通信電纜故障測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

李丹丹等

【摘 要】通信電纜是指用于近距音頻通信和遠(yuǎn)距的高頻載波和數(shù)字通信及信號(hào)傳輸?shù)碾娎|，是我國(guó)五大電纜產(chǎn)品之一。 它主要用于近距音頻通信和遠(yuǎn)距的高頻載波和數(shù)字通信 ，廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。如何快速準(zhǔn)確探測(cè)通信電纜故障，減少故障歷時(shí)，提高通信電纜的工作穩(wěn)定性，是當(dāng)前通信線路領(lǐng)域一項(xiàng)重要的研究課題。本文將提出電纜故障檢測(cè)儀硬件電路設(shè)計(jì)的基本方案。

【關(guān)鍵詞】通信電纜 故障 測(cè)試儀 設(shè)計(jì)

1引言

通信電纜是指用于近距離音頻通信和遠(yuǎn)距離高頻載波數(shù)字通信及信號(hào)傳輸?shù)碾娎|。廣泛應(yīng)用于通信線路傳輸、儀器儀表、電力等重要領(lǐng)域。由于多種因素可引起通信電纜發(fā)生短路、斷線等故障。如何快速準(zhǔn)確探測(cè)通信電纜故障，減少故障歷時(shí)，提高通信電纜的工作穩(wěn)定性，是當(dāng)前通信線路領(lǐng)域一項(xiàng)重要的研究課題。

2理論基礎(chǔ)部分

2.1研究背景

通信電纜在傳輸電話、有線電視線傳輸、寬帶網(wǎng)接入專用電纜、智能樓宇信息網(wǎng)、有線電話配線網(wǎng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸線及重要交通運(yùn)輸控制領(lǐng)域廣泛用。通信線路從明線發(fā)展到通信電纜，再到目前廣泛應(yīng)用的光纜，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。從目前的發(fā)展趨勢(shì)可見，光纜仍然沒(méi)有全部取代通信電纜，通信電纜與光纜混合使用更為合理，其中用戶對(duì)稱電纜和射頻同軸電纜在通信接入網(wǎng)中的使用尤其廣泛。合理的使用通信電纜和光纜能夠提高信息傳輸質(zhì)量和擴(kuò)大數(shù)據(jù)的流量。

2.2通信電纜故障種類

接地故障，通信電纜傳輸線芯與地連接。通常接地電阻小于100歐姆的為低阻接地故障，大于100歐姆的為高阻接地故障。

短路故障，通信電纜傳輸線芯發(fā)生短接。通常電阻在小于100歐姆的為低阻短路故障，大于100歐姆的為高阻短路故障。 斷線故障，通信電纜線芯斷開。

閃絡(luò)故障，電纜絕緣層承受過(guò)電壓信號(hào)，導(dǎo)致暫時(shí)性擊穿，最終導(dǎo)致造成絕緣層破損.

2.3故障點(diǎn)及故障性質(zhì)確定

確定電纜故障類型的方法是用兆歐表在線路一端測(cè)量各相的絕緣電阻及對(duì)地絕緣電阻。一般根據(jù)以下情況確定故障類型：

（1）當(dāng)測(cè)到電纜一芯或幾芯對(duì)地絕緣電阻，或線間絕緣電阻低于100 Ω時(shí)，為低電阻接地或短路故障。

（2）當(dāng)測(cè)到電纜一芯或幾芯對(duì)地絕緣電阻，或線間絕緣電阻低于正常值很多，但高于100 Ω時(shí)，為高電阻接地故障。

（3）當(dāng)測(cè)到電纜一芯或幾芯對(duì)地絕緣電阻較高或正常，應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)體連續(xù)性試驗(yàn)，檢查是否有斷線，若有即為斷線故障。

（4）當(dāng)測(cè)到電纜有一芯或幾芯導(dǎo)體不連續(xù)，且低電阻接地時(shí)， 為斷線并接地故障。

（5）閃絡(luò)性故障多發(fā)生于預(yù)防性耐壓試驗(yàn)，發(fā)生部位大多在電纜終端和中間接頭。閃絡(luò)有時(shí)會(huì)連續(xù)多次發(fā)生，每次間隔幾秒至幾分鐘。

3系統(tǒng)方案確定

3.1故障的測(cè)試方法

3.1.1二次脈沖法

在故障點(diǎn)起弧的瞬間通過(guò)內(nèi)部裝置觸發(fā)發(fā)射一低壓脈沖，此脈沖在故障點(diǎn)閃絡(luò)處（電弧的電阻值很低）發(fā)生短路反射，并將波形記憶在儀器中，電弧熄滅后，重新發(fā)一正常的低壓測(cè)量脈沖到電纜中，此低壓脈沖在故障處（高阻）沒(méi)有擊穿產(chǎn)生通路，直接到達(dá)電纜末端，并在電纜末端發(fā)生開路反射，將兩次低壓脈沖波形進(jìn)行對(duì)比，非常容易判斷故障點(diǎn)（擊穿點(diǎn)）位置。儀器可自動(dòng)匹配，自動(dòng)判斷計(jì)算出故障點(diǎn)距離。

3.1.2閃測(cè)法

分為高壓直流閃測(cè)法和沖擊閃測(cè)法，分別測(cè)試間歇故障及高阻故障，.電壓取樣法可測(cè)率高，波形清晰易判，盲區(qū)比電流法少一倍，但接線復(fù)雜，分壓過(guò)大時(shí)對(duì)人及儀器有危險(xiǎn)。電流取樣法正好相反，接線簡(jiǎn)單，但波形干擾大，不易判別盲區(qū)大。

我們?cè)O(shè)計(jì)的檢測(cè)儀主要實(shí)現(xiàn)功能是檢測(cè)1芯至10芯電纜的各芯線的通斷及各芯線之間的絕緣情況?？梢圆捎酶邏和ㄟ^(guò)電纜，通過(guò)電纜的信號(hào)輸出來(lái)確定電纜的通斷情況，對(duì)于絕緣情況則是通過(guò)相鄰電纜的信號(hào)輸出情況來(lái)判斷，所以本電路采用閃測(cè)法。

3.2電纜測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

我們采用主從控制器檢測(cè)電纜。用主控制器產(chǎn)生電壓，從控制器進(jìn)行電壓檢測(cè)，主從控制器通過(guò)電纜相連接，從而達(dá)到對(duì)電纜的檢測(cè)。

若施加電壓的芯線上電壓達(dá)到預(yù)定值則說(shuō)明該線導(dǎo)通情況良好；若其它芯線上電壓低于限定電壓則說(shuō)明絕緣良好。

3.2.1主控制器

單片機(jī)最小系統(tǒng)為本系統(tǒng)的控制核心。為了保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，我們購(gòu)買了單片機(jī)最小系統(tǒng)板K60 系列的MK60FX512ZVLQ15。這個(gè)最小系統(tǒng)板引出了其幾乎所有功能引腳，板上自帶晶振電路、復(fù)位電路、單片機(jī)電源電路，指示燈[4]。

（1）電壓產(chǎn)生電路。高壓產(chǎn)生電路主要用于產(chǎn)生100～200V的高壓，以提供檢測(cè)絕緣電阻所需的電壓。從實(shí)際出發(fā)我們用開關(guān)電源替代高壓產(chǎn)生電路，達(dá)到電路穩(wěn)定的效果。我們?cè)趯?shí)際中采用了WD990微機(jī)電源。用正弦信號(hào)發(fā)生器電路產(chǎn)生了1000hz的交流信號(hào)。

（2）高壓檢測(cè)電路。檢測(cè)200V的高壓是否正常，就要用到了高壓檢測(cè)電路。此電路為單片機(jī)提供了自檢信號(hào)，用大液晶顯示，基準(zhǔn)電壓是3.3V。高壓檢測(cè)電路由電阻R3～R15、比較器U1（TL062）：A和U1：B組成。R3、R4、W1組成分壓電路，根據(jù)高壓值產(chǎn)生5.1V的電壓，以便與5.1V的基準(zhǔn)電平（分別由+24V通過(guò)R5、R6和W2分壓形成）比較，判斷高壓是否正常：正常情況下比較器U1：A和U1：B均應(yīng)輸出低電平；高壓過(guò)低則U1：A輸出變高，高壓過(guò)高則U1：B輸出變高。這樣k60單片機(jī)通過(guò)其P2.3的電平即可判斷出高壓是否正常。其中TL062利用一個(gè)電壓跟隨器和一個(gè)反向器將-12V轉(zhuǎn)換為正電壓（4V左右）之后送給單片機(jī)，從而達(dá)到對(duì)電壓檢測(cè)的功能。該電路利用多個(gè)檢測(cè)電路對(duì)+200V、+24V、+19V、+12V、-12V電壓進(jìn)行了檢測(cè)，從而使電路能夠正常工作。

（3）繼電器組。繼電器組的主要功能是將高壓加到某一路芯線上，以檢測(cè)該芯線的通斷及與其它芯線的絕緣情況。主控制器上共有8個(gè)繼電器，它們的一端通過(guò)隔離電阻R2（1K）接到高壓上，常開觸點(diǎn)分別與被測(cè)電纜的各芯線連接。每個(gè)繼電器的線圈兩端并聯(lián)1個(gè)二極管，其作用在于防止繼電器釋放時(shí)線圈兩端產(chǎn)生很高的電動(dòng)勢(shì)，損壞繼電器驅(qū)動(dòng)電路。繼電器組電路如圖1所示：

（4）繼電器控制電路。繼電器控制電路的主要功能是通過(guò)4個(gè)IO口選擇并驅(qū)動(dòng)繼電器吸合。（U4～U8為繼電器選擇電路）U4～U8由k60單片機(jī)控制，通過(guò)4個(gè)IO口輸出的高低電平控制74LS138再通過(guò)74LS138進(jìn)而控制7407經(jīng)驅(qū)動(dòng)后使對(duì)應(yīng)的繼電器吸合。

（5）通信電路。通信電路的作用是以串行方式與從控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用NRF2401接口，主從機(jī)分別有一個(gè)NRF接口。采用單片射頻收發(fā)芯片NRF2401，通信的低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。NRF的驅(qū)動(dòng)器擺率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。這些收發(fā)器在驅(qū)動(dòng)器禁用的空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120A 至500A 之間。

NRF芯片在2.4Ghz 全球開放ISM 頻段免許可證使用，最高工作速率2Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合，內(nèi)置2.4Ghz 天線，體積小巧15mm X29mm，模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示），可直接接各種單片機(jī)使用，軟件編程非常方便，內(nèi)置專門穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC 開關(guān)電源均有很好的通信效果，具有可選的內(nèi)置包應(yīng)答機(jī)制，極大的降低丟包率。

（6）+5V電源。+5V電源采用了WD990微機(jī)電源。

3.2.2 從控制器

從控制器包括單片機(jī)、顯示電路、通信電路、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)選擇電路、信號(hào)檢測(cè)電路等。

（1）整流電路。整理電流的作用是將檢測(cè)到的電纜輸出的交流信號(hào)，轉(zhuǎn)化成直流形式，然后經(jīng)過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能夠識(shí)別的信號(hào)。主要由二極管，穩(wěn)壓管，電容以及電阻構(gòu)成。

（2）信號(hào)檢測(cè)電路。信號(hào)檢測(cè)電路的作用在于檢測(cè)信號(hào)選擇電路送來(lái)的電壓信號(hào)，從而判斷出電纜芯線的到同情況以及其它芯線的絕緣情況。通過(guò)交流信號(hào)接整流電路，輸出2，5v左右直流信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)比3和0來(lái)識(shí)別電路的通斷。單片機(jī)輸出，經(jīng)過(guò)138譯碼器和緩沖器選擇各路狀態(tài)，單片機(jī)顯示電纜號(hào)、測(cè)定通路、斷路、短路，以及對(duì)應(yīng)的短路號(hào)。

3.3 尋跡

尋跡器的信號(hào)源，音頻信號(hào)振蕩器的振蕩頻率約1kHz。音頻信號(hào)振蕩器的輸出端接有一只電感，其作用是防止測(cè)試過(guò)程中發(fā)生探頭短路而損壞555電路。音頻信號(hào)輸出端連接一只信號(hào)輸出插孔CKl，用來(lái)與被測(cè)電纜的芯線連接，以便輸出測(cè)試信號(hào)。運(yùn)算放大器Al組成一個(gè)電壓跟隨器。運(yùn)算放大器A2與R7～Rll及C5～C8組成四階有源高通濾波器，它的截止頻率約1kHz，用來(lái)濾除50Hz的交流信號(hào)。運(yùn)算放大器A3組成一級(jí)信號(hào)放大器，將有源濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、輸出后通過(guò)一只晶體式耳機(jī)放出。信號(hào)放大器的放大倍數(shù)由R12與R13的比值確定，約為34dB。

該儀器在使用時(shí)，首先將被測(cè)電纜的一端用插頭連接至CKl，將測(cè)試探頭插入CK2，然后使測(cè)試探頭沿電纜線移動(dòng)。當(dāng)電纜線完好時(shí)，音頻振蕩器輸出的信號(hào)通過(guò)電纜線與探頭之間的分布電容進(jìn)入放大器，使耳機(jī)發(fā)聲。一旦耳機(jī)發(fā)聲停止，說(shuō)明電纜已斷，探頭所在處便是它的斷點(diǎn)。

4方案分析討論及合理改進(jìn)方向

經(jīng)過(guò)實(shí)際電路的測(cè)試發(fā)現(xiàn)高壓產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且最終輸出的電壓被電路實(shí)際應(yīng)用的必須經(jīng)過(guò)電阻隔離才能送給電路，電壓輸出實(shí)際為200V利用開關(guān)電源可直接實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生200V電壓。方法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，所以在后期電路設(shè)計(jì)過(guò)程中我們將高壓產(chǎn)生電路改為200V開關(guān)電源，整體電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多路電纜的檢測(cè)是否有斷點(diǎn)，以及電纜的絕緣情況，但是沒(méi)有對(duì)于電纜的類型的判定，不能對(duì)電纜進(jìn)行高精度的檢測(cè)，在下一步設(shè)計(jì)過(guò)程中我們要合理設(shè)計(jì)方案，增強(qiáng)電路的功能，使其更好的解決電纜存在的問(wèn)題，使其功能更加完善，更好的為工程領(lǐng)域發(fā)揮作用，更好的解決實(shí)際問(wèn)題。

5結(jié)語(yǔ)

本方案采用閃測(cè)法診斷電纜的故障，成功解決了多芯電纜檢測(cè)中的下列技術(shù)難點(diǎn)：①多芯電纜快速檢測(cè)技術(shù)；②潛在電纜故障預(yù)測(cè)技術(shù)；③高精度電纜故障點(diǎn)定位技術(shù)；④多路模擬開關(guān)切換技術(shù)。隨著多芯電纜在武器裝備以及其他民用器件中應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)其安全性和可靠性的要求也越來(lái)越高。本檢測(cè)儀對(duì)提高大型裝備的整體可靠性和減少電纜資源的浪費(fèi)意義重大，有著廣泛的應(yīng)用前景。

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