基于單片機的二次線纜對線器設(shè)計研究

廣東電網(wǎng)有限責任公司清遠連山供電局 廣東 清遠 513200

引言

校線工作是電力系統(tǒng)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(yīng)進行校線，以保證導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)場檢測人員的難題。假定有N根待測線纜，采用傳統(tǒng)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(shè)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(xiàn)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(shè)計的校線儀可快速對現(xiàn)場線路進行校對，操作簡便，可單人完成。在設(shè)備內(nèi)部使用有線通信，避免了無線通信的限制。可現(xiàn)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(shè)計

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1所示，本文設(shè)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(shè)備、復(fù)用器、串行通信設(shè)備和LCD顯示屏構(gòu)成。其中，單片機主機用于向不同線纜發(fā)送對應(yīng)的串行數(shù)據(jù)，并行通信發(fā)送設(shè)備用于連接線纜，讓數(shù)據(jù)通過線纜傳輸，并行通信接收設(shè)備用于接收線纜上的數(shù)據(jù)，復(fù)用器將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并通過串行設(shè)備傳輸?shù)絾纹瑱C從機，單片機接收到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。

2 硬件設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)，抗干擾能力強，內(nèi)置看門狗復(fù)位電路，引腳包含ADC、PWM功能，內(nèi)置串口、IIC和SPI等多種通信接口，非常適合本設(shè)計的功能需求。

我們設(shè)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(chǎn)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(shù)據(jù)逐一通過并口向線纜送出。每條線纜中傳輸?shù)亩际且欢?位串口數(shù)據(jù)，且串口數(shù)據(jù)的內(nèi)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(shù)據(jù)，每個并行接口對應(yīng)一條線纜，校線時，用戶可以先隨意連接線纜，等接收到數(shù)據(jù)后，再根據(jù)LCD顯示屏的提示進行校線。

2.3 復(fù)用器模塊

復(fù)用器使用的是一個16路高速CMOS 模擬多路復(fù)用芯片CD74HC4067。CD74HC4067芯片類似一個單刀多擲開關(guān)，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(shù)字和模擬信號。我們只需連接4個數(shù)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(chǎn)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(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號線僅有9條。支持多種串行通信協(xié)議，如AVR單片機的SPI協(xié)議，傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，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(nèi)容[2]。

圖2 LCD5110顯示效果圖

3 軟件設(shè)計

3.1 單片機主機程序設(shè)計

單片機主機主要功能是向每一個線纜發(fā)送不同的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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(fù)用器程序設(shè)計

為了節(jié)省單片機內(nèi)部資源，我們在從機接收端增加了一個復(fù)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(fù)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(shù)據(jù)。若等待時間內(nèi)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(shù)據(jù)。

3.3 LCD顯示程序設(shè)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(shù)據(jù)序列，下方表格為黑底白字，表格內(nèi)容隨對應(yīng)線纜接收到的數(shù)據(jù)而變化，收到什么數(shù)據(jù)就顯示什么數(shù)據(jù)，若沒收到數(shù)據(jù)，則會顯示“X”，表示斷路。若兩個線纜顯示的數(shù)據(jù)相同，則表示可能存在短路現(xiàn)象。校線人員可以根據(jù)線序重新接線，直到上下兩行表格的內(nèi)容完全一致，表示線序正確[3]。

4 結(jié)束語

本文設(shè)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。