基于ATmegal28單片機的鐵路線纜絕緣檢測系統設計

申芳　段興旺　馬慧麗　李文靜

摘 要 電纜在系統中占有至關重要的地位，如果出現問題將導致系統運行受到非常大的干擾，造成比較大的經濟損失。需要不定期的對線路中的電纜進行檢查，確定其是否有斷電漏電及絕緣狀況。相對人工檢測而言，線纜檢測系統采用ATmegal28單片機為核心部件，效率高、效果好、非常高。主要功能包括電纜是否可以通電、導線和絕緣部分的電阻大小、測量速度比較快、顯示效果好，同時可以通過遠程傳輸在電腦端可以顯示檢測數據，能夠解決企業對現場檢測的實際需求。

關鍵詞 絕緣檢測；絕緣電阻； ATmegal28單片機

中圖分類號 U2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0132-02

為了檢測鐵路線纜的絕緣性，保證整個鐵路系統安全、可靠、優質和經濟地合理地運行，線纜絕緣檢測系統設計將電纜導通測量，通過電流和電壓的測量，并通過運算放大電路間接地測量計算得到電阻。鐵路線纜絕緣檢測系統從提高測量精度、效率、節省人力等方面研究，構建起先進的檢測系統，檢測系統從軟件和硬件兩方面入手，主要通過A/D轉換以及運算放大電路采集信號。而且保證線纜對地絕緣性能良好是實現鐵路電氣化和自動化重要而又基礎性的環節。對于一個中型車站而言，其控制室所控制的區域除站場外，還包括近十公里范圍的區間線路，他們之間電源及信號的傳輸，依靠上千根置于地溝內的電纜完成，因此，必須定期對線纜的絕緣性能進行檢測。

1 絕緣電阻測試方法比較

當前絕緣電阻測試的方法主要是“加高壓、測漏流”。具體歸納起來主要有以下幾種：串聯法測絕緣電阻、并聯法測絕緣電阻、電壓比法測絕緣電阻、電橋法測絕緣電阻、充放電法測絕緣電阻。

1）串聯法的特點是原理簡單，可靠實用Ui隨 Rx的增大而減小，當Rx非常大時，Ui會變得非常小，當電壓小到一定程度時，電壓測量將變得比較困難，如果為了保證Ui的值為可測，則Rx會變得非常小，對精密電阻的要求就過高而不能滿足，所以這種方法只能測得一定上限值的絕緣電阻，具體數值則由以上參數共同

決定。

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

電壓比較法的優點是可以不用求得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。VREF為一個設定值，所以每次測量時只需測量VN即可。但RS對系統的影響比較大超過誤差允許范圍時，就需要每次對VREF和VN都進行測量，這樣電壓測量工作量增加了1倍。

測試方法比較如表1所示。

2 系統總體設計

本設計由絕緣檢測電路部分、控制回路部分、信號調理電路部分、顯示電路部分、通訊電路部分和調試電路部分構成，并完成系統硬件的制作。利用Atmega128為主控芯片完成對整個系統的控制。

1）選擇Atmegal128單片機，在此基礎之上還需要有適當的芯片才能完成整個系統的構建，首先第一部分就是需要設計高壓直流電源；第二就是需要設計小電流恒流源；第三就是需要開發采樣電路；第四就是需要開發出測量控制回路；第五就是需要開發出放大電路；第六就是需要設計濾波電路；第七就是需要設計顯示電路；第八就是需要設計通訊電路。

2）軟件主要包括各個主要功能芯片驅動程序，所有檢測程序都在后臺運行，只將檢測結果在界面顯示。

3 系統硬件設計

3.1 系統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，同時其結構特點為AVR RISC結構。在當前情況下，對單片機的性能要求變得越來越高，而AVR也做出了相應的改變，使用了Harvard結構，這是結構最大的特點就是數據是自己，同時還擁有了程序總線。運行非常高效，CPU運行過程中，會準備進行接下來的指令，這樣從而只需要耗費單時鐘周期運行。程序存儲器的功能得到充分的擴展，可以在聯網的情況下完成Flash。基于上述方面的特點，ATmega128在處理數據的過程中展現出非常高的效率，最高為1MIPS，這樣可以優化能耗和性能，從而達到一種平衡。

ATmega128的程序運行穩定，不容易丟失，對于數據存儲器來講同樣如此，同時還包括Flash，可以基于開發者的需求進行編輯，具體的大小為128K字節，其寫擦除周期為一萬次，同時系統還具備EEPROM，其具體的大小為4K字節，相對應的寫擦除周期為10萬次，同時系統還具備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。

本系統各模塊的軟件驅動主要包括：LCD顯示驅動、串口通訊驅動和鍵盤驅動。驅動接口層盡量屏蔽應用層軟件對硬件的直接操作，這樣可使應用軟件層的設計完全面向系統功能進行考慮，為其進一步的模塊化打下了良好的基礎?？紤]到系統功能較為復雜，應用軟件部分的設計嚴格按照自頂向下的結構化設計思想，將問題分解成若干個相對簡單的小問題，每個小問題對應1個子功能模塊，對各個子功能模塊分別進行程序設計。采用這種設計方法是由系統的特點決定的。軟件模塊主要包括各個主要功能芯片驅動程序，所有檢測程序都在后臺運行，只將檢測結果在界面顯示。

3.2 數據采集

系統的數據采集應用片內ADC轉換模塊，AVR單片機包括了10位多通道ADC，模擬信號經過信號調理從系統相關引腳接入。

在線纜導通電阻的測量電路中，采用恒流源給線纜導線提供恒定直流電，然后利用A/D轉換器讀取導線兩端的電壓，再計算出導線的電阻值。

3.3 運算放大器

LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，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。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組，音頻放大器、工業控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。LM358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。

4 系統軟件設計

本系統各模塊的軟件驅動主要包括：LCD顯示驅動、串口通訊驅動和鍵盤驅動。驅動接口層盡量屏蔽應用層軟件對硬件的直接操作，這樣可使應用軟件層的設計完全面向系統功能進行考慮，為其進一步的模塊化打下了良好的基礎?？紤]到系統功能較為復雜，應用軟件部分的設計嚴格按照自頂向下的結構化設計思想，將問題分解成若干個相對簡單的小問題，每個小問題對應1個子功能模塊，然后對各個子功能模塊分別進行程序設計。采用這種設計方法是由系統的特點決定的。

5 數據分析

系統測試數據如圖4。

由測試數據可知，系統的絕緣程度與電阻的阻值有關，阻值越大，系統的電壓輸出越小，說明系統的絕緣程度越高，越有利于絕緣程度的實現。

參考文獻

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