多芯线缆自动测试仪系统研制

谷玉海，冀 欣，王吉芳，把 鑫

(北京信息科技大学现代测控教育部重点实验室，北京 100192)

0 引言

在各类仪器和控制设备中，通讯线缆和控制线缆被大量使用。线缆是否导通良好，线间是否绝缘直接影响到设备的正常运行[1]。多芯线缆合格的基本要求是：两端口的插脚一一对应焊接完好。在使用和生产中常出现的问题有芯线断路、芯线之间短路和芯线错位焊接。目前，查线通常是以手工方式进行的，工作量大，效率低。[2]因此，研制多芯线缆测试仪，对提高查线准确性和效率就显得尤为重要。文中介绍的多芯线缆自动测试仪，以单片机C8051F020为核心，适用于一一对应的线缆，实现了多芯线缆通断的自动测量，保证了测试结果的准确性，提高了工作效率。

1 硬件系统设计

1．1硬件系统总体设计

硬件设计使用的C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。

多芯线缆自动测试仪的面板如图1所示，包含显示线缆芯数的数码管、按键键盘、蜂鸣器、以及指示灯。通过按键输入检测线缆的芯数，由数码管1显示，并且能够在断电后保存输入的线芯数量，重新上电后继续显示使用。数码管2用于显示线缆A端的芯数索引，B端的芯数索引显示在数码管3上。采用矩阵按键，有键按下蜂鸣器响1声。LED灯包括电源指示(红色)、检验正确指示(绿色)和检测错误指示(红色)。《启动》按下后检测开始，每检测到1根线芯，蜂鸣器响1声，表示检测正确。如果检测到断路，则测试暂停，数码管2、3同时显示线缆A端及B端断路的线芯索引，蜂鸣器报警2声。如果检测到短路，则暂停检测，数码管2、3显示两端的线芯索引，蜂鸣器报警3声。出现检测错误后，按启动键可继续往下检测，直至整条线缆检测完毕。

图1 多芯线缆自动测试仪面板

1．2电源电路的设计

电源电路如图2所示。输入电源为24 V，首先经过LM2675M-5．0开关电源芯片产生5 V电压，然后采用LM1117-3．3线性电源芯片产生3.3 V电压供给单片机C8051F020，该芯片具有电流限制和热保护的功能。如果采用LM1117-3．3直接把24 V降到3.3 V的方案，则芯片会发烫且电压不平稳。此设计中LM2675M-5．0不仅可以过度降压，而且由其产生的5 V电压还可以给外围芯片供电。电路中，对于模拟地来说噪声很小，但是数字地的噪声很大；如果直接将模拟、数字地接在一起会互相干扰，引起电路工作异常。因此模拟地和数字地分开来设计，并最终经过滤波电容后，由0 Ω电阻R34连接在一起。电路中设有红色LED灯，正常供电后指示灯发亮。

图2 电源电路

1．3线缆的检测电路

CD4067是单16路模拟开关，具有低导通阻抗，低截止漏电流和内部地址译码的特征。通过外部输入的二进制的地址码A、B、C、D来切换各个开关。A、B、C、D 4位二进制码共有16种状态，可以控制16个开关的通断。[3]检测控制电路如图3所示。当ABCD为0000时，IO0与公共端IO COMX接通，若ALine0 与BLine0，即连接正确，则通过稳压二极管IN4730的稳压作用，在B Line COM处会采出高电平；反之，不通，由于B Line COM通过电阻接地，则此端口电压值为0 V．通过改变控制B端的CD4067芯片上的A、B、C、D值，让线缆A端ALine0与B端线芯依次连接检测。待ALine0与B端线芯全部检测完毕后，再改变控制A端的CD4067芯片上的ABCD的取值，选择A端下一个线芯，后续过程同上所述。依次下去，实现对线芯的逐次检测。

图3 检测控制电路

1．4按键电路及数码管电路

独立式按键每个I/O口线只能接一个按键，占用I/O口较多，因此该设计中按键选用4×4矩阵式按键，只占用单片机8个I/O口，节省了单片机I/O口资源。

数码管采用共阴型，在数码管的每个显示段位引脚处串联一个1 kΩ的限流电阻，把工作电流限制在3～5 mA内，保障数码管正常工作。数码管显示电路共有3组2位数码管，3组数码管采用同一个扫描驱动电路。

2 单片机软件设计

2．1单片机主程序的工作流程

开发平台为Keil C μVision4软件，采用C语言编写程序，降低了编写难度，提高了效率。该测试仪的主程序流程如图4所示，系统软件主要包括线芯数量输入程序、线缆通断测试程序、线芯索引显示程序、蜂鸣器报警程序、按键操作程序等。

图4 主程序流程图

测试线缆均为一一对应型，按键输入的线芯数量在第一个数码管上显示，第二、第三数码管分别显示AB端索引到第几根线芯。若测得A端1号线芯与B端1号线芯相通，即为连接正确，蜂鸣器响一声，检测继续；反之，则为断路，蜂鸣器报警两声，检测停止，按下启动按键后，继续往下检测。A端1号线芯会继续与B端剩余线芯检测，看是否有短路的情况，若有，则蜂鸣器报警三声，检测暂停，按启动键检测继续。A端1号线芯与B端线芯全部测试完毕后，A端剩余线芯重复上述过程。

2．2CD4067线芯检测程序

CD4067检索线芯程序如图5所示。单片机初始化后，CD4067的A、B、C、D引脚首先赋值为0000，即A、B两端都选定线芯1，检测是否相通。若线芯完好相接，则控制B端线芯的CD4067引脚IO COMX输出高电平；反之，则输出低电平，说明此线芯断开，检测停止。当检测A端线芯1与B端其他线芯时，若接线正确，控制B端线芯的CD4067引脚IO COMX会输出高电平，则即为短路故障，检测停止。

2．3按键扫描程序

按键的扫描方式有3种，即程序控制扫描、定时扫描和中断扫描方式。设计采用定时扫描方式，利用单片机内部的定时器产生10 ms的定时，每隔10 ms就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有按键按下时识别出该键执行相应的键功能程序。

图5 CD4067检索线芯程序

2．4数码管扫描驱动

数码管采用动态扫描方式，只占用单片机P7的8个I/O口和P3的6个I/O口，比静态显示更加节省元件数量和引线，且电路简单。定时扫描时间定为5 ms，扫描6个数码管则需要30 ms，保证了扫描速度，使人眼感觉不到闪动。

3 实验验证

使用设计的线缆检测仪对预先制作的良好线缆、短路线缆和断路线缆反复进行测试，实验验证设计的线缆检测仪检测结果准确无误，检测效率高，操作方便，达到了设计要求。

4 结束语

该多芯线缆测线仪采用51单片机和CD4067相结合的方式来设计，对于线缆断路和短路的测试非常准确。另外，该多芯线缆测线仪构造简单、测试速度快、显示界面直观且自动化程度高。

参考文献：

[1]胡振强，崔艳丽．多芯线缆快速测试技术分析．计算机与网络，2011(11)：41-43．

[2]罗晓春，洪贝，孙继银．基于单片机开发的多芯线缆测试仪．控制工程，2007(14)：88-90．

[3]卜登立．多路模拟开关CD4067在LED点阵显示屏中的应用．微电子学与计算机，2006，23(8)：53-54．

[4]李飞，赵伟，郑华山．自动多功能电缆测试仪的设计．航天制造技术，2012(5)：39-41．

[5]孙玉胜，邹玉炜，崔光照，等．多芯电缆测试仪的研制．微计算机信息，2007，23(7)：192-194．

作者简介：谷玉海(1976)，硕士助理研究员，主要从事仪器开发与检测领域的研究。E-mail：gyuhai@163．com