潘大偉，孫洪濤，戴永壽

（1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院，山東 東營(yíng)257061；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）科學(xué)技術(shù)研究院，山東 東營(yíng)257061；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 青島266580）

一種便攜式線纜檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)

潘大偉1，3，孫洪濤2，戴永壽3

（1.中國(guó)石油大學(xué) 勝利學(xué)院，山東 東營(yíng)257061；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）科學(xué)技術(shù)研究院，山東 東營(yíng)257061；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 青島266580）

針對(duì)傳統(tǒng)線纜檢測(cè)方法效率低、現(xiàn)有線纜檢測(cè)設(shè)備體積大等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種便攜式線纜檢測(cè)設(shè)備。該設(shè)備使用鋰電池供電，多個(gè)線纜檢測(cè)單元電路組合滿足不同類型線纜要求，通過(guò)觸摸屏選擇被檢測(cè)線纜類型，由嵌入式開發(fā)板向單片機(jī)控制電路發(fā)送檢測(cè)指令，利用線纜檢測(cè)電路對(duì)線纜進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果顯示于觸摸屏。詳細(xì)介紹了設(shè)備組成，以一實(shí)例對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行了說(shuō)明?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)用表明，該設(shè)備具有檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確率高、體積小、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

線纜檢測(cè)；便攜式；單元電路；觸摸屏

隨著生產(chǎn)、測(cè)試設(shè)備功能越來(lái)越強(qiáng)大，內(nèi)部模塊也越來(lái)越多，連接各模塊的連接線纜復(fù)雜，連接點(diǎn)眾多。連接線纜的可靠性直接影響設(shè)備的整體可靠性，連接點(diǎn)之間連接關(guān)系錯(cuò)誤，會(huì)使設(shè)備不能正常工作，甚至損壞，因此有必要對(duì)連接線纜進(jìn)行檢測(cè)，保證其可靠性。

當(dāng)前行業(yè)普遍采用人工檢測(cè)，即對(duì)照?qǐng)D紙、連接表，利用萬(wàn)用表檢測(cè)線纜兩端的通斷。這種方法效率低、耗時(shí)長(zhǎng)，常出現(xiàn)錯(cuò)檢、漏檢情況[1-3]。因此，人工檢測(cè)僅適用于連接點(diǎn)較少的線纜。對(duì)于數(shù)十個(gè)，甚至數(shù)百個(gè)連接點(diǎn)的線纜應(yīng)該用檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)。但是，有的檢測(cè)設(shè)備需要恒流源技術(shù)[4]，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；有的檢測(cè)設(shè)備將計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)[1-5]，體積較大，上述設(shè)備均不適合現(xiàn)場(chǎng)使用。

根據(jù)上述問(wèn)題，文中提出了一種用于線纜的便攜式檢測(cè)設(shè)備。該檢測(cè)設(shè)備體積較小，利用鋰電池供電，可在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)連接線纜進(jìn)行快速、可靠的檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果及時(shí)顯示于屏幕。

1 設(shè)備的組成

檢測(cè)設(shè)備的組成如圖1所示。該設(shè)備由電源電路、上位機(jī)和下位機(jī)3部分組成。電源電路包括鋰電池和電源模塊，上位機(jī)包括觸摸屏和嵌入式開發(fā)板，下位機(jī)包括單片機(jī)控制電路和線纜檢測(cè)電路，所有設(shè)備均安裝于一個(gè)功能箱內(nèi)。

圖1 線纜檢測(cè)設(shè)備的組成

電源模塊將鋰電池的12 V輸出電壓轉(zhuǎn)換為5 V，向整個(gè)設(shè)備供電。操作人員利用觸摸屏選擇被測(cè)線纜類型，發(fā)出檢測(cè)指令，嵌入式開發(fā)板接收指令后，通過(guò)串口把指令傳輸給單片機(jī)控制電路。單片機(jī)按照該指令通過(guò)線纜檢測(cè)電路對(duì)線纜進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給嵌入式開發(fā)板，利用觸摸屏顯示。下面對(duì)該設(shè)備主要組成部分進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 電源電路

電源電路如圖2所示，該電路由鋰電池和電源模塊組成。所用鋰電池容量為10 Ah，可保證該設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作，輸出電壓12 V，與插座J1相連。由于設(shè)備其余部分需要5 V供電，因此使用電源模塊BSD12-12S05進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。該模塊具有寬電壓輸入特性，可在9～18 V輸入下正常工作，輸出電壓為5 V，功率12 W，并具有短路保護(hù)功能。圖2中Power1和Power2為兩個(gè)電源模塊，通過(guò)插座J2向下位機(jī)供電，通過(guò)插座J3向上位機(jī)供電。

圖2 電源電路

1.2 單片機(jī)控制電路

該電路由單片機(jī)STC12C5A48S2和附屬元件組成。該單片機(jī)采用5V供電，晶振為11.0592MHz[6]。單片機(jī)的UART引腳RxD/P3.0和TxD/P3.1通過(guò)MAX232與嵌入式開發(fā)板連接實(shí)現(xiàn)兩者串行通信[7]，部分IO口與線纜檢測(cè)電路相連。

1.3 線纜檢測(cè)電路

線纜檢測(cè)電路在單片機(jī)控制下對(duì)線纜進(jìn)行檢測(cè)。為便于對(duì)不同數(shù)量連接點(diǎn)的線纜進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電路模塊化，線纜檢測(cè)電路由線纜檢測(cè)單元電路組成，每個(gè)單元電路可對(duì)8個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。線纜檢測(cè)單元電路如圖3所示。

圖3 線纜檢測(cè)單元電路

線纜檢測(cè)單元電路中，U1為一片8通道數(shù)字模擬開關(guān)CD4051B[8-11]，INH連接該芯片的片選信號(hào)，片選信號(hào)由單片機(jī)確定；X引腳接+5 V；控制引腳A、B、C 分別連接單片機(jī)的 P2.0、P2.1和 P2.2口，通過(guò)這3個(gè)引腳高低電平不同組合，可將X所接的+5 V高電平輸出至X0～X7的某一引腳；X0～X7連接插座J4。插座J4為一8腳插座，連接被測(cè)線纜的連接點(diǎn)。RB1是一個(gè)8×10 kΩ阻排，公共端接地，其余引腳連接插座J4，起下拉電阻的作用。U2是一片8路三態(tài)緩沖器74HC244，片選信號(hào)由單片機(jī)確定，輸入端連接插座J4，輸出端連接單片機(jī)的P0口，供單片機(jī)讀取檢測(cè)結(jié)果。

該設(shè)備采用LQFP44封裝的STC12C5A48S2型單片機(jī)，該單片機(jī)共有40個(gè)IO口，其中RST/P4.7作為復(fù)位引腳、RxD/P3.0和TxD/P3.1作為串行通信引腳，P2.0、P2.1和 P2.2連接 CD40541B 的 A、B、C 3個(gè)引腳，P0口連接74HC244的輸出，因此最多有26個(gè)IO口可作為CD4051B和74HC244的片選信號(hào)，每種芯片可占用13個(gè)。在譯碼電路配合下，該設(shè)備理論上可設(shè)置213=8 192片CD4051B和74HC244，最多對(duì)8×8 192=65 536個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。在實(shí)際使用中，線纜的連接點(diǎn)不會(huì)達(dá)到上述數(shù)量，因此該設(shè)備可滿足一般線纜的檢測(cè)要求，具有極佳的擴(kuò)展性。

1.4 上位機(jī)

為縮短開發(fā)時(shí)間，提高設(shè)備可靠性，本設(shè)備采用英創(chuàng)信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EM9170嵌入式開發(fā)板和7寸彩色觸摸屏作為上位機(jī)，兩者通過(guò)40腳扁平線連接[12]。EM9170是一款高性價(jià)比的嵌入式主板，以Freescale的iMX257為硬件核心，并帶有多種標(biāo)準(zhǔn)接口，其中物理串口COM3與單片機(jī)控制電路連接。該開發(fā)板預(yù)裝WinCE6.0系統(tǒng)平臺(tái)，可直接利用Visual Studio 2005進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)[13-14]。該設(shè)備上位機(jī)采用C#開發(fā)[15]，觸摸屏界面如圖4所示。

圖4 上位機(jī)觸摸屏界面

觸摸屏界面包括線纜類型選擇、檢測(cè)結(jié)果、開始檢測(cè)按鈕3部分。選擇被檢測(cè)線纜類型，按下開始檢測(cè)按鈕，該設(shè)備開始對(duì)線纜進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果顯示在錯(cuò)誤列表中。錯(cuò)誤列表指出連接錯(cuò)誤的兩個(gè)連接點(diǎn)的位置、正確狀態(tài)和錯(cuò)誤狀態(tài)，操作人員可根據(jù)該信息對(duì)線纜進(jìn)行檢修。

2 實(shí)例分析

下面以一具有16個(gè)連接點(diǎn)的線纜為例，對(duì)該設(shè)備的檢測(cè)方法進(jìn)行說(shuō)明。該連接線纜如圖5所示。該線纜有 3個(gè)插座，分別為 J5、J6、J7，其中 J5有 8個(gè)連接點(diǎn)，編號(hào)為1～8，J6有5個(gè)連接點(diǎn)，編號(hào)為9～13，J7有3個(gè)連接點(diǎn)，編號(hào)為14～16。對(duì)該型線纜的檢測(cè)需要完成線纜數(shù)據(jù)表的構(gòu)建、檢測(cè)電路的搭建和線纜檢測(cè)3部分工作。

圖5 連接線纜例圖

2.1 線纜數(shù)據(jù)表的構(gòu)建

線纜數(shù)據(jù)表是對(duì)該線纜連接點(diǎn)連接關(guān)系的說(shuō)明，該數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)于單片機(jī)存儲(chǔ)器中，與測(cè)量數(shù)據(jù)比較，判斷線纜的連接關(guān)系是否正確。數(shù)據(jù)表的構(gòu)建方法如下。

僅對(duì)連接點(diǎn)1施加高電平，與連接點(diǎn)1相連的連接點(diǎn)均會(huì)變?yōu)楦唠娖剑磁c連接點(diǎn)1相連的連接點(diǎn)懸空。檢測(cè)時(shí)，將線纜接入線纜檢測(cè)電路，每個(gè)連接點(diǎn)連接一個(gè)下拉電阻，未與連接點(diǎn)1相連的連接點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn)低電平。由圖5可知，與連接點(diǎn)1相連的有連接點(diǎn)9、連接點(diǎn)14，上述3個(gè)連接點(diǎn)為高電平，其余連接點(diǎn)均為低電平。將高電平表示為數(shù)字量1，低電平表示為數(shù)字量0，連接點(diǎn)1為最低位，連接點(diǎn)16為最高位，此時(shí)16個(gè)連接點(diǎn)的電平狀態(tài)可用二進(jìn)制數(shù)0010 0001 0000 0001B，即16進(jìn)制數(shù)0x2101表示。

再僅對(duì)連接點(diǎn)2施加高電平，與連接點(diǎn)2相連的連接點(diǎn)10、15為高電平，其余連接點(diǎn)為低電平，此時(shí)16個(gè)連接點(diǎn)對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)為0x4202。依此類推，計(jì)算出每個(gè)連接點(diǎn)為高電平時(shí)對(duì)應(yīng)的16進(jìn)制數(shù)，并將這些數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中。

2.2 線纜檢測(cè)電路的搭建

由上文可知，一個(gè)線纜檢測(cè)單元電路可以對(duì)8個(gè)線纜連接點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，該實(shí)例中的連接線纜共16個(gè)連接點(diǎn)，因此檢測(cè)電路需要兩個(gè)線纜檢測(cè)單元電路組成。該電路如圖6所示。

應(yīng)用中，檢測(cè)電路的插座應(yīng)與被測(cè)線纜的插座相對(duì)應(yīng)。該實(shí)例中的被測(cè)線纜有3個(gè)插座，分別為8腳的J5、5腳的J6和3腳的J7，檢測(cè)電路中也設(shè)置有對(duì)應(yīng)的插座。檢測(cè)時(shí)，將被測(cè)線纜的J5、J6和J7分別插入檢測(cè)電路的J8、J9、J10中。

2.3 線纜的檢測(cè)

數(shù)據(jù)表和檢測(cè)電路完成后，可按下列步驟對(duì)該線纜進(jìn)行檢測(cè)。

1）將線纜的插座插入線纜檢測(cè)電路的對(duì)應(yīng)插座中。

2）利用單片機(jī)使能圖6中的CD4051B芯片U3，U5無(wú)效，單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2均為低電平，使U3的X0輸出高電平，U3的X1～X7和U6的X0～X7為高阻態(tài)，即僅設(shè)置被測(cè)電纜插座J5的1腳為高電平，并保持此狀態(tài)。

圖6 線纜檢測(cè)電路實(shí)例

3）利用單片機(jī)使能74HC244芯片U4，U6無(wú)效，讀取P0口，此時(shí)讀取數(shù)據(jù)為插座J8，即線纜插座J5的8個(gè)連接點(diǎn)狀態(tài)；再使能U6，U4無(wú)效，讀取P0口，此時(shí)讀取數(shù)據(jù)為插座J9、J10，即線纜J6、J7的 8個(gè)連接點(diǎn)狀態(tài)。

4）將步驟3中前后兩次讀取的數(shù)據(jù)分別作為低位字節(jié)和高位字節(jié)組成一個(gè)字，與單片機(jī)中預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)0x2101比較，如果兩個(gè)數(shù)據(jù)相同，說(shuō)明線纜連接點(diǎn)1與其余連接點(diǎn)的連接關(guān)系正確，如果不同，說(shuō)明連接有誤。設(shè)單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)為0x1101，預(yù)存數(shù)據(jù)為0x2101，說(shuō)明連接點(diǎn)1未與連接點(diǎn)14相連，而與連接點(diǎn)13誤連。發(fā)現(xiàn)連接錯(cuò)誤后，將錯(cuò)誤信息及時(shí)上傳至上位機(jī)，通過(guò)觸摸屏給予顯示。

5）線纜連接點(diǎn)1與其他連接點(diǎn)的連接關(guān)系檢測(cè)完成后，對(duì)連接點(diǎn)2進(jìn)行檢測(cè)，只需令U3的X1為高電平，其余為高阻態(tài)，再重復(fù)步驟（2）～（4）。依此類推，完成對(duì)所有連接點(diǎn)的檢測(cè)。

3 結(jié) 論

文中研制的便攜式線纜檢測(cè)設(shè)備利用觸摸屏選擇被測(cè)線纜類型，通過(guò)單片機(jī)控制電路和線纜檢測(cè)電路對(duì)線纜進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果顯示于觸摸屏?？朔藗鹘y(tǒng)檢測(cè)方法速度慢、其他檢測(cè)設(shè)備體積大等缺點(diǎn)，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)多種線纜進(jìn)行快速的、準(zhǔn)確的檢測(cè)，極大提高了檢測(cè)效率，減少了由于連接線路錯(cuò)誤引起的事故隱患，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Design of a kind of portable cable detection device

PAN Da-wei1，3，SUN Hong-tao2，DAI Yong-shou3
（1.Shengli College，China University of Petroleum，Dongying 257061，China；2.Institute of Science and Technology，China University of Petroleum，Dongying 257061，China； 3.College of Information and Control Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Aiming at the disadvantages of low efficiency of the traditional cable detection method and large volume of the existing cable detection device，a kind of portable cable detection device is designed.The device is powered by lithium battery.Some unit circuits are combined to meet the need of different type of cables，and the cable type is selected by touch screen.The embedded development board sends the detecting instruction to the MCU control circuit to detect the cable with the cable detection circuit.The detection results are displayed on the touch screen.The equipment composition is described in detail，and the detection method is showed through an example.The field application shows that the device has the advantages of high detection speed，high accuracy rate，small volume and strong expandability.

cable detection； portable； unit circuit； touch screen

TN06

A

1674－6236（2017）17-0137-04

2016-08-05稿件編號(hào)：201608039

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（14CX02178A）

潘大偉（1979—），男，山東德州人，碩士，講師。研究方向：油田監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。