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一种电缆数字通号器的软硬件设计与运用

发布时间:2019-06-18
  摘 要
  
  本文针对使用三用表蜂鸣档对半成品电缆通号效率低、安全隐患大等问题,设计了电缆数字通号器。电缆数字通号器硬件系统包括 STM32 核心处理器、I/O 通道扩展电路、串口通信电路及电源转换电路。可以实现电缆线束点位的快速识别,并通过串口通信将测试数据发送至上位机。上位机软件完成对硬件测试数据的数制转换,并使用“哈希”算法对转换后的重复数据进行去重处理,减少了数据对比次数,提高了数据去重速度。利用安卓合成工具实现了测试结果的离线语音合成、播报及实时显示。本文设计的电缆数字通号器经在空间站货运返回舱电缆网实地测试,各项技术指标均达到设计要求。

一种电缆数字通号器的软硬件设计与运用
  
  本文提及的电缆数字通号器软硬件设计成果亦可应用于总装过程中热控焊接、电缆网串焊等环节。
  
  关键词:  电缆通号 STM32 哈希算法 安卓 离线语音合成
  
  Abstract
  
  This paper puts forward a cable digital number device whose system includes STM32 core processor, I/O channel expansion circuit, serial communication circuit and power conversioncircuit, which can realize the rapid identification of the cable harness point and send the test data to the host computer through serial communication,in order to solve the problems of low efficiency and safety hazard in semi-finished cables with three-meter buzzer, The host computer software completes the digital system conversion of the hardware test data, and uses the "haxi" algorithm to de-duplicate the converted duplicate data, reducing the times of data comparison and improving the data de-duplication speed. By using the Android synthesis tool,the author realized offline speech synthesis, broadcast and real-time display of test results. The cable digital numbering device mentioned in this paper has been tested in the space station freight return cabin cable network, and all technical indicators have met the design requirements.
  
  The hardware design result of the device can also be applied to the steps of thermal welding, cable mesh welding and the like in the assembly process.
  
  Key Words:   Cable digital number STM32 Hash algorithm Android Offline speech Synthesis。
  
  第 1 章 绪论
 
  
  1.1  课题来源。

  
  随着国家国防力量及科学技术的快速发展,导弹及卫星成为国防科技力量不可或缺的一部分[1]。而在导弹及卫星的生产过程中,电缆网质量是产品质量的一项重要指标,电缆网的好与坏对导弹及卫星的整体功能起到了至关重要的作用。电缆网的准确度及可靠性直接影响导弹及卫星产品的稳定性及可靠性,从而直接影响导弹及卫星产品的正常工作。
  
  电缆网功能的好与坏除实现工艺方法外另一重要因素为各连接器接点关系,电缆线束接点关系的准确度是影响电缆产品质量的一个非常重要的因素。由于电缆网结构复杂,涉及到的连接器多达十几个,接点关系上百,因此,电缆网的生产过程往往是先将一端连接器进行焊接、压接,使其成为半成品电缆,再对半成品电缆组件进行组装。组装过程中需要对半成品电缆甩线端进行点位识别及标号,其作用是便于后期加工制作时确保连接关系正常。常用的通号方式是使用三用表蜂鸣档人工测试,使用三用表进行测试存在以下问题:
  
  (1)表笔接触端或装配的针、孔与被测产品不匹配,容易造成正式产品针、孔受损,从而造成产品质量隐患。
  
  (2)对于芯数较多、针或孔较小的连接器,人工数点容易造成数点错误从而引起的点号装配错误,造成产品质量隐患。
  
  (3)通号时需要逐点插拔测试,既影响测试效率及组装效率,同时反复插拔容易对正式产品连接器造成损伤,造成产品质量隐患。
  
  (4)对连接关系复杂、长度超过 1m 的电缆通号时,需要 2 人配合测试,影响测试效率的同时增加了人力成本。
  
  (5)总装环境下不允许使用三用表表笔直接对正式产品连接器进行测试。
  
  针对使用三用表人工通号测试效率低、大量机械性劳动降低通号准确率、人力成本大、存在质量隐患等问题,本课题设计研发一台适用于电缆网加工制作过程的电缆数字通号器。电缆数字通号器可以有效解决电缆通号效率低、准确率低、存在质量隐患等问题,提高电缆加工制作效率,确保电缆质量无隐患。
  
  本文针对目前弹上电缆网、星上电缆网生产,半成品电缆组装以及总装串焊过程中,无自动化及满足总装要求通号设备的现状,开展了具有经济适用性、高可靠性、高通用性的电缆数字通号设备的研制。电缆数字通号器由以 STM32 处理器为核心的硬件电路和以安卓系统为核心的上位机组成,是自动测试技术与安卓技术有机结合的高科技产品,可实现电缆线束点位的快速识别、显示及离线语音播报。同时又可以有效避免进行通号时对正式电缆连接器造成损害,将通号过程的质量隐患降到最低。
  
  1.2 课题研究背景和意义。
  
  电缆网是实现导弹、卫星成功发射及功能实现的重要电气组成部分。电缆作为各类电气设备尤其是军工产品的“神经”和“血管”脉络,为设备各功能性部件提供供电电源、控制信号,同时传输控制信号及监控信号,是设备内部连接的纽带,对设备正常运转起到了至关重要的作用[2]。由于电缆网服务于所有功能模块,所以根据其功能的不同,电缆网中各电缆种类有所不同,任意一根电缆出现故障都会导致发射失败或部分功能无法实现。
  
  造成电缆故障的众多因素中,除实现工艺方法外,电缆接点关系错误是最直接,也是最致命的。所以确保半成品电缆组装过程及串焊过程中接点关系正确是导弹、卫产品星成功实现功能的关键。半成品电缆加工及制作环节需要先对散线状态的电缆线束进行通号测试,通过通号测试确定线束的具体点位,再对线束进行压接、入位操作。随着生产任务的加重及电缆一体化设计的实现,使用三用表蜂鸣档人工测试的测试效率已经不能满足生产进度需要,同时人工反复机械式操作易造成数点错误引发质量问题。因此,需要一台针对半成品电缆加工制作过程的自动化通号设备来替代人工方式进行电缆线束通号测试。自动化通号设备有助于提高通号速度、确保通号准确率、提升去手工化水平、提高生产效率[3]。
  
  电缆数字通号器的设计与应用可以弥补电缆生产过程中对于电缆线束导通测试无自动化设备的空白,实现了线束点位的快速、准确识别。较三用表蜂鸣档人工测试方式,使用电缆数字通号器进行电缆导通测试极大程度提高了生产效率的同时解放了人力劳动。
  
  1.3 国内外研究现状及发展趋势。
  
  1.3.1 电缆通号概述。

  
  电缆通号是指对于半成品电缆或成品电缆进行点位关系导通测试,对甩线线束进行导通测试及点位识别,并对识别的点位进行标号,以确保组装及电缆网与设备串焊时各连接器间接点关系正常。
  
  1.3.2 国内外发展现状。
  
  国内许多科研人员及机构对电缆导通自动化测试仪器进行了大量的研究与实验。由西安交通大学和西门子中国有限公司联合设计研制的用于对铁路转辙机电缆进行导通测试的“铁路转辙机用电缆导通测试系统”,其由模块化工控机、数字 I/O 板卡、数字信号处理系统及设备接线箱组成。该系统能自动判断被测电缆线束配线关系是否正常,对配线错误的点进行提示。此外,上海交通大学的徐小龙等人针对民用飞机机上电缆网设计研制了一台自动化测试仪器。其由主机柜、测试主机、线缆扩展柜、功能扩展柜及转接电缆组成,可以实现电缆导通、绝缘及抗电性能自动化测试。
  
  电缆自动化测试仪器虽可以对成品电缆进行自动化测试,但由于其体积较大,无法应用于电缆生产制作环节。对于电缆制作过程中导通测试,目前普遍使用的方法为使用三用表蜂鸣档进行逐一测试,使用三用表进行测试虽可以满足测试要求,但由于其测试效率低,对电缆连接器有损伤,因此并不是首选的一种测试方式。
  
  为了填补电缆生产制作过程中对于电缆导通测试无自动化测试仪器的空白,国内一些公司及科研机构开始着力于体积较小使用方便的电缆导通测试仪器的研发。其中贵州航天电器股份有限公司的谭伟等人研制了一台基于 51 单片机的电缆导通测试仪。通过调动拨码开关实现对不同芯数连接器的点位识别,通过数码管显示相应点位。由于该设备仅适用于其公司自身生产的连接器,同时需要根据实际测试需要调动拨码开关,增加使用者操作难度的同时无法适用于所有类型连接器。拨码开关调节错误将会影响设备的测试效率,并会对测试结果造成影响。国内一家自动化测试设备公司推出一款基于电压传感器的线束点位识别设备,设备以 STM32 为控制芯片,上位机选用微型电脑,基于 XP 系统开发的上位机控制软件。该设备将若干连接器固定在一块板子上,使用时首先通过上位机软件点击选择与正式电缆连接器对插的连接器,此时相应继电器闭合,将通道选择为当前连接器。
  
  使用者再点击要寻找的点位号,上位机发送命令至硬件电路,对应的线束上就会产生电压,电压传感器识别电压,并通过 LED 灯显示当前点位线束的位置。与贵州航天电器股份有限公司设计的通号设备相比,其可以适用于所有类型连接器,同时不会因为使用者错误操作对测试结果造成影响。其另外一个优点在于上位机软件提供可视化判别,可以显示装配模型,通过模型对所选线束与实际需要线束进行判别,提供错误装配提示[4]。其缺点在于设备是以微控机为上位机,体积较大,设备较为笨重,当接有连接器的板子无法满足实际测试需要时,更换板子时间较长。同时电压传感器的识别精度不能达到 100%,只能在混杂线束中确定所选线束的大概位置,要想找到具体线束还需要操作者手动从混杂线束中剥除无关线束,在一定程度上又增加了人力劳动。
  
  国外电装行业目前通用的测试仪器为德国 MK 公司研制的 MK 电缆测试机柜。其主要功能是对电缆进行电气性能测试,包括导通测试、绝缘测试、抗电测试。虽然其作为电缆制作完成后检验仪器,可以很好地检测出电缆存在的问题,包括点位错误问题,但不能在电缆制作环节中为操作者明确点位信息。针对电缆加工制作中线束点位识别,常用的方法仍未使用三用表进行逐点通号操作,当电缆制作完成后再使用综合测试仪器对电缆电气性能进行综合测试。所以,在电缆制作环节亟需一台体积较小、操作简单、通用化的电缆通号设备。其可以快速识别电缆线束具体点位信息,从而提高电缆制作效率及准确率。
  
  1.3.3 电装专业发展趋势。
  
  随着计算机技术、自动测试技术、数字化技术及嵌入式技术的发展,电装专业将向自动化化、标准化、智能化、去手工化方向迈进[5]。下面以电缆制作为例,从以上几个方面介绍电装专业的发展趋势:
  
  (1)自动化:在电缆制作环节,电缆电气性能检测至关重要。电气性能检测包括导通测试、抗电测试、绝缘测试。在没有智能化测试仪器前,需要人工使用三用表、绝缘测试仪等设备进行逐一测试。以绝缘测试为例,需将每一点与其余个点进行绝缘测试,在人工测试情况下,一根复杂电缆的测试时间大约为 6 小时。而在自动化测试仪下,只需半小时即可完成复杂电缆的绝缘测试。自动化测试仪以电子循环的方式代替人工机械化操作,提高了检测效率。
  
  (2)标准化:使用三用表对电缆进行测试时往往由于表笔与连接器针孔不匹配对连接器针孔造成损伤,从而形成质量隐患。标准化是以工艺插头为测试端,将与实际连接器对插的工艺插头作为电缆测试端,由于工艺插头的对插性与匹配性符合正式产品连接器,因此可以有效避免对正式产品连接器的损伤。
  
  (3)智能化:随着单片机、ARM 等各类处理器、微型处理器的快速发展,使得测试设备具有更全面的数据采集、处理、分析、存储的功能,成为测试设备智能化发展的基础。目前,国内外科研机构、高等院校、企业单位等都向着智能化做广泛和深入的研究。
  
  (4)去手工化:目前在电缆制作过程中一些自动化仪器已经取代了手工化工序,如激光剥线机、自动化下线机、标识打印机等,相比人工操作,使用自动化设备可以节省人力的同时提高了工作效率,也能确保工作质量。
  
  综上,随着电装专业向自动化化、标准化、智能化、去手工化方向快速发展,本课题设计了一款基于 STM32 及安卓系统的电缆数字通号器,设备由硬件电路及上位机组成,在实现人工交互的同时能够快速高效识别电缆中任一线束的点位信息,做到了操作简单,工作效率高,通用化程度高,同时具备功能扩展能力,满足了现场实际生产需要。
  
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  1.4 本文主要工作及结构安排
  
  第 2 章 系统总体设计
  
  2.1 产品设计要求
  2.2 系统功能设计
  2.3 系统总体设计
  2.3.1 系统结构总体设计
  2.3.2 电缆数字通号器硬件介绍
  2.3.3 软件设计方案
  2.3.4 设计难点
  2.4 本章小结
  
 
 第 3 章 硬件系统设计
  
  3.1 硬件功能分析
  3.2 硬件电路设计
  3.2.1 STM32 控制电路
  3.2.2 测试通道扩展电路
  3.2.3 电缆线束点位识别
  3.2.4 串口通信电路
  3.2.5 电源转换电路
  3.3 PCB 电路板设计
  3.3.1 PCB 电路板布局规则
  3.3.2 PCB 电路板布局技巧
  3.4 转接电缆设计及制作
  3.5 硬件组装及调试
  3.5.1 硬件组装
  3.5.2 硬件调试
  3.6 本章小结
  
  第 4 章 上位机软件设计
  
  4.1 APP 开发软件
  4.1.1 Android Studio 介绍
  4.1.2 Java 环境配置
  4.2 上位机软件功能设计
  4.2.1 软件界面布局设计
  4.2.2 软件串口功能设计
  4.2.3 哈希算法数据处理
  4.2.4 数据显示
  4.2.5 离线语音合成及播报
  4.3 软件打包
  4.4 软件安装
  4.5 软件调试
  4.6 本章小结
  
  第 5 章 样机组装及测试
  
  5.1 样机组装
  5.1.1 布局设计
  5.1.2 供电模块组装
  5.1.3 音频输出组装
  5.1.4 散热及抗干扰设计
  5.2 样机操作说明
  5.3 样机测试
  5.4 烤机实验
  5.5 本章小结
  
  第 6 章 创新点及产品规范
  
  6.1 创新点
  6.1.1 哈希算法数据去重
  6.1.2 离线语音合成及播报
  6.2 扩展功能
  6.3 产品规范
  6.3.1 测试环境
  6.3.2 技术参数
  6.3.3 功能要求
  6.3.4 制造要求
  6.3.5 材料要求
  6.3.6 验收规则
  6.4 本章小结

  结论

  本课题为解决军品级电缆,宇航级电缆制作以及总装过程中对于电缆线束点位识别遇到的实际问题,进行了电缆数字通号器设计与研究。电缆数字通号器可以分为硬件电路及上位机软件两部分,采用软硬件结合形式,实现了人机交互以及电缆线束点位的快速识别。

  硬件电路的原理图及 PCB 图是使用 Altium Designer 10 进行设计及绘制的,上位机软件是基于安卓系统开发的一款 APP,使用的设计软件为 Android Studio,设备机壳设计使用的是 Auto CAD 2007 ,转接电缆设计使用的是电缆数字化设计软件 E3。设备研制经历了系统总体方案设计,硬件电路功能设计,上位机软件功能设计以及样机调试,最终研制了一台电缆数字通号器,实现了电缆线束点位的快速识别,点位显示及语音播报。

  电缆数字通号器硬件电路使用 STM32F103 系列作为控制芯片,选用 74LS148 作为通道扩展芯片,数据通过 RS-232 串口通信传输至上位机。上位机软件是基于安卓系统开发的,可以对硬件数据进行数据处理,并将处理后数据进行显示及语音播报。

  本文主要工作总结如下:在电缆数字通号器整体方案设计中,通过分析目前电缆制作环节点位识别存在的问题,结合国内外自动化测试设备发展现状,按照模块化理念,将电缆数字通号器分为上位机与下位机两部分。通过对相关知识的学习以及设计要求分析,完成了硬件电路器件选型,并对相关设计软件进行深入学习,完成了硬件电路原理图设计及PCB 图绘制,实现了电缆线束点位的快速识别。通过对安卓 APP 开发软件 Android Studio以及 JAVA 编程语言的深度学习,完成了上位机软件的设计,实现了对硬件测试结果的数据处理以及对处理后数据的显示及语音播报。经过样机测试,电缆数字通号器对于电缆线束点位识别速度是使用三用表进行识别的三倍,而且设备操作简单,单人即可完成测试,提高了工作效率的同时节省了人力。

  课题创新点为上位机软件使用哈希算法实现重复数据快速去重处理,通过对语音合成包进行封装实现测试结果的离线语音合成。

  不足之处为未考虑空点统计情况,后期将通过增加上位机软件功能实现对连接器空点的统计。

  参考文献

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