基于ATmegal28單片機(jī)的鐵路線纜絕緣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

申芳　段興旺　馬慧麗　李文靜

摘 要 電纜在系統(tǒng)中占有至關(guān)重要的地位，如果出現(xiàn)問題將導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行受到非常大的干擾，造成比較大的經(jīng)濟(jì)損失。需要不定期的對(duì)線路中的電纜進(jìn)行檢查，確定其是否有斷電漏電及絕緣狀況。相對(duì)人工檢測(cè)而言，線纜檢測(cè)系統(tǒng)采用ATmegal28單片機(jī)為核心部件，效率高、效果好、非常高。主要功能包括電纜是否可以通電、導(dǎo)線和絕緣部分的電阻大小、測(cè)量速度比較快、顯示效果好，同時(shí)可以通過遠(yuǎn)程傳輸在電腦端可以顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，能夠解決企業(yè)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞 絕緣檢測(cè)；絕緣電阻； ATmegal28單片機(jī)

中圖分類號(hào) U2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）11-0132-02

為了檢測(cè)鐵路線纜的絕緣性，保證整個(gè)鐵路系統(tǒng)安全、可靠、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)地合理地運(yùn)行，線纜絕緣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)將電纜導(dǎo)通測(cè)量，通過電流和電壓的測(cè)量，并通過運(yùn)算放大電路間接地測(cè)量計(jì)算得到電阻。鐵路線纜絕緣檢測(cè)系統(tǒng)從提高測(cè)量精度、效率、節(jié)省人力等方面研究，構(gòu)建起先進(jìn)的檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)從軟件和硬件兩方面入手，主要通過A/D轉(zhuǎn)換以及運(yùn)算放大電路采集信號(hào)。而且保證線纜對(duì)地絕緣性能良好是實(shí)現(xiàn)鐵路電氣化和自動(dòng)化重要而又基礎(chǔ)性的環(huán)節(jié)。對(duì)于一個(gè)中型車站而言，其控制室所控制的區(qū)域除站場(chǎng)外，還包括近十公里范圍的區(qū)間線路，他們之間電源及信號(hào)的傳輸，依靠上千根置于地溝內(nèi)的電纜完成，因此，必須定期對(duì)線纜的絕緣性能進(jìn)行檢測(cè)。

1 絕緣電阻測(cè)試方法比較

當(dāng)前絕緣電阻測(cè)試的方法主要是“加高壓、測(cè)漏流”。具體歸納起來主要有以下幾種：串聯(lián)法測(cè)絕緣電阻、并聯(lián)法測(cè)絕緣電阻、電壓比法測(cè)絕緣電阻、電橋法測(cè)絕緣電阻、充放電法測(cè)絕緣電阻。

1）串聯(lián)法的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，可靠實(shí)用Ui隨 Rx的增大而減小，當(dāng)Rx非常大時(shí)，Ui會(huì)變得非常小，當(dāng)電壓小到一定程度時(shí)，電壓測(cè)量將變得比較困難，如果為了保證Ui的值為可測(cè)，則Rx會(huì)變得非常小，對(duì)精密電阻的要求就過高而不能滿足，所以這種方法只能測(cè)得一定上限值的絕緣電阻，具體數(shù)值則由以上參數(shù)共同

決定。

2）并聯(lián)法不適合測(cè)量值較小的絕緣電阻值，對(duì)測(cè)試精度十分重要，如果RS為一定值，則用實(shí)驗(yàn)的方法加以修正就可以得到正確的關(guān)系式，但如果RS為一變量則需要求得它和Rx的關(guān)系才能得到正確的關(guān)系式。另外從電路圖可以看出，當(dāng)Rx越小時(shí)，Ui越小，到超過測(cè)量的合適范圍時(shí)所測(cè)絕緣電阻值就會(huì)有較大誤差，所以此法不適合測(cè)比較小的絕緣電阻。

電壓比較法的優(yōu)點(diǎn)是可以不用求得RS，只須求得VREF和VN即可。但VREF和VN的值仍受RS影響，如果RS較小，其影響可以忽略不計(jì)。VREF為一個(gè)設(shè)定值，所以每次測(cè)量時(shí)只需測(cè)量VN即可。但RS對(duì)系統(tǒng)的影響比較大超過誤差允許范圍時(shí)，就需要每次對(duì)VREF和VN都進(jìn)行測(cè)量，這樣電壓測(cè)量工作量增加了1倍。

測(cè)試方法比較如表1所示。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由絕緣檢測(cè)電路部分、控制回路部分、信號(hào)調(diào)理電路部分、顯示電路部分、通訊電路部分和調(diào)試電路部分構(gòu)成，并完成系統(tǒng)硬件的制作。利用Atmega128為主控芯片完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。

1）選擇Atmegal128單片機(jī)，在此基礎(chǔ)之上還需要有適當(dāng)?shù)男酒拍芡瓿烧麄€(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建，首先第一部分就是需要設(shè)計(jì)高壓直流電源；第二就是需要設(shè)計(jì)小電流恒流源；第三就是需要開發(fā)采樣電路；第四就是需要開發(fā)出測(cè)量控制回路；第五就是需要開發(fā)出放大電路；第六就是需要設(shè)計(jì)濾波電路；第七就是需要設(shè)計(jì)顯示電路；第八就是需要設(shè)計(jì)通訊電路。

2）軟件主要包括各個(gè)主要功能芯片驅(qū)動(dòng)程序，所有檢測(cè)程序都在后臺(tái)運(yùn)行，只將檢測(cè)結(jié)果在界面顯示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主要功能芯片的選擇

ATmega128作為8位CMOS微處理器，電力消耗非常少，同時(shí)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為AVR RISC結(jié)構(gòu)。在當(dāng)前情況下，對(duì)單片機(jī)的性能要求變得越來越高，而AVR也做出了相應(yīng)的改變，使用了Harvard結(jié)構(gòu)，這是結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)是自己，同時(shí)還擁有了程序總線。運(yùn)行非常高效，CPU運(yùn)行過程中，會(huì)準(zhǔn)備進(jìn)行接下來的指令，這樣從而只需要耗費(fèi)單時(shí)鐘周期運(yùn)行。程序存儲(chǔ)器的功能得到充分的擴(kuò)展，可以在聯(lián)網(wǎng)的情況下完成Flash。基于上述方面的特點(diǎn)，ATmega128在處理數(shù)據(jù)的過程中展現(xiàn)出非常高的效率，最高為1MIPS，這樣可以優(yōu)化能耗和性能，從而達(dá)到一種平衡。

ATmega128的程序運(yùn)行穩(wěn)定，不容易丟失，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器來講同樣如此，同時(shí)還包括Flash，可以基于開發(fā)者的需求進(jìn)行編輯，具體的大小為128K字節(jié)，其寫擦除周期為一萬次，同時(shí)系統(tǒng)還具備EEPROM，其具體的大小為4K字節(jié)，相對(duì)應(yīng)的寫擦除周期為10萬次，同時(shí)系統(tǒng)還具備JTAG接口，這樣可以非常方便的編程Flash和EEPROM，除此之外還可以非常方便的編程熔絲位和鎖定位。

本系統(tǒng)各模塊的軟件驅(qū)動(dòng)主要包括：LCD顯示驅(qū)動(dòng)、串口通訊驅(qū)動(dòng)和鍵盤驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)接口層盡量屏蔽應(yīng)用層軟件對(duì)硬件的直接操作，這樣可使應(yīng)用軟件層的設(shè)計(jì)完全面向系統(tǒng)功能進(jìn)行考慮，為其進(jìn)一步的模塊化打下了良好的基礎(chǔ)。考慮到系統(tǒng)功能較為復(fù)雜，應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照自頂向下的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，將問題分解成若干個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的小問題，每個(gè)小問題對(duì)應(yīng)1個(gè)子功能模塊，對(duì)各個(gè)子功能模塊分別進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。采用這種設(shè)計(jì)方法是由系統(tǒng)的特點(diǎn)決定的。軟件模塊主要包括各個(gè)主要功能芯片驅(qū)動(dòng)程序，所有檢測(cè)程序都在后臺(tái)運(yùn)行，只將檢測(cè)結(jié)果在界面顯示。

3.2 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用片內(nèi)ADC轉(zhuǎn)換模塊，AVR單片機(jī)包括了10位多通道ADC，模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理從系統(tǒng)相關(guān)引腳接入。

在線纜導(dǎo)通電阻的測(cè)量電路中，采用恒流源給線纜導(dǎo)線提供恒定直流電，然后利用A/D轉(zhuǎn)換器讀取導(dǎo)線兩端的電壓，再計(jì)算出導(dǎo)線的電阻值。

3.3 運(yùn)算放大器

LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組，音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)各模塊的軟件驅(qū)動(dòng)主要包括：LCD顯示驅(qū)動(dòng)、串口通訊驅(qū)動(dòng)和鍵盤驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)接口層盡量屏蔽應(yīng)用層軟件對(duì)硬件的直接操作，這樣可使應(yīng)用軟件層的設(shè)計(jì)完全面向系統(tǒng)功能進(jìn)行考慮，為其進(jìn)一步的模塊化打下了良好的基礎(chǔ)。考慮到系統(tǒng)功能較為復(fù)雜，應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照自頂向下的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，將問題分解成若干個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的小問題，每個(gè)小問題對(duì)應(yīng)1個(gè)子功能模塊，然后對(duì)各個(gè)子功能模塊分別進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。采用這種設(shè)計(jì)方法是由系統(tǒng)的特點(diǎn)決定的。

5 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4。

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)的絕緣程度與電阻的阻值有關(guān)，阻值越大，系統(tǒng)的電壓輸出越小，說明系統(tǒng)的絕緣程度越高，越有利于絕緣程度的實(shí)現(xiàn)。

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