电缆断点故障的测距系统毕业论文.doc

电缆断点故障的测距系统毕业论文第一章绪论电缆是信息交互的主要媒质之一对整个通信系统的可靠性以及某些性能指标具有举足轻重的影响。为了快速准确的找到通讯电缆故障所发生的位置，及时修复故障线路，确保整个通讯网络的安全稳定运行，减少因通讯线路故障带来的经济损失，节省巡线的人力和物力。因此，研究通讯线路故障的测试方法，开发出行之有效的故障检测装置是非常有必要的。今二十年来，国内外学者在通讯线路故障测距，特别是对架空通讯线路故障测距做了大量的研究工作，研究出许多实用的方法。比较架空线路和掩埋电缆线路，在故障测距方面，虽然两者之间有相同之处，但也存在着明显的不同之处。比如，架空线路较长其故障可以观测，测距结果相对来说比较粗略，其结果可以与实际故障距离误差数百米甚至上千米，但对于长度相对较短的通讯线路来说，因为通讯线路故障是不可观测，如果结果是相差数百米，那么就已失去了测距的价值。因此，通讯线路要求有更为精确的测距方法。本文的任务就是在现有的通讯线路故障测距方法的基础上，通过从原理和方法进行深入的研究，设计出原理上更加准确、工程上更加实用的故障测试方法。 第二章 通讯电缆的故障及分类2.1通讯线路故障分类通讯电缆线路故障按损伤部位可分为芯线损伤和不同相之间及相对地之间绝缘介质损伤产生的故障。前者表现为开路及断线，很少见；后者经常碰到。电缆故障的性质分类有很多，通常有一下的几种：1. 开路路故障凡是电缆绝缘阻值无穷大或虽与正常电阻的绝缘值想通，单思安呀不能反馈至用用户端的故障。（低压脉冲测试时故障有反应，且发射脉冲和返回脉冲的波形相同）。2. 短路故障凡是电缆故障点的绝缘电阻小于该线缆的特性阻抗，甚至直流电阻为零的故障均称为低阻故障 或是短路故障（低压脉冲测试时故障有反应，且发射脉冲和返回脉冲的波形相反）。3. 高阻故障电缆故障点的直流电阻大于该电缆的特性阻抗的故障均称为高阻故障（抵押脉冲测试故障时没有反射）。高阻故障可分为两种故障形式：1) 高阻泄漏性故障：在做电缆高压绝缘试验时，泄漏电流随试验电压的升高而增加，试验电压升高到额定值时（有时还远远达不到额定值），而泄漏电流超过了允许值。2) 高阻闪络性故障：试验电压升至某值时，泄漏电流突然升高，监视泄漏电流的表针闪络性摆动，电压稍下降时，此现象消失，但电缆绝缘仍有极高的阻值。电缆故障点可用图所示的电路来等效。图2.1中Rf为绝缘电阻，G是击穿电压为Vf的击穿间隙，Cf为局部分布电容。Rf、G、Cf数值随不同的故障情况变化很大，并且互相之间并没有必然的联系。间隙击穿电压Vf的大小取决于放电通道的距离。电阻Rf的大小取决于电缆介质的碳化程度。而电容Cf数值很小，一般可以忽略。根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻与高阻故障。图2-1 电缆故障等效图2.2通讯线路故障产生的原因致使通讯电缆发生故障的原因有很多方面，现将常见的几种主要的原因归纳如下：1. 机械损伤。很多故障是由于电缆安装敷设时不小心造成的机械损伤或安装后靠近电缆路径作业造成的机械损伤而直接引起的。有时如果损伤轻微，在几个月甚至几年后损伤部位才发展到铠装、铅（铝）护套穿孔，潮气侵入而导致损伤部位彻底崩溃形成故障。直接受外力作用造成的损伤主要有施工和交通运输所造成的损坏。例如，挖土打桩、起重、搬运等都可能误伤电缆。行驶车辆的振动或冲击性负荷，也会造成穿越公路或铁路以及靠近公路或铁路并与之平行敷设的电缆的铅（铝）护套的疲劳裂损，形成故障。2. 线路外皮的电腐蚀。如果通讯电缆埋设在附近有强地下电场的地面下（如大型行车、电力机车轨道附近），往往出现电缆外皮铅（铝）护套腐蚀致穿的现象，导致潮气侵入，绝缘破坏3。3. 化学腐蚀。通讯电缆路径在有酸碱作业的地区通过，或煤气站的苯蒸汽往往造成电缆铠装和铅（铝）护套大面积长距离被腐蚀。4. 自然力造成损坏。这方面的损坏主要包括：中间接头 、终端头受自然拉力和内部绝缘胶膨胀的作用所造成的电缆护套的裂损。因电缆自然胀缩和土壤下沉所形成的过大拉力，拉断中间接头或导体以及终端头护套因受力而破损等。地面下沉现象往往发生在电缆穿越公路、铁路及高大建筑物的地段，由于地面的下沉而使电缆垂直受形变，导致电铠装、铅（铝）护套破裂甚至折断而造成各种类型的故障。5. 电缆绝缘物的流失。尤其是油浸纸电缆， 电缆敷设时地沟凹凸不平，或处在电杆上的户外头，由于电缆的起状、高低落差悬殊，高处的电缆绝缘油流向低处而使高处电缆绝缘性能下降，导致故障发生。6. 过热。造成电缆过热的因素有多方面的， 既有内因，又有外因。内因主要是电缆绝缘内部气隙游离造成局部过热，从而使绝缘炭化；外因是电缆不符合产生过热。安装于电缆密集地区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的部分等，都会因本身过热而使绝缘加速损坏。长期运行，会使电缆的温度随之升高，尤其在炎热的夏季，电缆的温升常常导致电缆整体绝缘下降，薄弱处和对接头处首先被击穿。在夏季，电缆故障率高原因正在于此4。7. 拙劣的技工、 拙劣的接头与不按技术要求敷设电缆往往都是形成电缆故障的重要原因。在潮湿的气候条件下做接头， 使接头封装物内混入水气而耐不住实验电压，往往形成闪络性故障。8. 过电压。过电压主要是指大气过电压（雷击）和电缆内部过电压。对实际故障进行的分析表明，许多户外终端头的故障是由于大气过电压引起的。电缆本身的缺陷也会导致在大气过电压的情况下发生故障。在对通讯电缆故障发生原因的分析中，极重要的是要特别注意了解电缆敷设中的情况。若电缆外表观察到可疑之点，则应查阅电缆安装敷设工作完成后的正确记录。这些记录应包括如下细节：铜芯或铝芯导线的截面积；绝缘方式；各个对接头的精确位置；三通接头的精确位置；电缆路径的走向；某一电缆到别的电缆或接头的情况（这一点要特别注意），以及两种不同截面积的电缆对接头的精确位置和有无反常的敷设深度或者有特别的保护措施，如钢板、穿管和排管等；电缆敷设中的技工和技术员的姓名（这也常常是提供重要线索的来源之一）；历次发生故障的地点及排除经过等。当欲快速定位故障时，所有这些资料是非常有价值的。由于制造缺陷而造成的电缆故障不多，因而对于事故的其他原因分析，应充分考虑到上述细节。第三章 线缆故障的测试方法及原理3.1电缆故障测试的方法任何电缆故障的测试，均以找到故障发生点为最终目的，但就其测试过程来说，一般分为三个步骤：一为故障距离粗测；二是寻找故障电缆埋设路径；三是精确定位故障点。在实际测试中，三个步骤是根据现场情况灵活运用的。3.1.1电缆故障粗测方法1) 电桥法：自从有了地埋电缆以后，电缆故障的检测工作就成了必须解决的问题。最初的电缆故障粗测工作，是用电桥平衡测试原理进行的，当时曾用过电阻电桥、电容电桥、低压电桥、高压电桥等。用电桥原理测试电缆故障距离，曾是上世纪六七十年代普遍采用的方法。到了2000年以后，使用电桥法测试原理的仪器还继续使用并且有所发展，使用计算机技术后，现在也出现了具有更高智能化的电桥测试仪。2) 低压脉冲反射法：到了上世纪七八十年代，电缆故障测试普遍采用了闪测法测试，原理为低压脉冲反射法(也叫雷达法)。所用的仪器以电子管、晶体管电路为主，体积庞大。采用的显示器先后有示波管型闪测仪、存贮示波管型闪测仪等等。到了上世纪九十年代以后，随着计算机技术的普遍应用，智能型电缆故障闪络测试仪(闪测仪)开始投入使用，采用的测试原理依旧是脉冲反射法。采用的闪测仪从显像管显示到液晶显示，普遍应用单片机电路进行控制，使电缆故障的粗测工作进入到一个新境界。3) 二次脉冲法：二次脉冲法其基本原理还是脉冲反射法，是近几年发展中的一种比较前沿的新的电缆故障粗测方法。其技术特点是：高阻故障呈现低压脉冲短路故障波形特征，容易判读。换句话讲，就是在用高压脉冲击穿高阻故障的瞬间，给故障电缆发射低压脉冲信号，用低压脉冲短路故障波形测试电缆高阻故障。与传统的测试方法相比,二次脉冲法的先进之处，是将冲击高压闪络法中的复杂波形简化为简单的低压脉冲短路故障波形。二次脉冲法的关键是要给闪测仪加一个高频高压数据处理器。从测试原理讲，二次脉冲法的测试原理有其先进性，但是其测试仪器相对复杂，仪器使用也较普通的闪测仪复杂。3.1.2电缆路径探测方法采用电磁波进行路径探测，是一种很成熟的方法，实际应用效果也很好。区别在于探测的电缆长度、探测深度，信号频率等各不相同。现在市场上大量应用的路径探测仪器，多为探测停电电缆，探测电缆长度大于10KM，探测电缆深度大于2m，电磁波频率1KHZ20KHZ。如DTC206系列电缆路径探测仪，电磁波频率为16KHZ,路径仪信号源发射峰值功率大于100W,即使电缆埋深2m,路径仪接收信号仍然很大。电缆故障探测仪寻测电缆路径原理为：给被测试电缆加一电磁波信号，通过定点仪磁信号接收路径信号寻测电缆路径。根据电缆正上方地面接收电磁信号最小的特点，可以准确地找到电缆埋设位置。1. 电缆故障精确定点方法电缆故障精确定点方法有以下几种：1) 声测法：采用声测法定点，是从过去到现在普遍采用电缆故障定点的方法。而且是最为行之有效的方法。只不过采用的仪器从过去简单的声电放大器，发展到了现在普遍使用的声磁同步定点仪。声测法定点对高压电缆、低压电缆、直埋电缆、电缆沟电缆等等均适用。2) 电磁法及音频法：用电磁波定点或采用音频法定点，即是利用电缆故障点前后电磁波信号或音频信号的变化来确定故障点，从原理上讲是可行的。但从目前情况看，还没有性能可靠的，能实际应用的定点仪。或者说，采用电磁波定点的定点仪仍旧在各科研机构研发之中，还需实践中进一步验证提高，达到实际应用水平。3) 跨步电压法：采用跨步电压法定点，主要针对对电缆外护套绝缘有要求的外护套接地故障定点，现在对部分直埋的无铠装的低压电缆、电线芯线接地故障、也可以采用跨步电压法定点。4) 磁场预定点技术：电缆故障磁场预定点技术的原理为：通过高压直流脉冲发生器，使电缆的故障点产生电弧，在电弧存在期间，向电缆注入音频信号。此音频信号在电缆故障点，被电弧短路，不再继续向电缆终端传播。采用专用的接收机，接收电缆辐射出的音频电磁波信号，通过比较故障点前后的音频电磁波幅值大小的变化，判断接收机位于故障点之前或之后，从而达到快速预定点的目的。电缆故障磁场预定点技术，是一种较新的故障定点手段，其概念的提出时间较短，仪器的研发和仪器使用时间也较短。故障预定点后，我们仍需要进行故障点的精确定点，然后才能开挖。5) 声磁同步法：是将声测法与电磁波法综合应用，例如DTC003系列声磁同步定点仪，采用了声测法定点与声磁同步定点法相结合定点原理。声测法定点时，定点仪声表头指示声测探头接收到的地震波，同时耳机也反映声测探头接收到的地震声波。在故障点正上方，声波信号最大，离开故障点，声波信号减少，或者无声波信号。声磁同步法定点时，声表头反映声测探头接收到的地震声波，磁表头和耳机同时指示故障点放电时同步接收天线接收到的电磁波。当声测探头放置在故障点上方时，定点仪二个表头指示及耳机声音同步。在未接收到声波信号时，利用声磁同步电磁波接收功能，能够及时掌握球间隙放电节律，有利于在噪杂的环境中分辨出故障点微弱声波信号。另外，声磁同步定点仪可以将故障定点和电缆路径探测工作同步进行，大大提高故障定点效率。采用声磁同步技术的定点仪，是目前应用最广的电缆故障定点仪。第四章低压脉冲反射法工作原理4.1 工作原理测量电缆故障时，电缆可视为一条均匀分布的传输线，根据传输线(长线)理论，在电缆一端加脉冲电压，则此脉冲按一定的速度 (决定于电缆介质的介电常数和导磁系数)沿线传输，当脉冲遇到故障点(或阻抗不均匀点)就会发生反射，用闪测仪记录下发送脉冲和反射脉冲之间的传输时间T，则可按已知的传输速度V来计算出故障点的距离Lx，Lx=VT/2 (4-1)测全长则可利用终端反射脉冲：L=VT/2 (4-2)同样已知电缆全长，可测出脉冲传输速度：V=2L/T (4-3) 测试时向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，回送到测量点被仪器记录下来（图4-1）。波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差t，对应脉冲在测量点与阻抗不匹配点往返一次的时间，已知脉冲在电缆中的波速度V，则阻抗不匹配点距离，可由下式计算。 L=Vt/2 (4-4)图4-1 低压脉冲反射原理图通过识别反射脉冲的极性，可以判定故障的性质。断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同，而短路故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反。由式4-4知道，脉冲在电缆中的波速度对于准确地计算出故障距离很关键。在不清楚电缆的波速度值的情况下，可用如下方法测量。如已知被测电缆的长度，根据发送脉冲与电缆终端反射脉冲之间的时间t，可推算出电缆中的波速度： V=2L/t (4-5)4.2发射脉冲的选择1. 脉冲的形状电缆故障测量仪器使用的电压脉冲一般有矩形、指数、钟形（又叫升余弦）等。由于矩形脉冲形成比较容易，故应用的比较多。2. 脉冲的宽度脉冲总有一定的时间宽度，假定为，则在时刻以内到来的反射脉冲与发射脉冲相重迭，无法区分出来，因此就不能测出故障点距离，出现了盲区。假设脉冲发射宽度是0.5s，电缆波速度是160m /s，其测量盲区就是40米，仪器发送脉冲愈宽，测量盲区愈大。从减小盲区的角度看，发送脉冲宽度窄一些好，但脉冲愈窄，它所包含的高频成分愈丰富，而线路高频损耗大，使反射脉冲幅值过小，畸变严重，影响远距离故障的测量效果。为解决这一问题，脉冲反射仪器把脉冲宽度分成几个范围，根据测量距离的远近来选择脉冲宽度，测量距离愈远，脉冲愈宽。4.3脉冲反射波形的理解4.3.1 脉冲反射波形反映电缆故障与结构观察电缆的低压脉冲反射波形除可以找出故障点的位置及判别故障性质外，还有利于了解复杂电缆的结构，这一优点是电桥法无法比拟的。而实际的测量波形往往变化较多，需要操作人员具有起码的测试训练和一定的测量经验和技巧，能否正确地理解反射波形是准确地测出故障距离及了解电缆结构的关键。图 4-2.a 给出了一个有低阻故障的电缆，中间有接头J，图4-2.b给出了向电缆注入一低压脉冲测得的脉冲反射波形。类似于透视用的X光片，被测电缆结构（状态）以波形的形式直观地呈现在仪器的屏幕上。ab图4-2 中间有接头的电缆脉冲反射波形把波形上任一点的时间坐标乘以二分之一的波速度（即4-4式），换算成距离，则电缆上所有阻抗不匹配点，如中间接头J、故障点F、电缆的开路终端B，均按实际的距离以脉冲的形式出现在波形上。根据脉冲的极性与大小可判别阻抗不匹配的性质（例如低阻还是开路）与严重程度。一般来说，开路与短路故障反射比较强，而中间接头反射较弱。低阻故障电阻值愈小，反射愈强烈。 下面介绍几种典型故障的脉冲反射波形。1. 断路故障脉冲在断路点产生全反射，反射脉冲与发送脉冲同极性。图4-3 断路故障脉冲反射波形图4-3给出了断路故障脉冲反射波形。波形上第一个故障点反射脉冲之后，还有若干个相距仍然是故障距离的反射脉冲，这是由于脉冲在测量端与故障点之间多次来回反射的结果。由于脉冲在电缆中传输存在损耗，脉冲幅值逐渐减小，并且波头上升变得愈来愈缓慢。 实际上有用的是第一个反射脉冲，注意不要把后续反射脉冲误认为是其它故障点的反射脉冲。2. 短路故障脉冲在短路点产生全反射，反射脉冲与发送脉冲极性相反。图4-4给出了电缆短路故障脉冲反射波形。波形上第一个故障点反射脉冲之后的脉冲极性出现一正一负的交替变化，这是由于脉冲在故障点反射系数为-1，而在测量端反射为正的缘故。图4-4 短路故障脉冲反射波形3. 低阻故障脉冲反射波形电缆中出现低电阻故障时，故障点电压反射系数与透射系数由式u=-1/(1+2K)与=2K/(1+2K)给出，其中K=Rf/Z0是故障电阻与电缆波阻抗的比。图4-5给出了电压反射系数与透射系数随K值的变化关系，可见K10，即故障电阻大于波阻抗值的10倍时，脉冲反射系数幅值小于5%，故障点反射脉冲较难以识别，故低压脉冲法不适用测量这类故障的距离。图4-5 低电阻故障点电压反射系数与透射系数变化规律图4-6.c给出了故障点在电缆中点之前的低阻故障脉冲反射波形。由脉冲传播网格图看出，注入的脉冲在故障点产生反射脉冲，t1时刻回到测量端，该脉冲从测量端返回，在故障点又被再次反射，t2时刻又一次回到测量端。第二个故障点反射脉冲在波形上与第一个故障点反射脉冲之间的距离为故障距离，在实际应用中应注意不要把它误以为新的故障点或接头反射。穿过故障点的透射脉冲在电缆的端点被反射，t3时刻回到测量端。 电缆中点之后低阻故障的脉冲反射波形如图4-7所示，这里不再详述。a.b.c.图4-6 电缆中点之前的低阻故障脉冲反射波形图4-7 电缆中点之后的低阻故障脉冲反射波形4.3.2怎样标定反射脉冲的起始点一般的低压脉冲反射仪器依靠操作人员移动标尺或电子光标，来测量故障距离。实际测试时，人们往往没有把握应该把光标定在何处来标定反射脉冲的起始点。根据2.7节所述，故障愈远，反射脉冲上升愈圆滑，标定愈困难。在实际测试时，应选波形上反射脉冲造成的拐点作为反射脉冲的起始点，如图3.8.a虚线所标定处，亦可从反射脉冲前沿作一切线，与波形水平线相交点，可作为反射脉冲起始点，如图 4-8.b所示。 a. b.图4-8 反射脉冲起始点的标定4.3.3脉冲反射波形比较测量法可以把最新测量波形与记忆波形同时显示。利用这一特点，操作人员可以通过比较电缆良好线芯与故障线芯脉冲反射波形的差异处，来寻找故障点，避免了理解复杂的脉冲反射波形的困难，故障点容易识别，灵敏度高。实际电力电缆三相均有故障的可能性很小，绝大部分情况下有良好的线芯存在，可方便地利用波形比较法，测量故障点。利用波形比较法，可精确地测定电缆长度或校正波速度。由于脉冲在传播过程中存在损耗，电缆终端的反射脉冲传回到测量点后，波形上升沿比较圆滑，不好精确地标定出反射脉冲到达时间，特别当电缆距离较长时，这一现象更突出。而把端点开路与短路的波形同时显示时，二者的分叉点比较明显，容易识别，如图4-9所示。图4-9 电缆终端开路与短路脉冲反射波形比较4.3.4内部阻抗平衡技术1. 为什么使用内部阻抗平衡技术?脉冲反射仪器发送的脉冲有一定的宽度，由于仪器的输出阻抗与电缆波阻抗不匹配，电缆上得到的或者是仪器接收电路感受到的发送脉冲拖了一个尾巴，故障点反射脉冲与发射脉冲重叠，会造成显著的测量盲区；仪器同时接收并在显示器上显示发送脉冲与反射脉冲，当故障点距离较远时，发送脉冲的幅值远大于故障点反射脉冲，如通过提高放大器增益，来达到提高故障点反射脉冲幅值的目的，将造成信号放大电路的饱和，出现所谓的“阻塞”现象。 使用内部阻抗平衡技术的目的在于压缩甚至消除掉仪器接收（并显示）的发送脉冲，从而减少或消除掉测量盲区，并且可以较大限度地增加放大电路增益，提高故障点反射脉冲的幅值，而不会使放大电路“阻塞”造成脉冲反射波形失真。2. 内部阻抗平衡技术如图4-10所示，仪器同时向被测电缆与内部平衡网络发射脉冲，而仪器接收到的信号是被测电缆与内部平衡网络上信号的差值，调节内部平衡网络参数，使其与电缆的波阻抗一致，则发送脉冲在电缆与内部平衡网络上产生的信号相同，仪器接收到的信号为零，而当反射脉冲到来时，内部平衡网络上无信号出现，反射脉冲全部送到仪器接收电路上去。有无内部平衡作用的仪器测量波形如图3.12所示。图4-10 内部平衡网络的作用a. 无内部平衡网络b. 有内部平衡网络c.无内部平衡网络,仪器增益过大图4-11 有无内部平衡网络的脉冲反射波形比较 图4-11.b中的使用内部平衡网络的脉冲反射波形是从波形上消除了发送脉冲后，提高仪器增益测得的。而从图3.10.a看出，当发送脉冲在波形上同时出现时，因发送脉冲幅值远大于故障点反射脉冲，如提高仪器放大增益，来达到提高故障点反射脉冲幅值的目的，将导致仪器输入信号过大，造成信号放大电路饱和，出现所谓的“阻塞”现象，波形如图3.10.c所示。 为了简化操作，实际的低压脉冲反射仪器往往采用固定的平衡网络，而不是由操作人员调节。仪器采用内部平衡技术压缩显示波形的发送脉冲后，利用波形比较法，可很方便地测出电缆出头故障。首先测得一完好电缆芯线的脉冲反射波形，储存起来，然后再测量故障芯线，把先后两次测量波形比较，在波形起始处，二者有明显的差别，说明是电缆出头故障。图4-12给出了一电缆头附近处有短路故障的线芯与完好线芯的波形比较。图4-12有短路故障的线芯与完好线芯的波形比较第5章 系统主控单元硬件电路设计在本次设计中，采用单片机及其外围辅助设备作为系统的控制处理部分。本章所涉及的各个单元作分析论述，其包括器件、芯片的选择，电路的设计两个部分。5.1单片机型号的选择单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的微处理器，随机存取数据存储器、 只读程序存储器、输入/输出电路，还有其它的外围器件等集成到一片芯片上，构成一个最小而且又完善的计算机系统。单片机在智能仪器仪表、工业控制、计算机网络和通信以及医用设备等领域10。在目前的工程使用中，应用最多的是8位单片机和16位单片机；其中8位的单片机、16位单片机都分别由INTER公司的MCS-51系列和MCS-96系列为代表。MCS-51系列和MCS-96系列，都具有集成度高，处理数据能力强、可靠性高、运算速度快，MCS-96系列主要是用在工业控制中，而且结构比较复杂，价格比较昂贵。而MCS-51系列结构简单、价格低廉等特点。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压高性能CMOS 8位单片机， 片内含4KB的可反复檫写的程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度 非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，共有40个引脚，其中32个I/O接口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。针对本次设计，综合考虑性能及成品价格，8位单片机完全能满足需要，所以决定用8位的AT89C51作为本次设计的中央处理单元。5.2系统辅助单元的硬件选择及电路设计本次系统主控单元硬件器件包括：BCD拨码盘信息输入、LED数码显示输出、还包括分频器件、译码器件、缓冲/驱动器件。针对本次的设计，考虑到现场环境的影响，对信息的输出及显示要求尽量的简明、精确，采用 BCD拨码盘信息输入、LED数码显示器输出（故障距离）和报警指示灯输出（故障类型）这两种输出的方式。下面就对BCD拨码盘信息输入、LED数码显示器的结 构工作原理作简单一一的介绍。5.2.1信息输入装置常用的信息输入方式有：按键键盘输入、BCD拨码盘输入。按键键盘输入需外扩可编程控制芯片8279，结构相对复杂软件编程也比较繁琐，多用与输入信息量较大，控制较复杂的应用系统中；针对本次设计，考虑到现场中的诸多环境因素，要求对信息输入方式尽量简单，可靠，而BCD拨码盘方便、直观、实用，易于操作等诸多优点，所以决定采用BCD拨码盘输入方式。下面就对拨码盘的结构和工作原理作简单那介绍。BCD码拨盘后面有5个接点（图5-1），其中A为输入控制线，另外4根是BCD码输出信号线。拨码盘拨到不同的位置时，输入控制线A分别与4根BCD码输出线中的某根或几根接通，其接通的BCD码输出线状态正好与拨码盘指示的十进制一致。BCD码拨盘具有0 9十个位置，每个位置都有相应的数字显示，代表拨盘输入的十进制数，因此每片拨码盘可代表一位十进制数，需要几为十进制数可选择几片BCD码拨盘拼接11。图5-1 4位BCD拨码盘并联结构5.2.2数码显示输出7段LED数码显示器由7条发光二极管组成显示字段，并按“”字排列，这7段发光二极管分别成为 a、b、c、d、e、f、g。将7段发光二极管的阴极连在一起接地，称为共阴极接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮；共阳极接法是将 LED显示器的所有阳极并接后连到+5V的电源上，当某一字段的阴极为0时，对应的字段就点亮。因此，通过7段的不同组合控制，可以显示0 9数字和A F字母，实现16进制显示。点亮LED显示器有两种方法：静态显示和动态显示。下面以共阴极接法为例说明。静态显示就是将N位共阴极LED显示器的阴极连在接地， 每一位 LED的8位段选线与一个8位并行口相连。当显示某一个字符时，相应的发光二极管就恒定地导通或截止。动态显示是用扫描方式一位一位地轮流点亮LED显示器的各个位。特点是：将多段LED显示器同各端的段选线复接在一起，只用一个 8位I/O口输出控段选线，段选码同时加到各个LED显示器上，因此，在每个瞬间，N位 LED只能显示相同的字符，要想每一个LED显示不同的字符，必须用另外一个I/O口控制各个LED显示器公共阴极轮流接地，逐一扫描点亮，使每位LED显示该位应当显示的字符。恰当地选择点亮LED的时间间隔（1ms 5ms），会 给人一种视觉暂停效应，似乎N位LED都在“同时”显示。控制每个LED显示位轮流接地点亮的代码称之为“位选码”。I/O口输出8位代码控制，特点是每次输出只有一位是0（点亮）， 其余7位均为1（熄灭），因此每一位LED都有一 个唯一的8位“位选码”12。5.2.3计时单元的选择及硬件电路设计本系统采用脉冲波在通讯线路上传播，遇到故障点后返回，记下脉冲来回的时间，进而来确定故障点到测试点之间的距离。因此，计时单元的精确度直接影响系统的测量精度。本次设计要求可测量范围在0.0240km之间，测量误差为0.001km/km，如考虑到技术要求，决定采用100MHz的脉冲源作为计时单元的计数脉冲；计数部分采用一片双十进制74LS390芯片。 使用AT89C51内部计数器T0。其能计最大的数值为：M=216=65536，所以能计的最长时间为 T=M/F=216/108=0.00065536s=655.36s，低压脉冲波在标准通讯电缆中的传播速度为V 160m/s， 一般常用的通讯电缆与标准的通讯电缆间系数为=80%，则最长的测量距2Lmax=PVTmax83.886km，即Imax=41.9km40km,满足测量长度的要求。误差，也满足误差的精度要求。所以，可判断系统所选的计时部分。下面简要说明连线形式：100MHz的脉冲源接到 74LS390的CP0， 74LS390 按串联方式接成100进制计数器，计数输出最高为接到AT89C51的T0口，74LS390的输出端经一片74LS245（三态输出八组总线缓冲器/驱动器）芯片，接到单片机的8位数据总线上（P0）口。具体电路接线图见图1。第6章 脉冲发生及接收单元电路设计本次设计主体的构想：用调制过的低压脉冲波，加到被测电缆上，通过对反射回来的脉冲波形的判断，确定通讯电缆是否有故障，故障点到测试点之间的距离13。因此，在本次设计中，低压脉冲波的产生、调制、发送、接收、检验过程是难点，也是重点。下面就本设计中所使用的信号发生电路、信号接受电路和相关知识作简明介绍。6.1脉冲发射电路设计本电路用来产生一个预定宽度为30V矩形脉冲，并通过耦合变压器发送到电缆上去。脉冲发射电路框图如下图6-1所示。图6-1中定时器电路为一可预置的减法计数器。按要求微处理器向定时器预先置一个数，电路接收到微处理器发出启动发射的命令后，输出一个5V的电平，此时定时器在时钟信号控制下进行减法计数，即每来一个脉冲，定时记数减1，经过几个脉冲后，计数器减到0，定时器输出一个0V的电平，这样就形成了具有一定宽度的5V矩形脉冲。根据测量范围的不同改变预置的数值，定时器就输出不同宽度的脉冲。图6-1 脉冲发射电路原理图定时器输出的5V的矩形脉冲，经过放大电路放大为30V的电压脉冲，施加到脉冲变压器T1上去，此时发送脉冲通过脉冲变压器T1原边L1，在其副边L2、L3产生大小相等极性相反的电压脉冲，分别加到被测线路和内部阻抗平衡电路，如内部平衡电路阻抗与被测电路波阻抗相近，则在发射脉冲的作用下，在L 4、L5产生一个大小相近， 极性相反的电流信号，L6收到的信号极弱，达到了压缩发射脉冲的目的。而当线路上反射脉冲到来时，在L3、L5上产生的电压大小相等，方向相反，回路电压代数和为0，内部平衡电路不起作用，反射脉冲电压通过T2的线圈L4全部变换到L6上，加到信号接收电路上。在通常的脉冲发射仪器发送的脉冲有一定的宽度，由于仪器的输出阻抗与电缆波阻抗不匹配，电缆上得到的可能是仪器接收电路接收到的发送脉冲拖了一个尾巴，故障反射脉冲与发射脉冲重叠，会造成显著的测量盲区，仪器同时接受并在显示器上显示发送脉冲与反射脉冲，当故障点距离较远时，发送脉冲的幅值远大于故障点的反射脉冲，如通过提高放大器的增益，来达到提高故障点的反射脉冲幅值的目的，将造成信号放大电路的饱和，出现所谓的“阻塞”现象。在现场中常用到一种内部阻抗平衡技术，来消除脉冲反射仪器中产生的“阻塞”现象。内部阻抗平衡技术在4.3节已作介绍，在此不再赘述14。6.2脉冲接收电路设计设计接收电路之前，需要熟悉数字电子、模拟电子及单片微机原理与接口技术相关知识。下面就把涉及到的各个元器件工作原理作简要的介绍：单稳态触发器74121不可重复触发集成单稳态触发器，具有施密特触发特性。其引脚如图6-2所示。图6-2 TTL集成器件74121引脚图下面简要介绍74121的触发与定时。正触发输入端（B）采用了施密特触发器，因此，有较高的抗扰度。 74121触发后输出（Q、）就不受输入（A1、A2、B）跳变的影响，而仅与定时元件（CEXTRT）有关。在全温度和VCC 范围内，输出脉冲宽度为：TWQ =CEXTRTln20.7CEXTRT。如果R1选用最大推荐值，占空比可高达90%。74121集成单稳态触发器有3个触发输入端，由触发信号控制电路分析可知，在下述情况下，电路可由稳态翻转到暂稳态：若A1A2两个输入中有一个或两个为低电平，B发生由0到1的正跳变。若B和A1、A2中的一个为高电平，输入中有一个或两个产生又1到0的负跳变。输出脉冲的宽度取决于定时电容和定时电阻的大小。74121的定时电容连接在芯片的10、11引脚之间。若要输出脉冲宽度较宽，则采用电解电容，电容正极接在输入端（10脚）。对于定时电阻，可用两种方式供选择：利用内部定时电阻（2K），将9号引脚（Ri）外接+5V电源；采用外接定时电阻（1.140k之间）此时9脚应悬空，电阻接在11脚与+5V电源之间。输出脉冲宽度 （6-1）通常R的数值取在2 30 K之间，C的数值取在10pF10F之间，得到的的取值范围可达到20ns200ms。式6-1中的R可以是外接电阻Rext，也可以是芯片内部电阻Rint（约2 K），如希望得到较宽的输出脉冲，一般使用外接电阻。表6-1 74121功能表输 入输 出QLXHLHXLHLHXXLLHHHXHHHHHLX XL(2)双上升沿7474 D触发器（有预置、清除端）集成D触发器有很多的定型产品，本次设计中采用双上升沿D触发器7474，下面就其逻辑符号和功能作一简单介绍。图6-3是7474逻辑符号。图6-3 D触发器7474的逻辑符号表6-2 D触发器7474功能表输 入输 出SDCDCPDLHXXHLHLXXLHHHHHLHHLLHHHLX附录C显示出信号接收电路的实际线路图。为了方便分析低压脉冲波的发射与接收电路如何跟主控单元配合完成功能检测，在图中标出25个采样点（M0 M24标注），下面就针对这些采样点来解释整个接收电路的工作过程。系统开始运行时，各个状态准备好后，通过对 AT89C51的 INT1引脚进行控制，来完成测试波的发送，同时计数装置开始工作，当反射波到来时，通过电平的变化，至使计数装置停止工作，同时引起AT89C51的INT0中断，进而开始信号处理工作。具体的过程如下分析：测试波的发送过程附录B中的控制电路模块5号管脚在附录C中，发送脉冲前， INT1引脚为低电平“0”，附录B中的1#单稳态触发器（74121）的引脚为高电平“1”，经一非门后，变为“0”，使得与之相连的Q1三极管处于截止状态，所以低压脉冲被阻止加到被测电缆上 。如附录中C图，各个状态如表6-3所示。表6-3 附录C中各个采样带内的状态M24M23M15M14M16M17M18M19M200101 10011，； 由以上可知，M17的状态为0，由D触发器的性质M19状态为“1”，M13的状态不定，所以M21、M22均处于无状态，指示灯不会亮。此时各个部件都处于待发状态，不引起任何的动作。发送脉冲时，主控系统将INT1引脚发生电平正跳变，即INT1引脚，在附录C中的1#单稳态74121触发器的引脚发生，经过一非门后变为，使与之相连的Q1 三极管短时导通，进而低压负脉冲波可以加到测试线路上， 开始测试。而此时接收电路上的各点状态已开始变化。如下表6-4表6-4 附录C此时各点状态M24M23M15M14M16M17M18M19M201因为，当由“0”到“1”跳变时，M9、M11的状态不定，因而M14的状态也不确定。而，当M16发生瞬间变化（由“1”到“0”），则M17也瞬间变化（由“0”变到“1”）；由于74121是单稳态触发器，所以M16又发生瞬时变化（由“0”变到“1”），由于M14的状态不定，因而M17的状态也不定。当M18瞬时变化（由“0”变到“1” ），并不能引起M20状态的变化，不会触发中断。而当M19瞬时变化（由“0”变到“1”），也不能引起M21、M22状态的变化，指示灯依旧不亮；但这一变化却使计数装置的开始工作，计数开始。需要说明的是，脉冲的发射是在瞬间完成的，各点的变化也是瞬间进行的。发送脉冲以后，INT1引脚保持高电平“1”，在附录C中的中1#单稳触发器的引脚也保持高电平“ 1”，经过一非门，变为“0”，使得Q1三极管处于截止状态以脉冲不能加到被测线路上。而此时附录C中的各点状态如下表6-5表6-5 各点状态M24M23M15M14M16M17M18M19M201011101这时，M18为1，M20的状态保持不变，INT0不会触发。同时，M19为0，M21、M22仍处于无效状态，指示灯不会亮；计数装置已正在计数，整个系统处于新的待发状态。反射波的接收过程本次设计中，主要利用低压脉冲波来检测通信线路故障。图4-2画出低压脉冲波对短路、断路故障的反射波形15。据图4-2分析可得，当发生断路故障时，返回波值为负，取为-1；当发生短路故障时，返回值为正，取为+1；而当线路无故障时，返回的波值为0。此时附录C图中，各点的状态如下表6-6所示：M0M2M4M5M6M7M9M10+111001001111-1001101当M0为+1时， M2为1，M6为0，三态门2满足条件，输出M9为0；M2为1，M7为1，三态门1不满足条件，M10没有信号。当M0为0时，M2输出无， M6为1，三态门2不满足条件， M9输出无；M2输出无，M7为1，三态门1不满足条件，M10无。当M0为-1时， M2为0，M6为1，三态门2不满足条件，M9输出无；M2为0，M7位0，三态门1满足条件， M10输出为1。上述分析中，M2为无，说明不是高电平，也不是低电平，而是介于高低电平之间的一种状态，是不满足工作要求的。M9无、M10无也是同样情况。在附录C中，各点的状态如下表6-7：表6-7M9M10M11M12M13M15M14M16M17M18M19M20011110111011011110，依上表各采样点所示，当有脉冲波返回时，M18均发生瞬时变化（由“0”到“1”）此时3# 74121单稳触发器开始工作，在M20线上引起脉冲跳变（先“1”到“0”，再由“0”到“1”），由于系统INT0中断负跳变触发是由软件设置的，即当M20由“1”变到“0”时，就触发INT0中断，然后继续进行后续的数据处理。M19发生瞬时变化（由“0”到“1”）时，D触发器在时钟的控制下工作，M13为0时M22为1，绿灯亮，显示为短路故障；M13为1时，M22为0，红灯亮，显示为断路故障。与此同时M19的变化也引起74LS390计数器停止计数。以上的发射波接收是瞬间完成的，各点的变化也是瞬间进行的。上述的线路作用是有一定范围的，超过了测量的范围，上述分析的电路也就没有多少意义了。所以还必须配合软件设计，即利用定时器中断来加以判别。信号发射电路、接收电路，和主控单元配合能完成设计工作，即给被测电缆加上测试波，能及时准确的接收反射回来的故障波形，并将结果通过数码管和发光二极管显示出来。综上所述，对系统工作过程的分析是从理论上说的，在实际的现场中可能会存在一定的差别，但由于脉冲测试的时间非常之短，实际中也有可能实现。但还得考虑现场环境因素的影响，还必须有抗干扰能力和防止误操作能力，仅通过对INT1、INT0引脚和定时器 T 0的控制是不够的，系统还须有其它辅助电路。第7章 系统部分软件的设计要完成本次测试仪的设计，除对系统主控部分和发射电路、接收电路的硬件设计，还必须对系统主控单元进行主程序的设计和中断程序的设计。软件部分能实现硬件系统功能，而且也能提高系统的抗干扰能力和提高系统的精确度。本次软件设计主程序和中断程序采用汇编语言，考虑到本次设计的仪器是在错综复杂的环境中应用的，仅仅用上上述所说的硬件抗干扰电路还不够，必须在软件编程中加上软件看门狗程序，防止程序跑飞。7.1主程序设计系统主电路初始化主程序中AT89C51芯片中的定时器控制方式包括TMOD（定时/计数器方式控制字）（TCON）定时器控制寄存器。下面简要介绍其工作原理：表7-1 TMOD定时器方式控制字的格式D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/M1M0GATEC/M1M0由上表可见，TMOD的高4位控制T1、低4位控制T0。C/-计数器工作方式选择位。当C/=1时，选择T0或T1为计数器方式；当C/=0时，选择定时器工作方式。本次设计选用D6=0，D3=1；即T1为定时器，T0为计数器。M1M0-工作方式控制位，用户无论选择计数器方式还是定时器方式，均有4种工作方式组合对应，D5D4位M1M0=00，即选用13位计数器方式；D1D0位M1M0=11，即此方式下T0分成两个8位计数器，T1停止计数。GATE-软件门控位、该位和其它几个条件一起通过逻辑电路控制定时器的启动或停止。当GATE=0，TR=1时启动。GATE=1时，则启动计数器工作的条件还需有两个条件满足，即：TR=1和=1。当系统产生中断时，为避免引起其它中断，还需设中断优先级。中断允许寄存器IE进行简要说明：表7-2 中断允许寄存器IED7D6D5D4D3D2D1D0EAESET1EX1ET0EX0EA：CPU中断允许、禁止总控制位。启动中断允许时，EA=116。ES：串行口中断控制位。由于此次设计没用到串行口，所以ES=0，设为禁止。由于本次设计要用到外部中断、和定时器，所以