CPLD 在线缆快速测试技术中的应用

1.引言
随着电子技术的发展，复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）以其高速、高可靠以及开发便捷、规范、能完成任何数字器件功能的优点[1]， 越来越广泛地应用于电子仪器中。

线缆的安装质量的好坏将直接影响电气柜的质量，因此线缆测试是电气柜线缆安装过程中非常重要的环节。线缆快速测试技术是指实时、高效、准确、同时测试多条线缆的连通性能（通断、短路、错接），是目前多数电气传动类企业所希望使用的技术[2]。

本文根据国内外线缆测试技术的发展及生产企业的实际要求，设计了一种新型便携式线缆组快速测试系统。该测试系统采用两块CPLD 用于接口电路，从而实现多组线缆(内有多条导线)同时测试，检测线缆的通断、短路和错接情况，进而达到快速检测线缆连通性能的目的。

 2.测试系统工作原理
线缆的连通性是指线缆中任意两根线之间不得短路、断路及错接[3]，是其他线缆特性测试的基础。电气柜因型号不同，每组线缆的数量不同，多者可达几十条，少者仅有几条。为了使测试系统的应用具有广泛性，本文将CPLD引入设计中，将被测线缆组接于两块基于CPLD的接口电路之间。用户通过键盘输入待检测线缆组的图号，然后按开始键后CPLD工作，输入的信号通过被测线缆输出到另一CPLD进行数据信息汇总，然后通过SPI（Serial Peripheral Interface）接口模块将数据传递给单片机进行处理，单片机对比接收和发射的数据，从而判断出线缆组中每条线缆的连接状况，并将测试结果通过液晶显示屏显示。测试系统原理框图如图1所示。

不同于双绞线等其他线缆的测量[4-5]，电气柜线缆组具备两端测量的条件，因此可以采用施加数字信号来实现检测。假设被测线缆组有n条线缆，施加的测试信号为 ,且

返回信号为，且：

则线缆连通良好的条件为：

例如，测试第一条线缆时，单片机输出给CPLD1#的信号为 ，测试第二条线缆时，输出给CPLD1#的信号为，以此类推，经CPLD２#返回到单片机的信号y(xn )中“1”的个数与发出信号f (xn ) 中“1”的个数一致且位置对应，说明线缆连通性良好；个数一致但位置不对应，则可知线缆错接；若“1”的个数多于测试信号中“1”的个数，说明线缆组中有线缆短路，通过确定返回信号中“1”的位置即可断定哪几条线缆之间发生了短路；若返回信号中没有“1”，
则说明被测的这条线缆开路。

Fig. 1 The block diagram of test system

3.CPLD 的设计
整个测试系统采用两块CPLD（EPM7128），一块作为信号源（CPLD 1#），另一块作为信号采集（CPLD ２#）。CPLD 1#的主要工作是接收单片机发来的‘Start’和‘CP’命令，并以‘CP’为触发信号将‘１’进行移位且并行输出（位数与被测线数相等）。其内部模块连接图如图2 所示[6-7]。

Fig. 2 The connection of internal module in CPLD1# chip

CPLD２# 的主要工作是将由CPLD １# 输出的信号经过被测线缆进行采集，且将并行位数转换成串行数据传给单片机进行处理，其内部模块连接图如图3 所示，其中包括SST_AND 和CPLD_MCU 两个模块[6-7]。SST_AND 与门电路的主要作用是：只有CPLD 2# 在工作时单片机才能向CPLD 1# 中输出数据，这样保证数据的可靠性和正确性；CPLD_MCU 模块的作用是完成输入数据的并/串转换，将转换好的数据通过SPI 接口传送给单片机。值得注意的是，实际应用时还应在CPLD2#的I/O 口上增加下拉电阻，以避免采集信号时出错。

Fig. 3 The connection of internal module in CPLD2# chip

4.仿真实验
为验证设计的接口电路是否能够实现系统要求，本文对两块CPLD 进行了仿真实验。CPLD1#的仿真波形如图4 所示。

图4 CPLD1# 仿真波形
Fig. 4 The emulation wave of CPLD1#

由图4 可知，当CPLD1#接收到‘Start’命令后，在‘CP’触发信号的作用下，Sign_out 端口依次输出（00001000）B、（00010000）B、（00100000）B 等信号，实现了将‘１’进行移位且并行输出。
SST_AND 模块的仿真波形如图5 所示，CPLD_MCU 的仿真波形如图6 所示。

Fig. 5 The emulation wave of SST_AND module

Fig. 6 The emulation wave of CPLD_MCU modul

在图5 中，SS 端的信号来自单片机，当SS 端的信号与CPLD1#的CP_out 端信号皆为高电平时，CPLD2#才可开始采集信号。由图6 可知，由CPLD1#输出的8 位并行数据（10101101）B 经Sign_in 端口进入CPLD2# 的 CPLD_MCU 模块进行转换，MISO 端输出为串行数据。
通过图 4-图6 的仿真结果可知，设计的CPLD 接口电路能够实现多条线缆的同时测量。本文设计的CPLD 接口电路最多能同时测量64 条线缆的连通性能（受CPLD芯片I/O 引脚数量的限制），若要同时测试更多线缆，只需更换CPLD 芯片即可。

5.总结
本文作者创新点：利用CPLD 器件I/O 接口多的优点，创新地将CPLD 引入到线缆测试技术中，实现了多条线缆连通性的同时测量。仿真实验证明设计思路正确，方案可行，为高效、准确地实现电气柜线缆组的测试提供了新的、有效的途径。

参考文献
[1] 王玉辉．CPLD技术在时差法超声波流量计中的应用[J]．微计算机信息．2005， 21（8）：117～
119
[2] 叶树青．微电脑在自动测试装置上的应用—D28-1线缆测试仪介绍[J]．通信与计算机．1990，
4：1～5
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[4] 李忠晓．一种简易线缆测试仪[J]．有线电视技术．2003，10（22）：69～70
[5] 周宏志，王冬青，贾玉兰．时域回波反射法在双绞线测试中的应用[J]．电信科学．2004，
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[6] Mark Zwolinski．Digital System Design with VHDL[M]．Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2002
[7] 侯伯亨，顾新．VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M]．北京：西安电子科技大学出版社，2004