一種數傳電纜長度測量系統的設計

劉 弛，陳永軍

（長江大學電子信息學院，湖北 荊州434023）

隨著國民經濟的快速發展，電纜在電力系統中的應用數量越來越多，應用范圍也越來越廣，但同時電纜故障也越來越頻繁，不僅帶來了巨大的經濟損失，也給人民群眾的日常生活帶來了諸多不便。因此，準確快速的檢測電纜故障并找到故障位置對企業和用戶都具有十分重要的意義。筆者通過對脈沖反射法的原理分析，設計了一種基于數字信號控制器和FPGA［1］的電纜長度測量系統，并進行了實際測試，取得了比較理想的效果。

1 數傳電纜測量原理

電纜長度測量有多種方法，筆者提出的基于數字信號控制器和FPGA的數傳電纜長度測量方法，是在對脈沖在導線中傳播時遇到阻抗不匹配點將被反射回始端的基本原理［2］進行分析的基礎上提出的。實現方案如下：向被測導線（電力電纜，通信電纜等）注入入射脈沖，接收從導線終點（開路端，阻抗不匹配點）處反射的反射脈沖，根據入射脈沖和反射脈沖之間的往返時間差和脈沖在導線中的傳播速度，便可計算出故障點離測試點的距離：

式中，L為被測導線從測試點到終點的距離，m；V為行波在被測導線中的傳播速度，m／s；Δt為入射脈沖與反射脈沖的時間差，s。而行波波速V只與電纜絕緣材料的相對介電系數εr和相對導磁系數μr有關［3］，即：

式中，C為真空光速，m／s。不同絕緣材料的相對介電系數差別較大，因此行波在不同絕緣材料的電纜中傳播速度并不相同，但對于相同絕緣材料的電纜，材料的分布不均對脈沖的傳播速度幾乎沒有影響。因此，V可由查詢絕緣材料的相對介電系數和相對導磁系數經計算得到。為了精確測得Δt，采用的方法是向2個脈沖之間插入頻率為f的高頻脈沖，并對這個高頻脈沖計數。設脈沖個數為n，則有Δt＝n×1／f，再根據式（1）即可計算得到測試點與故障點間的距離。

2 測量系統方案設計

設計設計采用數字信號控制器與FPGA相結合的控制處理方案，系統設計方案如圖1所示。反射脈沖經過整形后送至控制處理單元，計數器對整形后的反射脈沖中插入的高頻脈沖計數后，控制處理單元將計數值轉換為電纜長度值輸出至LCD液晶顯示。

圖1 系統設計方案

3 系統硬件設計

3.1 數字信號控制器系統設計

系統采用Microchip公司的高性能數字信號控制器dsPIC30F4013。dsPIC30F4013通過RS232串口實現與FPGA的連接，主要電路原理圖如上圖2所示。

3.2 整形電路設計

系統采用FPGA控制的ADG719單刀雙擲開關來設計入射脈沖和反射脈沖的隔離電路。AD719具有高達200 MHz的切換速度。

整形電路采用AD公司的AD8009超高速運放來實現。AD8009轉換速率高達5500 V／μs，并具有1 GHz的－3d B帶寬以及良好的帶內平坦度。因AD8009的IN－腳的電壓會受到IN＋腳的電壓影響，故設計了一個電壓跟隨器，采用的是高精度低失調的運放OP－07。原理圖如圖3所示。

圖2 ds PIC30F4013與串口連接電路圖

圖3 整形電路

3.3 FPGA測量系統設計

系統采用Altera公司的EP3C16 Q240C8芯片為核心，其主頻高達470 MHz，計數器最高頻率275 MHz。測量系統主要由3個模塊組成，如圖4所示：①控制模塊。控制發射脈沖，接受反射脈沖并整形、合成被測信號；②脈寬計數模塊。共4路20位高速計數器，4路計數值取平均值；③顯示模塊。處理計數值并顯示“5ns脈沖個數”以及“電纜長度”。

圖4 FPGA測量系統組成

4 軟件設計

FPGA測量系統軟件流程圖如圖5所示。高頻脈沖頻率為200 MHz，脈沖寬度為5ns。要精確測得電纜長度L，只需得到5ns脈沖個數d即可。圖5中a為常數，由行波在電纜中的傳播速度決定。由于LCD12864液晶只能顯示字符，若L帶小數位則不能直接輸出顯示，故a需為整數。例如，行波在某電纜中的傳播速度為V＝1.98×108（m／s），則有L1＝1.98×108×5×10－9×d／2＝0.495 d（m）。此時需將L1轉換為整數即L＝1000×L1，然后通過取整取余運算將L的每一位分別取出并逐位在LCD12864輸出顯示。數值23為校驗值。經過大量實際測試發現，系統會產生大約23個高頻脈沖的誤差，因此在程序中將這個誤差去除掉。

圖5 FPGA測量系統軟件流程圖

5 測量數據及分析

對2根不同長度但絕緣材料相同的電纜進行實際測試，測試結果如表1所示。

從表1中數據可以看出，該系統對電纜長度的測量精度較高，具有一定的實際可操作性。若要進一步提高測量精度，可從以下幾方面入手：①提高系統晶振頻率。由原理可知，晶振頻率越高，測得的高頻脈沖個數將越準確，測量誤差將越小；②采用比ADG719切換速率更快的開關器件，減少開關整形電路的延遲，提高系統精確度；③使用某些方法盡可能獲得行波波速的準確值，也能極大的提高測量精度。

表1 實驗測量數據

6 結 語

筆者在低壓脈沖測距原理的基礎上，采用數字信號控制器與FPGA相結合的方式來實現對電纜長度的測量。實際測試證明，該系統具有較高的精度，具有一定的實際可操作性，能對不同長度、不同材料的電纜進行長度測量，該設計方案是可行的，并可通過提高系統晶振頻率等方法來進一步提高測量精度。

［1］夏宇聞.Verilog數字系統設計教程［M］.第2版 .北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［2］張桂華 .基于脈沖反射法的導線長度測量的研究［J］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

［3］李保生 .基于時域脈沖反射原理的電線電纜精確測長計數研究［D］.西安：西安電子科技大學，2010.