电缆及转接型电路的自动化故障检测方法
时间：2023-03-10 18:20:06 来源：千叶帆 本文已影响人
石浩，杨军，蒋敏玉
（南京电子技术研究所，江苏南京， 210013）
在现代电气设备中，对多线通路如电缆、转接型电路板的自动化检测需求日益增大。电缆（多线通路）的模型非常简单[1]，但是在待测通路数量庞大的情况下，其检测所需资源和耗费时间也是随着通路数量呈几何级增大[2~3]。
如图1所示的模型中，我们要对一个“一对一”通路进行检测。检测的正常指标有两个，
图1 电缆（多线通路）模型
（1）输入点Sin-n的检测信号需要在Sout-n的端口检测到；
（2）输入点Sin-n的检测信号必须无法从其他端口检测到。
如果符合上述两点指标要求，则判定该通路正常。反之，该电缆（多线通路）就存在异常情况。
具体异常的三种情况如下：
Case1：待测线路“断路”（Open）：表现为从Sin-n端输入的信号在Sout-n端口检测不到，并且在其他端口也检测不到；
Case2：待测线路“短路”（Short）：表现为从Sin-n端输入的信号除了在Sin-n端口能检测到，还在其他端口（如Sout-1）端口也被检测到了；
Case3：待测线路“错接”（Wrong Connection）故障表现为从Sin-n端输入的信号在Sout-n端口检测不到，但是在其他端口被检测到了。
如何对这个简单模型设计一种自动化检测方法呢？本文将讨论三种方法，并比较其优劣。分别为：单信号遍历查询法、多信号同时查询法、单信号黑箱优化查询法。
单信号遍历查询法在目前很多的电缆检测设备中使用，通常采用矩阵对比的方法[4]。它是对待测电缆和电路的输入端口依次输入驱动信号，例如每次在输入口加载一个简单信号（如DC 5V），就在输出端口全部依次检测（遍历查询），形成矩阵数据。如图2所示。
图2 单信号遍历查询法
单信号遍历查询法的无疑可以细致全面地给出检测结果，分析出每一条待测线路的具体短路或错接对象。
但是其缺点是在输入口某一端子输入驱动信号（5V）后，为了检测其是否与电缆（多线通路）中其他线路存在“短路”“错接”等关系，需要对输出口（Sout-1……Sout-n）所有端子进行“遍历式”查询。
单信号遍历查询法需要占用大量数位资源和消耗检测时间，造成自动化检测成本升高、效率下降。这种方法的过程是这样的：依次从线路1到n分别查询对应通路的电气状态。首先，在查询“待测通路1”时（对应端口是Sin-1和Sout-1），在端口Sin-1输入一个驱动电平信号，然后在端口Sout-1、Sout-2、Sout-3……Sout-n分别测量：
当端口Sout-1测试到电平，而其他所有端口均测试为0时，可知1通路状态为“正常”；
当端口Sout-1测试到电平，同时其他某一端口也测试到电平时，可知“待测通路1”对“其他某一端口”存在“短路”故障；
当端口Sout-1测试不到电平，并且其他所有端口也测试不到电平时；
可知“待测通路1”存在“断路”故障；
当端口Sout-1测试不到电平，而其他某一端口测试到电平时，可知“待测通路1”对测试到电平的通路“错接”。
由上述步骤我们可以看到，要检测待测线路1的电气故障状态，要对Sout-1至Sout-n共计n个端子做遍历测量。如果要测完整个待测电缆，则需要n×n次测量，即使考虑到已正常电缆无需重复测试，也需要n+(n-1)+(n-2)……+1次测量。
完成测量所需时间为：
或至少为：
上式中，T为总测量时间，n为待测电缆（多线通路）所含线路数量，t为单次测量消耗时间。
单信号遍历查询法不仅消耗测量时间，而且对系统数位资源占用比较高。仍以上述n线电缆为例，对I/O口的要求是：发出驱动电平信号的I/O口需要n个，同时检测I/O口也需要n个，总计需要的I/O口数量为：
多信号同时查询法可以大幅节约测试时间。其原理是采用不同信号同时输入至Sin-1、Sin-2、……Sin-n。比如说在Sin-1输入十六进制的1，在Sin-2输入十六进制的2,……在Sin-n输入十六进制的n。然后在输出端口Sout-1、Sout-2、……Sout-n进行一次遍历查询。并将输出结果和对应的输入端口做差值运算，得出结果为0的（表征输入输出一致）判定为正常；
得出结果非0的，判定为异常。如图3所示。
图3 多信号同时查询法
多信号同时查询法，所需的检测时间是：
上式中，T为总测量时间，n为待测电缆（多线通路）所含线路数量，t为单次测量消耗时间，tc为差值计算时间。这个方法在遍历时间上虽然有优势，但是很容易发现它有两个弱点：
一是在n个输入端同时提供各异信号需要占用大量的硬件资源，造成所需资源庞大；
二是存在漏判的可能性—这个可能性由输入信号编号的单数位重合性造成，例如输入端信号为0001线路（1号线路）和信号为0011的线路（3号线路）短路的话，在3号线路的输出口信号依然正常，导致出现漏判。如果要避免整个问题，必须在输入信号设计上避免编号叠加重复。
由于上述两个缺陷，多信号同时查询法不建议广泛推广。
本文设计了一种黑箱故障查询方法，可以在单信号遍历查询的基础上提高效率。具体方法是，将被测线路作为一路；
把其他未测线路全部短路作为一个整体，成为检测的另一路。如图4所示。
图4 单信号黑箱优化查询法
以线路1为例，测试步骤是：
（1）在线路1的输入口Sin-1输入一个简单信号：5V；
（2）检测线路1的输出口Sout-1进行一次查询，获得St作为数据（0V或5V）；
（3）检测线路2或3……或n任意一个端口（因为2、3……n线路已全部短路）进行一次查询，获得Su作为数据（0V或5V）。
从上述步骤，我们获得St和Su两个数据，这两个数据的组合，就可以表征出待测线路（例中的线路1）的状态。
正常情况分析：如图4所示，当待测线路（线路1）正常时，在Sin-1端口输入的5V会出现并且仅出现在Sout-1端口上，其他端口均为0V，我们记录为（1，0）；
短路情况分析：我们假设待测线路（线路1）与非待测线路（线路2或其他任意线路）出现短路。如图5所示。
图5 短路情况
在短路情况下，输入的5V检测信号不仅出现在它应该出现的Sout-1输出端口上，同时也出现在被短路的Sout-2输出端口，从而造成了St和Su两个数据都是5V，我们记录为（1，1）；
开路情况分析：我们假设待测线路（线路1）开路。如图6所示。
图6 开路情况
在开路情况下，输入的5V检测信号没有出现在任何端口上，从而造成了St和Su两个数据都是0V，我们记录为（0，0）；
错接情况分析：我们假设待测线路（线路1）与非待测线路（线路2或其他任意线路）出现错接。如图7所示。
图7 错接情况
在错接情况下，输入的5V检测信号没有出现在它应该出现的Sout-1输出端口上，但是出现在被错接的Sout-2输出端口，从而造成了St是0V但Su是5V，我们记录为（0，1）。
以上分析形成如表1的真值表。
表1 检测结果真值组成含义
我们只需要依次对输入端口输入5V信号，并在每次输入后进行两次查询，就可以对待测电缆（多线通路）进行全部检测了。
综合起来，完成测量的时间为：
上式中，T为总测量时间，n为待测电缆（多线通路）所含线路数量，t为单次测量消耗时间。
总计需要硬件的I/O口数量（含驱动源）为：
根据单信号黑箱优化查询法的原理，需要对输入端口进行依次选择，并对输出信号进行查询，因此设计了两个PLC模块进行选择工作，并且两个PLC模块必须选择同一编号（对应同一线路）。电路原理如图8所示。
图8 电路原理设计
我们将这个设计应用在某型雷达电缆的控制模块自动化维修平台。作为测试机柜的一个部分，专门负责检测一个60路转接基板（多线通路）及其附属电缆的电气故障。如图9所示。
图9 电路原理实现实物图
完成自动化检测后，控制电路将数据上传至上位机控制软件，软件记录并提供给用户直观的检测结果。如图10所示。
图10 装置工作时软件界面
在对三种电缆自动化测试方法进行比较后，我们认为在测试时间和硬件资源利用效率方面，单信号黑箱优化查询法比较具有优势。并且根据该方法研制了实施电路，并应用在某自动化测试台上。经过验证，效果非常理想。该方法借用了工程分析中常用的黑盒原理[5]，对待测通路和非待测通路进行了区分和统一化处理，这样从技术上避免了数位资源的浪费。利用软件控制单片机对PLC端口依次选通，并且读取回馈的真值即可实现对多路的电连接装置进行电气故障查询，这项技术设计原理简单，使用的器件价格成本低廉。在设计中充分考虑寿命器件的更换和工作指示等细节问题。并且在更多的应用环境下，该方法理论上可以拓展容量，其测试线路越多，效率优势体现越明显。
该方法及其技术成果的重要意义在于优化了电缆或多线通路自动化电气检测方法，具有工程推广价值和广阔应用前景。
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