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

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 CPLD技術(shù)和總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式柔性電纜測(cè)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(hào)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(hào)線、數(shù)據(jù)線混雜在一起，長(zhǎng)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“安康”是飛機(jī)安全運(yùn)行的重要保障，電纜安全問(wèn)題尤為重要。但是國(guó)內(nèi)對(duì)于航空

2、全機(jī)電纜測(cè)試技術(shù)的研發(fā)比較欠缺，遠(yuǎn)落后于國(guó)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(zhǎng)（近百米）、點(diǎn)數(shù)多（3萬(wàn)點(diǎn)以上）的測(cè)試要求，本文提出一種基于CAN總線的分布式柔性電纜測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測(cè)試點(diǎn)數(shù)可擴(kuò)展性、基于電纜智能識(shí)別的測(cè)試柔性、分布式測(cè)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(mén)的檢測(cè)需求。 1 基于CAN總線的測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)造 CAN總線是一種有效支持分布式控制的串行通信總線，構(gòu)造簡(jiǎn)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(cè)試系統(tǒng)，由主機(jī)、CAN總線適配卡，CAN總線和分布機(jī)組

3、成。 主機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的電纜連接信息和接插件信息生成測(cè)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(guò)測(cè)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(guò)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。總線適配卡的基本工作原理是：主機(jī)通過(guò)RS 232將數(shù)據(jù)發(fā)

4、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(guò)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(guò)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(cè)試和故障定位等功能，在主機(jī)的統(tǒng)一調(diào)配下可開(kāi)展電纜自動(dòng)識(shí)別和非冗余多點(diǎn)激勵(lì)測(cè)試，從而提高測(cè)試速度。 2 分布機(jī)的硬件構(gòu)造 該系統(tǒng)以模塊化設(shè)計(jì)為根底，每個(gè)分布機(jī)都具有相同的轉(zhuǎn)接接插件和測(cè)試功能，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電纜特征自動(dòng)識(shí)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(cè)點(diǎn)的分布機(jī)互換性。分布機(jī)的硬件構(gòu)造如圖3所示。 它由ARM微控制器模塊、

5、CPLD模塊、繼電器矩陣開(kāi)關(guān)模塊和測(cè)試模塊構(gòu)成。每個(gè)分布機(jī)的測(cè)試點(diǎn)容量為3 000點(diǎn)，測(cè)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(kāi)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(cè)。 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(duì)于測(cè)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(kāi)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，ISO118981總線規(guī)范，總

6、線的數(shù)據(jù)波特率可達(dá)1 Mbs，可訪問(wèn)32位的存放器和RAM，全局驗(yàn)收過(guò)濾器可識(shí)別幾乎所有總線的11和29位R標(biāo)識(shí)符，驗(yàn)收過(guò)濾器為可選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符提供了FullCANstyle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)器之間參加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(cè)試電路模塊 測(cè)試電路模塊由高 萬(wàn)用表板卡完成通斷測(cè)試、絕緣測(cè)試、電容測(cè)試和故障定位等相關(guān)電纜測(cè)試的功能，分布機(jī)的主控制器LPC2290根據(jù)測(cè)試命令通過(guò)控制開(kāi)關(guān)切換系統(tǒng)將測(cè)試電路加載到所需激勵(lì)電纜測(cè)試端口，并采集

7、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(lái)極大的靈活性，可以通過(guò)軟件編程對(duì)其硬件構(gòu)造和工作方式開(kāi)展重構(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(mén)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 IO口擴(kuò)展，主控制器只需把待測(cè)電纜地址通過(guò)串行接口SPI發(fā)送給CPID，由CPLD控制繼電器矩陣開(kāi)關(guān)開(kāi)展選通。CPLD采甩Altera公司的MAX系列的EPM570ZM256C6，具有160個(gè)通用IO口。開(kāi)發(fā)工具采用Altera公司推出的綜合性PLD開(kāi)發(fā)軟件Q

8、uartus。根據(jù)分布機(jī)測(cè)點(diǎn)容量需求，CPLD設(shè)計(jì)成一個(gè)150位串入并出的移位存放器和一個(gè)150位的輸出鎖存器，存放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為移位存放器的時(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，用于開(kāi)展級(jí)聯(lián)；LAT是輸出鎖存器控制信號(hào)，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(jí)聯(lián)可以使分布機(jī)實(shí)現(xiàn)3 000點(diǎn)的測(cè)試容量。 綜合后的功能模塊 2.3.2 LPC2290對(duì)CPLD的控制 LPC2290通過(guò)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

9、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=0 x30，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。 SPI總線操作的流程圖 關(guān)鍵程序代碼如下所示： 關(guān)鍵程序代碼 2.4 繼電器矩陣開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) 矩陣開(kāi)關(guān)的主要作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試點(diǎn)的導(dǎo)通選擇以及將測(cè)試電路切換到相應(yīng)的通道。與CPLD相對(duì)應(yīng)，矩陣開(kāi)關(guān)以150個(gè)點(diǎn)為單位。 繼電器作為測(cè)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(hào)隔離度和性能穩(wěn)定等特點(diǎn)的12 V繼電器EC212作為切換控制繼電器。EC212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(lái)時(shí)繼電器才會(huì)打開(kāi)。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(hào)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EC212的2個(gè)常開(kāi)點(diǎn)（K1和K2是繼電器1和繼電器2常開(kāi)點(diǎn)）控制2個(gè)（例如0和1）測(cè)點(diǎn)，每一對(duì)繼電器控制兩個(gè)測(cè)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(cè)試電路經(jīng)切換開(kāi)關(guān)接到輸入和輸出端，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電纜的測(cè)試。 原理圖 3 結(jié)語(yǔ) 該系統(tǒng)在確定C