一种便携式485线缆寻线仪的设计

张冉冉，王燕，吕风磊，陈晓琳，车文学，崔馨慧

摘要：本文设计了一种便携式485线缆寻线仪，包括外壳、锂电池、主控板、按键板、表笔。主控板包括锂电池充放电电路、线性稳压电路、单片机主控电路、LCD屏及背光电路、LED照明电路、蜂鸣器电路、485信号转换电路。此寻线仪具有检测速度快、方便携带、操作简单等特点，克服了传统用万用表检测485线缆耗时耗力的缺点。

关键词：RS485；寻线仪；便携式；单片机；HC32L136J8TA

中国分类号：TH865       文献标识码：A

0 引言

在供电领域，经常需要对电表通信状况进行周期巡检，以保障供电的高质量运行。电表通信最常用的通信方式是RS485通信，它具有运行稳定、通信速率高的优点[1]。但集中器与电表之间采用485总线一对多的连接方式，现场布线一般是电缆沟敷设，线缆关系错综复杂，一旦出现故障将会给电力系统造成较大经济损失。因此高效检测和准确定位线缆故障是电力系统安全稳定运行的必要保障[2]。目前常用的检测485线缆通信状态的方式是使用万用表蜂鸣档逐点检测，其查找故障难、施工成本高[3]，因此急需一种能够快速定位485通信线缆故障的专用手持设备。本文提出了一种利用单片机收发PWM（脉冲宽度调制）信号判断485线缆通信状态的仪器，该仪器便于携带，操作简单，可快速实现485线缆的通断识别。

1整体方案设计

便携式485线缆寻线仪包括外壳、锂电池、主控板、按键板、表笔。图1为寻线仪的外观。其中外壳为手持式外壳，尺寸为80mm*165mm*31mm，便于携带。寻线仪从上到下分别是外壳1、LED照明灯2、LCD点阵屏3、按键4、表笔接线孔5、表笔6。锂电池、主控板、按键板均安装于外壳内，表笔插在外壳上。主控板分别与锂电池、按键板、表笔电性连接。有两根表笔分别为A和B，可分别测量RS485线缆的A、B信号。

图1 寻线仪外观

2 寻线仪硬件设计

主控板是便携式485线缆寻线仪的核心板，如图2所示，包括锂电池充放电电路、线性稳压电路、单片机主控电路、LCD屏及背光电路、LED照明电路、蜂鸣器电路、485信号转换电路。

图2主控板的正反面

主控板使用的单片机型号为HC32L136J8TA（图3），它是一款旨在延长便携式测量系统的电池使用寿命的超低功耗、宽电压工作范围的MCU。集成12位1Msps高精度SARADC，以及集成了比较器、运放、内置高性能PWM定时器、LCD显示等丰富的通讯外设，具有高整合度、高抗干扰、高可靠性和超低功耗的特点。单片机通过和LCD屏的SDA、SCL、A0、RST、CS引脚相连实现对屏幕显示内容的控制。LCD屏的背光使用XT2016恒流芯片驱动，该恒流芯片可通过外置电阻设置电流大小[4]，电流的大小计算公式为100/R,单位为mA。蜂鸣器为BZ1，通过一颗型号为NP2303FVR的N型MOS管驱动，D2为续流二极管，R48为下拉电阻。单片机通过BZ引脚和单片机相连，控制MOS管导通与截止，从而控制蜂鸣器工作。LED灯选为1W照明灯，使用XT2016恒流芯片驱动。锂电池充电电路的核心充电控制芯片采用XT4054，通过PRG引脚设置充电电流，充电电流大小通过公式1000/R计算得出，单位mA，R单位为KΩ。图中R15为2K，经计算得出充电电流为500mA。CON5为电池接口，电池选可充电锂电池，容量为2000mAh，可实现循环充电。

图3单片机及外围电路

图4为485信号转换电路，该电路实现了单片机输出的TTL信号与485信号的转换。电路核心芯片采用YD3082，它是用于RS-485/RS-422通信的半双工通信的高速收发器，具有±15kV人体模式ESD保护以及失效保护电路，非常适合工业环境使用。图中R20、R25为限流保护电路，防止外部短路或者过压损坏芯片。MA、MB分别接到A、B表笔的接线孔，MRx、MTx、MRW分别接到单片机。MRW控制485芯片的工作模式，当MRW为高电平时，485芯片为发送模式，当MRW为低电平时，485芯片为接收模式。

图4  485信号转换电路

3 寻线仪控制逻辑设计

单片机用于控制整个仪器的工作逻辑，实现485收发模式切换，信号发射、信号分析、LCD汉字显示、控制蜂鸣器响、控制LED照明电路工作、接收用户按键事件等。

仪器可设置为两种工作模式，发信号模式和收信号模式。在现场操作时，需要两个仪器同时使用，其中一个设置为发信号模式，另外一个设置为收信号模式。两个仪器的A、B表笔分别接到485线缆末端。单片机可产生周期为3Hz占空比分别为10%、20%、30%、40%的四路PWM信号作为发射信号，通过485芯片将信号耦合到待检测485线路。在接收端根据占空比识别不同的信号以及485线路极性。在接收端收到10%的PWM代表信号1同相，在接收端收到90%的PWM代表信号1反相，同理，在接收端收到20%、80%、30%、70%、40%、60%的PWM时，分别代表信号2同相，信号2反相，信号3同相，信号3反相，信号4同相，信号4反相。同相与反向分别代表485极性的同相与反向

[5]。在接收端收不到任何信号，代表485线路断开。当检测到有信号时，单片机控制蜂鸣器发出滴滴的响声，作为提示。

单片机同时接收按键信号，执行相应的功能，调整LCD显示屏的显示内容，以实现人机交互。

4 结语

本文针对485线缆排故难，检修难的问题，提出一种便携式485线缆寻线仪，其综合运用了单片机技术实现485信号的发射与接收功能，并能识别不同占空比信号，将识别内容显示到LCD屏上。该仪器的应用大大提高了工作效率，缩短了检测时间，极大减轻了一线工作人员的劳动强度。

参考文献

[1] 刘建戈.电能表RS485多系统通信方式分析与应用[J].电测与仪表,2009,46(12A):99-101.

[2] 贾茜.便携式线缆故障检测仪设计研究[D].武汉:湖北工业大学,2016.

[3] 田建宙.电缆测试仪的设计与实现[D].太原:太原科技大学,2016.

[4] 张冀晛,杨文俊.便携式电缆测试仪设计与实现[J].工业控制计算机,2020,33(10):50-55.

[5] 韦炳佐.分布式多芯电缆测试仪研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

作者简介 【张冉冉，工程师，主要从事电力系统运行管理和电力设备自动化装置的研究。】