大学毕业论文---线缆测试仪.doc

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1、线缆测试仪毕业论文 线缆测试仪毕业论文题目： 线缆测试仪设计 目录1 绪论11.1线缆组试仪的设计背景11.2研究目的和意义1目的：11.3国内外现状和发展趋势21.4主要研究的内容是：22.MCU及AVR的选择 2.1 MCU的选型32.1.1单片机的类型32.1.2本系统中MCU的选择方案32.1.4单片机编译器的选择52.2 AVR单片机的优势特征62.3 AVR单片机现状32.4 AVR单片机的发展现状83. CPLD和SPI介绍83.1 CPLD的介绍83.2 SPI的介绍84系统设计134.1系统工作原理134.2 系统硬件设计144.2.1 通断测试单元通断测试原理144.2.2

2、 通断测试电路144.2.3 环路电阻，电压测试设计164.2.4 电容测试设计164.2.5 通道切换，驱动控制电路设计174.3 系统软件设计175线缆测试仪测试分析185.1线缆测试系统设计185.2 线缆测试系统结果分析195.3线缆测试系统结果总结195.4系统组成195.5硬件电路设计205.5.1线缆与单片机的接口电路205.5.2单片机与PC的USB接口电路215.5.3系统的显示设计216 线缆组测试仪的微观设计226.1 ATega32（AVR）单片机的使用226.2 外观结构设计256.3 线缆设计检测方法257 线缆测试系统故障分析287.1线缆测试系统故障分类287.

3、2线缆故障产生的原因287.3电缆故障常规探测步骤30致谢词32参考文献33附录35线缆测试仪设计【摘要】：本文简介了线缆组测试仪设计背景和意义，以及单片机与复杂可编程逻辑器件配合在现代电路设计中的应用及趋势。提到了 AVR 单片机的功能特点。线缆测试是电气柜线缆安装过程中十分重要的环节，现有的一些线缆测试手段往往难以满足电柜线缆快速测试的要求。本文根据国内外线缆 测试技术的发展及生产企业的实际要求，以单片机及其CPLD为核心，研究新型的便携式线缆测试技术，建立线缆测试系统，实现了对线缆的连通性能（通断、短路、错接）实时、高效、准确的测试。由于电缆的应用越来越广泛，电缆故障的种类越来越多，故障

4、发生的频率也越来越高，人们迫切希望一种测试精度高、测量盲区小、操简便的电缆故障测试系统的问世。设计了专用脉冲变压器用于提高脉冲能量，使回波易于识别，而且采用两个完全一样的次级绕组的形式分离了发射电路和回波接收电路，使系统的操作简单化。【关键词】：线缆组测试仪 AVR单片机 电柜;CPLD; 脉冲变压器XIThe techonology research of Testing Apparatus For Formcable 【Abstract】：The thesis introduces design background and meaning of testing apparatus for

5、 formcable, application and trend that the single-ship microcomputer cooperated with complicated programmable logic device in the modern circuit design. refers the function characteristic of AVR single-ship microcomputer . Wire test is a key part in process of installing wire in electric box. Some e

6、xisting wire test technology was developed by using AVR microcontroller and CPLD chip as hard core, and a new measure system was established. It can accurately measure the wiring specific property, such as short circuit , open circuit ,error connection at the same time. Abstract：Cable networks have

7、become larger, more complicated，and are being used for longer and longer periods of timeSo cable faults happen more quickly and frequently and the number of distinct types of cable faults has grownAs a result，a testing system with high precision，superior fault resolution and simplified operation is

8、required to ensure the smooth operation of these systemsThis system supplies five different widths of pulses to choose from during testing，which allows not only superior fault resolution but also increases test precisionIn addition，the device measuring range is increased by means of a power amplific

9、ation circuit designed specifically for increasing the strength of a narrow pulseThis allows the operator to recognize the reflection wave more easily【keyword】 Testing apparatus for formcable AVR single-shipElectric box; CPLD ；pulse transformer绪论1 绪论电缆是信息交互的主要媒质之一对整个通信系统的可靠性以及某些性能指标具有举足轻重的影响。本章首先对线缆

10、测试系统的发展作了一个简单的概述，然后介绍了它在电气柜安装布线中的应用，并分析了国内外扫频信号的研究状况，由此指出本课题的研究意义，并给出本论文的主要工作及章节安排。1.1线缆组试仪的设计背景 在现代化高度发展的今天，各行各业都在使用或寻求高科技产品，来提高其生产效率和产品质量。自动化电气传动类企业同样不例外，但该类企业在电气柜线缆安装这一环节上还未真正提高效率。因为在安装前的线缆测试需要花费一定人力和时间，有的企业可能用万用表进行测试线缆的断或短的情况，其效率可想而知；有的企业为提高效率甚至放弃这一工序，这样就失去了质量的保证。所以研制一个测试线缆好坏的仪器是很有必要的1.2研究目的和意义目

11、的：1、通过此次课程设计，使我能够把“数字电路技术”以及“单片机技术”等理论知识运用于实践，提升我的动手能力；2、掌握电路的安装和调试技术，培养自己的工程意识及科技创新精神；3、学会用计算机辅助软件对该课题进行分析、设计和仿真，并能打印出仿真图，提升计算机软件的使用能力；4、培养自己思索问题，解决问题，设计电路的能力。意义：网络管理人员可能经常会遇到网络连通方面的问题：是否由于网络整体布局不合理造成网络阻塞？是否由于网络线缆或RJ-45连接器质量不合格造成网络不通？是否由于线路意外损伤造成网络中断？或者是因为外界信号对网络干扰造成网络故障？线缆测试结束了靠猜测进行故障排除的游戏。利用线缆测试技

12、术就可以迅速地解决那些令人头疼的布线问题。现在人们已经利用线缆测试技术生产出了各种各样的线缆测试系统，并在各行各业都有广泛的应用。1.3国内外现状和发展趋势网络传输速率的提高导致了布线的变化。为适应宽带、高性能的要求，线缆标准在不断变化。现在普遍采用的电缆是5类线。今后，5类线将逐渐被5E类、6类和7类线所替换。近年来，几乎所有业主在建设计算机网络时，都已不再把自己限制在局域网范围内，通信范围也从话音、数据扩展到多媒体综合业务，综合布线工程扮演着信息高速公路最后100m的角色。生产厂商关心其布线产品的工程能否保证合格；最终使用和管理者网络管理员更关心布线系统是否能为其提供高性能、高可靠性的数据

13、传输。1.4主要研究的内容是：1.线缆数据的采集，通断测试和绝缘电阻的测试，不同的检测方法不一样，选择线缆数据的采集用什么方式采集。.线缆测试仪的控制方式设计，选择合理的设计的方式。.选择MCU控制器电路利用Proteus电路的设计及PCB图绘制第1页（共36页）MCU及AVR的选择2.MCU及AVR的选择2.1 MCU的选型 2.1.1单片机的类型 单片机的应用范围十分广泛，主要的应用领域有工业控制、仪器仪表、计算机外部设备与智能接口、商用产品、家用电器等。由于应用范围和场合的不同，MCU的选型就显得尤为重要。市面上的单片机品牌很多， 要根据不同的需要选择适合的品牌， 就需要了解许多种单片机

14、及其特点。以下是当今最流行的几种单片机： 1）8051类单片机 国内应用最广的单片机，最早由Intel推出。20世纪80年代中期，Intel公司将8051内核使用权以专利互换或出售形式转给世界许多著名的IC制造厂商，他们在保持与8051单片机兼容的基础上，改善了8051许多特性，如提高速度、提高集成度、放宽电源电压的动态范围等。 集成度、放宽电源电压的动态范围等。 2）PIC单片机 由Microchip设计生产，主要产品是16C系列8位单片机。CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，价格低，抗干扰性强。基本上都是OTP（One Time Programmable，次性烧录）产品，适于

15、用量大、档次低、价格敏感的产品。 3）Motorola单片机 Motorola是世界上最大的单片机厂商。其单片机品种全，新产品多，广泛用于汽车工业。 8位单片机有68HC05和68HC08以及增强型单片机68HC11和68HC12。 特点是抗干扰能力强， 适用于工控领域及恶劣的环境。 4）Zilog单片机 Z8单片机是Zilog公司的产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力，产品为OTP型。Z8单片机以低价位的优势面向低端应用，以18引脚封装为主。 5）AVR单片机 AVR单片机，由著名的Atmel公司设计生产，已形成系列产品。线缆测试仪设计AT90和ATMega系列分别对应低、中、高档产

16、品。AVR单片机片内资源丰富，是一种高集成度的单片机。其包括：1K128K字节可下载的Flash存储器、464K字节EEPROM、4128K字节RAM、532条通用的IO线、32个通用工作寄存器、模拟比较器、定时器计数器、可编程异步串行口、内部及外部中断、带内部晶振的可编程看门狗定时器、SPI串行口、10位AD转换器以及闲置模式和掉电模式2个可选择的省电模式等。AVR单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，即在执行前一条指令时就取出下一条指令，然后以一个周期执行指令（与DSP类似） ，是8位单片机中第一种真正的RISC单片机。AVR单片机与C语言的配合十分完美。有人将AVR单片机称为“面向C语言

17、”的单片机。 AVR单片机的程序存储空间采用Flash技术，可重复擦写1000次以上（新的AVR单片机可重复擦写10000次以上） 。而且设计者不必将单片机从系统上拆下来拿到编程器上烧录，可直接在电路板上进行在线下载（ISP） ，以实现程序修改、烧录等操作，方便产品升级。 2.1.2本系统中MCU的选择方案 线缆组测试仪系统设计的思想是以单片机为核心作为主控制器，完成对各部分（输入、输出等）的信息进行处理，要与大量的数据表(存储于内部或外部ROM/RAM)进行比较判断。以CPLD为辅助接口将信息传给单片机。且能有足够的ROM和RAM空间存贮程序和数据（不准备外扩ROM、RAM以减小对单片机的负

18、担和降低编程难度） ，所以对单片机处理速度要求快 1）方案一 采用一块高速单片机处理信息，外围加上ROM 或EEPRAM 存储大量数据信息。单片机和PLD通信的那一部分程序采用自己编程完成通信时序。这样给单片机编程带来了困难而且电路也会复杂，出错或受干扰的可能性就大。如采用8051系列单片机。 ）方案二 采用一块大容量且处理速度快的单片机，把数据和程序方在一个单片机中。而且有专用的通信接口模块，使用简单方便。这样的单片机可选PIC和AVR的。 2.1.3 MCU选型的一般原则 1) 高可靠性原则 MCU及AVR的选择工业级MCU能满足绝大多数场合，特殊场合可选用军用品；知名品牌MCU供应商的M

19、CU一般都有较好的可靠性保证。 2）合适的位数和功能 要根据计算量的大小和系统对实时性的要求。在大多数场合中，8 位机都能很好满足系统要求。尽量选用片内资源够用的MCU，使产品尽量接近“单片化” ；还要遵循够用、留有适当富裕量的原则。 3）选用主流技术、机型 要结合开发者的技术储备、现有的开发装置、库存和供货渠道等多种因素，尽量选择主流机型。选择主流机型有很多可借鉴的经验，同时它的仿真器支持应该使很完善的，开发性价比高。 4）频率选择就低的原则 大多数嵌入式应用对象有响应时间要求， 但频率不是越高越好， 还是要遵循够用就低的原则，因为过高频率可能造成不必要的干扰。 5）选用主流技术、机型 在小

20、型和便携式产品中要考虑采用小体积、微功耗MCU。 根据选项原则并结合本系统方案，可以看出片内带有通信接口模块，且容量大的单片机可以减化电路降低编程难度。这样增加了系统的可靠性，能够满足本设计的要求；而且其外围电路简单，缩短了设计周期，电路简单也是可靠性设计的一个要求。由于 AVR 单片机集成度高技术较成熟，抗干扰能力强等优点，可以在系统下载，所以在本系统中采用了AVR单片机ATMega32作为主控制器。 2.1.4单片机编译器的选择 上面已经完成了对单片机的选择，接下来就应选择合适的编译器了这也是相当重要的（选的好不好直接影响到程序的优化程度和编程时间） 。针对AVR单片机编译器的选择应看:

21、1）采用何种语言进行编程。 2）估算程序代码量的大小。 用C语言还是用汇编语言进行单片机软件开发，这是每个单片机开发者面临的问题。汇编语言作为传统嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高，容易估算执行时间等优点，但其编程效率低，且可移植性和可读性较差，维护不方便。而C语言则恰好与汇编语言相反，其可移植性和可读性强，维护方便，但是其代码效率不如汇编语言高，事先难以估算语句的执行时间。虽然使用C 语言写出的代码会比汇编语言占用的空间大一些，但由于现在单片机的程序存储空间有了较大幅度的提高，占用空间大小的差异已经不是关键。相比之下，应该更注重软件是否便于维护和移植，以及开发软件所花的时间成本的大小。因此

22、，现在大部分电子工程师会优先考虑使用语言进行嵌人式系统开发， 只有在一些对时序要求较高的场合， 才用汇编语言实现。 所以系统中对AVR单片机的编程将采用语言。 用语言进行AVR单片机开发， 常用的C编译器有ICCAVR、 GCCAVR、 Code VisionAVR、 IAR EW。便是这里有几种编译器不是完全开发的，只有GCCAVR是一款完全免费软件，不需考虑程序代码超过还能不能编译。且本系统单片机程序代码肯定超过2K，所以最后AVR编译器采用GCC编程。 2.2 AVR单片机的优势特征单片机已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域，使产品功能、精度和质

23、量大幅度提升，且电路简单，故障率低，可靠性高，成本低廉。单片机种类很多，在简易机器人制作和创新中，为什么选用AVR单片机呢？ 一、简便易学，费用低廉 首先，对于非专业人员来说，选择AVR单片机的最主要原因，是进入AVR单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习AVR单片机的开发。单片机初学者只需一条ISP下载线，把编辑、调试通过的软件程序直接在线写入AVR单片机，即可以开发AVR单片机系列中的各种封装的器件。 其次，AVR单片机便于升级。 再次，AVR单片机费用低廉。学习AVR单片机可使用ISP在线下载编程方式，不需购买仿真器、编程器、擦抹器和芯片适配器等，即可进行所有AVR单片机的开发

24、应用。程序存储器擦写可达10000次以上，不会产生报废品。二、高速、低耗、保密 首先，AVR单片机是高速嵌入式单片机： 1、AVR单片机具有预取指令功能。2、多累加器型，数据处理速度快。AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行。 3、中断响应速度快。AVR有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。 其次，AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备。有的器件最低1.8 V即可工作。 再次，AVR单片机保密性能好。它具有不可破解的位加密锁Lock Bit技术，保密位单元深藏于芯片内部，无法用电子显微镜看到。 三、I/

25、O口功能强,具有A/D转换等电路 1. AVR单片机的I/O口是真正的I/O口，能正确反映I/O口输入/输出的真实情况。工业级产品，具有大电流1040 mA,可直接驱动可控硅SCR或继电器。 2. AVR单片机内带模拟比较器，I/O口可用作A/D转换，可组成廉价的A/D转换器。ATmega48/8/16等器件具有8路10位A/D。 3. 部分AVR单片机可组成零外设元件单片机系统，使该类单片机无外加元器件即可工作，简单方便，成本又低。 4. AVR单片机可重设启动复位,以提高单片机工作的可靠性。有看门狗定时器实行安全保护,可防止程序走乱(飞),提高了产品的抗干扰能力。 四、有功能强大的定时器/

26、计数器及通讯接口 定时/计数器T/C有8位和16位,可用作比较器。计数器外部中断和PWM(也可用作D/A)用于控制输出，某些型号的AVR单片机有34个PWM，是作电机无级调速的理想器件。 AVR单片机有串行异步通讯UART接口,不占用定时器和SPI同步传输功能,因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下,而波特率可达576K。2.3 AVR单片机现状 性价比：AVR大部分型号的性价比较高，性价比表现突出的型号：第7页（共36页）atmega48、atmega8、atmega16、atmega169P 供货方面：通用型号的AVR供货较为稳定，非常规型号的AVR样品及供货仍存在问题。 市场占

27、有率：目前，AVR的市场占有率还是不如PIC与51，但，AVR的优点使得AVR的市场占有一直在扩展，AVR的年用量也一7直在上涨2.4 AVR单片机的发展现状单片机又称单片微控制器，它是把一个计算机系统集成到一个芯片上，概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。单片机技术是计算机技术的一个分支,是简易机器人的核心元件。 1997年,由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术, 共同研发出RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。回顾单片机发展史，我们看到，早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案：即采用较高的分频系

28、数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底改观。 AVR单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中（指令集中占大多数的单周期指令都是如此），取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。输出的方案。这样，既提高了指令执行速度可在晶振采用12MHz，对3种单片机完成16位与16位乘法运算做如下比较：MCS51单片机平均耗

29、时313s，AVR单片机则降为136s，而MCS96单片机16位乘法指令执行时间为625s。/AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆（32个寄存器文件）和单体高速输入计数器与分频系数的最优组合，减少了定时误差。/而且AVR单片机定格在8位机，没必要做得像16位机那样复杂。AVR单片机具有多达10位的预分频器，由软件设定分频系数，与8/16位定时器配合，可提供多种档次的定时时间。使用时可选取最接近的定时档次，即选8/16位定时器 硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机；/AVR单片机耗时为MCS96单片机的2倍，却只有MCS51单片

30、机的1/32，克服了瓶颈现象，增强了功能；又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机;而且AVR单片机定格在8位机，没必要做得像16位机那样复杂。AVR单片机具有多达10位的预分频器，由软件设定分频系数，与8/16位定时器配合，可提供多种档次的定时时间。使用时可选取最接近的定时档次，即选8/16位定时器?计数器与分频系数的最优组合，减少了定时误差。第1页（共36页）CPLD和SPI的介绍3. CPLD和SPI介绍3.1 CPLD的介绍CPLD(Complex Programmable Logi

31、c Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统.CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，

32、所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。 发展历史及应用领域:20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件-PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件-CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。器件特点：它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先

33、进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。3.2 SPI的介绍SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字

34、信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200. SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电

35、平有效的从机选择线SS(有的SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（用于单向传输时，也就是半双工方式）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。（1）SDO主设备数据输出，从设备数据输入 。（2）SDI主设备数据输入，从设备数据输出。（3）SCLK 时钟信号，由主设备产生 。（4）CS 从设备使能信号，由主设备控制。其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说

36、只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线

37、。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。在点对点的通信中，SPI接口不需要

38、进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。AT91RM9200的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO 是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统

39、中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS03接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS03，输出用于16个外设的选择。系统设计4系统设计4.1系统工作原理 线缆测试仪由MCU控制器电路、控制驱动电路、AD采集电路、通道切换电路、绝缘，环阻，电压，电容，通断测量电路、系统电源电路、显示电路、人机键盘接口电路等部分组成。线缆测试仪系统原理组成方框图如图所示。MCU系统控制单元显示电 路A/D转换绝缘测量单元被测对象通道切换单元环阻测量单元人机键盘接口电 路电压测量单元

40、电容测量单元通断测量单元驱动测量单元 线缆总体框图 MCU主控制器电路完成系统测试程序的运行控制，进行计算机控制、地址、数据命令的接收、发送、驱动控制，进行人机接口命令交互，与上位机通讯命令传送，接收与之联网的上位计算机发送的测试命令字，执行测试过程及将测试结果显示、通过串口输出上传等。 驱动控制电路完成总线信号的驱动和各种用户功能接口板的地址译码、控制、通道切换、功能实现等工作。绝缘阻抗测试单元：实现被测电缆的绝缘阻抗测试。将绝缘测试所需的高压源或标准电阻通过通道切换电路切换到相应的测量电路。 环路电阻测试单元：实现被测电缆的环路电阻测试。将环阻测试所需的电压源或标准电阻通过通道切换电路切换

41、到相应的测量电路。 通断测试单元：实现被测电缆的通断测试，以及断点位置的确定。 电压测试单元：实现被测线缆A，B线之间的电压测量。 电容测试单元：实现被测线缆A，B线之间的电容测量。 通道切换电路实现将被测电缆的被测点接通切换到相应的测试线路通道。 人机接口单元接收面板键盘的命令，完成相应的控制操作，并将信息送到LCD显示屏显示。 显示电路实现开机画面、系统主菜单、测试项目子菜单、自检和校准结果、测试结果、数据管理、电气性能参数值等显示信息。 4.2 系统硬件设计4.2.1 通断测试单元通断测试原理 测试原理：测试时向电缆一端注入低压脉冲，该脉冲沿电缆传播(传播速度与光速为同一级别)，当遇到阻

42、抗不匹配的地方，如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，反射信号回到测量点时被仪器记录下来，波形发射脉冲与反射脉冲的时间差，脉冲在电缆中的波速度v，很容易得到阻抗不匹配点距离L。4.2.2 通断测试电路 测试时通过人机键盘设置脉冲宽度，由单片机发送测试开始指令和脉宽控制字，FPGA接收到测试指令，根据脉宽控制字产生脉冲的同时开始计数，脉冲经发射电路到被测线缆。在遇到断点后，脉冲原路返回，再经过接收电路后产生下降沿，使FPGA停止计数，将计数值传给单片机，计算出断点位置后通过显示电路显示出来，MCU通过串口与PC机通信，可导出所测数据。 为防止因信号损耗过大导致回波幅值较小不易辨别，FPGA

43、产生的脉冲通过放大电路放大到+50 V；同时为了避免因测试点阻抗不平衡导致发射脉冲幅度减小，在放大电路与线缆之间加入高频脉冲隔离器，以求电路与线缆更好的耦合。在遇到断点后，脉冲原路返回，经耦合电路后再经过放大处理后，由光电隔离电路产生下降沿，传给FPGA。如图所示。第1页（共36页）收 发耦 合电 路脉冲放大电路FPGA 信 号放 大电 路光 电隔 离电 路通断测试电路 第15页（共36页）绝缘阻抗测试 绝缘电阻测量采用漏电流法测量原理，通过外加直流电压源测量无源回路的绝缘电阻。如果被测回路某一根芯线与其它芯线、电缆壳体、地绝缘，给该芯线施加直流电压，则其余芯线对地就不会有漏电流，否则，就会检

44、测到漏电电压。绝缘测试的工作原理如图所示。A/DD/A转换程控制流高压源 U Rx 控制信号 R0 U0 信号采集与调理绝缘电阻测试原理绝缘电阻：Rl=URoUo一Ro。 根据IEC61010-2001标准及测试要求，绝缘电阻的测试回路需施加3种直流电压信号(250 V，500 V，1 000 V)。直流高压源在直流控制信号的作用下，将单片机系统通过DA转换提供的0 V5 V直流信号转变成0 V1 000 V的直流高压信号。为了保障单片机系统的测量范围，同时实现绝缘电阻的全量程测量，必须采用分压网络进行量程自动切换。单片机系统发出直流信号控制开关K的动作以选中分压网络3个电阻中任一个，当回路中

45、所加直流高压信号一定时，测试回路因分压网络所选中电阻不同而分出的检测信号不一样，当检测信号低于单片机的采集范围时，分压网络向小电阻档切换；反之，向高电阻档自动转换。4.2.3 环路电阻，电压测试设计环路电阻测试，电压测试均采用与绝缘电阻测试相同的设计原理，在此不再赘述4.2.4 电容测试设计通过将电容转化为频率测试的方法来测量线对间的电容。采用555时基振荡电路。线对间电容与仪表内部电阻和555构成振荡电路，输出脉冲，通过对脉冲频率的测量，来计算电容。4.2.5 通道切换，驱动控制电路设计通道切换电路由地址译码电路、通道译码电路、驱动电路、继电器开关电路等部分组成。经测试总线送来的控制信号经译

46、码电路译码，选中相应的端口并经驱动电路放大，驱动继电器开关相应的通道接点吸合，从而将被测点切换到相应通道上。 4.3 系统软件设计 测试仪系统软件采用模块化设计。系统软件主要由用户接口管理模块、测试项目管理模块和数据管理模块组成。数据管理模块完成实时数据，告警数据的存盘及测试参数告警阀值的设定等功能。测试项目管理模块完成电缆测试仪系统自检、系统校准、被测回路的导通测试和绝缘测试等电气参数性能测试。系统软件功能如图所示。 电容测试原理 各种软件功能模块实现硬件功能板的地址识别、通道切换和程控增益控制，完成相应被测通道的测试、计算、结果判断、存储、显示、通讯、退出等功能。第1页（共36页）线缆测试仪测试分析5线缆测试仪测试分析5.1线缆测试系统设计测试原理如下图所示。为了使测试系统的应用具有广泛性，设计中采用2块CPLD，一块作为信号源，另一块作为信号采集器，被测线缆组接于2块基于CPLD的接口电路之间