摘要：介紹了一種以單片機和FPGA為核心的ADSL線纜測試儀。通過采用嵌入式計算機技術(shù)，硬件電路模塊化設(shè)計技術(shù)，方便了測量通道的擴展，實現(xiàn)了ADSL線纜的導(dǎo)通，絕緣，電壓，電容測試。闡述了該系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計方案和硬件、軟件實現(xiàn)方法。試用結(jié)果表明，該測試儀能夠?qū)DSL線纜的絕緣，電壓等電氣性能參數(shù)進(jìn)行自動測量，能及時快速地檢測ADSL線纜存在的故障隱患，縮短檢測時間，提高檢測效率。
關(guān)鍵詞：ADSL線纜；FPGA；單片機；便攜
0 引言
近幾年來，不對稱數(shù)字用戶線(ADSL)作為網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”問題解決方案在世界范圍內(nèi)得到了廣泛運用。在我國，ADSL業(yè)務(wù)已成為運營商收入的主要增長點之一。
其直接采用的是現(xiàn)有的市話銅纜線路傳輸信息，市內(nèi)電話線纜線路同時還擔(dān)負(fù)著傳遞長途電話、市內(nèi)電話和其他通信業(yè)務(wù)的重要任務(wù)，是保證通信業(yè)務(wù)暢通無阻的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。如果市話線路發(fā)生障礙，少則十幾個用戶，多則上千個用戶會同時發(fā)生阻斷；如果是多局制的中繼線纜出現(xiàn)障礙，會使兩個局的全體用戶都不能相互通信。因此，無論是ADSL業(yè)務(wù)還是市話業(yè)務(wù)的開通，還是正常的運營維護(hù)，都需進(jìn)行一系列的測試工作，而自動化的測試儀表是提高測試效率及準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。針對傳統(tǒng)儀表設(shè)備不便攜帶，自動化程度不高等特點設(shè)計了此型ADSL線路測試儀。
1 系統(tǒng)工作原理
線纜測試儀由MCU控制器電路、控制驅(qū)動電路、A／D采集電路、通道切換電路、絕緣，環(huán)阻，電壓，電容，通斷測量電路、系統(tǒng)電源電路、顯示電路、人機鍵盤接口電路等部分組成。線纜測試儀系統(tǒng)原理組成方框圖如圖1所示。
MCU主控制器電路完成系統(tǒng)測試程序的運行控制，進(jìn)行計算機控制、地址、數(shù)據(jù)命令的接收、發(fā)送、驅(qū)動控制，進(jìn)行人機接口命令交互，與上位機通訊命令傳送，接收與之聯(lián)網(wǎng)的上位計算機發(fā)送的測試命令字，執(zhí)行測試過程及將測試結(jié)果顯示、通過串口輸出上傳等。
驅(qū)動控制電路完成總線信號的驅(qū)動和各種用戶功能接口板的地址譯碼、控制、通道切換、功能實現(xiàn)等工作。
絕緣阻抗測試單元：實現(xiàn)被測電纜的絕緣阻抗測試。將絕緣測試所需的高壓源或標(biāo)準(zhǔn)電阻通過通道切換電路切換到相應(yīng)的測量電路。
環(huán)路電阻測試單元：實現(xiàn)被測電纜的環(huán)路電阻測試。將環(huán)阻測試所需的電壓源或標(biāo)準(zhǔn)電阻通過通道切換電路切換到相應(yīng)的測量電路。
通斷測試單元：實現(xiàn)被測電纜的通斷測試，以及斷點位置的確定。
電壓測試單元：實現(xiàn)被測線纜A，B線之間的電壓測量。
電容測試單元：實現(xiàn)被測線纜A，B線之間的電容測量。
通道切換電路實現(xiàn)將被測電纜的被測點接通切換到相應(yīng)的測試線路通道。
人機接口單元接收面板鍵盤的命令，完成相應(yīng)的控制操作，并將信息送到LCD顯示屏顯示。
顯示電路實現(xiàn)開機畫面、系統(tǒng)主菜單、測試項目子菜單、自檢和校準(zhǔn)結(jié)果、測試結(jié)果、數(shù)據(jù)管理、電氣性能參數(shù)值等顯示信息。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 通斷測試單元
2．1．1 通斷測試原理
測試原理：測試時向電纜一端注入低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播(傳播速度與光速為同一級別)，當(dāng)遇到阻抗不匹配的地方，如短路點、故障點、中間接頭等，脈沖產(chǎn)生反射，反射信號回到測量點時被儀器記錄下來，波形發(fā)射脈沖與反射脈沖的時間差，脈沖在電纜中的波速度v，很容易得到阻抗不匹配點距離L。
2．1．2 通斷測試電路
測試時通過人機鍵盤設(shè)置脈沖寬度，由單片機發(fā)送測試開始指令和脈寬控制字，F(xiàn)PGA接收到測試指令，根據(jù)脈寬控制字產(chǎn)生脈沖的同時開始計數(shù)，脈沖經(jīng)發(fā)射電路到被測線纜。在遇到斷點后，脈沖原路返回，再經(jīng)過接收電路后產(chǎn)生下降沿，使FPGA停止計數(shù)，將計數(shù)值傳給單片機，計算出斷點位置后通過顯示電路顯示出來，MCU通過串口與PC機通信，可導(dǎo)出所測數(shù)據(jù)。
為防止因信號損耗過大導(dǎo)致回波幅值較小不易辨別，F(xiàn)PGA產(chǎn)生的脈沖通過放大電路放大到+50 V；同時為了避免因測試點阻抗不平衡導(dǎo)致發(fā)射脈沖幅度減小，在放大電路與線纜之間加入高頻脈沖隔離器，以求電路與線纜更好的耦合。在遇到斷點后，脈沖原路返回，經(jīng)耦合電路后再經(jīng)過放大處理后，由光電隔離電路產(chǎn)生下降沿，傳給FPGA。如圖2所示。
2．2 絕緣阻抗測試
絕緣電阻測量采用漏電流法測量原理，通過外加直流電壓源測量無源回路的絕緣電阻。如果被測回路某一根芯線與其它芯線、電纜殼體、地絕緣，給該芯線施加直流電壓，則其余芯線對地就不會有漏電流，否則，就會檢測到漏電電壓。絕緣測試的工作原理如圖3所示。
絕緣電阻：Rl=URo／Uo一Ro。
根據(jù)IEC61010-2001標(biāo)準(zhǔn)及測試要求，絕緣電阻的測試回路需施加3種直流電壓信號(250 V，500 V，1 000 V)。直流高壓源在直流控制信號的作用下，將單片機系統(tǒng)通過DA轉(zhuǎn)換提供的0 V～5 V直流信號轉(zhuǎn)變成0 V～1 000 V的直流高壓信號。為了保障單片機系統(tǒng)的測量范圍，同時實現(xiàn)絕緣電阻的全量程測量，必須采用分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量程自動切換。單片機系統(tǒng)發(fā)出直流信號控制開關(guān)K的動作以選中分壓網(wǎng)絡(luò)3個電阻中任一個，當(dāng)回路中所加直流高壓信號一定時，測試回路因分壓網(wǎng)絡(luò)所選中電阻不同而分出的檢測信號不一樣，當(dāng)檢測信號低于單片機的采集范圍時，分壓網(wǎng)絡(luò)向小電阻檔切換；反之，向高電阻檔自動轉(zhuǎn)換。
2．3 環(huán)路電阻，電壓測試設(shè)計
環(huán)路電阻測試，電壓測試均采用與絕緣電阻測試相同的設(shè)計原理，在此不再贅述。
2．4 電容測試設(shè)計
通過將電容轉(zhuǎn)化為頻率測試的方法來測量線對間的電容。采用555時基振蕩電路。線對間電容與儀表內(nèi)部電阻和555構(gòu)成振蕩電路，輸出脈沖，通過對脈沖頻率的測量，來計算電容。
用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器的電路和工作波形如圖4所示。
振蕩周期，由此即可計算出電容。
2．5 通道切換，驅(qū)動控制電路設(shè)計
通道切換電路由地址譯碼電路、通道譯碼電路、驅(qū)動電路、繼電器開關(guān)電路等部分組成。經(jīng)測試總線送來的控制信號經(jīng)譯碼電路譯碼，選中相應(yīng)的端口并經(jīng)驅(qū)動電路放大，驅(qū)動繼電器開關(guān)相應(yīng)的通道接點吸合，從而將被測點切換到相應(yīng)通道上。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
測試儀系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計。系統(tǒng)軟件主要由用戶接口管理模塊、測試項目管理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊組成。數(shù)據(jù)管理模塊完成實時數(shù)據(jù)，告警數(shù)據(jù)的存盤及測試參數(shù)告警閥值的設(shè)定等功能。測試項目管理模塊完成電纜測試儀系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)校準(zhǔn)、被測回路的導(dǎo)通測試和絕緣測試等電氣參數(shù)性能測試。系統(tǒng)軟件功能如圖5所示。
各種軟件功能模塊實現(xiàn)硬件功能板的地址識別、通道切換和程控增益控制，完成相應(yīng)被測通道的測試、計算、結(jié)果判斷、存儲、顯示、通訊、退出等功能。
4 結(jié)束語
測試儀具有以下特點：
(1)本產(chǎn)品集成度高。硬件和軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，各種功能板和功能模塊相對獨立，根據(jù)用戶需求可構(gòu)建不同功能、不同規(guī)模的用戶系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)接電纜(組合)完成與用戶系統(tǒng)的對接測試。測試通道可根據(jù)需要靈活配置，各種功能模塊可以靈活組合。既可以像小型臺式儀器設(shè)備一樣使用，也可以配合系統(tǒng)上機架。
(2)測試儀采用嵌入式主控制器，可實現(xiàn)單機測試，也可以與測控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)測試，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備、ADSL線纜的導(dǎo)通測試、絕緣測試、短路測試、開路測試，并將測試結(jié)果實時存盤和屏幕顯示，也可以通過遠(yuǎn)程控制打印電纜測試結(jié)果。
通過實際測量，滿足測試需要，能夠檢測ADSL線纜存在的故障，提高了測試速度，縮短了使用前的檢測時間。
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