李丹丹 郝婧 李劍菡

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

通信電纜故障測試儀的設(shè)計

李丹丹 郝婧 李劍菡

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040）

通信電纜是指用于近距音頻通信和遠距的高頻載波和數(shù)字通信及信號傳輸?shù)碾娎|，是我國五大電纜產(chǎn)品之一。 它主要用于近距音頻通信和遠距的高頻載波和數(shù)字通信 ，廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。如何快速準確探測通信電纜故障，減少故障歷時，提高通信電纜的工作穩(wěn)定性，是當(dāng)前通信線路領(lǐng)域一項重要的研究課題。本文將提出電纜故障檢測儀硬件電路設(shè)計的基本方案。

通信電纜 故障 測試儀 設(shè)計

1 引言

通信電纜是指用于近距離音頻通信和遠距離高頻載波數(shù)字通信及信號傳輸?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。如何快速準確探測通信電纜故障，減少故障歷時，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)、計算機數(shù)據(jù)傳輸線及重要交通運輸控制領(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，是社會經(jīng)濟發(fā)展和科技進步的重要標志之一。從目前的發(fā)展趨勢可見，光纜仍然沒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)量和擴大數(shù)據(jù)的流量。

圖1

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，電纜絕緣層承受過電壓信號，導(dǎo)致暫時性擊穿，最終導(dǎo)致造成絕緣層破損.

2.3 故障點及故障性質(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量各相的絕緣電阻及對地絕緣電阻。一般根據(jù)以下情況確定故障類型：

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

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

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

（4）當(dāng)測到電纜有一芯或幾芯導(dǎo)體不連續(xù)，且低電阻接地時， 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，發(fā)生部位大多在電纜終端和中間接頭。閃絡(luò)有時會連續(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 故障的測試方法

3.1.1 二次脈沖法

在故障點起弧的瞬間通過內(nèi)部裝置觸發(fā)發(fā)射一低壓脈沖，此脈沖在故障點閃絡(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)一正常的低壓測量脈沖到電纜中，此低壓脈沖在故障處（高阻）沒有擊穿產(chǎn)生通路，直接到達電纜末端，并在電纜末端發(fā)生開路反射，將兩次低壓脈沖波形進行對比，非常容易判斷故障點（擊穿點）位置。儀器可自動匹配，自動判斷計算出故障點距離。

3.1.2 閃測法

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

我們設(shè)計的檢測儀主要實現(xiàn)功能是檢測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。可以采用高壓通過電纜，通過電纜的信號輸出來確定電纜的通斷情況，對于絕緣情況則是通過相鄰電纜的信號輸出情況來判斷，所以本電路采用閃測法。

3.2 電纜測試儀的設(shè)計

我們采用主從控制器檢測電纜。用主控制器產(chǎn)生電壓，從控制器進行電壓檢測，主從控制器通過電纜相連接，從而達到對電纜的檢測。

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

3.2.1 主控制器

單片機最小系統(tǒng)為本系統(tǒng)的控制核心。為了保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性我們購買了單片機最小系統(tǒng)板K60系列的MK60FX512ZVLQ 15。這個最小系統(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，以提供檢測絕緣電阻所需的電壓。從實際出發(fā)我們用開關(guān)電源替代高壓產(chǎn)生電路，達到電路穩(wěn)定的效果。我們在實際中采用了WD990微機電源。用正弦信號發(fā)生器電路產(chǎn)生了1000hz的交流信號。

（2）高壓檢測電路。檢測200V的高壓是否正常，就要用到了高壓檢測電路。此電路為單片機提供了自檢信號，用大液晶顯示，基準電壓是3.3V。高壓檢測電路由電阻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的基準電平（分別由+24V通過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；高壓過低則U1：A輸出變高，高壓過高則U1：B輸出變高。這樣k60單片機通過其P2.3的電平即可判斷出高壓是否正常。其中TL062利用一個電壓跟隨器和一個反向器將-12V轉(zhuǎn)換為正電壓（4V左右）之后送給單片機，從而達到對電壓檢測的功能。該電路利用多個檢測電路對+200V、+24V、+19V、+12V、-12V電壓進行了檢測，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個繼電器，它們的一端通過隔離電阻R2（1K）接到高壓上，常開觸點分別與被測電纜的各芯線連接。每個繼電器的線圈兩端并聯(lián)1個二極管，其作用在于防止繼電器釋放時線圈兩端產(chǎn)生很高的電動勢，損壞繼電器驅(qū)動電路。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4個IO口選擇并驅(qū)動繼電器吸合。（U4～U8為繼電器選擇電路）U4～U8由k60單片機控制，通過4個IO口輸出的高低電平控制74LS138再通過74LS138進而控制7407經(jīng)驅(qū)動后使對應(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行數(shù)據(jù)交換，采用NRF2401接口，主從機分別有一個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，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器。NRF的驅(qū)動器擺率不受限制，可以實現(xiàn)最高2.5Mbps的傳輸速率。這些收發(fā)器在驅(qū)動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，特別適合工業(yè)控制場合，內(nèi)置2.4Ghz天線，體積小巧15mm×29mm，模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示），可直接接各種單片機使用，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)答機制，極大的降低丟包率。

（6）+5V電源。+5V電源采用了WD990微機電源。

3.2.2 從控制器

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

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

（2）信號檢測電路。信號檢測電路的作用在于檢測信號選擇電路送來的電壓信號，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。通過交流信號接整流電路，輸出2，5v左右直流信號，經(jīng)過單片機對比3和0來識別電路的通斷。單片機輸出，經(jīng)過138譯碼器和緩沖器選擇各路狀態(tài)，單片機顯示電纜號、測定通路、斷路、短路，以及對應(yīng)的短路號。

3.3 尋跡

尋跡器的信號源，音頻信號振蕩器的振蕩頻率約1kHz。音頻信號振蕩器的輸出端接有一只電感，其作用是防止測試過程中發(fā)生探頭短路而損壞555電路。音頻信號輸出端連接一只信號輸出插孔CKl，用來與被測電纜的芯線連接，以便輸出測試信號。運算放大器Al組成一個電壓跟隨器。運算放大器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，用來濾除50Hz的交流信號。運算放大器A3組成一級信號放大器，將有源濾波器輸出的信號進行放大、輸出后通過一只晶體式耳機放出。信號放大器的放大倍數(shù)由R12與R13的比值確定，約為34dB。

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

4 方案分析討論及合理改進方向

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

5 結(jié)語

本方案采用閃測法診斷電纜的故障，成功解決了多芯電纜檢測中的下列技術(shù)難點：①多芯電纜快速檢測技術(shù)；②潛在電纜故障預(yù)測技術(shù)；③高精度電纜故障點定位技術(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)用范圍的擴大，對其安全性和可靠性的要求也越來越高。本檢測儀對提高大型裝備的整體可靠性和減少電纜資源的浪費意義重大，有著廣泛的應(yīng)用前景。

［1］蔡元宇.電路及磁路（下冊）［M］.高等教育出版社，1995.

［2］王世一.數(shù)字信號處理［M］.北京工業(yè)學(xué)院出版社，1987.

［3］胡慶.通信光纜與電纜工程［M］.人民郵電大學(xué)出版社，2005.

［4］李勝祥.通信電纜線路障礙測試技術(shù)［M］.北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［5］李全利.單片機原理及應(yīng)用技術(shù)［M］.高等教育出版社，2001.