電氣系統智能檢測設備研究

匯航科技（遼寧）有限公司 張睿哲 石 洋 袁慧楠 張紹雄

對電氣系統的智能化檢測，包括微小阻值電阻精確測量、導通測試、輸出特性測試、連續測試、電路完整性及電阻檢測、電阻特性檢測、輸出特性檢測、環境溫度采集及自動計算合格判據等檢查功能。以往的檢測手段是選用通用設備進行集成以組成自動或半自動測試系統，投資大，使用效率低下，整個系統體積龐大，使用與攜帶不方便，不能滿足外場的檢測要求[1]。因此，檢測系統體積小、適應惡劣環境、可靠性強是其發展方向，以此解決時間、空間的局限性，提高系統設備的穩定運行，方便、可靠、準確提高對電氣系統故障排查的精確性和高效性，大幅縮短測試時間，是對電氣系統故障排查的檢測提出了更高的要求。

1 功能需求

1.1 電路完整性及電阻檢測

檢測電氣系統的通路、短路、斷路、插針錯位、連接不良等造成的連接關系混亂問題，可判斷并顯示故障信息，準確定位故障位置。

1.2 電阻特性檢測

檢測電氣回路的電阻特性，判斷其電阻特性是否在合格范圍內。

1.3 絕緣檢測

提供最大500V 直流電壓，檢測電氣系統的絕緣電阻是否滿足要求。

1.4 耐壓檢測

提供500V、50Hz、最長1min 的電壓，檢測電氣系統的漏電流是否滿足要求。

1.5 輸出特性檢測

為壓阻式、壓差式等傳感器提供激勵（直流、交流均可），檢測其輸出電壓值，判斷傳感器工作性能是否滿足要求。

1.6 連續檢測

需要在采集特定回路電阻參數時，其具有連續檢測、記錄功能，同時采用曲線顯示采集值。

1.7 環境溫度采集及自動計算合格判據功能

針對含有熱敏電阻的電路，檢測系統采用溫度傳感器獲取當前測試環境的溫度。自動識別或手動輸入測試環境溫度后，通過公式，軟件能自動計算出當前環境溫度參數下的電阻合格判據。

1.8 檢測結果顯示

檢測系統通過液晶顯示器實時顯示測試項目、檢測管腳、檢測值及測試結果等信息，當測試過程中發現故障時，測試實時報表數據采用紅色警示顯示，并為操作者提供排故建議。檢測報告可自動生成，顯示界面可根據用戶需要定制設計。

2 方案設計

2.1 工作原理

檢測系統主要由測試主機、轉接系統、電源線、設備附件四部分組成。其中，測試主機的簡要工作原理電路圖如圖1所示。圖中分為A、B 兩個部分，兩部分的電路是相同的。在進行電氣系統檢測時，分別進行不同的控制，從而完成電氣系統的通斷檢測和導通電阻的測量。圖中CC_SRC 為恒流電流源輸入端，用于導通電阻測量。

圖1 測試主機簡要工作原理圖

2.1.1 通斷檢測

根據原理圖，脈沖信號逐次加載到被測電氣系統中的每一根導線，在另一端，通過控制使芯片連通，然后根據數據庫中被測電氣系統的連接關系，控制選擇相應的端口接通；通過檢測信號即可得到檢測數據，并給出相應導線的通斷狀態。

2.1.2 導通電阻測量

采用電阻測量法，保證測量的準確性。由恒流源逐次加載到被測電氣系統中的每一根導線；在另一端，通過控制使芯片連通，然后根據數據庫中被測電氣系統的連接關系，控制選擇相應的端口接通；通過采集差分電壓信號，經過計算即可得到相應導線的導通電阻。

2.1.3 接觸電阻檢測

接觸電阻檢測采用電流電壓法測試原理。電流源經端口供給被測電阻電流，電流的大小由電流表讀出，電壓兩端的電壓降端口取出，由電壓表讀出，通過對電流、電壓的測量，就可以計算出被測電阻的阻值。

2.2 設備組成

檢測系統主要包括信號處理電路和 FPGA 功能模塊兩大部分，其中信號處理電路包括發射脈沖放大電路和反射脈沖采集電路，FPGA 內部包含發射脈沖產生模塊、時間間隔測量系統、數據緩存模塊和核心處理器。

3 硬件組成

檢測系統主要硬件包括嵌入式主控模塊、觸摸顯示屏、信號調理模塊、數據采集模塊等組成。

3.1 硬件結構

根據功能和技術性能需求，檢測系統硬件主要由嵌入式主機、觸摸顯示屏、電阻測量電路、通斷檢測電路、信號調理電路、通道切換電路、接口電路等組成。

嵌入式單元：采用多核處理器，為主機提供強大的運算和存儲能力支持。

電阻測量單元：用于測量電氣系統中導線的導通電阻。

通斷檢測單元：實現電氣系統中每一根導線的通斷狀態測量，并確定電氣系統兩端航空插頭的對應連接關系。

信號調理單元：對導線通斷檢測、導通電阻測量等信號進行整形和調整，使其滿足數據采集、測量要求。

通道切換單元：合理并充分使用系統硬件資源，并滿足多根導線的快速檢測需求。

接口單元：實現與外部被測電氣系統的連接需求。

3.2 嵌入式主控單元設計

嵌入式單元是整個檢測系統的測量和控制核心，主要由高性能CPU、RTC 電路、SPI FLASH、SDRAM、EEPROM、UART 串口及SWD 調試接口等組成。

微控制器工作頻率480MHz，在Flash 執行程序時，能夠提供良好運算性能，利用其L1緩存并實現了零等待執行[2]。可利用帶有32位并行接口或雙模串行閃存接口的靈活存儲控制器輕松擴展外部存儲器。

3.3 繼電器及驅動單元

通過繼電器可實現對投放線路的加電控制，并在軟件的控制下完成投放指令的模擬。芯片單通道工作時最大驅動電流可達500mA，特別適合用于繼電器驅動電路。

繼電器電路由檢查用繼電器和自檢用繼電器兩部分組成。

3.4 信號調理電路與數據采集單元

信號調理電路主要用于對信號進行處理。信號經分壓、低通濾波、放大等處理后，送數據采集電路完成采集測量。

數據采集電路采用4通道16位分辨率、高精度、無失碼的AD 轉換芯片進行設計。該芯片內部帶有2.5V低溫漂基準電源、溫度傳感器以及單極點濾波器；與嵌入式主控單元采用SPI 接口進行連接，主控單元通過SPI 接口對芯片進行配置和讀取實時采集數據。

4 軟件組成

檢測系統工作所需軟件采用分層以及模塊化思想設計，軟件組成主要包括啟動加載程序、應用程序接口、嵌入式操作系統、設備驅動程序、測控程序、數據管理、數據采集與處理程序、自檢程序、LVGL 圖形界面框架、人機交互界面等部分組成。

4.1 設備驅動

Linux 內核包含很多功能組件，大部分功能組件以內核模塊的形式呈現，設備驅動便是其中之一。

應用程序通過操作系統提供的標準接口訪問底層設備，設備驅動程序的升級、更替不會對上層應用產生影響。

4.2 應用程序接口

對系統調用和硬件設置、控制等細節操作做進一步的封裝，基于Qt5采用面向對象的模式設計，為上層應用提供一個統一、簡單的操作接口，提高各功能模塊的內聚性，降低耦合度。

4.3 應用程序

應用程序包括自檢程序、測控程序和數據管理程序等組件。自檢程序實現上電自檢和使用過程中按需自檢功能。測控程序由通道控制模塊、通斷檢測模塊和電阻測量模塊等組成。數據管理程序負責測量數據的存儲和數據庫增、刪、改、查等操作。

4.4 啟動加載程序模塊

啟動加載程序運行時，首先從存儲器（如FLASH 或E2PROM 等）中讀取配置文件，其次根據文件中的啟動選項進行下一步操作。

4.5 IAP 程序模塊

IAP 程序將實現上層應用程序固件的擦除和寫入操作。完成后自動加載新寫入的固件并啟動。

4.6 設備驅動程序模塊

操作系統提供了I/O 設備模塊，該模塊實現了對設備驅動程序的封裝。應用程序通過I/O 設備模塊提供的標準接口訪問底層設備，設備驅動程序的升級、更替不會對上層應用產生影響。這種方式使得設備的硬件操作相關的代碼能夠獨立于應用程序而存在，雙方只需關注各自的功能實現，從而降低了代碼的耦合性、復雜性，提高了系統的可靠性[3]。

4.7 數據采集與處理程序模塊

數據采集與處理程序在檢測系統測量工作電壓和拋放彈電阻時，獲取數據采集電路的AD 轉換數據，經軟件計算變換后進行顯示。

4.8 自檢程序模塊

自檢程序首先控制接通自檢用繼電器，使檢測系統進入自檢工作狀態；通過內部的高精度標準電阻阻值測量，實現對數據采集電路準確度的檢查和校正。手動自檢時，在軟件后臺增加了檢測系統自身電氣系統電阻校零的功能。

4.9 人機交互界面模塊

人機交互界面采用LVGL 圖形界面框架進行設計。

本檢測系統采用時域反射法對電氣系統故障進行檢測，通過對不同類型的電氣系統故障的電氣特性進行了分析，采用時域反射法，可滿足故障檢測的相關要求。 采用精確測量發射脈沖與反射脈沖的時間間隔，是采用時域反射法進行電氣系統故障檢測的一項關鍵技術，它直接影響著電氣系統故障點的定位精度。本檢測系統采用延時線法進行時間間隔測量，并且在傳統的延時線基礎上進行改進，更加適用于電氣系統故障檢測中應用。