基于单片机的硬件电路设计原理和工程应用方案

智能型电缆测试系统采用单片机和工控机相结合的方案实现了1 536个测试点之问导通和绝缘关系的测试。详细说明了基于单片机的硬件电路设计原理和工程应用方案。经实际测试，电缆测试系统达到了设计要求，大幅度提高了洲试的效率和准确性。

0 引言

随着航空设备自动化程度的不断提高，多芯电缆越来越多地得到了应用，电缆的性能也很大程度地影响着设备的正常工作。由于多芯电缆芯数增多，其互联关系也变得更复杂，这就要求电缆测试设备具备更多的测试点数。传统的手动测试方法费时费力，准确性差，已经不能满足工程化，批量生产的需要。本文提出了一种针对航空多芯电缆故障检测的新方案，并阐述了系统构成和测试原理。

1 测试系统构成

电缆测试系统主要由工控机系统，单片机系统和继电器阵列三部分构成。其中工控机负责人机交互和数据处理，单片机系统控制硬件电路完成相应动作，继电器阵列负责响应译码电路的请求将外部电缆接入测试系统。单片机和工控机通过USB进行通信。如图1所示。

其中：硬件电路系统选用AT80C52单片机作为控制核心，主要包括导通测试电路，绝缘测试电路，译码电路，继电器阵列，A/D采样电路，高压产生电路和USB通信电路等;单片机软件则能够依据接收到的命令控制硬件设备完成各个电缆的性能测试。

工控机选用研华的IPC-610工业控制计算机作为终端，负责人机交互和数据交换。电缆测试系统的软件主要由人机界面和数据处理部分构成，人机界面将操作者输入的信息转化成相应的命令，控制单片机进行不同的操作;数据处理部分对测试数据进行比对和修正后，建立测试数据及其端口信息的数据库，最终生成被测设备端口的导通和绝缘关系，并提供显示和打印等功能。

继电器阵列由3168个继电器实现了1536个测试点之间的导通/绝缘测试和继电器组之间的隔离。1 536个测试点分布在12块单板上面，每块单板上面有128个测试点，单板内又分为16行，每行8列，即12×16×8=1 536。每一个测试点由两个继电器控制，分别是输入继电器(Kat)和输出继电器(Kab)。每块单板对应外部的一个128芯的航空插头，负责和被测产品的连接。其原理如图2所示。

2 测试系统的原理

电缆测试系统硬件部分以单片机为控制核心，主要分为导通测试电路，绝缘测试电路和继电器译码电路三大部分，各部分工作原理如下所述。

2.1 导通测试部分

由于导通电阻很小，一般为欧姆级，容易受到外界干扰的影响，惠斯登电桥的两臂同时对电源的微小变化做出反应，将输出信号送入差分放大器，从而消除了共模干扰，可以提高测试的准确性。其原理如图3所示。

在图3中：R1，R2和R3组成基准电路;R4，R5和Rx串联起来组成主测试回路。当待测电阻Rx为零时，调整R1使电桥处于平衡状态，即U1=U2，电路输出约为零，同时产生基准比较电压U1。在电路正常工作情况下，Rx串联进入电路后，电桥的平衡被打破，U2变小，U1和U2经过运放OP497的隔离后送入差分放大器INA145进行放大，放大后的电压信号送入12位精度的MAX197进行采样。

2.2 绝缘测试部分

对于绝缘测试电路而言，由于输入测试电压为500～1 000 V，对干扰不太敏感，所以绝缘测试电路采用相对简单的电阻分压法来实现。

在图4中：Rx为被测两根导线间的绝缘电阻;Kat，Kab分别是Rx的输入控制继电器和输出控制继电器，由译码电路选通，二极管D1保护电源;R1，R2和R3组成分压测试电路，R4为限流电阻，C1为了滤除杂波的干扰，测试回路的分压值经运放后输入放大电路;MAX6176为高精度低噪声基准电源，经过分压电路和跟随器后为放大电路INA145提供基准比较电压，INA145把放大后的信号送给MAX197进行采样。

2.3 继电器译码电路

继电器译码电路的作用是在单片机的控制下将1 536个测试点中的某两个测试点接入相应的测试电路。比如译码电路选中测试点1的输入继电器Kat和测试点2的输出继电器Kab，外部的被测电缆通过这两个测试点接入相应的测试电路，从而实现了导通或者绝缘测试。为了实现这样的功能译码电路可以分为地址锁存电路，输入继电器译码电路和输出继电器译码电路。以输入地址锁存电路为例，其原理如图5，图6所示。

单片机P0口作为数据总线将地址信号送给锁存器74HC573，同时P2.4，P2.5，P2.6，P2.7驱动HC138译码器形成锁存有效信号，使地址信号锁存在74HC573，由于地址信号为11位，所以需要单机发送两次地址信息。

当11位地址准备完毕后，由单片机发送地址有效信号，将地址信号送给译码电路。译码电路原理如图7所示。

输入继电器译码电路和输出继电器译码电路具有相同的电路结构，以输入继电器译码电路为例，可以分为三级译码电路，每一级译码电路由总线隔离芯片 74HC245，3～8线译码器74HC138和其他逻辑控制电路组成。第一级译码电路由11位地址信号中的AT10，AT09，AT08，AT07组成，负责选择12块单板中的某一块;第二级译码电路由AT06，AT05，AT04，AT03组成，负责选择某块单板中的某一行;第三级译码电路由

AT02，AT01，AT00组成，负责选择某块单板中的某一列，这样行列交叉就选中某一个测试点的输入继电器驱动电路，从而将该测试点接入了测试电路。地址信号在单板与单板之间经过74HC245的隔离，防止其驱动能力下降。输出继电器的选择过程完全一样，不再赘述。