一種便攜式線纜檢測設備的設計

潘大偉，孫洪濤，戴永壽

（1.中國石油大學 勝利學院，山東 東營257061；2.中國石油大學（華東）科學技術研究院，山東 東營257061；3.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島266580）

一種便攜式線纜檢測設備的設計

潘大偉1，3，孫洪濤2，戴永壽3

（1.中國石油大學 勝利學院，山東 東營257061；2.中國石油大學（華東）科學技術研究院，山東 東營257061；3.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島266580）

針對傳統線纜檢測方法效率低、現有線纜檢測設備體積大等缺點，設計了一種便攜式線纜檢測設備。該設備使用鋰電池供電，多個線纜檢測單元電路組合滿足不同類型線纜要求，通過觸摸屏選擇被檢測線纜類型，由嵌入式開發板向單片機控制電路發送檢測指令，利用線纜檢測電路對線纜進行檢測，將檢測結果顯示于觸摸屏。詳細介紹了設備組成，以一實例對檢測方法進行了說明。現場實用表明，該設備具有檢測速度快、準確率高、體積小、擴展性強等優點。

線纜檢測；便攜式；單元電路；觸摸屏

隨著生產、測試設備功能越來越強大，內部模塊也越來越多，連接各模塊的連接線纜復雜，連接點眾多。連接線纜的可靠性直接影響設備的整體可靠性，連接點之間連接關系錯誤，會使設備不能正常工作，甚至損壞，因此有必要對連接線纜進行檢測，保證其可靠性。

當前行業普遍采用人工檢測，即對照圖紙、連接表，利用萬用表檢測線纜兩端的通斷。這種方法效率低、耗時長，常出現錯檢、漏檢情況[1-3]。因此，人工檢測僅適用于連接點較少的線纜。對于數十個，甚至數百個連接點的線纜應該用檢測設備自動檢測。但是，有的檢測設備需要恒流源技術[4]，電路結構復雜；有的檢測設備將計算機作為上位機[1-5]，體積較大，上述設備均不適合現場使用。

根據上述問題，文中提出了一種用于線纜的便攜式檢測設備。該檢測設備體積較小，利用鋰電池供電，可在現場對連接線纜進行快速、可靠的檢測，并將檢測結果及時顯示于屏幕。

1 設備的組成

檢測設備的組成如圖1所示。該設備由電源電路、上位機和下位機3部分組成。電源電路包括鋰電池和電源模塊，上位機包括觸摸屏和嵌入式開發板，下位機包括單片機控制電路和線纜檢測電路，所有設備均安裝于一個功能箱內。

圖1 線纜檢測設備的組成

電源模塊將鋰電池的12 V輸出電壓轉換為5 V，向整個設備供電。操作人員利用觸摸屏選擇被測線纜類型，發出檢測指令，嵌入式開發板接收指令后，通過串口把指令傳輸給單片機控制電路。單片機按照該指令通過線纜檢測電路對線纜進行檢測，并將檢測結果傳輸給嵌入式開發板，利用觸摸屏顯示。下面對該設備主要組成部分進行說明。

1.1 電源電路

電源電路如圖2所示，該電路由鋰電池和電源模塊組成。所用鋰電池容量為10 Ah，可保證該設備長時間工作，輸出電壓12 V，與插座J1相連。由于設備其余部分需要5 V供電，因此使用電源模塊BSD12-12S05進行電壓轉換。該模塊具有寬電壓輸入特性，可在9～18 V輸入下正常工作，輸出電壓為5 V，功率12 W，并具有短路保護功能。圖2中Power1和Power2為兩個電源模塊，通過插座J2向下位機供電，通過插座J3向上位機供電。

圖2 電源電路

1.2 單片機控制電路

該電路由單片機STC12C5A48S2和附屬元件組成。該單片機采用5V供電，晶振為11.0592MHz[6]。單片機的UART引腳RxD/P3.0和TxD/P3.1通過MAX232與嵌入式開發板連接實現兩者串行通信[7]，部分IO口與線纜檢測電路相連。

1.3 線纜檢測電路

線纜檢測電路在單片機控制下對線纜進行檢測。為便于對不同數量連接點的線纜進行檢測，實現電路模塊化，線纜檢測電路由線纜檢測單元電路組成，每個單元電路可對8個連接點進行檢測。線纜檢測單元電路如圖3所示。

圖3 線纜檢測單元電路

線纜檢測單元電路中，U1為一片8通道數字模擬開關CD4051B[8-11]，INH連接該芯片的片選信號，片選信號由單片機確定；X引腳接+5 V；控制引腳A、B、C 分別連接單片機的 P2.0、P2.1和 P2.2口，通過這3個引腳高低電平不同組合，可將X所接的+5 V高電平輸出至X0～X7的某一引腳；X0～X7連接插座J4。插座J4為一8腳插座，連接被測線纜的連接點。RB1是一個8×10 kΩ阻排，公共端接地，其余引腳連接插座J4，起下拉電阻的作用。U2是一片8路三態緩沖器74HC244，片選信號由單片機確定，輸入端連接插座J4，輸出端連接單片機的P0口，供單片機讀取檢測結果。

該設備采用LQFP44封裝的STC12C5A48S2型單片機，該單片機共有40個IO口，其中RST/P4.7作為復位引腳、RxD/P3.0和TxD/P3.1作為串行通信引腳，P2.0、P2.1和 P2.2連接 CD40541B 的 A、B、C 3個引腳，P0口連接74HC244的輸出，因此最多有26個IO口可作為CD4051B和74HC244的片選信號，每種芯片可占用13個。在譯碼電路配合下，該設備理論上可設置213=8 192片CD4051B和74HC244，最多對8×8 192=65 536個連接點進行檢測。在實際使用中，線纜的連接點不會達到上述數量，因此該設備可滿足一般線纜的檢測要求，具有極佳的擴展性。

1.4 上位機

為縮短開發時間，提高設備可靠性，本設備采用英創信息技術有限公司生產的EM9170嵌入式開發板和7寸彩色觸摸屏作為上位機，兩者通過40腳扁平線連接[12]。EM9170是一款高性價比的嵌入式主板，以Freescale的iMX257為硬件核心，并帶有多種標準接口，其中物理串口COM3與單片機控制電路連接。該開發板預裝WinCE6.0系統平臺，可直接利用Visual Studio 2005進行應用開發[13-14]。該設備上位機采用C#開發[15]，觸摸屏界面如圖4所示。

圖4 上位機觸摸屏界面

觸摸屏界面包括線纜類型選擇、檢測結果、開始檢測按鈕3部分。選擇被檢測線纜類型，按下開始檢測按鈕，該設備開始對線纜進行檢測，并將檢測結果顯示在錯誤列表中。錯誤列表指出連接錯誤的兩個連接點的位置、正確狀態和錯誤狀態，操作人員可根據該信息對線纜進行檢修。

2 實例分析

下面以一具有16個連接點的線纜為例，對該設備的檢測方法進行說明。該連接線纜如圖5所示。該線纜有 3個插座，分別為 J5、J6、J7，其中 J5有 8個連接點，編號為1～8，J6有5個連接點，編號為9～13，J7有3個連接點，編號為14～16。對該型線纜的檢測需要完成線纜數據表的構建、檢測電路的搭建和線纜檢測3部分工作。

圖5 連接線纜例圖

2.1 線纜數據表的構建

線纜數據表是對該線纜連接點連接關系的說明，該數據表存儲于單片機存儲器中，與測量數據比較，判斷線纜的連接關系是否正確。數據表的構建方法如下。

僅對連接點1施加高電平，與連接點1相連的連接點均會變為高電平，未與連接點1相連的連接點懸空。檢測時，將線纜接入線纜檢測電路，每個連接點連接一個下拉電阻，未與連接點1相連的連接點會呈現低電平。由圖5可知，與連接點1相連的有連接點9、連接點14，上述3個連接點為高電平，其余連接點均為低電平。將高電平表示為數字量1，低電平表示為數字量0，連接點1為最低位，連接點16為最高位，此時16個連接點的電平狀態可用二進制數0010 0001 0000 0001B，即16進制數0x2101表示。

再僅對連接點2施加高電平，與連接點2相連的連接點10、15為高電平，其余連接點為低電平，此時16個連接點對應的16進制數為0x4202。依此類推，計算出每個連接點為高電平時對應的16進制數，并將這些數據組成數據表存儲在單片機的存儲器中。

2.2 線纜檢測電路的搭建

由上文可知，一個線纜檢測單元電路可以對8個線纜連接點進行檢測，該實例中的連接線纜共16個連接點，因此檢測電路需要兩個線纜檢測單元電路組成。該電路如圖6所示。

應用中，檢測電路的插座應與被測線纜的插座相對應。該實例中的被測線纜有3個插座，分別為8腳的J5、5腳的J6和3腳的J7，檢測電路中也設置有對應的插座。檢測時，將被測線纜的J5、J6和J7分別插入檢測電路的J8、J9、J10中。

2.3 線纜的檢測

數據表和檢測電路完成后，可按下列步驟對該線纜進行檢測。

1）將線纜的插座插入線纜檢測電路的對應插座中。

2）利用單片機使能圖6中的CD4051B芯片U3，U5無效，單片機的P2.0、P2.1、P2.2均為低電平，使U3的X0輸出高電平，U3的X1～X7和U6的X0～X7為高阻態，即僅設置被測電纜插座J5的1腳為高電平，并保持此狀態。

圖6 線纜檢測電路實例

3）利用單片機使能74HC244芯片U4，U6無效，讀取P0口，此時讀取數據為插座J8，即線纜插座J5的8個連接點狀態；再使能U6，U4無效，讀取P0口，此時讀取數據為插座J9、J10，即線纜J6、J7的 8個連接點狀態。

4）將步驟3中前后兩次讀取的數據分別作為低位字節和高位字節組成一個字，與單片機中預先存儲的數據0x2101比較，如果兩個數據相同，說明線纜連接點1與其余連接點的連接關系正確，如果不同，說明連接有誤。設單片機讀取數據為0x1101，預存數據為0x2101，說明連接點1未與連接點14相連，而與連接點13誤連。發現連接錯誤后，將錯誤信息及時上傳至上位機，通過觸摸屏給予顯示。

5）線纜連接點1與其他連接點的連接關系檢測完成后，對連接點2進行檢測，只需令U3的X1為高電平，其余為高阻態，再重復步驟（2）～（4）。依此類推，完成對所有連接點的檢測。

3 結 論

文中研制的便攜式線纜檢測設備利用觸摸屏選擇被測線纜類型，通過單片機控制電路和線纜檢測電路對線纜進行檢測，并將檢測結果顯示于觸摸屏。克服了傳統檢測方法速度慢、其他檢測設備體積大等缺點，可以在現場對多種線纜進行快速的、準確的檢測，極大提高了檢測效率，減少了由于連接線路錯誤引起的事故隱患，具有良好的實際應用價值。

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Design of a kind of portable cable detection device

PAN Da-wei1，3，SUN Hong-tao2，DAI Yong-shou3
（1.Shengli College，China University of Petroleum，Dongying 257061，China；2.Institute of Science and Technology，China University of Petroleum，Dongying 257061，China； 3.College of Information and Control Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Aiming at the disadvantages of low efficiency of the traditional cable detection method and large volume of the existing cable detection device，a kind of portable cable detection device is designed.The device is powered by lithium battery.Some unit circuits are combined to meet the need of different type of cables，and the cable type is selected by touch screen.The embedded development board sends the detecting instruction to the MCU control circuit to detect the cable with the cable detection circuit.The detection results are displayed on the touch screen.The equipment composition is described in detail，and the detection method is showed through an example.The field application shows that the device has the advantages of high detection speed，high accuracy rate，small volume and strong expandability.

cable detection； portable； unit circuit； touch screen

TN06

A

1674－6236（2017）17-0137-04

2016-08-05稿件編號：201608039

中央高校基本科研業務費專項資金資助（14CX02178A）

潘大偉（1979—），男，山東德州人，碩士，講師。研究方向：油田監測領域的電子系統設計。