基于單片機(jī)的電纜測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

0  引 言

　　通信電纜是信息交換的主要媒質(zhì)之一，在通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)和維護(hù)中，傳輸電纜線路的斷路、短路、混線等故障常常困擾著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員。本文將介紹一種電纜測(cè)試儀，不僅可確定電纜線路中的斷路、短路、混線故障的性質(zhì)和故障點(diǎn)位置，而且能測(cè)試電纜的頻率特性，可完成電纜自動(dòng)對(duì)線，解決人們?cè)谛畔⑾到y(tǒng)建設(shè)和維護(hù)中常常遇到的一些問題。

　　1  電纜測(cè)試儀的功能

　　根據(jù)信息系統(tǒng)建設(shè)和日常維護(hù)中經(jīng)常需要解決的問題，為該測(cè)試儀設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)功能：1） 可測(cè)試網(wǎng)絡(luò)電纜的頻率特性，以確定傳輸系統(tǒng)的帶寬（傳輸速率） .2） 可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)電纜的自動(dòng)對(duì)線，該功能在大多數(shù)電纜的施工和維護(hù)中能大大提高效率和準(zhǔn)確率。3） 可判斷線路的斷路故障性質(zhì)，并確定線路的斷點(diǎn)。4） 可判斷線路間的短路、混線故障并確定故障點(diǎn)。該測(cè)試儀的組成如圖1 所示。

圖1  電纜測(cè)試儀組成框圖

　　2  電纜測(cè)試儀的測(cè)試原理

　　2. 1  頻率特性

　　電纜的頻率特性是指電纜對(duì)傳輸信號(hào)的衰減隨信號(hào)頻率變化的特性。由于電纜芯線間存在分布電容和電感，其對(duì)正弦信號(hào)的衰減隨傳輸信號(hào)頻率的變化而變化，若在電纜的A 端注入幅度穩(wěn)定的不同頻率信號(hào)，在B 端測(cè)試經(jīng)過電纜傳輸后的與A 端頻率相對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值，即可獲取電纜的頻率特性。

　　根據(jù)頻率合成器（如圖2 所示） 的工作原理，可知輸出頻率fo 與基準(zhǔn)頻率f i 間的關(guān)系為：

　　式中M , N 為分頻器的分頻比。

圖2  頻率合成器框圖

　　由式（1） 可知，通過改變M , N 的值，圖1 中的頻率合成器可輸出不同間隔的與基準(zhǔn)頻率相同穩(wěn)定度的頻率信號(hào)。fo 信號(hào)由輸出電路對(duì)其放大穩(wěn)幅，并由阻抗匹配接口電路注入電纜A 端；在電纜的B端，將經(jīng)過電纜傳輸后的信號(hào)接入輸入電路進(jìn)行放大，并由APD（模P數(shù)） 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)檢測(cè)處理。單片機(jī)一方面控制M , N 的大小，以達(dá)到輸出不同頻率的目的，另一方面向?qū)Ψ捷敵鑫帐致?lián)絡(luò)同步信號(hào)2. 2  自動(dòng)對(duì)線。

　　在線路的A 端注入直流信號(hào)，在B 端有唯一的一根導(dǎo)線能檢測(cè)到該信號(hào)，則A ,B 兩端連接的為同一根線；若在B 端有兩根以上的接入線能檢測(cè)到該信號(hào)，則在電纜的某處必有混線。若在B 端沒有一根接入線能檢測(cè)到該信號(hào)，則這根線在線路的某處必有斷點(diǎn)。

　　如圖1 所示。由單片機(jī)和專用電路控制的模擬開關(guān)，將直流測(cè)試信號(hào)分別接入A 端的不同測(cè)試線，在B 端通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)接入點(diǎn)檢測(cè)該信號(hào)，A ,B 兩端通過主從信號(hào)同步控制（需要在電纜中找出一對(duì)信號(hào)線作為握手聯(lián)絡(luò)線） ,判斷并記錄各線對(duì)的通、短、斷、混線的對(duì)應(yīng)情況。

如圖3 所示，設(shè)混線接觸電阻為R ,混線點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)A 端間的單根導(dǎo)線的線電阻為Rx ,測(cè)得的混線環(huán)阻為Ra ;與測(cè)試點(diǎn)B 端間的單根導(dǎo)線的線電阻為Ry ,測(cè)得的混線環(huán)阻為Rb ;則有：

　　由上式可得：

　　而Rx + Ry 為電纜全長的單根導(dǎo)線電阻，因此Rx 或Ry 可通過上式求出。根據(jù)電纜的每公里電阻值，可由Rx 或Ry 判斷混線點(diǎn)。

　　3  電纜測(cè)試儀的控制程序流程

　　系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后按不同測(cè)試需求依據(jù)測(cè)試流程進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果在顯示器中顯示。

　　各部分的測(cè)試流程如圖4 所示。

圖4  測(cè)試系統(tǒng)控制程序流程圖

　　4  結(jié)束語

　　本文介紹的基于單片機(jī)控制的電纜測(cè)試儀可集成為便攜式的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，該測(cè)試儀能夠?qū)崿F(xiàn)精確的測(cè)試，廣泛應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)和維護(hù)。

2. 3  斷線定位

　　根據(jù)電纜制造結(jié)構(gòu)的一致性，單位長度電纜分布電容的大小是相同的，因此測(cè)試電纜每對(duì)線間的分布電容，即可測(cè)得電纜線路的長度或電纜線對(duì)的斷點(diǎn)。

　　根據(jù)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)定時(shí)電路的工作原理，可知定時(shí)時(shí)間t 與定時(shí)元件R , C 的關(guān)系為：

　　式中t 為定時(shí)時(shí)間， R 為定時(shí)電阻的電阻值， C 為定時(shí)電容的電容值， k 為與電路有關(guān)的常數(shù)，一般取3~5.

　　由于定時(shí)時(shí)間與外接電容成線性關(guān)系，若在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)，對(duì)頻率f 的脈沖信號(hào)記數(shù)，則脈沖個(gè)數(shù)n 與t 的關(guān)系為：

　　將式（2） 代入式（3） ,得：

　　因此，可利用被測(cè)電容作為電路的定時(shí)元件，在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率f 信號(hào)取樣記數(shù)，被測(cè)電容越大，則取樣時(shí)間越長，脈沖記數(shù)越多，脈沖個(gè)數(shù)能線性反映被測(cè)電容值。

　　若已知某電纜的單位長度電容為Cx （出廠時(shí)電纜檢驗(yàn)合格證上有標(biāo)注） ,所測(cè)得電容量為Cp ,則電纜長度為：

　　將式（4） 代入式（5） ,得：

　　如圖1 所示，定時(shí)電路可由555 集成電路為核心的電路組成，開關(guān)電路可由門電路組成，計(jì)數(shù)頻率信號(hào)是頻率合成器的輸出信號(hào)，可通過單片機(jī)來改變M , N 的值，達(dá)到改變測(cè)試量程的目的。定時(shí)信號(hào)在控制開關(guān)電路的同時(shí)，送入單片機(jī)，作為單片機(jī)計(jì)數(shù)中斷的中斷信號(hào)源。

　　2. 4  混線定位

　　線路混線時(shí)可用測(cè)量線路間的環(huán)路直流電阻的方法測(cè)試，根據(jù)每公里電纜芯線的電阻值，即可將測(cè)得的電阻值換算成混線點(diǎn)與測(cè)試點(diǎn)的距離。

　　但是當(dāng)電纜芯線在電纜中間某處發(fā)生混線時(shí)，由于混線程度不同，接觸電阻大小不確定，是個(gè)未知數(shù)，因此，必須設(shè)法消除接觸電阻的影響。用兩次測(cè)量方法可消除接觸電阻的影響。

圖3  混線定位測(cè)試原理圖