陳德靖，侯 文，高曰云

（1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，太原 030051；2.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；3.大唐微電子技術(shù)有限公司，北京100094）

鉆取采樣裝置在電測過程中，靜態(tài)接口測試需要檢驗(yàn)人員手工檢測4～5 h，且操作時(shí)由于裝置位置關(guān)系，部分操作較為困難，同時(shí)手工檢測還存在靜電、短接等風(fēng)險(xiǎn)，因此為節(jié)省檢測時(shí)間，降低操作風(fēng)險(xiǎn)，需要研制鉆取采樣裝置靜態(tài)接口檢測儀。該測試系統(tǒng)針對(duì)鉆取采樣裝置在電測過程中遇到的相關(guān)問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，在LabVIEW應(yīng)用程序和PXI嵌入式控制器的基礎(chǔ)上[1-2]，對(duì)鉆取電纜網(wǎng)各機(jī)構(gòu)組件電接口接點(diǎn)間特性進(jìn)行測量，為評(píng)估線纜網(wǎng)及各功能模塊技術(shù)狀態(tài)建立基本依據(jù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與被測設(shè)備的信號(hào)采集、通信。經(jīng)交付、試驗(yàn)，該測試系統(tǒng)測量精度高[3]，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性[4]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

測試系統(tǒng)由前端接線箱、繼電器矩陣模塊、測量模塊、主控制器、機(jī)箱構(gòu)成，功能邏輯框圖如圖1所示。其中，前端接線箱提供多個(gè)型號(hào)接插件的接入，由低阻率導(dǎo)線將多個(gè)接插件節(jié)點(diǎn)匯總為64端子的單接插件輸出，同時(shí)接線箱提供線路電阻自動(dòng)補(bǔ)償接口；接線箱輸出與繼電器矩陣模塊連接，在主機(jī)控制下，繼電器矩陣模塊按照既定測量要求通斷，將待測量端子路由至測量模塊。測量模塊根據(jù)策略實(shí)現(xiàn)測量模式切換，輸出測量結(jié)果，由主控制器讀取并記錄測量結(jié)果。繼電器矩陣模塊、測量模塊、主控制器均采用PXI總線測試架構(gòu)，插接在便攜式架構(gòu)機(jī)箱背板。配套測試軟件，完成對(duì)設(shè)備各功能模塊的控制，具有人機(jī)交互、測量、記錄、分析、報(bào)告輸出等功能。

圖1 測試系統(tǒng)功能邏輯Fig.1 Functional logic block diagram of test system

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

圖2 程序總體設(shè)計(jì)Fig.2 Block diagram of the overall program design

通過LabVIEW的自動(dòng)多線程技術(shù)[5]，軟件結(jié)構(gòu)包含4個(gè)并行的循環(huán)，程序總體設(shè)計(jì)框架如圖2所示。主程序除去初始化界面，共包含4個(gè)模塊：事件處理模塊、消息處理模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)解析模塊。各模塊在功能上各有不同，事件處理模塊主要用來響應(yīng)用戶的操作，判斷用戶需要測試整形機(jī)構(gòu)電纜、加載機(jī)構(gòu)電纜或者是鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)電纜中的測試項(xiàng)，事件處理模塊能夠?qū)崟r(shí)處理用戶的操作，并依據(jù)其操作，將不同的處理信息交給消息處理模塊進(jìn)行處理；消息處理模塊主要是接收事件處理模塊的指令，并且將接收的指令或者采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在處理過程中也會(huì)與通信模塊進(jìn)行通信，或者將部分?jǐn)?shù)據(jù)交由數(shù)據(jù)解析模塊來處理；通信模塊主要實(shí)現(xiàn)與各硬件之間的通信，能夠保證上位機(jī)指令準(zhǔn)確無誤地作用到硬件板卡上；數(shù)據(jù)解析模塊可進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)操作，主要包括曲線顯示、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表生成等一系列圍繞數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行的處理，系統(tǒng)大量的數(shù)據(jù)解析與處理都在此模塊中完成。

2.2 JKI與生產(chǎn)者消費(fèi)者結(jié)構(gòu)結(jié)合

程序整體上采用LabVIEW連續(xù)采集記錄的生產(chǎn)者消費(fèi)者結(jié)構(gòu)[6]，事件處理模塊采用的是JKI狀態(tài)機(jī)，作為生產(chǎn)者，向其消費(fèi)者（消息處理模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)解析模塊）發(fā)送信息，其他條件分支負(fù)責(zé)響應(yīng)事件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的事件。JKI狀態(tài)機(jī)通過事件結(jié)構(gòu)快速響應(yīng)前面板用戶事件，并且能夠通過簡單的出隊(duì)列、入隊(duì)列命令靈活地修改程序執(zhí)行的狀態(tài)，能夠很好地解決本項(xiàng)目前面板大量操作的問題。連續(xù)采集的消息處理循環(huán)作為典型的消費(fèi)者，不斷地接收來自生產(chǎn)者事件處理模塊的信息，并根據(jù)其不同，交由其他的分支處理，與此同時(shí)，該循環(huán)還不斷地同各板卡之間進(jìn)行通信以完成數(shù)據(jù)的連續(xù)采集工作。

3 電阻測試鏈路補(bǔ)償

連接器端子輸入輸出采用物理多路復(fù)用方式，為避免出現(xiàn)測試結(jié)果有誤，在測試過程中要時(shí)刻保持同一時(shí)刻僅有一個(gè)接插件接入。而接線箱提供有線路電阻補(bǔ)償端子，將補(bǔ)償附件與補(bǔ)償端子插接后，可完成電阻測試鏈路中線纜、接線端子接觸等引入電阻的補(bǔ)償。測量鏈路中引入電阻如圖3所示，針對(duì)該鏈路，給出以下2種設(shè)備測量結(jié)果補(bǔ)償方案。

圖3 鏈路引入路電阻構(gòu)成Fig.3 Path resistance of link is introduced

補(bǔ)償方案一線纜箱補(bǔ)償端子與輸出接插件連接。該鏈路中，繼電器通路電阻所占比例較大。經(jīng)補(bǔ)償后，輸出端子、連接線纜、繼電器通路電阻可以消除，在設(shè)計(jì)上，補(bǔ)償端子、補(bǔ)償附件所引入電阻較小，可以測量得到。這種補(bǔ)償方案的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單，可以選擇多種類型補(bǔ)償端子；缺點(diǎn)是不能補(bǔ)償輸入接插件端子電阻與線纜箱電阻的誤差。在實(shí)際的補(bǔ)償過程中，由于選取的補(bǔ)償端子較為合適，輸入接插件端子電阻與線纜箱電阻的誤差在測量允許的范圍內(nèi)，因此本著設(shè)計(jì)簡單易實(shí)現(xiàn)的原則，在最終的設(shè)計(jì)方案中采用了這一方案。而第二種方案，能夠得到更精確的電阻測量精度，在此也列出作為參考。

補(bǔ)償方案二線纜箱補(bǔ)償端子與輸入接插件連接。該鏈路中所引入電阻都可以完成補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方案的優(yōu)點(diǎn)是線纜間電阻測量精度更準(zhǔn)確；缺點(diǎn)是需要配備與輸入端子型號(hào)一致的補(bǔ)償端子。根據(jù)需要，用戶可選擇定期補(bǔ)償或測量前補(bǔ)償，補(bǔ)償系數(shù)保存在主機(jī)中，在下次測量時(shí)自動(dòng)讀取使用。

4 測量模塊模式

繼電器矩陣模塊用于將接線箱任意端子的組合切換為測量模塊所規(guī)定的形式。該模塊為64×4矩陣，邏輯示意如圖4所示。

圖4 繼電器矩陣模塊原理Fig.4 Principle of relay matrix module

圖4中，Y1～Y4分別與測量模塊的輸入端連接，運(yùn)行于主機(jī)的測試軟件根據(jù)測試序列控制完成接插件端點(diǎn)的切換。X1～X64為接線箱的輸出，該輸出與被測線纜存在一定的映射關(guān)系。測量模塊用于完成被測線纜端點(diǎn)間特性的測量，如電阻、電壓等。根據(jù)任務(wù)需要，測量模塊可配置為四線制電阻測量、兩線制電阻測量和二極管測量3種工作模式[7-8]。

測量模塊工作時(shí)對(duì)外可等效為一個(gè)恒流源，以小阻值電阻測量時(shí)采用的四線制為例，其基本測量原理如圖5所示。測試軟件將繼電器矩陣模塊切換為四線輸出，圖4中繼電器輸出Y1、Y2切換到與圖5 中 HI、HIsense 輸入保持連接；Y3、Y4切換到與圖 5中 LO、LOsense 輸 入保持連接。測量模塊輸出恒流，該恒流在被測線纜兩節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生電壓，由測量模塊測量后輸出。主機(jī)完成對(duì)測量結(jié)果的讀取、補(bǔ)償以及顯示。

大阻值電阻的測量采用兩線制方式，測量原理如圖6所示，測試流程同小阻值測量一致，此處不再贅述。

二極管的基本特性是二極管正向電壓在某一區(qū)段內(nèi)基本不隨電流變化。依據(jù)這一特性，測量模塊采用對(duì)二極管進(jìn)行恒流激勵(lì)，并讀取二極管兩端電壓值的方式判定二極管狀態(tài)。

圖5 四線制測量原理Fig.5 Four-wire measurement principle

圖6 兩線制測量原理Fig.6 Two-wire measurement principle

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于LabVIEW應(yīng)用程序和PXI嵌入式控制器的鉆取采樣裝置靜態(tài)接口測試系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)對(duì)鉆取電纜網(wǎng)各機(jī)構(gòu)組件電接口接點(diǎn)間特性進(jìn)行測量，為評(píng)估線纜網(wǎng)及各功能模塊技術(shù)狀態(tài)建立了基本依據(jù)，并且在試驗(yàn)的過程中得到完整的測試數(shù)據(jù)，提供了完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理。本文所提及的電阻測試鏈路補(bǔ)償方案，能夠很好地避免電阻測量誤差，不同模式的測量模塊能夠高精度完成小電阻、大電阻和二極管的測量。在交付試驗(yàn)中，其性能穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，集成度高，具有很強(qiáng)的通用性，對(duì)其他的測試系統(tǒng)有一定的借鑒意義[10]。

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