电缆故障测试仪脉冲法原理

  华意电力是一家专业研发生产电缆故障测试仪的厂家，本公司生产的电缆故障测试仪在行业内都广受好评，以打造最具权威的“电缆故障测试仪“高压设备供应商而努力。电缆是通信、测试等系统信号传输的重要载体，随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆也越来越频繁地发生故障。电缆线路的隐蔽性及测试设备的局限性，使电缆故障的查找非常困难。本文设计了一种以嵌入式微处理器Nios为核心的电缆故障检测仪，应用A／D器件和FPGA组成可变频率的高速数据采集系统，利用低压脉冲反射法原理来实现线缆的断路、短路、断路点、短路点的检测与定位。该仪器可广泛应用于通信维护、工程施工和综合布线，对市话电缆、同轴电缆等各种线缆进行测试和障碍维护。

1 系统总体结构
  利用低压脉冲反射法检测电缆故障。主要原理是：向电缆发送一个电压脉冲，当发射脉冲在传输线上遇到故障时，由于故障点阻抗不匹配，产生反向脉冲，通过计算二者的时间差△T，并分析反射脉冲的特性来进行故障的定性与定位。该方法适用于断线、接触不良、低电阻或短路故障的测试。
故障点距离L为：L=V·△T／2。式中，V是脉冲在电缆中的传播速度。根据反向脉冲的极性可判断故障性质：断线或接触不良引起的反向脉冲为正，低电阻或短路故障引起的反向脉冲为负。
  电缆故障测试仪是一个便携式电缆故障检测设备，可利用现代电子技术(如高速A／D技术、异步FIFO技术、现场可编程逻辑阵列FPGA等)来提高集成度和灵活性。系统总体结构如图1所示。

  脉冲发生电路产生探测脉冲，高速的A／D转换器对脉冲及其反射回波信号进行采样，使用异步FIFO作为A／D采样数据的缓存。软核Nios作为系统核心，控制检测任务的启动和结束、脉冲发送接收模式的选择、A／D采样数据的处理计算、故障性质和位置的判断及显示等。其中，软核处理器和逻辑功能都是在现场可编程逻辑器件中编程实现的。

2 功能及性能指标
短路测试：检测电缆芯线之间是否有不必要的连接及其位置。
断路测试：检测电缆中某芯线是否断路及其位置。
显示：显示测试结果，即测量中开路及短路的位置。
测量范围：2～1000 m。
测试精度：可选择2 m和10 m两种精度。
脉冲振幅：负载开路5 V。
脉冲宽度：20 ns，100 ns。
最大采样速率：100 MHz。
波形记录长度：1024点。 
3．1 微处理器系统
简单来说，Nios是一种处理器的IP核，设计者可以将它放到FPGA中。Nios软核处理器是一种基干流水线的精简指令集通用微处理器，时钟信号频率最高可达75 MHz。采用Flash来存储启动代码和应用程序，当系统复位或加电启动时，Flash中的启动代码将被执行。采用SDRAM存储应用程序的可执行代码和数据，为程序提供运行空间。Nios软核与Flash和SDRAM的连接在FPGA中的设计如图2所示。

3．2 探测脉冲的产生
  故障检测所用脉冲信号的宽度为20～100 ns，FPGA的工作时钟可以达到200 MHz，在其中生成减法计数器可产生满足脉宽要求的脉冲信号。减法计数器产生脉冲的幅度受限于FPGA的工作电平，对检测来说是不够的，因此从FPGA中出来的方波脉冲还要经过放大，才可以耦合到被检测线缆中去。脉冲信号调理电路如图3所示。SN74LVC4245A用作电平转换。sta和pulse_input均来自FPGA。

3．3 A／D转换电路
检测脉冲的宽度为20～100 ns，相应的数据采样率在20 MHz和100 MHz之间变化，一般的A／D芯片很难满足采样的要求，而用多片A／D芯片在成本和设计上都比较困难。这里选用美国NS公司的ADC08100，其采样速率为20～100 Msps，此时采样的功耗为1．3 mW／Msps，采样的功耗会随着采样时钟增加而增加，但是采样的特性不会受到影响，因此在采样率多样的系统中一个芯片可以起到多个芯片的作用。根据采样速率的不同，通过一个时钟控制模块产生相应的采样时钟信号，使芯片工作在所要求的速率之下，既可以节约成本，又可以简化设计。ADC08 100和FPGA配合使用，可以方便地改变采样时钟，具有很大的灵活性。
A／D转换电路如图4所示。探测脉冲及回波信号需要转换成适合A／D芯片电压水平的信号后再进行采样。脉冲在输入运算放大器之前进行了钳位处理，采用两组倒置的二极管并联，避免脉冲过高而击穿运算放大器。

3．4 时钟信号的产生
检测脉冲的产生、ADC08100的采样，以及异步FIFO的数据缓存构成了一个高速A／D数据采集系统。这对于各种信号的时间配合要求很高，需要专门的时钟单元来配合，以使电路工作在正确的时序之下。在FPGA中可方便地定制时钟模块来产生A／D采样时钟、异步存储器的读写时钟，以及脉冲发生模块的计数时钟。所有的时钟都是由一个高速的时钟来实现同步的，并且整个系统是在同一个启动信号下同步运行的，从而保证了采样的时序要求。
3．5 电源模块
系统中既有模拟电路又有高速数字电路，使用电源种类复杂，存在+5 V、+3．3 V、+1．2 V、-5 V等多种电源信号。在电路板设计制作中既要减小高频数字信号对模拟信号的电磁干扰，又要避免各种电源之间的干扰，因此需合理规划模块布局及布线走向以提高信号稳定性。

4 软件设计
软件设计主要包括FPGA的开发应用、应用程序设计以及液晶显示器的驱动程序设计等。
4．1 FPGA开发应用
现场可编程逻辑器件FPGA(Field Programming Gate Array)具有高密度、高速度、低功耗、功能强大等特点。在此系统中采用了Altera公司的CycloneII系列器件来实现高速的数据采集、存储功能，是在QuartuslI 7．1软件中使用硬件描述语言VHDL来设计完成的。高密度可编程逻辑器件的设计流程包括：设计准备、设计输入、设计处理和器件编程4个步骤，以及相应的功能仿真(前仿真)、时序仿真(后仿真)和器件测试3个设计验证过程。
本设计中，主要包括Nios微处理器、脉冲发生、高速时钟以及高速数据存储FIFO等模块的设计。
4．2 应用程序设计
应用程序控制检测任务的启动和结束、脉冲发送接收模式的选择、A／D采样数据的处理计算、故障性质和位置的判断以及结果输出等。