基于ATmegal28单片机的铁路线缆绝缘检测系统设计

摘 要 电缆在系统中占有至关重要的地位，如果出现问题将导致系统运行受到非常大的干扰，造成比较大的经济损失。需要不定期的对线路中的电缆进行检查，确定其是否有断电漏电及绝缘状况。相对人工检测而言，线缆检测系统采用ATmegal28单片机为核心部件，效率高、效果好、非常高。主要功能包括电缆是否可以通电、导线和绝缘部分的电阻大小、测量速度比较快、显示效果好，同时可以通过远程传输在电脑端可以显示检测数据，能够解决企业对现场检测的实际需求。

关键词 绝缘检测；绝缘电阻； ATmegal28单片机

中图分类号 U2 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0132-02

为了检测铁路线缆的绝缘性，保证整个铁路系统安全、可靠、优质和经济地合理地运行，线缆绝缘检测系统设计将电缆导通测量，通过电流和电压的测量，并通过运算放大电路间接地测量计算得到电阻。铁路线缆绝缘检测系统从提高测量精度、效率、节省人力等方面研究，构建起先进的检测系统，检测系统从软件和硬件两方面入手，主要通过A/D转换以及运算放大电路采集信号。而且保证线缆对地绝缘性能良好是实现铁路电气化和自动化重要而又基础性的环节。对于一个中型车站而言，其控制室所控制的区域除站场外，还包括近十公里范围的区间线路，他们之间电源及信号的传输，依靠上千根置于地沟内的电缆完成，因此，必须定期对线缆的绝缘性能进行检测。

1 绝缘电阻测试方法比较

当前绝缘电阻测试的方法主要是“加高压、测漏流”。具体归纳起来主要有以下几种：串联法测绝缘电阻、并联法测绝缘电阻、电压比法测绝缘电阻、电桥法测绝缘电阻、充放电法测绝缘电阻。

1）串联法的特点是原理简单，可靠实用Ui随 Rx的增大而减小，当Rx非常大时，Ui会变得非常小，当电压小到一定程度时，电压测量将变得比较困难，如果为了保证Ui的值为可测，则Rx会变得非常小，对精密电阻的要求就过高而不能满足，所以这种方法只能测得一定上限值的绝缘电阻，具体数值则由以上参数共同

决定。

2）并联法不适合测量值较小的绝缘电阻值，对测试精度十分重要，如果RS为一定值，则用实验的方法加以修正就可以得到正确的关系式，但如果RS为一变量则需要求得它和Rx的关系才能得到正确的关系式。另外从电路图可以看出，当Rx越小时，Ui越小，到超过测量的合适范围时所测绝缘电阻值就会有较大误差，所以此法不适合测比较小的绝缘电阻。

电压比较法的优点是可以不用求得RS，只须求得VREF和VN即可。但VREF和VN的值仍受RS影响，如果RS较小，其影响可以忽略不计。VREF为一个设定值，所以每次测量时只需测量VN即可。但RS对系统的影响比较大超过误差允许范围时，就需要每次对VREF和VN都进行测量，这样电压测量工作量增加了1倍。

测试方法比较如表1所示。

2 系统总体设计

本设计由绝缘检测电路部分、控制回路部分、信号调理电路部分、显示电路部分、通讯电路部分和调试电路部分构成，并完成系统硬件的制作。利用Atmega128为主控芯片完成对整个系统的控制。

1）选择Atmegal128单片机，在此基础之上还需要有适当的芯片才能完成整个系统的构建，首先第一部分就是需要设计高压直流电源；第二就是需要设计小电流恒流源；第三就是需要开发采样电路；第四就是需要开发出测量控制回路；第五就是需要开发出放大电路；第六就是需要设计滤波电路；第七就是需要设计显示电路；第八就是需要设计通讯电路。

2）软件主要包括各个主要功能芯片驱动程序，所有检测程序都在后台运行，只将检测结果在界面显示。

3 系统硬件设计

3.1 系统主要功能芯片的选择

ATmega128作为8位CMOS微处理器，电力消耗非常少，同时其结构特点为AVR RISC结构。在当前情况下，对单片机的性能要求变得越来越高，而AVR也做出了相应的改变，使用了Harvard结构，这是结构最大的特点就是数据是自己，同时还拥有了程序总线。运行非常高效，CPU运行过程中，会准备进行接下来的指令，这样从而只需要耗费单时钟周期运行。程序存储器的功能得到充分的扩展，可以在联网的情况下完成Flash。基于上述方面的特点，ATmega128在处理数据的过程中展现出非常高的效率，最高为1MIPS，这样可以优化能耗和性能，从而达到一种平衡。

ATmega128的程序运行稳定，不容易丢失，对于数据存储器来讲同样如此，同时还包括Flash，可以基于开发者的需求进行编辑，具体的大小为128K字节，其写擦除周期为一万次，同时系统还具备EEPROM，其具体的大小为4K字节，相对应的写擦除周期为10万次，同时系统还具备JTAG接口，这样可以非常方便的编程Flash和EEPROM，除此之外还可以非常方便的编程熔丝位和锁定位。

本系统各模块的软件驱动主要包括：LCD显示驱动、串口通讯驱动和键盘驱动。驱动接口层尽量屏蔽应用层软件对硬件的直接操作，这样可使应用软件层的设计完全面向系统功能进行考虑，为其进一步的模块化打下了良好的基础。考虑到系统功能较为复杂，应用软件部分的设计严格按照自顶向下的结构化设计思想，将问题分解成若干个相对简单的小问题，每个小问题对应1个子功能模块，对各个子功能模块分别进行程序设计。采用这种设计方法是由系统的特点决定的。软件模块主要包括各个主要功能芯片驱动程序，所有检测程序都在后台运行，只将检测结果在界面显示。

3.2 数据采集

系统的数据采集应用片内ADC转换模块，AVR单片机包括了10位多通道ADC，模拟信号经过信号调理从系统相关引脚接入。

在线缆导通电阻的测量电路中，采用恒流源给线缆导线提供恒定直流电，然后利用A/D转换器读取导线两端的压，再计算出导线的电阻值。

3.3 运算放大器

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组，音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

4 系统软件设计

本系统各模块的软件驱动主要包括：LCD显示驱动、串口通讯驱动和键盘驱动。驱动接口层尽量屏蔽应用层软件对硬件的直接操作，这样可使应用软件层的设计完全面向系统功能进行考虑，为其进一步的模块化打下了良好的基础。考虑到系统功能较为复杂，应用软件部分的设计严格按照自顶向下的结构化设计思想，将问题分解成若干个相对简单的小问题，每个小问题对应1个子功能模块，然后对各个子功能模块分别进行程序设计。采用这种设计方法是由系统的特点决定的。

5 数据分析

系统测试数据如图4。

由测试数据可知，系统的绝缘程度与电阻的阻值有关，阻值越大，系统的电压输出越小，说明系统的绝缘程度越高，越有利于绝缘程度的实现。

参考文献

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