毕业论文-电力线路故障检测装置研制(正文)

1、第一章 绪论1.1 电力电缆的故障检测的背景与意义 随着电缆数量的增多及其运行时间的延长,电缆的故障也越来越频繁。电缆故障点的查找与测量是通讯和电力供应畅通的有力保障，但因为电缆线路的隐蔽性、个别运行单位的运行资料不完善以及测试设备的局限性等原因,使电缆故障的查找非常困难。电力线路故障的检测与准确定位，能够缩短故障修复时间，提高供电可靠性，减少停电损失。电缆故障情况及埋设环境比较复杂，变化多，测试人员应熟悉电缆的埋设走向与环境，确切地判断出电缆故障性质，选择合适的仪器与测量方法，按照一定的程序工作，才能顺利地测出电缆故障点。从七十年代至今，电缆故障定位技术取得了长足的发展和进步，各种测试方法和

2、测试仪器应运而生，电缆故障检测技术不断得到完善和提高，并且在现实中得到了广泛的应用。基本上是依赖分析故障记录结果来估算故障点位置，测距精度得不到保障。八十年代以来，随着计算机保护技术的推广应用，许多微机线路保护或故障记录装置都增加了基于阻抗测量原理的故障测距功能，推动了故障测距技术的进步，但受多种因素的影响，阻抗原理测距精度还不是很理想，因此，电力部门迫切希望能研制出精度高的线路故障测距装置，以解决线路故障寻找难的问题。随着人们对线路故障行波现象研究的深入和微电子技术的进步，近年来行波故障测距技术取得了重大进展并显示出其优越性，相信行波测距会成为将来输电线路故障重要的定位方法之一。本课题从理论

3、上提出了一种先进的理论电缆故障定位方法低压脉冲反射法，基于AT90 的AVR单片机的系统，通过记录脉冲的时间，计算故障点反射脉冲之间时间和脉冲在电缆中的速度的乘积，就可以得到故障点距测量端的距离。1第二章 电力线路故障分析2.1 电缆故障的原因了解电缆故障的原因，对于减少电缆的损坏，快速地判定出故障点是十分重要的。电缆故障的原因大致可归纳为以下几类：一、 机械损伤机械损伤是电缆故障的主要原因，包括电缆受震动或冲击性负荷等影响造成电缆的铅（铝）包绝缘等裂损，有时轻微的损伤会在几个月甚至几年后才发展成故障原因。造成电缆机械损伤主要有以下几种原因：1.安装时损伤：在安装时不小心碰伤电缆，机械牵引力过

4、大而拉伤电缆，或电缆过度弯曲而损伤电缆；2.直接受外力损坏：在安装后电缆路径上或电缆附近进行城建施工，使电缆受到直接的外力损伤；3.行驶车辆的震动或冲击性负荷会造成地下电缆的铅(铝)包裂损；4.因自然现象造成的损伤：如中间接头或终端头内绝缘胶膨胀而胀裂外壳或电缆护套；因电缆自然行程使装在管口或支架上的电缆外皮擦伤；因土地沉降引起过大拉力，拉断中间接头或导体。二、绝缘受潮 绝缘受潮后引起故障。造成电缆受潮的主要原因有：1.因接头盒或终端盒结构不密封或安装不良而导致进水；2.电缆制造不良，金属护套有小孔或裂缝；3.金属护套因被外物刺伤或腐蚀穿孔。三、绝缘老化变质电缆绝缘介质内部气隙在电场作用下产生

5、游离使绝缘下降。当绝缘介质电离时，气隙中产生臭氧、硝酸等化学生成物，腐蚀绝缘；绝缘中的水分使绝缘纤维产生水解，造成绝缘下降。过热会引起绝缘老化变质。电缆内部气隙产生电游离造成局部过热，使绝缘碳化。电缆过负荷是电缆发热的一个重要因素。安装于电缆密集地区、电缆沟及电缆隧道等通风不良处的电缆、穿在干燥管中的电缆以及电缆与热力管道接近的部分等都会因本身过热而使绝缘加速损坏。四、过电压大气与内部过电压作用，使电缆绝缘击穿，形成故障，击穿点一般是存在缺陷。五、设计和制作工艺不良中间接头和终端头的防水、电场分布设计不周密，材料选用不当，工艺不良、不按规程要求制作会造成电缆头故障。六、材料缺陷材料缺陷主要表现

6、在三个方面：1、电缆制造的问题，铅（铝）护层留下的缺陷；在包缠绝缘过程中，出现褶皱、裂损、破口和重叠间隙等缺陷；2、电缆附件制造上的缺陷，如铸铁件有砂眼，瓷件的机械强度不够，其它零件不符合规格或组装时不密封等；3、对绝缘材料的维护管理不善，造成电缆绝缘受潮、脏污和老化。七、护层的腐蚀由于地下酸碱腐蚀、杂散电流的影响，使电缆外皮受腐蚀出现麻点、开裂或穿孔，造成故障。八、电缆的绝缘物流失油浸纸绝缘电缆敷设时地沟凸凹不平，或处在电杆上的户外头，由于起伏、高低落差悬殊，高处的绝缘油流向低处而使高处电缆绝缘性能下降，导致故障发生。在分析电缆故障发生的原因以及寻找故障点时，极重要的是要特别注意了解高压电缆

7、敷设、故障及修复的情况。要注意做好电缆安装敷设及故障修复过程中的记录工作。记录应主要包括以下内容：1.线路名称及起止地点。2.故障发生时间。3.故障发生的地点及排除经过。4.电缆规范：如电压等级、型式、导体截面、绝缘方式，制造厂名及购置日期等。5.装置记录：如安装日期及气候，各个对接头、三通接头的设计型式、绝缘种类、热处理温度及精确位置。6.电缆的埋设情况：如电缆弯曲半径的大小，路径的走向，有无反常的敷设深度或者有特别的保护措施，如钢板、穿管和排管等；电缆敷设中的技工和技术人员的姓名（这也常常是提供重要线索的来源之一）。7.周围环境情况：如临近故障处的地面情况，有无新的挖土、打桩或埋管等工程，

8、泥土中有无酸或碱的成分，是否夹有小石块，附近地区有无化学工厂等。8.运行情况：如电缆线路负荷及温度等。9.校验情况：包括试验电压、时间、泄漏电流及绝缘电阻的数值、历史记录。由于制造缺陷而造成的电缆故障是不多的，分析了解可能造成电缆故障的原因，对寻找电缆故障点是很有帮助的。例如，通过测距知道了电缆的故障距离，而在对应位置上，发现近期进行过城建施工，就可以怀疑为在施工的过程中损伤了被测电缆而引起了故障，往往不需要费很大功夫，就能很快地对故障进行定点。2.2 电力线路故障的性质与分类2.2.1 电力电缆的长线等效电路电力电缆是电力传输线路的一种，传输线路本身几何长度上大于它所传输电波的波长l (波长

9、l传输速度V电波频率f)，或二者可以相比拟时，则称该传输线路为长线，否则为短线当传输的电波为脉冲波时，波长等于脉冲宽度。可见，长线或短线是相对于电波波长l或脉冲宽度t 的相对概念因此，长线的几何长度并不一定要很长，有时只不过几厘米或几米就足够了。对于电力传输线路而言，即使线路长度达千米以上，它比起工频信号的波长(6000km)要小得多，因此不能称之为长线。当在电缆线路上利用脉冲反射测试技术进行故障诊断时，情况就发生变化了。一般来说，低压脉冲的宽度0.22ms。脉冲电流波的宽度不足1 ms，而电波在电缆中的传播速度一般不超过200m/ ms。因此，低压脉冲的波长l40400m，而脉冲电压、电流波

10、的波长不低于200m。可见，当电缆线路长度在几十米以上时就可以等效为长线电力电缆被看作长线时，就不再是简单的导体(线芯)绝缘对地(外护套)回路，而是由许许多多的等效电阻、电导、电感、电容构成，这些参数沿整个电缆线路均匀分布，故称之为分布参数。电缆等效长线分布参数电路如下图2-1所示。图2-1 电缆等效长线分布参数电路图2-2 电缆故障等效电路电缆故障点可用图2-2所示电路来等效。代表绝缘电阻，G是击穿电压为的击穿间隙，代表局部分布电容，上述三个数值随不同的故障情况变化很大，并且互相之间并没有必然的联系。间隙击穿电压的大小取决于放电通道的距离，电阻的大小取决于电缆介质的碳化程度，而电容的大小取决

11、于故障点受潮的程度，数值很小，一般可以忽略。根据故障电阻与击穿间隙情况，电缆故障可分为开路、低阻、高阻与闪络性故障，如表2-1所示。表2-1电缆故障性质的分类故障性质间隙的击穿情况开 路在直流或高压脉冲作用下击穿低 阻小于10不是太低时，可用高压脉冲击穿高 阻大于10高压脉冲击穿闪 络直流或高压脉冲击穿说明：表中为电缆的波阻抗值，电力电缆波阻抗一般在10-40之间。据统计，高阻及闪络性故障约占整个电缆故障总数的90%。在本设计中研制的电缆故障检测装置仅针对电缆的短路和断路故障。以下是三种故障情况。图2-3 一相接地图2-4两相对地图2-5 一相断线并接地实际上还存在一种封闭性故障，它多发生于电

12、缆接头或终端头内，特别是多发生在浸油的电缆头内。发生这类故障时，有时在某一试验电压下绝缘击穿，待绝缘恢复，击穿现象便完全消失，这类故障称为封闭性故障，因故障不能再现，寻找起来就比较困难。2.3 电力线路故障检测的一般步骤方法电力电缆故障的诊断，无论选用那种测试方法，均需按照一定的程序和步骤进行，现归纳如下。2.3.1 确定故障性质当着手对某一故障电缆进行故障测试时，首先要进行的工作是：了解故障电缆的有关情况以确定故障性质。掌握这一故障是接地、短路、断线，还是它们的混合；是单相、两相还是三相故障；是高阻，低阻，还是泄漏性或闪络性故障。只有确定了故障性质，才可以选择适当的测试方法对电缆故障进行具体

13、的诊断。2.3.2 粗测距离当确定了故障电缆的故障性质以后，就可以根据故障性质，选择适当的测试方法测出故障点到测试端或末端的距离，这项工作称为粗测距离。粗测距离是电缆故障测试过程中最重要的一步，这项工作的优劣，决定着电缆故障测试整个过程的效率和准确性。因此，常常需要具有相当专业技术基础理论知识和丰富实践经验的人员来进行操作。人们在长期的生产实践中探讨和总结出多种故障距离的粗测方法，即经典法（如电桥法及其变形等）和现代法（脉冲发射法）。随着电力电缆生产质量的提高和新型绝缘材料的采用，使电缆的故障电阻不断提高（达到兆欧级）。据统计，凡预防性试验击穿的故障电阻，不少于90%在兆欧数量级以上；运行故障

14、的75%是高阻故障，其中60%以上的故障电阻达到兆欧级。由此看来电缆故障的绝大部分为高阻故障，那些只能测试低阻故障的经典测试方法显然适用性太差。当遇到高阻故障时，必须经过一个耗时，费力的“烧穿”降阻过程，以求把高阻故障转化为低阻故障，这个漫长的过程需要的设备笨重而繁杂，而新型绝缘材料电缆的故障电阻极难“烧穿”与降阻。现代的脉冲反射测试法可以做到无需经过“烧穿”降阻而直接进行高阻故障的测距。这一发明，无疑是电缆故障诊断技术的重大进步。这种现代法与经典法相比具有下列优点：1、 可以不依赖准确的电缆资料。如长度、截面、接头或分支位置、敷设图等。2、 测试简便。由于不需要“烧穿”降阻，使测试设备得到简

15、化，测试程序变得简单。3、 测试效率高。由于高阻故障无需漫长的“烧穿”降阻过程，缩短了测试时间，使测试效率大为提高。4、 测试更精确。现代的脉冲反射法采用先进的微电子技术，尤其是近几年引入了人工智能技术，无需人工换算使现代法测试结果更加精确。5、 适用范围广。现代的脉冲反射法不像经典法那样具有应用的局限性，无论是哪种电缆故障，都可以通过脉冲反射测试技术得到快速、准确的测试结果，因此具有更加广泛的适用性。6、 适于发展。现代的脉冲反射测试技术具有设备简单、轻便，一机多用（各类故障）、操作方便等优点而成为电缆故障诊断技术的发展方向。人工智能设备的出现，为操作者提供了更快捷、更理想的测试结果。2.3

16、.3 探测路径或鉴别电缆 故障电缆经过粗测以后便得出一个故障距离Lx,这个故障距离是由测试端（即首端或称始端）到故障点的距离。从理论上讲，以测试端为圆心，以故障距离L;为半径划一个圆，圆周上的所有的点都满足故障点到测试端的距离为LX的条件，显然故障点只能是圆周上的某一点，而这一点又必须在电缆上，这是可以借助的另外一个条件。当把电缆路径用线段画出以后，这条线段必将与R-LX的圆相交于一点，这一点才是欲寻找的故障点。对于直接埋设在地下的电缆，需要找出电缆线路的实际走向（也可以测出埋设深度），即为探测路径。对于在电缆沟、隧道等处的明敷电缆，则需要从许多电缆中挑选出故障电缆，即鉴别电缆。探测电缆路径或

17、鉴别电缆，通常是向故障电缆（如有完好线芯，一般加在完好线芯上）加一音频电流信号，然后用探测线圈接收此音频信号，从而找出电缆路径或鉴别电缆。对于干扰较大的复杂环境，鉴别电缆常用钳形电流表来辅助鉴别。从电缆首端或末端加入一个电流信号，并做规律性通断变化，然后用钳形表卡在电缆上观察其电流指示值及通断规律，当电流指示值接近于加入端的电流值（由于线路损耗而有所减小），并且通断规律相符时，可以确认该电缆为故障电缆。2.3.4 精测定点精测定点是电缆故障测试工作的最后一步，也是致关重要的一步。在粗测出故障距离并确定了故障电缆路径或鉴别出故障电缆以后，为什么还需要精测定点呢？因为粗测出的故障距离有一定的误差，

18、故障距离的丈量也有误差。因此，在精测定点前只能判断出故障点所处的大概位置，要想准确地定出故障点所在的具体位置，必须经过精测定点。电缆故障的精测定点一般采用声测定点法、感应定点法和其他特殊方法。以上的电缆故障可以通过声测法确定故障点的位置，金属性接地故障需要用感应法或特殊方法定点。以上是电缆故障诊断的一般步骤。在具体测试工作中，根据具体情况的不同，有些步骤可以省略。例如，电缆线路标志很清楚的不需要测明电缆路径或鉴别电缆；明敷短电缆的开放性故障（电缆故障点已暴露在外表），可以略去各步而直接精测定点；故障点的可能位置有限（如仅怀疑在某个中间头上）时，也可直接精测定点。电力电缆故障诊断的一般步骤与方法

19、汇总于表2-1:表2-1 步骤与方法汇总表步骤内容方法备注一确定故障性质1.测绝缘电阻2.导通试验二粗测距离经典法：电桥法驻波法等高阻故障需烧穿2.现代法（脉冲反射法）：低压脉冲法直流高压闪络法冲击高压闪络法高阻故障无需烧穿三探测路径1.音频感应法2.卡流表法只适用于鉴别电缆四精测定点1.声测定点法2.感应定点法仅适用金属性接地故障3.时差定点法4.同步定点法5.其他特殊方法适用于低压电缆故障21 哈尔滨理工大学成人教育学院毕业论文 第三章 理论分析3.1 低压脉冲反射法目前，现场上主要是通过测量低压注入脉冲或故障点放电脉冲在故障点与测量端之间的运动时间测量电缆故障距离，本课题使用的是前者，依

20、据的是低压脉冲反射法。下面介绍的是低压脉冲反射法。一、应用范围低压脉冲反射法(以下简称低压脉冲法)用于测量电缆的低阻、短路与断路故障。据统计这类故障约占电缆故障的10%。低压脉冲法还可用于测量电缆的长度、电磁波在电缆中的传播速度，还可用于区分电缆的中间头、T型接头与终端头等。二、工作原理测试时向电缆注入一低压脉冲，该脉冲沿电缆传播到阻抗不匹配点，如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，回送到测量点被仪器记录下来（图3-1）。波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差，对应脉冲在测波形上发射脉冲与反射脉冲的时间差，对应脉冲在测量点与阻抗不匹配点往返一次的时间，已知脉冲在电缆中的波速度v，则阻抗不匹配点

21、距离，可由下式计算： （3-1）图3-1低压脉冲反射原理图通过识别反射脉冲的极性，可以判定故障的性质。断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同，而短路故障的反射脉冲与发射脉冲极性相反。由3-1知道，脉冲在电缆中的波速度对于准确地计算出故障距离是很关键。在不清楚电缆的波速度值的情况下，可用如下方法测量。如已知被测电缆的长度，根据发送脉冲与电缆终端反射脉冲之间的时间，可推算出电缆中的波速度： （3-2）三、发射脉冲的选择(1) 脉冲的形状电缆故障测量仪器使用的电压脉冲一般有矩形、指数、钟形（又叫升余弦）等。由于矩形脉冲形成比较容易，故应用的比较多。(2) 脉冲的宽度脉冲总有一定的时间宽度，假定为，则在时

22、刻以内到来的反射脉冲与发射脉冲相重叠，无法区分出来，因此就不能测出故障点距离，出现了盲区。假设脉冲发射宽度是0.5 ms，电缆波速度是160m / ms，其测量盲区就是40米，仪器发送脉冲愈宽，测量盲区愈大。从减小盲区的角度看，发送脉冲宽度窄一些好，但脉冲愈窄，它所包含的高频成分愈丰富，而线路高频损耗大，使反射脉冲幅值过小，畸变严重，影响远距离故障的测量效果。为解决这一问题，脉冲反射仪器把脉冲宽度分成几个范围，根据测量距离的远近来选择脉冲宽度，测量距离愈远，脉冲愈宽。3.2脉冲反射波形的理解1. 脉冲反射波形反映电缆故障与结构图 3-2a 给出了一个有低阻故障的电缆，中间有接头J，图2-4b给

23、出了向电缆注入一低压脉冲测得的脉冲反射波形。 a b图3-2中间有接头的电缆脉冲反射波形把波形上任一点的时间坐标乘以二分之一的波速度（即3-2式），换算成距离，则电缆上所有的阻抗不匹配点，如中间接头J、故障点F、电缆的开路终端B，均按实际的距离以脉冲的形式出现在波形上。根据脉冲的极性与大小可判别阻抗不匹配的性质与严重程度。一般来说，开路与短路故障反射比较强，而中间接头反射较弱。低阻故障的电阻值愈小，反射愈强烈。下面介绍几种典型故障的脉冲反射波形。图3-3断路故障脉冲反射波(1) 断路故障脉冲在断路点产生全反射，反射脉冲与发送脉冲同极性。 图3-3给出了断路故障脉冲反射波形。波形上第一个故障点反

24、射脉冲之后，还有若干个相距仍然是故障距离的反射脉冲，这是由于脉冲在测量端与故障点之间多次来回反射的结果。由于脉冲在电缆中传输存在损耗，脉冲幅值逐渐减小，并且波头上升变得愈来愈缓慢。图3-4短路故障脉冲反射波形(2) 短路故障脉冲在短路点产生全反射，反射脉冲与发送脉冲极性相反。图3-4给出了电缆短路故障脉冲反射波形。波形上第一个故障点反射脉冲之后的脉冲极性出现一正一负的交替变化，这是由于脉冲在故障点反射系数为-1，而在测量端反射为正的缘故。 图3-5低电阻故障点电压(3) 低阻故障脉冲反射波形 如图3-5，电缆中出现低电阻故障时，故障点电压反射系数与透射系数由式=-1/(1+2K)与=2K/(1

25、+2K)给出，其中K=Rf/Z0是故障电阻与电缆波阻抗的比。图3-10给出了电压反射系数与 透射系数随K值的变化关系，可见K10，即故障电阻大于波阻抗值的10倍时，脉冲反射系数幅值小于5%，故障点反射脉冲较难以识别，低压脉冲法不适用测量这类故障的距离。 图3-6c给出了故障点在电缆中点之前的低阻故障脉冲反射波形。由脉冲传播网格图（图3-6b）看出，注入的脉冲在故障点产生反射脉冲，t1时刻回到测量端，该脉冲从测量端返回，在故障点又被再次反射，t2时刻又一次回到测量端。第二个故障点反射脉冲在波形上与第一个故障点反射脉冲之间的距离为故障距离，穿过故障点的透射脉冲在电缆的端点被反射，t3时刻回到测量端

26、。 (a) (b) (c)图3-6电缆中点之前的低阻故障脉冲反射波形 哈尔滨理工大学成人教育学院毕业论文 第四章 硬件设计本设计以单片机以及与其相配合的接口电路、数字电路、模拟电路、电源等构成了装置的硬件。Atmage8单片机在预先编制好的指令（即软件程序）的驱动下，控制整个硬件电路工作，完成装置的各项功能。系统的整体设计构思是基于低压脉冲反射法的原理，故障测试仪对故障电缆发送一脉冲，且脉冲宽度可调，需要设计一个脉冲发大电路。对反射回来的脉冲还要进行接收和识别，则需设计一个脉冲接收电路。用单片机依据波速，根据中断原理得出发射脉冲和反射脉冲之间的时间差，从而计算故障距离，并显示在LCD屏上。因此

27、还需设计单片机系统和LCD显示电路。另外还需设计一个键盘矩阵来对整个系统进行命令的输入，以上是实现故障检测最基本的功能，根据以后的需要可以添加多个扩展功能。下面就根据上述要实现的基本功能设计，系统硬件结构图。如下：图4-1系统硬件结构图设计将系统分为数字部分和模拟部分。系统的数字部分主要分为单片机系统，接口等。模拟部分包括脉冲的发送和接收电路。设计中采用AVR系列的ATmega8单片机，构成单片机系统。系统根据键盘来的信号完成相应的操作流程。通过单片机完成脉冲信号的发生，采样控制。RS232串口与PC相连。4.1 脉冲发生在前面的章节中讲到，在幅度固定的前提下，脉宽决定了向电缆馈送的能量，也就

28、意味着不同的测试环境，脉冲宽度越大对于远距离测量更为有利，但较宽的脉冲又会导致测量盲区的增加，从减小盲区的角度看，发送脉冲宽度窄一些好，但脉冲愈窄，它所包含的高频成分愈丰富，而线路高频损耗大，使反射脉冲幅值过小，畸变严重，影响远距离故障的测量效果。为解决这一问题，脉冲反射仪器把脉冲宽度分成几个范围，根据测量距离的远近来选择脉冲宽度，测量距离愈远，脉冲愈宽。所以为了便于不同的测量场合这里的脉冲发生器的脉宽必须软件可控。脉冲发生有很多种实现方式，但由于对其有特定的要求，譬如必须是方波，启动速度必须足够的快和稳定。脉宽时间可软件调整。本设计实现方法就是采用单片机实现。图4-2脉冲发送Q1选用9018

29、，频率特性可以到1GHz，速度很快，耐压值为30V,耗散功率0.4W，根据实验情况Q1也可换用高速大功率管。晶体管脉冲驱动有多种方案和电路，实验将对各种电路进行测试比较，接收电路部分还需用到脉冲发射部分信号作为开关或者负反馈。采用脉冲高频变压器，介质是四氧化三铁。4.2 脉冲接收在测量得出距离前应先了解电缆故障类型，就必须在接收反射波的电路里加入波形转换装置。首先判断是否短路故障，由于短路故障反射波与发射波波形相反，因此接收电路采用第1种方案，接入一个二极管，若结论为短路故障，反射波就被滤掉，则不产生中断。测出是短路故障的话，就按照2方案的接法，将发射波接入一个桥式整流电路，这样就原来不可以反

30、映出的发射波形就可以通过这方式重新出现了，就可以申请SCM中断，则就可以测出故障距离了；若在一开始的第1种方案中就产生了中断，我们就能判别是断路故障，这就不需要用其他方法就可以测出故障距离了。接收电路如图4-3。本设计是通过CD4052模拟开关来控制选择电路接法。测试脉冲发给待测电缆遇到故障点反射返回，当故障点距离大于测试盲区时，该反射波形可以用示波器（测试阶段）在发射端看到。由于脉冲在电缆中的传输特性，导致反射脉冲相对于发射脉冲很微弱，小于单片机中断接口的1LSB（Vref/256）就很难分辨出了。此外，因为收发公用一根线，发射脉冲的幅度相当大而且也会窜入接收通道，这显然是很危险的，若直接输

31、入到单片机，极易击穿放大器或者单片机芯片造成电路损坏，所以在单片机和放大器之前必须加入专门的电路对回波信号进行必要的处理。其目标主要有两个：尽可能抑制和衰减高幅度的发射脉冲；放大和整形反射信号以达到单片机的最佳输入。假设发送脉冲幅度最大可以达到30Vpp，接收器前端的运放工作电压最高也就是+/-12V或者+/-5V，很显然，发射脉冲在输入给运放之前必须要加入钳位处理，否则会击穿运算放大器。又因为这个脉冲极窄，对于数字电路来说更加危险，一般情况下，普通数字器件很难有效胜任这种特殊场合。一般的钳位处理通常是采用两个倒置的二极管并联完成，譬如IN4148就用的比较广泛。这里也可以考虑用瞬态保护二极管

32、（TVS）实施，因为这里对速度要求很高，必须要迅速有效的吸收较大的能量。当然，若没有TVS采用一般IN60并联亦可。具体的并联个数取决于放大器的输入幅度设计。解决了放大器的输入限幅外，还需要考虑发射平衡的问题，如何有效的抑制或者衰减发射脉冲。当然，发射平衡消除不是必须的，因为对于用户来说，他所关心的仅仅是接收波形性质以及收发脉冲的前沿时间间隔，发射波形是否好看并没有任何的实际意义。但有一点很重要，发射波形在放大器后的迟滞时间绝不能过长，否则不易和反射波形区分开来，使得测量盲区进一步加大（这种概率非常小）。平衡电路可采用变压器方式平衡，在运放输入前完成，但非变压器方式的情况下可以采用运放的反相输

33、入完成平衡。从脉冲发射电路（不是最后的输出）里采样并输入到运放的反相输入来实现平衡。这样，只要调节好这个反馈信号（幅度、偏移以及相位），就可以很好的实现平衡，以达到抵消发射脉冲的目的。当然，由于待测电缆多样化，电参数不确定，这个发射脉冲并不能完全彻底消除，仅供参考。还有一种方法就是利用脉冲发射部分的信号控制接收器前端的一个高速开关管，在脉冲的发射期间将这个开关管与地短路，这样就可以解决发射脉冲对运放的冲击危险。接收放大电路有多种，这里采用高速运放实现，原则上来说，从电缆到单片机之间插入的部件应该越少越好，因为插入的电路会增加波形的畸变。运算放大器一定要选用高速的，带宽至少百兆以上。从电缆检测到

34、的信号由同相端输入，这样不会改变波形的性质，发射电路的反馈信号作为反相输入以抵消发射脉冲的放大效果。为了达到较好的放大效果以及为了实验方便，再加入电平偏移和放大增益调整电位器。图4-3脉冲接收如图4-3所示。脉冲在输入给运放之前加入钳位处理，采用的是两组倒置的IN4148二极管并联，避免发射脉冲过高窜入，击穿运算放大器。在输入到单片机前，采用双极性的放大器（MAX4108）的接法。4.3 中心处理单元由系统硬件结构图3-2可知，单片机在整个系统里面主要是系统的控制、数据处理和通信等功能。单片机与键盘，串口，LCD显示器相连，通过接收从键盘来的信息，完成相应的操作。测试时的主要工作流程如下：当从

35、键盘接收到启动测量的信号时，通知单片机发生脉冲，通过脉冲发送电路送到电缆上，同时定时器开始定时，在接收到从故障点返回的脉冲后，产生中断，这时单片机可读出时间，并且计算结果，控制LCD屏显示相应的计算结果，系统还可通过串口与PC机相连。本设计选用AVR系列的ATmega8单片机，AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU（算术逻辑单元）直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令可以同时访问两个独立的寄存器，这种结构提高了代码效率，使AVR的运行速度比普通CISC单片机高出10倍。ATmega8是一款基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片

36、机，由于在一个时钟周期内执行一条指令，ATmega8可以达到接近1MIPS/MHz的性能。ATmega8具有以下特点：8K字节的在线编程/应用编程（ISP/IAP）Flash程序存储器，512字节 EEROM，1K字节SRAM，32个通用工作寄存器，23个通用I/O口，3个带有比较模式灵活的定时器/计数器，182个内外中断源，1个可编程的SUART接口，l个8位I2C总线接口，4（6）通道的 10位 单片机，2通道8位单片机，可编程的看门狗定时器，l个SPI接口和5种可通过软件选择的节电模式。当单片机处于空闲模式时， CPU将停止运行，而SRAM、定时器/计数器、SPI口和中断系统则继续工作；

37、处于掉电模式时，振荡器停止工作，所有其他功能都被禁止，但寄存器内容得到保留，只有在外部中断或硬件复位时才退出此状态；处于省电模式时，芯片的所有功能被禁止（处于休眠），只有异步时钟正常工作，以维持时间基准。当单片机处于单片机噪声抑制模式时，CPU和其他的I/O模块都停止运行，只有单片机和异步时钟正常工作，以减少单片机转换过程中的开关噪声：在待命模式时，CPU和其他的I/O模块都停止运行，但系统振荡器仍在运行，使得系统在低功耗时可以很快地启动。单片机的最小系统图如下图4-4：图4-4单片机的最小系统图4.4 键盘输入电路 课题中设计的是2行x 8列16个按键组成的键盘矩阵， 单片机仅仅提供三个端口

38、就可以完成16个健值的读取和处理，其连接图4-5如下： 图4-5键盘电路4.5 液晶显示器本设计选用中文液晶显示模块LCM12864ZK为数据显示部件。LCM12864ZK的字型ROM 内含8192个16*16 点中文字型和128个16*8 半宽的字母符号字型。另外绘图显示画面提供一个64*256 点的绘图区域GDRAM)， 而且内含CGRAM 提供4组软件可编程的16*16 点阵造字功能。电源操作范围宽(2.7V to 5.5V)；低功耗设计可满足产品的省电要求。同时，与单片机等微控器的接口界面灵活(三种模式并行8 位/4 位串行3 线/2 线)。中文液晶显示模块可实现汉字、ASCII、 码

39、点阵图形的同屏显示，广泛用于各种仪器仪表家用电器和信息产品上作为显示器件。中文液晶显示模块具有上/下/左/右移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令，具有光标显示/闪烁控制命令及液晶睡眠/唤醒/关闭显示命令。预留多种控制线(复位/串并选择/亮度调整)供用户灵活使用。图4-6 中文液晶显示模块LCM12864ZK管脚说明：表4-1 引脚说明管脚号名称 LEVEL功能1VSS0V电源地2VDD+5V电源正（3.0V5.5V）3V0-对比度（亮度）调整4CSH/L模组片选端，高电平有效5SIDH/L串行数据输入端6CLKH/L串行同步时钟：上升沿时读取SID数据15PSBLL：串口方式17/RESETH/L

40、复位端，低电平有效19AVDD背光源电压+5V20KVSS背光源负端0V硬件接口采用串行控制，如图4-6所示。图4-6单片机与液晶显示的串行控制电路接线图 哈尔滨理工大学成人教育学院毕业论文 第五章 软件设计5.1 总体设计方案前面已经详细介绍了测试仪的硬件结构和主要芯片的功能，以下要提出具体的功能指标，并根据这些功能指标来设计软件。脉冲测试仪需要完成的主要功能可以表述为：l 接收用户的参数输入l 控制低压脉冲的发生与发送l 接收反射波形l 与主机的串行口进行数据交换l 故障点距离显示具体的设计指标可以描述为：l 采样频率为40MHzl 脉冲宽度：40ns10.2msl 最大测量范围：10km

41、l 测量精度：测量范围小于 1000m 时，测量误差不大于 + 3m测量范围大于 1000m 时，测量误差不大于 0.5%l 测试盲区：不大于 6ml 功耗 5w用户仅通过键盘的操作就可以完成全部的故障检测操作，数据采集、数据处理、距离显示等都在单片机内部自动完成。5.2 单片机程序控制的设计在进行软件结构设计时，采用经典的结构化设计思想，以功能划分作为模块设计的主要依据。系统软件的功能块如图5-1： 图5-1系统软件的功能图各模块均以从键盘采集来的数据为数据源，通过对数据源的计算、显示、标定、保存等操作，从而构成整个测试软件。数据流图如图5-2所示：图5-2数据流图由于单片机在这个系统之中的

42、作用是指挥外部的高压部分工作以及以尽可能快的精度测取到前面的两三个脉冲，把外部要控制的电气设备等同于一个端口的，加上要输入的端口，我们把设计的单片机的系统主要用到的端口做了统计如下表5-1：表5-1 设计端口说明名称输入方向使用的端口个数备注LCD控制出/入PB1、2、33ICP 捕获入ICP （PB0）1用来捕获脉冲键盘中断入T0（PD2）1键盘中断T1（第一脉冲）入T1（PD4）1捕获发射脉冲键盘入PC0、1、23发脉冲控制出PD31可控硅导通5.2.1 设计原理单片机程序是整个系统的中枢，完成与各个功能模块的的联系和处理。 在故障检测之前，需要通过串口往FRAM中写入常用字模和设定的参数

43、、开机界面、帮助信息等数据。从启动系统开始，等待键盘中断送来的采样指令，然后启动采样，计算出故障距离。单片机在程序中要实现的具体功能模块如下：l 与LCD屏的通信。完成LCD的初始化过程（复位过程）：设置显示模式为OR模式开显示器设置显示每行字节数设置显示缓冲区首地址；完成LCD屏上的点显示，线显示，字符显示，汉字显示，汉字的反显，开机界面的显示，系统自检的显示，系统信息的显示，游标的显示，任意曲线的矢量显示。l 串口通信。单片机可通过串口与PC机进行通信，由上所述，PC机可通过串口向FRAM中写入字模，常用参数等等。单片机也可通过串口将波形数据和故障距离等在LCD屏上显示的数据送往PC机，由

44、PC机完成LCD屏的显示功能，即可开发的联机版程序。单片机的流程图如下：图5-3单片机的流程图本设计采用单片机中断方式实现测量，中断原理如下图5-4中断原理图335.3 键盘的软件设计用户是通过键盘修改参数，控制测试仪的。由单片机将命令读走，再根据用户输入的命令完成相应的操作。在单片机的软件编程中要实现的功能如下：l 由用户输入电缆传播速度。因为不同的电缆类型，传播速度不一样。计算故障距离的时候，也会不同，所以需要在测试前，由用户设定电缆速度。根据常用电缆的传播速度，取值范围也就是输入有效值为100300m/ms。l 由用户输入脉冲的宽度。前面曾经提过，脉冲的宽度需要软件可调节，故障距离远则采用宽脉冲，故障距离近则采用窄脉冲。根据CPLD的系统频率和脉宽寄存器的宽度