電纜及轉接型電路的自動化故障檢測方法

石浩，楊軍，蔣敏玉

（南京電子技術研究所，江蘇南京， 210013）

0 引言

在現代電氣設備中，對多線通路如電纜、轉接型電路板的自動化檢測需求日益增大。電纜（多線通路）的模型非常簡單[1]，但是在待測通路數量龐大的情況下，其檢測所需資源和耗費時間也是隨著通路數量呈幾何級增大[2~3]。

如圖1所示的模型中，我們要對一個“一對一”通路進行檢測。檢測的正常指標有兩個，

圖1 電纜（多線通路）模型

（1）輸入點Sin-n的檢測信號需要在Sout-n的端口檢測到；

（2）輸入點Sin-n的檢測信號必須無法從其他端口檢測到。

如果符合上述兩點指標要求，則判定該通路正常。反之，該電纜（多線通路）就存在異常情況。

具體異常的三種情況如下：

Case1：待測線路“斷路”（Open）：表現為從Sin-n端輸入的信號在Sout-n端口檢測不到，并且在其他端口也檢測不到；

Case2：待測線路“短路”（Short）：表現為從Sin-n端輸入的信號除了在Sin-n端口能檢測到，還在其他端口（如Sout-1）端口也被檢測到了；

Case3：待測線路“錯接”（Wrong Connection）故障表現為從Sin-n端輸入的信號在Sout-n端口檢測不到，但是在其他端口被檢測到了。

如何對這個簡單模型設計一種自動化檢測方法呢？本文將討論三種方法，并比較其優劣。分別為：單信號遍歷查詢法、多信號同時查詢法、單信號黑箱優化查詢法。

1 單信號遍歷查詢法介紹

單信號遍歷查詢法在目前很多的電纜檢測設備中使用，通常采用矩陣對比的方法[4]。它是對待測電纜和電路的輸入端口依次輸入驅動信號，例如每次在輸入口加載一個簡單信號（如DC 5V），就在輸出端口全部依次檢測（遍歷查詢），形成矩陣數據。如圖2所示。

圖2 單信號遍歷查詢法

單信號遍歷查詢法的無疑可以細致全面地給出檢測結果，分析出每一條待測線路的具體短路或錯接對象。

但是其缺點是在輸入口某一端子輸入驅動信號（5V）后，為了檢測其是否與電纜（多線通路）中其他線路存在“短路”“錯接”等關系，需要對輸出口（Sout-1……Sout-n）所有端子進行“遍歷式”查詢。

單信號遍歷查詢法需要占用大量數位資源和消耗檢測時間，造成自動化檢測成本升高、效率下降。這種方法的過程是這樣的：依次從線路1到n分別查詢對應通路的電氣狀態。首先，在查詢“待測通路1”時（對應端口是Sin-1和Sout-1），在端口Sin-1輸入一個驅動電平信號，然后在端口Sout-1、Sout-2、Sout-3……Sout-n分別測量：

當端口Sout-1測試到電平，而其他所有端口均測試為0時，可知1通路狀態為“正常”；

當端口Sout-1測試到電平，同時其他某一端口也測試到電平時，可知“待測通路1”對“其他某一端口”存在“短路”故障；

當端口Sout-1測試不到電平，并且其他所有端口也測試不到電平時；可知“待測通路1”存在“斷路”故障；

當端口Sout-1測試不到電平，而其他某一端口測試到電平時，可知“待測通路1”對測試到電平的通路“錯接”。

由上述步驟我們可以看到，要檢測待測線路1的電氣故障狀態，要對Sout-1至Sout-n共計n個端子做遍歷測量。如果要測完整個待測電纜，則需要n×n次測量，即使考慮到已正常電纜無需重復測試，也需要n+(n-1)+(n-2)……+1次測量。

完成測量所需時間為：

或至少為：

上式中，T為總測量時間，n為待測電纜（多線通路）所含線路數量，t為單次測量消耗時間。

單信號遍歷查詢法不僅消耗測量時間，而且對系統數位資源占用比較高。仍以上述n線電纜為例，對I/O口的要求是：發出驅動電平信號的I/O口需要n個，同時檢測I/O口也需要n個，總計需要的I/O口數量為：

2 多信號同時查詢法介紹

多信號同時查詢法可以大幅節約測試時間。其原理是采用不同信號同時輸入至Sin-1、Sin-2、……Sin-n。比如說在Sin-1輸入十六進制的1，在Sin-2輸入十六進制的2,……在Sin-n輸入十六進制的n。然后在輸出端口Sout-1、Sout-2、……Sout-n進行一次遍歷查詢。并將輸出結果和對應的輸入端口做差值運算，得出結果為0的（表征輸入輸出一致）判定為正常；得出結果非0的，判定為異常。如圖3所示。

圖3 多信號同時查詢法

多信號同時查詢法，所需的檢測時間是：

上式中，T為總測量時間，n為待測電纜（多線通路）所含線路數量，t為單次測量消耗時間，tc為差值計算時間。這個方法在遍歷時間上雖然有優勢，但是很容易發現它有兩個弱點：

一是在n個輸入端同時提供各異信號需要占用大量的硬件資源，造成所需資源龐大；二是存在漏判的可能性—這個可能性由輸入信號編號的單數位重合性造成，例如輸入端信號為0001線路（1號線路）和信號為0011的線路（3號線路）短路的話，在3號線路的輸出口信號依然正常，導致出現漏判。如果要避免整個問題，必須在輸入信號設計上避免編號疊加重復。

由于上述兩個缺陷，多信號同時查詢法不建議廣泛推廣。

3 單信號黑箱優化查詢法介紹

本文設計了一種黑箱故障查詢方法，可以在單信號遍歷查詢的基礎上提高效率。具體方法是，將被測線路作為一路；把其他未測線路全部短路作為一個整體，成為檢測的另一路。如圖4所示。

圖4 單信號黑箱優化查詢法

以線路1為例，測試步驟是：

（1）在線路1的輸入口Sin-1輸入一個簡單信號：5V；

（2）檢測線路1的輸出口Sout-1進行一次查詢，獲得St作為數據（0V或5V）；

（3）檢測線路2或3……或n任意一個端口（因為2、3……n線路已全部短路）進行一次查詢，獲得Su作為數據（0V或5V）。

從上述步驟，我們獲得St和Su兩個數據，這兩個數據的組合，就可以表征出待測線路（例中的線路1）的狀態。

正常情況分析：如圖4所示，當待測線路（線路1）正常時，在Sin-1端口輸入的5V會出現并且僅出現在Sout-1端口上，其他端口均為0V，我們記錄為（1，0）；

短路情況分析：我們假設待測線路（線路1）與非待測線路（線路2或其他任意線路）出現短路。如圖5所示。

圖5 短路情況

在短路情況下，輸入的5V檢測信號不僅出現在它應該出現的Sout-1輸出端口上，同時也出現在被短路的Sout-2輸出端口，從而造成了St和Su兩個數據都是5V，我們記錄為（1，1）；

開路情況分析：我們假設待測線路（線路1）開路。如圖6所示。

圖6 開路情況

在開路情況下，輸入的5V檢測信號沒有出現在任何端口上，從而造成了St和Su兩個數據都是0V，我們記錄為（0，0）；

錯接情況分析：我們假設待測線路（線路1）與非待測線路（線路2或其他任意線路）出現錯接。如圖7所示。

圖7 錯接情況

在錯接情況下，輸入的5V檢測信號沒有出現在它應該出現的Sout-1輸出端口上，但是出現在被錯接的Sout-2輸出端口，從而造成了St是0V但Su是5V，我們記錄為（0，1）。

以上分析形成如表1的真值表。

表1 檢測結果真值組成含義

我們只需要依次對輸入端口輸入5V信號，并在每次輸入后進行兩次查詢，就可以對待測電纜（多線通路）進行全部檢測了。

綜合起來，完成測量的時間為：

上式中，T為總測量時間，n為待測電纜（多線通路）所含線路數量，t為單次測量消耗時間。

總計需要硬件的I/O口數量（含驅動源）為：

4 單信號黑箱優化查詢法的電路實現

根據單信號黑箱優化查詢法的原理，需要對輸入端口進行依次選擇，并對輸出信號進行查詢，因此設計了兩個PLC模塊進行選擇工作，并且兩個PLC模塊必須選擇同一編號（對應同一線路）。電路原理如圖8所示。

圖8 電路原理設計

我們將這個設計應用在某型雷達電纜的控制模塊自動化維修平臺。作為測試機柜的一個部分，專門負責檢測一個60路轉接基板（多線通路）及其附屬電纜的電氣故障。如圖9所示。

圖9 電路原理實現實物圖

完成自動化檢測后，控制電路將數據上傳至上位機控制軟件，軟件記錄并提供給用戶直觀的檢測結果。如圖10所示。

圖10 裝置工作時軟件界面

5 結束語

在對三種電纜自動化測試方法進行比較后，我們認為在測試時間和硬件資源利用效率方面，單信號黑箱優化查詢法比較具有優勢。并且根據該方法研制了實施電路，并應用在某自動化測試臺上。經過驗證，效果非常理想。該方法借用了工程分析中常用的黑盒原理[5]，對待測通路和非待測通路進行了區分和統一化處理，這樣從技術上避免了數位資源的浪費。利用軟件控制單片機對PLC端口依次選通，并且讀取回饋的真值即可實現對多路的電連接裝置進行電氣故障查詢，這項技術設計原理簡單，使用的器件價格成本低廉。在設計中充分考慮壽命器件的更換和工作指示等細節問題。并且在更多的應用環境下，該方法理論上可以拓展容量，其測試線路越多，效率優勢體現越明顯。

該方法及其技術成果的重要意義在于優化了電纜或多線通路自動化電氣檢測方法，具有工程推廣價值和廣闊應用前景。