钻取采样装置静态接口测试系统设计

陈德靖，侯 文，高曰云

（1.中北大学 仪器与电子学院，太原 030051；2.中北大学 信息与通信工程学院，太原 030051；3.大唐微电子技术有限公司，北京100094）

钻取采样装置在电测过程中，静态接口测试需要检验人员手工检测4～5 h，且操作时由于装置位置关系，部分操作较为困难，同时手工检测还存在静电、短接等风险，因此为节省检测时间，降低操作风险，需要研制钻取采样装置静态接口检测仪。该测试系统针对钻取采样装置在电测过程中遇到的相关问题进行设计，在LabVIEW应用程序和PXI嵌入式控制器的基础上[1-2]，对钻取电缆网各机构组件电接口接点间特性进行测量，为评估线缆网及各功能模块技术状态建立基本依据，实现上位机与被测设备的信号采集、通信。经交付、试验，该测试系统测量精度高[3]，具有良好的稳定性和可靠性[4]。

1 系统构成

测试系统由前端接线箱、继电器矩阵模块、测量模块、主控制器、机箱构成，功能逻辑框图如图1所示。其中，前端接线箱提供多个型号接插件的接入，由低阻率导线将多个接插件节点汇总为64端子的单接插件输出，同时接线箱提供线路电阻自动补偿接口；接线箱输出与继电器矩阵模块连接，在主机控制下，继电器矩阵模块按照既定测量要求通断，将待测量端子路由至测量模块。测量模块根据策略实现测量模式切换，输出测量结果，由主控制器读取并记录测量结果。继电器矩阵模块、测量模块、主控制器均采用PXI总线测试架构，插接在便携式架构机箱背板。配套测试软件，完成对设备各功能模块的控制，具有人机交互、测量、记录、分析、报告输出等功能。

图1 测试系统功能逻辑Fig.1 Functional logic block diagram of test system

2 系统软件设计

2.1 软件结构功能设计

图2 程序总体设计Fig.2 Block diagram of the overall program design

通过LabVIEW的自动多线程技术[5]，软件结构包含4个并行的循环，程序总体设计框架如图2所示。主程序除去初始化界面，共包含4个模块：事件处理模块、消息处理模块、通讯模块、数据解析模块。各模块在功能上各有不同，事件处理模块主要用来响应用户的操作，判断用户需要测试整形机构电缆、加载机构电缆或者是钻进机构电缆中的测试项，事件处理模块能够实时处理用户的操作，并依据其操作，将不同的处理信息交给消息处理模块进行处理；消息处理模块主要是接收事件处理模块的指令，并且将接收的指令或者采集到的数据进行处理，在处理过程中也会与通信模块进行通信，或者将部分数据交由数据解析模块来处理；通信模块主要实现与各硬件之间的通信，能够保证上位机指令准确无误地作用到硬件板卡上；数据解析模块可进行大量的数据操作，主要包括曲线显示、数据记录和报表生成等一系列围绕数据参数进行的处理，系统大量的数据解析与处理都在此模块中完成。

2.2 JKI与生产者消费者结构结合

程序整体上采用LabVIEW连续采集记录的生产者消费者结构[6]，事件处理模块采用的是JKI状态机，作为生产者，向其消费者（消息处理模块、通信模块、数据解析模块）发送信息，其他条件分支负责响应事件结构产生的事件。JKI状态机通过事件结构快速响应前面板用户事件，并且能够通过简单的出队列、入队列命令灵活地修改程序执行的状态，能够很好地解决本项目前面板大量操作的问题。连续采集的消息处理循环作为典型的消费者，不断地接收来自生产者事件处理模块的信息，并根据其不同，交由其他的分支处理，与此同时，该循环还不断地同各板卡之间进行通信以完成数据的连续采集工作。

3 电阻测试链路补偿

连接器端子输入输出采用物理多路复用方式，为避免出现测试结果有误，在测试过程中要时刻保持同一时刻仅有一个接插件接入。而接线箱提供有线路电阻补偿端子，将补偿附件与补偿端子插接后，可完成电阻测试链路中线缆、接线端子接触等引入电阻的补偿。测量链路中引入电阻如图3所示，针对该链路，给出以下2种设备测量结果补偿方案。

图3 链路引入路电阻构成Fig.3 Path resistance of link is introduced

补偿方案一线缆箱补偿端子与输出接插件连接。该链路中，继电器通路电阻所占比例较大。经补偿后，输出端子、连接线缆、继电器通路电阻可以消除，在设计上，补偿端子、补偿附件所引入电阻较小，可以测量得到。这种补偿方案的优点是设计简单，可以选择多种类型补偿端子；缺点是不能补偿输入接插件端子电阻与线缆箱电阻的误差。在实际的补偿过程中，由于选取的补偿端子较为合适，输入接插件端子电阻与线缆箱电阻的误差在测量允许的范围内，因此本着设计简单易实现的原则，在最终的设计方案中采用了这一方案。而第二种方案，能够得到更精确的电阻测量精度，在此也列出作为参考。

补偿方案二线缆箱补偿端子与输入接插件连接。该链路中所引入电阻都可以完成补偿。这种补偿方案的优点是线缆间电阻测量精度更准确；缺点是需要配备与输入端子型号一致的补偿端子。根据需要，用户可选择定期补偿或测量前补偿，补偿系数保存在主机中，在下次测量时自动读取使用。

4 测量模块模式

继电器矩阵模块用于将接线箱任意端子的组合切换为测量模块所规定的形式。该模块为64×4矩阵，逻辑示意如图4所示。

图4 继电器矩阵模块原理Fig.4 Principle of relay matrix module

图4中，Y1～Y4分别与测量模块的输入端连接，运行于主机的测试软件根据测试序列控制完成接插件端点的切换。X1～X64为接线箱的输出，该输出与被测线缆存在一定的映射关系。测量模块用于完成被测线缆端点间特性的测量，如电阻、电压等。根据任务需要，测量模块可配置为四线制电阻测量、两线制电阻测量和二极管测量3种工作模式[7-8]。

测量模块工作时对外可等效为一个恒流源，以小阻值电阻测量时采用的四线制为例，其基本测量原理如图5所示。测试软件将继电器矩阵模块切换为四线输出，图4中继电器输出Y1、Y2切换到与图5 中 HI、HIsense 输入保持连接；Y3、Y4切换到与图 5中 LO、LOsense 输 入保持连接。测量模块输出恒流，该恒流在被测线缆两节点产生电压，由测量模块测量后输出。主机完成对测量结果的读取、补偿以及显示。

大阻值电阻的测量采用两线制方式，测量原理如图6所示，测试流程同小阻值测量一致，此处不再赘述。

二极管的基本特性是二极管正向电压在某一区段内基本不随电流变化。依据这一特性，测量模块采用对二极管进行恒流激励，并读取二极管两端电压值的方式判定二极管状态。

图5 四线制测量原理Fig.5 Four-wire measurement principle

图6 两线制测量原理Fig.6 Two-wire measurement principle

5 结语

本文介绍了一种基于LabVIEW应用程序和PXI嵌入式控制器的钻取采样装置静态接口测试系统[9]。该系统对钻取电缆网各机构组件电接口接点间特性进行测量，为评估线缆网及各功能模块技术状态建立了基本依据，并且在试验的过程中得到完整的测试数据，提供了完整的数据存储与处理。本文所提及的电阻测试链路补偿方案，能够很好地避免电阻测量误差，不同模式的测量模块能够高精度完成小电阻、大电阻和二极管的测量。在交付试验中，其性能稳定，实用性强，结构设计合理，集成度高，具有很强的通用性，对其他的测试系统有一定的借鉴意义[10]。

[1]张华，郑宾，武晓栋.基于LabVIEW的温度测试系统[J].电子器件，2013，36（2）：243-244．

[2]卢超，李鹏辉.基于虚拟仪器的有害气体报警仪[J].电子器件，2013，36（4）：561-563．

[3] 孙先松，王鲁涛.基于DSP和LabVIEW的1553B总线芯片测试系统的设计与实现[J]．计算机测量与控制，2014，22（8）：2412-2413．

[4] 梁立柱，施华君，傅山．1553B总线控制器双冗余方案的LabVIEW仿真[J]．计算机工程，2012，38（16）：230-231．

[5]冉景洪，赵玲，季辰，等.基于LabVIEW的颤振激励信号生成与测试系统研究[J].中国测试，2011，37（1）：85-87．

[6]李宁，徐冠基，张志强，等．列车车载蓄电池组参数在线监测系统研发[J]．中国测试，2014，40（1）：107-109．

[7]周敏，葛兴市.三线制及四线制热电阻测量方法的探究[J].计量测试与检定，2015，25（3）：33-34．

[8]徐伟，行鸿彦.自动气象站采集器的温度通道检定仪[J].仪表技术与传感器，2014（10）：40-42．

[9]黎文航，杨峰，朱志愿，等.基于LabVIEW的高精度电阻-温度法相变点测试仪研制[J].江苏科技大学学报，2010，24（6）：555-557．

[10]赵大鹏，李泽乾.基于VXI总线的空空导弹发控平台测试系统设计[J].计算机测量与控制，2008，16（1）：78-80．