時間的長短取決于端點掃描次數(shù)、CPU的I/O操作時間、AD采集時間、阻值計算時間和結果顯示時間。測試過程中線纜通斷檢測需要進行大量的I/O端口操作和AD采集操作，為此通過實驗分別測試了在QNX操作系統(tǒng)下進行一次I/O操作和一次AD采集的時間。經過實驗測量計算得出一次I/O操作的時間為3.8μs，一次AD采集的時間為0.348ms，由于AD采集采用的是掃描法，應用程序中的一條AD采集語句，對AD采集卡而言，實際完成的是對其16個通道的采集。因此，每個AD通道采集時間為0.348ms/16通道，即21.7 μs，與AD采集卡給出的每個通道采集時間20μs的硬件指標基本吻合。

5 結束語

采用PC/104嵌入式工控機和QNX嵌入式操作系統(tǒng)的軟硬件平臺，設計一種小型、便攜和經濟實用的線纜測試系統(tǒng)。系統(tǒng)運用了模擬電子開關的雙向導通性完成了端點選擇陣列電路設計，替代了電磁繼電器陣列電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。通過實測，端點數(shù)目為288個的線纜組件，測試時間約需2min，對阻抗在5Ω與1kΩ之間的連線測試精度在3Ω以內，但阻抗在5Ω以下1kΩ以上的連接線的測量精度較差，由于電纜組件的故障模式絕大多數(shù)情況下為漏連(斷路)和誤連(短路)，所以該測試系統(tǒng)能滿足大多數(shù)實際應用。對精度要求較高的應用場合，需要對該測試系統(tǒng)進一步研究和設計完善。

[1] 周恒.基于ATmega128單片機的線纜檢測系統(tǒng)設計[D].武漢：武漢科技大學,2008.

[2] 程良明.基于FPGA的電路板光板測試機硬件設計與樣機研制[D].武漢：湖北工業(yè)大學.2005.

[3] 殷代宗.基于QNX實時操作系統(tǒng)的嵌入式測試系統(tǒng)的開發(fā)[D].西安：西北工業(yè)大學，2007.

Design of Testing System Based on Electronic Switch Matrix Circuit

SUNLongtao，ZHAOYueqin

(China Air-to-Air Missile Academy，Luoyang 471009,China)

市場上的線纜測試儀大多采用電磁繼電器陣列，功能強大，價格昂貴。以PC/104嵌入式工控機和QNX嵌入式操作系統(tǒng)為核心，采用模擬電子開關式線纜端點選擇陣列和基于可編程邏輯器件(CPLD)的線纜端點掃描控制電路，設計實現(xiàn)了一種小型、經濟實用的線纜組件自動測試系統(tǒng)。最后對測試系統(tǒng)進行了試驗驗證，并對其主要性能參數(shù)進行了分析。

線纜測試;PC/104 CPLD;模擬電子開關陣列;QNX

This paper introduces a small-scale,economical automatic cable testing system.The design chooses embedded industrial computer PC/104 as a platform,and selects QNX as operating system.The design adopts CPLD to design interface circuit.Useing the bidirectional conduction characteristic of electronic switch,the design achieves the goal of slecting endpoint.Finally,the main test parameters of system are analyzed.

cable testing;PC/104 CPLD;matrix circuit;QNX

2014-04-09

TP277

A

1001-2257(2014)08-0062-04

孫龍濤(1979-)，男，河南洛陽人，工程師，研究方向為導彈發(fā)射控制技術。