線路故障自動檢測系統設計與實現

摘要：高質量的傳輸線路可以保證信號的完整性和清晰度，然而，傳統的故障檢測設備在檢測信號傳輸線路的故障時，難以滿足時效性和準確度的要求。文章設計了判斷信號傳輸線路等效網絡中故障元件位置及故障類型的自動檢測系統。系統以STM32F103RCT6單片機為主控制器，以XD4069反向器為核心作為信號前向處理電路，通過芯片74HC4051D的多路復用電路進入傳輸線路等效網絡，信號采樣之前通過以GS8552芯片為核心的濾波處理電路，最后使用單片機內置ADC模塊進行采樣，故障辨別的結果在TFT-LCD模塊上顯示。該系統的電路結構簡單、操作簡易方便，能夠快速、準確識別故障元件和故障類型，實現了傳輸線路故障的自動化檢測。

關鍵詞：信號傳輸線路；等效網絡；STM32；阻抗；故障檢測

中圖分類號：TP274" 文獻標志碼：A

基金項目：廣東開放大學（廣東理工職業學院）校級科研一般項目；項目編號：YB2114。廣東開放大學（廣東理工職業學院）校級科研重點項目；項目編號：ZD1905。

作者簡介：黎斌（1982— ），男，講師，博士；研究方向：電子技術應用。

0" 引言

信號傳輸線路在現代電子系統和通信系統中至關重要，是信息傳遞的基礎。高質量的傳輸線路確保了數據從一個設備準確地傳輸至另一個設備，保證信號的完整性和清晰度。隨著電子系統和通信系統功能日趨復雜，性能不斷提高，系統設計者對信號傳輸線路性能提出了更高的要求，致使傳輸線路復雜性不斷提高。這將導致信號傳輸線路出現問題的情況增多，影響傳輸線路的正常工作［1-2］。然而，傳統的人工檢測或功能單一的專用檢測設備在對信號傳輸線路進行故障判斷和排除時，時效性和準確度難以滿足要求，迫切地須要研發一種快速、準確和高效的信號傳輸線路故障自動檢測系統［3］。研究人員研究信號傳輸線路時，通常受限于場地和預算，無法搭建與實際線路相同的實物進行研究。因此，一種有效的方法是構建信號傳輸線路運行的仿真模型。信號傳輸線路等效網絡就是一種用于模擬和分析信號傳輸特性的簡化電路模型，誤差較小，可根據實際線路等效調整為網絡結構［4-5］。

本文以典型的多階濾波器電路為例，設計了自動檢測并顯示線路網絡中故障元件編號及故障類型（短路或斷路）的自動檢測系統。該系統還能夠在線路網絡中準確地辨別出線路網絡中的故障類型及故障元件編號。該系統具有故障檢測速度快且準確、成本低廉等特性，能夠為適應更復雜的線路網絡故障檢測提供參考。

1" 系統方案論證與選型

圖1所示的信號傳輸線路等效網絡本質上是一個多階濾波器電路［6］，當其中某個或多個元件發生短路或開路故障時，傳輸等效網絡的輸入和輸出阻抗發生變化，以致通過該等效網絡的信號受到影響，故可根據傳輸等效網絡中不同的響應倒推網絡中的故障信息。根據信號傳輸線路等效網絡的特點，本文設計了線路故障自動檢測系統［6］，如圖2所示。該系統的設計思路如下：主控制電路輸出控制信號，首先選擇不同端口，使得傳輸線路等效網絡處在低通或高通濾波狀態；然后主控制電路輸出高頻信號，進入傳輸線路等效網絡；最后通過信號采集電路測量傳輸線路等效網絡兩端的信號。考慮到待測線路網絡的對稱性，主控制電路須要多次變換信號輸入和輸出的端口順序，獲取不同的信號采集數據，最后確定待測電路中某個元件的故障和故障類型。

按照設計功能的要求，本系統主要由5個模塊組成，分別是主控制模塊、信號前向調整模塊、多路復用選擇模塊、顯示模塊和信號采集模塊，如圖3所示。下面本文簡單論證這幾個模塊的元件選擇。

1.1" 主控制器的論證與選擇

系統的設計使用單片機作為主控制器，可以結合計算機技術和測量控制技術，組成通過改變軟件程序即可實現更新換代的智能線路故障檢測系統。考慮系統對高頻信號產生、信號采集處理和顯示接口等方面的要求，算法較為復雜，程序部分比較大，常用的51系列單片機難以滿足需求，因此，本文選擇低成本、低功耗、性能更優越的STM32F103系列單片機作為主控制器。此外，芯片生產廠商還提供了豐富的開發工具和軟件庫，方便使用者進行代碼編寫、調試和測試。

經過調研，STM32F103RCT6單片機具有48 kB SRAM、256 kB FLASH、51個通用I/O口，8個定時器、5個串行通信接口、3個12位ADC和1個12位DAC等配置，能夠很好地滿足本系統測量和控制的要求。

第22期2024年11月無線互聯科技·智能控制" No.22November，2024

第22期2024年11月無線互聯科技·智能控制" No.22November，2024

1.2" 信號前向調整模塊的論證與選擇

根據系統設計，該方案須要主控制器產生高頻信號（約2 MHz），輸入信號傳輸線路等效網絡。因傳輸線路等效網絡阻抗較小，主控制器I/O口驅動能力非常低，只有不到25 mA驅動能力，若直接接入傳輸線路等效網絡，不但會使高頻信號失真嚴重，還容易燒毀主控制器的I/O口。為了增強主控制器高頻信號輸出的能力，所提方案須要在信號接入等效網絡之前進行調整處理。常用方法是搭建運算放大器（如LM358）或比較器（如LM393）等，作為主控制器的前向信號處理與調整模塊。該方案的頻率精度和穩定度均較差，難以控制。另外，LM358的增益帶寬積僅為1 MHz ，轉換速率僅為0.5 V/ μs；而LM393在小信號（100 mV）下的響應時間（典型值）為1.3 μs，速度達不到需求，故未能采用這些方案。

XD4069反向器的響應速度為20 ns，當VDD為5 V時，響應為18 ns+（0.55 ns/pF）CL，滿足主控制器輸出高頻信號處理要求，可以很好地隔離主控制器I/O口與傳輸線路等效網絡直連，降低了燒毀主控制器I/O口的風險。本文方案利用XD4069反向器對主控制器輸出的高速信號進行處理與調整，實現信號的增強和噪聲消除后，再輸入等效網絡。

1.3" 顯示模塊的論證與選擇

LCD1602液晶顯示模塊具有價格便宜、低功耗和易于使用等特點，但只能顯示ASCII碼字符，單屏顯示信息較少，不能滿足系統中須要顯示故障元件的故障類型（斷路或短路）要求。LCD12864液晶顯示模塊具有靈活的接口方式、簡單方便的操作指令，可以實現ASCII碼字符、漢字和低分辨率圖形的顯示，價格略低于相同點陣的圖形液晶模塊。考慮到系統不僅可以顯示故障元件的故障類型，還可以顯示故障元件的位置要求，主控制器具有TFT-LCD模塊接口等因素，系統選擇2.8寸ATK-MD0280模塊。該顯示模塊的分辨率為240×320像素，支持16位真彩顯示，可以顯示更豐富的內容。此外，該顯示模塊采用ILI9341/ ST7789作為驅動芯片，使用時無須外加驅動器或存儲器，簡化了接口電路。

1.4" 信號采集模塊的論證與選擇

本文直接利用主控制器自帶的ADC模塊讀取待測電信號的分量，使用方便快捷，能夠簡化電路。但是由于其輸入阻抗較小、信號易受干擾和采集數據易劇烈跳變等問題，難以滿足系統的測量要求。為此，當使用主控制器ADC模塊讀取數據時，本文接入以GS8552芯片為核心的濾波處理電路。GS8552芯片是低功耗、零漂移CMOS運算放大器。該芯片提供1.8 MHz的帶寬，具有軌對軌輸入和輸出，電壓寬度為1.8～5.5 V。GS8552使用斬波器穩定技術來提供非常低的失調電壓（小于30 μV），具有優異的溫度穩定性，其溫漂量接近0。此外，GS8552提供了優秀的共模抑制比，無交叉與傳統的互補輸入階段。所提方案利用GS8552可以對采集的電信號進行有效濾波，提供穩定的采集樣源。

2" 硬件設計

2.1" 總體規劃

系統的主控制芯片STM32F103RCT6單片機產生脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號，首先通過前向調整電路進入多路復用選擇電路；輸入待測電路后，在待測電路信號輸入端接入信號采集處理電路；再由STM32F103RCT6單片機自帶的ADC采集數據；最后，在系統的顯示模塊中顯示檢測結果。

2.2" 信號前向調整電路

系統首先由主控制芯片STM32F103RCT6單片機引腳PA0輸出PWM信號；隨后進入XD4069的輸入端口1A，XD4069的輸出端口3Y；再連接阻容串聯電路進行濾波；最后，進入多路復用選擇電路。前向調整電路如圖4所示。

2.3" 多路復用選擇電路

2塊74HC4051D芯片由STM32F103RCT6單片機控制，分別選擇待測電路的輸入和輸出端口，即傳輸電路等效網絡的A+、A-、B+和B-這4個端口。PWM信號由第一塊74HC4051D芯片輸入待測電路，經過待測電路后從第二塊74HC4051D芯片接入地線，形成回路。多路復用選擇電路如圖5所示。

2.4" 信號采集處理電路

從待測電路信號輸入端中輸出的信號并非直接進入STM32F103RCT6單片機的ADC模塊中進行采樣，而是先經過信號采集處理電路進行濾波處理。信號采集處理電路如圖6所示。

3" 軟件設計

系統軟件采用C語言開發，在keil μvision5環境下使用ST公司官方外設驅動函數庫進行編程、調試并實現功能。按照所需實現的功能，程序分為3個模塊，分別是系統初始化模塊、數據采集模塊、信號傳輸線路等效網絡故障判斷模塊。程序的流程如圖7所示。

（1）系統初始化模塊包含STM32F103RCT6單片機系統時鐘、GPIO端口、按鍵輸入、PWM信號產生、ADC模塊和顯示模塊等初始化內容。

（2）在數據采集模塊中，STM32F103RCT6單片機通過控制多路復用選擇電路，向信號傳輸線路等效網絡輸出PWM信號，隨后使用ADC模塊采集通過信號傳輸線路等效網絡后的PWM信號。單片機在信號采集時采用均值算法，對每次128個采樣電壓數據求平均值。

（3）在信號傳輸線路等效網絡故障判斷模塊中，根據輸入、輸出端口狀態和信號采集均值，對比之前調試所記錄的實驗數據進行判斷，輸出故障元件和故障類型信息，在顯示模塊上呈現。

4" 系統測試與分析

4.1" 系統調試

在系統調試期間，設計人員要確保系統的正常運行，收集待測電路各種元件故障的信號數據。

在系統調試前期，設計人員先檢查待測電路是否保持與賽題［6］初始狀態一致，確認無誤后再上電測試。根據賽題要求，設計人員對待測電路中元件進行短路或斷路，通過顯示模塊提示，設計人員按下測試按鍵后進行自動測試；測試按鍵被按下后，主控制器將信號發送給信號前向調整模塊；信號前向調整模塊將PWM信號輸出推挽能力進行加強，經過濾波電路對信號進行選頻，通過端口選擇模塊將信號送入待測電路；信號采集處理GS8552電路將經過待測電路中的電壓分量信號進行處理后，送入主控制模塊的ADC1通道1中進行采集，顯示模塊輸出采集數據；設計人員記錄對應的故障元件、故障類型、輸入和輸出端口以及采集的數據。按照以上操作方法，設計人員收集信號傳輸線路等效網絡上所有元件故障和故障類型所對應的采集數據，如表1—4所示，將數據錄入程序，為自動識別故障元件和故障類型作準備。

表中提到的端口順序是指對進入待測電路的信號切換不同的輸入端和接地端。端口順序1：A+進，A-接地；端口順序2：B+進，B-接地；端口順序3：A+進，B+接地；端口順序4：A-進，B+接地。表中數據為線路網絡處在不同狀態下由STM32F103RCT6單片機采集的電壓屬性的平均值。

4.2" 系統功能測試

賽題的基本要求為在線路網絡中只存在一個元件有故障，在按下按鍵后，系統能夠自動檢測并顯示故障元件的編號和故障類型。賽題的部分要求可以分為3種情況：①線路網絡無故障；②二極管都無故障，有一個電感或電容有故障；③有一個二極管有故障，且有一個電感或電容有故障。經測試發現，所設計的系統能夠判斷并識別出具體的故障元件和類型。

在測試時，設計人員也發現了一些問題，例如：①電路中出現高頻干擾；②系統上電時間過長時，電路會出現溫飄現象；③當信號傳輸線路過長時會出現信號衰減問題。針對以上的問題，本文采取如下措施改進：①改善電源電路，消除電源方面帶來的干擾；②在系統中采用鋁極板接地作底座，更好地屏蔽了干擾信號；③對于電路中發熱明顯的元件使用散熱器；④控制信號傳輸線路長度和采用阻抗更低且帶有屏蔽功能的連接線。

5" 結語

針對信號傳輸線路等效網絡中元件出現的故障現象，本文展示了以STM32F103RCT6單片機為主控制器的自動檢測系統。在優化測試信號、多路復用選擇電路和信號采集電路配合下，系統提取故障元件對線路網絡整體阻抗的影響特征，進而倒推線路網絡中存在的元件故障。經測試，所設計的系統能夠識別線路網絡中出現的二極管、電容和電感故障，滿足實際電路故障檢測的要求。文中自動檢測系統電路較為簡潔，成本低廉，對故障辨別快且準確，后續還有極大的改進空間以適應更復雜的線路網絡故障。

參考文獻

［1］孫秀萍.信號傳輸線路特性阻抗對數字信號品質的影響［J］.陰山學刊，2015（3）：23-25.

［2］周勝海，馬建中.傳輸線路引起的數字信號畸變與抑制［J］.計算機測量與控制，2002（10）：695-697.

［3］王德海，傅洪全，陳曦，等.電力輸配電線路運行短路故障自動檢測方法研究［J］.制造業自動化，2021（11）：173-177.

［4］李廣，薛永端，楊帆，等.面向配電網的π形等效電路鏈形網絡級聯數目確定方法［J］.電力系統自動化，2020（5）：180-186.

［5］鐘雷.基于簡化信號傳輸線路等效網絡的線路故障自動檢測系統設計［J］.武漢交通職業學院學報，2024（2）：129-134.

［6］全國大學生電子設計競賽組織委員會.2023年全國大學生電子設計競賽J題：線路故障自動檢測系統［EB/OL］.（2023-08-02）［2024-08-09］.https：//res.nuedc-training.com.cn/topic/2023/topic_104.html.

（編輯" 王雪芬）

Design and implementation of automatic fault detection system for circuits

LI" Bin， CHEN" Yijie， WEI" Jingting

（Engineering Technology Department， the Open University of Guangdong and Technology of

Guangdong Polytechnic Institute， Guangzhou 510091， China）

Abstract： High-quality transmission lines can ensure signal integrity and clarity. However， the traditional fault detection devices often struggle to meet the requirements for timeliness and accuracy when detecting the faults in signal transmission lines. This paper presents the design of an automatic detection system for identifying the locations and types of faulty components in the equivalent network of signal transmission lines. The system uses the STM32F103RCT6 microcontroller as the main controller， with the XD4069 inverter as the core of the signal forwarding processing circuit. The signals enter the transmission line equivalent network through the multiplexing circuit of the 74HC4051D chip. Before the signal sampling， a filtering circuit centered around the GS8552 chip is employed， and the sampling is performed using the built-in ADC module of the microcontroller. The fault identification results are displayed on a TFT-LCD module. This system features a simple circuit structure and is easy to operate， can identify the faulty components and types quickly and accurately， which achieves the automatic fault detection of transmission line.

Key words： signal transmission line; equivalent network; STM32; impedance; fault detection