基于单片机控制的微机校线仪的设计

华北电力大学电气与电子工程学院 张 凯

山东电力集团公司菏泽供电公司 殷守斌

1.引言

校线工作是电力系统设备回路检修中极为重要的环节。目前普遍采用的方法是多人利用万用表（或通灯）量通断加上对讲机辅助校对。这种方法不仅费时耗人力易出错，给工程施工带来麻烦，更为重要的是它受到了很多高频设备应用场合禁止使用无线通讯的限制。

从60年代开始，人们对于传统的万用表通灯校线方法过于费时、容易出错的缺点进行的改进和进行新产品研制的探索[1-15]。尽管在提高效率和准确率方面都有巨大的进步，但是，依旧不能满足新的环境下校线工作的需要。例如，现在校线不仅要求能够显示线缆的序号，很多情况下还要求显示线号，而且线号的范围包括数字、英文大小写字母和罗马大写字母，这些要求在以上提到的文献[1-15]中都很难满足。而且，很多高频设备应用场合禁止使用无线通讯，这样，当两个人使用对讲设备校线时，就遇到了麻烦。

基于以上考虑，我们结合校线的具体流程，在进行了实际调研的基础上，研制了一台基于单片机控制的多功能微机校线装置。

新研制的装置不仅具有校对准确、迅速、可单人完成工作的优点，而且把通话部分嵌入到设备内部，采用现场单线通讯，从而摆脱了无线通讯的限制。

和万用表相比，它的优点在于它可以输入和显示所校对线的线号，而不是单纯的提示通和断。该装置还可以解决万用表量通断时代无法解决的线路接地、短接的施工错误。测试距离最长可达1000米。

2.主机的设计

2.1 主机功能的设计

该校线装置由主机和从机共同构成，主机和从机有液晶显示、信号指示灯和按键，其中主机的按键是矩阵键盘，从机为独立按键，所有这些均由各自的CPU进行控制，其中主机的CPU控制负责向从机发送信号，从机的CPU控制负责从主机接收信号。

其工作原理简图如图1所示。

该装置具有的功能包括：

1）能够准确、便捷的校对线路。尤其在新建工程中，可以利用装置的号码显示功能方便的完成穿线号工作。

2）具有线路短接提示功能，在校线过程中，若待校线路中有短接，则主从机都会交替显示短接端口和线号。

3）具有线路接地提示功能，当主机连接好待校线路，而从机未进行操作之前主机有端口检测显示时，就说明该线路接地。

4）可利用现场的一根已知线构成通话回路，在音频带（300-3300Hz）内实现通话。操作方便，简洁。

5）具有汉字、英文大小写、数字和电力系统常有符号功能，通过装置的主机可以输入线号，线号输入后可以具有存储、修改、删除等功能。掉电后输入的线号不消失。

2.2 I/O口的扩展设计

由于本校线仪主机需要有16个测试端口，输入键盘预计需要8个端口，液晶需要8个以上端口，通信功能和存储功能也都需要占用单片机的非常有限的I/O口资源，而这些功能设计中，要求不能重复使用单片机的输入输出端口，因此，在本校线仪的硬件电路设计中，为了满足各个基本功能的需要，需要对选用的的单片机的I/O口进行扩展。

8255是一款常用的并行接口芯片，可通过编程的方法，使其执行不同的接口功能，使用灵活方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。因此，在本次设计中，使用8255对单片机进行I/O口扩展[16]。

2.3 输出模块的选择

128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）及64×256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8位并行及串行两种连接方式。具有光标显示、画面移位、睡眠模式等多种功能[17]。

2.4 输入功能模块的设计

在本次微机校线仪的设计中，根据校线仪的功能要求，所设计的输入键盘应该包含的编码有0～9十个阿拉伯数字键、返回键、功能切换键、确认键和删除键，共需要14个按键。如果采用独立式键盘，需要14个I/O口，而采用4×4矩阵式键盘，则最多需要8个I/O口。

根据输入的要求，校线仪主机应该能输入阿拉伯数字、英文大小写和大写的罗马字母，根据菜单的功能要求，键盘应包括的功能键有：返回键、确认键、删除键，由于设计时使数字键和英文字母以及罗马字母共用键，还设计一个切换键。因此，总共需要按键14个，而4×4矩阵键盘可以形成16个按键，因此，选用4×4矩阵键盘作为校线仪主机的输入键盘[17]。

根据输入需要，共有数字、英文大写、英文小写和罗马大写4种输入法，因此设计切换键按下时依次分别显示4种输入状态中的一种。

删除键用于输入错误时删除使用，确认键则用于确定输入的结果时使用，返回键则可以返回上一级菜单。

2.5 校线功能模块的设计

图1 校线仪工作原理图Fig 1 the working principle of the checking line device

图2 从机工作程序流程图Fig 2 the workflow of the slave comptuer

图3 多功能校线仪箱外观图Fig 3 the surface of the host

图4 多功能校线仪从机外观图Fig 4 the surface of the slave computer

图5 工作人员在主机端进行校线工作Fig 5 the worker is working at the host

校线功能的原理相对比较简单，将主机单片机中用于校线的16个管脚均置高电平，每个管脚连接一个发光二极管的负极，发光二极管的正极接电源，即高电平。从机中的单片机中用于校线的管脚置低电平，这样，当两个单片机共地，有导线将主机的某个校线端口和从机的校线端口连接后，主机的该端口即被拉低成低电平，发光二极管导通发光，证明该端口的线缆被校通。如果某几个端口的线缆短路，这时，被短路的线缆的端口电平都会变成低电平，其对应的发光二极管均被点亮。

3.从机的设计

3.1 从机总体设计

图6 工作人员在从机端进行校线工作Fig 6 the worker is working at the slave computer

图7 工作人员在进行校线工作Fig 7 the worker is checking lines

从机上不设计线号输入等功能，只需要显示主机发送过来的信息，因此从机配置相对主机而言比较简单。根据从机的功能需求，从机设计成手持式。给从机上电后，液晶即显示进入等待校线状态，即只是显示标题，一直处于等待接收信息的状态。直到从机与主机通过被校线缆连通时，主机有信息通过单片机的串行通信传到从机，从机则开始接收从主机发送过来的端口和相应的线号的信息，显示在从机的液晶上。当从机与主机断开时，这时从机启动定时器，并会判断断开的时间，如果断开的时间没有超过1秒时，这时在从机的液晶上仍会显示刚才接通的线缆的信息，如果从机与主机断开时间超过1秒，而没有任何其他线缆连通主机与从机时，这时候，从机的液晶上又恢复至等待校线状态。

3.2 从机流程设计

根据从机的总体功能设计，设计其程序流程图如图2所示。

4.产品雏形与实际应用

多功能校线仪封装在一个铝合金的机箱内，其外观图如图3所示。

根据从机的功能要求和应用需要，我们为从机选择了方便手持的外壳，并将从机需要用到的接地线、检测线、通信线A和B以及通话线用航空插头将线引出，分别用黑、白、红、绿、黄五种颜色加以区分，从机的外观图如图4所示。

经过多个变电站测试应用，我们实现了通话功能、通讯功能、线号输入功能和电缆校线功能，并实现了电缆芯线短路和接地故障的查询。

该智能微机校线仪在同时校验多芯电缆时体现出较大的优势，适用于变电站工程基建和扩建工程。研制的智能微机校线仪在几个扩建、基建工程中得到了大量的使用。图5-7为工作人员在使用该校线仪器进行电缆校线工作。

5.结论

该智能微机校线仪在同时校验多芯电缆时体现出较大的优势，适用于变电站工程基建和扩建工程。

本智能微机校线仪解决的实际问题主要有：减少了无线通讯工具对高频保护设备的影响；可以查出因电缆芯破损出现的短路、接地等故障，大大提高了电缆校线的正确率；该装置一个人也能够实现电缆校线，节约了人力，大大提高了工作效率。

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