基于ARM處理器的機柜線纜自動測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

朱 彬，范夢恒，修小旭

（中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

機柜是雷達裝備產(chǎn)品的重要組成部分，機柜線纜又可被比喻為雷達的神經(jīng)系統(tǒng)，承載著雷達的電能輸送、信號傳遞及各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，而電性能的穩(wěn)定、可靠是雷達有序運轉(zhuǎn)的前提。目前，機柜線纜的檢測方法通常是采用蜂鳴器、萬用表和系統(tǒng)接線原理圖，對每一根芯線進行逐個測試，從而排除線纜故障［1］，這種檢測方法效率低、檢測時間長且過程無記錄。

許多專家學者研究過各類線纜的檢測方法，劉生攀［2］提出一種通用的電纜測試方法，在特定條件下10 000個點的測量時間僅需11秒；王艷麗［3］闡述了CAN總線再線纜檢測中的應(yīng)用，實現(xiàn)線纜通斷、絕緣和電容測試；胡媛元［4］提出基于ARM處理器的便攜式機載線纜故障檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對線纜的短路、斷路測試，以及導通電阻和絕緣電阻的測量?？梢?，線纜檢測系統(tǒng)扮演著越來越重要的角色［5］。

據(jù)統(tǒng)計，某型產(chǎn)品的信號接收和處理機柜接插件有16種，共66件，單個接插件芯線數(shù)量最多74芯，單臺機柜的接線關(guān)系總數(shù)共計1 265組，平均單臺機柜線纜的人工檢測時間約2個小時，檢驗員每測一根芯線都需要對照圖紙、接線表及芯線號，工作精細、煩瑣、量大、易疲勞。為提高機柜線纜的檢測效率、保證系統(tǒng)的可靠性及檢驗過程的可追溯性，現(xiàn)提出開發(fā)一套基于ARM處理器的機柜線纜自動測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

機柜線纜自動測試系統(tǒng)由測試儀、轉(zhuǎn)接工裝、測試軟件及PC機組成，測試儀與測試軟件之間采用網(wǎng)口通信，測試儀的設(shè)計以平臺的開放性、靈活性為原則，且具有二次開發(fā)能力，允許根據(jù)不同測試對象靈活地減少、增加測試接口；測試軟件采用模塊化設(shè)計思路，并為系統(tǒng)的二次開發(fā)提供軟件編程接口。

線纜測試原理如圖1所示。

圖1 線纜測量原理

初始電壓5V，流經(jīng)保護電阻R1、在R2和被測線纜處分流，最后通過共地形成回路。通過ARM采樣獲取被測線纜兩端的電壓U1，可以計算被測線纜與R2的并聯(lián)電阻，再通過并聯(lián)電阻的公式，即可算出被測線纜的電阻R。具體公式如下：

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 測試模塊

因各型機柜的待測芯線數(shù)量大，接插件種類多，整個測試系統(tǒng)如果用單塊PCB板實現(xiàn)，會造成PCB板體積大且布線困難，不利于后期的調(diào)試、維護及拓展。因此，系統(tǒng)硬件采取模塊化設(shè)計，共包含8個測試模塊，每個測試模塊可完成一組512根芯線的測試。單個測試模塊又細分為8個接口，每個接口可同時連接的最大芯線數(shù)為64。從成本及系統(tǒng)復(fù)雜程度的角度出發(fā)，每個測試模塊的512個輸出接口對應(yīng)8塊64路輸出的開關(guān)電路板，從優(yōu)化硬件體積因素，整個模塊采用背板加8塊開關(guān)電路板的形式來實現(xiàn)。

測試模塊原理框圖如圖2所示。

圖2 模塊原理框

ARM處理器(Advanced RISC Machines）是RISC微處理器，具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點，ARM處理器是線纜自動測試系統(tǒng)的核心控制模塊。本系統(tǒng)的ARM處理器采用TI公司的TM4C129XNCZAD芯片，基于Cortex-M4構(gòu)架擁有豐富的集成能力和開發(fā)工具，提供了包含浮點運算器的120 MHz Cortex-M內(nèi)核以及一系列的集成存儲器和多種可編程通用的I/O接口［6］。其特征如下：

(1）采用以指令和數(shù)據(jù)總線分離的哈佛體系；

(2）具有出色的快速中斷處理能力；

(3）包括10/100以太網(wǎng)MAC帶高級IEEE1588 PTP硬件；

(4）提供集成在片上的模擬功能，包括2個12位ADC模塊，共帶24路共享的采樣速度為100萬次/秒的模擬輸入通道。

2.2 背板設(shè)計

背板是整個測試模塊信息交互的樞紐，通過ARM處理器來實現(xiàn)信息的發(fā)送與接收。ARM通過網(wǎng)口與上位機通信，接收上位機發(fā)送來的線纜連接指令，獲取輸入/輸出通道，并將對應(yīng)的指令發(fā)送給開關(guān)電路板。同時，ARM自帶的ADC模塊會根據(jù)上位機的指令，采集對應(yīng)通道的電壓值，并將其回送給上位機。

在結(jié)構(gòu)上，背板與開關(guān)電路板采用接插件互連的形式。類似于電腦主板和顯卡的結(jié)構(gòu)，所有開關(guān)電路板均垂直插于背板的對應(yīng)接口上。此類設(shè)計可以兼顧外觀、體積及盒體設(shè)計等要求，背板包括一片ARM、8個相同的32芯插座及相關(guān)電路。

2.3 開關(guān)電路板設(shè)計

開關(guān)電路板以開關(guān)芯片TP0164為核心，主要實現(xiàn)不同輸出管腳的片選，開關(guān)電路板功能如圖3所示。

圖3 開關(guān)電路板框

輸出端采用64芯插座，對應(yīng)開關(guān)芯片的64路輸出。該芯片為64選1雙向開關(guān)，芯片的驅(qū)動電壓為2.5 V～5.5 V，本設(shè)計采用5 V驅(qū)動，最大可承受電流不超過150 mA，其導通內(nèi)阻典型值為27Ω。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

機柜線纜自動測試系統(tǒng)需要一種安全、穩(wěn)定和高效的語言環(huán)境，.Net是一種具有極高安全性的面向?qū)ο蟪绦騑indows平臺上編程架構(gòu)，C＃語言是專門為.NET程序框架而創(chuàng)造的語言，是微軟公司發(fā)布的一種精確、簡單、安全、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言。

3.1 開發(fā)工具及運行環(huán)境

(1）開發(fā)工具。

軟件的開發(fā)工具包括系統(tǒng)軟件開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具。系統(tǒng)軟件采用Microsoft Visual Stadio2012作為開發(fā)工具，基于.NET Framework 4.0平臺，數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL Server 2008 R2。

(2）運行環(huán)境。

軟件環(huán)境：Windows操作系統(tǒng)，.NET Framework 4.0，Microsoft SQL Server 2008 R2，Microsoft Office 2010；

硬件環(huán)境：Intel i5以上的處理器、4G以上內(nèi)存、1T以上可用硬盤空間、鍵盤和鼠標。

3.2 軟件功能設(shè)計

軟件共分為5個模塊，接線表管理、系統(tǒng)自檢、線纜測試、測試結(jié)果管理、系統(tǒng)管理，功能如下。

(1）接線表管理，實現(xiàn)接線表的新增、刪除、導入等操作，系統(tǒng)根據(jù)導入的接線表，可自動識別接線規(guī)則。

(2）系統(tǒng)自檢，實現(xiàn)測量硬件的自檢，包括電池電壓檢測及測試模塊的檢測，保證線纜自動測試系統(tǒng)的正常運行。

(3）測試模塊，用戶選擇指定接線表，輸入相關(guān)信息并根據(jù)系統(tǒng)提示連接工裝，連接完畢后開始測試，系統(tǒng)同步顯示自動測試結(jié)果。

(4）測試結(jié)果管理，用戶根據(jù)檢測時間、檢測人員等要素查看機柜線纜的測試結(jié)果，可對不合格項進行手動歸零，測試結(jié)果亦可按指定格式進行報表導出。

(5）系統(tǒng)管理，包括用戶管理、系統(tǒng)配置、權(quán)限管理、日志管理等，實現(xiàn)用戶信息、權(quán)限的增刪改查等操作，系統(tǒng)管理員可查看全部操作日志。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件電路如圖4所示，圖中詳細描述了測試儀背板及開關(guān)板的PCB設(shè)計原理圖，圖5展示了系統(tǒng)主界面及接線表管理界面。

圖4 背板和開關(guān)板PCB原理

圖5 部分軟件界面

5 結(jié)語

該系統(tǒng)目前已投入使用，以某型機柜為例，待測接線關(guān)系共1 265組，自動檢測939組，手動檢測326組，自動檢測接線數(shù)量是手動檢測數(shù)量的3倍，自動檢測時長9 s，加上工裝連接及系統(tǒng)自檢等時間總時長約為10分鐘，手動檢測部分時間約為50分鐘，再對比原先的檢測方法單臺機柜檢測時長約2.5小時。由此可見，機柜線纜自動測試系統(tǒng)的使用大大提高了檢測效率，保證檢測結(jié)果準確性的同時，實現(xiàn)線纜檢測的測試結(jié)果可追溯、測試過程自動化、數(shù)字化以及信息化。