電氣系統(tǒng)智能檢測設(shè)備研究

匯航科技（遼寧）有限公司 張睿哲 石 洋 袁慧楠 張紹雄

對電氣系統(tǒng)的智能化檢測，包括微小阻值電阻精確測量、導(dǎo)通測試、輸出特性測試、連續(xù)測試、電路完整性及電阻檢測、電阻特性檢測、輸出特性檢測、環(huán)境溫度采集及自動計算合格判據(jù)等檢查功能。以往的檢測手段是選用通用設(shè)備進(jìn)行集成以組成自動或半自動測試系統(tǒng)，投資大，使用效率低下，整個系統(tǒng)體積龐大，使用與攜帶不方便，不能滿足外場的檢測要求[1]。因此，檢測系統(tǒng)體積小、適應(yīng)惡劣環(huán)境、可靠性強(qiáng)是其發(fā)展方向，以此解決時間、空間的局限性，提高系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，方便、可靠、準(zhǔn)確提高對電氣系統(tǒng)故障排查的精確性和高效性，大幅縮短測試時間，是對電氣系統(tǒng)故障排查的檢測提出了更高的要求。

1 功能需求

1.1 電路完整性及電阻檢測

檢測電氣系統(tǒng)的通路、短路、斷路、插針錯位、連接不良等造成的連接關(guān)系混亂問題，可判斷并顯示故障信息，準(zhǔn)確定位故障位置。

1.2 電阻特性檢測

檢測電氣回路的電阻特性，判斷其電阻特性是否在合格范圍內(nèi)。

1.3 絕緣檢測

提供最大500V 直流電壓，檢測電氣系統(tǒng)的絕緣電阻是否滿足要求。

1.4 耐壓檢測

提供500V、50Hz、最長1min 的電壓，檢測電氣系統(tǒng)的漏電流是否滿足要求。

1.5 輸出特性檢測

為壓阻式、壓差式等傳感器提供激勵（直流、交流均可），檢測其輸出電壓值，判斷傳感器工作性能是否滿足要求。

1.6 連續(xù)檢測

需要在采集特定回路電阻參數(shù)時，其具有連續(xù)檢測、記錄功能，同時采用曲線顯示采集值。

1.7 環(huán)境溫度采集及自動計算合格判據(jù)功能

針對含有熱敏電阻的電路，檢測系統(tǒng)采用溫度傳感器獲取當(dāng)前測試環(huán)境的溫度。自動識別或手動輸入測試環(huán)境溫度后，通過公式，軟件能自動計算出當(dāng)前環(huán)境溫度參數(shù)下的電阻合格判據(jù)。

1.8 檢測結(jié)果顯示

檢測系統(tǒng)通過液晶顯示器實(shí)時顯示測試項(xiàng)目、檢測管腳、檢測值及測試結(jié)果等信息，當(dāng)測試過程中發(fā)現(xiàn)故障時，測試實(shí)時報表數(shù)據(jù)采用紅色警示顯示，并為操作者提供排故建議。檢測報告可自動生成，顯示界面可根據(jù)用戶需要定制設(shè)計。

2 方案設(shè)計

2.1 工作原理

檢測系統(tǒng)主要由測試主機(jī)、轉(zhuǎn)接系統(tǒng)、電源線、設(shè)備附件四部分組成。其中，測試主機(jī)的簡要工作原理電路圖如圖1所示。圖中分為A、B 兩個部分，兩部分的電路是相同的。在進(jìn)行電氣系統(tǒng)檢測時，分別進(jìn)行不同的控制，從而完成電氣系統(tǒng)的通斷檢測和導(dǎo)通電阻的測量。圖中CC_SRC 為恒流電流源輸入端，用于導(dǎo)通電阻測量。

圖1 測試主機(jī)簡要工作原理圖

2.1.1 通斷檢測

根據(jù)原理圖，脈沖信號逐次加載到被測電氣系統(tǒng)中的每一根導(dǎo)線，在另一端，通過控制使芯片連通，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中被測電氣系統(tǒng)的連接關(guān)系，控制選擇相應(yīng)的端口接通；通過檢測信號即可得到檢測數(shù)據(jù)，并給出相應(yīng)導(dǎo)線的通斷狀態(tài)。

2.1.2 導(dǎo)通電阻測量

采用電阻測量法，保證測量的準(zhǔn)確性。由恒流源逐次加載到被測電氣系統(tǒng)中的每一根導(dǎo)線；在另一端，通過控制使芯片連通，然后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中被測電氣系統(tǒng)的連接關(guān)系，控制選擇相應(yīng)的端口接通；通過采集差分電壓信號，經(jīng)過計算即可得到相應(yīng)導(dǎo)線的導(dǎo)通電阻。

2.1.3 接觸電阻檢測

接觸電阻檢測采用電流電壓法測試原理。電流源經(jīng)端口供給被測電阻電流，電流的大小由電流表讀出，電壓兩端的電壓降端口取出，由電壓表讀出，通過對電流、電壓的測量，就可以計算出被測電阻的阻值。

2.2 設(shè)備組成

檢測系統(tǒng)主要包括信號處理電路和 FPGA 功能模塊兩大部分，其中信號處理電路包括發(fā)射脈沖放大電路和反射脈沖采集電路，F(xiàn)PGA 內(nèi)部包含發(fā)射脈沖產(chǎn)生模塊、時間間隔測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)緩存模塊和核心處理器。

3 硬件組成

檢測系統(tǒng)主要硬件包括嵌入式主控模塊、觸摸顯示屏、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等組成。

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能和技術(shù)性能需求，檢測系統(tǒng)硬件主要由嵌入式主機(jī)、觸摸顯示屏、電阻測量電路、通斷檢測電路、信號調(diào)理電路、通道切換電路、接口電路等組成。

嵌入式單元：采用多核處理器，為主機(jī)提供強(qiáng)大的運(yùn)算和存儲能力支持。

電阻測量單元：用于測量電氣系統(tǒng)中導(dǎo)線的導(dǎo)通電阻。

通斷檢測單元：實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)中每一根導(dǎo)線的通斷狀態(tài)測量，并確定電氣系統(tǒng)兩端航空插頭的對應(yīng)連接關(guān)系。

信號調(diào)理單元：對導(dǎo)線通斷檢測、導(dǎo)通電阻測量等信號進(jìn)行整形和調(diào)整，使其滿足數(shù)據(jù)采集、測量要求。

通道切換單元：合理并充分使用系統(tǒng)硬件資源，并滿足多根導(dǎo)線的快速檢測需求。

接口單元：實(shí)現(xiàn)與外部被測電氣系統(tǒng)的連接需求。

3.2 嵌入式主控單元設(shè)計

嵌入式單元是整個檢測系統(tǒng)的測量和控制核心，主要由高性能CPU、RTC 電路、SPI FLASH、SDRAM、EEPROM、UART 串口及SWD 調(diào)試接口等組成。

微控制器工作頻率480MHz，在Flash 執(zhí)行程序時，能夠提供良好運(yùn)算性能，利用其L1緩存并實(shí)現(xiàn)了零等待執(zhí)行[2]。可利用帶有32位并行接口或雙模串行閃存接口的靈活存儲控制器輕松擴(kuò)展外部存儲器。

3.3 繼電器及驅(qū)動單元

通過繼電器可實(shí)現(xiàn)對投放線路的加電控制，并在軟件的控制下完成投放指令的模擬。芯片單通道工作時最大驅(qū)動電流可達(dá)500mA，特別適合用于繼電器驅(qū)動電路。

繼電器電路由檢查用繼電器和自檢用繼電器兩部分組成。

3.4 信號調(diào)理電路與數(shù)據(jù)采集單元

信號調(diào)理電路主要用于對信號進(jìn)行處理。信號經(jīng)分壓、低通濾波、放大等處理后，送數(shù)據(jù)采集電路完成采集測量。

數(shù)據(jù)采集電路采用4通道16位分辨率、高精度、無失碼的AD 轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行設(shè)計。該芯片內(nèi)部帶有2.5V低溫漂基準(zhǔn)電源、溫度傳感器以及單極點(diǎn)濾波器；與嵌入式主控單元采用SPI 接口進(jìn)行連接，主控單元通過SPI 接口對芯片進(jìn)行配置和讀取實(shí)時采集數(shù)據(jù)。

4 軟件組成

檢測系統(tǒng)工作所需軟件采用分層以及模塊化思想設(shè)計，軟件組成主要包括啟動加載程序、應(yīng)用程序接口、嵌入式操作系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動程序、測控程序、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)采集與處理程序、自檢程序、LVGL 圖形界面框架、人機(jī)交互界面等部分組成。

4.1 設(shè)備驅(qū)動

Linux 內(nèi)核包含很多功能組件，大部分功能組件以內(nèi)核模塊的形式呈現(xiàn)，設(shè)備驅(qū)動便是其中之一。

應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)接口訪問底層設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動程序的升級、更替不會對上層應(yīng)用產(chǎn)生影響。

4.2 應(yīng)用程序接口

對系統(tǒng)調(diào)用和硬件設(shè)置、控制等細(xì)節(jié)操作做進(jìn)一步的封裝，基于Qt5采用面向?qū)ο蟮哪Ｊ皆O(shè)計，為上層應(yīng)用提供一個統(tǒng)一、簡單的操作接口，提高各功能模塊的內(nèi)聚性，降低耦合度。

4.3 應(yīng)用程序

應(yīng)用程序包括自檢程序、測控程序和數(shù)據(jù)管理程序等組件。自檢程序?qū)崿F(xiàn)上電自檢和使用過程中按需自檢功能。測控程序由通道控制模塊、通斷檢測模塊和電阻測量模塊等組成。數(shù)據(jù)管理程序負(fù)責(zé)測量數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)庫增、刪、改、查等操作。

4.4 啟動加載程序模塊

啟動加載程序運(yùn)行時，首先從存儲器（如FLASH 或E2PROM 等）中讀取配置文件，其次根據(jù)文件中的啟動選項(xiàng)進(jìn)行下一步操作。

4.5 IAP 程序模塊

IAP 程序?qū)?shí)現(xiàn)上層應(yīng)用程序固件的擦除和寫入操作。完成后自動加載新寫入的固件并啟動。

4.6 設(shè)備驅(qū)動程序模塊

操作系統(tǒng)提供了I/O 設(shè)備模塊，該模塊實(shí)現(xiàn)了對設(shè)備驅(qū)動程序的封裝。應(yīng)用程序通過I/O 設(shè)備模塊提供的標(biāo)準(zhǔn)接口訪問底層設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動程序的升級、更替不會對上層應(yīng)用產(chǎn)生影響。這種方式使得設(shè)備的硬件操作相關(guān)的代碼能夠獨(dú)立于應(yīng)用程序而存在，雙方只需關(guān)注各自的功能實(shí)現(xiàn)，從而降低了代碼的耦合性、復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性[3]。

4.7 數(shù)據(jù)采集與處理程序模塊

數(shù)據(jù)采集與處理程序在檢測系統(tǒng)測量工作電壓和拋放彈電阻時，獲取數(shù)據(jù)采集電路的AD 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件計算變換后進(jìn)行顯示。

4.8 自檢程序模塊

自檢程序首先控制接通自檢用繼電器，使檢測系統(tǒng)進(jìn)入自檢工作狀態(tài)；通過內(nèi)部的高精度標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值測量，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集電路準(zhǔn)確度的檢查和校正。手動自檢時，在軟件后臺增加了檢測系統(tǒng)自身電氣系統(tǒng)電阻校零的功能。

4.9 人機(jī)交互界面模塊

人機(jī)交互界面采用LVGL 圖形界面框架進(jìn)行設(shè)計。

本檢測系統(tǒng)采用時域反射法對電氣系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測，通過對不同類型的電氣系統(tǒng)故障的電氣特性進(jìn)行了分析，采用時域反射法，可滿足故障檢測的相關(guān)要求。 采用精確測量發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間間隔，是采用時域反射法進(jìn)行電氣系統(tǒng)故障檢測的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它直接影響著電氣系統(tǒng)故障點(diǎn)的定位精度。本檢測系統(tǒng)采用延時線法進(jìn)行時間間隔測量，并且在傳統(tǒng)的延時線基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，更加適用于電氣系統(tǒng)故障檢測中應(yīng)用。