智能通信电缆故障检测系统

1、 辽宁XX大学本科生毕业设计 III智能通信电缆故障检测系统设计摘 要通信电缆是指用于近距离音频通信和远距离高频载波数字通信及信号传输的电缆,广泛用于各个行业。由于各方面的原因,通信电缆容易发生短路、断线等故障。快速准确检测出通信电缆故障,减少故障历时,是一项非常重要的研究。为实现通信电缆网络在线管理与故障自动诊断,提高通信电缆的工作可靠性,减少电缆故障的人工排查工作量,提高通信电缆的自动化程度,本文设计并研制了基于同一硬件平台的多种故障检测方法相结合的通信电缆故障检测系统。由于单片机技术在应用上的日益成熟使其成为可能，该设计是以单片机AT89C51为控制核心，完成对通信电缆的工作状态进行检测

2、。系统的主要功能包括：信号的检测、信号的调理、数据的传输以及人机通信接口技术的实现等。通过电缆检测电路、信号调理电路、多选开关电路和键盘显示电路实现了对多芯通信电缆的的工作状态的检测，确定其是否发生故障，并在发生故障时，对故障进行定点定位。该设计利用信号调理电路将检测到的信号传到单片机，并通过单片机的键盘显示电路实现智能控制电缆检测系统【1】 。关键词：单片机；通信故障；检测 Intelligent Communication Cable Fault Detection SystemAbstractCommunication Cable is used for audio communicat

3、ions and high-frequency carrier long-distance digital communications and signal transmission cables ,and widely used in all sectors. Due to various reasons, communication cables are susceptible to short-circuit, and other fault breaks. Rapid and accurate detection of communications cable fault, whic

4、h reduce the fault, is a very important study. Communication cable network line management and automatic fault diagnosis can improve the reliability of signal cable, reduce the cable fault of the manual workload of the investigation, and improve the operation of the cables automation. This paper des

5、cribes the design of the detection system whose hardware platform can achieve a variety of communication cable fault detection method. Because of the SCM technology in the application of the growing maturity becomes possible, this design is the core of the SCM AT89C51 for the control , which can com

6、plete the work of the communications cable state for testing .The main features include: signal detection, signal conditioning, data transmission and human-computer communication interface technology such as the realization. By cable detection circuit, signal processing circuit, multi-election switc

7、h circuit and the keyboard circuit display to achieve the multi-core communications cables of the state test to determine whether there has been a failure, and the fault designated location .The design of signal processing circuit which detects a signal was transmitted to the MCU, and displays circu

8、it to achieve intelligent control cable detection system through the SCM keyboard .Key words：SCM；Communication breakdown；Detection目 录1 绪 论11.1 研究意义11.2 国内外相关领域的研究进展21.2.1 通信电缆故障检测实现技术的发展状况21.2.2 通信电缆检测方法的发展状况21.3 通信电缆故障基础知识综述31.3.1 电力电缆的种类及结构31.3.2 电缆故障种类41.3.3 电力电缆故障的原因51.3.4 通信电缆故障经典检测方法51.4 本文的主要

9、工作内容及安排62 系统总体设计82.1 系统总体思路设计82.2 芯片的选择92.2.1 单片机芯片的选择92.2.2 A/D转换器的选择92.2.3 多选开关的选择102.2.4 扩展存储器的选择102.3 通信接口电路的选择112.4 电缆故障检测方法的选择113 单片机控制系统设计123.1 单片机控制处理系统123.2 时钟电路设计133.3 复位及电源电路设计143.3.1 复位电路143.3.2 电源电路153.4 接口电路设计164 通信电缆检测系统设计194.1 电缆检测系统实现目标194.2 多选开关的设计194.3 电桥法检测电缆工作状态204.4 信号调理电路234.4

10、.1 信号放大电路234.4.2 A/D转换电路245 软件设计275.1 主程序流程275.2 检测子程序流程295.3 A/D转换子程序流程306 结 论317 参考文献328 致 谢33附录A34附录B35 辽宁XX大学本科生毕业设计 第41页1 绪 论通信电缆是指用于近距离音频通信和远距高频载波数字通信及信号传输的电缆， 广泛用于各个行业。由于通信电缆本身质量不合格，施工过程不规范，外力机械损伤， 周围气候环境影响以及逐年腐蚀、老化等原因，电缆会出现特性变化、断线、接地、 短路等故障，影响正常运行。快速检测出通信电缆故障，减少故障历时，以保证通信 电缆的正常运行，是一项非常重要的工作。

11、1.1 研究意义通信电缆线路作为信息传输的重要载体，担负着通信信息传输的重要任务。人们对通信服务质量要求越来越高，提高通信电缆线路维护水平，减少故障历时，保证通信电缆线路的畅通无阻，是当前通信部门的一项重要任务。通信电缆故障检测是查找线路故障点的必要手段，是一项技术性较强的工作。计算机技术的应用，使通信电缆线路故障检测技术进入了智能化时代。我们将通过单片机设计平台，实现对电缆故障的检测的设计，并实现以AT89C51芯片为核心的硬件电路，实现智能化通信电缆故障检测系统，从而通过本课题的研究，掌握通信电缆检测的设计技术，使电缆线路测试人员能够全面地掌握电缆线路故障测试技术，了解线路故障测试的方法、

12、设备，以便更好地开展电缆线路故障的检测和调试工作，为通信、信号处理等领域实现实用化。该课题的研究将为今后设计以单片机为核心部件的应用系统提供了技术准备，这不仅具有重要的理论意义，同时还具有重要的实际意义。1.2 国内外相关领域的研究进展1.2.1 通信电缆故障检测实现技术的发展状况九十年代之前，主要采用分立元件和小规模集成电路，体积大，操作不方便。九十年代中后期，中规模和大规模集成电路应用于通信电缆检测，使得体积显著减小，便携式成为可能。二十一世纪初，由于超大规模集成电路和嵌入式技术的成熟应用，将便携式变为现实。最近两年，片上系统（SOC）兴起，普遍开始应用在通信电缆故障检测方面，精度大幅度提

13、高，体积进一步减小。1.2.2 通信电缆检测方法的发展状况1. 电桥测量的发展状况自从有了电缆以后，电缆故障的检测工作就成了必须解决的问题。最初的电缆故障粗测工作，是用电桥平衡测试原理进行的，当时曾用过电阻电桥、电容电桥、低压电桥、高压电桥等。电桥法测量电缆故障距离的优点是使用简单、方便、精确度高，而且不需要分析复杂的波形，但传统的电桥测量方法也存在着诸多缺点：1)只能测到绝缘阻值在1MQ以下的绝缘故障；2)绝缘阻值的测量需要使用兆欧表；3)在不知道电缆总长度的情况下，要用专门的仪器测量电缆长度：4)电桥平衡的调节需要手工进行，测量结果需要复杂的计算。2时域反射计(TDR)的发展状况应用时域反

14、射技术进行电缆故障检测，测量原理经过十多年的发展已经成熟测量时只需一人单端操作，测量仪表自动完成故障距离和故障类型的判定，基本不受人为因素的影响。3频域反射计(FDR)的发展状况频域反射计(FDR)是20世纪90年代以来的一个新技术因能应用于各种范围的高精度测量和具有大的动态范围而吸引了研究者的兴趣。并且这种测量技术早已应用在复杂的军用测试系统中。近几年，随着电子技术应用的快速发展，已使FDR有可能广泛地应用于工业领域，电子技术的进步已允许复杂的软件算法应用于工业领域中的小型、轻便、低成本的测试仪器。1.3 通信电缆故障基础知识综述1.3.1 电力电缆的种类及结构电缆种类的多样性决定了电缆故障

15、类型的多样性，不同类型的电缆故障，需要用不同的检测手段。电缆可按绝缘材料，结构特征及敷设环境等进行分类。行波分析法电缆故障测量是利用脉冲在不同绝缘类型的电缆中传播速度不同的原理进行的19m，而电桥法则是利用不同芯线材料的电缆导电系数不同的原理来测量故障距离的23-33。1 电力电缆分类(按绝缘材料)油纸绝缘：粘性浸渍纸绝缘型(分统包型和分相屏蔽型)。不滴流浸渍纸绝缘型 (分统包型和分相屏蔽型)。有油压，油浸渍纸绝缘型(分自容式充油电缆和钢管充油 电缆)；有气压，粘性浸渍纸绝缘型(分自容式充气电缆和钢管充气电缆)。塑料绝缘：聚氯乙烯绝缘型；聚乙烯绝缘型；交联聚乙掰绝缘型。橡胶绝缘：天然橡胶绝缘型

16、；乙丙橡胶绝缘型。2 电力电缆的材料及结构电力电缆的基本结构包括线芯、绝缘层和保护层三个部分。线芯是传送电能的导体，它必须有良好的导电性能，以减少电能在传输过程中的损耗；绝缘层用来将不同线芯以及接地部分彼此绝缘隔离，它必须绝缘性能良好，并具有一定的耐热性能；保护层用以保护绝缘层免受外界作用，使电缆在运输、贮存、敷设和运行过程中，绝缘层不受外力的损伤和防止水分浸入，它应具有一定的机械强度。电缆结构中的不同部分因不同原因的损害而导致电缆产生的故障，需采用不同的测试手段。线芯材料不同，则不同温度下，单位长度单位面积电缆的电阻不同，这是电桥法测定故障距离的基本依据。电缆线芯的作用是传送电流，为减小电缆

17、线芯中的损耗和电压降，电缆线芯一般由具有高电导系数的铜或铝制成。1.3.2 电缆故障种类通信电缆的故障主要有以下几种故障：1 低阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于100kQ，而导体连续性良好者。般常见的有单相接地，两相或三相短路或接地。2 高阻接地或短路故障。电缆一芯或数芯对地绝缘电阻或芯与芯之间的绝缘电阻低于正常值很多但高于100k Q，导体连续性良好。一般常见的有单相接地、两相或三相短路或接地。3 断线故障。电缆各芯绝缘良好，但有一芯或数芯导体不连续。4 断线并接地故障。电缆有一芯或数芯导体不连续。而且经电阻接地。5 闪络性故障。这类故障大多在预防性耐压

18、试验时发生，并多出现于电缆中接头或终端头内。发生这类故障时，故障现象不一定相同。有时在接近所要求的试电压时击穿，然后又恢复，有时会连续击穿，但频率不稳定，间隔时间数秒至数分钟不等。有时电缆在一定电压下发生击穿，待绝缘恢复后击穿现象便完全停止，通称这类故障为封闭性故障。1.3.3 电力电缆故障的原因各种类型电力电缆的故障原因可大致归纳为如下几种: 1绝缘老化变质:电缆绝缘长期在电的作用下工作，要受到伴随电作用而来的热、化学及机械作用，从而使绝缘介质发生物理及化学变化，使介质的绝缘水平下降。绝缘老化产生的电缆故障一般发生在已使用多年的电缆中，电缆使用到一定年限以后，都会发生绝缘老化故障。 2绝缘受

19、潮: 中间接头或终端头在结构上不密封或安装质量不好而造成绝缘受潮。 3.机械损伤。主要是由于在进行电缆安装或是在进行施工时对电缆造成了破坏或是由于地势的改变导致电缆的变形甚至损坏。 4.电缆的外皮损坏。由于长时间在底下由于水分,氧气或是其他酸碱等对电缆的外壁造成了腐蚀,导致电缆破坏或是由于电缆的位置凹凸不平这可能使绝缘皮受损。 5.长期负荷运输。长期的负荷运输将导致电缆的温度长期处于高温状态很容易使绝缘层老化等。1.3.4 通信电缆故障经典检测方法目前较为成熟的检测方法，目前绝大部分商业检测仪器，都基于经典检测方法的原理设计。1 电桥法 首先按电桥原理图进行连接,将电缆故障相与非故障相短接,电

20、桥的两臂分别连接故障和非故障相,测试人员可调两臂上的可调变阻器是的电桥平衡,依靠相应的比例关系就可以求出故障的距离。这种方法简单便捷,并且精确度高但是其电源的电压不得太高,并且在高阻抗和闪络性的故障及三相短路使均不可使用。2 放音法放音法用于直接探测通信电缆的故障部位。其原理是在通信电缆的障碍线上， 输入一个功率较大的音频电流信号，产生较强的交变，磁场穿透外皮扩散到电缆的外部；并在位于电缆上方的线圈的接收器中产生感应信号。在线路故障点上，由于芯线上的交变电流受到线路故障的影响而突然下降，甚至消失，因而故障点前后接收到的信号也就有明显的区别。由此来判定通信电缆的故障位置。该方法应用时易受外界干扰

21、，仅适用于测量电阻较小的混线障碍，不能在线检测，适用于已知电缆故障的大概位置，需要精确定位故障点的场合。3查漏法很多电信局的长途电话电缆都是使用查漏法检测电缆故障。该方法通过检查充气电缆的漏气点来查找故障。需沿电缆逐点排除干扰，进行检测，比较麻烦。需要用充气机给电缆充气，且不适用于查找直埋电缆的故障【3】。1.4 本文的主要工作内容及安排本系统用ATMEL公司的AT89C51芯片实现对被测系统自动控制，同时采用 Mototola公司的MC14433芯片实现A/D转换，并通过HMOS公司提供的8155实现I/O口的拓展及显示所做的工作主要包括：(1) 在阅读了大量的国内外相关文献的基础上，全面分

22、析了通信电缆的电力电缆的种类及结构和故障检测方法；(2) 深入地研究了国内外最新的检测理论，并提出了将高精度测量与实时在线检测相结合的检测方法；(3) 在详细了解AT89C51和MC14433的特性和功能之后，设计出新型通信电缆故障检测装置的原理图来，并查阅资料和请教导师和同学，进行方案的论证和修改；本文共分为六部分，其内容安排如下： 第一部分绪论部分，论述了通信电缆故障和经典检测方法的发展状况从而指明了通信电缆检测的特点和发展趋势。 第二部分通信电缆检测系统原理，详细阐述了国内外的通信电缆检测原理，并进行系统的总体思路设计。 第三部分进行单片机控制系统的总体设计。第四部分通信电缆检测系统硬件

23、设计与实现，分析单片机以及电桥法测量的原理，设计并实现单片机平台的通信电缆检测系统硬件平台。第五部分系统软件调试，介并列出了程序设计的流程图。 2 系统总体设计2.1 系统总体思路设计该课题研究的智能电缆检测系统主要实现基于被测电缆的检测和CPU集中控制的功能，其系统示意图如图2.1所示。通信电缆检测系统的实现：是基于对通信电缆的绝缘电阻的检测，知道其是否正常通信，若存在故障则能检测出故障类别及故障发生点的测定。CPU集中控制包括对电缆检测系统的控制、数据的采集、存储及显示。其主要电路是以MCS-51单片机控制电路及外围基本电路来构成的。多选开关检测电路CPU（MCS-51）控制电路数据存储显

24、示电路电源电路时钟电路键盘电缆图2.1 系统总示意图2.2 芯片的选择2.2.1 单片机芯片的选择根据该次设计的应用场合、设计目标、及性价比等情况，选用美国ATMEL公司的AT89C51单片机来实现。AT89C51单片机是ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准指令系统。功能强大的AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域【4】。AT89C51单片机的ROM是可反复擦写的Flash

25、只读程序存储器，用户可反复把编写好的程序用开发机或编程器写入其中，AT89C51提供以下标准功能：32个I/O口线，两个16位的定时/计数器，一个五向量的两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内震荡及时钟电路。是目前定点单片机的主流产品。因此该设计采用AT89C51单片机。2.2.2 A/D转换器的选择在单片机应用系统中外部的各种模拟信号必须通过A/D转换器变为数字信号后才能送入芯片。选择一款合适的A/D转换器，不仅需要考虑其转换位数，还要考虑其转换精度。由于该设计的电缆信号是单信号，因此用最简单的MC14433 BCD输出积分型模/数转换器。MC14433是美国Mototola公司推出的单片

26、3（1/2）A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动较零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。当模/数转换信号EOC有效后，BCD码以千、百、十、个位由Q3Q0输出，相应的选通信号由DS1DS4提供。 MC14433的9脚（DU）是更新控制端，当它与EOC连接时，采取连续转换方式，每次转换的结果都会被自动更新。EOC接单片机的外部中断口时，可采用中断方式读取转换结果；EOC接单片机的P1、P2、P3口时，可采用查询方式读取转换结果。2.2.3 多

27、选开关的选择该设计是对10千米长的64芯多芯通信电缆工作状态进行检测，因此要选择一多选开关可控制64位电缆芯线的接入。4067芯片是单16路（单刀16位）模拟开关。因此要选用4个4067芯片，完成对多芯通信电缆的选通。2.2.4 扩展存储器的选择由于AT89C51单片机的内部有较大的可反复擦写的Flash只读程序存储器（4K bytes），故不必再扩展外部ROM。89C51片内有128bytes的RAM存储器，在本设计的应用中这128bytes的数据存储器是远远不够的，因此必须扩展外部RAM。该设计采用6264静态RAM扩展存储器，6264是8K×8位静态随机存储器，采用CMOS工艺

28、制造，单一+5V电源供电，额定功耗为200mW，典型存取时间200ns。2.3 通信接口电路的选择单片机的通信接口电路主要由键盘、显示电路组成，用来实现人机通信技术。在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显示接口时，为了节省I/O口线，通常把键盘和显示连接做在一起，该设计基于上述原因，把键盘和显示连在一起，构成实用的键盘x、显示组合接口电路。该设计是采用8155扩展I/O口构成的键盘、显示电路。8155是+5V电源，HMOS产品，存取时间为400ns，功耗为1.5W。8155是带有RAM和定时器的并行口，8155有三个可编程并行I/O端口：A口、B口、C口，其中A口和B口是八位，C口是六位；一

29、个14位可编程定时/计数器和256B的静态RAM，能方便地进行I/O口扩展和RAM扩展。该8155担任键盘显示接口，A口为基本输出，B口为基本输入，C口为输出。2.4 电缆故障检测方法的选择基于原有传统的通信电缆检测系统的设计是用电桥测量的一种简单的方法。利用电桥原理，采用测量直流电阻值方法，可以测定电缆的各种故障点与测量端之间的距离等数据，并且可以进行电缆的电气性能测试。电桥法的优点是原理简单，仪器制造成本低，在早期的电缆故障测试中应用较普遍。单片机技术的迅速发展使得电缆故障检测系统的设计更加简单化，实现基于微处理器的智能电桥测试技术。智能电桥采用先进的电路设计及数据处理技术，把电桥法测试技

30、术提高到了一个新水平。3 单片机控制系统设计3.1 单片机控制处理系统CPU主系统是通信电缆故障检测控制系统的核心，由CPU、RAM、复位及看门狗电路、接口电路等组成。CPU主系统接收按键输入指令，执行相应的按键操作， 采集故障检测系统的发射信号，并相应的发出自身的状态信号，把操作提示、判断结果与故障距离等信息，送到液晶显示器上显示，对整个系统自检、监控。CPU手动复位电源电路接口电路ROM时钟电路RAM图3.1 单片机控制处理系统框图3.2 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，MCS-51系列单片机内带有时钟电路，因此要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（

31、晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。如图所示，C1和C2虽然没有严格要求，但电容的大小直接影响振荡器振荡的稳定性和起振的快速性，通常选择在10-30pF左右，C1、C2对频率有微调作用，振荡频率范围是1.2MHz12MHz。在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。内部时钟发生器实质上是一个2分频的触发器。其输出是单片机工作所需的时钟信号。图3.4时钟电路图图3.5数据存储电路图3.3 复位及电源电路设计3.3.1 复位电路本电路采用了基本复位电路，原理：电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升直到vcc，没到VCC时芯片复位脚近似低电平，

32、于是芯片复位，接近vcc时芯片复位脚近高电平，于是芯片停止复位，复位完成。先看看单片机数据手册，得知复位时间最少是多少个周期，再计算当前时钟频率一个周期是多少时间，再乘以复位所需周期数就知道当前时钟频率所需复位时间，用rc充电公式计算所需电阻电容值即可。注意单片机数据手册复位脚的高低电平电压值，rc充电时间要计算复位脚的高低电平区间电压，手动复位输入，低电平有效，即第1脚输入一个低电平，则第19脚产生复位输出。图3.6复位电路图3.3.2 电源电路该系统中CPU的供电电压为+5V，电路图如图所示，把220V电源转变成单片机等硬件需要的+5V电源，设计是由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路

33、等四部分组成。电源变压器整流电路滤波电路稳压电路图3.7电源电路设计框图 电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动、负载和温度的变化而变化，因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。稳压电路为78系列集成稳压器。图3.8系统电源电路图3.4 接口电路设计单片机的接口电路主要由键盘、显示电路组成，用来实现人机技术。在单片机应用系统中，同时需要使用键盘与显

34、示接口时，为了节省I/O口线，通常把键盘和显示连接做在一起，构成实用的键盘、显示组合接口电路。键盘的结构形式有两种，即独立式按键和矩阵式键盘。矩阵式按键可用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键设置在行列的交点上，在按键数量较多时，可以节省I/O口线，因此该系统采用矩阵式键盘。该系统使用的是4×4矩阵式键盘，每个按键开关位于行列的交叉处，采用逐行扫描的方法识别键码。矩阵键盘的列线从左到右分别与驱动器8717的1Y、2Y、3Y、4Y相连，矩阵键盘的行线从上到下分别与8155的PC0、PC1、PC2、PC3相连。每当按下一个键时，对应的行线与列线就会连通，这样单片机就能检测出信号

35、，并通过键盘扫描程序对键盘进行扫描，以识别被按键的行、列位置。LED显示器采用共阴极。LED显示器采用动态显示、软件译码。所谓动态显示就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。在多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制，而共阴极点或共阳极点分别由相应的I/O口线控制，这就是LED的动态显示方式。八位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口，其中一个控制段选码，另一个控制位选。由于所有位的段选码皆由一个I/O口控制，因此，在每个瞬间

36、，八位LED只可能显示相同的字符。要想每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方式。即在每一瞬间只使某一位显示相应的字符，在此瞬间，段选控制I/O口输出相应字符段选码，位选控制I/O口在该显示位送入选通电平（共阴极送低电平、共阳极送高电平）以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。该设计是采用8155扩展I/O口构成的键盘、显示电路。8155是+5V电源，HMOS产品，存取时间为400ns，功耗为1.5W。8155是带有RAM和定时器的并行口，8155有三个可编程并行I/O端口：A口、B口、C口。 图3.9键盘显示电路图4 通信电缆检测系统

37、设计4.1 电缆检测系统实现目标电力电缆多埋于地下，发生故障后寻找非常困难，从寻找故障到维修并恢复供电，一般最少也需要半天到一天的时间，有些故障甚至需要几天的时间进行检测与维修，从而造成重大的停电损失。因此，如何快速、准确、经济地进行电缆故障定位，对供电部门来讲非常重要。如果电缆剖开后又不是故障点，就会浪费很多人力物力，并延误修复时间。所以准确、可靠、方便的测距方法是大家共同的希望。该设计主要实现的设计功能是：检测电缆工作状态，并在故障发生时，确定故障的类型与故障的严重程度，以便于故障测试人员选择适当的电缆测距方法和故障定点方法。4.2 多选开关的设计该设计所要求的是对64芯电缆的工作状态进行

38、检测，因此需要多选开关对其电缆芯线进行选择。该设计选用的是单16通道模拟开关4067， 因此需要4个4067片子。4067是用数字信号控制的16选1模拟开关，各开关由外部输入二进制的地址码A、B、C、D来切换。4位二进制码A、B、C、D共有16种状态，所以可以控制16个开关的通断。低电平有效（选通），高电平禁止（开关开路）4.3 电桥法检测电缆工作状态电桥法是使用采用最早的故障检测方法，它的原理是惠斯顿电桥原理。为了实现对通信电缆的工作状态的智能化检测功能。该设计系统采用该方法对被测电阻进行测量。将被测电缆故障点两侧的线芯电阻引入直流电桥，测量其比值，由测得的比值和电缆长度来可算出测量端到故障

39、点之间的距离。其中Rx为被测故障点的电阻。该设计是对10千米长的多芯通信电缆进行检测，因此电缆应呈盘桓状放置，多芯电缆通过多选开关选择对某一芯线进行检测。电桥法主要应用于对电缆故障的电阻测距，认为电缆是集中参数元件，同种规格的电缆芯线电阻(电容)与长度成正比。一般要求故障点的电阻不超过100K。使用电桥对电缆进行故障测距时通常使用单臂电桥、双臂电桥或自制电桥等。该设计采用双臂电桥法测量。接线如下图：MC1403是高精度、低温漂，采用带激光修正的带隙基准电压电路，MC1403一般用作一些需要精准的基准电压等场合。其输入电压的范围为：4.5V-15V，输出电流为10mA，输出电压为+2.5V。图4

40、.1电桥检测电路图如图3.1所示电桥法就是采用双臂电桥测出电缆芯线的直流电阻值，计算故障点。通过多选开关选择某一电缆芯线进入检测系统，该设计所要求的电缆阻值为6.2 。当被测电缆电阻接入电桥电路时，即。u 当电缆工作状态为正常时，即=2.16V （3.1）=5.93V （3.2）V （3.3）u 当电缆工作状态为断路时，即=1.5V （3.4） =0V （3.5）=1.5V （3.6）u 当电缆工作状态为短路时，即=3V （3.7）=2V （3.8）=1V （3.9）当电桥平衡后，可以通过以下公式(1)进行计算故障点距离:X=R3 / R * 2L (1)其中X-故障点距离（m）; L-电缆线

41、路长度（m）; R3-固定电桥臂电阻值； R=R1+Rx ;电桥测量法是一种经典的电缆线路故障测试方法，它的优点是：技术成熟，电路实现容易。4.4 信号调理电路4.4.1 信号放大电路放大电路是将微弱的电信号增强到系统所需要的的数值（即放大电信号），以便于人们测量和使用。该设计需要将放大信号放大到+5V电压信号，该放大器由两级差分式电路组成，电路图如下所示：因为： （3.10） （3.11）得到， （3.12）图4.2集成运算放大电路图4.4.2 A/D转换电路A/D转换的过程是首先对输入的模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按照一定的编码形式给出

42、转换结果，然后，再开始下一次取样。MC14433是双积分A/D转换器，其廉价，抗干扰性好。其模拟电路部分有基准电压、模拟电压输入部分。数字电路部分由逻辑控制、BCD码及输出锁存器、多路开关、时钟及极性判别、溢出检测等电路组成。MC14433采用字动态扫描BCD码输出方式，即千、百、十、个位BCD码分时在Q0-Q3轮流输出，同时在DS1-DS4端输出同步字位选通脉冲，从而很方便的实现LED动态显示【7】。由于MC1443的输出结果是动态分时轮流输出BCD码，而Q0-Q3和DS1-DS4都非总线形式，因此必须通过并行I/O或扩展I/O与之相连。对于89C51应用系统来说，MC1443的Q0-Q3、

43、DS1-DS4可以接至P1口或扩展I/O口。表4.1 DS1选通时Q3-Q0表示的输出结果DS1Q3Q2Q1Q0输出结果状态11xx0千位数为零10xx0千位数为11x1x0输出结果为正值1x0x0输出结果为负值10xx1输入信号过程量11xx1输入信号欠过量 MC1403集成精密电源经电位器分压后作为A/D用基准电压。使DU端与EOC端相连，以选择连续转换方式，每次转换完毕都送至输出寄存器。EOC是A/D转换结束的输出标志信号，89C51读取A/D转换结果可以采用中断方式或查询方式。采用中断方式时，EOC端与89C51外部中断经非门相连。采用查询方式时EOC端可接入89C51的任意I/O口。

44、该设计采用的是中断方式。图4.3 A/D转换电路图5 软件设计“软件”是系统控制的灵魂，灵活性很强，可以根据系统的要求和功能而变化。在硬件结构一定的情况下，单片机的智能性都是由软件实现。在本系统中，软件结构采用模块化设计，各功能程序分别编写和调试。各模块调试成功后，再将所有模块连接起来，构成系统的软件。这样的设计有利于程序代码的优化，而且便于编程、调试、维护及协作。系统的控制程序主要是完成各种标志的产生与判断，根据相应的标志执行对应的控制程序，系统的控制程序是一个无限的循环结构。系统上电后，首先完成系统初始化，随后进入一个无限循环过程。在这个循环过程中通过不断设置、查询各个状态标志，调用相应的

45、子程序来完成相应的控制功能。5.1 主程序流程该设计的是一种智能通信电缆故障检测系统装置。主程序由检测子程序、调用A/D转换子程序、按键子程序、显示子程序这四大部分组成。装置开机之后首先进行初始化，设置所用到的寄存器初值和堆栈，初始化之后开始检测多芯电缆的工作状态，电缆正常工作时，给系统一个反馈信号并返回系统继续检测；当检测系统检测到有故障发生时，通过A/D转换子程序把测量信号的模拟量转换为数字量，传达到C51单片机中，经过分析，从而知道故障发生的类型，并通过反馈信号得知故障发生在哪段电缆上，并可以进行对故障类型的分析，而且通过的测量电路号码的反馈从而实现对故障进行定点定位。同时调用按键显示子

46、程序，显示故障的类型、地点，故障的错误类型，通过按键可以完成相应的一些设定功能，比如故障编码的查询，故障的实时监控，故障的原因分析，故障的电脑显示，故障的持续时间和故障的排除与否。初始化开始设置寄存器初值开始检测调用A/D转换子程序调用显示子程序调用按键子程序返回图5.1主程序流程图5.2 检测子程序流程该部分首先要进行初始化，设置所用到的寄存器初值和堆栈，系统开始对电缆工作状态进行检测，若电缆正常工作，则返回继续检测；若电缆发生故障，则根据所测电阻值，确定电缆故障发生类型，短路还是断路。检测结束后存结果，并返回继续检测，从而完成检测程序。 开始初始化开始检测YN存结果返回电缆正常？断路状态短

47、路状态？YN图5.2 信号检测子程序流程图5.3 A/D转换子程序流程A/D转换接口电路是数据采集系统向前通道中的一个重要环节。A/D转换的目的是把模拟电信号转换为单片机所需要的数字量信号。该系统先进行初始化，然后启动转换程序，当程序转换结束后，读取A/D转换结果，未转换完的继续转换，直到转换结束。开始初始化启动转换转换完？YN读取A/D转换结果存结果返回图5.3 A/D转换子程序流程图6 结 论通过该文的论述，设计出一个智能通信电缆故障检测系统。该系统是基于单片机的应用技术，以AT89C51芯片为核心，通过电缆检测电路、信号调理电路、多选开关电路和键盘显示电路实现了对多芯通信电缆的的工作状态

48、的检测，确定其是否发生故障，并发生故障时，对故障进行定点定位。该论文利用信号调理电路将检测到的信号传到单片机，并通过单片机的键盘显示电路实现智能控制电缆检测系统。设计了实现整个系统的流程图，包括主程序、控制子程序和A/D转换子程序，键盘显示子程序。电缆故障定位系统刚开发出第一套样机的时候，就已经有用户购买，因此，本系统是在不同类型用户现场使用过程中不断完善的，定型之后，又对早期产品进行了免费升级服务，与用户之间建立了良好的合作关系，目前本系统已经广泛地应用于现场检测，已经对数十例电缆故障进行检测，并取得了良好的效果。通信原理的理论与技术的发展，高度发挥了计算机与数字通信相结合的特色和优越性，特

49、别是单片机应用技术日新月异的发展，将更有利于电子仪器与电子技术应用系统朝着数字化、小型化、自动化以及多功能化等方向发展，促使它们成为富有智能化的电子系统。通信电缆故障检测系统装置的设计，可以使得它必然会是今后通信发展的一个重要课题。7 参考文献1胡庆.通信光缆与电缆工程M.人民邮电大学出版社，2005：57-78.2张开栋.通信电缆配线与综合步线系统M.人民邮电大学出版社，2006：89-106.3李胜样.通信电缆线路障碍测试技术M.北京邮电大学出版社，2000：11-12.4李全利.单片机原理及应用技术M.高等教育出版社，2001：37-79.5王永军.数字逻辑与数字系统M.电子工业出版社，

50、2002：54-68.6姚凯军.单片机原理及应用M.重庆大学出版社，1998：26-96.7高辉、文艺，电缆故障测量中的高速AD转换系统，测绘信息与工程，2000.8胡玉，电力电缆故障探测技术分析与应用，湖南有色金属，2001年11月第7卷增刊.9高辉、文艺，金属电缆故障测量仪中的智能控制，微机发展，2001年第4期.10 段国锋，煤矿电力电缆故障快速检测方法，中州煤炭，1998年第1期，P711 江国强.现代数字逻辑电路M.电子工业出版社，2002：46-93.12 陈德平、秦卫光，应用单片机的地下电缆故障测试系统，天津纺织工学院学报第18卷第5期.13Marvin K. Simon Spr

51、ead Spectrum Communications Handbook M. McGraw-Hill Professional l,2002:520-523.14 Kojovic,A?Williams，C fF，Jr，Subcycle detection of incipient cable splice fauts to prevent cable damage，Power Engineering Society Summer Meeting，2000IEEE，Volume：2，2000.8 致 谢 该论文是在导师曲强教授的悉心指导下完成的。在这里我要为我付出心血的曲强老师表示崇高的敬意和感谢，正是在曲老师的启发和指导下才有了论文中的那些新思路和新方法。曲老师对我的毕业设计给予了悉心的指导，使我学习了不少教材上没有的知识。曲老师严谨的治学态度、渊博的知识、宽阔的胸襟以及一丝不苟的工作态度和高深的学术水平深深的影响着我，时刻鞭笞着我努力学习、认真工作。在本论文的研究过程中，我还得到了许多同学和朋友热情的帮助，本文的顺利完成，与他们的