CN206891372U - 一种便携式电力电缆长度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种便携式电力电缆长度测量装置，包括ARM处理器、测量脉冲发生单元和模拟开关；ARM处理器内部设置有定时计算器单元，测量脉冲发生单元包括RS触发器和单刀双掷按键开关；测量脉冲发生单元的输出端还和ARM处理器的第二外部中断口INT1相连接；模拟开关的第一控制电平输入端IN1与ARM处理器的IO相连接；模拟开关的第一公共端为电缆长度测量装置的测试接触端。本实用新型具有数字化程度高、电路结构简单、便于调试、开发成本低，并且测量精度较高的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一电力电缆长度测量装置，具体是一种基于单片机控制器的电缆长度测量装置，属于电力检修仪器设计开发领域。
背景技术
电缆是电力系统不可缺少的基础设施。在电力设施设备检修过程中不可避免的要进行电缆长度检测，例如在电力传输中断等故障的检修中往往需要检测电缆断点位置，这就需要借助电缆长度检测装置。
现有技术中传统的电力电缆测量仪器往往采用电阻电桥法实现测量，电阻电桥法基于经典的惠斯顿电桥定理，通过测量电缆的电阻值测量电缆长度。电阻电桥法的优点是原理简单、测量准确度高。
但是基于电阻电桥法的测量装置的电路组成通常比较复杂，它由壳体及控制电路构成.控制电路包括安装在壳体表面的液晶显示模块、功能选择旋钮、测量表插孔、电源开关，控制电路还包括安装壳体内的长度测量模块、电压测量模块、二极管测量模块、电阻测量模块、AD转换模块及电源模块；长度测量模块、电压测量模块、二极管测量模块、电阻测量模块分别与测量表插孔连接，长度测量模块、电压测量模块、二极管测量模块、电阻测量模块均连接至功能选择旋钮，功能选择旋钮输出端连接至加转换模块，AD转换模块的输出端连接至液晶显示模块，电源模块为控制电路提供工作电压，在壳体表面设置电源开关。可见现有技术中广泛使用的基于电阻电桥法的测量装置存在数字化程度低、整机电路结构复杂、使用器件数量大、开发成本高的缺陷。
实用新型内容
针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是：怎样提供一种数字化程度高、整机电路结构简单、使用器件数量少、开发成本小的基于脉冲反射法的便携式电力电缆长度测量装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。
一种便携式电力电缆长度测量装置，其特征在于：包括ARM处理器、测量脉冲发生单元和模拟开关；
所述模拟开关具有第一控制电平输入端IN1、第二控制电平输入端IN2、第一公共端COM1、第二公共端COM2、第一常开触头NO1、第二常开触头NO2、第一常闭触头NC1和第二常闭触头NC1；所述模拟开关为NLAS5223型芯片；
所述ARM处理器内部设置有定时计算器单元；所述ARM处理器具有第一外部中断口INT0和第二外部中断口INT1；所述ARM处理器为S3C2410型芯片；
所述测量脉冲发生单元包括：RS触发器和单刀双掷按键开关，RS触发器的置位端与单刀双掷按键开关的第一固定端相连接，RS触发器的复位端与单刀双掷按键开关的第二固定端相连接，单刀双掷按键开关的活动端接地，RS触发器的置位端和复位端均与电源正极VCC相连接，RS触发器的信号输出端为测量脉冲发生单元的输出端；所述RS触发器为74LS29型集成RS触发器芯片；
所述测量脉冲发生单元的输出端与模拟开关的第一常闭触头NC1相连接；所述模拟开关的第一常开触NO1与运算发大器的正输入端相连接；运算放大器的负输入端通过第一电阻R1与电源正极相连接，运算放大器的负输入端通过第二电阻R2与地相连接；运算放大器的输出端与ARM处理器的第一外部中断口INT0相连接；
所述测量脉冲发生单元的输出端还和ARM处理器的第二外部中断口INT1相连接；所述模拟开关的第一控制电平输入端IN1与ARM处理器的IO相连接；
所述模拟开关的第一公共端COM1为电缆长度测量装置的测试接触端。
进一步的，所述ARM处理器还和LCD显示屏相连接，LCD显示屏用于显示被测电缆长度。
相比现有技术，本实用新型具有如下优点：
本实用新型系统电路核心单元只包括ARM处理器、RS触发器芯片和模拟开关芯片，其中ARM处理器是功能强大的数字处理器，RS触发器芯片和模拟开关芯片的相关应用电路结构也比较简单；与现有技术中广泛采用的基于电阻电桥法的测量装置使用大量模拟电路实现测量的方案相比，本实用新型数字化程度高，并且使用器件数量少、便于调试，开发成本低；并且由于目前ARM处理器大都可以在200MHz左右的较高工作频率下运行，而本实用新型中测量的精度是受限于处理器工作频率的，因此本实用新型在简化电路结构的条件下也能保证足够的测量精度。综上，本实用新型具有数字化程度高、电路结构简单、便于调试、开发成本低，并且测量精度较高的优点。
附图说明
图1为本实用新型的电路结构图；
图2为本实用新型中模拟开关NLAS5223型芯片的内部结构及功能特点
示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，一种便携式电力电缆长度测量装置，包括ARM处理器、测量脉冲发生单元和模拟开关三大核心单元。
ARM处理器采用S3C2410型处理器实现，S3C2410处理器是Samsung公司出产的基于ARM公司ARM920T的处理器核，采用FBGA封装，0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。该芯片内部功能单元包括：(A)4个PWM定时器和一个内部定时器。(B)看门狗定时器。(C)117个通用I/O。(4)56个中断源。(D)24个外部中断。其他并非本实用新型解决其技术问题所必须单元这里不一一罗列。S3C2410处理器具体包括两种具体型号的芯片：S3C2410A-20和S3C2410A-26，区别在于前者工作主频最高为200MHZ、后者工作主频最高为266MHZ。
测量脉冲发生单元主要采用74LS29型集成RS触发器芯片实现，74LS29型集成RS触发器芯片是一款成熟的中规模数字集成电路，内部含有两个RS触发器模块，每个RS触发器模块具有一个置位端(即置1端)、一个复位端(即置0端)、一个信号输出端和一个信号输出反端。
如图2所示，模拟开关采用NLAS5223型芯片实现，NLAS5223型芯片内部含有两个单刀双掷模拟开关器件。具有第一控制电平输入端IN1、第二控制电平输入端IN2、第一公共端COM1、第二公共端COM2、第一常开触头NO1、第二常开触头NO2、第一常闭触头NC1和第二常闭触头NC1；当第一控制电平输入端IN1上出现低电平时，第一公共端COM1与第一常闭触头NC1连通，两端头之间可以传输模拟信号，同时，第一公共端COM1与第一常开触头NO1之间切断，不能传输信号；相反的，当第一控制电平输入端IN1上出现高电平时，第一公共端COM1与第一常开触头NO1连通，两端头之间可以传输模拟信号，同时，第一公共端COM1与第一常闭触头NC1之间切断，不能传输信号。另一个内部单刀双掷模拟开关器件工作原理相同，此处不再赘述。
本使用新型具体电路结构如下：
测量脉冲发生单元主要用于发射测试用单脉冲信号，它包括RS触发器和单刀双掷按键开关。RS触发器的置位端与单刀双掷按键开关的第一固定端相连接，RS触发器的复位端与单刀双掷按键开关的第二固定端相连接，单刀双掷按键开关的活动端接地，RS触发器的置位端和复位端均与电源正极VCC相连接，RS触发器的信号输出端为测量脉冲发生单元的输出端。测量脉冲发生单元的输出端与模拟开关的第一常闭触头NC1相连接；测量脉冲发生单元的输出端还和ARM处理器的第二外部中断口INT1相连接。模拟开关的第一常开触NO1与运算发大器的正输入端相连接；运算放大器的负输入端通过第一电阻R1与电源正极相连接，运算放大器的负输入端通过第二电阻R2与地相连接。运算放大器的输出端与ARM处理器的第一外部中断口INT0相连接；模拟开关的第一控制电平输入端IN1与ARM处理器的IO相连接；模拟开关的第一公共端COM1为电缆长度测量装置的测试接触端。ARM处理器还和LCD显示屏相连接，LCD显示屏用于显示被测电缆长度。
本实用新型的工作原理和使用方法如下：
本实用新型实现电缆长度测量的基本原理和手段是：向被测电力电缆中注入低压脉冲，当脉冲信号遇到阻抗不匹配点(即电缆终点或者开路端)时会反射一个脉冲信号(当然它是一个不规则的脉冲信号)，通过处理器采集上述不规则的脉冲信号，便可以计算出发射脉冲与反射的不规则的脉冲信号的往返时间差，再结合脉冲在特定电缆中传播的波速度，便可计算出阻抗不匹配点与测试点之间的电缆长度。也就能找出电缆开路故障点离测试点之间的距离。综上，本实用新型的测量原理可以总结为：发射一个单脉冲，接收反射的单脉冲，计算出发射脉冲和反射脉冲之间的时间差T，那么T/2即是脉冲在被测电缆中由测试点传输至电缆终点或者开路端所需要的时间。显而易见的，再结合脉冲在特定电缆中传播的波速度，便可计算出阻抗不匹配点与测试点之间的电缆长度，完成测量。那么本实用新型所要解决的技术问题便是如何利用具体的电路器件、电路器件内设的硬件单元和电路器件之间的电路连接关系实现：产生并发送测量用单脉冲；接收并处理反射脉冲使其能够被数字处理器处理；测量发射单脉冲和发射的单脉冲之间的时间差。
(1)测量用单脉冲的产生和发送
单刀双掷按键开关是一种具有弹性按键工作特点的单刀双掷开关，没有被按动时活动端与第二固定端稳定接触，被按下后活动端与第一固定端稳定接触，松开后活动端又回复到与第二固定端稳定接触。因此当单刀双掷按键开关没有被按下时RS触发器的置位端获得的电平为高电平，RS触发器的复位端获得的电平为低电平(RS触发器的置位端和复位端均以低电平为有效信号)，此时，RS触发器的信号输出端输出低电平，当单刀双掷按键开关被按下后，显然的RS触发器的信号输出端输出高电平，并且随着松开后活动端又回复到与第二固定端稳定接触，RS触发器的信号输出端输出的高电平消失，因此，综上，单刀双掷拨码开关被按下一次，RS触发器的信号输出端发送出一个单次脉冲。
测量脉冲发生单元产生的单次脉冲传输至模拟开关的第一常闭触头NC1，当第一控制电平输入端IN1上出现低电平时(该低电平由ARM处理器的IO发送)，第一公共端COM1与第一常闭触头NC1连通，两端头之间可以传输模拟信号，同时，第一公共端COM1与第一常开触头NO1之间切断，不能传输信号，此时测量脉冲发生单元产生的单次脉冲便能够传输至模拟开关的第一公共端COM1(也是电缆长度测量装置的测试接触端)。本实用新型被具体使用时，将电缆长度测量装置的测试接触端与被测电缆稳固电连接，因此测量脉冲发生单元产生的单次脉冲便能够注入到被测电缆中，并且在被测电缆中传播。当这个单次脉冲信号(称为发射脉冲)遇到阻抗不匹配点(即电缆终点或者开路端)时会反射一个不规则的脉冲信号(这里把它也称为反射脉冲)。
(2)反射脉冲的接收和处理
本实用新型被具体使用时，将电缆长度测量装置的测试接触端与被测电缆稳固电连接，因此反射脉冲也将通过电缆长度测量装置的测试接触端进入本实用新型电路中，此时当模拟开关的第一控制电平输入端IN1上出现高电平时，第一公共端COM1与第一常开触头NO1连通，两端头之间可以传输模拟信号，同时，第一公共端COM1与第一常闭触头NC1之间切断，不能传输信号，显然此时，反射脉冲经模拟开关的第一常开触头NO1进入运算发大器的正输入端。当然模拟开关的第一控制电平输入端IN1上的高电平还是需要由ARM处理器的IO在发射脉冲发出后即行发送(通常脉冲往返时间在几十至几百纳秒之间，因此必须在反射脉冲达到前发送该高电平)。
显然，送入运算放大器的反射脉冲是一个不规则的脉冲信号，ARM处理器是不能直接处理的，因此需要进行处理，将信号规则化，运算放大器就充当了这一信号规则化处理的作用，显然根据前述电路结构，运算放大器被设置为一个比较器，不规则的反射脉冲由运算发大器的正输入端进入，运算放大器的负输入端电压为比较参考电压，该参考电压由第一电阻R1和第二电阻R2的比值决定，发射脉冲电压大于参考电压的部分经比较输出高电平，反之输出低电平，运算放大器输出一个规则的数字脉冲信号，这在很多测量领域均会使用类似手段得到规则的脉冲信号，这里不再赘述。
(3)利用数字处理器内部硬件单元和外部电路连接关系测量发射单脉冲和发射的单脉冲之间的时间差。
本实用新型是基于以下处理器内部硬件单元情况和硬件连接关系实现的时间差测量：
测量脉冲发生单元的输出端还和ARM处理器的第二外部中断口INT1相连接；运算放大器的输出端与ARM处理器的第一外部中断口INT0相连接；ARM处理器S3C2410型芯片具有内部定时单元(是一个可以通过外部中断口控制启动或者停止的计数器单元)。
测量脉冲发生单元的输出端通过模拟开关向被测电缆发射测试脉冲的同时，也将该测试用单次脉冲发送至ARM处理器的第二外部中断口INT1，ARM处理器的第二外部中断口INT1接收到该单次脉冲后启动ARM处理器内部定时单元开始计数。第二外部中断口INT1成为ARM处理器内部定时单元的计数的计数启动端。(具体软件编程时，可以通过中断服务函数实现外部中断口控制内部计数器工作的启动或者停止，当然实现上述控制的方法不至中断函数法，即使是采用普通IO口也可以实现上述控制，为了让原理阐述更加清楚，这里作以上编程说明，但这不属于本实用新型改进之处，因此具体编程方法不再赘述)。
当然，被计数的CP脉冲信号为ARM处理器内部工作时钟(内部工作时钟主频最高为200MHZ或者266MHZ)，以200MHZ的工作主频为例，对应的时钟周期t为5ns，也即是内部定时计数器以5ns的周期信号为计数对象开始定时计数。计数初值可以设定为0。
由以上分析可知道，本实用新型中处理器工作主频越高，测量精度便越高，这也是选择ARM处理器而非普通单片机的原因，例如51单片机中,主频为6MHZ。也正因如此，本实用新型相比采用FPGA实现测量的方案也更优，FPGA虽然可以把RS触发器等模块集成在内，但其完成数值的计算与转换显示方面编程灵活性和简单程度远不及ARM处理器。
当被测电缆中反射回一个脉冲时，该反射脉冲经由运算放大器处理后成为一个规则的数字脉冲信号(单次脉冲)被发送至ARM处理器的第一外部中断口INT0，ARM处理器的第一外部中断口INT0接收到该单次脉冲后停止ARM处理器内部定时单元的计数工作，第一外部中断口INT0成为ARM处理器内部定时单元的计数的计数停止端，内部定时计数器停止计数后便会保存下一个当前计数值，这里记作CNT，那么从定时计数器开始计数到停止计数之间的时间差T＝(CNT－0)×t，其中t为5ns。
显然，定时计数器开始计数到停止计数之间的时间差是也即是发射脉冲和反射脉冲之间的时间差T，那么T/2即是脉冲在被测电缆中由测试点传输至电缆终点或者开路端所需要的时间。
而脉冲在电缆中的传播速度V则由光速、电缆绝缘材料的相对介电系数和相对导磁系数决定。综上被测电缆长度S＝V×T/2。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种便携式电力电缆长度测量装置，其特征在于：包括ARM处理器、测量脉冲发生单元和模拟开关；
所述模拟开关具有第一控制电平输入端IN1、第二控制电平输入端IN2、第一公共端COM1、第二公共端COM2、第一常开触头NO1、第二常开触头NO2、第一常闭触头NC1和第二常闭触头NC1；所述模拟开关为NLAS5223型芯片；
所述ARM处理器内部设置有定时计算器单元；所述ARM处理器具有第一外部中断口INT0和第二外部中断口INT1；所述ARM处理器为S3C2410型芯片；
所述测量脉冲发生单元包括：RS触发器和单刀双掷按键开关，RS触发器的置位端与单刀双掷按键开关的第一固定端相连接，RS触发器的复位端与单刀双掷按键开关的第二固定端相连接，单刀双掷按键开关的活动端接地，RS触发器的置位端和复位端均与电源正极VCC相连接，RS触发器的信号输出端为测量脉冲发生单元的输出端；所述RS触发器为74LS29型集成RS触发器芯片；
所述测量脉冲发生单元的输出端与模拟开关的第一常闭触头NC1相连接；所述模拟开关的第一常开触NO1与运算发大器的正输入端相连接；运算放大器的负输入端通过第一电阻R1与电源正极相连接，运算放大器的负输入端通过第二电阻R2与地相连接；运算放大器的输出端与ARM处理器的第一外部中断口INT0相连接；
所述测量脉冲发生单元的输出端还和ARM处理器的第二外部中断口INT1相连接；所述模拟开关的第一控制电平输入端IN1与ARM处理器的IO相连接；
所述模拟开关的第一公共端COM1为电缆长度测量装置的测试接触端。
2.根据权利要求1所述的一种便携式电力电缆长度测量装置，其特征在于：其特征在于：所述ARM处理器还和LCD显示屏相连接，LCD显示屏用于显示被测电缆长度。
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