电气系统智能检测设备研究

汇航科技（辽宁）有限公司 张睿哲 石 洋 袁慧楠 张绍雄

对电气系统的智能化检测，包括微小阻值电阻精确测量、导通测试、输出特性测试、连续测试、电路完整性及电阻检测、电阻特性检测、输出特性检测、环境温度采集及自动计算合格判据等检查功能。以往的检测手段是选用通用设备进行集成以组成自动或半自动测试系统，投资大，使用效率低下，整个系统体积庞大，使用与携带不方便，不能满足外场的检测要求[1]。因此，检测系统体积小、适应恶劣环境、可靠性强是其发展方向，以此解决时间、空间的局限性，提高系统设备的稳定运行，方便、可靠、准确提高对电气系统故障排查的精确性和高效性，大幅缩短测试时间，是对电气系统故障排查的检测提出了更高的要求。

1 功能需求

1.1 电路完整性及电阻检测

检测电气系统的通路、短路、断路、插针错位、连接不良等造成的连接关系混乱问题，可判断并显示故障信息，准确定位故障位置。

1.2 电阻特性检测

检测电气回路的电阻特性，判断其电阻特性是否在合格范围内。

1.3 绝缘检测

提供最大500V 直流电压，检测电气系统的绝缘电阻是否满足要求。

1.4 耐压检测

提供500V、50Hz、最长1min 的电压，检测电气系统的漏电流是否满足要求。

1.5 输出特性检测

为压阻式、压差式等传感器提供激励（直流、交流均可），检测其输出电压值，判断传感器工作性能是否满足要求。

1.6 连续检测

需要在采集特定回路电阻参数时，其具有连续检测、记录功能，同时采用曲线显示采集值。

1.7 环境温度采集及自动计算合格判据功能

针对含有热敏电阻的电路，检测系统采用温度传感器获取当前测试环境的温度。自动识别或手动输入测试环境温度后，通过公式，软件能自动计算出当前环境温度参数下的电阻合格判据。

1.8 检测结果显示

检测系统通过液晶显示器实时显示测试项目、检测管脚、检测值及测试结果等信息，当测试过程中发现故障时，测试实时报表数据采用红色警示显示，并为操作者提供排故建议。检测报告可自动生成，显示界面可根据用户需要定制设计。

2 方案设计

2.1 工作原理

检测系统主要由测试主机、转接系统、电源线、设备附件四部分组成。其中，测试主机的简要工作原理电路图如图1所示。图中分为A、B 两个部分，两部分的电路是相同的。在进行电气系统检测时，分别进行不同的控制，从而完成电气系统的通断检测和导通电阻的测量。图中CC_SRC 为恒流电流源输入端，用于导通电阻测量。

图1 测试主机简要工作原理图

2.1.1 通断检测

根据原理图，脉冲信号逐次加载到被测电气系统中的每一根导线，在另一端，通过控制使芯片连通，然后根据数据库中被测电气系统的连接关系，控制选择相应的端口接通；通过检测信号即可得到检测数据，并给出相应导线的通断状态。

2.1.2 导通电阻测量

采用电阻测量法，保证测量的准确性。由恒流源逐次加载到被测电气系统中的每一根导线；在另一端，通过控制使芯片连通，然后根据数据库中被测电气系统的连接关系，控制选择相应的端口接通；通过采集差分电压信号，经过计算即可得到相应导线的导通电阻。

2.1.3 接触电阻检测

接触电阻检测采用电流电压法测试原理。电流源经端口供给被测电阻电流，电流的大小由电流表读出，电压两端的电压降端口取出，由电压表读出，通过对电流、电压的测量，就可以计算出被测电阻的阻值。

2.2 设备组成

检测系统主要包括信号处理电路和 FPGA 功能模块两大部分，其中信号处理电路包括发射脉冲放大电路和反射脉冲采集电路，FPGA 内部包含发射脉冲产生模块、时间间隔测量系统、数据缓存模块和核心处理器。

3 硬件组成

检测系统主要硬件包括嵌入式主控模块、触摸显示屏、信号调理模块、数据采集模块等组成。

3.1 硬件结构

根据功能和技术性能需求，检测系统硬件主要由嵌入式主机、触摸显示屏、电阻测量电路、通断检测电路、信号调理电路、通道切换电路、接口电路等组成。

嵌入式单元：采用多核处理器，为主机提供强大的运算和存储能力支持。

电阻测量单元：用于测量电气系统中导线的导通电阻。

通断检测单元：实现电气系统中每一根导线的通断状态测量，并确定电气系统两端航空插头的对应连接关系。

信号调理单元：对导线通断检测、导通电阻测量等信号进行整形和调整，使其满足数据采集、测量要求。

通道切换单元：合理并充分使用系统硬件资源，并满足多根导线的快速检测需求。

接口单元：实现与外部被测电气系统的连接需求。

3.2 嵌入式主控单元设计

嵌入式单元是整个检测系统的测量和控制核心，主要由高性能CPU、RTC 电路、SPI FLASH、SDRAM、EEPROM、UART 串口及SWD 调试接口等组成。

微控制器工作频率480MHz，在Flash 执行程序时，能够提供良好运算性能，利用其L1缓存并实现了零等待执行[2]。可利用带有32位并行接口或双模串行闪存接口的灵活存储控制器轻松扩展外部存储器。

3.3 继电器及驱动单元

通过继电器可实现对投放线路的加电控制，并在软件的控制下完成投放指令的模拟。芯片单通道工作时最大驱动电流可达500mA，特别适合用于继电器驱动电路。

继电器电路由检查用继电器和自检用继电器两部分组成。

3.4 信号调理电路与数据采集单元

信号调理电路主要用于对信号进行处理。信号经分压、低通滤波、放大等处理后，送数据采集电路完成采集测量。

数据采集电路采用4通道16位分辨率、高精度、无失码的AD 转换芯片进行设计。该芯片内部带有2.5V低温漂基准电源、温度传感器以及单极点滤波器；与嵌入式主控单元采用SPI 接口进行连接，主控单元通过SPI 接口对芯片进行配置和读取实时采集数据。

4 软件组成

检测系统工作所需软件采用分层以及模块化思想设计，软件组成主要包括启动加载程序、应用程序接口、嵌入式操作系统、设备驱动程序、测控程序、数据管理、数据采集与处理程序、自检程序、LVGL 图形界面框架、人机交互界面等部分组成。

4.1 设备驱动

Linux 内核包含很多功能组件，大部分功能组件以内核模块的形式呈现，设备驱动便是其中之一。

应用程序通过操作系统提供的标准接口访问底层设备，设备驱动程序的升级、更替不会对上层应用产生影响。

4.2 应用程序接口

对系统调用和硬件设置、控制等细节操作做进一步的封装，基于Qt5采用面向对象的模式设计，为上层应用提供一个统一、简单的操作接口，提高各功能模块的内聚性，降低耦合度。

4.3 应用程序

应用程序包括自检程序、测控程序和数据管理程序等组件。自检程序实现上电自检和使用过程中按需自检功能。测控程序由通道控制模块、通断检测模块和电阻测量模块等组成。数据管理程序负责测量数据的存储和数据库增、删、改、查等操作。

4.4 启动加载程序模块

启动加载程序运行时，首先从存储器（如FLASH 或E2PROM 等）中读取配置文件，其次根据文件中的启动选项进行下一步操作。

4.5 IAP 程序模块

IAP 程序将实现上层应用程序固件的擦除和写入操作。完成后自动加载新写入的固件并启动。

4.6 设备驱动程序模块

操作系统提供了I/O 设备模块，该模块实现了对设备驱动程序的封装。应用程序通过I/O 设备模块提供的标准接口访问底层设备，设备驱动程序的升级、更替不会对上层应用产生影响。这种方式使得设备的硬件操作相关的代码能够独立于应用程序而存在，双方只需关注各自的功能实现，从而降低了代码的耦合性、复杂性，提高了系统的可靠性[3]。

4.7 数据采集与处理程序模块

数据采集与处理程序在检测系统测量工作电压和抛放弹电阻时，获取数据采集电路的AD 转换数据，经软件计算变换后进行显示。

4.8 自检程序模块

自检程序首先控制接通自检用继电器，使检测系统进入自检工作状态；通过内部的高精度标准电阻阻值测量，实现对数据采集电路准确度的检查和校正。手动自检时，在软件后台增加了检测系统自身电气系统电阻校零的功能。

4.9 人机交互界面模块

人机交互界面采用LVGL 图形界面框架进行设计。

本检测系统采用时域反射法对电气系统故障进行检测，通过对不同类型的电气系统故障的电气特性进行了分析，采用时域反射法，可满足故障检测的相关要求。 采用精确测量发射脉冲与反射脉冲的时间间隔，是采用时域反射法进行电气系统故障检测的一项关键技术，它直接影响着电气系统故障点的定位精度。本检测系统采用延时线法进行时间间隔测量，并且在传统的延时线基础上进行改进，更加适用于电气系统故障检测中应用。