單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電纜測試儀的方案 - 全文

　　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，而且能測試電纜的頻率特性，可完成電纜自動對線，解決人們在信息系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)中常常遇到的一些問題。

　　1 電纜測試儀的功能

　　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，為該測試儀設(shè)計(jì)了以下幾個(gè)功能：1) 可測試網(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)電纜的自動對線，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)。該測試儀的組成如圖1 所示。

?

　　圖1 電纜測試儀組成框圖

　　2 電纜測試儀的測試原理

　　2. 1 頻率特性

　　電纜的頻率特性是指電纜對傳輸信號的衰減隨信號頻率變化的特性。由于電纜芯線間存在分布電容和電感，其對正弦信號的衰減隨傳輸信號頻率的變化而變化，若在電纜的A 端注入幅度穩(wěn)定的不同頻率信號，在B 端測試經(jīng)過電纜傳輸后的與A 端頻率相對應(yīng)的信號幅值，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。fo 信號由輸出電路對其放大穩(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)字信號送給單片機(jī)檢測處理。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2. 2 自動對線。

　　在線路的A 端注入直流信號，在B 端有唯一的一根導(dǎo)線能檢測到該信號，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到該信號，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到該信號，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)，將直流測試信號分別接入A 端的不同測試線，在B 端通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)接入點(diǎn)檢測該信號，A ,B 兩端通過主從信號同步控制(需要在電纜中找出一對信號線作為握手聯(lián)絡(luò)線) ,判斷并記錄各線對的通、短、斷、混線的對應(yīng)情況。

　　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，因此測試電纜每對線間的分布電容，即可測得電纜線路的長度或電纜線對的斷點(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)，對頻率f 的脈沖信號記數(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，可利用被測電容作為電路的定時(shí)元件，在一個(gè)定時(shí)周期內(nèi)對一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率f 信號取樣記數(shù)，被測電容越大，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)頻率信號是頻率合成器的輸出信號，可通過單片機(jī)來改變M , N 的值，達(dá)到改變測試量程的目的。定時(shí)信號在控制開關(guān)電路的同時(shí)，送入單片機(jī)，作為單片機(jī)計(jì)數(shù)中斷的中斷信號源。

　　2. 4 混線定位

　　線路混線時(shí)可用測量線路間的環(huán)路直流電阻的方法測試，根據(jù)每公里電纜芯線的電阻值，即可將測得的電阻值換算成混線點(diǎn)與測試點(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。用兩次測量方法可消除接觸電阻的影響。

?

　　圖3 混線定位測試原理圖

　　如圖3 所示，設(shè)混線接觸電阻為R ,混線點(diǎn)與測試點(diǎn)A 端間的單根導(dǎo)線的線電阻為Rx ,測得的混線環(huán)阻為Ra ;與測試點(diǎn)B 端間的單根導(dǎo)線的線電阻為Ry ,測得的混線環(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，然后按不同測試需求依據(jù)測試流程進(jìn)行測試，測試結(jié)果在顯示器中顯示。

　　各部分的測試流程如圖4 所示。

?

　　圖4 測試系統(tǒng)控制程序流程圖

　　4 結(jié)束語

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