一種基于路燈補償電容的電纜防盜系統設計

王 敏，劉 凱，黃 白

(廣州海格通信集團股份有限公司網通分公司，廣東廣州 510663)

實際應用中照明線路電纜時常出現被盜情況，不僅給國家帶來損失，也嚴重影響了生產生活軼序。為防止電纜被盜，根據目前節能路燈照明系統采用單燈補償電容的特性，設計了電纜防盜系統。

1 系統整體設計

電纜上所有照明電燈是并聯的，電纜上的每個照明電燈又可以等效為燈絲電阻和電容的并聯，因而在電纜的一端即可測得線路上并聯路燈電容的大小。如果有電纜被盜，則在電纜一端測得的總電容就會減小。根據測到的電容大小，就能判斷電燈的個數，再結合電纜電燈的物理拓撲，即可判斷出電纜被盜的具體地點。為將電燈的電容特性，用電信號來展示，文中使用了常見的555芯片，用555芯片構成多諧振蕩器，由多諧振蕩器的周期公式T=(R1+2R2)C ln2可知，可將電燈的電容特性轉化為脈沖信號的周期，單片機通過計算脈沖的周期，即可得到電纜上電容的大小、從而判斷電纜是否被盜，以及被盜的具體位置。當單片機檢測到電纜被盜時，就會向自動摘掛機模塊發出一個摘機信號，然后將原先設定的電話號碼發給自動撥號模塊，撥號報警。該設計的總體框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

2 電路模塊設計

2.1 繼電器陣列與555陣列及路選模塊設計

在系統與電纜的接口部分，文中共用到24個繼電器，構成了一個繼電器陣列，所有繼電器初始時均處于常開狀態，唯獨在時鐘開關閉合時，才轉到常閉狀態，使系統連接到電纜。這是由于電纜被盜行為大部分都發生在電纜無電的情況，文中通過時鐘開關控制繼電器陣列，使系統只在電纜無電時才連接到電纜，監測電纜是否被盜。繼電器陣列中的每個繼電器分別對應一個有555芯片構成的多諧振蕩器，單個多諧振蕩器的電路圖如圖2所示。該類多諧振蕩器在系統上也有24個，構成了一個555芯片陣列，其輸入端通過繼電器陣列分別與電纜中的零線及24根火線相連，其輸出端均連接在一個由3個4051芯片構成的路選模塊上，單片機通過控制片選模塊，選擇對某條線路進行檢測。

這里采用的繼電器都是機械式的而非電子式，因為機械式繼電器的電氣特性比電子式的特性好，不會影響對電纜電容的測量。在多諧振蕩器中，先在555芯片的1腳和2腳之間連接一個1μF的電容，使系統在未連接電纜之前，多諧振蕩器就能起振，方便電路故障的檢測，減小誤差。因為，在確定電纜上電燈個數時，是以計算出的脈沖正周期的大小是否落在以初始化時的脈沖正周期的大小為中心的一個誤差范圍內，若在此范圍內，則認為電纜上電燈的個數與初始化時的個數相等，否則不等。而在計算脈沖正周期的大小時，采用的是計算在其間通過計時脈沖的個數，如果多諧振蕩器產生的脈沖的正周期越大，那么在其間通過的計時脈沖的個數則越多，計算出的脈沖周期的誤差相對就越小。當然，也不是正周期越大越好，因為正周期越大，文中并接得電容就越大，在電纜電容發生變化時，輸出的正周期變化相對也就越小，反而影響測量。鑒于這兩方面的原因，通過計算和實際測量，發現與電纜電容并聯一個1μF的電容是最佳選擇。路選模塊中用到的4051芯片是一個8選1的數據選擇器。

圖2 由555芯片構成的多諧振蕩器電路圖

2.2 單片機模塊及復位模塊設計

單片機模塊是整個系統的樞紐，負責協調控制整個系統的工作，任務的完成是由運行在其上的程序決定，其工作情況直接決定著系統的正常與穩定。為防止單片機由于外界因素而進入死循環，文中采用復位模塊。實際上是一個由5045芯片構成的看門狗電路。其工作原理是若系統發生死機，不能及時喂狗，復位模塊就會發出一個復位信號，使單片機重新進入正常工作狀態，這就保證了系統的穩定性。

2.3 自動撥號設計

該系統是基于PSTN的設計，需要將電話號碼轉化成DTMF信號。為完成這一工作，并做到電路的穩定，此模塊采用由MT8888芯片構成的電路。MT8888是一種可與單片機直接連接的雙音多頻收發器件;有5個寄存器:發送數據寄存器(TDR)、接收數據寄存器(RDR)、狀態寄存器(SR)、控制寄存器A(CRA)和控制寄存器B(CRB);6種工作模式:DTMF模式、呼叫處理(CALL)模式、突發(BURST)模式、單/雙音(S/D)產生模式、測試(TEST)模式、中斷模式。各種模式的選擇如表1和表2所示。設計中重點用到了DTMF模式，CALL模式和BURST模式。

表1 控制寄存器A(CRA)的功能

表2 控制寄存器B(CRB)的功能

在圖3電路中，利用單片機在讀寫過程中，ALE管腳自動變為低電平的特性，將單片機的ALE管腳和MT8888的CS_自接相連，使在單片機與MT8888傳送數據時自動選中MT8888芯片。在撥號階段，先對MT8888進行初始化，再通過設置MT8888的控制寄存器A與控制寄存器B，使MT8888工作在DTMF模式和BURST模式下。隨后，通過MT8888的D0～D3管腳，向MT8888發送預存的電話號碼，經MT8888編碼后，生成DTMF信號，再由MT8888的Tone管腳送到電話交換機。應注意的是，對MT8888芯片而言，DTMF信號的0對應的是編碼中的“1010”而非“0000”。TONE腳到電話線之間要有一個二極管，如圖3的D8888_1，具有保護電路的作用，防止在檢測回鈴音時，從交換機發送的回鈴音信號送到 MT8888的輸出端，影響MT8888的正常工作。在摘機判別階段，通過設置MT8888的控制寄存器 A和 B，使 MT8888工作在CALL與 BURST工作模式下。此時，回鈴音先從MT8888的IN腳輸入，經MT8888的轉換，變成脈沖信號，經MT8888的IRQ_管腳，送到單片機的T1腳，經過單片機計算該脈沖的占空比和周期，就可判斷出是否為回鈴音，這就能確定電話是否接通。如果對方摘機應答，交換機就會停止送回鈴音，系統則可判斷對方已經摘機，此時，單片機可向語音模塊發送播放語音的指令。

圖3 MT8888工作電路圖

2.4 語音模塊設計

設計采用人性化設計，使用語音報警。在進行語音模塊設計時，為方便控制及傳送高度保真語音，采用ISD25120芯片。

圖4 由ISD25120芯片語音電路圖

設計中采用的電路如圖4所示，圖中總線(A0～An)與單片機相連，OU_HE與電話線接口電路相連。考慮到遠距離測量補償電容時會產生較大誤差，設定的檢測距離會縮短為東西各750 m，再考慮到單片機的管腳數目及語音的連續性，采用了ISD25120的地址模式。在錄音階段，則采用地址模式，使用ISD25120芯片的錄音電路，將分解的語音段存儲在不同的地址上，以被單片機調用，組成所需的語音。具體的錄音長度可自由更改，但要防止因重疊而產生的語音覆蓋現象。在放音階段，先使 CE_變為低電平，選中ISD25120;然后使PD由高電平變為低電平，P/R_腳變為高電平，再通過控制語音芯片的地址，調用各段語音，根據語音段的結束標志_OEM，轉到下一段語音，這就能組成各種情況的語音。

2.5 電路設計

為能夠將雙音多頻信號及語音信號耦合到電話線上，又不使電話線上相對較高的電壓加到電路上，以至于損害電路，可通過繼電器，控制摘機操作。當繼電器閉合時，300Ω電阻就并聯在電話線的兩端，使電話線上兩端的電壓下降，達到模擬摘機的作用。同時在電路中采用耐壓電容隔絕電話線上的直流電壓，通過1∶1音頻耦合變壓器，將音頻信號耦合到電話線上。

3 軟件部分設計

根據從變電所輸出8根主線，每根主線包含三根火線和一根零線。如果給主線編號，各個主線與變電所及馬路的位置是按如下規定，第1、2號主線的方向是從變電所向東馬路右側;第3、4號主線的方向是從變電所向東馬路左側;第5、6號主線的方向是從變電所向西馬路右側;第7、8號主線的方向是從變電所向西馬路左側。相鄰兩根主線的結構及其電燈的分布特點如圖5所示，每根主線上兩盞相鄰的電燈的距離是100 m，相鄰的兩條主線上對應的兩盞相鄰電燈之間的距離為50 m。

圖5 相鄰兩根主線的結構及其電燈的分布圖

在確定斷線的方位和位置時，根據電燈的電容特性，可依次掃描各個主線上的各根火線與零線之間的電容值，來確定對應火線上電燈的個數，進而判定斷點處的位置。以第1、第2號主線為例，如圖5所示。在掃描主線1時，先掃描火1與零1之間燈的個數，可確定斷點處在燈1和燈7之間，再掃描火2與零1之間燈的個數，就可知道斷點處在燈2和燈7之間，接著掃描火3與零1之間燈的個數，則可確定斷點處在燈2與燈3之間。和掃描主線1的步驟相同，接著掃描主線2，就可發現斷點處位于燈4與燈5之間。然后根據主線1與主線2之間的位置關系，可確定斷點處位于燈2和燈5之間，位置可以精確在50 m范圍內。

程序初始化階段包含要用到的各個參數的初始值的設定和單片機的自學習過程。自學習就是每次系統啟動時，單片機通過計算從555芯片送入的脈沖周期，確定電燈的個數，并將結果作為基準存儲到指定單元中，當系統在運行過程中發現某條電纜上電燈數目與存儲單元中與其對應的電燈個數不同時，就會啟動報警程序。增加自我學習過程是為應對以后變電所有可能根據實際需要而做出的電燈的正常增減，使系統不至于在正常增減的情況下，發生錯誤報警，提高系統的自適應性。摘機并報告位置的程序流程圖如圖6。在此程序流程圖中，是以單片機存放兩組電話號碼為例說明報警的過程，并可根據需要，自由增減電話號碼。

圖6 摘機并報告被盜位置的流程圖

4 結束語

在實際應用中，可以在環城路的每個變電所內安裝該系統，各系統可以檢測對應變電所的左右各750 m距離的電纜，誤差距離可控制在50 m以內，具有較好的防盜報警效果。并且，通過對撥號模塊的改進，便于做出基于GSM和小靈通等無線方式的報警系統。

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