时钟弹簧电缆微欧电阻和绝缘电阻一次装夹精密测量仪

摘要

本发明属于电缆电阻检测装置技术领域，具体涉及一种时钟弹簧电缆微欧电阻和绝缘电阻一次装夹精密测量仪。本发明主要解决目前检测时钟弹簧电缆的方法存在成本高、测量的可靠性差精度差、速度慢等问题。本发明的技术方案为：时钟弹簧电缆微欧电阻和绝缘电阻一次装夹精密测量仪，由时钟弹簧电缆组件工装、测量电路和主控制器三部分组成，所述时钟弹簧电缆组件工装用于接通被测电缆和测量电路，主控制器的控制信号输出端与测量电路的控制信号输入端相连接，主控制器的信号输入端与测量电路的电压信号输出端相连接。本发明具有成本低、测量速度快、精度高和工序少的优点。

说明书

技术领域

本发明属于电缆电阻检测装置技术领域，具体涉及一种时钟弹簧电缆微欧电阻和绝缘电 阻一次装夹精密测量仪。

背景技术

时钟弹簧电缆用于双向有限转动系统中的电器连接，常见的是各种车辆的方向盘，尤其 是汽车方向盘，随着汽车的科技含量不断提高，方向盘中时钟弹簧电缆回路越来越多，可靠 性要求也越来越严，要求时钟弹簧电缆每条回路的电阻必须小于一个值，而导线间的绝缘电 阻必须大于一个值。汽车的主安全气囊组件连着时钟弹簧电缆，所以，每条时钟弹簧电缆出 厂时都要经过严格的检验，降低生产成本，提高测量精度、提高测量速度及减少测试环节一 直是人们努力的方向，把回路的导通电阻和回路间的绝缘电阻通过一次性装夹得到测试结果 更是追求的目标，由于回路的导通电阻是微欧级别的（通常为几百个微欧），而回路的绝缘电 阻是兆欧级别的（通常为几十个兆欧），因此想把这两种测量用一个环节来完成在电路实现上 是有难度的。

发明内容

本发明主要针对目前检测时钟弹簧电缆的方法存在成本高、测量的可靠性差精度差、速 度慢等问题，提供一种时钟弹簧电缆微欧电阻和绝缘电阻一次装夹精密测量仪。

本发明为解决上述技术问题而采取的技术方案为：

时钟弹簧电缆微欧电阻和绝缘电阻一次装夹精密测量仪，它由时钟弹簧电缆组件工装、 测量电路和主控制器三部分组成，所述时钟弹簧电缆组件工装将被测电缆的测量头与测量电 路的信号采集端连接，用于接通被测电缆和测量电路，主控制器的控制信号输出端与测量电 路的控制信号输入端相连接，主控制器的信号输入端与测量电路的电压信号输出端相连接， 测量电路用来将被测电缆的导通电阻和绝缘电阻转换为电压信号并将电压信号输送给主控制 器，主控制器用于控制测量电路、接收电压信号、并计算和显示测量结果。

所述的测量电路由模拟开关U1、U10，组合模拟开关M1～M4，运算放大器U11A、U11B、 U12，稳压二极管D1，电阻Rr0～Rr15，电阻R1～R4和电容C1组成，模拟开关U1用来选择 参考电流源Ir及参考电压源-Vr，模拟开关U10用来选择测导通电阻或测绝缘电阻，组合模 拟开关M1～M4配合完成对被测电缆的信号加载和信号取样；

模拟开关U1的S1端与运算放大器U11A的1端相连接，模拟开关U1的S2端与参考电压 源-Vr相连接，模拟开关U1的D端与组合模拟开关M1的ZD端相连接，模拟开关U1的A0端 与主控制器的P5.0端相连接，模拟开关U1的A1端和A2端连接后与地端相连接，模拟开关 U1的A3端与电源3.3V相连接；

模拟开关U10的S1端、运算放大器U11B的7端、主控制器的P2.3端和电容C1的一端 相连接，模拟开关U10的D端和运算放大器U11B的6端相连后与电容C1的另一端连接，模 拟开关U10的S2端、组合模拟开关M3的ZD端和运算放大器U12的2端相连接，模拟开关 U10的S3端通过电阻R2与运算放大器U12的6端相连接，模拟开关U10的A0端和A1端分 别与主控制器的P5.2端和P5.3端相连接，模拟开关U10的A2端与地端相连接，模拟开关 U10的A3端与电源3.3V相连接；运算放大器U11B的5端与地端相连接；

运算放大器U11A的2端通过电阻R3与-12V电源相连接，运算放大器U11A的3端与地 端相连接，运算放大器U11A的4端与-12V电源相连接，运算放大器U11A的8端与+12V电源 相连接；运算放大器U12的1端通过电阻R1与8端相连接，运算放大器U12的3端与组合模 拟开关M4的ZD端相连接，运算放大器U12的4端与-12V电源相连接，运算放大器U12的5 端与地端相连接，运算放大器U12的7端与+12V电源相连接，电阻R4的一端与3.3V电源相 连接，电阻R4的另一端与主控制器P2.4端和稳压二极管D1的负极相连接，稳压二极管D1 的正极与地端相连接；

组合模拟开关M1的ZS1端、组合模拟开关M3的ZS1端和电阻Rr1的一端连接后与电阻 Rr0的一端相连接；组合模拟开关M1的ZS2端、组合模拟开关M3的ZS2端、电阻Rr1的另 一端和电阻Rr2的一端连接后通过时钟弹簧电缆组件及工装与被测电缆的DX1的A端相连接， 组合模拟开关M1的ZS3端、组合模拟开关M3的ZS3端、电阻Rr2的另一端和电阻Rr3的一 端连接后通过时钟弹簧电缆组件及工装与被测电缆的DX2的A端相连接，依序，组合模拟开 关M1的ZS4～ZS16端、组合模拟开关M3的ZS4～ZS16端、电阻Rr3～Rr14的另一端和电阻 Rr4～Rr15的一端连接后通过时钟弹簧电缆组件及工装与被测电缆的DX3～DX15的A端相连 接；

组合模拟开关M2的ZS1端和组合模拟开关M4的ZS1端连接后与电阻Rr0的另一端相连 接；组合模拟开关M2的ZS2端和组合模拟开关M4的ZS2端连接后通过时钟弹簧电缆组件及 工装与被测电缆的DX1的B端相连接，依序，组合模拟开关M2的ZS3～ZS16端和组合模拟开 关M4的ZS3～ZS16端连接后通过时钟弹簧电缆组件及工装与被测电缆的DX2～DX15的B端相 连接；

组合模拟开关M1的ZD端与模拟开关U1的D端相连接，组合模拟开关M1的ZA0端～ZA3 端与主控制器的P4.4端、P4.5端、P4.6端和P4.7端相连接，组合模拟开关M2的ZD端和运 算放大器U11A的2端相连接，组合模拟开关M2的ZA0端～ZA3端与主控制器的P5.4端、P5.5 端、P5.6端和P5.7端相连接；组合模拟开关M3的的ZD端与模拟开关U10的S2端连接连接 后与运算放大器U12的2端相连接，组合模拟开关M3的ZA0端～ZA3端与主控制器的P4.0 端、P4.1端、P4.2端和P4.3端相连接，组合模拟开关M4的ZD端与运算放大器U12的3端 相连接，组合模拟开关M4的ZA0端～ZA3端与主控制器的P5.4端、P5.5端、P5.6端和P5.7 端相连接。

所述的主控制器为单片机微控制器或ARM微控制器。

所述的四个组合模拟开关M1～M4结构相同，都是由两个模拟开关U2和U4、一个反相器 U13A组成，模拟开关U2的A3端与反相器U13A的输出端相连接，模拟开关U2的S1端～S8 端形成组合模拟开关的ZS1端～ZS8端，模拟开关U4的S1端～S8端形成组合模拟开关的ZS9 端～ZS16端，模拟开关U2和U4D的D端连接后形成组合模拟开关的ZD端，模拟开关U2和 U4的A0端～A2端连接形成组合模拟开关的ZA0端～ZA2端，模拟开关U4的A3端与反相器 U13A的输入端连接后形成组合模拟开关的ZA3端。

被测电缆导线的数量最多为15根，放大后的被测电缆如图4所示，15根导线分别用DX1～ DX15来表示。

整个测量过程需要靠测量电路与主控制器程序运行配合完成，主控制器MSP430F135单片 机为例时，工作过程如下：

（1）测回路导通电阻：运算放大器U1A和电阻R3以及-12V电源产生恒流源Ir，主控制 器令P5.0=0，模拟开关U1选择S1-D通道；P4.0～P4.3、P4.4～P4.7及P5.4～P5.7取合适 的值，组合模拟开关M1和M2使Ir流过被测回路形成一个电压信号，组合模拟开关M3和M4 又使该电压信号输入到反相放大器U12；主控制器令P5.2～P5.3选择S3-D通道，由运算放 大器U11B、电阻R2和电容C1组成积分电路使输出电压不断升高，积分高度固定为2.5V，2.5V 通过基准二极管D1和电阻R4产生。

举例来说，令P4.7:4=0000，P5.7:4=0000，P4.3:0=0000，P5.3:2=10，则， 电流源Ir流过电阻Rr0，Rr0两端的电压被运放U12放大后通过积分电路使运放U11B输出不 断变高，当该输出达到2.5V时，单片机内部定时器记下积分时间；再令P4.7:4=0001，P5.7:4 =0001，P4.3:0=0001，P5.3:2=10，则，电流源Ir流过导线DX1，DX1两端的电压被运 放U12放大后通过积分电路使运放U11B输出不断变高，当该输出达到2.5V时，单片机内部 定时器记下积分时间；这两次积分时间就可以解算出导线DX1的电阻。同理可测得导线DX2～ DX15的电阻值。

（2）测回路相邻绝缘电阻：主控制器令P5.0=1，模拟开关U1选择S2-D通道；P4.0～P4.3、 P4.4～P4.7取合适值使组合模拟开关M1和M3分别导通相邻的通道，P5.4～P5.7可取任意值， 主控制器令P5.2～P5.3选择S2-D通道，于是，被选定相邻绝缘电阻和电容C1组成积分电路， 积分器的输入为参考电压源-Vr，积分求解过程同上。

举例来说，令P4.7:4=0000，P4.3:0=0001，P5.3:2=01，则，参考电压源-Vr通 过参考电阻Rr1、C1和运放U11B积分使运放U11B输出不断变高，当该输出达到2.5V时，单 片机内部定时器记下积分时间；再令P4.7:4=0001，P4.3:0=0002，P5.3:2=01，则， 参考电压源-Vr通过导线DX1和DX2之间的绝缘电阻、C1和运放U11B积分使运放U11B输出 不断变高，当该输出达到2.5V时，单片机内部定时器记下积分时间；这两次积分时间就可以 解算出导线DX1和DX2之间的绝缘电阻。同理可测得其它任意导线之间的绝缘电阻。需要指 出的是，为了提高测量时间，我们在相邻导线之间预先并联了较大的参考电阻，如图2中的 Rr2～Rr15，这些电阻可以通过程序计算在结果中剔除而不影响测量结果。

本发明采用上述技术方案，改变了电缆的导通电阻和绝缘电阻分两个工序的模式，通过 测量电路和主控制器将两个工序由一个工序来完成，并且将导通电阻的测量分辨率提高到 0.0005欧姆，利用本发明测量具有15个回路的时钟弹簧电缆的导通电阻及绝缘电阻，测量 时间可缩短到0.5秒。因此，与现有技术相比，本发明具有成本低、测量速度快、精度高和 工序少的优点。

附图说明

图1是本发明的框图；

图2是本发明测量电路图；

图3是本发明组合模拟开关的结构示意图；

图4是本发明时钟弹簧电缆组件及工装与部分电阻的连接图。

具体实施方式

如图1所示，一种时钟弹簧电缆微欧电阻和绝缘电阻一次装夹精密测量仪，它由时钟弹 簧电缆组件工装、测量电路和MSP430F135单片机三部分组成，所述时钟弹簧电缆组件工装将 被测电缆的测量头与测量电路的信号采集端连接，用于接通被测电缆和测量电路，MSP430F135 单片机的控制信号输出端与测量电路的控制信号输入端相连接，MSP430F135单片机的信号输 入端与测量电路的电压信号输出端相连接，测量电路用来将被测电缆的导通电阻和绝缘电阻 转换为电压信号并将电压信号输送给MSP430F135单片机，MSP430F135单片机用于控制测量 电路、接收电压信号、并计算和显示测量结果。

如图2和图4所示，所述的测量电路由型号为ADG408的模拟开关U1、U10，组合模拟 开关M1～M4，型号为LM358的运算放大器U11A、U11B、型号为AD620的运算放大器U12， 稳压二极管D1，电阻Rr0～Rr15，电阻R1～R4和电容C1组成，模拟开关U1用来选择参考电 流源Ir及参考电压源-Vr，模拟开关U10用来选择测导通电阻或测绝缘电阻，组合模拟开关 M1～M4配合完成对被测电缆的信号加载和信号取样；

模拟开关U1的S1端与运算放大器U11A的1端相连接，模拟开关U1的S2端与参考电压 源-Vr相连接，模拟开关U1的D端与组合模拟开关M1的ZD端相连接，模拟开关U1的A0端 与主控制器的P5.0端相连接，模拟开关U1的A1端和A2端连接后与地端相连接，模拟开关 U1的A3端与电源3.3V相连接；

模拟开关U10的S1端、运算放大器U11B的7端、主控制器的P2.3端和电容C1的一端 相连接，模拟开关U10的D端和运算放大器U11B的6端相连后与电容C1的另一端连接，模 拟开关U10的S2端、组合模拟开关M3的ZD端和运算放大器U12的2端相连接，模拟开关 U10的S3端通过电阻R2与运算放大器U12的6端相连接，模拟开关U10的A0端和A1端分 别与主控制器的P5.2端和P5.3端相连接，模拟开关U10的A2端与地端相连接，模拟开关 U10的A3端与电源3.3V相连接；运算放大器U11B的5端与地端相连接；

运算放大器U11A的2端通过电阻R3与-12V电源相连接，运算放大器U11A的3端与地 端相连接，运算放大器U11A的4端与-12V电源相连接，运算放大器U11A的8端与+12V电源 相连接；运算放大器U12的1端通过电阻R1与8端相连接，运算放大器U12的3端与组合模 拟开关M4的ZD端相连接，运算放大器U12的4端与-12V电源相连接，运算放大器U12的5 端与地端相连接，运算放大器U12的7端与+12V电源相连接，电阻R4的一端与3.3V电源相 连接，电阻R4的另一端与主控制器P2.4端和稳压二极管D1的负极相连接，稳压二极管D1 的正极与地端相连接；

组合模拟开关M1的ZS1端、组合模拟开关M3的ZS1端和电阻Rr1的一端连接后与电阻 Rr0的一端相连接；组合模拟开关M1的ZS2端、组合模拟开关M3的ZS2端、电阻Rr1的另 一端和电阻Rr2的一端连接后通过时钟弹簧电缆组件及工装与被测电缆的DX1的A端相连接， 组合模拟开关M1的ZS3端、组合模拟开关M3的ZS3端、电阻Rr2的另一端和电阻Rr3的一 端连接后通过时钟弹簧电缆组件及工装与被测电缆的DX2的A端相连接，依序，组合模拟开 关M1的ZS4～ZS16端、组合模拟开关M3的ZS4～ZS16端、电阻Rr3～Rr14的另一端和电阻 Rr4～Rr15的一端连接后通过时钟弹簧电缆组件及工装与被测电缆的DX3～DX15的A端相连 接；

组合模拟开关M2的ZS1端和组合模拟开关M4的ZS1端连接后与电阻Rr0的另一端相连 接；组合模拟开关M2的ZS2端和组合模拟开关M4的ZS2端连接后通过时钟弹簧电缆组件及 工装与被测电缆的DX1的B端相连接，依序，组合模拟开关M2的ZS3～ZS16端和组合模拟开 关M4的ZS3～ZS16端连接后通过时钟弹簧电缆组件及工装与被测电缆的DX2～DX15的B端相 连接；

组合模拟开关M1的ZD端与模拟开关U1的D端相连接，组合模拟开关M1的ZA0端～ZA3 端与主控制器的P4.4端、P4.5端、P4.6端和P4.7端相连接，组合模拟开关M2的ZD端和运 算放大器U11A的2端相连接，组合模拟开关M2的ZA0端～ZA3端与主控制器的P5.4端、P5.5 端、P5.6端和P5.7端相连接；组合模拟开关M3的的ZD端与模拟开关U10的S2端连接连接 后与运算放大器U12的2端相连接，组合模拟开关M3的ZA0端～ZA3端与主控制器的P4.0 端、P4.1端、P4.2端和P4.3端相连接，组合模拟开关M4的ZD端与运算放大器U12的3端 相连接，组合模拟开关M4的ZA0端～ZA3端与主控制器的P5.4端、P5.5端、P5.6端和P5.7 端相连接。

如图3所示，所述的四个组合模拟开关M1～M4结构相同，都是由两个型号为ADG408 的模拟开关U2和U4、一个型号为74HC04的反相器U13A组成，模拟开关U2的A3端与反相 器U13A的输出端相连接，模拟开关U2的S1端～S8端形成组合模拟开关的ZS1端～ZS8端， 模拟开关U4的S1端～S8端形成组合模拟开关的ZS9端～ZS16端，模拟开关U2和U4D的D 端连接后形成组合模拟开关的ZD端，模拟开关U2和U4的A0端～A2端连接形成组合模拟开 关的ZA0端～ZA2端，模拟开关U4的A3端与反相器U13A的输入端连接后形成组合模拟开关 的ZA3端。