通信线路故障测试仪设计.doc

吉林化工学院毕业设计说明书通信线路故障测试仪设计The Designing of Malfunction Apparatus for the Linesof Communication学生学号： 04530222 学生姓名： 黄光浩 专业班级： 电信0601 指导教师： 杨明 职 称： 助教 起止日期：2010.3.52010.6.22 吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology33 / 40摘 要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。本文介绍了一种利用低压脉冲反射法测量通信电缆断点故障位置的方法，及89C51单片机建立电缆断点故障的测距系统。通过该系统控制发射高频脉冲，将脉冲波幅度提高，结合设备载波送入电缆，脉冲波在电缆中传播，遇到高阻的断点、终端点就会发生反射，反射波又经脉冲接收电路到达该系统。在线获取从发射脉冲波开始到接收反射脉冲波为止的时间，计算出电缆断点故障点的准确位置。该系统结构简单、操作简便、测距精度较高、应用效果良好。为了体现设计内容具有现实意义，能够将理论设计应用于实际，在附录中对测距电路主控、发射电路、接收部分电路用Protel 99se画了原理图及对接收电路做了PCB设计。关键词：通讯线路；脉冲；故障测试；单片机AbstractIn order to fast accurate the position which found the communication cable fault to occur,The prompt repair faulty line, guarantees the entire communication network the security stable movement, reduces economic loss which because the communication lines breakdown brings, patrols economical the line manpower and the physical resource. So it is very important to study and develop a efficacious of fault location equipment.The method of measuring the distance of breakpoint fault of communication cable with low voltage pulse reflection and related systemestablished by 89C52 single chip computer ale presentedIn this system ，high frequency pulses were generated and the amplitude were raisedThrough the carrier of the device，the pulse wave was sending into the cableThe wave would be reflected when it reached the breakpoint because of the high resistanceTh e reflective wave would be sent back to pulse receiving circuit in the systemBy calculating the time period be-tween sending and receiving of the wave，accurate po sition of the breakpoint could be determinedTh e system is in simple construction and easyoperation，It ofers precise distance measurement and excellent efects.In order to manifest the design content has the practical significance, can apply in actual the theoretical design，the range-measuring circuit master control, the transmission circuit, the receive partial electric circuits has been drawn the schematic diagram with Protel 99se in the appendix,and also the receive partial electric circuits has been made the PCB design.Key Words：Communication lines；Pulse ；fault test；signle chip computer目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论1第2章 通讯线路故障分析22.1通讯线路故障性质分类22.2通讯线路故障产生的原因3第3章 线路故障探测方法选择53.1测试方案的选择53.1.1电桥法53.1.2低压脉冲反射法63.1.3冲击高压闪络法63.2电缆故障精确定点的方法73.3 方案的选择7第4章 低压脉冲测测试法84.1低压脉冲反射法工作原理84.2 表的格式说明波形比较法判断故障法94.3 内部阻抗平衡技术104.3.1 使用内部阻抗平衡技术的原因104.3.2 内部平衡阻抗技术11第5章 系统主控单元硬件电路设计135.1单片机型号的选择135.2系统辅助单元的硬件选择及电路设计135.2.1信息输入装置135.2.2数码显示输出145.2.3计时单元的选择及硬件电路设计15第6章 脉冲发生及接收单元电路设计166.1脉冲发射电路设计166.2脉冲接收电路设计17第7章 系统部分软件的设计227.1主程序设计227.2定时器T0中断子程序设计247.3中断中断子程序设计24结 论26参考文献27附录A系统主控单元电路连线图28附录B 信号发射电路图29附录C 信号接收电路图30附录D 信号接收电路的PCB设计311 建立工作环境312原理图设计313 PCB电路板的制作步骤31致 谢33第1章 绪论电缆故障是通信行业中的常见故障，电缆测距是排除电缆故障的前提条件，准确的电缆测距可以缩短发现故障点的时间，利于快速排除故障，减少损失。由于通信电缆的隐蔽性敷设，简单工具无法判定断点故障，需采取一定的测试方式和手段来测定断点故障位置，以进行检修排除故障。长途通信线路故障通常可分为断路、短路、线路老化、线上信号衰减速超标等。对这些故障的诊断,国内电信部门原来采用手摇式兆欧表、话筒、电平表、振荡器等工具加以检测、分析、判断。很显然这些测试手段不仅精度低,设备笨重,且操作费时费力,已不能适应现代化通信发展对故障测试排除的需要。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2章 通讯线路故障分析2.1通讯线路故障性质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，表现为低阻、泄露性高阻、闪络性高阻和开路等四种情况1。低阻故障。相之间及相对地之间绝缘电阻低于10K，一般常见单相接地、二相短路。泄露性高阻故障。相之间及相对地之间绝缘电阻大大低于正常值，电缆绝缘介质已损坏并形成固定的电阻通道，一般常见单相接地、二相短路。闪络性高阻故障。在通讯电缆预防电压范围内，电缆泄露电流突然增大，并超过被测电缆所要求的规范值，而当电压降低时，绝缘又恢复，虽然电缆绝缘介质已损坏，但未形成固定的电阻通道。开路故障。通讯电缆绝缘正常，但不能正常送信号，芯线似断非断2。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。图2-1 电缆故障等效图间隙击穿电压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、高阻与闪络性故障。根据以上分析的四种故障形式分类如下:表格1-2 故障形式分类故障形式Rf间隙的击穿情况低阻小于10Z0Rf不是很太低时，可用高压脉冲击穿高阻大于10Z0高压脉冲击穿闪络直流或高压脉冲击穿开路在直流或高压脉冲作用下击穿为选择测试方法的方便，依目前流行的故障检测技术，低阻、开路故障可运用低压脉冲反射法，高阻故障用冲闪法，而闪络性故障则用直流闪络法。现场的工作人员有把Rf40km,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。具体电路接线图见附录A。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M24M23M15M14M16M17M18M19M20010110011，； 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，T