基于TDR多芯信號(hào)電纜故障測(cè)試裝置的研制*

呂 瀚 吳雄偉 關(guān)偉智 吳林斌

(中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071)

基于TDR多芯信號(hào)電纜故障測(cè)試裝置的研制*

呂 瀚 吳雄偉 關(guān)偉智 吳林斌

(中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071)

介紹一種基于時(shí)域脈沖反射(TDR)的多芯電纜故障測(cè)試裝置。使用C8051F005單片機(jī)為處理核心，控制CPLD向電纜注入脈沖信號(hào)，通過(guò)雙機(jī)聯(lián)測(cè)的方式在電纜兩端點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，可快速判斷電纜短接，混接以及芯線斷線等故障以及故障點(diǎn)的位置，故障位置定點(diǎn)可精確到5 m以內(nèi)，該裝置設(shè)計(jì)成本低廉，操作方便，具有良好的應(yīng)用前景。

時(shí)域脈沖反射(TDR);多芯電纜;雙機(jī)聯(lián)測(cè);斷路;短路

1 引言

多芯電纜是工程應(yīng)用中常用的電信號(hào)傳輸介質(zhì)，由于芯數(shù)較多，電纜結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，在鋪設(shè)安裝過(guò)程中極易出現(xiàn)線芯斷裂，在裝配焊接過(guò)程中也容易出現(xiàn)短路，芯線錯(cuò)位等故障。為了保證通訊電纜的正常工作，在電纜施工安裝完成后需進(jìn)行各項(xiàng)故障測(cè)試，排除短、斷路以及芯線錯(cuò)位等故障。傳統(tǒng)的多芯電纜故障檢測(cè)主要采用萬(wàn)用表、示波器等通用設(shè)備進(jìn)行人工檢測(cè)，耗時(shí)、周期較長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)素質(zhì)的要求較高;而專用的電纜檢測(cè)設(shè)備可以較精確的判斷單芯電纜斷線、短路等故障，但價(jià)格昂貴，對(duì)多芯電纜的測(cè)量操作過(guò)程較為繁瑣。

本文介紹一種基于時(shí)域脈沖反射(TDR)的測(cè)試裝置，通過(guò)雙機(jī)聯(lián)測(cè)的方式，可以快速地檢測(cè)出多芯電纜的芯線配對(duì)錯(cuò)位、短路，斷路等故障，并能較為準(zhǔn)確地確定電纜的故障點(diǎn)。

2 測(cè)試原理

根據(jù)電磁波理論，電脈沖信號(hào)在電纜中傳輸?shù)倪^(guò)程中，若傳輸介質(zhì)出現(xiàn)突變(電纜短路、斷路故障點(diǎn))，脈沖信號(hào)將在突變處發(fā)生反射［1］，反射系數(shù)可由

計(jì)算。式中，Zi為電纜線路障礙點(diǎn)的輸入阻抗，Zc為電纜線路的特性阻抗。當(dāng)線路出現(xiàn)斷路時(shí)，輸入阻抗趨向于無(wú)窮大，由式(1)可得，反射系數(shù)ρ=1，此時(shí)反射的電脈沖與初始脈沖幅度相近，相位相同;脈沖全反射且與入射脈沖同相;當(dāng)線路出現(xiàn)短路時(shí)，輸入阻抗接近零，此時(shí)反射系數(shù)ρ=0，反射的電脈沖與初始脈沖幅度相近，但相位相反［2］。

根據(jù)脈沖注入電纜的時(shí)間點(diǎn)以及脈沖反射返回的時(shí)間點(diǎn)，由

計(jì)算出故障點(diǎn)的距離。式中，v為電脈沖波在電纜介質(zhì)中傳播的速度，t0、t1分別為脈沖發(fā)送的時(shí)刻與脈沖返回到發(fā)送點(diǎn)的時(shí)刻。基于上述原理，向出現(xiàn)故障的電纜起始端注入脈沖信號(hào)，記下注入脈沖時(shí)刻，再依據(jù)返回脈沖相位和回時(shí)刻，即可對(duì)電纜故障類型和位置進(jìn)行較為精確的判斷與計(jì)算［3］。

3 硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the system

依照電纜故障測(cè)試原理，在測(cè)試過(guò)程中，測(cè)試設(shè)備必須對(duì)脈沖注入與返回時(shí)刻以及返回波形相位這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的與判斷，但實(shí)現(xiàn)上較為困難。由于脈沖在電纜中傳播的速度較快(一般為200 m/us)［4］，若注入脈沖較寬，或故障點(diǎn)離注入脈沖點(diǎn)距離較近，將會(huì)出現(xiàn)返回脈沖與注入脈沖重疊或交疊的現(xiàn)象，無(wú)法對(duì)脈沖的時(shí)間差進(jìn)行判斷，即存在測(cè)試盲區(qū)［5］。本文使用雙機(jī)聯(lián)測(cè)的方式來(lái)解決測(cè)試盲區(qū)的問(wèn)題，測(cè)試裝置硬件框圖如圖1所示，采用51單片機(jī)系列C8051F005作為主控制芯片，控制EPM570型CPLD向待測(cè)電纜注入脈沖，并記錄故障返回脈沖，通過(guò)記錄的時(shí)間差計(jì)算故障點(diǎn)的具體位置。采用CPLD使得裝置控制靈活，響應(yīng)速度快，并簡(jiǎn)化了硬件電路，利用CPLD芯片豐富的內(nèi)部硬件資源，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，提高了系統(tǒng)的整體性能［6］。

3.1 配線檢測(cè)

配線測(cè)試方式如圖2所示，將兩套裝置分別接入待測(cè)電纜兩端，測(cè)試裝置A通過(guò)繼電器組向待測(cè)電纜中的一根芯線發(fā)送測(cè)試脈沖，若該芯線無(wú)故障，脈沖將會(huì)直接傳送到測(cè)試裝置B處，B裝置在電纜的另一端依次進(jìn)行掃描，即可接收到測(cè)試脈沖。A裝置依次接通電纜各芯線并發(fā)送脈沖，裝置B同步進(jìn)行接收并記錄，則可完成電纜配線序列的檢測(cè)。

圖2 雙機(jī)聯(lián)測(cè)原理圖Fig.2 Principle diagram of dual joint measurement

3.2 斷線與短路故障檢測(cè)

若電纜存在故障，返回脈沖將會(huì)在電纜故障點(diǎn)處反射，返回到測(cè)試裝置，依照上述測(cè)試原理即可計(jì)算出故障發(fā)生的具體位置。由于返回脈沖與電纜故障類型相關(guān)，有正負(fù)脈沖之分，正脈沖可直接通過(guò)CPLD的IO口進(jìn)行接收，而負(fù)脈沖必須進(jìn)行轉(zhuǎn)換成正脈沖才能接入IO口。本裝置通過(guò)兩路運(yùn)放進(jìn)行相位鑒別，圖3為脈沖相位與轉(zhuǎn)換電路，采用運(yùn)放AD8021對(duì)電纜上的返回波形進(jìn)行鑒別與轉(zhuǎn)換，AD8021為高速運(yùn)放，頻帶可達(dá)200 MHz，可滿足本裝置中微秒級(jí)脈沖的轉(zhuǎn)換［7］。電路原理如下，單片機(jī)控制CPLD發(fā)送測(cè)試脈沖，控制MOS管Q1向測(cè)試電纜發(fā)送幅度+5V的脈沖信號(hào)，若電纜出現(xiàn)斷線故障，正反射脈沖信號(hào)將經(jīng)二極管D3與運(yùn)放U1通道返回到CPLD進(jìn)行采集，若為短路故障，負(fù)脈沖經(jīng)運(yùn)放U2反向后變?yōu)檎}沖返回到CPLD。

圖3 脈沖相位判別電路Fig.3 Pulse phase discriminating circuit

依據(jù)測(cè)量原理，計(jì)算出發(fā)射脈沖和返回脈沖的時(shí)間差，即可確認(rèn)短路或斷路故障點(diǎn)的位置。為了計(jì)算時(shí)間差，在CPLD中設(shè)定3個(gè)定時(shí)器，分別對(duì)圖3中CPLD的3個(gè)IO口上的發(fā)射脈沖和返回脈沖進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)(圖4)，依據(jù)式(1)即可計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。

圖4 時(shí)間差計(jì)算示意圖Fig.4 Diagram of time interval calculation

為了防止電纜上高頻噪聲的影響，系統(tǒng)通過(guò)重復(fù)測(cè)量來(lái)剔除誤判斷。可通過(guò)系統(tǒng)自帶的鍵盤(pán)輸入重復(fù)測(cè)量次數(shù)，設(shè)定好后系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并將各次測(cè)量的數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)，然后計(jì)算平均值與方差，根據(jù)計(jì)算結(jié)果剔除無(wú)效數(shù)據(jù)后再計(jì)算平均距離，即可得出較為精確的結(jié)果［8］。

3.3 測(cè)試盲區(qū)的處理方法

當(dāng)電纜故障點(diǎn)與測(cè)試裝置距離較小時(shí)，由于電脈沖在電纜中傳送的速度很快，將會(huì)出現(xiàn)發(fā)送脈沖與返回脈沖交疊的現(xiàn)象，在該距離內(nèi)所有的故障將無(wú)法通過(guò)回波反射法進(jìn)行檢測(cè)，即存在測(cè)試盲區(qū)。本系統(tǒng)采用雙機(jī)聯(lián)測(cè)方法解決測(cè)試盲區(qū)的問(wèn)題。

按照?qǐng)D2連接測(cè)試裝置和待測(cè)電纜，當(dāng)其中一臺(tái)裝置檢測(cè)到返回脈沖，注入脈沖時(shí)間與返回脈沖時(shí)間幾乎一致時(shí)，說(shuō)明故障點(diǎn)距離測(cè)試裝置過(guò)小，此時(shí)將啟動(dòng)另一臺(tái)測(cè)試裝置，在遠(yuǎn)端進(jìn)行測(cè)量，即可計(jì)算時(shí)間差和故障點(diǎn)距離。

4 測(cè)試結(jié)果分析

分別使用100 m、200 m、300 m與500 m長(zhǎng)的14芯電纜對(duì)本裝置進(jìn)行測(cè)試，經(jīng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可精確地測(cè)量電纜的配線線序。人為將電纜的一端芯線斷開(kāi)或與系統(tǒng)地短接，使用50 ns方波脈沖進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果(單位：m)Tab.1 Results of system test(unit：m)

從測(cè)量結(jié)果中可知，系統(tǒng)可較為準(zhǔn)確地判斷出故障的位置，但測(cè)量結(jié)果與實(shí)際位置相比普遍偏大，經(jīng)分析可能是由于相位判別電路的對(duì)脈沖信號(hào)的延遲所造成的。

5 結(jié)論

以單片機(jī)為控制核心，采用 TDR原理通過(guò)CPLD進(jìn)行電纜故障測(cè)量，簡(jiǎn)化了多芯電纜的配線線序檢測(cè)、短路與電路故障的檢測(cè)，大大降低了設(shè)計(jì)成本。

1 王薔.電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

2 肖利.電磁學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

3 鄧忠禮.數(shù)字傳輸系統(tǒng)測(cè)試［M］.北京：人民郵電出版社，1993.

4 寧瑞林.淺談電纜故障探測(cè)［J］.科學(xué)論壇，2003，2：45.

5 余景豐.電纜故障測(cè)尋新技術(shù)及其特殊波形的分析［J］.冶金設(shè)備管理與維修，1994，5：28-30.

6 石鴻凌，姜琳峰，孫洪.基于CPLD的可控電抗控制器［J］.信息與電子工程，2003，3：57.

7 Analog Devices.Low noice，high speed amplifier for 16-bit systems［S］.AD8021，Rev.F.

8 孔令海，何虎軍.采集數(shù)據(jù)無(wú)效值的剔除方法［J］.信息技術(shù)，2006，4：89-90.

MULTI-CORE CABLE TEST DEVICE BASED ON TIME DOMAIN REFLECTOMETRY(TDR)

Lü Han，Wu Xiongwei，Guan Weizhi and Wu Linbin
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

This paper presents a multi-core cable test device based on the time domain reflectometry(TDR).A microcontroller of C8051F005 is used for controling CPLD to send pulse signal to the cable.With this design and dual joint measurement mode，the faults of cable shorted，mixed and the position of borken wires can be quickly detected and the presion of fault fixed-point position can be within 5 m.Because of the low cost and convenient operation，the design will have good application prospects.

Time Domain Reflectometry(TDR);multi-core cable;dual joint measurement;broken circuit;shorted circuit

1671-5942(2011)Supp.-0152-03

2011-05-02

中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS20106093)

呂瀚，男，1983年生，碩士，研究實(shí)習(xí)員，主要從事地震監(jiān)測(cè)儀器的設(shè)計(jì)研發(fā)工作.E-mail：haohan_lv@qq.com

TH762

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