基于PC104的电缆通断测试仪设计

0 引 言
    电缆的应用非常广泛，且长时间使用后经常会出现短路或者断路的情况，目前我国许多行业的电缆通断测试仍停留在手工阶段，费时费力，而且容易出现人为失误，即使有配套的通断测试仪，也存在测试精度不高，速度不够快的现象。鉴于此本文设计了一种基于PC104的电缆通断测试仪，新型的通断测试仪采用先进的PC104嵌入式系统作为主控计算机，其意义就在于加快通断测试的速度，减少操作步骤，提高测试的可靠性及精度。
    新型测试仪的应用价值是比较明显的，它不仅实现了有效的故障测试，缩短了故障排除的时间，提高了故障判断的准确度，减轻了维护工作人员的工作量，而且相比与同类型的测试仪便携性更好，对于测试条件艰苦的行业，本测试仪相比于现代国内的其他同类测试仪优越性更明显。并且新型的测试仪兼容性好，可以应用于其他行业的电缆维修与测试，所以新型测试仪具有广阔的应用前景。

1 实现功能
    新型的电缆通断测试仪主要实现以下功能：
    1)检测功能，能够对电缆芯线进行通断检测；
    2)自检功能，对系统检测采集通道和测量通道进行系统自检，检查设备的工作状态；
    3)数据管理功能，具有数据报表自动生成，数据查询、打印、导出、删除、结果判断等功能；
    4)USB接口转存功能，能够通过USB接口利用U盘安装程序，转存数据。

2 技术指标
    1)通断测量通道：256路，可扩展；
    2)通断测量范围：测量电压5V，串联可变电阻档：0～5MΩ；测量误差：0．05V；精确度：0．01％；
    3)对外接口：外界PS／2键盘、鼠标、一个标准串行接口、一个并行接口、两个USB接口、自带触摸显示屏；
    4)输入电源：AC220V(220±10％)，输入电源功率：≥300W；
    5)工作环境温度：0℃～55℃。

3 设备组成及工作原理
    该智能测试装置主要由人机接口电路、机箱、电源、液晶屏显示部分、打印机、鼠标和键盘等部件组成。测试仪的系统原理图如图1所示。

    用以PC104总线为基础的嵌入式系统作为测试仪的核心控制系统，其中采用研华公司研制的PCM－3380作为CPU板。CPU板用来完成程序的运行控制、地址和数据命令的接收、对数据进行处理并显示等工作。I／O板采用PCM－3724，用来完成数据的输入输出，供电电压为5V。数据输入方面有48个通道，0．8V以下视为逻辑0，2V以上视为逻辑1。数据输出方面有48个通道，0．5V以下视为逻辑0，2V以上视为逻辑1。
    数据采集板采用PCM－3718，用来完成采样电压的A／D转换，采集板有8个模拟量输入通道，工作电压为5V。因为测通断的测试电压不需要太高，所以不用考虑采样电压过大的影响。
    继电器矩阵起到选通被测支路的作用，该部分主要由PC104总线接口，驱动器，继电器开关组等器件构成，工作电压为12V。它的工作过程是由PC104总线发出地址和控制数据到I／O板，I／O板收到数据后，先识别地址，然后将数据送到对应的地址处，从而起到控制相应的继电器开关动作，选通测量支路的作用。[page]

    人机接口单元用来接收键盘，鼠标或者触摸屏的控制命令，完成相应操作，并在触摸屏上显示相应信息。测试仪采用Windows XP操作系统，可以通过软件设计人机交互界面。
    系统工作原理为：CPU板发出控制命令，通过I／O板控制继电器驱动器驱动继电器矩阵中相应的继电器闭合或者断开，从而起到将需要测试的测试芯线接入到测试电路的目的。测试完成后，将测试电压滤波，隔离放大后送入数据采集板进行A／D转换处理，最后将数据送回CPU板进行数据处理，判断并显示。

4 硬件设计
4．1 通断测试电路设计
    通断测试电路采用串联测压原理，具体电路如图2所示。

    测试电源采用5V，工频50Hz的交流电源，R1是一个高精度数控可变电阻，变化范围0～5MΩ，U0是采样电压，它经过滤波，隔离放大后送入数据采集模块，Rx是是被测电缆。不同的电缆种类有不同的规范，根据数控电阻R1的阻值，如将R1调至50Ω，则一般测得的电压值在4．2～5V之间可以视此电缆芯线为导通，0～0．8V视为断路。
4．2 滤波电路设计
    滤波电路用来消除对50Hz工频电压信号的干扰，本测试仪采用的视无源双T型滤波电路，具体电路如图3所示。

    图中，R1，R2，R3为可变电阻，通过调节它们的阻值来实现对一定频率电压信号的滤波。
4．3 继电器矩阵电路设计
    继电器分为行控制和列控制，其工作原理为：继电器线圈的正极采用三极管放大器进行电流输入驱动，当其逻辑输入电压为5V时，输入电流为0．5mA时，则集电极的电流为β×0．5mA，其中β为三极管的放大倍数，选取适当β的三极管，可使其最大输出电流为1A左右，可知列驱动电路中的继电器能够达到工作要求，其输出的电流也为1A左右，因而满足列驱动的电流要求，实现了推电流的功能。继电器线圈的负极采用ULN2004来吸收通过继电器线圈负端的电流，ULN2004的输入端接5V的逻辑信号电压时，其要求输入电压为0．35～0．50mA，而对其输出端，实际上它是作电流输入用途，当供电电压为12V时，其工作电流在350～500mA之间。当输入端无电压输入时，输出端和地之间处于开路状态，所以电流不能通过，此电路也就不能实现导通电流的作用，而当输入端加载5V的信号电压时，只需要0．5mA的电流，就可以使输出端和地之间导通，从而使电流可以顺利地通过实现“拉”电流的功能。只有当继电器的行列驱动都工作的时候，继电器矩阵中的继电器才会工作，对应测试电缆的通路才会接通。继电器工作原理如图4所示。

5 电缆通断测试仪系统软件
5．1 软件组成
    CPU主控制器软件平台选用Windows XP操作系统，编程语言采用Object Pascal语言，软件开发环境选用Delphi 7．0。

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    系统软件主要有显示界面管理模块、用户接口管理模块、数据文件管理模块、测试项目管理模块四大功能模块组成。测试系统软件组成如图5所示。

5．2 测试软件主程序设计
    本文设计的电缆通断测试软件系统，一个重要的特点在于它的通用性和可扩展性，它能根据需要自动加入不同型号电缆的测试程序。其实现过程为：将需要的测试程序加入到主引导程序的搜索路径下，供主引导程序检索；在测试进行前，先选择所测的电缆型号，由程序加载需要的相应测试程序；运行测试程序，进行通断测试。测试主程序如图6所示。

 

    图6是测试过程的软件流程图：

6 试验数据验证
    利用该测试仪对某型号导弹的地面电缆进行测试。该电缆内有5根芯线，首先分别检测每根芯线是否导通，再检测芯线与芯线之间是否短路，根据数据采集板A／D转换的范围将数控电阻调至50Ω，测试结果如表1所示。

 

    表1是将测得数据以电压的方式显示，同时也可以将测得值以电阻的方式显示。

7 结束语
    该测试仪是基于PC104总线的嵌入式控制器系统，具有开放性、模块化、易扩展等特点。软件方面可以根据用户的不同需求进行测试流程、测试任务的现场动态配置。试验数据表明该测试仪可以方便、快捷、准确的完成电缆的通断测试，可以大大降低工作人员的工作量，提高测试效率。该测试仪使用简单，便于携带，维护方便且通用性较好，具有广阔的市场前景。