智能型线缆检测仪的设计

浙江工业职业技术学院电气工程分院 李 博 高建强

1.引言

电气产品中往往密布着各类线缆，这些线缆具有各种型号、规格，带着各种类型的接插件，它们的质量好坏直接影响到电气产品的整体质量情况。所以必须对各类线缆进行检测，以提升产品的质量。检测包括检测效果和检测速度两个方面，好的检测手段要求检测速度快，测试精度高、准确率高。

当前行业中普遍采用人工手动测量的方式，通过万用表测线缆两端的通断情况。这种方法效率低、误差大，常常出现漏检错检的情况。数字万用表在被测对象组织小于30欧姆的情况下默认为导通，但普通线缆在有线损或接触不良等状况时，阻值仍然小于30欧姆，所以单纯用数字万用表无法进行有效的判别。

市场上某些专用的线缆测试仪器，如网线通断测试仪，只能对接口型号固定的线缆进行测试，不具备通用性，难以满足普通用户对机柜内各类线缆的测试要求。

本文讨论了开发智能型线缆检测仪，能够对大量的、不同规格型号的、带有接插件的线缆进行方便、快速、准确地自动检测，以及时发现线缆是否存在通断或规格等方面的质量问题，实现线缆检测手段的自动化、准确化、标准化和便捷化。

2.系统设计

2.1 设计指标

测试系统将实现对各类线缆进行快速、准确、方便地测试这一技术目标，其中，通用性、测试速度和测试精度是主要的设计方面。根据类比国外同类型测试仪，我们提出了“实现即插即测功能、实现自学习功能、每根线缆测试时间小于20ms、出错概率小于0.1%”的具体技术指标。为满足设计要求，在技术方案中主要采取以下措施：恒流源设计输出能力达到0～10A可调的范围，保证被测线缆线径范围可达0.1～4mm2；采用Cyclone系列的FPGA芯片作为主控制器[1]，保证系统工作频率可达100MHz，并有一百多个用户可用I/O口，从而保证系统可以高速可靠地进行数据处理；采用12位高精度A/D转换器进行数据采集；硬件上采用全系统屏蔽、小信号滤波、恒流源低噪声处理等技术，软件上采用改进型快速滤波算法，保证测试的准确度。

2.2 分系统设计

智能型线缆检测仪由控制器、万能接口、上位机、电源等部分组成。控制器协调系统各部分的工作，调整数控恒流源的输出为系统提供高精度的测试电流，控制数据采集及信号转换模块，并与上位机通讯，将测试数据发送到上位机进行处理。万能接口实现了不同规格型号的线缆接插件与测试系统进行快速插拔、即插即测。上位机通过CAN总线与控制器进行数据通讯，采用自学习的方式识别陌生被测线缆，构建被测线缆数据库，分析计算测试数据并将测试结果显示在软件界面上。电源主要由系统工作电源部分及测试用恒流源部分组成，系统工作电源部分采用开关电源及稳压芯片获取系统所需的各个等级的直流电压，恒流源部分采用PWM控制芯片和场效应管获取精确可调的定值电流。

测试时，被测线缆通过万能接口接到测试仪，选择被测线缆的参数规格。上位机查询数据库，如果该型号线缆为首次被测则进入自学习流程并建立该型号线缆的数据库，否则进入正式测试流程。控制器根据上位机的命令调整恒流源的输出，采集被测线缆两端的即时压降值，并同步采样被测线缆的实际电流值。上位机通过对理论值与实际采样值进行分析计算，得出测试结果。

图1 自学习工作流成

2.2.1 控制器

与传统的单片机相比，FPGA芯片具有可靠性更高、处理速度更快、集成度更高、设计更灵活的优势。本系统使用EP1C6Q240C8型FPGA，它拥有丰富的I/0口资源和片内资源。采用硬件描述语言在FPGA内构建了CAN总线控制器[2]、电流通道切换器、MAX186模数转换器控制器[3]、AD0832数模转换器控制器等功能模块，这些模块在控制器中以并行的方式工作，极大地提高了系统的效率。

2.2.2 恒流源

数控恒流源为系统提供测试电流，所以恒流源的输出精度直接影响到系统的测试精度。根据恒流器件的不同，恒流源可分为集成电路恒流源、晶体管恒流源和场效应管恒流源。集成电路恒流源输出电流小，晶体管恒流源的稳流精度低，场效应管恒流源具有输出电流可调范围大、精度高的特点，满足本设计的需要[4]。本系统恒流源采用PWM控制芯片SG3525，以闭环反馈系统动态地调整恒流源的输出，较大地提高了输出精度。另外对输出电流与基准电压的关系式进行全微分后，得到公式：

图2 测试结果

由公式可知，采样电阻的温度特性是影响输出稳定度的主要因素，采用高精度金属壳散热式电阻，可以有效改善恒流源的输出稳定度[5]。经过合理化设计，本系统恒流源可达到5%的输出精度，较好地保证了系统的整体测试精度。

2.2.3 自学习功能

自学习功能是线缆检测仪达到智能化设计要求的重要标志。自学习流程中，系统从0mA开始，对陌生的被测线缆递增地施加测试电流，递增幅度为10mA，直到被测线缆两端实测电压平均值的数模转换返回值超过预设值，该值既是当前型号线芯的自学习数据库参数值。图1为自学习流程示意图。

对于同一根线缆中具有不同线芯、不同接插件的复杂线缆，系统也可以简便快速地建立陌生线缆自学习参数库，在之后的正式测试过程中，同类线缆即可采用数据库参数进行测试。

3.试验结果分析

图2为对同一型号的三芯不同质量的线缆进行测试的结果，三芯线缆分别为正常状态、有损伤状态和断线状态，三种情况下分别采样20次的数据。

从数据可知，把数据库中该型线缆参数12位的预设值100110000000按等比转换得到3.0±0.1的正常，第1个测试结果正常；当线芯损伤时，测试数据分布在3.5±0.1的范围区间，测试结果如实反映了线芯受损后线阻增大但仍导通的特性；当线断芯时，测试电压数据为5.0，测试电流数据为0.0，表明线芯断芯后电流断流，电压为电流源的路端电压值。上位机对测试数据进行分析计算，从而判断并显示线芯的质量状况。

4.结束语

本项目为2009年浙江省教育厅科研项目“基于FPGA的线缆自动化检测系统的研究”，项目编号Y200909512。基于FPGA技术的智能型线缆检测仪采克服了传统线缆检测手段中效率低、精度低、错检率高的弊端，实现了对各类线缆进行快速准确地测量的功能，实现了线缆检测手段质量与效率的双重提升，具有较为现实的社会经济效益。

[1]王彦.基于FPGA的工程设计与应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[2]陈萍.基于FPGA的CAN总线通信系统[J].计算机测量与控制,2009(17):2482-2484.

[3]刘宝华.新型12位串行A/D转换器MAX186及其应用[J].电测与仪表,1996(8):34-37.

[4]常铁原.一种高稳定数控恒流源的设计[J].电测与仪表,2010(3):59-61.

[5]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2000.