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电
2、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 N
3、E555 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
4、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、1k 和 510 电阻、被测线路和 TLP521-4 组成。系统允许测量电缆长度为20
5、km，则线径为 0.4mm 的铜线电阻值为 05.6k，发光二极管电流为311mA,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、510 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
6、。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 0.1F 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=CoFo/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
7、。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、1k 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
8、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
9、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。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
10、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
11、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 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。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
12、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，
13、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
14、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,)单位长度电容 /电阻(nF/m,/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201.00,5.760.0500,0.2880180.921,5.28118.7,
15、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%161083.52,481.760.0519,0.2992101052.846,302.6421018.23,1011.50+0.8%,-0.1%3457170.08,1
16、015.000.0492,0.2936149274.149,434.5961507.09,1480.23+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%19340907.05,5995.400.049,0.310018120858.739,5663.70018310.00,18270.00+1.0%,+0.8%
17、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010k 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;
18、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。
