关键词: 多芯电缆;短路;绝缘电阻;测试;单片机
Abstract: In this paper, a kind of multi-core cable test equipment based on 8051 single-chip microcomputer and CPLD was introduced. This system has function of testing multi-core cable on off-line, which can quickly and correctly test short-circuit and voltage withstand insulation resistance and show the results of the test in real time. The experimental results of prototype showed the system has the performance of simple implementation, reliable running and high accuracy in test.
Key words: multi-core cable; short circuit; insulation resistance; test; MCU
1 引言
种类繁多的通讯电缆、控制电缆在各种仪器和控制设备中大量使用。电缆线是否良好导通、线间绝缘电阻是否满足要求，直接影响到电器设备的正常运行。耐压绝缘电阻是衡量电气绝缘材料性能的一个重要指标。传统的摇表测量绝缘电阻的方法主要缺点有：测量误差大，不能保证耐压测试用高电压电源的准确性; 测量结果无法自动保存和打印输出;对多芯电缆芯线间绝缘电阻测量中，换接线繁琐、易接错、人工劳动量大。本文介绍的多芯电缆测试仪，能实现对最大为48芯电缆通断和耐压绝缘阻值的自动测量，既保证了测试结果的准确性，又能将测试结果从液晶显示屏和打印机输出。避免了人工测量的误差，大大提高工作效率。
2 系统简介
2.1 系统实现功能
该系统具有较完备的功能，具体的功能如下：
（1）检测电缆通断和绝缘电阻的功能;（2）开机自诊断功能;（3）测试结果实时显示功能;（4）电缆芯线的自动切换功能，检测启动后，自动切换检测电缆每根芯线的通断和各芯线之间的绝缘电阻及绝缘阻值是否满足要求的自动判断;（5）设定待检电缆芯线芯数的功能;（6）绝缘电阻超限值设定功能，可以用于不同等级的绝缘阻值合格与否的判断。
2.2 系统组成
多芯电缆测试仪的工作原理如图1所示。系统主要由以下三部分组成：输入电路：包括键盘电路、绝缘测试电路、A/D转换电路和通断测试电路;输出电路：由CPLD系统电路、LCD液晶显示模块、打印机、继电器组和500V直流高压电路组成;控制电路：由8051单片机系统电路构成。
本系统由高压电路产生500V的直流电源作为绝缘电阻的测试电压源。绝缘电阻的测量采用国家规定的衡压法。测试时，首先通过键盘设定待测试电缆的芯数值。单片机通过CPLD系统实现对继电器组的闭合与断开的控制，然后由A/D转换或通断测试电路将信号转换为数字信号，单片机对信号进行采集、运算处理后的结果通过LCD液晶屏、打印机、数据存储器对测量结果进行显示、输出和保存。
3 系统电路设计
3.1 电缆绝缘电阻检测设计
绝缘电阻检测原理如图2 所示。测试电路由采样、运放和AD7705三部分组成。绝缘电阻测试的核心器件是AD7705，它是AD公司推出的16 位Σ-△A/D 转换器，可用于测量低频模拟信号。AD7705带有增益可编程放大器，可通过软件编程来直接测量传感器输出的各种微小信号。AD7705具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点，因而非常适合于高精度的检测和测量。AD7705具有两个全差分输入通道，其主要特点如下：具有16位无丢失代码;非线性度为0.0003%; 可进行自校准和系统校准;带有三线SPI串行接口;功耗低等。
绝缘电阻的具体测试过程如下：在图2中，Rx为被测电缆的绝缘阻值。测试时先把500V DC送上，然后闭合继电器S1和S2。500V DC 通过R2与R3分压后送到运放，经过运放调理后再送到AD7705的AD ref端，作为AD7705的测试参考电压，以便消除500V DC电源波动对测试结果的影响。经过Rx与R1分压后的电压作为绝缘测试采样电压送到运放进行调理后送到AD7705
的AD in端。AD in端的电压即为实际采样得到的电压，其范围是0～2.5V，绝缘电阻的阻值越小，相对应的采样电压越高。
3.2 电缆通断检测设计
电缆通断检测的原理如图3所示。开始通断检测前，应先用短路环将电缆一端的所有芯线短
接，另一端接到继电器阵列上。继电器阵列用来对电缆的芯线进行接入切换，所有的芯线通过相对应继电器的常闭触点经电阻R1和R2接地。当检测1#芯线时，闭合S1继电器，使继电器S1的常开触点闭合，+15V通过芯线加到电阻R1和R2上，经过R1和R2分压后送到单片机。如果所测芯线断路，则Vo为0V，否则Vo为+5V。
3.3 CPLD系统电路
测试系统最大检测电缆芯数是48。51单片机有24个IO口，如果直接用单片机来控制继电器组，则单片机必须利用扩展芯片进行IO口的扩展才能满足系统要求，如8255等，这将增加系统的复杂性，于是决定采用CPLD来控制继电器组。CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一种复杂的用户可编程逻辑器件。CPLD是标准的大规模集成电路产品, 可用于各种数字逻辑系统的设计。
近年来,由于采用先进的集成工艺和大批量生产,CPLD器件成本不断下降,集成密度、速度和性能大幅度提高,一个芯片就可以实现一个复杂的数字电路系统，再加上使用方便的开发工具,使用CPLD器件可以极大地缩短产品开发周期,给设计修改带来很大方便。本文采用ALTERA公司的MAX7000s,它是基于第二代MAX结构的高精度、高性能、在系统中可编程的CPLD芯片,采用高级CMOS技术加工而成,内含电可擦除只读存储器EPROM,可提供600～5000个可用选通引脚、ISP、速度仅有5ns的延迟以及频率可达175.4MHz的高速计数器。
继电器的通断程序编好后，通过专用的下载线将程序烧写到CPLD中。CPLD与单片机采用模拟串行方式连接，这就大大简化了系统电路。系统采用CPLD进行IO口扩展后，单片机只需要将待测电缆的芯线号送给CPLD，继电器组的选通则由CPLD来完成。这样就大大方便了编程，使得主程序结构紧凑，控制灵活。
3.4 其它电路
除上述电路外，系统还有电源、键盘和系统复位等电路。
电源电路除了给直流高压电路提供电源之外，还要给单片机、LCD液晶显示模块、继电器组、检测电路等提供电源。
键盘电路的工作电压为+5V,共有7个按键，通过这7个按键可以完成系统的参数设置,如待测试电缆的芯数，绝缘电阻超限值的设定，以及测试结果的查看等功能。
4 系统程序设计
本系统的软件部分采用汇编语言编写，汇编语言生成的可执行代码快速、紧凑，在运行效率上优于C语言程序得到的代码。该系统的主程序流程如图4所示，系统软件主要包括系统自检程序，电缆参数设置程序，查看上次测试结果程序，电缆通断测试程序，通断测试结果显示程序，电缆绝缘测试程序，绝缘测试结果显示程序等。
自检程序在系统上电时进行初始化，对仪器进行自检，以保证仪器工作状态的正确性。
参数设置程序用来设定电缆绝缘电阻超限值，范围为1～20M，以及电缆总芯数和电缆各分支芯数，其范围为2～48芯。
查看测试结果程序用来查阅上次电缆通断和绝缘阻值测试结果。通断测试和绝缘测试程序分别用来对电缆进行通断测试和绝缘测试，测试的结果分别由通断测试结果显示程序和绝缘测试结果显示程序进行显示。
5 测试结果分析
首先对系统的精度进行检验，选取1MΩ、2MΩ、5MΩ、10MΩ、20MΩ高精度电阻进行测试，所得结果的单位均为MΩ，测得数据如表1所示：
由表1可以看出，所得测试结果的相对误差都在3.5%以内，达到了较高的精度，符合设计的要求。
另外对测试仪的测试速度进行了测试。以48芯的电缆为例，用兆欧表对电缆插头芯线之间的绝缘电阻进行测试，所用时间为30分钟，使用本测试仪所用时间为1分20秒;通断测试的时间在30秒内。用本系统进行一次通断和绝缘电阻的测试在2分钟内即可完成。所以该仪器的测试速度是较高的。
6 结束语
本文作者创新点：测试仪用51单片机和CPLD芯片的有机结合，设计了一种具有测试速度快、控制灵活、可适应不同芯数电缆的通断测试和绝缘测试要求、智能化和自动化程度比较高的测试系统。
该产品由于采取了抗干扰措施，具有很强的环境适应性。仪器可以应用于电力、通信、铁路和国防等工业的各类电缆测试。
参考文献
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