多芯电缆线通、断、短路检测仪设计.doc

多芯电缆通、断、短测试仪设计1 概 述1.1电缆的分类及其发展随着现代化社会的不断发展，各种电信，电器设备在日常生活中的应用也日益广泛起来，作为这些设备之间的重要通讯媒介的电缆在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。日常生活中，天上地下，你无处不感觉到电缆的存在。通常我们所说所见到的电缆大致分为两大类：电力电缆和通信电缆。当今我国经济的迅速发展，使的城市，农村，工矿和国防建设的高低压线路逐步实现电缆化。尤其是近年来，国家加大力度进行电网改造，全国联网步伐不断加快，使得电缆线路增长十分迅速。人民的生产和生活一刻也不能离开电能。通信业的高速发展，使我国的通信电缆行业也取得了前所未有的发展，20世纪90年代是我国全塑市话电缆生产发展辉煌的十年。至2000年，全国约有500余家市话电缆生产企业，其中一部分企业的规模、技术装备、产品技术水平已达到国际先进水平，产品不仅满足国内电信市场的需求，而且出口东南亚及发展中国家。20世纪90年代中期，随着我国信息高速公路建设的展开，通信网络从传统的电话网向综合化、智能化、宽带化的数据传输发展，在通信电缆行业中孕育出一大批光缆制造企业。至2000年，我国信息高速公路骨干网基本建成，用户接入网数据化建设开始起步。为适应市场的发展，在通信电缆行业中又涌现出一批数据电缆（数字通信电缆）生产企业。面对电缆在国民经济的发展以及人民生活需要中的重要作用。因此，电缆线路的安全运行与人民生活息息相关，随着人们对电能的依赖性的增强，电缆线路事故对社会造成的影响将越来越大，因此保障电缆线路的安全运行尤为重要。1.2电缆的故障分析电力电缆故障可分为运行故障和预防性试验故障中的故障两大类。预防性试验是通过发现电缆缺陷使故障提前暴露出来，以减少用户的损失，确保整个供电网络的安全运行。因此，做好电缆定期预防性试验工作，缩短状态不好电缆的预防性试验时间并及时找到故障点有着重要的意义。电力电缆故障按损失部位可分为芯线损伤和不相同之间及相对地之间绝缘介质损伤产生的故障。前者表现为开路及断线，很少见；后者经常碰到，表现为开路故障、低阻故障和高阻故障三种类型。开路故障：若电缆相间或相对地的绝缘电阻达到所要求的数值，但是工作电压不能够传输到对端，或者终端虽然有电压但是带负载能力较差。如图1-1 所示，在 A相串联电阻 RK ，当 RK = 时即可视为开路故障，这是开路故障的特例。低阻故障：电缆相间或相对地间绝缘受损，其绝缘电阻小到可以利用低压脉冲法测量的一类故障，一般过渡电阻小于 2K 的都可以认为是低阻故障。如图 1-1 所示，当 B 相对地电阻RG =0时为短路故障，这是低阻故障的特例。高阻故障：电缆相间或相对地绝缘损坏，其绝缘电阻较大（RG较大），不能使用低压脉冲法测量的一类故障，它是相对低阻故障而言的。包括闪络性高阻故障和封闭性故障两种类型。这两类故障大多数是在进行预防性试验时发生的，并且多出现于电缆中间接头或终端头内，特别是封闭性故障多数发生在注油的电缆头内。如果在其一试验电压下绝缘被击穿，然后又恢复，有时连续击穿，有时隔数秒钟或数分钟后再击穿，这种故障称为闪络性故障。如果击穿发生后，待绝缘恢复，击穿现象便完全停止这类故障则称为封闭性故障。这两种故障是电力电缆中的常见故障，也是测距难度较大的一类故障。图1-1 电缆低阻故障示意图目前在主要的通讯途径简单的可以分成有线和无线两种，其中在有线通讯中各种通信缆线的状态好坏直接关系到通讯的质量。目前使用最为广泛的公用电话网络，负担着传递长途电话、市内电话和其他通讯业务的重要业务，是保证通讯业务畅通的关键。但是市话网络很容易受到工程施工，盗割等人为以及雷击，自然灾害等意外的破坏，使大量的用户线路中断，如果是局间中继电缆出现断线会使两个局的全体用户都不能相互通话，将造成很大的损失。市话电缆线的故障有很多类型，主要包括：地气故障，碰线故障，混线故障，断线故障，错接线故障和全潮碰故障等。其中断线故障是最为典型的，可以想象其带来的损失也是最大的，因此对通信电缆线的断线故障进行监测是非常有必要的。 1.3电缆故障测试仪设计发展 最早，人们用手工对电缆进行检测，一根一根的用电表对电缆进行检测，以检测电缆是否发生短路或断路故障。这种方法浪费了大量的人力、物力，而且还容易出错。后来发展到用单片机、继电器分组和隔离技术、先进的抗干扰技术、先进的数值快速线性化技术及独特的预充电技术，可以对上百芯的电缆进行芯线故障、芯线电阻、芯线间绝缘电阻、芯线间分布电容值的快速自动检测，在0.52s内完成单线测试；更换测试档位及量程时，无需任何人校准。测试中，单片机将接受到数据处理，并送到显示和控制上，能清楚、快速地知道电缆的安全性。在测量的原理上，首先出现的是通过电缆向单片机发送信号，根据接收信号的情况来判别电缆的状态，后来出现了将电缆的一端接单片机，另一端接电平，由单片机接收电平的高低来判断电缆的状态。这种方法节省了大量的芯片，外围电路也更简单，更快速、高效、经济。随着科学技术特别是微电子技术和通讯技术的发展，对电缆线故障的检测也提出了一些新的要求和方法，主要有：1、向综合自动化测量仪器发展各种的检测方法，都各有其应用范围和局限，因此一种具有综合测量手段的仪器必然会发挥更大的作用。另外早期的电缆检测设备主要靠人工调节仪器，识别检测结果，测量的精度和速度都很受影响，测量仪器的自动化水平的不断提高也是电缆线障碍检测的要求和发展趋势。近年来研制出了将脉冲反射法和电桥法相结合的综合测量仪器，仪器使用了计算机技术，具有较高的智能程度和自动检测水平，可以解决大部分的障碍的检测。2、向在线监测仪器发展由于通信电缆线的特殊性，要求障碍历时要尽量的小，在线检测仪器可以实现故障的及时报警和在线检测，对于重要的线路采用此种检测方法不失为一种好的办法。随着通讯技术的发展，使得在线检测仪器很容易布成一个监测网络，可以对较大范围内的线路同时监测。另外利用计算机技术也可以对被监测线路建立监测档案，对监测点的数据进行集中分析处理，对于线路的日常管理也是非常有利的。3、新技术的应用在现有的检测一般来说都是对线缆障碍位置进行预定位，仪器的定位精度大多 1 米以上。国外有些重要电缆线路己经将电缆的地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)结合在一起,形成了电缆故障自动定位系统。当运行中的电力电缆发生故障时，故障点产生的行波信号（电气浪涌）沿着线路向两端传输，利用GPS提供的精确时钟测量信号到达两端的时间差，即可确定故障点距离。该系统的智能化程度较高，可以实现对电缆故障的自动测试，并直接给出故障点的地理位置信息。其定位精度可达到0.4-1M 之间。但是GPS装置的费用较大，因此，目前这种方法主要用在很重要的电力电缆线路上。1.4电缆故障检测的意义随着经济和生产的发展，电力电缆以其占地少，对人身比较安全；供电可靠，受外界影响较小；运行简单方便，维护工作量小；电缆的电容较大，有利于提高电力系统的功率因数等优点得到了广泛的应用。但是目前在供电系统中的电力电缆有相当大的部分是带病运行，电力电缆故障在所有供电故障中占有相当大的比重。快速、准确地确定故障点位置和故障类型成为电力电缆使用和运行过程中十分关键的技术之一。迅速、准确地确定电力电缆的故障点能提高供电可靠性，减少故障修复费用及停电损失。随着国家城市及乡村电网改造工作的开展以及各企业现代化设备的引进与应用，电力电缆的数量大量增加。通讯事业的发展，通讯业务也日益增长，相关部门及企业十分重视电缆的运行质量及在故障情况下电缆的故障定位及类型确定。总之，电缆的故障测试技术是伴随着电缆的应用而发展的，随着电缆的普遍使用，电缆的故障的测试技术也在不断的发展，许多新的技术的应用使得该技术得到了突飞猛进的发展。1.5本文的研究内容1、以单片机为核心设计多芯电缆通断短的自动检测。2、对故障测试原理进行论证，实现由接收到的电平来判断电缆的故障情况。3、对系统中各部分硬件电路进行结构分析,阐述它们的工作原理。4、对系统的软件的设计实现进行论述。 292 多芯电缆故障测试仪设计方案论证在以往研制的电缆检测仪在技术上大多数都还是采用单片机控制或STD总线工业控制机控制，但检测精度不高、检测速度低、体积大、操作使用复杂、可靠性差。2.1 方案讨论在研究和查阅相关资料后对以下几种方案进行了分析对比来确定个人的设计方案。2.1.1方案一：通过音频信号的发送和接收来判断电缆的故障，整个电路结构简单易懂。电路原理如图2-1： 图2-1小型电缆故障测试仪原理图该电路有发送和接收两部分电路组成。发送部分是由晶体管V1和变压器T组成的变压器反馈振荡器，产生音频振荡信号。接收部分是由晶体管V2、V3、V4等组成的放大器，主要用来放大音频信号。音频振荡信号经电容器C2接到被测电缆的芯线，接收部分的输入端接到测试环上。如果被测试芯线没有故障，音频信号通过芯线时，由于芯线与测试环间存在着电容耦合，所以测试环收到的音频信号经电容器C3耦合到V2的基极，放大后的音频信号由耳机收听。如果芯线出现故障则测试环上没有音频信号。该方案的设计过于简单要求的精度不高，效率低。不能同时对多条芯线的进行测试，只能单条单独测试，这种设计使用于简单电缆线的测试。2.1.2方案二：此方案中的系统主要有高压放电和单片机测试电路两大部分构成。系统框图如2-2： 高压电源启动电路控制电路充电电容放电回路被测电缆充电电压指示低频信号发生器低频信号接收器声音信号接收器整 形 电 路8031INTOINT1接口电路驱动电路显示电路图2-2测试原理系统框图该系统采用直流电源供电， 直流电源电压为12v 。高压电源采用开关型直流逆变电源。当电容充电达到要求时（3000v），充电电压指示灯亮，此时通过启动电路使系统开始工作。控制电路由继电器和低频脉冲信号发生器等构成，继电器工作时，继电器的一个接点接通放电电路，将被测芯线与电容的一极接通，电容的另一极与电缆屏蔽层共地。接通瞬间故障点放电，电流可到100Ma以上（具体数值视故障点漏电电阻的大小而定），瞬间功率可达300w以上。继电器的另一个接点接通低频脉冲信号发生器电源，启动低频脉冲信号发生器工作，向周围空间发射低频脉冲信号。低频信号接收器接收到低频脉冲信号后，经过放大、整形作为中断信号送到 INT0,中断服务程序启动 8031单片机定时器 /计数器工作，同时关 INT0中断。由前面分析可以知道，高压放电与启动定时器 /计数器工作是同时发生的 。单片机定时器 /计数器工作在定时器方式，利用单片机内时钟计数。声音信号接收器的测试头置于被测电缆有故障芯线的一端 (如 A点 )，当故障点瞬间放电时产生的微弱声音经故障芯线金属导线传到被测端 ( A点 )时，通过声音信号接收器接收转换为电信号，经过放大、整形，作为中断信号送到INT1，使定时器/计数器停止工作。同时取出定时器/计数器中的数值，转换成时间标度后，通过显示电路显示出来。该方案的设计方法，采用单片机系统同时测试电信号和声音信号，测出两者之间的时间差从而确定故障，具有测试速度快、定位准确的优点，尤其为探测地下电缆故障提供一种新的方法。此方案的原理是我们值得思考和借鉴的。2.1.3方案三：该设计方案是实现对扁平线通信电缆进行故障检测。系统电路采用 ATMEL公司的AT89c51系列单片机 ,在单片机P1口接入显示电路 ,采用LED数码管静态显示。输入信号由TXD口送出 ,当检测到故障时 ,由发光二极管指示故障类型 ,数码管指示故障线。按照以上设计思想 ,可得到本装置的原理图如2-3： 图2-3 测试系统原理图系统硬件电路以低功耗法高性能的AT 89c51芯片为核心。输入输出电路部分运用了16路CC4067模拟开关，其A9，A10，A11，A12与译码器 74LS139( 1/2)构成信号输入电路。AT89c51的P2口P25口送出地址并通过74LS139译码后选通对应通道，将单片机TXD端送出的信号通过I/O口送入扁平电缆线，送入次序是 00 59(共 60路 )。显示电路采用MC14495芯片作为数码管的静态显示接口。MC14495自带数据锁存器，因此可以用同一数据端口分别送出个位与十位数进行静态显示，大大简化了电路。二片数码管BS201中，A4显示十位数，A3显示个位数，如第线发生短路或断路时，由单片机16口输出高电平，驱动发光管U11,指示断路故障，而由P17驱动U10指示短路故障。值由P10P13送出并由机内 16进制数变为十进制数，个位和十位共用数据线，先选出十位数，并由P15送出的控制信号将数据锁存，再送出个位数，并由P14送出的控制信号将数据锁存。在检测出故障进入显示状态时，系统等待中断，当从INT0，INT1接收到中断信号后，继续检测直到完成测试。INT0，INT1通过上拉电阻接Vcc，故当SW -PB处于断开时，INT0，INT1处于高电平状态，而接通SW-PB时，电容4两端电压不能突变，迫使INT0，INT1呈低电平，然后慢慢充电，以上电路结构可防止重复触发。芯片中REST所接的复位电路具有上电复位与手动复位双重功能。该设计方案可以有效地检测出扁平线电缆的故障，为扁平多芯电缆线的检测提供了可靠的工具。通过对三种方案的研究分析并结合个人能力和设备、技术的限制，本文设计的多芯电缆故障测试仪将参考方案三的设计思路进行。2.2 本文方案设计本文的设计仍然是以AT89c51单片机为核心，利用单片机在接收，处理数据发面高速高效，功能强的特点，构造设计方案。外围电路主要承担发送和显示等辅助作用，除发送部分之外，主要是由数字电路组成。其中主机应用的是TTL的集成芯片，子机由于节能要求，使用能与TTL芯片兼容的COMS芯片，保证了电路的正常运行。其电气原理图见附录四：2.2.1 系统硬件电路总体组成本系统是以AT89C51单片机为核心，共有电源电路、状态指示灯、报警电路、按键功能电路、动态显示电路、复位电路、输入电路和输出电路八部分组成。其各部分电路的功能如下：1、 电源电路：该部分电路的主要作用是通过变压器把220 V交流电网电压变为9 V的交流电，然后通过四个二极管构成的全桥整流电路把交流变为+9 V直流电，最后通过7805为系统提供稳定的+5 V 直流电压。2、 状态指示灯，本系统共用四个状态指示灯：L1、L2、L3、L4，不同的状态指示灯亮表明系统处于相应的工作状态。3、 报警电路，报警电路主要是对操作者起报警、提醒的作用。系统每次接通电源、工作状态的改变及每次检测到电路故障时，报警电路都报警一次。4、 按键功能电路，本系统共用三个按键，通过软件设计，三个按键可以实现三个不同的功能，各个按键的具体功能将在硬件设计章节中详细介绍。5、 动态显示电路，该部分有四个数码管两个一组，分别显示多芯电缆两段对应的序号显示相应出现故障的电缆所对应的序号。6、 复位电路，该电路主要功能是在上电瞬间对单片机AT89C51起复位作用。7、 输入电路，和输出电路配合，单片机AT89C51通过输入电路提供的信息来判断多芯电缆是否有故障及其对应的序号。8、 输出电路，和输入电路配合，为输入电路提供基准信号以实现该系统的功能。2.2.2系统软件本设计系统软件用MCS-51汇编语言生成，采用模块化结构和子程序嵌套技术，可节省内存，便于程序的编制、修改、扩充和联调。整套程序由主程序和延时子程序、显示子程序、查询键子程序、代码转换子程序、设定子程序和测试子程序组成。2.2.3 测试方法电缆线的断路故障很好理解，而短路故障一般发生在相邻的两条或多条线之间，所以检测故障可按如下方法进行。如图2-1：图 2-1 测试示意图 在第i线一端送入信号，在同一线的另一端接收信号。若能正常接收信号，说明第i线无断路故障，否则判定有断路故障，然后分别接收i+1线和i-1线，若不能接收到信号，说明线路是正常，否则可判定相应线间有短路故障。2.2.4系统功能实现原理本设计系统可对少于48芯的电缆进行芯线的故障测试，其原理是利用输入电路和输出电路的逻辑电平的高和低（即“1”和“0”）来实现其检测多芯电缆的短、断路故障及其虚幻的功能。系统电路采用ATMEL公司的AT89c51系列单片机，在单片机P1口接入显示电路，采用LED数码管动态显示，输入信号由TXD口送出，当监测到故障时，由发光二极管指示故障类型，数码管指示故障线 。按键的选择使单片机接收到信号，单片机根据接收到的信号进行判断。然后，单片机向8255发出信号，对8255读接收到的的信号。单片机根据接收到的信号判断芯线的状态。然后，向74LS164发出信号，74LS164将收到的信号进行串并转换，信号作为显示器的段控。通过第二片74LS04向显示器发出为控制信号，同时通过第一片74LS04向发光二极管或蜂鸣器发出报警信号。3 系统硬件设计 本设计系统硬件由控制器、电源电路、状态显示电路、操作电路、动态显示电路、报警电路、输入电路和输出电路八部分组成。其原理框图如图3-1所示89c51报警电路状态显示 键盘电路显示电路复位电路驱动器8255输入电路48芯接口 2输出电路48芯接口 1 3-1 系统结构框图3.1 控制电路控制电路部分以89c51单片机为核心组成控制系统，是整个测试仪的控制中心。单片机技术是一门发展极快、应用领域极广、使用方式极端灵活的使用技术。当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。针对具体情况，我们在选其型号的时候首先要弄清两个概念：集中指令集（CISC）和精简指令集（RISC-ReducedInstructionSetCPU）。采用CISC结构的单片机数据线和指令线分时复用，即所谓冯诺伊曼结构。它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。采用RISC结构的单片机数据线和指令线分离，即所谓哈佛结构。这使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。本设计要求数据线和指令线分时复用，所以采用了CISC型单片机。上面所述的几种CISC型单片机各有各的优点，但是其价格和每个人使用的熟练程度不一样，笔者对51系列单片机的使用较为熟练，而Atmel的AT89系列单片机又是51系列单片机的升级产品，所以本设计就从Atmel的AT89系列单片机选用了一种单片机。AT89系列单片机具有价格便宜，功能强大的优点，因本设计程序量较大，为了有足够的冗于空间，本设计选用了AT89C51单片机。它的主要功能和特性如下：AT89C51是一个低电压，高性能HMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。它除了具有与MCS-51系列完全兼容的若干特性外，最为突出的优点是片内集成了4k字节Flash PEROM,可用来存放应用程序，这个 Flash程序存储器除允许用一般的编程器离线编程外，还允许在应用系统中实现在线编程，AT89c51的另一个特点是工作速度高，晶振频率可高达24MHz，一个机器周期仅500ns,比MCS-51快了一倍。功能强大的AT89C51单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉电工作模式。这两种方式是控制专用寄存器PCON(即电源控制寄存器)中的PD(PCON.1)和IDL(PCON.0)位来实现的。PD是掉电模式，但PD=1时，激活掉电工作模式，单片机进入掉电工作状态。IDL是空闲等待方式，当IDL=1时，激活空闲工作模式，单片机进入睡眠状态。如需同时进入两种工作模式，即PD和IDL同时为1，则先激活掉电模式。在空闲工作模式状态,CPU 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL（PCON.0）被硬件清除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断中断服务程序，执行完中断服务程序并紧随RETI（中断返回）指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二，是通过硬件复位也可以将空闲工作模式终止。需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。为了避免可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在Vcc恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。 空闲和掉电模式外部引脚状态如表2-1： 模式 程序存储器ALEP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据 为了方便布线和调试，使各功能模块独立、清晰、设计中使用了89c51 小系统板，把单片机的外围电路专门布线作成一块小板子，称小系统板。包括扩晶振电路、复位电路等。复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号直至系统电源稳定后撤销复位信号。为可靠起见电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位，RC 复位电路可以实现上述基本功能。本系统还连接了外部手动复位电路，R1取2001K，当需要复位时。按下复位按钮即可达到复位目的。在上图系统中选用了12MHz的晶振，电容C1、C2为30PF。3.2 电源电路电源是电子设备的重要组成部分，直接影响着电子设备的工作质量。因此，越来越受到人们的重视。各国的电子设计人员不断的研发新型电源，若按工作方式区分，大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有35%60%。开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要优点是变换效率高，可高达70%95%。本设计电源电路是由变压器整流电路和稳压电路组成。变压器是用于将220v交流电压转换为9v低压交流电压；整流电路用于将变换后的交变电压经过由IN4007构成的桥式整流电路将大小、方向变化的正弦电流变换成单向脉动的直流电后,输出12V左右的的直流电压，再由滤波电路将整流后的单向脉动的直流电压的波纹成分尽可能滤除掉，使其变成平滑的直流电,输入到三端固定式集成稳压器7805输入端，经过7805后再经电容滤波后，输出为5V的直流稳压电压。结构如图3-3：图3-3 电源结构结构中用到各种器件参数设定：变压器T1功率为5w，变比为200V：9V，使输入为220v的交流电降压；电解电容C9用2200F/35V, 电解电容C10用470F/25V即可；瓷片电容C8选用30pF的容值； 整流二极管IN4007的参数：VR=1000V,IF=1A,VF=1V,IR=5A。3.3操作电路 操作电路部分主要是以按键组成，本系统共用三个按键，通过软件设计，三个按键可以实现三个不同的功能。SET为设置按键，DOWN为测试的线芯数递减键，SET为测试运行键。操作面板设计如下图3-4所示： 接口 1 接口 2 L1 L2 L3 L4LED1 LED2LED3LED4 SET DOWNTEST 图3-4 操作面板框图 操作说明：1、 当接通电源时，蜂鸣器蜂鸣一次（蜂鸣器原理如图3-5），数码管全部显示8，否则说明数码管有损坏，此时发光二极管L1、L2、L3、L4均不亮（状态显示原理如图3-5），以其处于待测状态。2、 当没有设置时，仪器默认测试多芯电缆的芯数为48芯，若需进行设置时，按下SET键,此时L1处于发光状态，表明仪器处于设置状态，再按下DOWN键，能进行48-1-48的芯数循环设定。3、 将多芯电缆插入到接口1和接口2中，按下TEST键蜂鸣器蜂鸣一次，表明测试开始，此时发光二极管、L2亮，当测到短路线时，蜂鸣器蜂鸣一次，、L3亮，数码管显示两根短路线信号，当测到断路时，蜂鸣器蜂鸣一次，、L4亮数码管显示断路信号。4、 当记下短路和断路信号按一次TEST键继续测量，若出现短路或断路情况时，重复上一步的过程，直到测试完成进入到待测的状态，同时L2熄灭。图3-5 状态显示及报警电路原理 3.4 动态显示电路 显示电路有两种一种是静态显示，一种是动态显示。所谓静态显示，就是当显示器显示某个字符时，相应的段（发光二极管）恒定的导通或截止，直到显示另一个字符为止。LED 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极接地，若为共阳极时接+5V 电源。每位的段选线分别与一个 8 位锁存器输出口相连，显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存的输出将维持不变。因此，静态显示器的亮度较高。这种方式编程容易，管理也较简单，但占用资源较多。动态显示是在多位 LED 显示时，为了简化电路降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个 8 位 I/O 口控制。而共阴极（或共阳极）公共端分别由相应的 I/O 线控制，实现各位的分时选通。本设计显示用动态扫描，可以降低成本，简化电路。将各位所有的相同的字母段线连在一起，这样为了在同一时刻显示不同的字符，就得轮流显示了。实际上这是不可能实现的，但可以利用人眼的视觉滞留效应，来实现“同一时刻的不同字符显示”。即，在一个瞬间让某一位的位控线导通，其它各位处于断开状态，段码输出这一位要显示的字符的段码。这样，这一瞬间只有这一位是亮的。下一瞬间选通另一位，输出另一位要显示的段码，这样轮流显示，在短时间内实现全部位显示。在本设计中的显示电路部分采用四只共阳极数码管来显示断路和短路电缆芯线的序列号。如图3-6所示图3-6 动态显示电路上图中在串行通信I/O口不够用的情况下在设计中借住于一个串行移位寄存器74LS164把串行数码段选信息转换为并行数码段选信息。其原理是89C51的串行口工作于方式0时，串行接口为同步移位寄存器方式，利用串行转并行的接口芯片74LS164完成89c51的数据采集。其具体接法：74LS164的A、B两端口并联接到89c51的RXD端， TXD端的时钟信号送到74LS164的CLK端，片选部分由89c51的I/O口来提供。同时借住89C51的P3口的P3.2、P3.3、P3.4、P3.5加一片6反向器集成器件74LS04和PNP三极管9013构成反向驱动电路作为动态显示的位选。3.5输入电路单片机89C51通过输入电路提供的信息来判断多芯电缆是否有故障并在显示电路中显示对应的序号。结构原理如图3-7图3-7 输入电路原理图在输入电路部分本设计中采用的8255可编程并行输入/输出接口芯片是Intel公司生产的标准外围接口电路。它采用NMOS工艺制造，用单一的+5v电源供电，具有40条引脚，采用双列直插式封装。它具备A、B、C三个端口共24条I/O线，可以通过编程的方法来设定端口的各种I/O功能。由于它功能强大，能方便地与各种微机系统相连，而且连接外部设备时通常不需要再附加任何外部电路。本设计选用89C51芯片作为CPU,在与8255连接时无须外程序存储器, 8255三根地址线可直接接到89C51的P2口, 8255的D7D0八位数据线可直接与89C51的P0口及系统总线相连与直接进行数据交换。在交换过程中在89C51的P0口加了双向总线驱动器74LS245来提高整个系统的运行效率和数据驱动能力。3.6 输出电路输出电路是输入电路的配合，为输入电路提供基准信号以实现系统的功能。其结构原理图如3-8：图3-8 输出电路原理图由于输出电路部分接线端的需要，本设计对89c51的P2口选用了74LS154进行了扩展。由三个416 译码器74LS154和单片机89C51的相应I/O口配合组成。方案中我们把三个译码器74LS154中的每两个使能端G1、G2（低电平有效）连接在一起作为其片选与89c51的P2.4、P2.5、P2.6口相连，从而实现对该片74LS154的片选。74LS154的四个输入与单片机89C51的P0口的低四位相连，单片机89C51通过P0口的低四位来实现74LS154的16选1的功能，被选中的74LS154根据单片机89C51的P0口的低四位送的数把相应序号的输出端变为低电平，其余的输出端都为高电平。4 故障测试系统工作原理本设计的测试系统对电缆的检测包括断路故障测试和短路故障测试两种功能。工作过程中该测试系统对断路和短路故障进行同时检测，这也是本设计的一个突出的功能特点。4.1测试原理该系统主要是测试多芯电缆短、断路故障的测试系统。按下测试键，报警电路报警一次，测试状态指示灯变亮，测试开始。其简明原理是基于+5 V系统的电源电压，利用输入电路和输出电路的逻辑电平的高和低（即“1”和“0”）来实现其检测多芯电缆的短、断路故障及其序号的功能。其测试过程可分为两步来理解：首先单片机89C51通过输出口选中第i芯电缆并送一基准信号（低电平即逻辑“0”）；然后单片机89C51再通过输入口把所有电缆对应另一端的信号检测一遍，以输入端检测到的信号（即电平的高、低）来判断多芯电缆通及短、断路故障。4.2测试过程系统在进行测试的时候，输入电路和输出电路部分分别接电缆两端，测试者在控制面板一端进行按键操作。首先单片机89c51通过输出电路部分选中一片74LS154中的第i芯电缆并送一基准信号（低电平即逻辑“0”）；然后单片机89C51再通过输入电路把所有电缆对应另一端的信号检测一遍，以输入端检测到的信号（即电平的高、低）送回89c51进行解码，最后由显示电路和报警电路来判断多芯电缆通及短、断路故障。具体结构如图4-1：图4-1 工作过程框图4.3工作原理 系统工作原理是利用输入电路和输出电路的逻辑电平的高和低（即“1”和“0”）来实现其检测多芯电缆的短、断路故障并通过状态指示电路指示故障类型并在数码管显示电路中来辨别芯线的序号。当电缆两端分别接入输入电路和输出电路后给系统接通+5v直流稳压电源，报警电路、显示电路均提示线路正常时即可开始进行故障的测试。首先通过单片机89C51的P2口选中输出电路中第一片74LS154的片选，再通过单片机89C51的P0口的低四位把选中的74LS154第一个输出口变为低电平，然后再由单片机89C51通过两片8255按次序从输入电路的第一个输入口开始逐一选中检测直到最后一个。在检测的过程中如果只有第一个输入口是低电平而其它的输入口都是高电平则说明该芯线正常。如果除第一个输入口外还有别的输入口为低电平则说明该芯线与第i芯出现了短路故障。检测完第一芯再通过输出电路把第一片74LS154的第二个输出口变为低电平，然后按下测试键重复上一芯的检测过程。检测完16芯之后，由89c51的P2口向第二片74LS164中的片选端送片选信号进行这片74LS164所连接的16根芯线，同样的原理来检测剩余芯线的故障并在状态指示电路中指示故障类型，在数码管显示电路中显示芯线序号。 5 系统软件设计软件设计在整个系统设计中占有重要的地位，没有软件，就无所谓的系统，也更谈不上进行工作了。本系统软件用MCS-51汇编语言生成，为了优化装置的软件设计采用模块化结构和子程序嵌套技术，可节省内存，便于程序的编制、修改、扩充和联调。电缆故障检测的装置首先按接电缆故障检测装置各条电缆的序号数，从小到大依次扫描电缆的故障状态，如果有电缆的故障信号通过89c51向状态指示电路和数码管显示电路送信号显示故障的类型和电缆的序号数。整套程序由主程序和调用子程序构成。以下逐一介绍各个程序模块。5.1主程序设计由于对48路芯线进行相同方式的测试，所以程序主干是一个大的循环体。采用先处理后判断的方法。在主程序的组织、管理下、完成对硬件电路的控制，完成数据的采集、数据的处理、数据的发送和终端显示等功能系统。主程序是完成I/O口、定时器、串行通信接口的初始化和判断按键调用相应的子程序。使系统转入相应的子程序实现系统检测多芯电缆线断路和短路故障的功能。其主程序框图见附录一：5.2子程序设计在一个程序中经常会遇到反复多次执行某程序段的情况，如果重复书写这个程序段，会使程序变得冗长而杂乱。对此，可把重复的程序编写为一个子程序，通过主程序调用而使用它。这样，不仅减少了编成的工作量，而且也缩短了程序的长度。在原来的主程序中需要执行该任务时，调用子程序，执行完该任务后，又返回主程序，继续以后的操作这样就简化了程序的逻辑结构，便于调试，节省了程序的空间。5.2.1延时子程序CPU每指行一条指令都需要一定的时间，有一些指令组成一段程序，并反复循环执行，利用CPU执行程序所用的时间来实现延时。根据延时的时间设定相应的循环次数就可以达到精确延时的目的，对于超过一定范围的延时时间可以采用外循环内循环嵌套的多重循环结构。根据本系统的延时需要，这里的延时子程序采用了外循环和内循环嵌套的两重循环结构，而且内循环的次数已确定，根据需要在调用延时子程序前，只需把相应的外循环次数赋予外循环次数寄存器R7即可。程序框图见附录一：5.2.2显示子程序 显示程序由两部分组成，分为显示预处理和显示更新。在预处理中就是把现实缓冲区中的数据转换成8段码，然后存放到8段码显示缓冲区中。在显示中，总共有四个数码管， 采用每8个发光管构成一个数码管的显示方法，用位指令对每个发光管的显示与熄灭进行操作，显示的方式采用的是动态扫描方式。在显示之前，要把标志位清除，然后再关显示。当全部显示完毕后，子程序返回。5.2.3查询按键子程序在系统中，键盘采用了扫描方式对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键。首先对所有按键查询一次，检查有无按键按下。若无键按下，则对累加器A送0；若有按键按下，判断消抖位是否为1，若为0，将其置1完成消抖。这里采用调用三次数码显示器扫描循环子程序的方法，共约10ms。然后再查询有无键闭合，若无键按下，则返回主程序。该子程序完成三个操作判断， 每个按键产生的某种状态的位置和某个指示灯的显示，预置操作中完成预置位的增减变化和闪亮送数显示，查询状态中完成查询操作和显示。其程序框图见附录一：5.2.3测试子程序该子程序是通过89c51的P2口依次选中输出电路的74LS154把各芯线的一端按顺序逐次送低电平，输入电路顺次读入另一端各芯线的电平送入单片机89c51，由单片机根据两者提供的电平高低信号来判断是否有故障以及故障的类型。其程序框图见附录一：6 电缆故障检测系统展望目前我国经济进一步融入到国际经济大环境的趋势日益明显，如果不采用自动测试而沿用人工手动测试，就不只是费工费时的问题，而是能不能占领市场的大问题。自动测试决不是简单的省工省时问题，而是可以充分发挥计算机作用，增加测试功能和提高测试性能，甚至可以完成很多人共无法完成的任务。当今科学技术的不断进步，电缆的运用范围也越来越广，诸如：航空、舰艇等高科技领域。针对众领域对电缆的安全要求对于电缆检测仪的设计研究上面也有了相当大的改进并运用了先进的计算机辅助单片机测试技术，利用数据库和信息显示技术。目前电缆检测仪器正在向检测功能更集中、效率更高、误差更低、功耗更低、能对采集的信号进行复杂的数学处理、自动计算故障点、记忆测量波形、打印输出波形及测量结果等智能化的特点方向发展。新型智能化电缆故障检测仪器将具有如下几个方面的突出特征：(1) 高测量精度以先进的故障定位理论为基础，并结合计算机技术，使得故障定位精度进一步提高。(2) 高自动化程度系统可实现误差自动补偿、检测程序自动化操作、自动报警和故障自诊断及自动巡回检测。(3) 基于 Internet 的网络化网络已经成为人们工作和学习的重要工具，它对于智能电缆故障监测系统来讲也是很重要的，因为它是远程操作、监控的唯一有效的途径。目前市场上已经研制出了一些新型智能化通信电缆自动测试系统，它采用国内外低成本、高性能的测试仪表及先进测试技术，配有电缆自动转接架，通过接口与计算机相连；软件在 Windows平台上运行，界面十分友好。它能自动测试电缆的各种电气参数，精度高、稳定性好，能够将测试结果与有关标准进行比较，生成测试报告、检验报告。新型通信电缆自动测试系统相对国内外同类电缆测试系统具有体积较小、重量轻、便于携带的特点，可以说具有优良的性能价格比。 虽然说智能化电缆测试仪器的设计虽然比传统的电缆故障测试仪有了很大的改进，但还是有以下不足和缺点等方面需要增强和改进：(1)目前智能电缆故障定位仪数据采集还处于不理想状态；(2)目前的智能电缆故障定位仪距离全智能化仍然有一定距离；(3)智能电缆故障定位仪工业造型设计研究，不仅考虑外观美化，而且要从功能、构造、材料、工艺、色彩、人机操作舒适性等方面综合考虑；总之，电缆的故障测试技术是伴随着电缆的应用而发展的，随着电缆的普遍使用，电缆的故障的测试技术也在不断的发展，许多新的电缆故障定位理论、传感器、微型机算计及网络的结合，为智能化电缆故障探测系统开辟了广阔的前景。 结束语 经过一个学期的工作，到现在为止关于本课题的设计告一段落，基本上按照预期计划安排的时间完成了该课题的硬件设计和软件编辑工作。通过大量的资料检索，多种方案的论证，设计出了硬件构成并在protel中作出了电气原理图以及PCB板做出了实物样板，在软件上编好了系统功能主程序和相关调用子程序。由于PCB板制作经验不足致使在通过软件程序调试实现其系统测试功能的时候导致调试不成功。本文主要阐述的是多芯电缆故障测试系统，以及其工作原理和检测方法。该套系统的设计方案也得到了指导老师的认同，并对相关细节提供了参考意见。本设计是一个应用型设计，结果具有很大的实用性，可以解决电缆施工中的一些具体问题。同时，由于设计中运用了处理能力很强的单片机系统原理，因此本设计在性能扩展方面的余地还很大，还有待于今后继续扩展完善，以使其更加高效，方便。基于笔者的水平有限，本文设计的电缆故障测试系统只针对电缆的故障类型和电缆故障芯线进行判断。关于测试电缆的故障准确点及故障范围本文没有进行探讨，有关此