汪興海 劉 凱

（海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)部 煙臺(tái) 264001）

1 引言

近些年，隨著部隊(duì)裝備數(shù)量以及裝備訓(xùn)練頻率的增加，設(shè)備之間的聯(lián)通性操作越來(lái)越頻繁，導(dǎo)致線纜損耗加快，設(shè)備與設(shè)備之間的聯(lián)通性故障時(shí)有發(fā)生，給設(shè)備操作人員帶來(lái)了很大的麻煩。目前基層部隊(duì)常用的線纜少則幾芯，多則幾十芯，操作人員主要依靠萬(wàn)用表測(cè)通斷的方法逐芯檢測(cè)線纜的完好情況，一旦發(fā)生設(shè)備間的聯(lián)通性故障，工作效率很難滿(mǎn)足快速排故的要求。特別是對(duì)于大型水面艦艇，線纜的兩端相距較遠(yuǎn)，增加了故障定位的難度。

近幾年興起的基于時(shí)域反射原理的線纜測(cè)試方法通過(guò)向線纜一端注入脈沖信號(hào)，利用故障點(diǎn)的阻抗不匹配特性，通過(guò)檢測(cè)故障點(diǎn)的反射信號(hào)參數(shù)，確定故障類(lèi)型并對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位［1］。該方法是一種典型的單端測(cè)試法，能有效解決大型水面艦艇線纜兩端不方便同時(shí)檢測(cè)的問(wèn)題，非常適合大型水面艦艇的線纜測(cè)試。通過(guò)在測(cè)試端設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)矩陣，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多芯線纜的自動(dòng)檢測(cè)與定位，能夠滿(mǎn)足快速定位、快速排故的需求［2］。

2 總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試需求，待測(cè)線纜芯數(shù)一般介于1芯～32芯，線纜長(zhǎng)度介于1.5m～1000m，線纜材質(zhì)一般為銅芯、聚氯乙烯絕緣外套，電信號(hào)在線纜中的傳播速度因線纜材質(zhì)和構(gòu)造而異［3］，但一般介于0.4c～0.8c（c為光速3*108m/s）。因此，多芯線纜自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮待測(cè)線纜的實(shí)際情況，完善線纜數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于時(shí)域反射的多芯線纜檢測(cè)矩陣，實(shí)現(xiàn)對(duì)多芯線纜的檢測(cè)與故障定位。總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。主要包括人機(jī)交互模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理模塊、測(cè)試信號(hào)采集模塊、測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生模塊、測(cè)試矩陣模塊、電源模塊等［4］。

圖1 總體方案功能模塊結(jié)構(gòu)圖

1）人機(jī)交互模塊：主要完成測(cè)試指令的輸入和測(cè)試結(jié)果的顯示。測(cè)試指令主要包括：待測(cè)線纜的選擇、開(kāi)始測(cè)試、暫停測(cè)試、測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)、測(cè)試結(jié)果調(diào)取等；其中待測(cè)線纜的選擇通過(guò)輸入線纜編號(hào)實(shí)現(xiàn)，線纜編號(hào)的命名規(guī)則為：部門(mén)代號(hào)-單元代號(hào)—線纜代號(hào)，如WK-FS-1004，表示W(wǎng)K部門(mén)FS單元的1004號(hào)線纜。

2）數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：主要存儲(chǔ)每型線纜的編號(hào)、電信號(hào)在該型線纜中的傳播速度（以下簡(jiǎn)稱(chēng)波速）、線長(zhǎng)、芯線數(shù)量等線纜信息，以及保存的測(cè)試結(jié)果信息，用于后續(xù)維護(hù)中的線纜故障預(yù)測(cè)。

3）測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生模塊：由于待測(cè)線纜長(zhǎng)度少則幾米、多則近千米，需要不同參數(shù)的測(cè)試脈沖。脈沖過(guò)窄，則信號(hào)能量有限，導(dǎo)致測(cè)試距離有限；脈沖過(guò)寬則時(shí)域反射信號(hào)較難分辨，導(dǎo)致測(cè)試盲區(qū)增大。因此，需要根據(jù)不同線纜的長(zhǎng)度信息產(chǎn)生不同寬度和幅度的測(cè)試信號(hào)。

4）測(cè)試信號(hào)采集模塊：該模塊用于完成對(duì)測(cè)試信號(hào)和反射信號(hào)的采樣和存儲(chǔ)；由于測(cè)試信號(hào)脈寬和幅度因待測(cè)線纜長(zhǎng)度的不同而不同，在數(shù)據(jù)采集時(shí)必須綜合考慮定位精度、測(cè)試效率和數(shù)據(jù)處理模塊硬件資源等因素，選擇最優(yōu)的采樣速率；并根據(jù)測(cè)試信號(hào)的參數(shù)合理設(shè)置信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，確保模數(shù)轉(zhuǎn)換達(dá)到最優(yōu)的效果。

5）測(cè)試矩陣：該模塊根據(jù)測(cè)試程序指令完成測(cè)試矩陣的切換，配合測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生模塊和采集模塊對(duì)待測(cè)線纜各芯線進(jìn)行遍歷測(cè)試。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)功能模塊劃分的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的硬件方案基于片上可編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)（SOPC），主要包括SOPC模塊設(shè)計(jì)、TFT顯示電路設(shè)計(jì)、測(cè)試信號(hào)調(diào)理與采集電路設(shè)計(jì)、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、按鍵電路設(shè)計(jì)、測(cè)試矩陣電路設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)等［5］。

SOPC模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的控制和信息處理中樞，主要包括內(nèi)置NiossII軟核處理器及負(fù)責(zé)各個(gè)功能的可編程邏輯模塊，這些模塊通過(guò)片上Avalon總線接受NiosII軟核的控制和信息交互［6］，通過(guò)FPGA外置引腳實(shí)現(xiàn)和外圍電路元器件的信息傳遞，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中各功能模塊基于verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)。

圖2 SOPC模塊設(shè)計(jì)圖

1）AD采樣控制模塊：該模塊在NiosII的控制下完成對(duì)外置模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的控制與數(shù)據(jù)讀取，并將讀取到的數(shù)據(jù)傳遞給存儲(chǔ)管理模塊［7］，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及相關(guān)處理。其采樣頻率又受測(cè)試參數(shù)設(shè)置模塊傳遞的參數(shù)控制，如表1所示。外圍電路基于雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9288設(shè)計(jì)，最高實(shí)時(shí)采樣率達(dá)100M；由于測(cè)試信號(hào)的時(shí)序嚴(yán)格受控，為了提高故障定位精度，可在SOPC系統(tǒng)嚴(yán)格的時(shí)序控制下實(shí)現(xiàn)雙通道10次采樣結(jié)果的交叉疊加，并通過(guò)設(shè)計(jì)野值剔除算法，實(shí)現(xiàn)等效采樣率2G［8］。

2）測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生模塊：該模塊在NiosII的控制下，根據(jù)測(cè)試參數(shù)設(shè)置模塊傳遞的測(cè)試參數(shù)，生成兩路測(cè)試信號(hào)。測(cè)試信號(hào)種類(lèi)主要包括如下幾種單脈沖：

表1 測(cè)試信號(hào)參數(shù)表

3）測(cè)試信號(hào)調(diào)理模塊：由于測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，由FPGA引腳直接驅(qū)動(dòng)輸出，幅度和功率較小，無(wú)法傳播至較長(zhǎng)的距離，在檢測(cè)較長(zhǎng)線纜時(shí)需要對(duì)測(cè)試信號(hào)脈沖進(jìn)行放大。同樣，由于AD9288輸入信號(hào)幅度為1Vpp，因此，在AD采樣前需要將放大的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行衰減。該模塊在NiosII的控制下，根據(jù)測(cè)試參數(shù)設(shè)置模塊傳遞的測(cè)試參數(shù)，對(duì)輸出的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行功率和幅度放大；對(duì)AD采樣前的信號(hào)進(jìn)行幅度衰減。外圍電路中，幅度放大電路基于高頻三極管設(shè)計(jì)，幅度衰減電路基于分壓電路和寬帶運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)［9］。

4）測(cè)試矩陣控制模塊：該模塊在NiosII的控制下，生成測(cè)試矩陣控制邏輯，用于驅(qū)動(dòng)外部測(cè)試矩陣電路。外部電路基于單刀雙擲開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)單個(gè)測(cè)試信號(hào)通道對(duì)待測(cè)線纜所有芯線的遍歷連接。測(cè)試矩陣結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

其中T1、T2為經(jīng)過(guò)測(cè)試信號(hào)調(diào)理模塊輸出的兩路測(cè)試信號(hào)，P1、P2…P32為待測(cè)線纜轉(zhuǎn)接插頭的插針（編號(hào)為1-32），A3、A2、A1、A0為矩陣切換控制信號(hào)，S0、S1…S29為單刀雙擲開(kāi)關(guān)模塊，每個(gè)開(kāi)關(guān)模塊采用NPN三極管8050對(duì)繼電器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開(kāi)關(guān)的功能，電路圖如圖4所示。當(dāng)Ai輸入電平時(shí)，繼電器復(fù)位，輸入信號(hào)端Si_in和輸出信號(hào)Si_0連接；當(dāng)Ai輸入高電平時(shí)，繼電器閉合，輸入信號(hào)端Si_in和輸出信號(hào)Si_1連接。

圖3 測(cè)試矩陣結(jié)構(gòu)圖

圖4 單刀雙擲開(kāi)關(guān)模塊原理圖

5）電源監(jiān)控模塊：該模塊用于控制外部電路中的電池監(jiān)控芯片DS2438，在NiosII的控制下，實(shí)現(xiàn)單總線串行通信協(xié)議和片上Avalon總線協(xié)議的對(duì)接，將設(shè)備內(nèi)置鋰電池模塊的電壓、電流等信息上傳至片上系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電量的監(jiān)控［10］。

6）TFT顯示控制模塊：該模塊用于控制外部液晶顯示電路。外部液晶內(nèi)置顯示芯片型號(hào)為ILI9341，顯示分辨率 360*240［11］。顯示信息主要包括：測(cè)試線纜編號(hào)、故障芯線編號(hào)、故障類(lèi)型、故障點(diǎn)位置、電池電量［12］。

7）按鍵輸入模塊：實(shí)現(xiàn)外部按鈕電路的狀態(tài)讀取；外部電路模塊主要包括：開(kāi)機(jī)鍵、線纜編號(hào)輸入/選擇鍵、測(cè)試開(kāi)始/停止鍵、測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/讀取鍵等。

8）測(cè)試參數(shù)設(shè)置模塊：該模塊在NiosII的控制協(xié)調(diào)下，通過(guò)片上總線讀取按鍵輸入模塊信息，根據(jù)線纜編號(hào)從存儲(chǔ)設(shè)備上獲取線纜測(cè)試參，包括測(cè)試波速、線長(zhǎng)等信息［9］。

9）存儲(chǔ)管理模塊：該模塊通過(guò)片上總線獲取其他模塊對(duì)存儲(chǔ)芯片的訪問(wèn)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)各功能模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)讀取、測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、測(cè)試數(shù)據(jù)上傳等操作［13］。

10）通信接口模塊：該模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。外部電路模塊采用MiniUSB接口設(shè)計(jì)。

4 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)處理模塊是SOPC模塊，各功能模塊通過(guò)片上總線受NiosII軟核協(xié)同和控制。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)NiosII的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)以及TFT液晶顯示和內(nèi)存讀寫(xiě)控制程序設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

1）線纜編號(hào)選擇：由于線纜編號(hào)格式為XX-XX-XXXX（如WK-FS-1004），在啟動(dòng)測(cè)試前需要通過(guò)操作界面輸入/選擇線纜編號(hào)。線纜編號(hào)的譯碼規(guī)則如表2所示。

表2 線纜編號(hào)信息對(duì)照關(guān)系表

其中用戶(hù)單位的部門(mén)數(shù)和每個(gè)部門(mén)下屬的單元數(shù)默認(rèn)為不大于16，每個(gè)單元的線纜數(shù)量默認(rèn)為不大于256。*.mif文件為4096*16的存儲(chǔ)文件，每個(gè)部門(mén)對(duì)應(yīng)一個(gè).mif文件，“單元選擇”和“線纜選擇”譯碼后生成.mif文件的地址。

2）測(cè)試參數(shù)讀取

該模塊根據(jù)線纜編號(hào)信息讀取相應(yīng)的mif存儲(chǔ)文件，存儲(chǔ)有線纜長(zhǎng)度和波速等信息的mif文件的16bit存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)信息如表3所示。前6位存儲(chǔ)相關(guān)線纜的波速信息，后10位存儲(chǔ)線纜長(zhǎng)度信息。其中線纜波速信息計(jì)算公式如下：

V=（0.5+X/100）*c

表3 mif存儲(chǔ)單元信息對(duì)照關(guān)系表

3）測(cè)試參數(shù)設(shè)置

該模塊根據(jù)mif存儲(chǔ)單元信息控制測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生硬件模塊輸出相應(yīng)的測(cè)試波形，并控制信號(hào)調(diào)理和AD采樣硬件模塊完成對(duì)測(cè)試信號(hào)的和反射信號(hào)的處理。

4）測(cè)試矩陣轉(zhuǎn)換

該模塊負(fù)責(zé)控制測(cè)試矩陣驅(qū)動(dòng)電路的，完成對(duì)各待測(cè)芯線的遍歷測(cè)試。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流圖

5）測(cè)試結(jié)果顯示與存儲(chǔ)

該模塊負(fù)責(zé)對(duì)TFT液晶屏和存儲(chǔ)電路的控制，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

基于時(shí)域反射的線纜故障檢測(cè)方法通過(guò)對(duì)線纜進(jìn)行單端測(cè)試來(lái)確定故障類(lèi)型和故障點(diǎn)位置，非常適用于大型船舶等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)備聯(lián)通性故障排查，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的多芯線纜自動(dòng)檢測(cè)裝置能夠大幅提高基層裝備維護(hù)人員的工作效率，有利于進(jìn)一步提升裝備保障效率，能夠滿(mǎn)足大型船舶的基本測(cè)試要求。目前存在的不足主要是設(shè)備的抗干擾能力和智能化程度有待進(jìn)一步提高［14］。在今后的研究中，會(huì)重點(diǎn)研究回波信號(hào)的抗干擾處理方法和線纜智能檢測(cè)方法［15］。

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