安防監(jiān)控調(diào)測儀的中斷點(diǎn)檢測功能設(shè)計(jì)

引言
    調(diào)像儀又稱安防監(jiān)控調(diào)測儀，是一款用于對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測試的儀器。在監(jiān)控項(xiàng)目現(xiàn)場施工及維護(hù)過程中，經(jīng)常需要對攝像設(shè)備的姿態(tài)、通信線路、電源等進(jìn)行測試，使用該款儀器可減少日常工作量，提高工作效率。
    在現(xiàn)場的安裝及維護(hù)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)同軸線纜斷路的現(xiàn)象，如外力拉斷、老鼠咬斷等，導(dǎo)致圖像無法傳輸。而線纜多是隱藏在天花板內(nèi)、地下、墻壁管線內(nèi)等不容易檢測的地方，這就對儀器提出增加斷線檢測功能的需求。通過在線纜的一端測試，可直接測量出線纜的長度(即斷點(diǎn)的位置)，從而幫助施工人員快速確認(rèn)故障位置，及時維修。

1 檢測原理
    根據(jù)TDR理論，在同軸線纜的一端發(fā)送低壓脈沖，當(dāng)終端負(fù)載阻抗與線纜特征阻抗相等時，發(fā)射脈沖被負(fù)載完全吸收，不產(chǎn)生反射波。如果線纜終端負(fù)載阻抗與線纜特性阻抗不等，則產(chǎn)生回波反射。其反射系數(shù)定義為反射波幅度U反射與入射波幅度U入射的比值：
   
    式中：ZL為線纜的負(fù)載阻抗；z0為線纜的特征阻抗。
    由式(1)可以看出：
    ①當(dāng)負(fù)載阻抗與傳輸線阻抗匹配時，即ZL=Z0，ρ=0，入射波被負(fù)載完全吸收；
    ②當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮大(開路)時，即ZL=∞，ρ=+1，發(fā)射波與入射波幅值相同，極性相同；
    ③當(dāng)負(fù)載阻抗為無窮小(短路)時，即ZL=0，ρ=-1，發(fā)射波與入射波幅值相同，極性相反。
    在實(shí)際測試中由于脈沖的發(fā)送和接收在同一端，所以要避免入射波后沿與反射波前沿在此處疊加；同時，為了降低最短測試長度，要選用較窄脈寬的脈沖。當(dāng)測試線纜長度增加時，由于存在傳輸線損耗，所以脈沖的寬度也應(yīng)適當(dāng)增加。脈沖寬度與被測線纜的長度可通過式(2)推算：
   
    式中：L代表測試線纜的長度；v代表脈沖在線纜中的傳輸速度；t代表脈沖上升沿在傳輸線中的往返時間。
    脈沖在同軸線中的傳輸速度不同于光速，與線的種類有關(guān)，例如在SYV75-5-2同軸線中的傳輸速度約為200m／μs。由于脈沖的發(fā)送和接收在同一端，需避免反射波與入射波疊加，應(yīng)保證測試脈沖的脈寬小于脈沖上升沿在被測線纜中傳輸?shù)耐禃r間。若測量最短長度為5m的同軸線，則脈寬：
   

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)斷點(diǎn)檢測功能，其原理框圖如圖1所示。

    單片機(jī)負(fù)責(zé)LCD驅(qū)動、發(fā)送脈沖寬度設(shè)置、測量結(jié)果處理、按鍵掃描等工作；LCD顯示部分負(fù)責(zé)測試結(jié)果的顯示；脈沖發(fā)生模塊用于產(chǎn)生低壓窄脈沖，其脈寬可調(diào)；發(fā)送調(diào)理電路負(fù)責(zé)將脈沖信號放大，接收調(diào)理電路用于將脈沖信號轉(zhuǎn)換成CPLD可以接收的電壓范圍(0～3．3 V)；計(jì)數(shù)模塊用于記錄入射脈沖與反射脈沖的時間間隔。
2．1 脈沖發(fā)生模塊
    脈沖發(fā)生模塊和計(jì)數(shù)模塊均由CPLD邏輯電路實(shí)現(xiàn)。CPLD選用Altera公司MAX II系列EPM240T器件，支持高達(dá)300 MHz的內(nèi)部時鐘，其速度可以滿足測量需求。
    脈沖發(fā)生模塊由脈寬設(shè)置單元、脈沖輸出單元組成。為節(jié)省單片機(jī)I／O口資源，脈寬設(shè)置由一組16位串入并出移位寄存器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)單片機(jī)資源足夠時，可省去該單元。脈沖輸出單元由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

    其中，clk_50m為時鐘輸入端，pulse_with為脈寬設(shè)置端口，pulse_out為脈沖輸出端口，enalble為使能輸出端口。當(dāng)enable=1時，pulse_out輸出一個高電平，其寬度為Tclk_50m×(pulse_with+1)。例如pulse_with=0，脈寬默認(rèn)值為t=Tclk_50m×(0+1)=20 ns。設(shè)置不同的pulse_with，輸入脈沖寬度可調(diào)，這樣可以在測量不同長度的線纜時調(diào)整脈沖寬度，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。
    如圖3所示，計(jì)數(shù)模塊由一個16位計(jì)數(shù)器和一個16位并入串出移位寄存器電路實(shí)現(xiàn)。enalble使能端用于防止干擾脈沖輸入啟動計(jì)數(shù)器；start_counter為使計(jì)數(shù)器啟動和停止的脈沖輸入，上升沿有效；clk_50m為計(jì)數(shù)器時鐘，該時鐘影響測量精度，其頻率越高，線纜的測量誤差范圍越??；Q為計(jì)數(shù)值輸出；EOC為計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志。
    計(jì)數(shù)器的啟動由入射脈沖觸發(fā)，停止由反射脈沖觸發(fā)，計(jì)數(shù)值由Q數(shù)據(jù)接口輸出，計(jì)數(shù)停止后輸出高電平。單片機(jī)查詢計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志EOC，當(dāng)電平為1后讀取計(jì)數(shù)值。
2．2 調(diào)理電路
2．2．1 發(fā)送調(diào)理電路
    發(fā)送調(diào)理電路由放大電路組成，如圖4(a)所示。場效應(yīng)管M1將輸入的正脈沖轉(zhuǎn)換為最大值為12 V的負(fù)脈沖，再經(jīng)M2反相后，即可注入到被測電纜和接收調(diào)理電路。這里選用MOS管而不是運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)信號脈沖的放大、反相，便于節(jié)省成本，縮短信號的傳輸延時。

2．2．2 接收調(diào)理電路
    接收調(diào)理電路如圖4(b)所示。將發(fā)送調(diào)理電路的輸出與接收調(diào)理電路的輸入相連，同時連接被測電纜，M3將入射脈沖和反射脈沖降壓，經(jīng)M4反相后傳入CPLD中的計(jì)數(shù)模塊，以控制計(jì)數(shù)模塊的啟動和停止。其中，TVS為瞬變電壓抑制二極管，是一種過壓保護(hù)器件。
2．2．3 原理仿真
    圖5中，波形1為脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生的測試脈沖，該脈沖輸入至圖4電路①中的位置。波形2為圖4電路中位置的測試波形圖(測試點(diǎn)為測試模塊與被測電纜的連接點(diǎn))，第一個脈沖為放大后的測試脈沖，注入被測電纜中，第二個脈沖為被測電纜斷點(diǎn)處返回脈沖。波形3為波形2經(jīng)過接收調(diào)理電路后的波形，該波形將輸入至CPLD的計(jì)數(shù)模塊。第一個脈沖上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)模塊開始計(jì)數(shù)，第二個脈沖上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)模塊停止計(jì)數(shù)。實(shí)際測試波形如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    程序?qū)崿F(xiàn)自動測量功能，用戶無需事先估算線纜長度，調(diào)整測試脈沖寬度。自動測量流程如圖7所示。

    在選擇好線型后，具體流程如下：
    ①首先從最窄脈沖20 ns(PW=O)開始輸出，延時后檢測EOC。(EOC等于0時，說明沒有反射脈沖返回)；
    ②脈寬加40 ns(PW+=2)后再次輸出，延時后檢測EOC，如此反復(fù)，直到檢測到返回脈沖(EOC=1)為止，或≥最大輸出脈寬范圍；
    ③當(dāng)PW≥256時，超出測量范圍，返回Length=0，測量失??；
    ④當(dāng)EOC=1時，讀取測量值，根據(jù)線纜類型計(jì)算測試線纜長度并返回Length值，否則返回Length=0，測試失??；
    ⑤將長度值進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，使用LCD進(jìn)行顯示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為使測量準(zhǔn)確，需要對不同線纜的信號傳輸速度進(jìn)行測量。選取三種線纜，使用示波器及測試脈沖測試出各線纜的傳輸速度。將各速度值作為常數(shù)與計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，即可得出對3種電纜的長度測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

    通過對3種電纜的測試可以看出，其測試誤差均在±2％以內(nèi)，完全可以滿足實(shí)際工程的需要。

5 結(jié)論
    本文系統(tǒng)論述了斷點(diǎn)檢測的實(shí)現(xiàn)原理，設(shè)計(jì)了相關(guān)軟、硬件模塊，集成到調(diào)像儀中并進(jìn)行了多種線纜的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該功能模塊測量精度較高，完全可以滿足工程現(xiàn)場的實(shí)際需要。