(威海職業(yè)學(xué)院 交通工程系，山東 威海 264210)

船舶控制電纜連通性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳希杰

(威海職業(yè)學(xué)院 交通工程系，山東 威海 264210)

針對(duì)在建船舶控制電纜線敷設(shè)、加工中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，利用智能檢測(cè)技術(shù)的功能，設(shè)計(jì)基于STC15W4K單片機(jī)的控制電纜連通性測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)由控制模塊、執(zhí)行模塊、人機(jī)界面、線纜接口等構(gòu)成。通過精密恒流源技術(shù)及ADC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶控制電纜事前檢測(cè)。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)在建船舶控制電纜的檢測(cè)功能，提高船舶電氣系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。

連通性；恒流源；ADC

船舶建造中，在對(duì)控制電纜進(jìn)行敷設(shè)、引入、切割，以及壓接端子、接頭時(shí)，由于一些非主觀因素有可能造成控制電纜的短路、斷路、接觸不良等故障，影響設(shè)備的安全運(yùn)行[1-3]。快速準(zhǔn)確判斷出控制線纜的故障隱患，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，是保障船舶電氣設(shè)備安全運(yùn)行的一項(xiàng)重要任務(wù)[4]。船用控制電纜加工后常用的測(cè)試方法有多用表法，但多用表提供的測(cè)試電壓低，輸出電流不穩(wěn)定，靈敏度低，特別對(duì)接觸不良故障現(xiàn)象易造成漏檢。基于智能技術(shù)及精密恒流源技術(shù)在加工后電纜測(cè)試中的應(yīng)用，其理論依據(jù)是電纜電阻率均勻分布，且電纜阻值與延展長(zhǎng)度成正比。當(dāng)對(duì)被測(cè)電纜加載一定量值的恒定直流電流時(shí)，恒定電流按電纜長(zhǎng)度形成電壓降，此電壓降經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換并計(jì)算為正常船用電纜等效電阻值。將依據(jù)被測(cè)電纜物理特性計(jì)算的等效電阻值的1.05倍設(shè)定為閾值，測(cè)量控制電纜等效阻值并與閾值進(jìn)行比對(duì)，即可分析出被測(cè)電纜的連通性。

1 線纜連通性測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

常用船用控制電纜導(dǎo)體的橫截面積標(biāo)稱值一般有0.5、0.75、1、1.5、2.5 mm2等規(guī)格。在建船舶控制電纜經(jīng)敷設(shè)加工后，需要階段性地進(jìn)行連通性測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明，通過向加工后的電纜加載恒定電流，可以檢測(cè)出電纜的等效電阻值，依此可判斷船用控制電纜的連通性質(zhì)量。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[5]見圖1。

圖1 船用控制電纜連通性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制電纜經(jīng)敷設(shè)及冷壓加工后在一端按連續(xù)序號(hào)相鄰兩兩短路，另一端依序連接至測(cè)試系統(tǒng)的線纜接口。測(cè)試前，使用按鍵在測(cè)試系統(tǒng)中輸入被測(cè)電纜的長(zhǎng)度、導(dǎo)體橫截面積、芯數(shù)，系統(tǒng)按理論值的1.05倍計(jì)算出被測(cè)電纜的等效電阻閾值。測(cè)試時(shí)，控制模塊啟動(dòng)執(zhí)行模塊依次向被測(cè)電纜加載恒定電流，取樣電壓輸出至CPU，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換計(jì)算得出等效電阻值，將其與閾值進(jìn)行比較，結(jié)果輸出于LCD顯示，如高于閾值則報(bào)警。

在建船舶現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境相對(duì)比較復(fù)雜，在本測(cè)試系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)中，采用多種EMC措施：信號(hào)接口保護(hù)、運(yùn)放共模干擾抑制、PCB板電磁干擾設(shè)計(jì)、獨(dú)立電源設(shè)計(jì)，等等，同時(shí)為避免漏掉線纜接觸不良等故障，在軟件設(shè)計(jì)中采用多次測(cè)試比較判斷等技術(shù)[6-7]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，防水、防潮、防碰撞等是可靠性設(shè)計(jì)必須采取的主要措施。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

船舶控制電纜連通性測(cè)試系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括處理器、系統(tǒng)電源、執(zhí)行模塊、LCD顯示、按鍵等[8]。

2.1 處理器硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的處理器使用STC15W4K單片機(jī)。該單片機(jī)以工作電壓寬、運(yùn)行速度快、可靠性高、功耗低見長(zhǎng)；時(shí)鐘源可以選擇外部晶體或內(nèi)部集成高精度R_C時(shí)鐘；內(nèi)置復(fù)位電路；具有8路高速10位精度AD轉(zhuǎn)換端口。

本系統(tǒng)工作電壓5 V；采用內(nèi)部R_C時(shí)鐘，時(shí)鐘設(shè)置為22.118 4 MHz；10 bit ADC精度；Flash使用40 kB。電路圖略。

2.2 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

綜合考慮處理器、LCD顯示及執(zhí)行模塊，采用15DCV(3 A)輸入，輸出5 V和12 V 2路。

系統(tǒng)電源采用LM2596系列開關(guān)電源芯片。LM 2596開關(guān)電源屬于降壓型電源集成電路，外圍元器件最少4個(gè)，在滿足很好線性和負(fù)載調(diào)節(jié)性能的同時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)3 A。該器件設(shè)計(jì)以150 kHz的較高開關(guān)頻率，保證了±4%范圍內(nèi)變化的穩(wěn)定輸出電壓，以此滿足較寬變化的輸入電壓和負(fù)載的應(yīng)用環(huán)境。5 V(VCC)電源見圖2，12 V電路見圖3。LM2596電路中輸出級(jí)分別設(shè)置高、低頻濾波電容。PCB排版時(shí)，電源輸出端至Feedback端的連接線避免靠近電感[9]。

圖2 系統(tǒng)電源(一)電路

圖3 系統(tǒng)電源(二)電路

5 V電源提供給LCD顯示、控制模塊及其他外圍電路；12 V電源主要提供給執(zhí)行模塊。

2.3 執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的線纜檢測(cè)寬度默認(rèn)值是32路，依據(jù)具體應(yīng)用需求可擴(kuò)展至40路、50路、64路、80路等。執(zhí)行模塊包括運(yùn)算放大器、調(diào)整管、反饋電路、檢測(cè)輸出4個(gè)部分[10]。電路見圖4。

圖4 執(zhí)行模塊電路

執(zhí)行模塊的核心是具有一定精度的恒流源。運(yùn)算放大器采用LM324，它是4組獨(dú)立的運(yùn)放，通過相位補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)却胧┦乖鲆娣€(wěn)定可達(dá)100 dB；單工作電源使用范圍3～30 V，雙電源使用范圍為±(1.5～15) V。本系統(tǒng)LM324使用12 V電源。由于用于測(cè)試的恒流源電流較小，所以調(diào)整管使用小功率的2N5551復(fù)合管。電阻R5作為采樣電阻，采用精密電阻，阻值為150 Ω，誤差為±1%；R3為可調(diào)電阻，調(diào)整電阻值，使連接至LM324的“-”端電壓值為1.2 V；由運(yùn)算放大器的“虛短”概念可計(jì)算恒流源輸出電流IS。

LINEx是被測(cè)電纜接口，8 mA電流加載到被測(cè)電纜和R5上的電壓輸出至CPU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。因此，CPU經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后的電阻值需要減去150 Ω之后才是被測(cè)電纜的等效阻值。為提高被測(cè)電纜的等效電阻值精度，必須保證恒流源輸出電流誤差足夠小。

使用Multisim13軟件對(duì)執(zhí)行模塊電路進(jìn)行仿真，電路見圖5。圖中用最大值為500的可調(diào)電位器R2代替被測(cè)電纜，按導(dǎo)體芯數(shù)×橫截面積為2×1 mm2在20 ℃導(dǎo)體最大電阻值18.1 Ω/km計(jì)，500 Ω的電阻可以折合27 km之多。同時(shí)，由于ADC精度采用10 bit，也能夠兼顧到短距離電纜的檢測(cè)。因此，能滿足一般船用電纜的長(zhǎng)度要求。仿真時(shí)，線性調(diào)整R2值從0～500 Ω，讀取電流表XMM1的值始終為8.01 mA，誤差率為0.125%，滿足恒定電流的誤差要求。

圖5 執(zhí)行模塊電路仿真

計(jì)算可知，從0～500 Ω調(diào)整R2時(shí)，輸入至ADC端口的電壓值范圍是1.2～5.2 V。實(shí)際中，為防止意外使電壓過高，增加嵌位二極管D3(見圖4)。被測(cè)電纜正常連接時(shí)光電耦合器U3輸出低電平；當(dāng)電纜斷路時(shí)，U3輸出高電平。

2.4 其他電路模塊

本系統(tǒng)LCD顯示采用點(diǎn)陣圖形型液晶模塊LCD12864；通過按鍵可以輸入相關(guān)參數(shù)并顯示被測(cè)電纜的路序、長(zhǎng)度、閾值、測(cè)試結(jié)果等。電路見圖6。

圖6 LCD顯示模塊

存儲(chǔ)器采用AT24C128；按鍵采用4*4矩陣鍵盤。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試系統(tǒng)程序框架

測(cè)試系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)初始化、輸入?yún)?shù)、AD轉(zhuǎn)換、閾值判斷、LCD顯示等模塊。系統(tǒng)檢測(cè)主程序框圖見圖7。

圖7 系統(tǒng)檢測(cè)主程序流程

3.2 測(cè)試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

被測(cè)電纜按要求連接后，CPU控制執(zhí)行模塊按序向被測(cè)電纜加載恒定電流，被測(cè)電纜上的電壓輸出至CPU，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換得到被測(cè)電纜等效電阻值，將其與閾值進(jìn)行比較，結(jié)果輸出于LCD顯示，高于閾值則報(bào)警[11]。測(cè)試系統(tǒng)程序的核心是對(duì)取樣電壓值進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)。CPU控制AD轉(zhuǎn)換并讀取AD值的C語言程序代碼如下：

//控制AD轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存AD值

unsigned int adc_value(unsigned charn)

{

unsigned inti;

unsigned char status;

GPIO();

ADC_CONTR|=0x80；

for(i=0;i<1000;i++);

P1ASF=0xFF;

ADC_CONTR=0x88；

while(1)

{

ADC_CONTR|=n；

ADC_CONTR|=0x08;

Status=0;

while(status==0)

{

Status= ADC_CONTR&0x10;

}

ADC_CONTR&=0xE7;

//將ADC_FLAG清0并停止AD轉(zhuǎn)換

Adc_value=ADC_RES*256+ADC_RESL;

//保存10bit精度AD轉(zhuǎn)換結(jié)果

}

}

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

在威海某船廠正在建造的散貨船現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)控制電纜線進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 船用控制電纜等效電阻檢測(cè)表

通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在閾值內(nèi)的電纜等效電阻平均值符合設(shè)計(jì)要求。36 m電纜的通過率為86.11%；75 m電纜的通過率為89.33%。對(duì)超出閾值判定不合格的13根電纜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓接端子表面氧化致使接觸電阻超標(biāo)6根，壓接阻值超出閾值有7根。通過對(duì)超出閾值電纜進(jìn)行分析判斷，有針對(duì)性地采取整改工藝措施后，再次對(duì)現(xiàn)場(chǎng)同規(guī)格電纜檢測(cè)，合格率大于98.8%，能夠滿足船舶電氣設(shè)備安裝調(diào)試的要求。

5 結(jié)論

本測(cè)試系統(tǒng)，將恒流源精確測(cè)量技術(shù)及單片機(jī)內(nèi)置ADC技術(shù)應(yīng)用于船用控制電纜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，利用等效電阻與相應(yīng)閾值進(jìn)行比對(duì)，以此判定船用控制電纜的質(zhì)量。綜合考慮被測(cè)控制電纜長(zhǎng)度不一及現(xiàn)場(chǎng)具體故障情況，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于保證恒流源的精準(zhǔn)度，為此系統(tǒng)采用運(yùn)算放大器對(duì)恒流源輸出級(jí)進(jìn)行深度負(fù)反饋。電路經(jīng)軟件仿真和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，恒流源的誤差率在0.125%范圍以內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

在本系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)過程中，也發(fā)現(xiàn)一些問題，主要是不同電纜與測(cè)試系統(tǒng)接口的插入電阻影響，可能導(dǎo)致等效電阻出現(xiàn)一定偏差；恒流源反饋電阻精度對(duì)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果有影響，這些都需要做進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。

關(guān)于船舶控制電纜連通性測(cè)試系統(tǒng)的下一步研究工作，主要有：恒流源輸出電流值與被測(cè)電纜規(guī)格的匹配關(guān)系；被測(cè)電纜與測(cè)試系統(tǒng)接口適應(yīng)性問題；測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)速度與準(zhǔn)確度的優(yōu)化。在人工界面上，目前采用輕觸按鍵輸入，若采用觸摸顯示屏方式代替按鍵輸入與LCD顯示，將使操作更加便捷。

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Design of Test System for Ship Control Cable Connectivity

WUXi-jie

(Dept. of Traffic Engineering, Weihai Vocational College, Weihai Shandong 264210, China)

In view of the quality problems in construction and control of the cable in construction of ship, the intelligent detection technology was used to design a control cable connectivity test system based on STC15W4K single chip microcomputer. The system consisted of control module, execution module, man-machine interface, cable interface and so on. The precision constant current source technology and analog to digital converter (ADC) technology was applied to realize pre detection of the control cable. The test result proved that the detection function of the ship control cable can improve the working stability of the ship’s electrical system.

connectivity; constant current source; analog to digital converter (ADC)

U665;TM933.2

A

1671-7953(2017)06-0058-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.013

2017-03-08

2017-03-30

山東省教育廳科技項(xiàng)目(J15LD73)

吳希杰(1968—)，男，碩士，副教授

研究方向：電子與通信工程、船舶電氣工程技術(shù)