基于CPLD技術(shù)和總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式柔性電纜測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

航空電纜是飛機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng)，連接著飛機(jī)電氣、航電、火控、操縱等各系統(tǒng)，為飛機(jī)各部件提供動(dòng)力電源、控制信號和數(shù)據(jù)信息。受飛機(jī)機(jī)身空間的限制，電纜系統(tǒng)布線一般都集中于狹小的機(jī)壁內(nèi)，飛機(jī)機(jī)壁內(nèi)幾乎遍布導(dǎo)線，因此航空電纜系統(tǒng)要求高可靠、高集成、高輕便；由于導(dǎo)線種類繁多，各類電源線、高低頻信號線、數(shù)據(jù)線混雜在一起，長度可達(dá)數(shù)百公里，電氣環(huán)境十分復(fù)雜，從而使其潛在故障增多，許多空難事故和飛行器故障都直接或間接與電纜系統(tǒng)故障有關(guān)，因此，航空電纜的“健康”是飛機(jī)安全運(yùn)行的重要保障，電纜安全問題尤為重要。但是國內(nèi)對于航空全機(jī)電纜測試技術(shù)的研發(fā)比較欠缺，遠(yuǎn)落后于國外已處于常規(guī)應(yīng)用的現(xiàn)狀。

根據(jù)飛機(jī)全機(jī)電纜分布距離長（近百米）、點(diǎn)數(shù)多（3萬點(diǎn)以上）的測試要求，本文提出一種基于CAN總線的分布式柔性電纜測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測試點(diǎn)數(shù)可擴(kuò)展性、基于電纜智能識別的測試柔性、分布式測試端多點(diǎn)激勵(lì)性等優(yōu)點(diǎn)，可滿足大客、大運(yùn)等飛機(jī)總裝和維修部門的檢測需求。

1 基于CAN總線的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信總線，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率高，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，各節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)現(xiàn)自由通信。

圖1所示為基于CAN總線的分布式電纜測試系統(tǒng)，由主機(jī)、CAN總線適配卡，CAN總線和分布機(jī)組成。

主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的電纜連接信息和接插件信息生成測試程序，發(fā)布信息并監(jiān)控各個(gè)分布機(jī)的工作情況、通過測試軟件提供人機(jī)交互的界面。主機(jī)構(gòu)成原理圖如圖2所示。主機(jī)通過CAN總線適配卡與CAN總線通訊，CAN總線適配卡采用RS 232-CAN接口，由MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片、AT 89S52單片機(jī)、CAN總線控制芯片SJA1000和收發(fā)器TJA1050等組成。SJA1000是一款獨(dú)立的控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)。TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器，可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送功能?？偩€適配卡的基本工作原理是：主機(jī)通過RS 232將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)，由單片機(jī)按照特定的CAN應(yīng)用協(xié)議通過CAN總線控制器SJA1000和CAN發(fā)送器TJA1050轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線。分布機(jī)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)分布機(jī)與主機(jī)以及分布機(jī)與分布機(jī)之間的通信，完成電纜的通斷、電阻、絕緣耐壓以及電容測試和故障定位等功能，在主機(jī)的統(tǒng)一調(diào)配下可進(jìn)行電纜自動(dòng)識別和非冗余多點(diǎn)激勵(lì)測試，從而提高測試速度。

2 分布機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)以模塊化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，每個(gè)分布機(jī)都具有相同的轉(zhuǎn)接接插件和測試功能，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電纜特征自動(dòng)識別電路，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接電纜盲插功能，所以可滿足大距離分布測點(diǎn)的分布機(jī)互換性。分布機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

它由ARM微控制器模塊、CPLD模塊、繼電器矩陣開關(guān)模塊和測試模塊構(gòu)成。每個(gè)分布機(jī)的測試點(diǎn)容量為3 000點(diǎn)，測試點(diǎn)選擇電路由復(fù)雜可編程器件（CPLD）控制的大規(guī)模繼電器矩陣開關(guān)組成，可以在同一時(shí)間實(shí)現(xiàn)多路通道之間的電纜檢測。

2．1 ARM微控制器

分布機(jī)選用LPC2290ARM芯片作為主控制器，LPC2290片上資源豐富，可以滿足該系統(tǒng)對于測試電路的控制需求，并且可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，支持JTAG實(shí)時(shí)仿真，開發(fā)調(diào)試方便。同時(shí)LPC2290內(nèi)部集成2路CAN控制器又可使其作為CAN總線的節(jié)點(diǎn)，省去了CAN控制器外圍電路的設(shè)計(jì)，減少干擾。其內(nèi)置的CAN控制器符合CAN 2．0B，ISO11898—1總線規(guī)范，總線的數(shù)據(jù)波特率可達(dá)1 Mb／s，可訪問32位的寄存器和RAM，全局驗(yàn)收過濾器可識別幾乎所有總線的11和29位R標(biāo)識符，驗(yàn)收過濾器為可選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供了FullCAN—style自動(dòng)接收。CAN控制器的驅(qū)動(dòng)電路依然選擇收發(fā)器TJA1050，并在ARM和收發(fā)器之間加入DC-DC電源隔離模塊和2路高速光耦器6N137組成的隔離電路，確保在CAN總線遭受嚴(yán)重干擾時(shí)控制器能夠正常工作。

2．2 測試電路模塊

測試電路模塊由高精度萬用表板卡完成通斷測試、絕緣測試、電容測試和故障定位等相關(guān)電纜測試的功能，分布機(jī)的主控制器LPC2290根據(jù)測試命令通過控制開關(guān)切換系統(tǒng)將測試電路加載到所需激勵(lì)電纜測試端口，并采集響應(yīng)端口的信息。

2．3 地址選通控制CPLD模塊設(shè)計(jì)

可編程邏輯器件已得到廣泛的應(yīng)用，為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來極大的靈活性，可以通過軟件編程對其硬件結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使硬件設(shè)計(jì)如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷。CPLD內(nèi)部有大量的門電路，適于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的組合邏輯。

2．3．1 CPLD功能實(shí)現(xiàn)

分布機(jī)利用CPLD實(shí)現(xiàn)主控制器LPC2290 I／O口擴(kuò)展，主控制器只需把待測電纜地址通過串行接口SPI發(fā)送給CPID，由CPLD控制繼電器矩陣開關(guān)進(jìn)行選通。CPLD采甩Altera公司的MAXⅡ系列的EPM570ZM256C6，具有160個(gè)通用I／O口。開發(fā)工具采用Altera公司推出的綜合性PLD開發(fā)軟件QuartusⅡ。根據(jù)分布機(jī)測點(diǎn)容量需求，CPLD設(shè)計(jì)成一個(gè)150位串入并出的移位寄存器和一個(gè)150位的輸出鎖存器，寄存器與輸出鎖存器的控制相互獨(dú)立，綜合后的功能模塊如圖4所示。其中，CLK為移位寄存器的時(shí)鐘輸入，數(shù)據(jù)在上升沿時(shí)讀入；SI是串行輸入口；SO為串行輸出，用于進(jìn)行級聯(lián)；LAT是輸出鎖存器控制信號，數(shù)據(jù)在其上升沿時(shí)輸出；EN為使能端，高電平使能輸出，低電平則使輸出為高阻態(tài)。20片CPLD級聯(lián)可以使分布機(jī)實(shí)現(xiàn)3 000點(diǎn)的測試容量。

2．3．2 LPC2290對CPLD的控制

LPC2290通過SPI接口控制CPLD，連接原理圖如圖5所示。

該系統(tǒng)中SPI總線操作的流程圖如圖6所示。LPC2290的SPI接口數(shù)據(jù)傳輸格式的設(shè)置要與CPLD數(shù)據(jù)傳輸格式相符合，即SPCR=0x30，SPI接口每次發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中需要做375次循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)3 000位數(shù)據(jù)的串入并出。

關(guān)鍵程序代碼如下所示：

2．4 繼電器矩陣開關(guān)設(shè)計(jì)

矩陣開關(guān)的主要作用是實(shí)現(xiàn)對測試點(diǎn)的導(dǎo)通選擇以及將測試電路切換到相應(yīng)的通道。與CPLD相對應(yīng)，矩陣開關(guān)以150個(gè)點(diǎn)為單位。

繼電器作為測點(diǎn)通斷的執(zhí)行元件，其可靠性和反應(yīng)速度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，選擇具有高可靠性、高信號隔離度和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)的12 V繼電器EC2—12作為切換控制繼電器。EC2—12是單線圈自鎖繼電器，當(dāng)輸入+12 V激勵(lì)時(shí)繼電器閉合，并且狀態(tài)會(huì)一直保持，直到-12 V激勵(lì)到來時(shí)繼電器才會(huì)打開。選擇L298N組成繼電器驅(qū)動(dòng)電路，該驅(qū)動(dòng)電路能將TTL邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)所需的±12 V電壓，實(shí)現(xiàn)繼電器的置位和復(fù)位。利用每一EC2—12的2個(gè)常開點(diǎn)（K1和K2是繼電器1和繼電器2常開點(diǎn)）控制2個(gè)（例如0和1）測點(diǎn)，每一對繼電器控制兩個(gè)測點(diǎn)位置（繼電器1控制輸出端，繼電器2控制輸入端），其原理圖如圖7所示。測試電路經(jīng)切換開關(guān)接到輸入和輸出端，實(shí)現(xiàn)對待測電纜的測試。

3 結(jié)語

該系統(tǒng)在確定CAN總線工作模式的基礎(chǔ)上，分布機(jī)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)；針對大規(guī)模矩陣開關(guān)模塊的控制方式，提出了基于CPLD的設(shè)計(jì)方案，給出硬件實(shí)現(xiàn)方法和部分通信程序流程。系統(tǒng)可以根據(jù)待測對象實(shí)現(xiàn)測試容量的擴(kuò)充，使用方便，能夠在主機(jī)統(tǒng)一調(diào)配下實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)激勵(lì)，提高測試速度和測試柔性，可應(yīng)用在航空電纜等具有復(fù)雜電纜網(wǎng)絡(luò)的大型設(shè)備場合。

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