电缆故障自动定位系统的设计与实现

摘要：对于频繁发生的电信电缆中断事故，提出了一种电缆故障自动定位系统的设计方案。系统将电容检测法和电阻检测法相结合，根据定期测得的单位长度电容/电阻值，测算出故障电缆长度。报警形式包括故障点地图输出报警和语音电话报警。实验和应用结果表明，系统结构紧凑、功能齐全、使用简单易学、测量精度高、无误报、成本低。 关键词：嵌入式 自动定位 电讯电缆 报警 随着现代电信事业的发展，常常由于自然灾害或人为因素发生电缆中断事帮[1]。传统的电缆监测设备[2-3]存在测量速度慢、信号处理手段落后、报警方式单一、有虚报漏报现象、用户接口不友好、使用不便、不能对机房环境进行监测、不能输出故障地图等严重弊端，因此急需一种新型的适用电缆维护需要的电缆故障自动定位系统，以提高电缆维护的自动化水平。 1 系统硬件电路设计及工作原理 1.1 系统组成 系统组成框图如图1所示，由放置于各支局的电缆监控装置和放置于省或市局监控中心的计算机组成两级结构，并通过调制解调器和电话网将它们联接起来，进行报警信息的数据通信。监控中心计算机通过调制解调器和电话网络接收报警数据，完成故障电缆的电子地图定位、打印、报警和数据存档等工作；电缆监控装置以嵌入式处理器芯片Atmega138[4]为系统的控制核心，采用交流在线切换供电方式，完成实时监测、电话语音处理、人机交互和数据通讯等工作，并且还可以通过电话机进行参数查询与修改。 1.2监控装置组成 电缆监控装置结构如图2所示，可分为三个部分，下面分别进行介绍。 1.2.1实时监测模块 由于电缆所处环境复杂恶劣，每条电缆采用压敏保护元件、阻容 滤波电路、二极管保护电路、TLP521-4光电隔离电路和继电器切换电路等，将电缆状态送入Atmega128的ADC中，来完整地记录线路的状态渐变情况；采用NE555电容测量电路、LM331电阻测量电路、标准电阻电容继电器切换电路和6N137光电隔离电路等，自动实现电缆故障点长度的测量；采用环境监测模块完成机房的温度、烟雾、湿度等的监测。 1.2.2电话语音处理模块 电话语音处理模块包括HT9200A电话拨号电路、HT9170收号电路、LM567信号音识别电路、振铃电路、ISD25120语音录放电路等，实现电缆故障验证和语音报警、远程参数修改和信息查询等功能。 1.2.3人机交互和数据通讯模块 人机交互模块采用Atmega16作为CPU，配以24键键盘和8位LED显示器，通过串行口同Atmega128通讯。数据通讯模块采用MODEM电路同监控中心进行数据传输。 1.3电缆监测电路设计原理 电缆监测电路可以对八根电缆进行实时监测。通过监视电缆的一对备用线，实现电缆通断状态的监视。选取的一对备用线，一端接监测电路，另一端短接，从而构成一回路。电缆监测电路可以巡回监视电缆线路的状态，若发生故障，则根据线路的通或断状态，采用电容或电阻测量方法，确定故障点的位置。 1.3.1线路监视电路 在电缆没有发生故障的状态下，通过对继电器的控制， 将被测线路与监视电路相连，完成线路状态的实时监视。如图3所示，监视回路由+24V电源、1kΩ和510Ω电阻、被测线路和TLP521-4组成。系统允许测量电缆长度为20km，则线径为0.4mm的铜线电阻值为0～5.6kΩ，发光二极管电流为3～11mA,ADCx的电压范围为0～2.4V。考虑到实际电缆存在一事实上误差，可设其阈值为2.4+0.6V，当线路接触不良或断路时，其回路间电阻会迅速增加，ADCx端电压值大大高于阈值3V。由于引起异常的原因复杂且不可预测，通过调用通断检测函数，在一定时间内对异常电缆进行多次监测。若多次监测结果均超出阈值范围，即表明电缆存在故障。另外，电路采用330V的压敏电阻和TLP521-4可避免雷击或其它大电流对系统的危害，采用1kΩ、510Ω电阻、二极管和10μF电解电容，可减少被测电缆中的干扰信号对监视电路的影响。 1.3.2电容测量电路 电容测量电路如图4所示，当进行电缆的电容/电阻测量时，控制继电哭开关，将被测电缆两端分别连接CAP-RES1、CAP-RES2端。当被测线路断路时，CAP-RES1和CAP-RES2分别同图4中的CAP1和CAP2相连，断开后的长线对相当于一个电容器的两个极板，其长度与电容值成正比。电容测量采用NE555电路，将电容量转化为频率量。测量电路分别对0.1μF标准电容和被测电容Cx进行测量，得到相应的频率值Fo和Fx。按照公式Cx=Co%26;#215;Fo/Fx，计算出被测电缆的电容值。电路中采用高速光耦6N137芯片，使电路与MCU隔离。 1.3.3电阻测量电路 电阻测量电路如图5所示，当进行电缆的电容/电阻测量时，控制继电器开关，将被测电缆两端分别连接CAP-RES1、CAP-RES2端。当被测线路在故障点短路时，CAP-和CAP-RES2分别同图5中的RES1和GND相连，短路后的长线对相当于一个电阻器，其长度与电阻值成正比。通过+9V电源、1kΩ电阻和被测线路电阻组成的分压电路，将被测线路电阻上的电压经过LM331V/F电路转换为相应的频率信号。频率信号经过6N137高速光耦隔离后连接Atmega捕获时钟中断引脚，测量出频率值，再换算成电阻值。 1.4电话语音报警电路设计原理 电话语音报警电路如图6所示，该模块主要由收/拨号电路、信号音识别电路、振铃电路和语音录放电路等组成。在拨号电路中，MCU通过串行接口，将所要发送数据由HT9200A芯片转化为DTMF信号，送入电话网络；而收号电路则将DTMF信号转化为四位的编码送给MCU。信号音识别电路是由LM567组成的锁相环电路，在话路上检出450Hz信号音的调制泳冲后，送给MCU测试，以便识别出拨号音、回铃音和忙音等信号音。振铃电路将电话线路上的25Hz/70V的交流振铃信号转化为TTL电平信号，送给MCU的中断引脚。语音录放电路由ISD2560、74HC164、LM386和继电器切换电路组成。继电器电路控制本地和远程电话机语音录放功能的切换。ISD2560中存放报警所需的固定信息和由用户输入的所监测电缆的长度、地理位置等语音信息。当发生故障时，由拨号电路拨通报警电话，信号音识别电路检测出对方摘机后，语音录放电路播放报警信息。当用户电视机拨通本装置时，振铃电路和收号电路接收用户的数字和语音信息，完成本装置的参数修改及语音录放功能。为了用户使用方便，本装置也可以作为电话机使用。 图4、5 2 软件设计 系统软件包括监控中心软件和电缆监控装置软件两部分。监控中心采用Delphi语言，通过MODEM和电话网络接收报警数据，完成故障点地图打印、报警和电缆管理功能；电缆监控装置软件采用程序查询和中断相结合的方式，对电缆完成实时监控、故障自动定位、电话语音报警、参数远程修改、数据上传、故障校验和机房环境监测等功能。当线路状态发生变化时，则进行线路长度测量。在系统发送报警信息之前，采用下列三种方法，去除线路误报情况： （1）核实电话法：八条监控电缆，每条电缆设置两个核实电话号码。当故障发生时，系统自动拨打核实电话，并且自动识别拨号音、忙音、摘机、无人接听等情况，以判别故障的真实性。 （2）线路全长判别法：在精确测量的前提下，每条电缆的全长同故障测量距离比较，若相近，且线路最后状态为闭合，则认为误报；否则，认为故障或线路终端开路。 （3）线路巡检电路对八路电缆进行A/D采样，全程记录线路状态的渐变情况，以便去掉干扰造成的误报。通过计算和实验得出每条线路的断路阈值和短合阈值。A/D采样采用中断方式，依次测量1～8路通道，每通道采样10次，并将10次采样结果同断路阈值和短路阈值相比较，得到线路的通断状态。如果电缆线路在检测执行过程中发生了明显的变化，则该次测量数据无效，需要重新进行通断检测。 图6 2.1监控装置监测程序设计 在监测程序设计中，主要包含的函数有通断检测函数、电阻检测函数、电容检测函数、综合处理函数等。 2.1.1监控装置主程序 监控装置主程序如图7所示。它主要执行如下动作： （1）系统初始化，包括数据缓冲区、软件标志、MCU的I/O端口、定时器、串行口波特率及中断向量表的初始化。 （2）接收键盘输入，包括本机标识、报警电话号码、复核电话号码、被监测线路长度、语音数据、密码等参数的显示及设定。 （3）对线路状态和环境进行监测，若线路发生故障或机房环境发生异常，则进行线路长度测量或环境参数测量，并通过电话网络发送报警信息。 （4）若有远程控制电话呼入，在密码核对正确后，用户可以进行远程参数查询和修改。 2.1.2电容/电阻检测函数 当线路发生故障时，由NE555/LM311线路电容/电阻转化为相应频率，送给Timer1/Timer3的捕获引脚ICP1/ICP3。其输入捕获单元可精确捕获ICP1/ICP3引脚发生的外部事件及发生的时刻，调用电容/电阻检测函数计算单位时间内触发事件的次数，从而精确计算出频率值及相应的电容/电阻值。由于电容/电阻电缆长度成比例关系，因此在故障未发生时，定期测量整个线路的电容/是阻值，计算出单位电容/电阻的线路长度；在故障发生时，测量故障线路的电容/电阻值，并换算出故障电缆长度。为减少系统误差，电容/电阻检测函数先测量标准电容/电阻，然后测量线路电容/电阻，从而提高测量精度。 2.2监控中心地图输出程序设计 通常，地理信息系统采用Mapinfo软件进行信息查询，但由于电子地图版权费用较高，为降低系统成本，采用地图位图同线路绘制信息数据库相结合的方法实现电缆地理信息查询。其步骤如下： （1）扫描某一城市的高精度地图，得到位图形式的电子地图。 （2）在电子地图上，绘制由顶点和线段组成的电缆线路图，记录各顶点的坐标，并输入各顶点和线段数据信息，形成相应的数据库。 （3）当故障发生时，根据此线路的总长度、故障线路长度、电子位图中的电缆线路的所有线段总长度，得出故障点在线路图中的位置，并且把故障点的相关信息输出或报警。 表1 电费定位系统测量精度表 线路总 长度（m） 测量电容/电阻 （nf,Ω） 单位长度电容/电阻（nF/m,Ω/m） 故障点长 度（m） 测量断路电容/短路 电阻（nF,Ω） 计算断路/短路 长度（m） 断路/短路 测量精度 20 1.00,5.76 0.0500,0.2880 18 0.921,5.281 18.7,18.34 +2.3%,+1.9% 100 5.06,28.84 0.0506,0.2884 50 2.519,14.305 49.78,49.60 -0.4%,-0.8% 495 25.34,142.56 0.0512,0.2880 310 15.750,88.950 307.62,308.85 +0.8%,-0.4% 950 50.35,277.40 0.0530,0.2920 550 29.262,160.125 552.11,548.37 +0.4%,-0.3% 1610 83.52,481.76 0.0519,0.2992 1010 52.846,302.642 1018.23,1011.50 +0.8%,-0.1% 3457 170.08,1015.00 0.0492,0.2936 1492 74.149,434.596 1507.09,1480.23 +1.0%,-0.8% 7390 370.98,2069.20 0.0502,0.2800 4890 246.555,1377.415 4911.45,4919.34 +0.4%,+0.6% 13540 671.58,3887.33 0.0496,0.2871 10990 549.915,3167.287 1087.00,11032.00 +0.9%,+0.4% 19340 907.05,5995.40 0.049,0.3100 18120 858.739,5663.700 18310.00,18270.00 +1.0%,+0.8% 24884 1119.78,8739.26 0.0450,0.3512 23530 1074.150,8432.663 23870.00,24011.00 +1.4%,+2.0% 3 系统测试 系统测量电路经过DESIGN EXPLORE 99 SE软件仿真测试，待测电容在1nF～1000 nF之间，输出频率在28.8Hz～28.8kHz之间（或待测电阻在0～10kΩ之间，输出频率在0～9kHz之间），待测的电容/电阻与频率成线性关系。本文以齐齐哈尔电信局测试数据为例，采用在电信领域广泛使用的0.4mm线径电缆进行测试，首先对每路电缆的一对线路全长进行10次电容/电阻测量，计算出单位长度的电容/电阻值；然后对每一路电缆故障进行模拟测试，得到测试数据表。由表1可知，每条线的单位长度电容/电阻值是变化的，若按固定常数50nF/km计算，则由测量得到的电容/电阻值计算出的电缆长度的相对误差在2%以上。然而，由于每条铺设的电缆的型号、所处环境不同以及施工的复杂性，导致单位长度电容/电阻值很难由理论计算得出。因此，针对特定电缆，定期地测试其总长度以及相应的电容/电阻值，计算出单位长度电容/电阻值，并形成所有被测电缆的单位长度电容/电阻值表。当故障发生时，由测得电容/电阻值同查表得到的单位长度电容/电阻值的乘积而得到故障点的电缆长度。由表1可知，测量相对误差在1%以内，最长距离为20公里，完全能满足用户的需要。 系统可监测最长距离为20公里，精度为1%，无误报情况发生；系统结构紧凑、功能齐全、使用简单易学，成本低，具备电话机功能，已在国内大量应用。