充气电缆气压监控系统设计

1、DissertationTHE AIR PRESSURE MONITORING SYSTEM'S DESIGN IN GASFILLED CABLEAuthor：Shen jianqunSpecialty: Control EngineeringAdvisor: Prof. Wang haoAdvisor: Prof. Lin hongShanghai Jiao Tong UniversityMay 28, 2007充气电缆气压监控系统的设计摘 要随着市话的普及程度越来越高，一个城市铺设的通信电缆数量越来越多。同时维护人员在通信电缆保养方面的劳动强度也越来越大。这是因为现在通信电缆一般

2、采用充气的方式来防止电缆内部受潮，加强电缆内部的绝缘强度。一般在一个通信分局架设分路充气设备，对通信电缆充入干燥空气，使通信电缆内保持一定的气压。一个中等城市的一个市话分局一般需要铺设 2030 条芯线数在一千对以上的通信电缆。这些电缆的长度在 4 公里以上。因此采用充气维护的市话电缆，需要保持一定的充气气压。维护人员为了判断电缆外护套是否完好无损，需要经常测量各条电缆内的气压。因为市话电缆网覆盖面积较大。所以人工测量气压是一项费工、费时而又比较辛苦的工作。为了减轻维护人员的劳动强度，提高工作效率，现在各地通信部门纷纷采用了各种类型的电缆气压自动监控系统。有了这种设备后，在局内用几分钟至十几分

3、钟的时间即可测遍全市数百个检测点的电缆气压。这样不仅能迅速、及时地掌握电缆气压变化情况，而且因为测量时间很短，能绘制出精确的电缆气压分布曲线，迅速判断发生漏气障碍的地段。用电子计算机主控的电缆气压监控设备如增设显示终端，并配以数模转换电路，还可以在荧光屏上直接显示出电缆气压分布曲线，因而十分方便。因此公司开发了电缆气压监控设备，大幅度的降低工作人员的劳动强度。本文详细介绍了充气电缆气压监控系统的解决方案、组成结构及其第I 页特性。采用 INTEL 公司的 MCS-51 和 MOTOLORA 公司的 MC68HC705 单片机作为控制器的核心器件，设计了一种多路数据采集器和压力变送器，数据采集器

4、通过 RS-232 接口与计算机连接进行数据传输，数据采集器与计算机在电气上是完全隔离的，加强了仪器工作的稳定性和安全性。该电缆气压监控系统是由压力变送器、数据采集器和通用计算机等要素构成。为了满足系统要求，硬件采用模块化设计，由软件来配制、控制。它具有 64 通道模拟量输入、每通道可并联 127 个压力变送器、气压曲线分析等功能。数据采集器采用主从结构，1 块主控板控制 8 块从控板，在分辨率为 16 位的情况下，具有很高的采集速度。压力变送器有微处理器、压力传感器、时钟芯片及增益放大器等器件组成；输出 100uA5mA直流信号。系统实现了无人监管的情况下定时采集，而且定时采集的时间可随需要

5、调整；采集的数据可以通过 RS-232 实时传输到计算机。上位机应用软件采用功能强大、使用方便的 PowerBuilder 开发，操作简单，界面美观友好，实现了对多路模拟量的曲线显示、打印及保存。整个系统具有组成灵活、安装方便等特点，可构成电信局电缆气压数据采集、曲线分析和处理系统。关键词：数据采集器，压力变送器，MCS-51，MC68HC705第II 页THE AIR PRESSURE MONITORING SYSTEM'S DESIGN IN GASFILLED CABLEABSTRACTWith the telephone more widely used in a city,

6、more and morecommunications cables are laid down.Meanwhile work payload ofmaintainers in communication cable maintaining become larger andlarger.It is because that inflation method is commonly used to prevent cablefrom moistening and enhance insulation strength.Commonly, a local officelayout inflati

7、on equipment and charge cable with dry air to keep pressure inthe cable.In a medium sized city, the local office need layout 2030 cableswith more than one thousand cores for each cable.The length of these cablesare more than 4 kilomaters. So it is necessary to keep pressure for these cablecharged wi

8、th air.To judge whether cable is damaged, maintainers needmeasure the pressure of each cable.Because of the coverage area of cablenetwork, it is a hard work to measure pressure by mannual.To relieve to workpayload of maintainers and promote the efficiency, kinds of remotemeasurement system for cable

9、 pressure are used by telecommunicationcompany.To relieve to work payload of maintainers and promote the第III 页efficiency, kinds of remote measurement system for cable pressure are usedby telecommunication company.With this kind of equipment, the cablepressure of several hundred control points can be

10、 measured within severalminutes.With this kind of equipment, the cable pressure of several hundredcontrol points can be measured within several minutes.By this way, not onlythe status of pressure can be under of control in time, but also distributioncurve of the pressure can be drawn to judge the lo

11、cation of gas-leaking.If theconsole is added for the remote measurement equipment and digital/analogconvertion circuit is configured, distribution curve can be displayed on thescreen directly. It is so convenient for maintanence.So the remotemeasurement equipment of cable pressue is developed in our

12、 company torelieve the work payload of maintainers.The solution scheme, constitution and characteristics of gas filled cablebarometric pressure telemetry system are described detailedly in the thesis. Amulti-channels data acquisition system and pressure transmitter are designedbased on the single ch

13、ip MCS-51 of intel and MC68HC705 of motolora as acore. The data is transmitted to computer by isolated RS-232 interface. Thedevice is entirely isolated from computer at electric, which reinforces thestabilization and security of working on device.第IV 页The gas filled cable barometric pressure telemet

14、ry system is composed ofmany basic modules such as pressure transmitter, data acquisition system andcomputer etc.The hardware of system is designed by modularization forsatisfying the system requires.The system can achieve 64channels input ofanalog quantities, each channel can Parallel 127 pressure

15、transmitter andpressure curve. Data acquisition system used from the main structure, and onetransmitter is composed of microprocessor, pressure sensors, clock chip andgain amplifier device etc. 100uA5mA DC output signal.The system can collect and record the data for a long time, and make thetime col

16、lection with the condition of no monitoring. The acquisition data canbe transmitted to PC by RS-232. The application software of PC based on themost powerful PowerBuilder Integrated development environment providesconvenience for the operation with curves and number of multi-channelquantities displa

17、y as well as memory function. The system is composed offlexible, and easy installation. So it is suitable for work in the DGT for dataacquisition ,wave-form analysis and processing.第V 页Keywords: data acquisition system, pressure transmitter, MCS-51,MC68HC705第VI 页目 录摘 要 .IABSTRACT .III第一章绪论 . 91.1 引言

18、（课题背景） . 91.2 数据采集器概述及发展现状 . 101.3 智能变送器兴起与特点 . 101.4 本文研究内容与重点 .111.5 小结. 12第二章通信电缆气压监控系统方案分析 . 132.1 监控系统概述 . 132.1.1 监控系统技术要求. 132.1.2 监控系统数据采集器以及变送器技术要求 . 132.2 监控系统硬件结构 . 142.3 监控系统理论研究思路 . 142.4 小结. 16第三章监控系统数据采集器硬件设计 . 173.1 气压数据采集器在监测系统中的位置及主要功能 . 173.2 气压数据采集器的组成 . 183.3 各个功能块设备选用 . 193.4 设

19、计说明. 203.5 数据采集器 DAU 的物理结构及连接 . 223.6 小结. 22第四章监控系统数据采集器软件设计 . 234.1 总监台程序设计说明 . 234.2 数据采集器程序设计说明 . 284.3 主控板与从控扳多机通信 . 324.4 系统的主要特点 . 334.5 小结. 33第五章监控系统压力变送器软、硬件设计 . 345.1 概述. 34第VII 页5.2 压力变送器主要电路 . 365.3 零点校准技术 . 385.4 压力变送器的软件设计 . 395.5 小结. 48第六章充气电缆漏气点分析 . 49气压曲线法 . 49.1.1 气压曲线法概述. 49. 50.2

20、计算法. 526.3 小结. 53第七章 全文总结 . 54 主要结论. 54 研究展望. 55参 考 文 献 . 56致谢 . 59攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 . 60第VIII 页第一章绪论1.1 引言（课题背景）随着国民经济的迅速发展，市话的普及越来越高，一个城市铺设的通信电缆数量越来越多，总里程也有所延长。同时维护人员在通信电缆保养方面的劳动强度也越来越大。这是因为现在通信电缆一般采用充气的方式来防止电缆内部受潮，加强电缆内部的绝缘强度。一旦电缆内部受潮，用户通信、打电话等将会发生故障，如电话串音、数据通信速率下降等，严重的将会使整条电缆报废，损失巨大。为此，现代市话为保护通信

21、电缆，防止外部的受潮空气或者地表水进入电缆内部，一般在一个通信分局架设分路充气设备，对通信电缆充入干燥空气，使通信电缆内保持一定的气压。由于在充气通信电缆中存在着或多或少的漏气现象，在分局充气端充气气压一般需要在60kpa 以上，在电缆末端根据距离的长短气压会一定程度的下降。一个中等城市的一个市话分局一般需要铺设 2030 条芯线数在一千对以上的通信电缆。这些电缆的长度在 4 公里以上。因此采用充气维护的市话电缆，在保持一定的充气气压。维护人员为了判断电缆外护套是否完好无损，需要经常测量各条电缆内的气压。因为市话电缆网覆盖面积较大。所以人工测量气压是一项费工、费时而又比较辛苦的工作。为了减轻维

22、护人员的劳动强度，提高工作效率，现在各地通信部门纷纷采用了各种类型的电缆气压自动监控系统。有了这种设备后，在局内用几分钟至十几分钟的时间即可测遍全市数百个检测点的电缆气压。这样不仅能迅速、及时地掌握电缆气压变化情况，而且因为测量时间很短，与变化缓慢的电缆气压波动时间相比，可以认为是在同一时间内测出的各点气压，所以能绘制出精确的电缆气压分布曲线，迅速判断发生漏气障碍的地段。用电子计算机主控的电缆气压监控设备如增设显示终端，并配以数模转换电路，还可以在荧光屏上直接显示出电缆气压分布曲线，因而十分方便。电缆气压监控设备的开发将大幅度降低工作人员的劳动强度1。第9 页1.2 数据采集器概述及发展现状电

23、缆自动监控系统由两部分组成。一部分装在局外电缆线路上，称为压力变送器。它用于检测检测点的电缆内气压值，并将气压值转换成各种电信号通过电缆芯线送回局内。另一部分装在局内，叫气压监控设备或气压监控台。它产生并发送监控信号，接收线路上传来的由气压值变换的电信号，进行处理后还原成气压值显示或打印输出。在两者加上传送信号的电缆芯线就组成电缆气压自动监控系统。气压监控台是一种高度自动化的电子设备，由一整套复杂的电子程序控制电路或电子计算机主控系统组成。它的工作方式可分为“选线式”和“选线选点式”两种。选线式气压监控系统设备所用的每一个压力变送器都要占用一对电缆芯线向局方送信号。监控台采用选测线对的方式选测

24、各传感器送来的气压变换电信号。选线选点式监控设备要求每一路占用一对芯线（2 条或 4 条）。每一路上可并联几十个压力传感器。监控气压时，监控台先选定测哪一路，再在该路信号线上选测各个点的传感器。为了区别并联在同一信号线组上的各个压力传感器，必须按频率分割法或用数字信号给给传感器编地址。监控台只要发出地址信号即可接通该传感器的电路对其进行测试。使用中必须注意：装在局内的气压监控台和装在线路上的压力传感器要互相匹配，否则整个系统就不能正常工作。目前数据采集器的研制在国外已经相当成熟，比如美国恩泰克科学公司前不久推出一种新一代的数据采集器 EDL,该仪器技术先进,功能齐全，并可以与恩泰克 PM 软件

25、 EFM 窗口版的多种软件配套使用。在国内，由于技术原因，设计的数据采集器专用化程度比较高，基于电信局电缆气压监控的实际情况，需要研制多通道高精度数据采集器28。1.3 智能变送器兴起与特点变送器是工业过程重要的基础自动化设备之一。主要完成物理信号的测量和变换处理。随着控制系统的发展，变送器已经从模拟型、智能数字型到了智能现场总线型。模拟型变送器以电子管、晶体管为主要的放大单元，输出或直流标准信号。该阶段的变送器功能单一，而且体积大，价格高，安装、调试、维修等不方便。智能变送器应用集成电路作为主要放大组件，微处理器引入硬件电路中，简化了 A/D 和 D/A 电路，提高了仪表的可靠性，其输出信号

26、为 420mADC 信号；该阶段变送器具有一定的通信能力，成本较低，新产品开发快；代表产品有：美国第10 页HoneyWell 公司的 DSTJ-3000 系列智能变送器、Rosemount 公司的 3051 系列变送器和Smar 公司的 TT302 等。智能现场总线型变送器与目前广泛使用的智能型变送器相比较，具有下列特点：、全数字化，不论是传感器电路，还是转换器电路，都是数字式的，这样使变送器结构更加简单，具有更高的分辩率、测量速度和稳定性。、精度更高，消除了 A/D 和 D/A 的转换误差。、抗干扰能力强，信号以和方式传送。、内嵌控制功能，用户可以通过组态软件对功能进行调用，以实现参数现场

27、控制。、多变量测量，一台变送器可以测量多个过程变量925。1.4 本文研究内容与重点本文研究围绕充气电缆监控系统的设计展开。首先确定了监控系统中数据采集器、压力变送器和上位机（机）具有的显示、测量和通信功能，并规定了三部分的性能指标。选择了 MOTOLORA 公司的 MPX2000 压力传感器和单片机 MC68HC705 作为压力变送器的主要芯片，考虑到通用性和价格等方面的因素将 INTEL 公司的作为数据采集器的主控制芯片。整个系统的工作过程如下：通信电缆内的气压作用于压力传感器，产生对应的电压信号，经过放大器放大，积分电路量化比较送入MC68HC705 完成数字化，再由 MC68HC705

28、 进行 D/A 变化输出mADC 电流，再经过数据采集器采样分析变成数字信号，打成包通过 RS232 口送到 PC 机进行气压曲线分析。开发设计工作主要围绕硬件和软件编写来进行，对软件和硬件进行了统一考虑，着重考虑如下几个方面：1、研究目前常用的多路数据采集器系统方案，设计适合本系统的电路。2、熟悉 8031 和 MC68HC705 微控制器，掌握微控制器的内外模块。了解其结构原理、指令系统和产品系统的直接设计方法。掌握 8031 和 MC68HC705 软件开发环境。这样才能在应用中充分合理的运用单片机自身资源，为整个系统硬件设计做准备。3、了解数据采集器和 PC 机 RS232 通信方法。

29、掌握数据采集器内部主从结构设计方法。4、设计压力变送器的外围电路。包括电源变换、信号放大、积分等电路。5、根据功能结构图设计软件系统，编写相应的软件驱动程序及其它基本软件系统。6、计算机终端应用程序编写。掌握 PowerBuilder 开发环境、开发方法，设计应第11 页用程序。1.5 小结本章介绍了数据采集器、压力变送器的现状。根据电信局电缆维护的实际情况，为了减轻劳动强度，需要研制充气电缆气压监控系统。也介绍了本论文要做的工作。第12 页第二章通信电缆气压监控系统方案分析2.1 监控系统概述随着国内通信事业的发展，通信设备的装机量的迅速增加，铺设的通信电缆越来越多，而且分布的范围也越来越广

30、，因此通信线路的维护的难度也非常大，同时维护管理人员的增加有限，为了减轻充气市话电缆维护人员的工作强度，需要开发充气市话充气电缆气压集中监控系统。气压监控系统包括机、数据采集器和压力变送器三个部分。其中机的作用是向数据采集器发送采集命令，将数据采集器采集的数据显示在屏幕上。数据采集器接收采集命令，将压力变送器的模拟信号变成数字信号送到机。气压变送器将气压变换成电信号输送到数据采集器，再在 PC 机中显示。气压变送器采用 MOTOROLA 的 MPX2200 传感器和 MC68HC705C8A 单片机。 监控系统技术要求系统技术要求1、用途：本系统用于市话充气电缆的气压监控2、模式：（）单局制（

31、）多局制不少于个局3、服务半径：KM4、人机界面：中文5、每路占用线对：对6、测量精度（FS）：±Kpa 监控系统数据采集器以及变送器技术要求一、采集器技术要求1、路数（电缆数）：第13 页2、每路可安装传感器数：3、测量量程：Kpa150Kpa（相对气压）4、测量误差：±Kpa5、供电电压：交流或二、传感器技术要求1、外形尺寸：××2、工作环境温度：3、供电电压：（局端供电）：V（DC）4、工作电流（）静态电流：在最大远供电压时（）动态电流：在最大远供电压时µAA（有效值）5、测量精度：（FS）：±Kpa2.2 监控系统硬件结构监控

32、系统由 PC 机、数据采集器和压力变送器组成。PC 机发送采集数据命令，保存压力数据，显示气压曲线供漏气分析使用。数据采集器由主控板、从控扳和电源板组成，一块主控板控制八块从控扳，每块从控扳有八个数据采集通道。主控板和从控控板和从控板使用，提供直流电源供压力变换器使用。数据采集器的主要作用接收机数据采集命令，采集挂在数据采集通道上压力变换器数据，将数据返回给PC 机。压力变换器加电后按照预先编码依次开始工作，将气压数据变换成和周期数据给数据采集器2635。2.3 监控系统理论研究思路1、机型选择气压监控系统可分为选线式和选线选点式两种，相比较而言以选用选线选点式系统为好。与选线式系统相比，前者

33、能节省电缆芯线，提高经济效益。但选线选点式气压监控系统的压力传感器结构比较复杂，价格也贵，因此初期投资要高一些。采用选线选点式系统时，施工图设计中必须确定每一个压力传感器的安装位置，预先从用作信号线的电缆芯线上接出抽头备用。信号线要贯通电缆始末，不能中断。如电缆较长第14 页采用加感以降低传输衰减，信号线也要同时加感。根据市场的实际情况，如在线路建成后才选择机型，或给在用的线路网配备气压自动监控系统，一般只能选择选线式系统这是因为按照常规设计的市话电缆的任一对芯线最多只能复接两次，即一对芯线最多只能在三处引出，如要在一对芯线上并联多个压力传感器，必须打开监测点的电缆接头从中掏接线对。而作为信号

34、线的线对很可能不在电缆芯线外层，因此实际上是难以掏接的。即使可以掏接的也会严重威胁电缆的通话安全，因此实际上是行不通的。如采用选线式系统，则要简单得多。架空电缆可以在分线设备中选用信号线；地下电缆虽也要打开接头，但可在缆芯外层选一对空线作为信号线引出。由于选线式设备对信号线的电性能要求比自动电话交换机对通话线对的要求低得多，信号线对中的一根线又可用地线代替，因此可以尽量利用障碍线对作为信号线使用。例如线对中有一根中断或接地，另一根是好线的线对，互相混线的线对，“鸳鸯线”线对，对地绝缘不良（绝缘电阻不少于 1M 欧）的线对等。选线式系统的压力传感器结构简单、性能稳定、价格便宜，这也是一大优点。它

35、不仅能大大降低初期投资，而且使用、维护都比较简单，障碍率也相对低一些。采用电子程序控制电路主控的气压监控台，由于电路十分复杂，元器件很多，因而容易发生障碍。而采用电子计算机作为主控设备，由于软件功能代替了大量电子电路，使结构大为简化，元器件大大减少，不但功能更齐全，而且稳定性、可靠性均有明显提高。因此选用电子计算机主控的电缆气压监控设备较好。另外不管选用哪一种监控系统，都应该选用配备有打印机的监控台，这样不仅日常测试迅速、准确，而且可将测出的数据自动打印记录，交接班十分方便，并能保证记录的快速、准确。2可接电缆条数和可监测点数选线式设备只标明可装置的监测点数，这些监测点可集中装置在一条电缆上，

36、也可每条电缆只装置一个监测点。选线选点式设备标明最多可连接电缆条数及每条电缆最多监测点数。4000 门以下市话局一般监测点总数不会超过 100 个，有能装设 100个监测点的设备基本够用了。而万门市话局必须选用能装设 200 个监测点以上的设备才能够用。可接电缆条数要大于初期实际出局电缆条数。近几年各地多用大对数全塑电缆作为出局电缆，这样出局电缆的条数比以前用铅包纸隔电缆时可明显减少。3气压测量范围及测量精度市话电缆的维护气压指标是：无论铅包电缆还是全塑电缆都不能超过 70kpa（0.7kgf/cm2），所以，测量的气压范围（070kPa）已够用。监控系统测压精度首先决定于压力传感器的变换精度

37、，高精度的压力传感器造价昂贵。监控设备的测量精度一般都远高于传感器。根据实际的需要，气压误差能控制在±2或1961Pa第15 页（0.02kgf/cm2）范围内已可满足需要。4最大可测距离对市话线路网来说，用 0.5mm 径芯线的电缆的最大监控距离达到（15km）已足够。因为从传输的要求来看，当采用 0.5mm 径芯线的电缆时，7dB 的用户线传输衰减限值在不采取其它措施时仅能满足 5km 距离的要求，当然现在不少市话局的交换区半径实际上远大于 5km。基本营业区外用户采用的电缆芯线线径一般大一些，如：0.6、0.7、0.9mm 等等。在较粗的电缆芯线上安装压力传感器时，可监控的最大

38、距离也随之增大。对于加感电缆，采用某些型号的设备（如 DQY-III 型）可以大大增加它的监控距离，一般只要对音频信号的衰减不超过 20dB（相当于 15km0.5mm 径芯线不加感电缆的传输衰减），监控系统都可以正常工作。5测量速度当电缆网上安装传感器较多时，测量速度对工作效率影响较大。采用打印记录时，测量速度较快，只要打印机不打错就行。2.4 小结本章介绍了监控系统、监控系统数据采集器和压力变换器的技术要求。研究和探讨了监控系统硬件结构，从机型选择、可接电缆条数和可监测点数、气压测量范围及测量精度、最大可测距离和测量速度等几个方面分析了监控系统的理论研究思路。第16 页第三章监控系统数据采集器硬件设计采用电缆气压监控系统实现对充气通信电缆的监测、维护，不仅能减轻维护人员的劳动强度，而且可以有效地缩短监测周期，提高了工作效率和监测精度。3.1 气压数据采集器在监测系统中的位置及主要功能气压数据采集器是气缆气压自动监控系统树型网中的第一级，它的性能好坏直接影响全系统的质量。它根据总监台的指令及所配置的参数，对压力变换器所测量的参数进行采集、处理，并按要求传输给总监台,如图 3-1 所示。管理中心总监台总监台数总监台器数据采集器数据采集器数据采集器PCPCPCPCPCPCPCPC(PC：