大容量电缆网络自动化测试系统的设计与研制

宋茹彬， 姚旭成， 涂建坤， 刘 杰， 赵永鹏， 刘长萍， 方武震

（1.上海航翼高新技术发展研究院， 上海 200433； 2.江苏金陵机械制造总厂， 南京 211100；3.上海电缆研究所有限公司， 上海 200093）

0 引 言

电缆网络是确保飞机、舰船、车辆等装备系统安全、可靠运行的重要保障，是连接供配电、机电设备、电子设备和控制系统的重要能源和信息通道。 随着现代装备电子化、信息化的程度越来越高，电缆的使用量也越来越多，导致装备电缆系统纵横交错，庞大繁杂。 电缆故障可导致能量传输或信息传递错误，致使相关系统无法正常工作，影响任务完成，甚至影响装备及人员安全。 因此，电缆网络的性能测试是非常重要的环节。

针对电缆网络状态检测而言，目前已经有部分自动检测设备，但是普遍存在转接电缆数量多、体积大、操作困难、测试不准确的缺点。 以航空系统为例，航空系统中有各种机型飞机，飞机上的电缆互连点从几千到上万个，例如一架大飞机有1 000 个以上的插头，电缆连接点有10 000 ～20 000 个。 基于此现状，根据测试点数量，主要采用集中式测量［1］和分布式测量［2］两种解决方案。 在测试点数较多的情况下，多采用分布式测量方案，但仍需要配置多个大型电缆测试终端，所有终端要与测试主机相连，产生大量连接线和中转线。 飞机现场空间有限，庞大的测试系统连接线缆极易造成系统故障。 测试人员排查测试系统故障需要花费大量的精力，因此严重影响测试效率。

王岩等［3］采用无线通信的技术实现对电缆网络导通关系的测试。 目前市场上也有HT-128 手持式配线分析仪能够采用无线实现电缆网络的导通测试。 这类产品结构小巧，无须转接电缆，但是缺点比较明显，无法对电缆的绝缘性能这一重要指标进行检测。 苏建军等［4］采用嵌入式计算机技术，将硬件电路模块化设计，研制了一款便携、小巧的电缆测试设备，可以测量电缆网络的导通电阻、电阻和绝缘电阻等。

针对上述情况，本工作设计了一套电缆自动化测试系统，该系统基于无线通信，可采用高集成度测试模块进行测试。

1 技术方案

大容量电缆网络状态检测主要包括缆芯通断、导通电阻、绝缘电阻等测试。 通过测试可确保内部电缆连接关系正确、绝缘性能合格。 针对当前使用的电缆检测设备转接电缆数量多、体积庞大、操作不便、故障率高、使用环境受限等缺点。 本工作设计了一套电缆自动化测试系统，该系统的组成见图1。

图1 电缆自动化测试系统组成框图

由图1 可知：测试设备主要由系统控制和测试模块两部分组成。

系统控制部分作为系统软件的载体平台，主要完成测试流程的开发导入、测点地址配置、测试执行程序编写、测量数据上传管理等功能。

测试模块完成测试激励和测量功能，处理操作人员或测试程序的指令，根据测试指令来控制、设定激励和测量参数，及开关单元的切换次序，实现高精度自动化测试。 每一个测试模块均可独立实现测试，用户可根据需要进行模块拓展，实现多通道、多功能并行测试。 系统主要优点如下：

（1）测试模块体积小，可以就近连接测试电缆，避免增加额外连接引线；

（2）测试模块间、模块与测试主机间采用无线通信方式，避免了大量连接线与中转线；

（3）测试模块可以根据需要，任意添加或删除，满足大容量测试需求。

2 测试模块设计说明

2.1 导通电阻测量原理

导通电阻采用恒流源法进行测量［5］。 通过在被测电阻两端加入恒流源，采集被测电阻两端的电压，电压高精度放大后，自动实现高精度的电阻测试。 恒流源法测量电阻原理图见图2。

图2 恒流源法测量电阻原理图

由图2 可知：恒流源I 的两端E、F 分别接被测电阻Rx的两端A、B，电压表的两端分别接被测电阻Rx的两端A、B，恒流源I 施加恒定电流到Rx，电压表直接测量被测电阻Rx两端A、B 的电压，根据公式Rx＝U／I，就可以得到被测电阻Rx的测量值，消除了引线误差，提高了小电阻的测量精度。

2.2 绝缘测量原理

在进行电缆绝缘测试时，需要在被测电缆上施加高压。 本工作设计了50，250，500 V 直流高压模块用于测量绝缘电阻，程控信号由绝缘控制电路来完成。 采用漏电流法测量绝缘电阻［6］。 外加直流电压至被测通道，如果该通道与其他芯线、电缆壳体或地绝缘较大，则其余芯线对地就不会有漏电压，否则，就会检测到漏电流。

绝缘电阻测量原理如图3 所示，UH为施加的高压，R1为取样电阻，R2为分压电阻，Rx为待测绝缘电阻，当绝缘电压为UH时，加在绝缘测试电路后，根据全电路欧姆定律可知：

A／D 转换电路在测量出采集的两个电压值后，便可根据上式计算出绝缘电阻Rx。

图3 绝缘电阻测量原理图

由图3 可知：不同电路参数具有不同的测试范围。 为保证绝缘电阻采样电压的动态范围在A／D测量范围内，根据施加绝缘激励电压的不同，采取电阻分档控制方式，保证在全量程范围内绝缘电阻的测量精度。

2.3 线束缆芯通断快速测试

线束缆芯通断测试原理见图4。

图4 线束缆芯通断测试原理

由图4 可以看出：模块1、模块2 为结构完全相同的测试模块。 测试电缆通断时，主模块（模块1）驱动线芯的1a、1f 继电器导通，副模块（模块2）测试线芯的1d、1f 继电器导通，通过查询模块2 测试线芯的AD1 电压状态，即可确认相应缆芯的通断。此外，系统可通过同时查询所有模块所有测试线芯的AD1 状态，即可实现n 根线芯通断的同步测试，以提高测试效率。

2.4 测试模块的小型化结构设计

采用结构、功能一致的高度集成化便携式测试模块，应用无线传输技术实现电缆网络状态的快速测试，是本系统的主要优势。 测试模块采用小体积设计，实现电缆状态检测的高度集成化，满足便携性需求。 系统根据模块功能，采用分层结构设计，采用高质量ABS 阻燃绝缘塑胶机壳。 同时，通过无线传输技术，实现通信“无连线”测试。 模块结构示意图见图5。

图5 测试模块结构示意图

3 系统测试流程

结合实际测试需求，一套整机系统可以根据测试需要配置n 个相同的测试模块。 系统测试流程如下：

（1）将n 个模块依据关联关系划分为若干个组，如图6 所示。 用于区分完全无关的电缆系统，后续测试过程中只测试组内模块，提高测试速率；

图6 测试模块电缆测试结构示意图

（2）配置每个组内每个模块结构，确认每个模块的子单位。 针对部分测试点数少的电缆插头，为减少模块数量，可将就近的插头作为一个模块内的子单位，也就是多个插头共用一个测试模块；

（3）完成组内所有待测点的导通全扫描，生成组内各测试点的连接关系；

（4）完成所有连通电缆的电阻测试；

（5）完成非相连通道的绝缘电阻测试。 测量任意不通两线间的绝缘电阻值，任意线与壳体（或屏蔽层）的绝缘电阻值。

4 测试分析

在测试的基础上，对测量数据加以记录和分析总结，既包括对测试样品质量和测试过程的评价，也包括对发现的问题、缺陷、隐患进行分析，方便发现早期故障，从根本上避免过剩维修和失修，提高设备的保障能力。 系统的主要分析功能包括：

（1） 根据线束连接状态，自动完成测试，形成测试报告明细结果表，见图7。

（2） 根据连接状态及测试结果，系统对未知网络自动生成拓扑结构表格，用户可以保存、编辑、删除、调用。

图7 测试报告明细结果

（3） 系统根据调用的拓扑结构表，自动判断拓扑结构的正确程度及导通电阻、绝缘电阻值与标准值的偏差。

（4） 系统具备完善的报表管理功能，用表格的形式列出每一项测试的标识符及其测试内容，并提供汇总报告。

（5） 系统可提供指定电缆的历次测试结果，技术人员根据测试结果可分析其变化轨迹，便于发现早期故障。

（6） 测试结果有全部状态、导通状态、断开状态等多种查询方式，测试结果查询功能见图8。

图8 测试结果查询功能

5 结束语

电缆网络状态是确保飞机、舰船、车辆等装备系统安全、可靠运行的重要保障，电缆网络性能检测是系统维修中重要的一环。 本工作通过结构、功能一致的高度集成化便携式测试模块，应用无线传输技术实现电缆网络状态的快速测试；通过任意添加测试模块、分组测试及多组同步测试的方法，实现了大容量电缆网络的测试。 该系统解决了测试设备操作不便、故障率高、使用环境受限等缺点，便携式测试模块具有广泛的推广价值与实用意义。