0 引言

    多芯電纜對線編號是電力設(shè)備安裝過程中關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，在實(shí)際工程中進(jìn)行對線編號有兩類方法：(1)使用萬用表(或?qū)€燈)且輔之于其他通信設(shè)備，尋找公共線芯，再進(jìn)行剩余線芯的對線編號。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^[1]為介質(zhì)進(jìn)行測量的對線設(shè)備進(jìn)行對線操作，此設(shè)備比使用萬用表操作方便，但前提是確定一根基準(zhǔn)線芯作為公共端，對于沒有特殊標(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]。基于此，本文設(shè)計了一種自適應(yīng)對線器，無需事先確定作為公共端的基準(zhǔn)線芯，而是通過專門電路將線纜中當(dāng)前待測線芯作為信號發(fā)送通道，其余線芯作為公共通道，形成一個閉合回路，再輔以微處理器檢測電路，對線纜所有線芯進(jìn)行自動配對編號。

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，可實(shí)現(xiàn)線纜單端短路和斷路檢測；當(dāng)工作于雙機(jī)模式時，從機(jī)主要為主機(jī)發(fā)送測試信號，供主機(jī)對線檢測使用。

    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、斷路以及對線測試，測試完成后，通過LED屏顯示測試結(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)主要由信號輸出端及信號反饋輸入端組成，每一路線芯信號輸出端與信號反饋端一一對應(yīng)。工作時，由MCU按照一定的編碼規(guī)則，通過信號輸出端依次向每一根線芯發(fā)送電流檢測信號，同時檢測該信號輸出端對應(yīng)的反饋端，根據(jù)反饋信號給出檢測結(jié)果或者是切換檢測信號，過渡到下一路線芯測試。

    主機(jī)主要由信號檢測端與反饋信號控制端組成。工作時，由MCU掃描信號檢測端，確定當(dāng)前哪一路線芯處于測試信號發(fā)送狀態(tài)；反饋信號控制端用于控制測試信號的通斷狀態(tài)，當(dāng)完成當(dāng)前線芯的檢測后，短暫切斷測試信號，通知從機(jī)切換檢測信號，過渡到下一路線芯的檢測。

    系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路線芯的故障檢測及對線編號，測試線芯路數(shù)理論上不受限制，實(shí)際檢測受系統(tǒng)的I/O接口數(shù)量控制，可以根據(jù)實(shí)際情況通過I/O口擴(kuò)展芯片對其進(jìn)行擴(kuò)展，電力系統(tǒng)中線纜線芯數(shù)一般不超過24芯，故本系統(tǒng)設(shè)計最大對線能力為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。系統(tǒng)工作于對線模式時，在從機(jī)端將線芯按照接線端子編號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相同的標(biāo)簽，同時在從機(jī)上選擇對線測試信號發(fā)送模式；在主機(jī)端則只需將線芯與接線端子相連，然后啟動測試即可。檢測過程瞬間完成，并將接線端子號與該端子連接的線芯號對應(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應(yīng)的測試數(shù)字標(biāo)簽即可。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    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)場的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，所以對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“單鍵飛梭”，其只有一個按鍵但可滿足設(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)檢測信號的輸出及反饋信號的輸入，拓展了兩組鎖存器，一組用于信號輸出，另一組用于信號輸入。在進(jìn)行測試信號輸出時，將3片鎖存器的輸入總線與單片機(jī)的一個并口相連，通過鎖存器LOCK引腳控制鎖存器鎖存功能，實(shí)現(xiàn)并口分時復(fù)用功能；在進(jìn)行反饋信號輸入時，將3片鎖存器的輸出引腳與單片機(jī)的另一個并口相連，利用74HC573芯片的三態(tài)性，通過引腳控制鎖存器，實(shí)現(xiàn)最多24個I/O信號的輸入。主機(jī)I/O口擴(kuò)展類同從機(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)檢測電流信號的流出與流入。在工作過程中，該電路具有兩種不同的工作狀態(tài)：一是測試電流信號輸出狀態(tài)，二是作為公共端承擔(dān)電路回流路徑。當(dāng)作為測試信號輸出端時，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測試電源正極端通過光耦U2單元的發(fā)光二級管經(jīng)待測線芯傳導(dǎo)到主機(jī)適應(yīng)電路，供主機(jī)檢測使用。當(dāng)作為公共端使用時，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測試電源的負(fù)極，與D1一起形成24V測試電源電流流回的物理路徑。光耦U2單元的引腳4作為反饋信號檢測端，供從機(jī)轉(zhuǎn)換控制信號使用。

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。在工作過程中，該電路也有兩種不同的工作狀態(tài)：一是信號檢測工作狀態(tài)，二是反饋信號發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)工作在信號檢測狀態(tài)時，通過程序控制光耦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)檢測信號的線芯連接在一起，則來自從機(jī)的電流測試信號通過光耦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D2單元，通過剩余線芯回流到從機(jī)。對線測試時，有一路模塊作為主機(jī)測試信號輸入端，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)對線測試的有效檢測信號，主機(jī)剩余檢測模塊作為檢測電流信號的回流通道，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)別測試信號輸入模塊。

    如果被測線纜所有線芯正常，則檢測過程中有且只會有一路檢測信號為低電平。反之，檢測時如果沒有低電平信號，或者存在兩路以上的低電平信號，說明線芯存在斷路或者短路現(xiàn)象。

    當(dāng)完成一路線芯對線操作后，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，從而導(dǎo)致從機(jī)光耦U2單元的光耦三級管截止，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)切換下一路測試電平的轉(zhuǎn)換信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    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

    本裝置經(jīng)過宜昌三峽送變電工程有限責(zé)任公司試用，具有操作簡便、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儀的設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10(02)：511-514.

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

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