0 引言

    多芯電纜對(duì)線編號(hào)是電力設(shè)備安裝過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，在實(shí)際工程中進(jìn)行對(duì)線編號(hào)有兩類(lèi)方法：(1)使用萬(wàn)用表(或?qū)€燈)且輔之于其他通信設(shè)備，尋找公共線芯，再進(jìn)行剩余線芯的對(duì)線編號(hào)。此方法需兩人及以上協(xié)同才能完成工作，浪費(fèi)人力物力，效率低下。(2)使用以脈沖頻率或電位信號(hào)^[1]為介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量的對(duì)線設(shè)備進(jìn)行對(duì)線操作，此設(shè)備比使用萬(wàn)用表操作方便，但前提是確定一根基準(zhǔn)線芯作為公共端，對(duì)于沒(méi)有特殊標(biāo)志或者標(biāo)志不明顯的多芯線纜，確定基準(zhǔn)線芯仍需用到方法一，故在實(shí)際使用中仍存在局限性^[2]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)對(duì)線器，無(wú)需事先確定作為公共端的基準(zhǔn)線芯，而是通過(guò)專(zhuān)門(mén)電路將線纜中當(dāng)前待測(cè)線芯作為信號(hào)發(fā)送通道，其余線芯作為公共通道，形成一個(gè)閉合回路，再輔以微處理器檢測(cè)電路，對(duì)線纜所有線芯進(jìn)行自動(dòng)配對(duì)編號(hào)。

1 系統(tǒng)組成和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

    系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩個(gè)部分。

    從機(jī)可工作于單機(jī)模式，也可工作于雙機(jī)模式。當(dāng)工作于單機(jī)模式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)線纜單端短路和斷路檢測(cè)；當(dāng)工作于雙機(jī)模式時(shí)，從機(jī)主要為主機(jī)發(fā)送測(cè)試信號(hào)，供主機(jī)對(duì)線檢測(cè)使用。

    主機(jī)需要在從機(jī)協(xié)助下工作，實(shí)現(xiàn)線纜的雙端短路、斷路以及對(duì)線測(cè)試，測(cè)試完成后，通過(guò)LED屏顯示測(cè)試結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)工作原理^[3]

    系統(tǒng)工作原理框圖如圖1。從機(jī)主要由信號(hào)輸出端及信號(hào)反饋輸入端組成，每一路線芯信號(hào)輸出端與信號(hào)反饋端一一對(duì)應(yīng)。工作時(shí)，由MCU按照一定的編碼規(guī)則，通過(guò)信號(hào)輸出端依次向每一根線芯發(fā)送電流檢測(cè)信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)該信號(hào)輸出端對(duì)應(yīng)的反饋端，根據(jù)反饋信號(hào)給出檢測(cè)結(jié)果或者是切換檢測(cè)信號(hào)，過(guò)渡到下一路線芯測(cè)試。

    主機(jī)主要由信號(hào)檢測(cè)端與反饋信號(hào)控制端組成。工作時(shí)，由MCU掃描信號(hào)檢測(cè)端，確定當(dāng)前哪一路線芯處于測(cè)試信號(hào)發(fā)送狀態(tài)；反饋信號(hào)控制端用于控制測(cè)試信號(hào)的通斷狀態(tài)，當(dāng)完成當(dāng)前線芯的檢測(cè)后，短暫切斷測(cè)試信號(hào)，通知從機(jī)切換檢測(cè)信號(hào)，過(guò)渡到下一路線芯的檢測(cè)。

    系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路線芯的故障檢測(cè)及對(duì)線編號(hào)，測(cè)試線芯路數(shù)理論上不受限制，實(shí)際檢測(cè)受系統(tǒng)的I/O接口數(shù)量控制，可以根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)I/O口擴(kuò)展芯片對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，電力系統(tǒng)中線纜線芯數(shù)一般不超過(guò)24芯，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大對(duì)線能力為24芯。

1.3 系統(tǒng)工作流程

    本系統(tǒng)主機(jī)與從機(jī)均配有24根接線端子，按順序1#-24#編號(hào)。系統(tǒng)工作于對(duì)線模式時(shí)，在從機(jī)端將線芯按照接線端子編號(hào)從小到大的順序依次連接到接線端子排上，并在線芯打上與接線端子編號(hào)相同的標(biāo)簽，同時(shí)在從機(jī)上選擇對(duì)線測(cè)試信號(hào)發(fā)送模式；在主機(jī)端則只需將線芯與接線端子相連，然后啟動(dòng)測(cè)試即可。檢測(cè)過(guò)程瞬間完成，并將接線端子號(hào)與該端子連接的線芯號(hào)對(duì)應(yīng)顯示在主機(jī)LED屏上，施工人員只需根據(jù)屏幕顯示結(jié)果，在接線端子所連接的線芯表皮貼上對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)字標(biāo)簽即可。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)中主機(jī)與從機(jī)硬件電路基本一致，主要由MCU模塊、旋轉(zhuǎn)編碼器輸入模塊、LED顯示模塊、I/O接口擴(kuò)展模塊、自適應(yīng)對(duì)線電路模塊組成。從機(jī)硬件電路組成如圖2。

2.1 處理器模塊

    由于施工現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，所以對(duì)MCU的抗干擾性要求較高。本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103系列單片機(jī)，該單片機(jī)性能穩(wěn)定、可靠性高，在工業(yè)控制領(lǐng)域擁有出色的表現(xiàn)^[4]。

2.2 按鍵輸入及LED輸出模塊

    系統(tǒng)以旋轉(zhuǎn)光電編碼器作為人機(jī)交互信息輸入，LED顯示屏作為人機(jī)交互信息輸出。光電編碼器(Optical Encoder)俗稱(chēng)“單鍵飛梭”，其只有一個(gè)按鍵但可滿足設(shè)備輸入需要，作為一種輸入裝置，具有輸入靈活、簡(jiǎn)單可靠等特點(diǎn)，特別適合應(yīng)用在嵌入式儀器和手持式設(shè)備上。LED屏具備自發(fā)光、體積小、分辨率高、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，特別適合戶外使用的嵌入式設(shè)備。

2.3 鎖存器模塊

    本系統(tǒng)中從機(jī)與自適應(yīng)電路之間共需要48個(gè)I/O端口，加上LED顯示屏與按鍵需求，所需I/O口超出了單片機(jī)I/O口數(shù)量，因此需要進(jìn)行I/O口拓展。從機(jī)根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的輸出及反饋信號(hào)的輸入，拓展了兩組鎖存器，一組用于信號(hào)輸出，另一組用于信號(hào)輸入。在進(jìn)行測(cè)試信號(hào)輸出時(shí)，將3片鎖存器的輸入總線與單片機(jī)的一個(gè)并口相連，通過(guò)鎖存器LOCK引腳控制鎖存器鎖存功能，實(shí)現(xiàn)并口分時(shí)復(fù)用功能；在進(jìn)行反饋信號(hào)輸入時(shí)，將3片鎖存器的輸出引腳與單片機(jī)的另一個(gè)并口相連，利用74HC573芯片的三態(tài)性，通過(guò)引腳控制鎖存器，實(shí)現(xiàn)最多24個(gè)I/O信號(hào)的輸入。主機(jī)I/O口擴(kuò)展類(lèi)同從機(jī)。

2.4 自適應(yīng)工作電路

2.4.1 從機(jī)端自適應(yīng)電路

    圖3為從機(jī)自適用電路。從機(jī)自適應(yīng)電路主要目的是在單片機(jī)程序的控制下，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電流信號(hào)的流出與流入。在工作過(guò)程中，該電路具有兩種不同的工作狀態(tài)：一是測(cè)試電流信號(hào)輸出狀態(tài)，二是作為公共端承擔(dān)電路回流路徑。當(dāng)作為測(cè)試信號(hào)輸出端時(shí)，單片機(jī)I/O接口電路向光耦U1單元的“2”腳 (CATHODE端)發(fā)送高電平，U1單元發(fā)光二極管關(guān)斷，U1單元光敏三極管則工作在截止?fàn)顟B(tài)，24 V測(cè)試電源正極端通過(guò)光耦U2單元的發(fā)光二級(jí)管經(jīng)待測(cè)線芯傳導(dǎo)到主機(jī)適應(yīng)電路，供主機(jī)檢測(cè)使用。當(dāng)作為公共端使用時(shí)，單片機(jī)I/O接口電路向光耦U1單元的“2”腳（CATHODE端）發(fā)送低電平，U1單元發(fā)光二級(jí)管導(dǎo)通，則U1單元光敏三極管３腳與４腳導(dǎo)通，連接到24 V測(cè)試電源的負(fù)極，與D1一起形成24V測(cè)試電源電流流回的物理路徑。光耦U2單元的引腳4作為反饋信號(hào)檢測(cè)端，供從機(jī)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)使用。

2.4.2 主機(jī)端自適應(yīng)電路

    主機(jī)自適應(yīng)電路如圖4所示，總數(shù)也是24路，與從機(jī)自適應(yīng)電路不同的是：24路模塊中，所有光耦U3單元的“2”腳（CATHODE端）連接在一起，與主機(jī)的I/O接口相連，所有光耦U4單元的“2”腳（CATHODE端）也連接在一起，作為公共端。在工作過(guò)程中，該電路也有兩種不同的工作狀態(tài)：一是信號(hào)檢測(cè)工作狀態(tài)，二是反饋信號(hào)發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)工作在信號(hào)檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)程序控制光耦U3單元的“2”腳（CATHODE端）為低電平，如果該電路模塊與載有從機(jī)檢測(cè)信號(hào)的線芯連接在一起，則來(lái)自從機(jī)的電流測(cè)試信號(hào)通過(guò)光耦U3的光敏三極管及光耦U4單元的發(fā)光二極管到達(dá)公共端，再經(jīng)過(guò)D2單元，通過(guò)剩余線芯回流到從機(jī)。對(duì)線測(cè)試時(shí)，有一路模塊作為主機(jī)測(cè)試信號(hào)輸入端，由于光耦U4單元發(fā)光二極管導(dǎo)通，U4單元的光敏三極管也處于導(dǎo)通狀態(tài)，則U4單元的“4”腳為低電平，作為主機(jī)對(duì)線測(cè)試的有效檢測(cè)信號(hào)，主機(jī)剩余檢測(cè)模塊作為檢測(cè)電流信號(hào)的回流通道，光耦U3、U4單元均被短路，U4單元光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，“4”腳在上拉電阻R5作用下呈高電平狀態(tài)，以區(qū)別測(cè)試信號(hào)輸入模塊。

    如果被測(cè)線纜所有線芯正常，則檢測(cè)過(guò)程中有且只會(huì)有一路檢測(cè)信號(hào)為低電平。反之，檢測(cè)時(shí)如果沒(méi)有低電平信號(hào)，或者存在兩路以上的低電平信號(hào)，說(shuō)明線芯存在斷路或者短路現(xiàn)象。

    當(dāng)完成一路線芯對(duì)線操作后，電路中光耦U3單元“2”腳切換成高電平，所有模塊的U3單元的光敏三極管截止，電路回路斷開(kāi)，從而導(dǎo)致從機(jī)光耦U2單元的光耦三級(jí)管截止，從機(jī)U2單元“4”腳在上拉電阻作用下呈現(xiàn)出高電平，以作為從機(jī)切換下一路測(cè)試電平的轉(zhuǎn)換信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    主機(jī)及從機(jī)根據(jù)所承擔(dān)的任務(wù)不同在軟件設(shè)計(jì)流程上有所區(qū)別，其軟件流程圖如圖5、圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

    本裝置經(jīng)過(guò)宜昌三峽送變電工程有限責(zé)任公司試用，具有操作簡(jiǎn)便、輸出直觀、系統(tǒng)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，而且極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)安裝施工人員的工作效率，降低了人力物力成本支出，增強(qiáng)了設(shè)備施工的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔡怡.數(shù)字電纜測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的辨析[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2009(2)：10-14.

[2] 王壘高，王春平，張海龍，等.基于USB接口的多芯電纜檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(02)：511-514.

[3] 黃南.一種多芯電纜對(duì)線電路[P].中國(guó)，203673024U，2014-06-25.

[4] 劉軍.例說(shuō)STM32[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.