电缆故障自动定位系统的设计方案与实现

1、电缆故障自动定位系统的设计与实现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

2、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 Atmega1384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 NE5

3、55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

4、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、1k Q和510 Q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

5、为05.6k愆 发光二极管电流为3 11mA,ADCx的电压范围为02.4V。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1k Q、510 Q电阻、二极管和10F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，

6、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0.1卩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=C(X 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

7、，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、1kQ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

8、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

9、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。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

10、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

11、断方式，依次测量18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。门THZ=IIIT?IMLZ 1i OC W THP闪I卷i %电话賂祿桓驚叵弼Ct HUT Id OHOVN 眄越-一1加兽走春二Iefut es Jig 哉处 沖:M卫皿Ki 討 2Lir：s 疗C.丄竿 瘀诜-也丫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

12、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

13、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

14、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, Q单位长度电容/电阻（nF/m, Q/m故障点长度（m测量断路电容/短路电阻（nF, 计算断路/短路长度（m断路/短路测量精度201.00,

15、5.760.0500,0.2880180.921,5.28118.7,18.34+2.3%,+1.9%1005.06,28.840.0506,0.2884502.519,14.30549.78,49.60-0.4%,-0.8%49525.34,142.560.0512,0.288031015.750,88.950307.62,308.85+0.8%,-0.4%95050.35,277.400.0530,0.292055029.262,160.125552.11,548.37+0.4%,-0.3%161083.52,481.760.0519,0.2992101052.846,302.642101

16、8.23,1011.50+0.8%,-0.1%3457170.08,1015.000.0492,0.2936149274.149,434.5961507.09,1480.23+1.0% ,-0.8%7390370.98,2069.200.0502,0.28004890246.555,1377.4154911.45,4919.34+0 .4%,+0.6%13540671.58,3887.330.0496,0.287110990549.915,3167.2871087.00,11032.00+0.9%,+0.4%19340907.05,5995.400.049,0.310018120858.739

17、,5663.70018310.00,18270.00+1.0%,+0.8%248841119.78,8739.260.0450,0.3512235301074.150,8432.66323870.00,24011.00+1.4%,+2.0%3系统测试系统测量电路经过DESIGNEXPLORE99SE软件仿真测试，待测电容在 1nF1000 nF之间，输出频率在 28.8Hz28.8kHz之间（或待测电阻在0 10k Q之间，输出频率在09kHz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