基于嵌入式的電纜故障檢測儀設計

電纜是通信、測試等系統信號傳輸的重要載體，隨著(zhù)電纜數量的增多及運行時(shí)間的延長(cháng)，電纜也越來(lái)越頻繁地發(fā)生故障。電纜線(xiàn)路的隱蔽性及測試設備的局限性，使電纜故障的查找非常困難。本文設計了一種以嵌入式微處理器Nios為核心的電纜故障檢測儀，應用A／D器件和FPGA組成可變頻率的高速數據采集系統，利用低壓脈沖反射法原理來(lái)實(shí)現線(xiàn)纜的斷路、短路、斷路點(diǎn)、短路點(diǎn)的檢測與定位。該儀器可廣泛應用于通信維護、工程施工和綜合布線(xiàn)，對市話(huà)電纜、同軸電纜等各種線(xiàn)纜進(jìn)行測試和障礙維護。

　　1 系統總體結構

　　利用低壓脈沖反射法檢測電纜故障。主要原理是：向電纜發(fā)送一個(gè)電壓脈沖，當發(fā)射脈沖在傳輸線(xiàn)上遇到故障時(shí)，由于故障點(diǎn)阻抗不匹配，產(chǎn)生反向脈沖，通過(guò)計算二者的時(shí)間差△T，并分析反射脈沖的特性來(lái)進(jìn)行故障的定性與定位。該方法適用于斷線(xiàn)、接觸不良、低電阻或短路故障的測試。

　　故障點(diǎn)距離L為：L=V·△T／2。式中，V是脈沖在電纜中的傳播速度。根據反向脈沖的極性可判斷故障性質(zhì)：斷線(xiàn)或接觸不良引起的反向脈沖為正，低電阻或短路故障引起的反向脈沖為負。

　　該儀器是一個(gè)便攜式電纜故障檢測設備，可利用現代電子技術(shù)（如高速A／D技術(shù)、異步FIFO技術(shù)、現場(chǎng)可編程邏輯陣列FPGA等）來(lái)提高集成度和靈活性。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

　　脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生探測脈沖，高速的A／D轉換器對脈沖及其反射回波信號進(jìn)行采樣，使用異步FIFO作為A／D采樣數據的緩存。軟核Nios作為系統核心，控制檢測任務(wù)的啟動(dòng)和結束、脈沖發(fā)送接收模式的選擇、A／D采樣數據的處理計算、故障性質(zhì)和位置的判斷及顯示等。其中，軟核處理器和邏輯功能都是在現場(chǎng)可編程邏輯器件中編程實(shí)現的。

　　2 功能及性能指標

　　短路測試：檢測電纜芯線(xiàn)之間是否有不必要的連接及其位置。

　　斷路測試：檢測電纜中某芯線(xiàn)是否斷路及其位置。

　　顯示：顯示測試結果，即測量中開(kāi)路及短路的位置。

　　測量范圍：2～1000 m。

　　測試精度：可選擇2 m和10 m兩種精度。

　　脈沖振幅：負載開(kāi)路5 V。

　　脈沖寬度：20 ns，100 ns。

　　最大采樣速率：100 MHz。

　　波形記錄長(cháng)度：1024點(diǎn)。