基于單片機的二次線纜對線器設計研究

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引言

校線工作是電力系統二次回路檢修中不可缺少的環(huán)節(jié)，二次線在接線前和接線后都應進行校線，以保證導線能正確的接入端子。目前常用的校線方法有：電話聽筒校線法、絕緣電阻校線法、信號燈校線法、電纜校對器校線法。現場普遍采用的方法是利用萬用表測量線纜是否配對，還會使用對講機輔助進行校對。這些方法至少需要兩名工作人員配合，不僅費時費力而且容易出錯，校線效率較低。

校線檢測一直是困擾現場檢測人員的難題。假定有N根待測線纜，采用傳統方式需要用萬用表測量N(N-1)/2次，工作量很大，并且容易出錯，為此需要設計一個具有校線檢測功能的對線器，以完成線纜之間的檢測工作，并且能夠給出所有線路編號，這樣可以大大減少現場校線人員的工作量，大幅提高工作效率。

針對上述問題，本文設計的校線儀可快速對現場線路進行校對，操作簡便，可單人完成。在設備內部使用有線通信，避免了無線通信的限制。可現場輸入、顯示線路編號，校對準確率高，是檢驗線路是否斷路、短路、錯接的理想儀器。攜帶方便，操作簡單，性價比高，具有很強的市場價值[1]。

1 整體設計

圖1 系統框圖

如圖1所示，本文設計的基于單片機的二次線纜對線器主要由單片機主機、單片機從機、并行通信收發(fā)設備、復用器、串行通信設備和LCD顯示屏構成。其中，單片機主機用于向不同線纜發(fā)送對應的串行數據，并行通信發(fā)送設備用于連接線纜，讓數據通過線纜傳輸，并行通信接收設備用于接收線纜上的數據，復用器將并行數據轉換為串行數據，并通過串行設備傳輸到單片機從機，單片機接收到數據后，將數據顯示在LCD顯示屏上。

2 硬件設計

2.1 單片機控制核心

我們使用的單片機控制核心芯片為ATMEGA328P，這是一種集成電路，核心處理器是AVR，閃存容量為32KB，內含1KB EEPROM，2KB RAM，時鐘頻率為20MHz，兼容5v和12v外部供電，擁有32個I/O引腳，高性能、低功耗，具有先進的RISC體系結構，抗干擾能力強，內置看門狗復位電路，引腳包含ADC、PWM功能，內置串口、IIC和SPI等多種通信接口，非常適合本設計的功能需求。

我們設計的基于單片機的二次線纜對線器使用Arduino開發(fā)平臺開發(fā)，開發(fā)效率高，開發(fā)周期短，代碼段簡潔明了。使用Arduino UNO開發(fā)板，產品成熟穩(wěn)定，性能優(yōu)異，性價比高。

2.2 并行通信收發(fā)模塊

并行通信收發(fā)模塊包含并行通信發(fā)送模塊和并行通信接收模塊。

并行通信發(fā)送模塊一邊與單片機主機相連，一邊與需要校線的線纜相連，將單片機主機發(fā)送過來的串口數據逐一通過并口向線纜送出。每條線纜中傳輸的都是一段8位串口數據，且串口數據的內容不同，便于從機進行區(qū)分。

并行通信接收模塊用于接收單片機主機發(fā)送的數據，每個并行接口對應一條線纜，校線時，用戶可以先隨意連接線纜，等接收到數據后，再根據LCD顯示屏的提示進行校線。

2.3 復用器模塊

復用器使用的是一個16路高速CMOS 模擬多路復用芯片CD74HC4067。CD74HC4067芯片類似一個單刀多擲開關，其中SIG引腳是接收端口，可以通過地址選擇引腳S0-S3選擇CH0～CH15中的一路與SIG連通。CD74HC4067芯片適用于數字和模擬信號。我們只需連接4個數字引腳S0-S3，就可以控制16路信號的輸出或輸入。既可以用作1路分16路，也可以作為16路合1路。

2.4 LCD顯示屏模塊

LCD顯示屏采用LCD5110液晶顯示屏，是NOKIA公司生產的可用于其5110、6150，6100等系列移動電話的液晶顯示模塊，該模塊具有84×48的點陣，可以顯示4行漢字，采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數量大幅度減少，包括電源和地在內的信號線僅有9條。支持多種串行通信協議，如AVR單片機的SPI協議，傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數據，無等待時間。采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在20A以下，且具有掉電模式。屏幕自帶背光，可以通過引腳控制背光亮度和點亮方式，即使在晚上光線條件不好的時候也能看清屏幕上的內容[2]。

圖2 LCD5110顯示效果圖

3 軟件設計

3.1 單片機主機程序設計

單片機主機主要功能是向每一個線纜發(fā)送不同的數據。這里我們編寫程序讓主機向16個端口發(fā)送不同的串口數據。由于ATmega328P芯片只有一個硬件串口，所以我們使用軟件串口實現上述功能。

軟件串口也叫虛擬串口，不同于硬件串口，軟件串口一般是通過單片機時鐘和引腳模擬實現的一種串口通信方式。與硬件串口相比，軟件串口在通信距離、通信速率上都有所下降，對于低速以及近距離通信是沒有任何問題的，但是距離太遠、通信頻率太高或單片機時鐘等資源被占用，都會影響軟件串口通信的質量。這里我們選擇的通信速率很低，只有4800bps，且通信距離較近，程序功能單一，不會受其他功能影響，因此可以使用軟件串口。

3.2 復用器程序設計

為了節(jié)省單片機內部資源，我們在從機接收端增加了一個復用器，用于將16路信號逐一輸送到單片機從機的硬件串口上。

這里我們需要通過4個引腳來控制復用器的選路，單片機從機逐一選通16路信道，每選擇一個信道，單片機從機會等待一定時間，該等待時間會大于單片機主機發(fā)送16路信號的周期時間，便于接收信道的數據。若等待時間內沒有收到信號，則表示該信道斷路，否則，在LCD顯示屏上的指定位置，顯示該信道收到的數據。

3.3 LCD顯示程序設計

為了節(jié)約引腳資源，單片機從機與LCD5110的通信方式為SPI通信方式，僅使用4根控制線即可完成通信控制。我們?yōu)榱苏蠁纹瑱C的引腳資源，采用軟件SPI通信方式與液晶屏通信。

通過圖形庫編程方式，給5110液晶顯示屏繪制了校線表格。表格共兩行，上方表頭使用黑底白字效果，表示正確的線序，也就是單片機主機發(fā)送的數據序列，下方表格為黑底白字，表格內容隨對應線纜接收到的數據而變化，收到什么數據就顯示什么數據，若沒收到數據，則會顯示“X”，表示斷路。若兩個線纜顯示的數據相同，則表示可能存在短路現象。校線人員可以根據線序重新接線，直到上下兩行表格的內容完全一致，表示線序正確[3]。

4 結束語

本文設計的基于單片機的二次線纜對線器，不僅操作方便、小巧便攜、價格實惠，而且校線精確，穩(wěn)定性強，非常適合二次回路校線等場合，具有推廣價值。