船舶控制電纜連通性測試系統設計

(威海職業學院 交通工程系，山東 威海 264210)

船舶控制電纜連通性測試系統設計

吳希杰

(威海職業學院 交通工程系，山東 威海 264210)

針對在建船舶控制電纜線敷設、加工中出現的質量問題，利用智能檢測技術的功能，設計基于STC15W4K單片機的控制電纜連通性測試系統。系統由控制模塊、執行模塊、人機界面、線纜接口等構成。通過精密恒流源技術及ADC技術，實現船舶控制電纜事前檢測。試驗證明，該系統可實現對在建船舶控制電纜的檢測功能，提高船舶電氣系統的工作穩定性。

連通性；恒流源；ADC

船舶建造中，在對控制電纜進行敷設、引入、切割，以及壓接端子、接頭時，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，影響設備的安全運行[1-3]。快速準確判斷出控制線纜的故障隱患，提高系統工作穩定性，是保障船舶電氣設備安全運行的一項重要任務[4]。船用控制電纜加工后常用的測試方法有多用表法，但多用表提供的測試電壓低，輸出電流不穩定，靈敏度低，特別對接觸不良故障現象易造成漏檢。基于智能技術及精密恒流源技術在加工后電纜測試中的應用，其理論依據是電纜電阻率均勻分布，且電纜阻值與延展長度成正比。當對被測電纜加載一定量值的恒定直流電流時，恒定電流按電纜長度形成電壓降，此電壓降經ADC轉換并計算為正常船用電纜等效電阻值。將依據被測電纜物理特性計算的等效電阻值的1.05倍設定為閾值，測量控制電纜等效阻值并與閾值進行比對，即可分析出被測電纜的連通性。

1 線纜連通性測試系統簡介

常用船用控制電纜導體的橫截面積標稱值一般有0.5、0.75、1、1.5、2.5 mm2等規格。在建船舶控制電纜經敷設加工后，需要階段性地進行連通性測試。實驗證明，通過向加工后的電纜加載恒定電流，可以檢測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量。測試系統結構[5]見圖1。

圖1 船用控制電纜連通性測試系統結構

控制電纜經敷設及冷壓加工后在一端按連續序號相鄰兩兩短路，另一端依序連接至測試系統的線纜接口。測試前，使用按鍵在測試系統中輸入被測電纜的長度、導體橫截面積、芯數，系統按理論值的1.05倍計算出被測電纜的等效電阻閾值。測試時，控制模塊啟動執行模塊依次向被測電纜加載恒定電流，取樣電壓輸出至CPU，經ADC轉換計算得出等效電阻值，將其與閾值進行比較，結果輸出于LCD顯示，如高于閾值則報警。

在建船舶現場環境相對比較復雜，在本測試系統的硬件模塊設計中，采用多種EMC措施：信號接口保護、運放共模干擾抑制、PCB板電磁干擾設計、獨立電源設計，等等，同時為避免漏掉線纜接觸不良等故障，在軟件設計中采用多次測試比較判斷等技術[6-7]。在結構設計上，防水、防潮、防碰撞等是可靠性設計必須采取的主要措施。

2 測試系統硬件設計

船舶控制電纜連通性測試系統的硬件系統包括處理器、系統電源、執行模塊、LCD顯示、按鍵等[8]。

2.1 處理器硬件設計

測試系統的處理器使用STC15W4K單片機。該單片機以工作電壓寬、運行速度快、可靠性高、功耗低見長；時鐘源可以選擇外部晶體或內部集成高精度R_C時鐘；內置復位電路；具有8路高速10位精度AD轉換端口。

本系統工作電壓5 V；采用內部R_C時鐘，時鐘設置為22.118 4 MHz；10 bit ADC精度；Flash使用40 kB。電路圖略。

2.2 系統電源設計

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

系統電源采用LM2596系列開關電源芯片。LM 2596開關電源屬于降壓型電源集成電路，外圍元器件最少4個，在滿足很好線性和負載調節性能的同時，輸出驅動電流可達3 A。該器件設計以150 kHz的較高開關頻率，保證了±4%范圍內變化的穩定輸出電壓，以此滿足較寬變化的輸入電壓和負載的應用環境。5 V(VCC)電源見圖2，12 V電路見圖3。LM2596電路中輸出級分別設置高、低頻濾波電容。PCB排版時，電源輸出端至Feedback端的連接線避免靠近電感[9]。

圖2 系統電源(一)電路

圖3 系統電源(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電源主要提供給執行模塊。

2.3 執行模塊設計

測試系統的線纜檢測寬度默認值是32路，依據具體應用需求可擴展至40路、50路、64路、80路等。執行模塊包括運算放大器、調整管、反饋電路、檢測輸出4個部分[10]。電路見圖4。

圖4 執行模塊電路

執行模塊的核心是具有一定精度的恒流源。運算放大器采用LM324，它是4組獨立的運放，通過相位補償、溫度補償等措施使增益穩定可達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LM324使用12 V電源。由于用于測試的恒流源電流較小，所以調整管使用小功率的2N5551復合管。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為可調電阻，調整電阻值，使連接至LM324的“-”端電壓值為1.2 V；由運算放大器的“虛短”概念可計算恒流源輸出電流IS。

LINEx是被測電纜接口，8 mA電流加載到被測電纜和R5上的電壓輸出至CPU進行AD轉換。因此，CPU經AD轉換后的電阻值需要減去150 Ω之后才是被測電纜的等效阻值。為提高被測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軟件對執行模塊電路進行仿真，電路見圖5。圖中用最大值為500的可調電位器R2代替被測電纜，按導體芯數×橫截面積為2×1 mm2在20 ℃導體最大電阻值18.1 Ω/km計，500 Ω的電阻可以折合27 km之多。同時，由于ADC精度采用10 bit，也能夠兼顧到短距離電纜的檢測。因此，能滿足一般船用電纜的長度要求。仿真時，線性調整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 執行模塊電路仿真

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

2.4 其他電路模塊

本系統LCD顯示采用點陣圖形型液晶模塊LCD12864；通過按鍵可以輸入相關參數并顯示被測電纜的路序、長度、閾值、測試結果等。電路見圖6。

圖6 LCD顯示模塊

存儲器采用AT24C128；按鍵采用4*4矩陣鍵盤。

3 測試系統軟件設計

3.1 測試系統程序框架

測試系統軟件包括系統初始化、輸入參數、AD轉換、閾值判斷、LCD顯示等模塊。系統檢測主程序框圖見圖7。

圖7 系統檢測主程序流程

3.2 測試系統程序設計

被測電纜按要求連接后，CPU控制執行模塊按序向被測電纜加載恒定電流，被測電纜上的電壓輸出至CPU，經AD轉換得到被測電纜等效電阻值，將其與閾值進行比較，結果輸出于LCD顯示，高于閾值則報警[11]。測試系統程序的核心是對取樣電壓值進行AD轉換、存儲。CPU控制AD轉換并讀取AD值的C語言程序代碼如下：

//控制AD轉換及儲存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轉換

Adc_value=ADC_RES*256+ADC_RESL;

//保存10bit精度AD轉換結果

}

}

4 實測結果分析

在威海某船廠正在建造的散貨船現場，對控制電纜線進行實際檢測，檢測結果見表1。

表1 船用控制電纜等效電阻檢測表

通過檢測發現，在閾值內的電纜等效電阻平均值符合設計要求。36 m電纜的通過率為86.11%；75 m電纜的通過率為89.33%。對超出閾值判定不合格的13根電纜進行分析，發現壓接端子表面氧化致使接觸電阻超標6根，壓接阻值超出閾值有7根。通過對超出閾值電纜進行分析判斷，有針對性地采取整改工藝措施后，再次對現場同規格電纜檢測，合格率大于98.8%，能夠滿足船舶電氣設備安裝調試的要求。

5 結論

本測試系統，將恒流源精確測量技術及單片機內置ADC技術應用于船用控制電纜現場測試，利用等效電阻與相應閾值進行比對，以此判定船用控制電纜的質量。綜合考慮被測控制電纜長度不一及現場具體故障情況，設計的關鍵在于保證恒流源的精準度，為此系統采用運算放大器對恒流源輸出級進行深度負反饋。電路經軟件仿真和現場測試，恒流源的誤差率在0.125%范圍以內，滿足實際應用的需要。

在本系統的研究和設計過程中，也發現一些問題，主要是不同電纜與測試系統接口的插入電阻影響，可能導致等效電阻出現一定偏差；恒流源反饋電阻精度對系統測試結果有影響，這些都需要做進一步的研究與改進。

關于船舶控制電纜連通性測試系統的下一步研究工作，主要有：恒流源輸出電流值與被測電纜規格的匹配關系；被測電纜與測試系統接口適應性問題；測試系統的檢測速度與準確度的優化。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