基于時域反射的多芯線纜檢測裝置設(shè)計

汪興海 劉 凱

（海軍航空工程學(xué)院基礎(chǔ)實驗部 煙臺 264001）

1 引言

近些年，隨著部隊裝備數(shù)量以及裝備訓(xùn)練頻率的增加，設(shè)備之間的聯(lián)通性操作越來越頻繁，導(dǎo)致線纜損耗加快，設(shè)備與設(shè)備之間的聯(lián)通性故障時有發(fā)生，給設(shè)備操作人員帶來了很大的麻煩。目前基層部隊常用的線纜少則幾芯，多則幾十芯，操作人員主要依靠萬用表測通斷的方法逐芯檢測線纜的完好情況，一旦發(fā)生設(shè)備間的聯(lián)通性故障，工作效率很難滿足快速排故的要求。特別是對于大型水面艦艇，線纜的兩端相距較遠(yuǎn)，增加了故障定位的難度。

近幾年興起的基于時域反射原理的線纜測試方法通過向線纜一端注入脈沖信號，利用故障點的阻抗不匹配特性，通過檢測故障點的反射信號參數(shù)，確定故障類型并對故障點進行定位［1］。該方法是一種典型的單端測試法，能有效解決大型水面艦艇線纜兩端不方便同時檢測的問題，非常適合大型水面艦艇的線纜測試。通過在測試端設(shè)計開關(guān)矩陣，能夠?qū)崿F(xiàn)對多芯線纜的自動檢測與定位，能夠滿足快速定位、快速排故的需求［2］。

2 總體方案設(shè)計

根據(jù)測試需求，待測線纜芯數(shù)一般介于1芯～32芯，線纜長度介于1.5m～1000m，線纜材質(zhì)一般為銅芯、聚氯乙烯絕緣外套，電信號在線纜中的傳播速度因線纜材質(zhì)和構(gòu)造而異［3］，但一般介于0.4c～0.8c（c為光速3*108m/s）。因此，多芯線纜自動檢測裝置的設(shè)計應(yīng)充分考慮待測線纜的實際情況，完善線纜數(shù)據(jù)庫建設(shè)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計基于時域反射的多芯線纜檢測矩陣，實現(xiàn)對多芯線纜的檢測與故障定位。總體方案設(shè)計如圖1所示。主要包括人機交互模塊、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理模塊、測試信號采集模塊、測試信號產(chǎn)生模塊、測試矩陣模塊、電源模塊等［4］。

圖1 總體方案功能模塊結(jié)構(gòu)圖

1）人機交互模塊：主要完成測試指令的輸入和測試結(jié)果的顯示。測試指令主要包括：待測線纜的選擇、開始測試、暫停測試、測試結(jié)果存儲、測試結(jié)果調(diào)取等；其中待測線纜的選擇通過輸入線纜編號實現(xiàn)，線纜編號的命名規(guī)則為：部門代號-單元代號—線纜代號，如WK-FS-1004，表示W(wǎng)K部門FS單元的1004號線纜。

2）數(shù)據(jù)庫模塊：主要存儲每型線纜的編號、電信號在該型線纜中的傳播速度（以下簡稱波速）、線長、芯線數(shù)量等線纜信息，以及保存的測試結(jié)果信息，用于后續(xù)維護中的線纜故障預(yù)測。

3）測試信號產(chǎn)生模塊：由于待測線纜長度少則幾米、多則近千米，需要不同參數(shù)的測試脈沖。脈沖過窄，則信號能量有限，導(dǎo)致測試距離有限；脈沖過寬則時域反射信號較難分辨，導(dǎo)致測試盲區(qū)增大。因此，需要根據(jù)不同線纜的長度信息產(chǎn)生不同寬度和幅度的測試信號。

4）測試信號采集模塊：該模塊用于完成對測試信號和反射信號的采樣和存儲；由于測試信號脈寬和幅度因待測線纜長度的不同而不同，在數(shù)據(jù)采集時必須綜合考慮定位精度、測試效率和數(shù)據(jù)處理模塊硬件資源等因素，選擇最優(yōu)的采樣速率；并根據(jù)測試信號的參數(shù)合理設(shè)置信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，確保模數(shù)轉(zhuǎn)換達到最優(yōu)的效果。

5）測試矩陣：該模塊根據(jù)測試程序指令完成測試矩陣的切換，配合測試信號產(chǎn)生模塊和采集模塊對待測線纜各芯線進行遍歷測試。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

在系統(tǒng)功能模塊劃分的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的硬件方案基于片上可編程系統(tǒng)設(shè)計（SOPC），主要包括SOPC模塊設(shè)計、TFT顯示電路設(shè)計、測試信號調(diào)理與采集電路設(shè)計、電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計、按鍵電路設(shè)計、測試矩陣電路設(shè)計、存儲電路設(shè)計等［5］。

SOPC模塊作為整個系統(tǒng)的控制和信息處理中樞，主要包括內(nèi)置NiossII軟核處理器及負(fù)責(zé)各個功能的可編程邏輯模塊，這些模塊通過片上Avalon總線接受NiosII軟核的控制和信息交互［6］，通過FPGA外置引腳實現(xiàn)和外圍電路元器件的信息傳遞，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中各功能模塊基于verilog語言設(shè)計。

圖2 SOPC模塊設(shè)計圖

1）AD采樣控制模塊：該模塊在NiosII的控制下完成對外置模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的控制與數(shù)據(jù)讀取，并將讀取到的數(shù)據(jù)傳遞給存儲管理模塊［7］，用于數(shù)據(jù)存儲及相關(guān)處理。其采樣頻率又受測試參數(shù)設(shè)置模塊傳遞的參數(shù)控制，如表1所示。外圍電路基于雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9288設(shè)計，最高實時采樣率達100M；由于測試信號的時序嚴(yán)格受控，為了提高故障定位精度，可在SOPC系統(tǒng)嚴(yán)格的時序控制下實現(xiàn)雙通道10次采樣結(jié)果的交叉疊加，并通過設(shè)計野值剔除算法，實現(xiàn)等效采樣率2G［8］。

2）測試信號產(chǎn)生模塊：該模塊在NiosII的控制下，根據(jù)測試參數(shù)設(shè)置模塊傳遞的測試參數(shù)，生成兩路測試信號。測試信號種類主要包括如下幾種單脈沖：

表1 測試信號參數(shù)表

3）測試信號調(diào)理模塊：由于測試信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的信號是數(shù)字信號，由FPGA引腳直接驅(qū)動輸出，幅度和功率較小，無法傳播至較長的距離，在檢測較長線纜時需要對測試信號脈沖進行放大。同樣，由于AD9288輸入信號幅度為1Vpp，因此，在AD采樣前需要將放大的測試信號進行衰減。該模塊在NiosII的控制下，根據(jù)測試參數(shù)設(shè)置模塊傳遞的測試參數(shù)，對輸出的測試信號進行功率和幅度放大；對AD采樣前的信號進行幅度衰減。外圍電路中，幅度放大電路基于高頻三極管設(shè)計，幅度衰減電路基于分壓電路和寬帶運算放大器設(shè)計［9］。

4）測試矩陣控制模塊：該模塊在NiosII的控制下，生成測試矩陣控制邏輯，用于驅(qū)動外部測試矩陣電路。外部電路基于單刀雙擲開關(guān)設(shè)計，用于實現(xiàn)單個測試信號通道對待測線纜所有芯線的遍歷連接。測試矩陣結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

其中T1、T2為經(jīng)過測試信號調(diào)理模塊輸出的兩路測試信號，P1、P2…P32為待測線纜轉(zhuǎn)接插頭的插針（編號為1-32），A3、A2、A1、A0為矩陣切換控制信號，S0、S1…S29為單刀雙擲開關(guān)模塊，每個開關(guān)模塊采用NPN三極管8050對繼電器進行控制，實現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能，電路圖如圖4所示。當(dāng)Ai輸入電平時，繼電器復(fù)位，輸入信號端Si_in和輸出信號Si_0連接；當(dāng)Ai輸入高電平時，繼電器閉合，輸入信號端Si_in和輸出信號Si_1連接。

圖3 測試矩陣結(jié)構(gòu)圖

圖4 單刀雙擲開關(guān)模塊原理圖

5）電源監(jiān)控模塊：該模塊用于控制外部電路中的電池監(jiān)控芯片DS2438，在NiosII的控制下，實現(xiàn)單總線串行通信協(xié)議和片上Avalon總線協(xié)議的對接，將設(shè)備內(nèi)置鋰電池模塊的電壓、電流等信息上傳至片上系統(tǒng)，實現(xiàn)對電池電量的監(jiān)控［10］。

6）TFT顯示控制模塊：該模塊用于控制外部液晶顯示電路。外部液晶內(nèi)置顯示芯片型號為ILI9341，顯示分辨率 360*240［11］。顯示信息主要包括：測試線纜編號、故障芯線編號、故障類型、故障點位置、電池電量［12］。

7）按鍵輸入模塊：實現(xiàn)外部按鈕電路的狀態(tài)讀?。煌獠侩娐纺K主要包括：開機鍵、線纜編號輸入/選擇鍵、測試開始/停止鍵、測試數(shù)據(jù)存儲/讀取鍵等。

8）測試參數(shù)設(shè)置模塊：該模塊在NiosII的控制協(xié)調(diào)下，通過片上總線讀取按鍵輸入模塊信息，根據(jù)線纜編號從存儲設(shè)備上獲取線纜測試參，包括測試波速、線長等信息［9］。

9）存儲管理模塊：該模塊通過片上總線獲取其他模塊對存儲芯片的訪問請求，協(xié)調(diào)各功能模塊實現(xiàn)測試參數(shù)讀取、測試數(shù)據(jù)存儲、測試數(shù)據(jù)上傳等操作［13］。

10）通信接口模塊：該模塊負(fù)責(zé)實現(xiàn)測試設(shè)備與上位機的通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。外部電路模塊采用MiniUSB接口設(shè)計。

4 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)處理模塊是SOPC模塊，各功能模塊通過片上總線受NiosII軟核協(xié)同和控制。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是針對NiosII的系統(tǒng)軟件設(shè)計以及TFT液晶顯示和內(nèi)存讀寫控制程序設(shè)計。軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

1）線纜編號選擇：由于線纜編號格式為XX-XX-XXXX（如WK-FS-1004），在啟動測試前需要通過操作界面輸入/選擇線纜編號。線纜編號的譯碼規(guī)則如表2所示。

表2 線纜編號信息對照關(guān)系表

其中用戶單位的部門數(shù)和每個部門下屬的單元數(shù)默認(rèn)為不大于16，每個單元的線纜數(shù)量默認(rèn)為不大于256。*.mif文件為4096*16的存儲文件，每個部門對應(yīng)一個.mif文件，“單元選擇”和“線纜選擇”譯碼后生成.mif文件的地址。

2）測試參數(shù)讀取

該模塊根據(jù)線纜編號信息讀取相應(yīng)的mif存儲文件，存儲有線纜長度和波速等信息的mif文件的16bit存儲單元對應(yīng)信息如表3所示。前6位存儲相關(guān)線纜的波速信息，后10位存儲線纜長度信息。其中線纜波速信息計算公式如下：

V=（0.5+X/100）*c

表3 mif存儲單元信息對照關(guān)系表

3）測試參數(shù)設(shè)置

該模塊根據(jù)mif存儲單元信息控制測試信號產(chǎn)生硬件模塊輸出相應(yīng)的測試波形，并控制信號調(diào)理和AD采樣硬件模塊完成對測試信號的和反射信號的處理。

4）測試矩陣轉(zhuǎn)換

該模塊負(fù)責(zé)控制測試矩陣驅(qū)動電路的，完成對各待測芯線的遍歷測試。

圖5 軟件設(shè)計流圖

5）測試結(jié)果顯示與存儲

該模塊負(fù)責(zé)對TFT液晶屏和存儲電路的控制，將測試結(jié)果進行顯示和存儲。

5 結(jié)語

基于時域反射的線纜故障檢測方法通過對線纜進行單端測試來確定故障類型和故障點位置，非常適用于大型船舶等復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)備聯(lián)通性故障排查，在此基礎(chǔ)上設(shè)計的多芯線纜自動檢測裝置能夠大幅提高基層裝備維護人員的工作效率，有利于進一步提升裝備保障效率，能夠滿足大型船舶的基本測試要求。目前存在的不足主要是設(shè)備的抗干擾能力和智能化程度有待進一步提高［14］。在今后的研究中，會重點研究回波信號的抗干擾處理方法和線纜智能檢測方法［15］。

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