基于CMOS 数字集成电路的定日镜推杆电缆组件检测方法

第五俊峰,孙芳婷,曹 潘

(西安西电光电缆有限责任公司,西安 710082)

0 引 言

定日镜是塔式太阳能热发电系统中的重要聚光元件,定日镜推杆控制设备与电机之间通过电缆连接,用以输送传感器信号、控制信号和动力信号[1-2]。定日镜推杆电缆组件,由多组绝缘线、屏蔽线和连接器组成,整套组件均可在工厂制作完成,交付使用前应对电缆的导通、断线、短路及线序关系等进行检测,确保用户在现场通过简单的接插即可完成安装并可直接使用。参照有关标准[3-4],多芯电缆的导体导通、断线、混线及线序试验,采用万用表或带有电池的蜂鸣器、电铃或指示灯,将引线连接到电缆的两端,通过指示或声音来判断。由于存在接线端子,需要工作人员从两端同步操作,容易出现误判,且测量过程耗时费力。

在电缆线序识别方法上,一种应用于线束产品的基于机器视觉与模糊控制的电缆线序识别方法及设备,可通过采集标准模块图像和含有待处理电缆线序信息的图像进行检测[5]。但是,定日镜推杆电缆中各子单元均由圆形护套包裹而成,且颜色相同,识别难度大,设备成本较高,因此这种方法并不适宜。王鹏飞等[6]提出了一种CD4017 电缆测试仪,通过对十进制计数器CD4017 简单级联,实现多芯电缆测试,可用于通信电缆的检测。对于级联方式的扫描电路,上级电路的输出信号作为下级电路的驱动信号,即第二级扫描周期为第一级扫描周期的10 倍,第三级扫描周期为第二级扫描周期的10 倍。直接采用级联方式扫描会使测试速率逐渐减慢,导致实际应用效果欠佳,而CMOS 数字集成电路工作可靠、高速低耗、电压范围宽且成本低廉。

本工作采用CMOS 数字集成电路开发一种检测方法,以便在工厂完成生产后,能够高效测试定日镜推杆电缆组件的通断、混线及线序是否满足产品要求。

1 检测电路原理

自动检测电路由脉冲发生电路、自动扫描电路、状态指示电路和自检控制电路等4 个部分组成。其中,脉冲发生电路为电缆检测仪的驱动电路,提供稳定均匀的方波信号;自动扫描电路控制方波信号分配到每根被测导体;状态指示电路通过声光形式指示被测导体的连接状态;自检控制电路对整个检测电路的工作状态进行自检,确保电路工作正常。基于CMOS 数字集成电路的电缆检测电路原理见图1。

图1 基于CMOS 数字集成电路的电缆检测电路原理

1.1 脉冲发生电路

脉冲发生电路由CMOS 型555 定时器U1 及外围阻容元件组成,通过调节可调电位器RV1 改变脉冲信号的频率,以便操作者根据自己的操作习惯来调整测试速度。以往的555 集成电路中,一般将定时器的输出端Q 作为信号输出端[7-8],在改变信号频率时,其信号占空比会同时发生改变。该设计使得频率的调节范围受限,占空比的改变还会影响指示信号灯的亮灭时间。占空比过高或过低,均易造成信号无法分辨的现象。

本工作将电位器RV1 连接在输出端Q 与阈值端TH 之间,阈值端TH 与触发端TR 相连,将放电端DC 作为信号输出端,在调节电位器RV1 时可获得固定占空比的方波信号。选择适当的R1 和C1,使方波信号占空比约为50%,拓宽频率的调节范围,从而在调节频率时得到均匀稳定的指示信号,以确保在不同的测试速率下指示电路均有足够的响应。

1.2 自动扫描电路

自动扫描电路由5 个CMOS 型与非门CD4011和两个十进制计数器CD4017 组成,通过控制脉冲输入和十进制计数器的清零端,实现两个计数器的依次匀速扫描。其中,与非门U2:A 的输入端与计数器U4 的第9 输出端相连;与非门U2:B 的输入1端、输入2 端分别与脉冲发生电路的输出端、U2:A的输出端相连,U2:B 的输出端与计数器U4 的时钟端相连;U2:C 的输入1 端、输入2 端分别与U1:A的输入端、脉冲发生电路的输出端相连;U2:D 的输入端与U4 的复位端和U5 的第9 输出端相连;U3:A 的输入端分别于U2:C 输入端和U2:D 的输出端相连;U3:A 的输出端与U5 的时钟端相连。

按上述电路连接,电路上电时,计数器U4、U5均复位,脉冲电路输出为低电平,与非门U2:B 打开,此时的时钟脉冲驱动计数器U4 依次计数;输出高电平时,关闭与非门U2:B,同时打开与非门U3:A 驱动计数器U5 依次计数,直至其脉冲电路输出高电平关闭与非门U3:A,同时复位计数器U4,从而实现U4 和U5 的循环计数,达到连续扫描、自动检测的目的。自动扫描部分采用的两个十进制计数器最多可完成18 路循环检测,若需增加检测回路,还可增加计数器CD4017 及相应的与非门,其中每个计数器可增加9 个回路。

1.3 状态指示电路

状态指示电路中设计了声光指示电路,由依次对应的双排发光二极管(LED)指示灯(A1、B1,A2、B2,A3、B3……)、与非门CD4011(U3:B、U3:C)和讯响器BUZ1 组成。LED 指示灯用于指示连接状态,讯响器在电缆连通时发出声音,与非门用来驱动讯响器BUZ1。通过观察LED 指示灯点亮状况,可判断电缆导体连接状态。导体导通时的信号与脉冲发生电路共同驱动音频发生电路,实现导体导通时的声音输出,起到辅助测试的作用。

1.4 自检控制电路

自检控制电路由5 个CMOS 集成芯片CD4066组成,采用双向模拟开关,具有导通电阻低、隔离度高的特点。当控制端C 输入高电平时,开关导通;当控制端C 输入低电平时,开关截止。当控制端与电源接通时,可模拟电缆全部导通、线序连接正常的情形,实现设备内部自检;当控制端与电源断开时,进入正常测试状态。

2 定日镜推杆电缆组件的检测方法

2.1 电缆组件

定日镜推杆电缆组件型号为XTG-2×3×0.7+3×1.3P+5×0.7P,由电机电缆、传感器电缆、限位电缆I 和限位电缆II 等4 个子单元组成,电缆两端安装防水接头和电连接器,方便用户即插即用。该电缆可同时实现供电与信号传输功能,可以减少布线数量、减小电缆外径、降低使用成本,用于替代国内外常用的多根电缆。电缆组件外观及结构示意图见图2。

图2 定日镜推杆电缆组件

定日镜推杆电缆组件生产制造分两步。第一步是电缆单元的生产,包括导体拉丝、绞合、绝缘挤制、成缆和护套挤塑等;电缆生产完成后进行成盘检测,包括外观检查、结构检查、直流电阻和绝缘强度等,检测方法与常规电缆检测方法相同。第二步是电缆组件的制作,包括定长、裁剪、接头和连接器安装。其中,连接器安装需要对电缆16 根导体进行分组排序,并分别与对应的接插端子进行压接。为保证各导体之间可靠连接、彼此绝缘且线序正确,必须在组件制作完成后对其通断、混线及其线序进行检测。

2.2 检测装置

为实现对定日镜推杆电缆组件的快速检测,本工作基于图1 制作了检测装置,包括工装治具和主机。检测装置主要电路采用CMOS 集成芯片,功耗低,可采用电压在6～12 V 的电池或电源适配器直流供电。

检测装置两端若安装专用阳性接插端子,则不易接入检测电路,因此选用与定日镜推杆电缆组件阳性接插端子匹配的阴性接插端子来制作工装治具;主机面板安装有电源开关、自检开关、频率调节旋钮、引线插座,以及两排LED 指示灯(上下排列)。按照图1 与内部电路进行连接,LED 指示灯以数字1～16 进行标记,作为电缆中的16 根导体电缆连接状态指示灯,17 为预留。

电缆连接状态指示灯显示定日镜推杆电缆组件的连接状态:若上下两排灯同步依次全部点亮,则定日镜推杆电缆组件各个导体线序、连通状况均正常;对应的LED 指示灯中,若有指示灯未点亮,则数字对应的导体存在断线;若上排指示灯全部点亮,下排有多个指示灯未点亮时,则下排指示灯上数字对应的导体存在混线;若上排指示灯依次点亮,下排指示灯点亮次序与上排指示灯点亮次序不一致时,则电缆导体线序有误。

2.3 检测方法

采用检测装置对定日镜推杆电缆组件的通断、混线及排序进行检测时,不仅需要将电缆组件A 端和B 端的接插件分别通过工装治具与检测装置可靠接入,利用仪器自动扫描,通过观察连接状态指示灯即可判断定日镜推杆电缆组件各个导体连通及线序状况;若采用万用表对定日镜推杆电缆组件检测,则需要将万用表的表笔分别连接至导体两端,利用通断测量档进行人工判断。

通过对100 套型号为XTG-2×3×0.7+3×1.3P+5×0.7P 的定日镜推杆电缆组件的跟踪统计,将F15B 型数字万用表的检测方法与检测装置的自动扫描法进行对比,并对检测错误率进行交互复检以确定检错率,检测结果见表1。

表1 检测结果

万用表法中,在被测导体连通时,万用表屏幕显示值为零,同时蜂鸣器发出报警声。由于接线端子插孔小,只能采用特细表笔与接插件进行连接,每套组件需要工作人员在级件两端同步操作,通过配合逐根识别导体线序、连通状况是否符合要求。为全面检测16 芯电缆组件的通断、混线及线序情况,更换表笔次数最多达120 次。采用自动扫描法检测,1 个人操作即可将电缆组件与工装治具连接,开启电源后观察一个扫描周期即可对电缆状态作出判断。由表1 可以看出,自动扫描法不仅测试速率快、节约人工成本,还保证了检测结果的准确性。

3 结束语

本工作设计的检测电路结构简单,检测装置操作方便,并已投入使用,完成对数万套定日镜推杆电缆组件的检测。与传统手动测试方式相比,采用集成电路可实现被测电缆导体的自动扫描,测量速率快,可减少约三分之二的检测时间和二分之一的操作人员,测试效率及准确率均得到有效提升。该检测回路还可根据需求进行扩展,改变工装治具后也可用于其他类似多芯电缆组件检测。