基于TDR多芯信號電纜故障測試裝置的研制*

呂 瀚 吳雄偉 關偉智 吳林斌

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

基于TDR多芯信號電纜故障測試裝置的研制*

呂 瀚 吳雄偉 關偉智 吳林斌

(中國地震局地震研究所，武漢 430071)

介紹一種基于時域脈沖反射(TDR)的多芯電纜故障測試裝置。使用C8051F005單片機為處理核心，控制CPLD向電纜注入脈沖信號，通過雙機聯測的方式在電纜兩端點同時進行測量，可快速判斷電纜短接，混接以及芯線斷線等故障以及故障點的位置，故障位置定點可精確到5 m以內，該裝置設計成本低廉，操作方便，具有良好的應用前景。

時域脈沖反射(TDR);多芯電纜;雙機聯測;斷路;短路

1 引言

多芯電纜是工程應用中常用的電信號傳輸介質，由于芯數較多，電纜結構一般較復雜，在鋪設安裝過程中極易出現線芯斷裂，在裝配焊接過程中也容易出現短路，芯線錯位等故障。為了保證通訊電纜的正常工作，在電纜施工安裝完成后需進行各項故障測試，排除短、斷路以及芯線錯位等故障。傳統的多芯電纜故障檢測主要采用萬用表、示波器等通用設備進行人工檢測，耗時、周期較長，同時對檢測人員的專業素質的要求較高;而專用的電纜檢測設備可以較精確的判斷單芯電纜斷線、短路等故障，但價格昂貴，對多芯電纜的測量操作過程較為繁瑣。

本文介紹一種基于時域脈沖反射(TDR)的測試裝置，通過雙機聯測的方式，可以快速地檢測出多芯電纜的芯線配對錯位、短路，斷路等故障，并能較為準確地確定電纜的故障點。

2 測試原理

根據電磁波理論，電脈沖信號在電纜中傳輸的過程中，若傳輸介質出現突變(電纜短路、斷路故障點)，脈沖信號將在突變處發生反射［1］，反射系數可由

計算。式中，Zi為電纜線路障礙點的輸入阻抗，Zc為電纜線路的特性阻抗。當線路出現斷路時，輸入阻抗趨向于無窮大，由式(1)可得，反射系數ρ=1，此時反射的電脈沖與初始脈沖幅度相近，相位相同;脈沖全反射且與入射脈沖同相;當線路出現短路時，輸入阻抗接近零，此時反射系數ρ=0，反射的電脈沖與初始脈沖幅度相近，但相位相反［2］。

根據脈沖注入電纜的時間點以及脈沖反射返回的時間點，由

計算出故障點的距離。式中，v為電脈沖波在電纜介質中傳播的速度，t0、t1分別為脈沖發送的時刻與脈沖返回到發送點的時刻?；谏鲜鲈恚虺霈F故障的電纜起始端注入脈沖信號，記下注入脈沖時刻，再依據返回脈沖相位和回時刻，即可對電纜故障類型和位置進行較為精確的判斷與計算［3］。

3 硬件設計

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of the system

依照電纜故障測試原理，在測試過程中，測試設備必須對脈沖注入與返回時刻以及返回波形相位這兩個參數進行較為準確的與判斷，但實現上較為困難。由于脈沖在電纜中傳播的速度較快(一般為200 m/us)［4］，若注入脈沖較寬，或故障點離注入脈沖點距離較近，將會出現返回脈沖與注入脈沖重疊或交疊的現象，無法對脈沖的時間差進行判斷，即存在測試盲區［5］。本文使用雙機聯測的方式來解決測試盲區的問題，測試裝置硬件框圖如圖1所示，采用51單片機系列C8051F005作為主控制芯片，控制EPM570型CPLD向待測電纜注入脈沖，并記錄故障返回脈沖，通過記錄的時間差計算故障點的具體位置。采用CPLD使得裝置控制靈活，響應速度快，并簡化了硬件電路，利用CPLD芯片豐富的內部硬件資源，增強了設計的靈活性，提高了系統的整體性能［6］。

3.1 配線檢測

配線測試方式如圖2所示，將兩套裝置分別接入待測電纜兩端，測試裝置A通過繼電器組向待測電纜中的一根芯線發送測試脈沖，若該芯線無故障，脈沖將會直接傳送到測試裝置B處，B裝置在電纜的另一端依次進行掃描，即可接收到測試脈沖。A裝置依次接通電纜各芯線并發送脈沖，裝置B同步進行接收并記錄，則可完成電纜配線序列的檢測。

圖2 雙機聯測原理圖Fig.2 Principle diagram of dual joint measurement

3.2 斷線與短路故障檢測

若電纜存在故障，返回脈沖將會在電纜故障點處反射，返回到測試裝置，依照上述測試原理即可計算出故障發生的具體位置。由于返回脈沖與電纜故障類型相關，有正負脈沖之分，正脈沖可直接通過CPLD的IO口進行接收，而負脈沖必須進行轉換成正脈沖才能接入IO口。本裝置通過兩路運放進行相位鑒別，圖3為脈沖相位與轉換電路，采用運放AD8021對電纜上的返回波形進行鑒別與轉換，AD8021為高速運放，頻帶可達200 MHz，可滿足本裝置中微秒級脈沖的轉換［7］。電路原理如下，單片機控制CPLD發送測試脈沖，控制MOS管Q1向測試電纜發送幅度+5V的脈沖信號，若電纜出現斷線故障，正反射脈沖信號將經二極管D3與運放U1通道返回到CPLD進行采集，若為短路故障，負脈沖經運放U2反向后變為正脈沖返回到CPLD。

圖3 脈沖相位判別電路Fig.3 Pulse phase discriminating circuit

依據測量原理，計算出發射脈沖和返回脈沖的時間差，即可確認短路或斷路故障點的位置。為了計算時間差，在CPLD中設定3個定時器，分別對圖3中CPLD的3個IO口上的發射脈沖和返回脈沖進行時間計數(圖4)，依據式(1)即可計算出故障點的位置。

圖4 時間差計算示意圖Fig.4 Diagram of time interval calculation

為了防止電纜上高頻噪聲的影響，系統通過重復測量來剔除誤判斷?？赏ㄟ^系統自帶的鍵盤輸入重復測量次數，設定好后系統將自動進行測量，并將各次測量的數值進行存儲，然后計算平均值與方差，根據計算結果剔除無效數據后再計算平均距離，即可得出較為精確的結果［8］。

3.3 測試盲區的處理方法

當電纜故障點與測試裝置距離較小時，由于電脈沖在電纜中傳送的速度很快，將會出現發送脈沖與返回脈沖交疊的現象，在該距離內所有的故障將無法通過回波反射法進行檢測，即存在測試盲區。本系統采用雙機聯測方法解決測試盲區的問題。

按照圖2連接測試裝置和待測電纜，當其中一臺裝置檢測到返回脈沖，注入脈沖時間與返回脈沖時間幾乎一致時，說明故障點距離測試裝置過小，此時將啟動另一臺測試裝置，在遠端進行測量，即可計算時間差和故障點距離。

4 測試結果分析

分別使用100 m、200 m、300 m與500 m長的14芯電纜對本裝置進行測試，經檢測，發現系統可精確地測量電纜的配線線序。人為將電纜的一端芯線斷開或與系統地短接，使用50 ns方波脈沖進行測試，系統測試結果如表1。

表1 系統測試結果(單位：m)Tab.1 Results of system test(unit：m)

從測量結果中可知，系統可較為準確地判斷出故障的位置，但測量結果與實際位置相比普遍偏大，經分析可能是由于相位判別電路的對脈沖信號的延遲所造成的。

5 結論

以單片機為控制核心，采用 TDR原理通過CPLD進行電纜故障測量，簡化了多芯電纜的配線線序檢測、短路與電路故障的檢測，大大降低了設計成本。

1 王薔.電磁場理論基礎［M］.北京：清華大學出版社，2001.

2 肖利.電磁學［M］.北京：科學出版社，2011.

3 鄧忠禮.數字傳輸系統測試［M］.北京：人民郵電出版社，1993.

4 寧瑞林.淺談電纜故障探測［J］.科學論壇，2003，2：45.

5 余景豐.電纜故障測尋新技術及其特殊波形的分析［J］.冶金設備管理與維修，1994，5：28-30.

6 石鴻凌，姜琳峰，孫洪.基于CPLD的可控電抗控制器［J］.信息與電子工程，2003，3：57.

7 Analog Devices.Low noice，high speed amplifier for 16-bit systems［S］.AD8021，Rev.F.

8 孔令海，何虎軍.采集數據無效值的剔除方法［J］.信息技術，2006，4：89-90.

MULTI-CORE CABLE TEST DEVICE BASED ON TIME DOMAIN REFLECTOMETRY(TDR)

Lü Han，Wu Xiongwei，Guan Weizhi and Wu Linbin
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

This paper presents a multi-core cable test device based on the time domain reflectometry(TDR).A microcontroller of C8051F005 is used for controling CPLD to send pulse signal to the cable.With this design and dual joint measurement mode，the faults of cable shorted，mixed and the position of borken wires can be quickly detected and the presion of fault fixed-point position can be within 5 m.Because of the low cost and convenient operation，the design will have good application prospects.

Time Domain Reflectometry(TDR);multi-core cable;dual joint measurement;broken circuit;shorted circuit

1671-5942(2011)Supp.-0152-03

2011-05-02

中國地震局地震研究所所長基金(IS20106093)

呂瀚，男，1983年生，碩士，研究實習員，主要從事地震監測儀器的設計研發工作.E-mail：haohan_lv@qq.com

TH762

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