基于單片機控制的微機校線儀的設(shè)計

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 張 凱

山東電力集團公司菏澤供電公司 殷守斌

1.引言

校線工作是電力系統(tǒng)設(shè)備回路檢修中極為重要的環(huán)節(jié)。目前普遍采用的方法是多人利用萬用表（或通燈）量通斷加上對講機輔助校對。這種方法不僅費時耗人力易出錯，給工程施工帶來麻煩，更為重要的是它受到了很多高頻設(shè)備應(yīng)用場合禁止使用無線通訊的限制。

從60年代開始，人們對于傳統(tǒng)的萬用表通燈校線方法過于費時、容易出錯的缺點進行的改進和進行新產(chǎn)品研制的探索[1-15]。盡管在提高效率和準(zhǔn)確率方面都有巨大的進步，但是，依舊不能滿足新的環(huán)境下校線工作的需要。例如，現(xiàn)在校線不僅要求能夠顯示線纜的序號，很多情況下還要求顯示線號，而且線號的范圍包括數(shù)字、英文大小寫字母和羅馬大寫字母，這些要求在以上提到的文獻[1-15]中都很難滿足。而且，很多高頻設(shè)備應(yīng)用場合禁止使用無線通訊，這樣，當(dāng)兩個人使用對講設(shè)備校線時，就遇到了麻煩。

基于以上考慮，我們結(jié)合校線的具體流程，在進行了實際調(diào)研的基礎(chǔ)上，研制了一臺基于單片機控制的多功能微機校線裝置。

新研制的裝置不僅具有校對準(zhǔn)確、迅速、可單人完成工作的優(yōu)點，而且把通話部分嵌入到設(shè)備內(nèi)部，采用現(xiàn)場單線通訊，從而擺脫了無線通訊的限制。

和萬用表相比，它的優(yōu)點在于它可以輸入和顯示所校對線的線號，而不是單純的提示通和斷。該裝置還可以解決萬用表量通斷時代無法解決的線路接地、短接的施工錯誤。測試距離最長可達1000米。

2.主機的設(shè)計

2.1 主機功能的設(shè)計

該校線裝置由主機和從機共同構(gòu)成，主機和從機有液晶顯示、信號指示燈和按鍵，其中主機的按鍵是矩陣鍵盤，從機為獨立按鍵，所有這些均由各自的CPU進行控制，其中主機的CPU控制負(fù)責(zé)向從機發(fā)送信號，從機的CPU控制負(fù)責(zé)從主機接收信號。

其工作原理簡圖如圖1所示。

該裝置具有的功能包括：

1）能夠準(zhǔn)確、便捷的校對線路。尤其在新建工程中，可以利用裝置的號碼顯示功能方便的完成穿線號工作。

2）具有線路短接提示功能，在校線過程中，若待校線路中有短接，則主從機都會交替顯示短接端口和線號。

3）具有線路接地提示功能，當(dāng)主機連接好待校線路，而從機未進行操作之前主機有端口檢測顯示時，就說明該線路接地。

4）可利用現(xiàn)場的一根已知線構(gòu)成通話回路，在音頻帶（300-3300Hz）內(nèi)實現(xiàn)通話。操作方便，簡潔。

5）具有漢字、英文大小寫、數(shù)字和電力系統(tǒng)常有符號功能，通過裝置的主機可以輸入線號，線號輸入后可以具有存儲、修改、刪除等功能。掉電后輸入的線號不消失。

2.2 I/O口的擴展設(shè)計

由于本校線儀主機需要有16個測試端口，輸入鍵盤預(yù)計需要8個端口，液晶需要8個以上端口，通信功能和存儲功能也都需要占用單片機的非常有限的I/O口資源，而這些功能設(shè)計中，要求不能重復(fù)使用單片機的輸入輸出端口，因此，在本校線儀的硬件電路設(shè)計中，為了滿足各個基本功能的需要，需要對選用的的單片機的I/O口進行擴展。

8255是一款常用的并行接口芯片，可通過編程的方法，使其執(zhí)行不同的接口功能，使用靈活方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。因此，在本次設(shè)計中，使用8255對單片機進行I/O口擴展[16]。

2.3 輸出模塊的選擇

128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標(biāo)GB2312碼簡體中文字庫（16×16點陣）、128個字符（8×16點陣）及64×256點陣顯示RAM（GDRAM）?？膳cCPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：8位并行及串行兩種連接方式。具有光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等多種功能[17]。

2.4 輸入功能模塊的設(shè)計

在本次微機校線儀的設(shè)計中，根據(jù)校線儀的功能要求，所設(shè)計的輸入鍵盤應(yīng)該包含的編碼有0～9十個阿拉伯?dāng)?shù)字鍵、返回鍵、功能切換鍵、確認(rèn)鍵和刪除鍵，共需要14個按鍵。如果采用獨立式鍵盤，需要14個I/O口，而采用4×4矩陣式鍵盤，則最多需要8個I/O口。

根據(jù)輸入的要求，校線儀主機應(yīng)該能輸入阿拉伯?dāng)?shù)字、英文大小寫和大寫的羅馬字母，根據(jù)菜單的功能要求，鍵盤應(yīng)包括的功能鍵有：返回鍵、確認(rèn)鍵、刪除鍵，由于設(shè)計時使數(shù)字鍵和英文字母以及羅馬字母共用鍵，還設(shè)計一個切換鍵。因此，總共需要按鍵14個，而4×4矩陣鍵盤可以形成16個按鍵，因此，選用4×4矩陣鍵盤作為校線儀主機的輸入鍵盤[17]。

根據(jù)輸入需要，共有數(shù)字、英文大寫、英文小寫和羅馬大寫4種輸入法，因此設(shè)計切換鍵按下時依次分別顯示4種輸入狀態(tài)中的一種。

刪除鍵用于輸入錯誤時刪除使用，確認(rèn)鍵則用于確定輸入的結(jié)果時使用，返回鍵則可以返回上一級菜單。

2.5 校線功能模塊的設(shè)計

圖1 校線儀工作原理圖Fig 1 the working principle of the checking line device

圖2 從機工作程序流程圖Fig 2 the workflow of the slave comptuer

圖3 多功能校線儀箱外觀圖Fig 3 the surface of the host

圖4 多功能校線儀從機外觀圖Fig 4 the surface of the slave computer

圖5 工作人員在主機端進行校線工作Fig 5 the worker is working at the host

校線功能的原理相對比較簡單，將主機單片機中用于校線的16個管腳均置高電平，每個管腳連接一個發(fā)光二極管的負(fù)極，發(fā)光二極管的正極接電源，即高電平。從機中的單片機中用于校線的管腳置低電平，這樣，當(dāng)兩個單片機共地，有導(dǎo)線將主機的某個校線端口和從機的校線端口連接后，主機的該端口即被拉低成低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，證明該端口的線纜被校通。如果某幾個端口的線纜短路，這時，被短路的線纜的端口電平都會變成低電平，其對應(yīng)的發(fā)光二極管均被點亮。

3.從機的設(shè)計

3.1 從機總體設(shè)計

圖6 工作人員在從機端進行校線工作Fig 6 the worker is working at the slave computer

圖7 工作人員在進行校線工作Fig 7 the worker is checking lines

從機上不設(shè)計線號輸入等功能，只需要顯示主機發(fā)送過來的信息，因此從機配置相對主機而言比較簡單。根據(jù)從機的功能需求，從機設(shè)計成手持式。給從機上電后，液晶即顯示進入等待校線狀態(tài)，即只是顯示標(biāo)題，一直處于等待接收信息的狀態(tài)。直到從機與主機通過被校線纜連通時，主機有信息通過單片機的串行通信傳到從機，從機則開始接收從主機發(fā)送過來的端口和相應(yīng)的線號的信息，顯示在從機的液晶上。當(dāng)從機與主機斷開時，這時從機啟動定時器，并會判斷斷開的時間，如果斷開的時間沒有超過1秒時，這時在從機的液晶上仍會顯示剛才接通的線纜的信息，如果從機與主機斷開時間超過1秒，而沒有任何其他線纜連通主機與從機時，這時候，從機的液晶上又恢復(fù)至等待校線狀態(tài)。

3.2 從機流程設(shè)計

根據(jù)從機的總體功能設(shè)計，設(shè)計其程序流程圖如圖2所示。

4.產(chǎn)品雛形與實際應(yīng)用

多功能校線儀封裝在一個鋁合金的機箱內(nèi)，其外觀圖如圖3所示。

根據(jù)從機的功能要求和應(yīng)用需要，我們?yōu)閺臋C選擇了方便手持的外殼，并將從機需要用到的接地線、檢測線、通信線A和B以及通話線用航空插頭將線引出，分別用黑、白、紅、綠、黃五種顏色加以區(qū)分，從機的外觀圖如圖4所示。

經(jīng)過多個變電站測試應(yīng)用，我們實現(xiàn)了通話功能、通訊功能、線號輸入功能和電纜校線功能，并實現(xiàn)了電纜芯線短路和接地故障的查詢。

該智能微機校線儀在同時校驗多芯電纜時體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，適用于變電站工程基建和擴建工程。研制的智能微機校線儀在幾個擴建、基建工程中得到了大量的使用。圖5-7為工作人員在使用該校線儀器進行電纜校線工作。

5.結(jié)論

該智能微機校線儀在同時校驗多芯電纜時體現(xiàn)出較大的優(yōu)勢，適用于變電站工程基建和擴建工程。

本智能微機校線儀解決的實際問題主要有：減少了無線通訊工具對高頻保護設(shè)備的影響；可以查出因電纜芯破損出現(xiàn)的短路、接地等故障，大大提高了電纜校線的正確率；該裝置一個人也能夠?qū)崿F(xiàn)電纜校線，節(jié)約了人力，大大提高了工作效率。

[1]王忠衡.控制電纜和多芯導(dǎo)線的校線法[J].工業(yè)建筑,1964,7(4):44-45．

[2]陳步秋.數(shù)字校線儀[J].電力機車與城軌車輛,1982,9(5):16-18．

[3]陳又專.電力機車校線儀[J].電力機車與城軌車輛,1988,12(1):8-10．

[4]邵慶仁,沈國鈞.發(fā)光管單人快速校線儀[J].電力建設(shè),1991,12(1):61.

[5]張澤民.無觸點鍵盤校線器[J].電子技術(shù),1995,17(8):21-23.

[6]段鵬飛.一種實用的校線器[J].機床電器,1996,10(5):40.

[7]吳向發(fā).自制多芯線校線器[J].建筑電氣,1997,6(4):133.

[8]趙莉華,黃念慈,黃山.全能型校線器[J].電工技術(shù),1998,9(3):54-56．

[9]陳世善,葉繼東.一種實用的電纜單人校線器[J].石油工程建設(shè),1999,4(2):53-55．

[10]朱興文.19芯電纜全能型校線器[J].機電設(shè)備,2000,1(1):32-33．

[11]李雙喜.一種實用型快速校線器的設(shè)計[J].安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報,2003,17(1):68-69．

[12]王蔚,王世榮,何緯.自動校線儀的研制[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2006,25(4):76-77．

[13]王新煒.自制實用電纜校線器[J].機械工人(冷加工),2007,15(5):73.

[14]田東日.電纜校線器[J].油氣田地面工程,2008,27(2):77.

[15]田爽,閆晨光.自制兩用16線校線器[J].科技信息,2009,21(4):394-396．

[16]劉坤,宋戈,趙紅波,張憲棟.51單片機C語言應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全[M].北京:人民郵電出版社,2008.

[17]郭天祥.新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.