一种便携式航空电缆故障测试系统的制作方法

本实用新型涉及电缆测试领域，尤其涉及一种便携式航空电缆故障测试系统。

背景技术：

航空电缆是飞机的神经系统，为飞机的电气、航电、通讯、操纵等系统输送动力电源、传递控制信号和数据信息。在机务维修中，航空电缆故障的准确检测对保证飞机质量和飞行安全具有重要意义。

调研反馈的信息表明，各种飞机(如直升机、歼击机等)在组装调试和部队使用维护过程中，都会出现因机载设备工作异常而需要测试机上电缆的问题。目前的做法通常是采用普通的数字万用表，接上很长的导线，由两个测试者在电缆两端分别测试各个端点，这种方法有许多不便之处：

1)被测电缆两端距离很可能较远，测试时需要拉很长的导线，非常不便；

2)测试时必须要两个人配合，而且彼此要交流协调，距离远造成交流不便，尤其是在环境噪声较大时更是困难；

3)被测电缆头很多都是在比较暗的狭小空间中，测试人员“钻”在里面查找细小的电缆节点既不准确又很容易疲劳；

4)需要逐点测，且每一点都要两人协调确定，因此测试速度很慢；

5)测试项不全面，仅能进行通断测试，不能对导通电阻、绝缘电阻、耐压及缩针等故障进行测试。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本实用新型提供一种便携式航空电缆故障测试系统，具有体积小、携带方便、适应性强、测试灵活、测试信息多、测试速度快、测试准确等优点，可满足总装前以及机务维护中对电缆的全部测试需求。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种便携式航空电缆故障测试系统，包括：主机、转接电缆、智能短接模块以及远程控制工作站；所述转接电缆、所述智能短接模块以及所述远程控制工作站皆连接至所述主机，其中，所述主机中设有：主控板、触控人机交互模块、测试模式切换与A/D采集板、开路/短路测试模块、高精度TDR故障定位模块、元件参数测试模块以及数字式通道切换模块；所述主控板用于接收用户以及远程控制工作站的操作指令，控制各模块进行测量操作；用于进行人机交互界面的显示、测试方法的选择、测试参数的配置以及测试数据的采集与存储；所述触控人机交互模块连接至所述主控板，可进行触摸屏操作、分页显示，显示内容包括：主菜单页、系统参数设定页、开路/短路测试页、元件参数测试页以及故障定位测试页；所述测试模式切换与A/D采集板连接至所述主控板，用于进行3种测量模式的切换，并对测试模拟量进行A/D数据采集；所述开路/短路测试模块、所述高精度TDR故障定位模块和所述元件参数测试模块分别连接至所述测试模式切换与A/D采集板；所述开路/短路测试模块用于进行电缆的开路/短路测试，所述高精度TDR故障定位模块采用TDR固态时域反射法测量电缆中同轴线、双绞线、屏蔽双绞线以及屏蔽线的故障位置，所述元件参数测试模块用于测量电缆中的串联电阻、电容以及二极管的元件参数；所述数字式通道切换模块分别连接至所述开路/短路测试模块、所述高精度TDR故障定位模块和所述元件参数测试模块，所述数字式通道切换模块用于待测电缆与各测量模块间的连接关系切换；所述转接电缆连接至所述主机中的所述数字式通道切换模块，用于插接待测电缆；所述智能短接模块和所述远程控制工作站皆连接至所述主机中的所述主控板，所述远程控制工作站用于进行：测试程序编制与导入、测试终端远程控制、电缆数据库的建立、测试数据分析与管理、以及测试故障查询。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步地，所述高精度TDR故障定位模块包括：核心控制处理单元、触发控制器、窄脉冲产生电路、信号调理电路、数据采集模块以及通信模块，其中，所述触发控制器、所述信号调理电路、所述数据采集模块以及所述通信模块皆连接至所述核心控制处理单元，所述窄脉冲产生电路和所述数据采集模块皆连接至所述触发控制器；所述窄脉冲产生电路和所述信号调理电路还分别与所述数字式通道切换模块相连接，所述信号调理电路还连接至所述数据采集模块；所述通信模块还与所述测试模式切换与A/D采集板相连接。

进一步地，所述核心控制处理单元发送命令至所述触发控制器，所述触发控制器触发所述窄脉冲产生电路，同时，所述触发控制器还发送控制信号和触发信号至所述数据采集模块；所述窄脉冲产生电路通过所述数字式通道切换模块发射窄脉冲至待测电缆，待测电缆的回波再通过所述数字式通道切换模块发送至所述信号调理电路；所述信号调理电路经所述数据采集模块发送数据至所述核心控制处理单元，所述核心控制处理单元与所述通信模块之间进行数据和命令的传输，所述通信模块与所述测试模式切换与A/D采集板之间进行数据和命令的传输；所述核心控制处理单元还可直接发送控制信号至所述信号调理电路和所述数据采集模块。

进一步地，所述数据采集模块包括：精密时钟源、延时芯片、A/D数据转换芯片和数据存储芯片；回波信号经信号调理电路后，进行A/D转换，并将数字量存入数据存储芯片；触发控制器的控制信号直接存入数据存储芯片；触发控制器的控制信号经延时芯片延时后存入数据存储芯片；核心控制处理单元的控制信号依次经过精密时钟源、延时芯片存入数据存储芯片。

进一步地，所述核心控制处理单元用于进行高速数据处理，计算电缆故障位置，并通过串口与上位机进行交互；所述核心控制处理单元中设有DSP芯片TMS320F2812。

进一步地，所述智能短接模块与主机配合，在操作端，主机通过转接电缆与待测电缆的近端插头相连，并通过接线夹与飞机机体相连；在短接端，智能短接模块通过转接头与待测电缆远端插头相连，亦通过接线夹与飞机机体相连。

进一步地，还包括高压绝缘测试模块，所述高压绝缘测试模块连接至所述转接电缆，用于对与所述转接电缆连接的待测电缆进行高压绝缘测试。

进一步地，还包括电源适配器与电池组与电源管理模块，所述电池组与电源管理模块设于所述主机中、连接至所述主控板，用于能量存储与电池组充放电管理；所述电源适配器与所述电池组与电源管理模块相连接。

本实用新型的有益效果是：除了具有一般电缆测试仪能够完成的双端测量功能外，还具有基于智能短接模块的单端参数测量功能，以及基于固态时域反射法(TDR)的故障点位置定位功能，可实现对线路故障的快速准确定位，以减少维修工作中的错误拆装次数，避免因错误拆装导致电缆寿命的减少。

附图说明

图1为本实用新型的便携式航空电缆故障测试系统的结构示意图；

图2a为本实用新型的高精度TDR故障定位模块测得的断路故障波形图；

图2b为本实用新型的高精度TDR故障定位模块测得的短路故障波形图；

图3为本实用新型的高精度TDR故障定位模块的结构示意图；

图4为本实用新型的窄脉冲产生电路的电路图；

图5为本实用新型的信号调理电路的电路图；

图6为等效采样原理图；

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：

100 主机

101 主控板

102 触控人机交互模块

103 测试模式切换与A/D采集板

104 开路/短路测试模块

105 高精度TDR故障定位模块

1051 核心控制处理单元

1052 触发控制器

1053 窄脉冲产生电路

1054 信号调理电路

1055 数据采集模块

1056 通信模块

106 元件参数测试模块

107 数字式通道切换模块

108 电池组与电源管理模块

200 转接电缆

300 智能短接模块

400 高压绝缘测试模块

500 电源适配器

600 远程控制工作站

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

请先参照图1所示，其为本实用新型的便携式航空电缆故障测试系统的结构示意图。所述测试系统包括：主机100、转接电缆200、智能短接模块300、高压绝缘测试模块400、电源适配器500以及远程控制工作站600；所述转接电缆200、所述智能短接模块300、所述电源适配器500以及所述远程控制工作站600皆连接至所述主机100，所述高压绝缘测试模块400连接至所述转接电缆200；其中，

所述主机100中设有：主控板101、触控人机交互模块102、测试模式切换与A/D采集板103、开路/短路测试模块104、高精度TDR故障定位模块105、元件参数测试模块106、数字式通道切换模块107以及电池组与电源管理模块108，其中，

所述主控板101为本实用新型的便携式航空电缆故障测试系统的控制核心，用于接收用户以及远程控制工作站的操作指令，控制各执行模块进行测量操作；用于进行人机交互界面的显示、测试方法的选择、测试参数的配置以及测试数据的采集与存储等；其技术指标优选为：四核ARM处理器，1.6GHz工作频率，4GB FLASH存储器，1GB RAM，2路RS485接口，1路以太网接口，2路USB接口；

所述触控人机交互模块102连接至所述主控板101，可进行触摸屏操作，分页显示，显示内容包括：主菜单页、系统参数设定页、开路/短路测试页、元件参数测试页、故障定位测试页等，所述主菜单页包括：电池电量指示、测量方法选择以及系统参数设定等选项；其技术指标优选为：分辨率1024*600，显示区域7英寸，四线电阻触摸屏；

所述测试模式切换与A/D采集板103连接至所述主控板101，用于进行3种测量模式的切换，并对测试模拟量进行A/D数据采集；为保证测量精度，优选采用16位A/D转换器；

所述开路/短路测试模块104、所述高精度TDR故障定位模块105和所述元件参数测试模块106分别连接至所述测试模式切换与A/D采集板103；所述开路/短路测试模块104用于进行电缆的开路/短路测试，施加4V电压，测量电流，计算回路阻值，通过判断线芯电阻值的大小，判断开路或短路状态，其技术指标优选为：128通道，电阻测量范围0.1Ω～100kΩ，配合智能短接模块使用，可进行单端测量；所述高精度TDR故障定位模块105采用TDR固态时域反射法测量电缆中同轴线、双绞线、屏蔽双绞线以及屏蔽线(机制)的故障位置，定位精度为20cm，故障点位置范围0.5m～100m；所述元件参数测试模块106用于进行电缆中的串联电阻、电容以及二极管等元件参数的测量，其中，电阻可为0.1Ω～100kΩ±3％，电容可为5nF～100μF±10％，二极管可为0～5V；

所述数字式通道切换模块107分别连接至所述开路/短路测试模块104、所述高精度TDR故障定位模块105和所述元件参数测试模块106，所述数字式通道切换模块107用于待测电缆与各测量模块间的连接关系切换，在使用智能短接模块时，通过1Wire总线与短接模块通讯，实现测量动作同步；所述数字式通道切换模块107支持128路线芯连接关系动态切换和1路1Wire通讯总线；

所述电池组与电源管理模块108连接至所述主控板101，用于能量存储与电池组充放电管理；其技术指标优选为：容量40000mAh，输出电压15V，输出电流3.5A，使用温度-10℃～50℃，充电时间6～10h，锂离子聚合物电池，具有过充、过放、过流、漏电、短路保护功能。

所述转接电缆200连接至所述主机100中的所述数字式通道切换模块107，用于插接待测电缆；所述智能短接模块300和所述远程控制工作站600皆连接至所述主机100中的所述主控板101，所述远程控制工作站600的主要功能包括测试程序编制与导入、测试终端远程控制、电缆数据库的建立、测试数据分析与管理、测试故障查询等；所述电源适配器500连接至所述主机100中的所述电池组与电源管理模块108。

在本实用新型的便携式航空电缆故障测试系统中，智能短接模块与主机配合，避免了长距离转接电缆的使用，从而实现了用户的单端操作；高压绝缘测试模块是一个可独立工作的组件，其工作参数可编程，耐压100V/250V/500V/1000V可设置，配置完成后可实现对问题电缆任意两点的高压绝缘测试；电源适配器用于为主机内部电池组充电；远程控制工作站为一台服务器计算机，可通过以太网与各分机相连，将电缆测试参数远程导入到各分机中，同时将测试数据读入到数据库中进行数据分析。

作为本实用新型的便携式航空电缆故障测试系统的核心模块，所述高精度TDR故障定位模块105的测量原理是：向电缆发送一个幅值和脉宽可调的低压脉冲电压信号，当电缆有故障时，由于故障点阻抗和电缆的特性阻抗不匹配而产生脉冲反射，从发射脉冲开始计时，直至接收到故障点反射脉冲的时间为△t，△t是脉冲在测试点和故障点之间往返一次的时间。设故障距离为S，脉冲在电缆中的传播速度为V，则S＝V(△t/2)。通过识别反射脉冲的起始位置、形状及幅度，来定位故障点的距离。图2a为断路故障波形图，图2b为短路故障波形图。

请再参照图3所示，其为本实用新型的高精度TDR故障定位模块的结构示意图；所述高精度TDR故障定位模块包括：核心控制处理单元1051、触发控制器1052、窄脉冲产生电路1053、信号调理电路1054、数据采集模块1055以及通信模块1056，其中，所述触发控制器1052、所述信号调理电路1054、所述数据采集模块1055以及所述通信模块1056皆连接至所述核心控制处理单元1051，所述窄脉冲产生电路1053和所述数据采集模块1055皆连接至所述触发控制器1052；所述窄脉冲产生电路1053和所述信号调理电路1054还分别与所述数字式通道切换模块107相连接，所述信号调理电路1054还连接至所述数据采集模块1055；所述通信模块1056还与所述测试模式切换与A/D采集板103相连接。

在所述高精度TDR故障定位模块中，所述核心控制处理单元1051发送命令至所述触发控制器1052，所述触发控制器1052触发所述窄脉冲产生电路1053，同时，所述触发控制器1052还发送控制信号和触发信号至所述数据采集模块1055；所述窄脉冲产生电路1053通过所述数字式通道切换模块107发射窄脉冲至待测电缆，待测电缆的回波再通过所述数字式通道切换模块107发送至所述信号调理电路1054；所述信号调理电路1054经所述数据采集模块1055发送数据至所述核心控制处理单元1051，所述核心控制处理单元1051与所述通信模块1056之间进行数据和命令的传输，所述通信模块1056与所述测试模式切换与A/D采集板103之间进行数据和命令的传输；此外，所述核心控制处理单元1051还可直接发送控制信号至所述信号调理电路1054和所述数据采集模块1055。由此，所述高精度TDR故障定位模块可实现ns级低压脉冲的发送和对回波信号的采集与分析。

电压脉冲信号作为被测故障电缆的激励源，其相关参数是否与实际测试条件相匹配，是整个系统能否实现精确定位的前提，须从形状、脉宽和幅值3个方面进行考虑：

1)在形状方面，矩形脉冲形成比较容易，有陡峭的上升沿和下降沿，便于波形采集，故脉冲形状选择矩形。

2)在脉宽方面，脉冲宽度影响系统定位盲区的大小。实际脉冲宽度总会持续一定的时间T，若在时间T内返回的反射脉冲与入射脉冲相重叠，就无法区分两者，则不能测量出故障距离。设电缆中的波速V为0.2m/ns，发射脉冲宽度为Δt，则对应的电缆长度l为：V(Δt/2)＝0.1Δt，若要实现小于0.5m的测量盲区，脉冲宽度Δt应在5ns以内。从减小盲区的角度看，脉冲越窄越好。但脉冲越窄，其包含的频率成分越高，在线路中的损耗越大；从能量角度看，脉冲越窄，所含能量也越小，无法进行长距离检测，故根据测量对象的不同要对脉宽和幅值进行相应的调整。

3)在幅值方面，以输入脉宽为4ns的脉冲信号为例，根据指标要求最长可测100m电缆，低压脉冲反射到起始端最长要经过200m的传输距离，最大衰减程度为20dB，就是说原来15V的信号将衰减到1.5V。为了能更好检测回波信号，回波最大衰减范围应该在0.5～2V之间，则发射脉冲幅值应为5～20V。

接下来，请参照图4所示，其为本实用新型的窄脉冲产生电路的电路图；在所述窄脉冲产生电路中，利用低压脉冲反射法测距，发送脉冲应为具ns级上升沿的窄脉冲；利用微波晶体管工作在雪崩区的开关特性，并结合MARX电路的基本工作原理，设计窄脉冲发生器；且为了消除电路中存在的雪崩依次延时，对电路中多个晶体管的基极加入了同步触发脉冲信号，使晶体管同时产生雪崩击穿，加快了负载上获得的脉冲的上升过程，获得了非常陡直的窄脉冲。

请再参照图5所示，其为本实用新型的信号调理电路的电路图；所述信号调理电路主要用来实现量程切换，以使输入信号满足数据采集要求；由于被测电缆故障位置的不同，ns级的回波脉冲信号幅值变化范围较大，可能会达到20V以上，为了避免对测试仪器造成损害，首先对输入信号进行限幅；同时，为了提高设备的输入阻抗，增加了射随电路；并且为了能够让回波信号在A/D最佳转换区进行采集，设计了一个可调增益的放大电路。

由于回波脉冲宽度为ns级，根据奈奎斯特采样定理，要还原回波信号波形，采样率要达到2GHz以上，这种超高速A/D转换器价格昂贵，且多数被国外禁运。为了达到测量目标，因回波信号具有可重复性，可采用等效采样原理使低速A/D达到高速A/D的采样效果。

由S＝V(△t/2)可知，对于长度为100m的电缆，A/D的重复采样间隔小于2us，才能满足等效采样的条件。等效采样原理如图6所示，设重复采样间隔为2us，A/D的采样频率100MHz，在第一个重复采样间隔内，采样200个点。在第二个重复采样开始时，相对第一次采样固定延时100ps，在第三个重复采样开始时，又相对第二次采样固定延时100ps。依次类推，直至一个完整的脉冲周期被采样完，依次将采样点按照采样顺序排列起来组成一个完整的波形，此时，A/D的等效采样率可达1/100ps＝10GHz，满足测试要求。

基于等效采样原理，本实用新型的数据采集模块1055包括：精密时钟源、延时芯片、A/D数据转换芯片和数据存储芯片；回波信号经信号调理电路后，进行A/D转换，并将数字量存入数据存储芯片；触发控制器的控制信号直接存入数据存储芯片；触发控制器的控制信号经延时芯片延时后存入数据存储芯片；核心控制处理单元的控制信号依次经过精密时钟源、延时芯片存入数据存储芯片；由此，多次采样信号由数据存储芯片发至核心控制处理单元进行波形重构，再经通信总线上传。

所述触发控制器1052用于产生每个重复采样间隔的启动信号并对重复采样间隔进行计数；当接收到核心处理单元的启动测试信号后，以1ms为单位进行计时，在每个整ms时刻，同时触发窄脉冲产生电路和数据采集电路工作，直到累计100次操作，从而完成一次完整的等效采样过程的控制。

所述核心控制处理单元1051用于进行高速数据处理，计算电缆故障位置，并通过串口与上位机进行交互；优选采用DSP芯片TMS320F2812，其为功能较强的32位控制器，既有数字信号处理能力，又有事件管理能力和嵌入式控制功能，适用于大批量事件处理的测控场合。

基于总体设计方案，DSP的软件功能主要有2项：一方面实现与上位机的数据通讯，接收测试参数，返回测试数据；另一方面，进行数据采集并对测试数据进行处理，最终计算出电缆故障位置。

DSP在接收到启动测试命令后，进行一次完整的等效采样，将采样数据按照时间顺序排序，同时进行幅值判断，若满足要求则进行数据拟合，进而找出回波脉冲信号的上升沿或下降沿(短路或断路点)，并计算出电缆故障点的位置，将测试结果传送到上位机。

另外，在DSP软件中，为了提高故障定位的准确度，采用了两种处理方式：

1)幅值判断：若采集信号幅值过小，受噪声影响，测量误差将会加大。因此，一次测量完成后首先要对信号的幅值进行判断，若幅值全部小于1V，则须进行放大倍数切换，重新测量，直到信号幅值满足要求为止；

2)数据拟合：由于噪声原因，在脉冲的上升沿起始处容易产生数据波动，造成脉冲的起始点判断困难。采用最小二乘法进行数据拟合，可有效降低噪声的干扰。

在本实用新型的便携式航空电缆故障测试系统中，所述智能短接模块300的开发目的是解决机上电缆排故时转接电缆长、铺设不便的问题，最大限度简化测量前的准备工作。智能短接模块与主机配合，在操作端，主机通过转接电缆与待测电缆的近端插头相连，并通过接线夹与飞机机体相连；在短接端，智能短接模块通过转接头与待测电缆远端插头相连，亦通过接线夹与飞机机体相连。其测量原理是：利用飞机机体等电位的特性，将机体作为主机与智能短接模块之间的公共信号地，同时从待测电缆本身的线芯中动态选择一根作为通讯线，从而实现无外接通讯电缆情况下的主机与智能短接模块的双向通讯，同步测量；智能短接模块可将待测电缆远端的任意线芯与公共信号地相连，从而形成相对于近端导通电阻测量回路，主机通过测量该回路的导通电阻，即可实现通断测量。测量时，主机和智能短接模块首先以扫描的方式选定线缆中的一根导线作为1-WIRE通讯线，建立通讯联系；然后，智能短接模块通过1-WIRE总线接收主机的命令，控制模拟开关，使线缆中相应导线接地，形成测量回路。

本实用新型的便携式航空电缆故障测试系统的技术指标如下：

1)测试点数：128点；

2)低压测试电压：最高4V；

3)低压测试电流：3uA-6mA；

4)高压测试电压范围：50－1000VDC/5MΩ－1000MΩ；

5)元件测试：二极管、电阻(0.1Ω-5MΩ)、电容(5nF-100uF)；

6)短路/断路故障点定位距离：100m；

7)定位盲区：小于0.5m；

8)短路/断路故障点定位精度：±20cm。

本实用新型的便携式航空电缆故障测试系统具有如下特点：

1)集成度高：集故障识别与定位、导通测试、绝缘/耐压测试、元件测试多种功能于一体，尤其是系统在具备电气性能测试功能的同时集成了高精度故障定位功能。

2)单端测：系统的测试方式为单端测量，可大幅简化转接电缆的使用。一方面可通过固态时域反射法实现对同轴线、双绞线、屏蔽线导通故障的单端测量；另一方面，可通过“主机+智能短接模块”的方式实现对机上电缆导通电阻的单端测量，从而实现对电缆中短路、断路、阻抗变大、缩针等故障的快速识别；第三，系统可利用飞机机体等电位的特性实现对单根导线的导通电阻测量。

3)精度高：TDR故障定位精度±20cm，电流测量精度3μA～6mA，电阻测量精度0.1Ω～100kΩ±1％。

4)便携且操控方便：仪器采用电池供电，体积小巧，方便携带；操作方式为触控操作，无需键盘鼠标，用户仅需点击触摸屏中的相应按钮，即可轻松完成测试；测试结果可独立存储，导出或打印；除了单机操作外，系统配有远程工作站，主要实现测试数据库的建立、测试方法的导入以及各分机测试数据的管理与分析等功能。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。