王英喜，丁海旭，邢 瑤，龔筍根

(昆明海威機電技術(shù)研究所，云南 昆明 650236)

0 引 言

隨著水下裝備[1]信號電纜大規(guī)模的使用和電纜種類、芯線數(shù)量不斷的增加，如何迅速、準確地檢測和排除電纜故障[2]有著越來越重要的作用。水下裝備的電纜作為產(chǎn)品各組件之間供電和信號連接和傳輸?shù)耐ǖ?，其芯線加工生產(chǎn)和檢驗質(zhì)量的好壞直接影響到整個產(chǎn)品的功能和性能。

目前，水下裝備電纜的生產(chǎn)加工和質(zhì)量檢驗均采用人工+設計圖紙+萬用表的模式進行質(zhì)量檢驗，檢驗人員需要查找大量的電纜接線圖、原理圖和檢驗規(guī)程等，需要花費大量的時間和人力，還容易漏檢和錯檢。同時，水下裝備電纜接線自身交聯(lián)程度復雜，檢驗人員的理解和記憶會受到限制。因此，考慮設計基于虛擬儀器[3]技術(shù)的通用電纜檢測裝置，通過嵌入式控制器(PXI-8186)、顯示器、數(shù)字式萬用表(PXI-4070)[4]、左、右矩陣多路開關(guān)(PXI-2530X2)、檢測轉(zhuǎn)接電纜和檢測軟件實現(xiàn)各類電纜芯線間電阻值的自動測試[5]，測量得到的電阻值與檢測軟件Access關(guān)系數(shù)據(jù)庫[6]中的電纜接線數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)作對比，從而實現(xiàn)電纜芯線間的接線質(zhì)量檢驗，檢查結(jié)果顯示在屏幕上，檢測結(jié)束時自動生成word文檔報表，便于存檔查閱。通用電纜檢測裝置徹底將質(zhì)量檢驗人員從傳統(tǒng)的、落后的手工檢測方式解放出來，提高了電纜質(zhì)量檢驗的工作效率，檢測結(jié)果準確、可靠，具有廣泛的應用前景和推廣價值。

1 虛擬儀器技術(shù)簡介

虛擬儀器(Virtual Instrument)是由美國國家儀器公司(National Instrument)首先提出的，它是基于計算機的軟硬件測試平臺，是計算機技術(shù)與現(xiàn)代儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物。在一個虛擬儀器系統(tǒng)中，硬件是整個系統(tǒng)賴以工作的物理平臺，用來建立信號與計算機的I/O接口，軟件是整個虛擬儀器硬件系統(tǒng)工作的靈魂，用戶通過由軟件設計產(chǎn)生的接口界面與虛擬儀器硬件系統(tǒng)進行交互，虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集、分析、處理、顯示和操作通過應用程序?qū)崿F(xiàn)。虛擬儀器通過應用程序?qū)⒂嬎銠C與儀器硬件結(jié)合起來，以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過應用程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達，并以友好的圖形界面顯示出來。

2 檢測裝置的組成及工作原理

目前，成品電纜芯線直流電阻和絕緣電阻的的檢測方法主要有。

(1) 萬用表手工檢測法 萬用表手工檢測法，對于芯線比較多的電纜，檢測效率低，容易出錯。對于自制電纜，檢測的時候必須對照電纜的設計圖紙才能進行檢測。

(2) 直流電阻和絕緣電阻檢測法 直流電阻和絕緣電阻檢測法，采用再芯線兩端施加電壓，通過測量線纜兩端的電流，計算出電纜芯線電阻，此方法比較復雜。

通用電纜檢測裝置采用美國NI公司生產(chǎn)的多路矩陣開關(guān)與6位半高精度數(shù)字萬用表，通過軟件控制矩陣開關(guān)實現(xiàn)電纜兩端不同芯線的接通，通過數(shù)字萬用表直接讀取芯線兩端的阻值，實現(xiàn)不同芯線電阻和絕緣的檢測。檢測過程由計算機全程自動控制，精確度和穩(wěn)定性和工作效率都遠高于目前已有檢測設備。

2.1 檢測裝置結(jié)構(gòu)組成

通用電纜檢測裝置主要包括機箱，PXI嵌入式控制器(PXI-8186)，顯示器，矩陣開關(guān)(PXI-2530X2)、數(shù)字式萬用表(PXI-4070)、檢測軟件和檢測轉(zhuǎn)接電纜等。通用電纜檢測裝置主要組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 通用電纜檢測裝置結(jié)構(gòu)組成框圖

2.2 設備工作原理

將待檢測電纜兩端通過檢測轉(zhuǎn)接電纜分別連接到左、右矩陣開關(guān)，左、右矩陣開關(guān)的公共端與數(shù)字萬用表卡相連接，通用電纜檢測裝置原理框圖見圖2。

圖2 通用電纜檢測裝置原理框圖

通用電纜檢測裝置檢測軟件通過控制左、右矩陣開關(guān)的通斷組合，讀取數(shù)字萬用表卡的實際電阻數(shù)值，并與檢測數(shù)據(jù)庫中電纜芯線間的實際通斷狀態(tài)對比，以判斷待檢測電纜各芯間的連通和絕緣狀態(tài)是否正常。通過檢測轉(zhuǎn)接電纜實現(xiàn)不同電纜與檢測設備的接口連接，同時修改Access數(shù)據(jù)庫中對應電纜的芯線之間的連接標識，實現(xiàn)檢測設備的通用性功能。

3 主要硬件模塊介紹

3.1 矩陣開關(guān)模塊

矩陣開關(guān)采用美國NI公司的PXI-2530，128-ch 矩陣開關(guān)/多路復用模塊，模塊具有128個通道，可安裝不同接線盒配置為4×32模式、4×16模式、8×16模式矩陣開關(guān)和128×1模式、64×1模式、32×1模式、16×1模式多路復用開關(guān)。最大掃描速度為900 通道/s，并具備掃描表輸出功能。模塊繼電器陣列采用簧片繼電器，繼電器機械壽命高達109cycles。

PXI-2530模塊由FPGA、EEPROM、繼電器驅(qū)動、繼電器陣列、觸發(fā)驅(qū)動和電源電路組成。FPGA 實現(xiàn)了與上位機進行交互、對繼電器通斷的控制邏輯、模塊功能配置、掃描表邏輯控制、觸發(fā)信號處理等功能。模塊采用128通道并行控制，通道切換速度高于1000 通道/s。PXI-2530模塊原理框圖如圖3所示。

圖3 PXI-2530模塊原理框圖

PXI-2530模塊繼電器陣列分為通道選擇繼電器陣列和功能配置繼電器陣列。其中Bank0-Bank7為通道選擇繼電器陣列，由128個繼電器組成，每個Bank有16個繼電器，組成16通道接口和1個公用端接口；KBCx、KCOMx、1WREFx組成功能配置繼電器陣列，不同功能對應閉合相應的繼電器。PXI-2530模塊的繼電器陣列框圖如圖4所示。

圖4 PXI-2530模塊繼電器陣列框圖

3.2 數(shù)字萬用表模塊

數(shù)字萬用表模塊采用美國NI公司的51/2位數(shù)字萬用表PXI-4060模塊，直流測量20mV～250VDC，20 mA～10A；電阻測量200 Ω～200 MΩ；交流測量20mVrms～250Vrms;20mArms～10Arms;20 Hz～25 kHz的有效值。

4 軟件設計

4.1 軟件設計

通用電纜檢測裝置軟件采用美國虛擬儀器儀表開發(fā)工具LabVIEW7.1[7]進行設計，LabVIEW采用G語言圖形化編程，簡單方便、程序設計靈活。軟件主要包括連通絕緣檢測模塊、矩陣開關(guān)控制模塊、數(shù)字萬用表讀取模塊、數(shù)據(jù)庫連接模塊和顯示模塊等。通用電纜檢測裝置軟件功能框圖如圖5所示。

圖5 檢測軟件模塊框圖

4.2 軟件實現(xiàn)

通用電纜檢測裝置檢測軟件通過調(diào)用矩陣開關(guān)模塊、數(shù)字萬用表模塊、電纜數(shù)據(jù)表的讀取和電纜連通絕緣狀態(tài)的判定模塊實現(xiàn)待檢測電纜的連通性和絕緣性檢測。連通絕緣檢測模塊的軟件控制流程如圖6所示。

圖6 連通絕緣設計流程圖

4.2.1 矩陣開關(guān)模塊控制

通用電纜檢測裝置通過軟件調(diào)用矩陣開關(guān)模塊單、雙線配置初始化、矩陣開關(guān)連接、矩陣開關(guān)連接穩(wěn)定、矩陣開關(guān)斷開和矩陣開關(guān)釋放函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)字萬用表模塊與電纜不同芯線的接通和斷開。矩陣開關(guān)接通的G語言代碼如圖7所示。

圖7矩陣開關(guān)接通代碼框圖

軟件首先讀取數(shù)據(jù)庫中電纜芯線對應的通道號SEQ_NO，然后調(diào)用矩陣開關(guān)通道接通函數(shù)，接通對應的電纜芯線。

4.2.2 數(shù)字萬用表模塊控制

通用電纜檢測裝置通過軟件調(diào)用數(shù)字萬用表卡模塊量程、測量類型、初始化、讀值和釋放函數(shù)，實現(xiàn)電纜不同芯線兩端電阻值的測量。數(shù)字萬用表卡量程、測量類型、初始化、讀值和釋放函數(shù)G語言代碼如圖8所示。

圖8 數(shù)字萬用表控制代碼框圖

軟件通過調(diào)用數(shù)字萬用表模塊初始化函數(shù)和讀值函數(shù)讀取芯線兩端的電阻值。參數(shù)DAQ::1::INSTR為模塊地址，2-wire Resistance為雙線制測量模式。

4.2.3 電纜數(shù)據(jù)表的讀取

通用電纜檢測裝置軟件通過開放數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)接口連接到數(shù)據(jù)庫ACCESS數(shù)據(jù)庫文件，然后通過數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)將對應檢測電纜的接線狀態(tài)信息全部讀取到軟件二維數(shù)組變量中,方便與連通絕緣狀態(tài)的對比和判斷使用。檢測電纜接線狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀取G語言代碼如圖9所示。

圖9數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表讀取代碼框圖

軟件通過ADO函數(shù)讀取DSN為cable_dect，數(shù)據(jù)表為參數(shù)DL變量的數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的代碼調(diào)用。

4.2.4 電纜連通絕緣狀態(tài)的判定

通用電纜檢測裝置軟件讀取二維數(shù)組變量中對應電纜芯線的連通絕緣標識，與數(shù)字萬用表模塊讀取到的電纜芯線實際的連通絕緣電阻狀態(tài)標識作對比,通過對比來判斷檢測電纜芯線的接線是否正確。檢測電路連通絕緣判定的軟件流程如圖10所示。電纜連通絕緣性判斷的G語言代碼如圖11所示。

圖10 電纜連通判定代碼框圖

圖11 電纜絕緣判定代碼框圖

4.3 電纜數(shù)據(jù)庫

4.3.1 電纜數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計

電纜數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Office Access關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[8]進行設計，電纜檢測軟件通過ODBC(開放數(shù)據(jù)庫互連)公共編程接口進行數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表的調(diào)用。

電纜數(shù)據(jù)庫字段主要包含:Line_ID、SW_Num、CB_Desc、Row1、Row2、…、Rown。電纜數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計如表1所列。

表1 電纜數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計

4.3.2 電纜數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表設計

將每根待檢測的電纜設計圖紙接線定義命名為一個導線數(shù)據(jù)表[9]，將待檢測電纜的設計圖紙接線定義設計成二維表格的形式存儲在相應電纜數(shù)據(jù)表中，二維表格中的行存儲檢測電纜左端插頭的信號名稱和矩陣開關(guān)通道號，最后兩行存儲檢測電纜右端插頭的信號名稱和矩陣開關(guān)通道號。行、列交叉單元格存儲對應行號和列號圖紙接線的連接或斷開狀態(tài)。一根3芯電纜的數(shù)據(jù)表設計示例如表2所列。

表2 電纜數(shù)據(jù)表設計

5 實驗結(jié)果對比分析

通過在云南昆船機械制造公司實際應用，人工檢測1根100芯的電纜，最少需要檢測5050點(芯線無交叉)，最多要檢測10000個點(芯線有交叉)，至少需要1～2天，采用通用電纜檢測裝置進行檢測，只需17～18分鐘，大大節(jié)約了檢測時間；通過試驗對比檢測數(shù)據(jù)報表，檢測結(jié)果與電纜實物和設計圖紙吻合，結(jié)果準確、可靠，達到了預期設計目的。通過對XX型產(chǎn)品7500根(300(套)X25(根))電纜的檢測，檢查裝置虛警率≤3‰，電纜故障檢出率100%，檢測時間縮短了50%～80%以上，極大的提高了勞動生產(chǎn)效率。通用電纜檢測裝置檢測軟件操作界面如圖12所示，一根100芯電纜檢測結(jié)束輸出報表如表3所列。

圖12 檢測結(jié)果顯示界面

表3 XX產(chǎn)品電纜連通絕緣檢測報表

檢測報告表中，如果檢測軟件測量到對應芯線間的接線狀態(tài)與電纜設計圖紙一致，則結(jié)論顯示正常，對應芯線間的接線狀態(tài)與電纜設計圖紙不一致，則結(jié)論顯示不正常。

6 結(jié) 語

基于虛擬儀器的通用電纜檢測裝置設計與研究，給出了通用電纜檢測裝置的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及硬件、軟件實現(xiàn)方法，對檢測數(shù)據(jù)進行了對比和分析。通過實際使用表明，該檢測裝置可以完成多芯線、高密度電纜芯線間的連通、絕緣電阻狀態(tài)的自動檢測任務，檢測結(jié)果與設計圖紙完全吻合，電纜故障檢出率100%,檢測時間縮短50%～80%以上，極大的提高了勞動生產(chǎn)效率。

通用電纜檢測裝置具備自動化程度高、操作簡單直觀，人機交互友好，檢測速度快，檢測結(jié)果準確、可靠等特點。電纜實物接線關(guān)系與設計圖紙不相吻合的，軟件給出錯誤芯線提示，方便生產(chǎn)工人改正有問題的芯線接線方式。通過適應性修改檢測軟件數(shù)據(jù)庫中的電纜芯線間的連接對應關(guān)系和更換左、右檢測轉(zhuǎn)接電纜，即可以實現(xiàn)各種不同類型電纜的連通絕緣狀態(tài)的自動檢測任務，具有廣泛的應用前景和推廣價值。