基于GD32的同軸電纜長度檢測系統設計

王宏斌,剡宇航,何嚴飛

(蘭州工業學院 電子信息工程學院,甘肅 蘭州 730050)

隨著電子通信及網絡的高速發展,連接電子設備內部或電子設備之間的電纜的屏蔽性能正受到越來越多的關注[1]。同軸電纜現已廣泛應用于電力傳輸[2]。目前隧道中一般通過鋪設漏泄同軸電纜來完成通信網絡的覆蓋[3]。因此,在實際工程布線中,希望能快速精確地測量1盤電纜的長度,因此對同軸電纜長度的測量具有重要意義。

1 方案設計

傳統的電纜長度測量通過測量電信號在單位長度同軸電纜中通過的時間,得到電信號在同軸電纜中的傳播速度,基于此可測得不同長度電纜中電信號傳播時間,從而算得電纜長度。此方案缺點是電信號在電纜上傳播所經歷時間極短,一般在10-19～10-7s范圍內,要做到準確測量十分困難。

根據同軸電纜的結構和原理可知,電纜的內導體(芯線)與周圍外導體間構成許多小電容(不考慮分布電感和電阻),在靜態情況下,這些小電容對外電路呈現為一個可測的電容(靜電容)[4]。電容的大小由式(1)計算,即

(1)

式中:ε為介電常數;S為極板的面積;d為兩極板的距離。對于某一種電纜,介電常數ε和極板距離d是固定的,極板的面積正比于電纜的長度。

同軸電纜規格不同,其單位長度內的靜電容是不同的。但是對任一種規格的電纜,單位長度的靜電容量是相同的,這說明電纜的總靜電容量與電纜的長度成正比。對電纜長度的測量轉換為對電容的測量。選用555定時器接成多諧振蕩電路,將被測量電纜一端的芯線和屏蔽層接入振蕩電路的電容端。由于電纜靜電容與其長度呈線性關系,從而建立長度與頻率的關系。頻率f通過式(2)計算,固定R1和R2,則頻率與電容值成反比,即

(2)

通過尺度變換,將電纜長度變換成與長度相對應的頻率信號,測量這個頻率就能得到相應電纜的長度。系統總體框圖如圖1所示。同軸電纜和555定時器構成多諧振蕩電路,輸出的方波信號送入GD32處理器,通過測量頻率,計算出同軸電纜的長度。串口屏實現測量控制與結果顯示。

圖1 系統總體框圖

2 硬件電路設計

硬件電路主要由電源電路、555多諧振蕩電路、GD32主控電路、時鐘電路、復位電路、GD_link下載電路、串口接口電路等組成。

電源電路原理如圖2所示,系統由5 V的直流電源供電,GD32電源電壓為3.3 V,因此對輸入的5 V電源,通過AMS1117-3.3穩壓芯片轉換成3.3 V給GD32供電。

圖2 電源電路原理

555多諧振蕩電路硬件原理見圖3,同軸電纜通過P4端口接入電路,構成多諧振蕩電路,方波信號從PB8口送入GD32處理器進行頻率測量。

圖3 555多諧振蕩電路硬件原理

GD32主控電路如圖4所示,主要是給主控芯片的5對電源地供電,參考電壓供電,備用電源供電,引出各個網絡標號端子,和對應的硬件模塊連接。本系統中主控芯片為GD32E103VBT6。此芯片是基于ARM Cortex-M4內核的32位微控制器,內核包含一個浮點運算器(FPU),可提高單精度浮點運算速度,并支持所有ARM單精度指令和數據類型。主頻120 MHz,采用嵌入式Flash,64～128 K Flash,20～32 K SRAM。

圖4 GD32主控電路

時鐘電路如圖5所示,晶振頻率為8 MHz,并接2個20 pF的電容和1個1 M的電阻,接入GD32處理器的OSC_IN和OSC_OUT引腳。

圖5 時鐘電路

復位電路如圖6所示,低電平復位,通過NRST引腳接入GD32,可實現上電復位和手動復位。

圖6 復位電路

GD_link下載電路如圖7所示,SWD接口電路,可通過J-link或ST-link實現程序的下載。

圖7 GD_link下載電路

串口接口電路如圖8所示,通過此接口連接串口屏,實現測量結果的顯示。

圖8 串口接口電路

3 軟件程序設計

軟件程序部分主要由主程序、串口中斷服務程序和定時器中斷服務程序組成。主程序流程如圖9所示,初始化部分完成系統時鐘初始化、GPIO口初始化、定時器TIMER9設置為周期技術模式,使能上升沿捕獲中斷、周期上溢中斷,配置為高優先級中斷,優先保障計數的準確性。串口USART0配置主要設置串口數據格式,波特率,使能串口接收中斷,配置為低優先級中斷。主循環部分測量標志length_bt_flag;有效則根據定時器中斷計數的頻率值,計算出電纜長度,并通過串口發送,顯示在串口屏上;標志無效則循環等待。

圖9 主程序流程

串口中斷服務函數流程如圖10所示,進入中斷服務函數,判斷是否是串口接收中斷,不是則中斷返回,是則接收數據,判斷數據是否為0x23(當串口屏按下開始測量按鍵是,會向GD32串口發送0x23),是則取反標志位length_bt_flag,不是則中斷返回。

圖10 串口中斷服務函數流程

定時器中斷服務函數流程如圖11所示,進入中斷服務函數,判斷是否是邊沿捕獲中斷,是則n1存儲上一上升沿捕獲的計數值,n2存儲當前上升沿捕獲的值,計算2次上升沿之間的計數值,計算原理如圖12所示。t1時刻的計數值為n1,t2時刻的計數值為n2,在他們之間上溢中斷出現了 iCount次,每上溢1次,計數65 536次,則2次上升沿之間的計數值num可由式(3)計算,上溢中斷次數iCount清零,再計算出方波頻率frq;不是邊沿捕獲中斷,則判斷是不是上溢中斷,是則上溢次數+1,清除標志位;否則中斷返回。

num=65 536*iCount+n2-n1.

(3)

圖11 定時器中斷服務函數流程

圖12 上升沿之間計數值計算原理

4 串口屏設計

串口屏選用淘晶馳T1系列4.3寸串口屏,顯示界面如圖13所示,按鈕組件用于啟動和停止檢測,每按下回向GD32串口發送0x23;2個文本框用于顯示工作狀態和電纜長度,GD32控制顯示的代碼如下。

printf("t1.txt="%s"xffxffxff","結果保持");

printf("t2.txt="%s"xffxffxff",bnc_length_string);

圖13 串口屏顯示界面

5 系統測試

系統實物如圖14所示,接入不同長度的電纜,測得方波頻率如表1所示。以頻率為橫坐標,長度為縱坐標,擬合的曲線如圖15所示。理想情況電纜的長度與頻率成反比,實際情況受電纜均勻性、測量電路參數等影響,為非線性關系,這里用對數曲線擬合較為接近。

圖14 系統實物

表1 長度頻率對照

圖15 頻率長度擬合曲線

6 結語

本文給出了一種測量同軸電纜長度的方法,以同軸電纜為電容進行測量,設計了硬件電路,完成了軟件程序的設計,通過系統聯合調試,達到了較好的測量效果,檢測相對誤差的絕對值不大于2%,具有一定的應用參考價值。