便攜式ADSL線纜測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種以單片機(jī)和FPGA為核心的ADSL線纜測(cè)試儀。通過(guò)采用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，硬件電路模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，方便了測(cè)量通道的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了ADSL線纜的導(dǎo)通，絕緣，電壓，電容測(cè)試。闡述了該系統(tǒng)的工作原理、設(shè)計(jì)方案和硬件、軟件實(shí)現(xiàn)方法。試用結(jié)果表明，該測(cè)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(dòng)測(cè)量，能及時(shí)快速地檢測(cè)ADSL線纜存在的故障隱患，縮短檢測(cè)時(shí)間，提高檢測(cè)效率。
關(guān)鍵詞：ADSL線纜；FPGA；單片機(jī)；便攜

0 引言
    近幾年來(lái)，不對(duì)稱數(shù)字用戶線(ADSL)作為網(wǎng)絡(luò)“最后一公里”問(wèn)題解決方案在世界范圍內(nèi)得到了廣泛運(yùn)用。在我國(guó)，ADSL業(yè)務(wù)已成為運(yùn)營(yíng)商收入的主要增長(zhǎng)點(diǎn)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(shí)還擔(dān)負(fù)著傳遞長(zhǎng)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(wú)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(gè)用戶，多則上千個(gè)用戶會(huì)同時(shí)發(fā)生阻斷；如果是多局制的中繼線纜出現(xiàn)障礙，會(huì)使兩個(gè)局的全體用戶都不能相互通信。因此，無(wú)論是ADSL業(yè)務(wù)還是市話業(yè)務(wù)的開(kāi)通，還是正常的運(yùn)營(yíng)維護(hù)，都需進(jìn)行一系列的測(cè)試工作，而自動(dòng)化的測(cè)試儀表是提高測(cè)試效率及準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。針對(duì)傳統(tǒng)儀表設(shè)備不便攜帶，自動(dòng)化程度不高等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了此型ADSL線路測(cè)試儀。

1 系統(tǒng)工作原理
    線纜測(cè)試儀由MCU控制器電路、控制驅(qū)動(dòng)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(cè)量電路、系統(tǒng)電源電路、顯示電路、人機(jī)鍵盤接口電路等部分組成。線纜測(cè)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(cè)試程序的運(yùn)行控制，進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制、地址、數(shù)據(jù)命令的接收、發(fā)送、驅(qū)動(dòng)控制，進(jìn)行人機(jī)接口命令交互，與上位機(jī)通訊命令傳送，接收與之聯(lián)網(wǎng)的上位計(jì)算機(jī)發(fā)送的測(cè)試命令字，執(zhí)行測(cè)試過(guò)程及將測(cè)試結(jié)果顯示、通過(guò)串口輸出上傳等。
    驅(qū)動(dòng)控制電路完成總線信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和各種用戶功能接口板的地址譯碼、控制、通道切換、功能實(shí)現(xiàn)等工作。
    絕緣阻抗測(cè)試單元：實(shí)現(xiàn)被測(cè)電纜的絕緣阻抗測(cè)試。將絕緣測(cè)試所需的高壓源或標(biāo)準(zhǔn)電阻通過(guò)通道切換電路切換到相應(yīng)的測(cè)量電路。
    環(huán)路電阻測(cè)試單元：實(shí)現(xiàn)被測(cè)電纜的環(huán)路電阻測(cè)試。將環(huán)阻測(cè)試所需的電壓源或標(biāo)準(zhǔn)電阻通過(guò)通道切換電路切換到相應(yīng)的測(cè)量電路。
    通斷測(cè)試單元：實(shí)現(xiàn)被測(cè)電纜的通斷測(cè)試，以及斷點(diǎn)位置的確定。
    電壓測(cè)試單元：實(shí)現(xiàn)被測(cè)線纜A，B線之間的電壓測(cè)量。
    電容測(cè)試單元：實(shí)現(xiàn)被測(cè)線纜A，B線之間的電容測(cè)量。
    通道切換電路實(shí)現(xiàn)將被測(cè)電纜的被測(cè)點(diǎn)接通切換到相應(yīng)的測(cè)試線路通道。
    人機(jī)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(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)畫面、系統(tǒng)主菜單、測(cè)試項(xiàng)目子菜單、自檢和校準(zhǔn)結(jié)果、測(cè)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(jì)
2．1 通斷測(cè)試單元
2．1．1 通斷測(cè)試原理
    測(cè)試原理：測(cè)試時(shí)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(jí)別)，當(dāng)遇到阻抗不匹配的地方，如短路點(diǎn)、故障點(diǎn)、中間接頭等，脈沖產(chǎn)生反射，反射信號(hào)回到測(cè)量點(diǎn)時(shí)被儀器記錄下來(lái)，波形發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差，脈沖在電纜中的波速度v，很容易得到阻抗不匹配點(diǎn)距離L。
2．1．2 通斷測(cè)試電路
    測(cè)試時(shí)通過(guò)人機(jī)鍵盤設(shè)置脈沖寬度，由單片機(jī)發(fā)送測(cè)試開(kāi)始指令和脈寬控制字，F(xiàn)PGA接收到測(cè)試指令，根據(jù)脈寬控制字產(chǎn)生脈沖的同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，脈沖經(jīng)發(fā)射電路到被測(cè)線纜。在遇到斷點(diǎn)后，脈沖原路返回，再經(jīng)過(guò)接收電路后產(chǎn)生下降沿，使FPGA停止計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值傳給單片機(jī)，計(jì)算出斷點(diǎn)位置后通過(guò)顯示電路顯示出來(lái)，MCU通過(guò)串口與PC機(jī)通信，可導(dǎo)出所測(cè)數(shù)據(jù)。
    為防止因信號(hào)損耗過(guò)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(guò)放大電路放大到+50 V；同時(shí)為了避免因測(cè)試點(diǎn)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(diǎn)后，脈沖原路返回，經(jīng)耦合電路后再經(jīng)過(guò)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(cè)試
    絕緣電阻測(cè)量采用漏電流法測(cè)量原理，通過(guò)外加直流電壓源測(cè)量無(wú)源回路的絕緣電阻。如果被測(cè)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(duì)地就不會(huì)有漏電流，否則，就會(huì)檢測(cè)到漏電電壓。絕緣測(cè)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(cè)試要求，絕緣電阻的測(cè)試回路需施加3種直流電壓信號(hào)(250 V，500 V，1 000 V)。直流高壓源在直流控制信號(hào)的作用下，將單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)DA轉(zhuǎn)換提供的0 V～5 V直流信號(hào)轉(zhuǎn)變成0 V～1 000 V的直流高壓信號(hào)。為了保障單片機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量范圍，同時(shí)實(shí)現(xiàn)絕緣電阻的全量程測(cè)量，必須采用分壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行量程自動(dòng)切換。單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出直流信號(hào)控制開(kāi)關(guān)K的動(dòng)作以選中分壓網(wǎng)絡(luò)3個(gè)電阻中任一個(gè)，當(dāng)回路中所加直流高壓信號(hào)一定時(shí)，測(cè)試回路因分壓網(wǎng)絡(luò)所選中電阻不同而分出的檢測(cè)信號(hào)不一樣，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)低于單片機(jī)的采集范圍時(shí)，分壓網(wǎng)絡(luò)向小電阻檔切換；反之，向高電阻檔自動(dòng)轉(zhuǎn)換。
2．3 環(huán)路電阻，電壓測(cè)試設(shè)計(jì)
    環(huán)路電阻測(cè)試，電壓測(cè)試均采用與絕緣電阻測(cè)試相同的設(shè)計(jì)原理，在此不再贅述。
2．4 電容測(cè)試設(shè)計(jì)
    通過(guò)將電容轉(zhuǎn)化為頻率測(cè)試的方法來(lái)測(cè)量線對(duì)間的電容。采用555時(shí)基振蕩電路。線對(duì)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(guò)對(duì)脈沖頻率的測(cè)量，來(lái)計(jì)算電容。
    用555定時(shí)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(jì)算出電容。
2．5 通道切換，驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)
    通道切換電路由地址譯碼電路、通道譯碼電路、驅(qū)動(dòng)電路、繼電器開(kāi)關(guān)電路等部分組成。經(jīng)測(cè)試總線送來(lái)的控制信號(hào)經(jīng)譯碼電路譯碼，選中相應(yīng)的端口并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大，驅(qū)動(dòng)繼電器開(kāi)關(guān)相應(yīng)的通道接點(diǎn)吸合，從而將被測(cè)點(diǎn)切換到相應(yīng)通道上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    測(cè)試儀系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件主要由用戶接口管理模塊、測(cè)試項(xiàng)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，告警數(shù)據(jù)的存盤及測(cè)試參數(shù)告警閥值的設(shè)定等功能。測(cè)試項(xiàng)目管理模塊完成電纜測(cè)試儀系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)校準(zhǔn)、被測(cè)回路的導(dǎo)通測(cè)試和絕緣測(cè)試等電氣參數(shù)性能測(cè)試。系統(tǒng)軟件功能如圖5所示。

    各種軟件功能模塊實(shí)現(xiàn)硬件功能板的地址識(shí)別、通道切換和程控增益控制，完成相應(yīng)被測(cè)通道的測(cè)試、計(jì)算、結(jié)果判斷、存儲(chǔ)、顯示、通訊、退出等功能。

4 結(jié)束語(yǔ)
    測(cè)試儀具有以下特點(diǎn)：
    (1)本產(chǎn)品集成度高。硬件和軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，各種功能板和功能模塊相對(duì)獨(dú)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(guò)轉(zhuǎn)接電纜(組合)完成與用戶系統(tǒng)的對(duì)接測(cè)試。測(cè)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(tái)式儀器設(shè)備一樣使用，也可以配合系統(tǒng)上機(jī)架。
    (2)測(cè)試儀采用嵌入式主控制器，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)測(cè)試，也可以與測(cè)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)測(cè)試，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備、ADSL線纜的導(dǎo)通測(cè)試、絕緣測(cè)試、短路測(cè)試、開(kāi)路測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)存盤和屏幕顯示，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制打印電纜測(cè)試結(jié)果。
    通過(guò)實(shí)際測(cè)量，滿足測(cè)試需要，能夠檢測(cè)ADSL線纜存在的故障，提高了測(cè)試速度，縮短了使用前的檢測(cè)時(shí)間。