線纜彎折測試系統的開發

王 濤 趙 彤 王東明 朱靈允 朱旭成

(北京理工大學自動化學院1，北京 100081;畢普蘭(北京)科技發展有限公司2，北京 100085)

0 引言

隨著信息技術的飛速發展，各類電子產品層出不窮，給人們的生產生活帶來了極大的便利。但是電子產品在使用中總是會產生各種形式的磨損，這就直接影響了它們的使用壽命。在各類手持電子產品中，數據線、電源線、耳機線等線纜的彎折造成的損壞尤為嚴重。電子產品的生產者總是希望自己的產品在出產的時候就能達到應有的抗折損指標，避免產品因質量問題增加售后的成本。為此，電子產品設計者希望能在設計的過程中有效地測試各種線纜的抗折損性能。目前一般采用美國ANS/UL817-2009來對線纜進行彎折試驗［1］。本文針對各類電子產品的線纜使用壽命，設計出一套6工位、192通道線纜彎折測試系統，實現線纜的彎折壽命測試。

1 系統總體設計

本系統分為兩個部分:彎折動作系統和線纜電阻測量系統。系統采用氣動擺缸對線纜進行彎折動作模擬，實現快速運動，同時采用專用的基于恒流源的放大電路對被測線纜電阻進行實時檢測，由A/D數據采集卡完成信號采集，并通過計算機對線纜電阻值的實時監測得出線纜的折損程度，實現了測試的自動化和高效性。整個系統由工控機控制并對測試結果進行實時顯示。系統結構如圖1所示。

圖1 線纜彎折測試系統框圖Fig.1 Block diagram of the buckling test system for wires or cables

系統工控機選用凌華公司的工業控制計算機，電磁換向閥采用日本SMC公司的三位五通電磁換向閥SY3220，擺缸采用日本SMC公司的MSQ32-50。換向閥的控制采用的是研華公司的PCI-1620，信號采集卡采用研華公司的PCI-1713。操作系統以Windows XP為平臺，開發軟件使用美國NI公司的LabVIEW。

電纜彎折測試系統由6套擺動氣缸帶動電纜頭進行180°的往復旋轉。6臺微小電阻測試儀實時測試電纜電阻變化，并將電氣信號輸入到工控機中，從而在顯示屏上實現測試設置、狀態和報警等信息的顯示。

2 硬件設計

2.1 氣動彎折系統設計

線纜的彎折采用氣動擺缸的夾持擺動來實現，擺缸所帶電纜夾持頭初始位置為正下方，即擺缸的90°位置。擺缸的動作由工控機按照測試人員的輸入動作頻率，通過PCI-1620繼電器輸出板卡發送換向信號給換向閥，從而實現擺缸的擺動［2］。氣動系統結構圖如圖2所示。

圖2 彎折動作系統氣路圖Fig.2 Pneumatic system for buckling

2.2 線纜電阻測量系統

線纜電阻測量系統的原理框圖如圖3所示。

圖3 線纜電阻測量原理框圖Fig.3 Measuring principle of cable resistance

由于線纜電阻的阻值通常較小，基本上都在1 Ω以下，屬于微小電阻范圍，因此在電阻測量中，采用恒流源測量的方案［3－4］。

恒流源測量的原理就是在線纜電阻R上施加一個恒流源I，然后在線纜的兩端采集電壓UR，則由歐姆定律推導可以得到:

式中:R為線纜電阻，Ω;I為電流，A;UR為線纜兩端電壓，V。

為保證被測線纜兩端電壓信號具有較高的信噪比，同時避免電流作用于線纜做功產熱對線纜阻值產生的影響，需要對恒流源的電流大小進行合理的選取，本系統中選擇恒流源大小為1 mA。這樣線纜兩端的電壓基本在1 mV以內。同時，微弱信號必須進行放大處理，以保證信號的有效采集。對線纜兩端的電壓進行差分放大，可得到符合PCI-1713 A/D數據采集卡電壓輸入范圍的信號。

在實際的電路設計中，恒流源的電流大小總是存在差異，且信號放大電路的放大比例也因為元件和芯片的差異而不同。因此，在系統正式運行之前需要進行標定。通常采用在測量通道上加入一個阻值已知的標準電阻的方法。

當計算機采集到此通道的電壓信號之后，由R=k·UR可計算出R與UR之間的比例系數k。當在某個通道進行線纜測試時，只要將采集到的電壓值乘以該通道的比例系數就可得到線纜的電阻值。

3 軟件設計

LabVIEW是一種圖形化虛擬儀器儀表開發平臺。在該開發平臺下，用戶可以在屏幕上構建與真實儀器類似的可視化軟面板;通過面板上的虛擬控件控制底層硬件;用各類VI模塊來完成信號的采集、實時或事后分析、顯示和存儲，并給出檢測結果。LabVIEW已在在線測量、測試及工業過程控制等領域得到廣泛的應用［5］。

本測試系統上位機軟件設計與硬件結構相匹配，6個選項卡依次顯示6工位的工作設定參數和狀態參數。每個工位下分有32條測試通道，以實時監測和顯示被測線纜的阻值變化和各通道阻值的變化趨勢。當達到設定報警值、設定擺動次數或檢測到斷開信號時，自動停止對應工位的擺動并記錄下報警信息。測試結束生成標準測試報表。

系統運行前，需要進行工位初始化設定，包括工作通道選擇、比例報警選定與否、比例報警參數、擺動總數、擺動記錄間隔次數和擺動速率等。初始化完成后，相關參數記錄在初始化文檔中，并隨測試工作的進行實時更新并保存變化參數。意外停止工作后，單擊啟動按鍵可以繼續工作。

擺缸擺動速率范圍為30～90次/min，控制信號最短在334 ms更新一次。從擺缸使用壽命角度考慮，擺缸擺動左右兩側時間應該相等。因此，對軟件的定時精度要求較高。但Windows本身為一個弱實時操作系統，消息循環的時間為幾十毫秒，且在多任務執行時該時間往往被不確定地延長［6］。因此，本系統采用合理增加線程和提高關鍵線程優先級的方法來提高程序的實時性［7］，即將系統分為數據采集與顯示、氣動擺缸控制兩條線程，且后者優先級設定為最高。具體的控制流程分別如圖4和圖5所示。

圖4中，數據處理流程從對單通道的工作狀態參數判斷開始，工作狀態正常，即狀態判斷為真時，進行對應通道數據的采集與標準化處理，進而進行工作狀態的報警判斷，即電纜斷開報警、設定值報警和擺動次數報警判斷(后兩種報警方式隨時可添加或取消)。當有報警信號產生時，將停止對應工位的運行并記錄下相關報警信息，最終生成標準測試報表。

報表的生成是調用LabVIEW Report Generation Toolkit里的VI(類似于C語言中的標準函數)生成，其工作原理是通過Active X技術，將Word和Excel與Lab-VIEW集成開發環境結合起來，生成專業的報告［8］。

4 結束語

本文總結了線纜彎折測試系統的設計與開發。系統通過氣動擺動機構實現電纜反復彎折，利用恒流源產生電纜微電阻的檢測信號組成測試硬件，實現了高效準確的測試;基于LabVIEW的數據采集處理和擺缸擺動控制以及報表生成實現了良好的人機交互。該系統已在諾基亞公司的手機線纜測試實驗室中得到使用，彎折頻率在60次/min以上設備運行穩定，體現了較高的測試效率，與高精度微電阻儀比較后表明，電阻的誤差在0.01%以內，顯示了較高的測試精度。

［1］美國國家標準學會.ANSI/UL817-2009電纜集和電源電纜用安全標準［S］.芝加哥:美國安全檢測實驗室公司，2007.

［2］SMC(中國)有限公司.現代實用氣動技術［M］.3版.北京:機械工業出版社，2008.

［3］白雪冰，宋文龍.電阻測量方法的研究［J］.自動化儀表，2006，27(8):58－60.

［4］薛易.一種精密程控恒流源設計［J］.自動化儀表，2009，30(4):63－65.

［5］楊樂平，李海濤，趙勇，等.LabVIEW高級程序設計［M］.北京:清華大學出版社，2003.

［6］張李超，韓明，董煬斌，等.Windows NT的實時性研究［J］.計算機工程與應用，2002，38(5):41 －43.

［7］鄒富寶，杜磊，束驍驊.基于LabVIEW的Windows實時性提高方法的研究［J］.計量技術，2007(8):38－40.

［8］汪翠英，裴鋒.LabVIEW中Word報告生成功能的開發［J］.儀器儀表用戶，2005(1):94－96.