多芯電纜測(cè)試儀的研制

1 引言

種類繁多的通訊電纜、控制電纜在各種儀器和控制設(shè)備中大量使用。電纜線是否良好導(dǎo)通、線間絕緣電阻是否滿足要求，直接影響到電器設(shè)備的正常運(yùn)行。耐壓絕緣電阻是衡量電氣絕緣材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的搖表測(cè)量絕緣電阻的方法主要缺點(diǎn)有：測(cè)量誤差大，不能保證耐壓測(cè)試用高電壓電源的準(zhǔn)確性; 測(cè)量結(jié)果無法自動(dòng)保存和打印輸出;對(duì)多芯電纜芯線間絕緣電阻測(cè)量中，換接線繁瑣、易接錯(cuò)、人工勞動(dòng)量大。本文介紹的多芯電纜測(cè)試儀，能實(shí)現(xiàn)對(duì)最大為48芯電纜通斷和耐壓絕緣阻值的自動(dòng)測(cè)量，既保證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能將測(cè)試結(jié)果從液晶顯示屏和打印機(jī)輸出。避免了人工測(cè)量的誤差，大大提高工作效率。

2 系統(tǒng)簡介

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

該系統(tǒng)具有較完備的功能，具體的功能如下：

(1)檢測(cè)電纜通斷和絕緣電阻的功能;(2)開機(jī)自診斷功能;(3)測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)顯示功能;(4)電纜芯線的自動(dòng)切換功能，檢測(cè)啟動(dòng)后，自動(dòng)切換檢測(cè)電纜每根芯線的通斷和各芯線之間的絕緣電阻及絕緣阻值是否滿足要求的自動(dòng)判斷;(5)設(shè)定待檢電纜芯線芯數(shù)的功能;(6)絕緣電阻超限值設(shè)定功能，可以用于不同等級(jí)的絕緣阻值合格與否的判斷。

2.2 系統(tǒng)組成

多芯電纜測(cè)試儀的工作原理如圖1所示。系統(tǒng)主要由以下三部分組成：輸入電路：包括鍵盤電路、絕緣測(cè)試電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和通斷測(cè)試電路;輸出電路：由CPLD系統(tǒng)電路、LCD液晶顯示模塊、打印機(jī)、繼電器組和500V直流高壓電路組成;控制電路：由8051單片機(jī)系統(tǒng)電路構(gòu)成。

本系統(tǒng)由高壓電路產(chǎn)生500V的直流電源作為絕緣電阻的測(cè)試電壓源。絕緣電阻的測(cè)量采用國家規(guī)定的衡壓法。測(cè)試時(shí)，首先通過鍵盤設(shè)定待測(cè)試電纜的芯數(shù)值。單片機(jī)通過CPLD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器組的閉合與斷開的控制，然后由A/D轉(zhuǎn)換或通斷測(cè)試電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、運(yùn)算處理后的結(jié)果通過LCD液晶屏、打印機(jī)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行顯示、輸出和保存。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 電纜絕緣電阻檢測(cè)設(shè)計(jì)

絕緣電阻檢測(cè)原理如圖2 所示。測(cè)試電路由采樣、運(yùn)放和AD7705三部分組成。絕緣電阻測(cè)試的核心器件是AD7705，它是AD公司推出的16 位Σ-△A/D 轉(zhuǎn)換器，可用于測(cè)量低頻模擬信號(hào)。AD7705帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測(cè)量傳感器輸出的各種微小信號(hào)。AD7705具有分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍廣、自校準(zhǔn)等特點(diǎn)，因而非常適合于高精度的檢測(cè)和測(cè)量。AD7705具有兩個(gè)全差分輸入通道，其主要特點(diǎn)如下：具有16位無丟失代碼;非線性度為0.0003%; 可進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn);帶有三線SPI串行接口;功耗低等。

絕緣電阻的具體測(cè)試過程如下：在圖2中，Rx為被測(cè)電纜的絕緣阻值。測(cè)試時(shí)先把500V DC送上，然后閉合繼電器S1和S2。500V DC 通過R2與R3分壓后送到運(yùn)放，經(jīng)過運(yùn)放調(diào)理后再送到AD7705的AD ref端，作為AD7705的測(cè)試參考電壓，以便消除500V DC電源波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。經(jīng)過Rx與R1分壓后的電壓作為絕緣測(cè)試采樣電壓送到運(yùn)放進(jìn)行調(diào)理后送到AD7705的AD in端。AD in端的電壓即為實(shí)際采樣得到的電壓，其范圍是0～2.5V，絕緣電阻的阻值越小，相對(duì)應(yīng)的采樣電壓越高。

3.2 電纜通斷檢測(cè)設(shè)計(jì)

電纜通斷檢測(cè)的原理如圖3所示。開始通斷檢測(cè)前，應(yīng)先用短路環(huán)將電纜一端的所有芯線短接，另一端接到繼電器陣列上。繼電器陣列用來對(duì)電纜的芯線進(jìn)行接入切換，所有的芯線通過相對(duì)應(yīng)繼電器的常閉觸點(diǎn)經(jīng)電阻R1和R2接地。當(dāng)檢測(cè)1#芯線時(shí)，閉合S1繼電器，使繼電器S1的常開觸點(diǎn)閉合，+15V通過芯線加到電阻R1和R2上，經(jīng)過R1和R2分壓后送到單片機(jī)。如果所測(cè)芯線斷路，則Vo為0V，否則Vo為+5V。

3.3 CPLD系統(tǒng)電路

測(cè)試系統(tǒng)最大檢測(cè)電纜芯數(shù)是48。51單片機(jī)有24個(gè)IO口，如果直接用單片機(jī)來控制繼電器組，則單片機(jī)必須利用擴(kuò)展芯片進(jìn)行IO口的擴(kuò)展才能滿足系統(tǒng)要求，如8255等，這將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，于是決定采用CPLD來控制繼電器組。CPLD(Complex Programmable Logic Device)是一種復(fù)雜的用戶可編程邏輯器件。CPLD是標(biāo)準(zhǔn)的大規(guī)模集成電路產(chǎn)品, 可用于各種數(shù)字邏輯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

近年來,由于采用先進(jìn)的集成工藝和大批量生產(chǎn),CPLD器件成本不斷下降,集成密度、速度和性能大幅度提高,一個(gè)芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)，再加上使用方便的開發(fā)工具,使用CPLD器件可以極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,給設(shè)計(jì)修改帶來很大方便。本文采用ALTERA公司的MAX7000s,它是基于第二代MAX結(jié)構(gòu)的高精度、高性能、在系統(tǒng)中可編程的CPLD芯片,采用高級(jí)CMOS技術(shù)加工而成,內(nèi)含電可擦除只讀存儲(chǔ)器EPROM,可提供600~5000個(gè)可用選通引腳、ISP、速度僅有5ns的延遲以及頻率可達(dá)175.4MHz的高速計(jì)數(shù)器。

繼電器的通斷程序編好后，通過專用的下載線將程序燒寫到CPLD中。CPLD與單片機(jī)采用模擬串行方式連接，這就大大簡化了系統(tǒng)電路。系統(tǒng)采用CPLD進(jìn)行IO口擴(kuò)展后，單片機(jī)只需要將待測(cè)電纜的芯線號(hào)送給CPLD，繼電器組的選通則由CPLD來完成。這樣就大大方便了編程，使得主程序結(jié)構(gòu)緊湊，控制靈活。

3.4 其它電路

除上述電路外，系統(tǒng)還有電源、鍵盤和系統(tǒng)復(fù)位等電路。

電源電路除了給直流高壓電路提供電源之外，還要給單片機(jī)、LCD液晶顯示模塊、繼電器組、檢測(cè)電路等提供電源。

鍵盤電路的工作電壓為+5V,共有7個(gè)按鍵，通過這7個(gè)按鍵可以完成系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,如待測(cè)試電纜的芯數(shù)，絕緣電阻超限值的設(shè)定，以及測(cè)試結(jié)果的查看等功能。

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分采用匯編語言編寫，匯編語言生成的可執(zhí)行代碼快速、緊湊，在運(yùn)行效率上優(yōu)于C語言程序得到的代碼。該系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示，系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)自檢程序，電纜參數(shù)設(shè)置程序，查看上次測(cè)試結(jié)果程序，電纜通斷測(cè)試程序，通斷測(cè)試結(jié)果顯示程序，電纜絕緣測(cè)試程序，絕緣測(cè)試結(jié)果顯示程序等。

自檢程序在系統(tǒng)上電時(shí)進(jìn)行初始化，對(duì)儀器進(jìn)行自檢，以保證儀器工作狀態(tài)的正確性。

參數(shù)設(shè)置程序用來設(shè)定電纜絕緣電阻超限值，范圍為1～20M，以及電纜總芯數(shù)和電纜各分支芯數(shù)，其范圍為2～48芯。

查看測(cè)試結(jié)果程序用來查閱上次電纜通斷和絕緣阻值測(cè)試結(jié)果。通斷測(cè)試和絕緣測(cè)試程序分別用來對(duì)電纜進(jìn)行通斷測(cè)試和絕緣測(cè)試，測(cè)試的結(jié)果分別由通斷測(cè)試結(jié)果顯示程序和絕緣測(cè)試結(jié)果顯示程序進(jìn)行顯示。

5 測(cè)試結(jié)果分析

首先對(duì)系統(tǒng)的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，選取1MΩ、2MΩ、5MΩ、10MΩ、20MΩ高精度電阻進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)果的單位均為MΩ，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示：

由表1可以看出，所得測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差都在3.5%以內(nèi)，達(dá)到了較高的精度，符合設(shè)計(jì)的要求。

另外對(duì)測(cè)試儀的測(cè)試速度進(jìn)行了測(cè)試。以48芯的電纜為例，用兆歐表對(duì)電纜插頭芯線之間的絕緣電阻進(jìn)行測(cè)試，所用時(shí)間為30分鐘，使用本測(cè)試儀所用時(shí)間為1分20秒;通斷測(cè)試的時(shí)間在30秒內(nèi)。用本系統(tǒng)進(jìn)行一次通斷和絕緣電阻的測(cè)試在2分鐘內(nèi)即可完成。所以該儀器的測(cè)試速度是較高的。

6 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：測(cè)試儀用51單片機(jī)和CPLD芯片的有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種具有測(cè)試速度快、控制靈活、可適應(yīng)不同芯數(shù)電纜的通斷測(cè)試和絕緣測(cè)試要求、智能化和自動(dòng)化程度比較高的測(cè)試系統(tǒng)。

該產(chǎn)品由于采取了抗干擾措施，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。儀器可以應(yīng)用于電力、通信、鐵路和國防等工業(yè)的各類電纜測(cè)試。

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