船舶控制电缆连通性测试系统设计

(威海职业学院 交通工程系，山东 威海 264210)

船舶控制电缆连通性测试系统设计

吴希杰

(威海职业学院 交通工程系，山东 威海 264210)

针对在建船舶控制电缆线敷设、加工中出现的质量问题，利用智能检测技术的功能，设计基于STC15W4K单片机的控制电缆连通性测试系统。系统由控制模块、执行模块、人机界面、线缆接口等构成。通过精密恒流源技术及ADC技术，实现船舶控制电缆事前检测。试验证明，该系统可实现对在建船舶控制电缆的检测功能，提高船舶电气系统的工作稳定性。

连通性；恒流源；ADC

船舶建造中，在对控制电缆进行敷设、引入、切割，以及压接端子、接头时，由于一些非主观因素有可能造成控制电缆的短路、断路、接触不良等故障，影响设备的安全运行[1-3]。快速准确判断出控制线缆的故障隐患，提高系统工作稳定性，是保障船舶电气设备安全运行的一项重要任务[4]。船用控制电缆加工后常用的测试方法有多用表法，但多用表提供的测试电压低，输出电流不稳定，灵敏度低，特别对接触不良故障现象易造成漏检。基于智能技术及精密恒流源技术在加工后电缆测试中的应用，其理论依据是电缆电阻率均匀分布，且电缆阻值与延展长度成正比。当对被测电缆加载一定量值的恒定直流电流时，恒定电流按电缆长度形成电压降，此电压降经ADC转换并计算为正常船用电缆等效电阻值。将依据被测电缆物理特性计算的等效电阻值的1.05倍设定为阈值，测量控制电缆等效阻值并与阈值进行比对，即可分析出被测电缆的连通性。

1 线缆连通性测试系统简介

常用船用控制电缆导体的横截面积标称值一般有0.5、0.75、1、1.5、2.5 mm2等规格。在建船舶控制电缆经敷设加工后，需要阶段性地进行连通性测试。实验证明，通过向加工后的电缆加载恒定电流，可以检测出电缆的等效电阻值，依此可判断船用控制电缆的连通性质量。测试系统结构[5]见图1。

图1 船用控制电缆连通性测试系统结构

控制电缆经敷设及冷压加工后在一端按连续序号相邻两两短路，另一端依序连接至测试系统的线缆接口。测试前，使用按键在测试系统中输入被测电缆的长度、导体横截面积、芯数，系统按理论值的1.05倍计算出被测电缆的等效电阻阈值。测试时，控制模块启动执行模块依次向被测电缆加载恒定电流，取样电压输出至CPU，经ADC转换计算得出等效电阻值，将其与阈值进行比较，结果输出于LCD显示，如高于阈值则报警。

在建船舶现场环境相对比较复杂，在本测试系统的硬件模块设计中，采用多种EMC措施：信号接口保护、运放共模干扰抑制、PCB板电磁干扰设计、独立电源设计，等等，同时为避免漏掉线缆接触不良等故障，在软件设计中采用多次测试比较判断等技术[6-7]。在结构设计上，防水、防潮、防碰撞等是可靠性设计必须采取的主要措施。

2 测试系统硬件设计

船舶控制电缆连通性测试系统的硬件系统包括处理器、系统电源、执行模块、LCD显示、按键等[8]。

2.1 处理器硬件设计

测试系统的处理器使用STC15W4K单片机。该单片机以工作电压宽、运行速度快、可靠性高、功耗低见长；时钟源可以选择外部晶体或内部集成高精度R_C时钟；内置复位电路；具有8路高速10位精度AD转换端口。

本系统工作电压5 V；采用内部R_C时钟，时钟设置为22.118 4 MHz；10 bit ADC精度；Flash使用40 kB。电路图略。

2.2 系统电源设计

综合考虑处理器、LCD显示及执行模块，采用15DCV(3 A)输入，输出5 V和12 V 2路。

系统电源采用LM2596系列开关电源芯片。LM 2596开关电源属于降压型电源集成电路，外围元器件最少4个，在满足很好线性和负载调节性能的同时，输出驱动电流可达3 A。该器件设计以150 kHz的较高开关频率，保证了±4%范围内变化的稳定输出电压，以此满足较宽变化的输入电压和负载的应用环境。5 V(VCC)电源见图2，12 V电路见图3。LM2596电路中输出级分别设置高、低频滤波电容。PCB排版时，电源输出端至Feedback端的连接线避免靠近电感[9]。

图2 系统电源(一)电路

图3 系统电源(二)电路

5 V电源提供给LCD显示、控制模块及其他外围电路；12 V电源主要提供给执行模块。

2.3 执行模块设计

测试系统的线缆检测宽度默认值是32路，依据具体应用需求可扩展至40路、50路、64路、80路等。执行模块包括运算放大器、调整管、反馈电路、检测输出4个部分[10]。电路见图4。

图4 执行模块电路

执行模块的核心是具有一定精度的恒流源。运算放大器采用LM324，它是4组独立的运放，通过相位补偿、温度补偿等措施使增益稳定可达100 dB；单工作电源使用范围3～30 V，双电源使用范围为±(1.5～15) V。本系统LM324使用12 V电源。由于用于测试的恒流源电流较小，所以调整管使用小功率的2N5551复合管。电阻R5作为采样电阻，采用精密电阻，阻值为150 Ω，误差为±1%；R3为可调电阻，调整电阻值，使连接至LM324的“-”端电压值为1.2 V；由运算放大器的“虚短”概念可计算恒流源输出电流IS。

LINEx是被测电缆接口，8 mA电流加载到被测电缆和R5上的电压输出至CPU进行AD转换。因此，CPU经AD转换后的电阻值需要减去150 Ω之后才是被测电缆的等效阻值。为提高被测电缆的等效电阻值精度，必须保证恒流源输出电流误差足够小。

使用Multisim13软件对执行模块电路进行仿真，电路见图5。图中用最大值为500的可调电位器R2代替被测电缆，按导体芯数×横截面积为2×1 mm2在20 ℃导体最大电阻值18.1 Ω/km计，500 Ω的电阻可以折合27 km之多。同时，由于ADC精度采用10 bit，也能够兼顾到短距离电缆的检测。因此，能满足一般船用电缆的长度要求。仿真时，线性调整R2值从0～500 Ω，读取电流表XMM1的值始终为8.01 mA，误差率为0.125%，满足恒定电流的误差要求。

图5 执行模块电路仿真

计算可知，从0～500 Ω调整R2时，输入至ADC端口的电压值范围是1.2～5.2 V。实际中，为防止意外使电压过高，增加嵌位二极管D3(见图4)。被测电缆正常连接时光电耦合器U3输出低电平；当电缆断路时，U3输出高电平。

2.4 其他电路模块

本系统LCD显示采用点阵图形型液晶模块LCD12864；通过按键可以输入相关参数并显示被测电缆的路序、长度、阈值、测试结果等。电路见图6。

图6 LCD显示模块

存储器采用AT24C128；按键采用4*4矩阵键盘。

3 测试系统软件设计

3.1 测试系统程序框架

测试系统软件包括系统初始化、输入参数、AD转换、阈值判断、LCD显示等模块。系统检测主程序框图见图7。

图7 系统检测主程序流程

3.2 测试系统程序设计

被测电缆按要求连接后，CPU控制执行模块按序向被测电缆加载恒定电流，被测电缆上的电压输出至CPU，经AD转换得到被测电缆等效电阻值，将其与阈值进行比较，结果输出于LCD显示，高于阈值则报警[11]。测试系统程序的核心是对取样电压值进行AD转换、存储。CPU控制AD转换并读取AD值的C语言程序代码如下：

//控制AD转换及储存AD值

unsigned int adc_value(unsigned charn)

{

unsigned inti;

unsigned char status;

GPIO();

ADC_CONTR|=0x80；

for(i=0;i<1000;i++);

P1ASF=0xFF;

ADC_CONTR=0x88；

while(1)

{

ADC_CONTR|=n；

ADC_CONTR|=0x08;

Status=0;

while(status==0)

{

Status= ADC_CONTR&0x10;

}

ADC_CONTR&=0xE7;

//将ADC_FLAG清0并停止AD转换

Adc_value=ADC_RES*256+ADC_RESL;

//保存10bit精度AD转换结果

}

}

4 实测结果分析

在威海某船厂正在建造的散货船现场，对控制电缆线进行实际检测，检测结果见表1。

表1 船用控制电缆等效电阻检测表

通过检测发现，在阈值内的电缆等效电阻平均值符合设计要求。36 m电缆的通过率为86.11%；75 m电缆的通过率为89.33%。对超出阈值判定不合格的13根电缆进行分析，发现压接端子表面氧化致使接触电阻超标6根，压接阻值超出阈值有7根。通过对超出阈值电缆进行分析判断，有针对性地采取整改工艺措施后，再次对现场同规格电缆检测，合格率大于98.8%，能够满足船舶电气设备安装调试的要求。

5 结论

本测试系统，将恒流源精确测量技术及单片机内置ADC技术应用于船用控制电缆现场测试，利用等效电阻与相应阈值进行比对，以此判定船用控制电缆的质量。综合考虑被测控制电缆长度不一及现场具体故障情况，设计的关键在于保证恒流源的精准度，为此系统采用运算放大器对恒流源输出级进行深度负反馈。电路经软件仿真和现场测试，恒流源的误差率在0.125%范围以内，满足实际应用的需要。

在本系统的研究和设计过程中，也发现一些问题，主要是不同电缆与测试系统接口的插入电阻影响，可能导致等效电阻出现一定偏差；恒流源反馈电阻精度对系统测试结果有影响，这些都需要做进一步的研究与改进。

关于船舶控制电缆连通性测试系统的下一步研究工作，主要有：恒流源输出电流值与被测电缆规格的匹配关系；被测电缆与测试系统接口适应性问题；测试系统的检测速度与准确度的优化。在人工界面上，目前采用轻触按键输入，若采用触摸显示屏方式代替按键输入与LCD显示，将使操作更加便捷。

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Design of Test System for Ship Control Cable Connectivity

WUXi-jie

(Dept. of Traffic Engineering, Weihai Vocational College, Weihai Shandong 264210, China)

In view of the quality problems in construction and control of the cable in construction of ship, the intelligent detection technology was used to design a control cable connectivity test system based on STC15W4K single chip microcomputer. The system consisted of control module, execution module, man-machine interface, cable interface and so on. The precision constant current source technology and analog to digital converter (ADC) technology was applied to realize pre detection of the control cable. The test result proved that the detection function of the ship control cable can improve the working stability of the ship’s electrical system.

connectivity; constant current source; analog to digital converter (ADC)

U665;TM933.2

A

1671-7953(2017)06-0058-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.013

2017-03-08

2017-03-30

山东省教育厅科技项目(J15LD73)

吴希杰(1968—)，男，硕士，副教授

研究方向：电子与通信工程、船舶电气工程技术