基于單片機控制的微機校線儀的設計

華北電力大學電氣與電子工程學院 張 凱

山東電力集團公司菏澤供電公司 殷守斌

1.引言

校線工作是電力系統設備回路檢修中極為重要的環節。目前普遍采用的方法是多人利用萬用表（或通燈）量通斷加上對講機輔助校對。這種方法不僅費時耗人力易出錯，給工程施工帶來麻煩，更為重要的是它受到了很多高頻設備應用場合禁止使用無線通訊的限制。

從60年代開始，人們對于傳統的萬用表通燈校線方法過于費時、容易出錯的缺點進行的改進和進行新產品研制的探索[1-15]。盡管在提高效率和準確率方面都有巨大的進步，但是，依舊不能滿足新的環境下校線工作的需要。例如，現在校線不僅要求能夠顯示線纜的序號，很多情況下還要求顯示線號，而且線號的范圍包括數字、英文大小寫字母和羅馬大寫字母，這些要求在以上提到的文獻[1-15]中都很難滿足。而且，很多高頻設備應用場合禁止使用無線通訊，這樣，當兩個人使用對講設備校線時，就遇到了麻煩。

基于以上考慮，我們結合校線的具體流程，在進行了實際調研的基礎上，研制了一臺基于單片機控制的多功能微機校線裝置。

新研制的裝置不僅具有校對準確、迅速、可單人完成工作的優點，而且把通話部分嵌入到設備內部，采用現場單線通訊，從而擺脫了無線通訊的限制。

和萬用表相比，它的優點在于它可以輸入和顯示所校對線的線號，而不是單純的提示通和斷。該裝置還可以解決萬用表量通斷時代無法解決的線路接地、短接的施工錯誤。測試距離最長可達1000米。

2.主機的設計

2.1 主機功能的設計

該校線裝置由主機和從機共同構成，主機和從機有液晶顯示、信號指示燈和按鍵，其中主機的按鍵是矩陣鍵盤，從機為獨立按鍵，所有這些均由各自的CPU進行控制，其中主機的CPU控制負責向從機發送信號，從機的CPU控制負責從主機接收信號。

其工作原理簡圖如圖1所示。

該裝置具有的功能包括：

1）能夠準確、便捷的校對線路。尤其在新建工程中，可以利用裝置的號碼顯示功能方便的完成穿線號工作。

2）具有線路短接提示功能，在校線過程中，若待校線路中有短接，則主從機都會交替顯示短接端口和線號。

3）具有線路接地提示功能，當主機連接好待校線路，而從機未進行操作之前主機有端口檢測顯示時，就說明該線路接地。

4）可利用現場的一根已知線構成通話回路，在音頻帶（300-3300Hz）內實現通話。操作方便，簡潔。

5）具有漢字、英文大小寫、數字和電力系統常有符號功能，通過裝置的主機可以輸入線號，線號輸入后可以具有存儲、修改、刪除等功能。掉電后輸入的線號不消失。

2.2 I/O口的擴展設計

由于本校線儀主機需要有16個測試端口，輸入鍵盤預計需要8個端口，液晶需要8個以上端口，通信功能和存儲功能也都需要占用單片機的非常有限的I/O口資源，而這些功能設計中，要求不能重復使用單片機的輸入輸出端口，因此，在本校線儀的硬件電路設計中，為了滿足各個基本功能的需要，需要對選用的的單片機的I/O口進行擴展。

8255是一款常用的并行接口芯片，可通過編程的方法，使其執行不同的接口功能，使用靈活方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。因此，在本次設計中，使用8255對單片機進行I/O口擴展[16]。

2.3 輸出模塊的選擇

128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置國標GB2312碼簡體中文字庫（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64×256點陣顯示RAM（GDRAM）。可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：8位并行及串行兩種連接方式。具有光標顯示、畫面移位、睡眠模式等多種功能[17]。

2.4 輸入功能模塊的設計

在本次微機校線儀的設計中，根據校線儀的功能要求，所設計的輸入鍵盤應該包含的編碼有0～9十個阿拉伯數字鍵、返回鍵、功能切換鍵、確認鍵和刪除鍵，共需要14個按鍵。如果采用獨立式鍵盤，需要14個I/O口，而采用4×4矩陣式鍵盤，則最多需要8個I/O口。

根據輸入的要求，校線儀主機應該能輸入阿拉伯數字、英文大小寫和大寫的羅馬字母，根據菜單的功能要求，鍵盤應包括的功能鍵有：返回鍵、確認鍵、刪除鍵，由于設計時使數字鍵和英文字母以及羅馬字母共用鍵，還設計一個切換鍵。因此，總共需要按鍵14個，而4×4矩陣鍵盤可以形成16個按鍵，因此，選用4×4矩陣鍵盤作為校線儀主機的輸入鍵盤[17]。

根據輸入需要，共有數字、英文大寫、英文小寫和羅馬大寫4種輸入法，因此設計切換鍵按下時依次分別顯示4種輸入狀態中的一種。

刪除鍵用于輸入錯誤時刪除使用，確認鍵則用于確定輸入的結果時使用，返回鍵則可以返回上一級菜單。

2.5 校線功能模塊的設計

圖1 校線儀工作原理圖Fig 1 the working principle of the checking line device

圖2 從機工作程序流程圖Fig 2 the workflow of the slave comptuer

圖3 多功能校線儀箱外觀圖Fig 3 the surface of the host

圖4 多功能校線儀從機外觀圖Fig 4 the surface of the slave computer

圖5 工作人員在主機端進行校線工作Fig 5 the worker is working at the host

校線功能的原理相對比較簡單，將主機單片機中用于校線的16個管腳均置高電平，每個管腳連接一個發光二極管的負極，發光二極管的正極接電源，即高電平。從機中的單片機中用于校線的管腳置低電平，這樣，當兩個單片機共地，有導線將主機的某個校線端口和從機的校線端口連接后，主機的該端口即被拉低成低電平，發光二極管導通發光，證明該端口的線纜被校通。如果某幾個端口的線纜短路，這時，被短路的線纜的端口電平都會變成低電平，其對應的發光二極管均被點亮。

3.從機的設計

3.1 從機總體設計

圖6 工作人員在從機端進行校線工作Fig 6 the worker is working at the slave computer

圖7 工作人員在進行校線工作Fig 7 the worker is checking lines

從機上不設計線號輸入等功能，只需要顯示主機發送過來的信息，因此從機配置相對主機而言比較簡單。根據從機的功能需求，從機設計成手持式。給從機上電后，液晶即顯示進入等待校線狀態，即只是顯示標題，一直處于等待接收信息的狀態。直到從機與主機通過被校線纜連通時，主機有信息通過單片機的串行通信傳到從機，從機則開始接收從主機發送過來的端口和相應的線號的信息，顯示在從機的液晶上。當從機與主機斷開時，這時從機啟動定時器，并會判斷斷開的時間，如果斷開的時間沒有超過1秒時，這時在從機的液晶上仍會顯示剛才接通的線纜的信息，如果從機與主機斷開時間超過1秒，而沒有任何其他線纜連通主機與從機時，這時候，從機的液晶上又恢復至等待校線狀態。

3.2 從機流程設計

根據從機的總體功能設計，設計其程序流程圖如圖2所示。

4.產品雛形與實際應用

多功能校線儀封裝在一個鋁合金的機箱內，其外觀圖如圖3所示。

根據從機的功能要求和應用需要，我們為從機選擇了方便手持的外殼，并將從機需要用到的接地線、檢測線、通信線A和B以及通話線用航空插頭將線引出，分別用黑、白、紅、綠、黃五種顏色加以區分，從機的外觀圖如圖4所示。

經過多個變電站測試應用，我們實現了通話功能、通訊功能、線號輸入功能和電纜校線功能，并實現了電纜芯線短路和接地故障的查詢。

該智能微機校線儀在同時校驗多芯電纜時體現出較大的優勢，適用于變電站工程基建和擴建工程。研制的智能微機校線儀在幾個擴建、基建工程中得到了大量的使用。圖5-7為工作人員在使用該校線儀器進行電纜校線工作。

5.結論

該智能微機校線儀在同時校驗多芯電纜時體現出較大的優勢，適用于變電站工程基建和擴建工程。

本智能微機校線儀解決的實際問題主要有：減少了無線通訊工具對高頻保護設備的影響；可以查出因電纜芯破損出現的短路、接地等故障，大大提高了電纜校線的正確率；該裝置一個人也能夠實現電纜校線，節約了人力，大大提高了工作效率。

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