專利名稱：一種電纜故障定位系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電纜故障定位的系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種采用中央處理單元(以下簡稱CPU)及大規(guī)模可編程邏輯器件(ComplexProgrammable Logic Devices，以下簡稱CPLD)設(shè)計(jì)的電纜故障定位系統(tǒng)及定位方法。
背景技術(shù)：
電纜作為列車機(jī)車信號(hào)和地面信號(hào)的重要傳輸通道，直接關(guān)系到列車能否安全正點(diǎn)運(yùn)行；電力、通信等工程更需要鋪設(shè)大量電纜，電纜的線路特性狀況對(duì)人們的生產(chǎn)、生活有著重要的影響。由于電纜常年處在野外環(huán)境之中，受周圍環(huán)境、外力影響、鼠害以及逐年腐蝕、老化等因素影響，線路特性會(huì)發(fā)生變化，以至出現(xiàn)斷線、混線、接地等故障，它不但影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩c(diǎn)，而且會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)、生活造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，如何用最短的時(shí)間、最低的成本排除電纜故障是當(dāng)前面臨的重要課題。
要縮短故障排除時(shí)間，快速地尋找故障點(diǎn)的位置是關(guān)鍵。而市場(chǎng)上現(xiàn)有的電纜故障定位系統(tǒng)盡管品種較多，但均顯笨、大、繁，操作不方便。中國專利ZL02286887.9中公開了一種“電纜檢測(cè)儀”，它包括主機(jī)、從機(jī)以及連接它們的公共導(dǎo)體，主機(jī)由微處理器A、語音信號(hào)處理單元A、控制電路A和AD轉(zhuǎn)換器組成，從機(jī)由微處理器B、語音信號(hào)處理單元B、控制電路B組成，主機(jī)線纜連接端口A與從機(jī)線纜連接端口B相連形成電腦終端檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)成繁瑣，必須兩端檢測(cè)，尤其在遠(yuǎn)距離的情況下，主機(jī)與分機(jī)之間需要相應(yīng)長的公共導(dǎo)體，給使用造成很大不便。另外該系統(tǒng)還存在智能化程度低，測(cè)試精確度難以保證等不足。中國專利9211989.X中公開了一種“智能電力電纜故障測(cè)試儀及其測(cè)試方法”，它包括有輸入電路，高速A/D接口，中央處理機(jī)CPU，只讀存儲(chǔ)器ROM，隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM，顯示器接口，鍵盤及打印機(jī)接口。......其中，輸入電路對(duì)故障電纜的高壓回波分壓信號(hào)進(jìn)行再處理，輸出適于計(jì)算機(jī)要求的閃絡(luò)觸發(fā)和采樣兩路信號(hào)，連接到高速A/D接口電路；高速A/D接口主要由30MHz閃光式A/D超大規(guī)模集成芯片，和根據(jù)時(shí)序關(guān)系設(shè)計(jì)出的一套控制電路及存貯扳構(gòu)成；只讀存貯器固化有多種特征的常見電纜故障波形。該發(fā)明采用了較先進(jìn)的設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)一端檢測(cè)，但該發(fā)明所提供的電纜故障測(cè)試儀，其構(gòu)成的電路元器件性能、集成化程度及智能化等受當(dāng)時(shí)條件的限制水平較低，同樣也存在著系統(tǒng)笨重、難以達(dá)到戶外檢測(cè)維修工作高效率、高質(zhì)量的要求等。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種攜帶、使用方便，功耗低，檢測(cè)精確度及智能化程度高的電纜故障定位系統(tǒng)及定位方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了較先進(jìn)的“脈沖反射法”原理對(duì)電纜故障點(diǎn)進(jìn)行定位。其工作原理為測(cè)試時(shí)，在故障線上注入低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播直到阻抗失配的地方，如短路點(diǎn)或開路點(diǎn)等，在這些點(diǎn)上都會(huì)引起波的反射，反射脈沖回到測(cè)試端時(shí)被檢測(cè)設(shè)備接收。故障的性質(zhì)類型可以由反射脈沖的極性決定，與發(fā)射脈沖同極性的為高阻開路性質(zhì)故障，與發(fā)射脈沖相反極性的為低阻短路性質(zhì)故障。故障距離由測(cè)量脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間差推算出來，即S=12υ·t.]]>為此，本發(fā)明所提供的電纜故障定位系統(tǒng)包括下述部分信號(hào)發(fā)送模塊用以驅(qū)動(dòng)由中央處理單元控制大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷a(chǎn)生至少兩種頻率的發(fā)射脈沖、并將該發(fā)射脈沖發(fā)射到被測(cè)電纜上；信號(hào)采集模塊用以采集被測(cè)電纜上的反射脈沖，并將該反射脈沖的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用以存儲(chǔ)上述通過大規(guī)模可編程邏輯器件控制的信號(hào)采集模塊采集、并經(jīng)CPLD緩存后的數(shù)據(jù)；
CPU用以通過CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)上述信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)采集模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的控制以及數(shù)據(jù)的處理；CPLD用以實(shí)現(xiàn)上述CPU對(duì)上述信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)采集模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的控制；鍵盤模塊用以輸入命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；顯示模塊用以顯示設(shè)置參數(shù)、測(cè)試結(jié)果信息及其數(shù)據(jù)處理值；電源模塊用以提供系統(tǒng)工作電源。
上述信號(hào)采集模塊是由數(shù)控放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(以下簡稱AD轉(zhuǎn)換器)構(gòu)成。
上述鍵盤模塊包括發(fā)送單個(gè)發(fā)射脈沖按鍵、光標(biāo)左移按鍵及光標(biāo)右移按鍵。
上述鍵盤模塊還包括脈沖波傳播速度增加按鍵及脈沖波傳播速度減少按鍵。
上述鍵盤模塊還包括發(fā)送連續(xù)脈沖按鍵。
上述電源模塊包括數(shù)字電路用電源模塊和模擬電路用電源模塊。
一種電纜故障定位方法，其特征是至少包括下列步驟步驟1.系統(tǒng)初始化和自檢，然后進(jìn)入低功耗模式，等待進(jìn)入中斷程序；步驟2.開始測(cè)試時(shí)，按下鍵盤模塊按鍵，系統(tǒng)退出低功耗模式進(jìn)入中斷程序，判斷上述按鍵值，進(jìn)入相應(yīng)按鍵處理程序，所述相應(yīng)按鍵處理程序包括發(fā)送發(fā)射脈沖按鍵的步驟和光標(biāo)左移按鍵及光標(biāo)右移按鍵的步驟；步驟3.當(dāng)按鍵值為發(fā)送發(fā)射脈沖按鍵，進(jìn)入發(fā)送發(fā)射脈沖按鍵程序，它進(jìn)一步包括步驟31.CPU控制CPLD產(chǎn)生單個(gè)發(fā)射脈沖、并將該發(fā)射脈沖通過信號(hào)發(fā)送模塊發(fā)送到被測(cè)電纜上；步驟32.信號(hào)采集模塊采集被測(cè)電纜上的反射脈沖，并將該反射脈沖的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由CPLD緩存后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，直至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢；步驟33.CPLD向CPU反饋上述采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完畢的信號(hào)，CPU通過CPLD分批讀入上述數(shù)據(jù)；步驟34.CPU對(duì)讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷故障點(diǎn)的位置，并且在顯示模塊上顯示測(cè)試結(jié)果信息；步驟35.清中斷，退出中斷程序，系統(tǒng)恢復(fù)低功耗模式；步驟4，按下光標(biāo)左移按鍵或按下光標(biāo)右移按鍵，判斷按鍵值并進(jìn)入光標(biāo)左移按鍵及光標(biāo)右移按鍵的步驟，使得顯示模塊顯示上述測(cè)試結(jié)果信息的數(shù)據(jù)處理值。
上述發(fā)送發(fā)射脈沖鍵的程序還包括中央處理單元控制大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷a(chǎn)生連續(xù)發(fā)射脈沖、并將該連續(xù)發(fā)射脈沖通過信號(hào)發(fā)送模塊發(fā)送到被測(cè)電纜芯線上的步驟。
上述相應(yīng)按鍵處理程序還包括脈沖波傳播速度增加按鍵/脈沖波傳播速度減少按鍵的步驟，用以根據(jù)用戶需要設(shè)置參數(shù)。
上述中斷程序還包括消除按鍵抖動(dòng)步驟。
為使本發(fā)明上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)組成原理框圖；圖2為本發(fā)明一種較佳的信號(hào)發(fā)送模塊電路原理框圖；圖3為本發(fā)明一種較佳的信號(hào)采集模塊中數(shù)控放大器的原理框圖；圖4為本發(fā)明一種較佳的信號(hào)采集模塊中AD轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖5為本發(fā)明一種較佳的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路原理框圖；圖6為本發(fā)明一種較佳的CPU模塊電路原理圖；圖7為CPU模塊中JTAG接口引腳電路原理圖；
圖8為本發(fā)明一種較佳的CPLD模塊電路原理圖；圖9為本發(fā)明一種較佳的鍵盤模塊的電路原理圖；圖10為本發(fā)明一種較佳的顯示模塊供電電源連接示意圖；圖11為顯示模塊中液晶顯示器接口電路原理圖；圖12為本發(fā)明一種較佳的電源模塊電路原理圖；圖13為本發(fā)明方法主程序流程圖；圖14為本發(fā)明方法中斷程序流程圖；圖15為CPLD模塊一種較佳實(shí)施例流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明是由信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、CPU模塊、CPLD模塊、鍵盤模塊及顯示模塊、電源模塊等部分組成。
上述信號(hào)發(fā)送模塊可由高壓驅(qū)動(dòng)器及外圍電路構(gòu)成，例如集電極開路六反向高壓驅(qū)動(dòng)器7406芯片與電阻構(gòu)成，如圖2所示，CPU模塊控制CPLD產(chǎn)生單個(gè)發(fā)射脈沖，例如產(chǎn)生單個(gè)0.5μs的高頻方波發(fā)射脈沖，通過高壓驅(qū)動(dòng)器將發(fā)射脈沖抬高，例如抬高到9伏，然后發(fā)射到被測(cè)電纜上。也可由CPU模塊控制CPLD產(chǎn)生連續(xù)發(fā)射脈沖，例如產(chǎn)生20KHz連續(xù)高頻方波發(fā)射脈沖，并通過高壓驅(qū)動(dòng)器將連續(xù)發(fā)射脈沖抬高，例如抬高到9伏，然后發(fā)射到被測(cè)電纜上。
上述信號(hào)采集模塊可由數(shù)控放大器和AD轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，用以采集被測(cè)電纜上的反射脈沖，并將該反射脈沖的模擬信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)。其中數(shù)控放大器，可采用可變?cè)鲆娣糯笃鳎鏏D8369芯片，這樣采集信號(hào)的增益就可由CPU模塊來自動(dòng)控制。AD8369的增益控制有兩種模式串行模式和并行模式，現(xiàn)以并行模式為例，此時(shí)在DENB引腳為高的時(shí)候，BT0-BT3輸入控制編碼。如圖3所示，為AD8369芯片及其外圍的電路原理圖。由CPU模塊輸入控制編碼，F(xiàn)ILT引腳上連接了一個(gè)的電容，例如0.1μF的電容，增益為-3dB時(shí)高通濾波器的截止頻率為12π(10-7)(100)=16KHz.]]>信號(hào)經(jīng)過放大之后，以差分方式輸出給AD轉(zhuǎn)換器。
AD轉(zhuǎn)換器可由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，例如MAX1198芯片，及外圍電路構(gòu)成。由于電流行波在被測(cè)聚乙烯絕緣電纜中的傳播速度為200m/μs，若要求波形上的點(diǎn)能分辨出2m的長度，則需要的采樣次數(shù)為200/2＝100次/μs，要求采樣頻率至少達(dá)到100MHz。本實(shí)施例采用的MAX1198芯片，工作在140MHz的采樣頻率下，它的使用代替了以前用多個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片并聯(lián)的方式來提高采集頻率的方法，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。如圖4所示，MAX1198的參考電壓可以由內(nèi)部提供也可以由外部提供。本實(shí)施例采用內(nèi)部參考電壓。它的CLK引腳接的是由140MHz的有源晶振提供的時(shí)鐘信號(hào)(此有源晶振為一個(gè)獨(dú)立的部件同時(shí)為AD轉(zhuǎn)換芯片和CPLD提供時(shí)鐘信號(hào))。模擬信號(hào)的輸入方式采用差分輸入。它的SLEEP、PD和OE引腳由CPU模塊的同一個(gè)引腳控制，當(dāng)啟用AD轉(zhuǎn)換模塊時(shí)這三個(gè)引腳同時(shí)輸入低電平，其它時(shí)間這三個(gè)引腳輸入高電平，以降低功耗。
上述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，可由靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Static Random AccessMemory，以下簡稱SRAM)，例如CY7C1021BV33及外圍電路組成。上述AD轉(zhuǎn)換器輸出的8位數(shù)據(jù)，經(jīng)由CPLD緩存為16位數(shù)據(jù)后，存儲(chǔ)到SRAMCY7C1021BV33中，所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢之后，等待CPU模塊處理。本實(shí)施例AD轉(zhuǎn)換器的采樣速率為140MSPS，經(jīng)CPLD緩存后需要以70MHz的頻率存入SRAM。如圖5所示，為CY7C1021BV33的電路原理圖。因?yàn)閷?duì)芯片讀寫都是16位的，所以BLE、BHE連接在一起，還可以跟CE連在一起。所以電路模塊中這三個(gè)引腳由CPLD的同一個(gè)引腳控制。16位數(shù)據(jù)線和16位地址線都直接跟CPLD相連。當(dāng)開始采集信號(hào)時(shí)，在CPLD的控制下數(shù)據(jù)以70MHz的頻率存入CY7C1021BV33。存儲(chǔ)完畢之后再由CPU模塊通過CPLD讀取并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
上述中央處理單元可由8位以上單片機(jī)及外圍電路構(gòu)成。例如選擇TI公司16位的MSP430系列單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)超低功耗，該系列單片機(jī)采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125μs。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。本實(shí)施例采用其中的MSP430F149單片機(jī)，它有專門的超低功耗設(shè)計(jì)，五種低功耗工作模式。本實(shí)施例使用MSP430F149的8個(gè)引腳的中斷功能，設(shè)置引腳上電平的下降沿產(chǎn)生中斷，其他引腳都作為I/O端口使用。MSP430F149共有六種工作模式，通過控制位來設(shè)置。在各種工作模式下，時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生的三種時(shí)鐘的活動(dòng)狀態(tài)是各不相同的。表1為各種工作模式下各控制位及時(shí)鐘的活動(dòng)狀態(tài)。任何一個(gè)中斷事件可以將系統(tǒng)從各種低功耗模式中喚醒，而中斷返回指令又可將系統(tǒng)返回到中斷以前的狀態(tài)。
表1各種工作模式下各控制位及時(shí)鐘的活動(dòng)狀態(tài)


在主程序中完成系統(tǒng)初始化，如中斷的設(shè)置、端口的分配和時(shí)鐘的調(diào)度等，且自檢之后，CPU模塊就可進(jìn)入低功耗模式。進(jìn)入低功耗模式后甚至主系統(tǒng)時(shí)鐘也可以停止，這時(shí)系統(tǒng)功耗只在μA數(shù)量級(jí)的范圍。一旦有允許的中斷請(qǐng)求，CPU模塊在6μs的時(shí)間內(nèi)被喚醒，進(jìn)入活動(dòng)模式，執(zhí)行中斷程序。執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)返回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)低功耗模式。也就是說，系統(tǒng)功耗的情況取決于中斷程序的執(zhí)行時(shí)間。圖6所示為MSP430F149的電路原理圖。該芯片外接一個(gè)晶振作為系統(tǒng)工作時(shí)鐘，例如外接4MHz的晶振作為系統(tǒng)工作時(shí)鐘。它的引腳使用如下P1.0 LIGHT_L光標(biāo)左移按鍵(輸入)P1.1 LIGHT_R光標(biāo)右移按鍵(輸入)P1.2 SPEED_A波傳播速度增加按鍵(輸入)
P1.3 SPEED_S波傳播速度減少按鍵(輸入)P1.4 TEST 發(fā)送2MHz脈沖按鍵(輸入)P1.5 POINT 發(fā)送20KHz連續(xù)脈沖按鍵(輸入)P1.6 BEIYONG按鍵擴(kuò)展備用P1.7 BEIYONG按鍵擴(kuò)展備用P2.0 AM0AD8369控制信號(hào)(輸出)P2.1 AM1AD8369控制信號(hào)(輸出)P2.2 AM2AD8369控制信號(hào)(輸出)P2.3 AM3AD8369控制信號(hào)(輸出)P2.4 ADEN AD使能信號(hào)(輸出)P2.5 REDI 讀SRAM時(shí)鐘信號(hào)(輸出)P2.6 RAM_WE SRAM寫使能信號(hào)(輸出)P2.7 BEIYONG備用P3.0 0.5μs 控制CPLD發(fā)射0.5μs脈沖寬度的單脈沖(輸出)P3.1 20KHz 控制CPLD發(fā)射20KHz連續(xù)脈沖(輸出)P3.2 REDO CPLD存SRAM完畢信號(hào)(輸入)P3.3 CS2液晶片選(輸出)P3.4 LED_RS 液晶控制信號(hào)(輸出)P3.5 LED_WR 液晶控制信號(hào)(輸出)P3.6 LED_BUSY 液晶忙信號(hào)(輸入)P3.7 LED_R(EN) 液晶控制信號(hào)(輸出)P4.0---P4.7 DATA15---DATA8 CPLD轉(zhuǎn)SRAM內(nèi)容(輸入)
P5.0---P5.7 DATA8---DATA0CPLD轉(zhuǎn)SRAM內(nèi)容(輸入)P6.0---P6.7 LED_DB0---LED_DB7液晶信號(hào)線(輸出)MSP430F149初始化各個(gè)寄存器以及顯示模塊之后。就轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)，等待中斷信號(hào)。如果按下發(fā)送發(fā)射脈沖按鍵，例如單個(gè)0.5μs發(fā)射脈沖的按鍵，MSP430F149會(huì)控制CPLD發(fā)送0.5μs脈沖寬度的單脈沖，然后等待CPLD反饋的SRAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完畢的信號(hào)。接到該信號(hào)之后，它就通過CPLD把數(shù)據(jù)分批讀入。讀入之后MSP430F149對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，自動(dòng)判斷故障點(diǎn)的位置，并且將測(cè)試結(jié)果信息在顯示模塊上顯示，例如，顯示反射波形及故障點(diǎn)位置信息。按下其它按鍵，例如，發(fā)射連續(xù)脈沖按鍵、光標(biāo)左/右移動(dòng)按鍵、脈沖波傳播速度增加/減少按鍵等，MSP430F149也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)鍵值的處理，處理完畢之后，又自動(dòng)恢復(fù)低功耗狀態(tài)。MSP430F149的程序下載是通過它的JTAG(Joint Test Action Group)接口引腳測(cè)試時(shí)鐘輸入引腳TCK、測(cè)試模式選擇引腳TMS、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入引腳TDI和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出引腳TDO。通過它的JTAG接口，我們可以對(duì)MSP430F149進(jìn)行在線調(diào)試、邊界掃描和故障檢測(cè)。圖7為MSP430F149JTAG電路原理圖。
上述CPLD模塊可由MAX3000系列芯片及其外圍電路構(gòu)成。例如采用CPLD EPM3256來進(jìn)行信號(hào)發(fā)送、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的控制。CPLDEPM3256的最高工作頻率為143MHz，所以為了盡量提高檢測(cè)精度，本系統(tǒng)以140MHz的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如圖8所示，以發(fā)射單個(gè)發(fā)送脈沖為例，EPM3256的工作過程為當(dāng)EPM3256接收到CPU MSP430F149發(fā)出的發(fā)送單個(gè)發(fā)射脈沖的指令后，EPM3256就會(huì)在第55引腳發(fā)送一個(gè)單脈沖，例如0.5μs脈沖寬度的單脈沖，同時(shí)開始接收信號(hào)采集模塊采集進(jìn)來的信號(hào)，例如將兩個(gè)8位數(shù)據(jù)緩存為16位數(shù)據(jù)之后，存到SRAMCY7C1021BV33里面去。等所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢之后，EPM3256發(fā)送一個(gè)信號(hào)給CPU MSP430F149，然后在MSP430F149的時(shí)序控制下，將SRAMCY7C1021BV33里的數(shù)據(jù)分批讀到MSP430F149里進(jìn)行處理。EPM3256內(nèi)部由軟件分為3個(gè)部分。一個(gè)為分頻器部分，將有源晶振提供的140MHz的頻率分頻為2MHz，并且根據(jù)脈沖波傳播速度調(diào)節(jié)對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的輸出時(shí)鐘信號(hào)；第二個(gè)為數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)部分，即以一定的時(shí)序，將數(shù)據(jù)接收并存入CY7C1021BV33里；第三個(gè)為數(shù)據(jù)發(fā)送部分，即將CY7C1021BV33里的數(shù)據(jù)發(fā)送至MSP430F149中，這個(gè)部分中也是每次都以16位發(fā)送。EPM3256與CY7C1021BV33的16位數(shù)據(jù)線引腳設(shè)為輸入/輸出模式。下面是CPLD的引腳分配1---2 空3 GND4 CTDI JTAG引腳5---12OD0---OD7AD數(shù)據(jù)輸入端口(輸入)13GND14---16 空17GND18---19 空20CTMS JTAG引腳21---23 空24VCC25140MHz 140MHz晶振輸入口(輸入)26GND27CLK28---32 空33GND34---36 空37---49 空50---51 VCC52GND
532MHz控制CPLD發(fā)射0.5μs脈沖寬度的單脈沖5420KHz 控制CPLD發(fā)射20KHz連續(xù)脈沖(輸入)055TWOIN 0.5μs，20KHz脈沖的發(fā)射出口(輸出)56空57GND58VCC59GND60---63 空64GND65---72 RAM A0---RAM A7 SRAM地址線(輸出)73VCC74---75 RAM D15---RAM D14SRAM數(shù)據(jù)線(輸入出)76VCC77GND78---84 RAM D13---RAM D7SRAM數(shù)據(jù)線(輸入出)85GND86---88 RAM D6---RAM D4 SRAM數(shù)據(jù)線(輸入出)89CTCKJTAG引腳90---93 RAM D3---RAM D0 SRAM數(shù)據(jù)線(輸入出)94GND95VCC96---103 RAM A8---RAM A15SRAM地址線(輸出)104 CTDOJTAG引腳
105GND106--- 空107RAM CESRAM片選信號(hào)(輸出)108RAM OESRAM使能信號(hào)(輸出)109---113 DATA0---DATA4 與MSP430數(shù)據(jù)傳輸(輸出)114GND115VCC116---122 DATA5---DATA11與MSP430數(shù)據(jù)傳輸(輸出)123VCC124GND125---128 空129GND130VCC131---134 DATA12---DATA15 與MSP430數(shù)據(jù)傳輸(輸出)135GND136REDO CPLD存SRAM完畢信號(hào)(輸出)137REDI 讀SRAM時(shí)鐘信號(hào)(輸入)138---143 空144VCC 3.3V上述鍵盤模塊可以包括光標(biāo)左移按鍵、光標(biāo)右移按鍵、脈沖波傳播速度增加按鍵、脈沖波傳播速度減少按鍵、發(fā)送單個(gè)脈沖按鍵和發(fā)送連續(xù)脈沖按鍵，用以對(duì)上述中央處理單元發(fā)送中斷命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。其中發(fā)送單個(gè)脈沖按鍵，例如為發(fā)送0.5μs脈沖寬度的單脈沖按鍵，發(fā)送連續(xù)脈沖按鍵，例如為發(fā)送20KHz連續(xù)脈沖按鍵，另外還可以包括復(fù)位鍵和若干個(gè)備用按鍵，例如1-8個(gè)備用鍵，以備在功能擴(kuò)展時(shí)使用。由于CPUMSP430F149的中斷資源豐富，按鍵均可采用中斷工作模式。本實(shí)施例的按鍵模塊是單獨(dú)做在一個(gè)較小的印制線路板(PCB)板上的，由排針和排線連至主板。如圖9所示，當(dāng)沒有按下按鍵時(shí)，各按鍵引腳上為3.3V高電平，當(dāng)按下某個(gè)按鍵時(shí)，該按鍵引腳上為低電平，按下光標(biāo)左/右移動(dòng)按鍵，脈沖波形顯示出來之后，用戶可以移動(dòng)光標(biāo)至反射脈沖波形起始處，MSP430F149會(huì)自動(dòng)在顯示模塊上顯示該測(cè)試結(jié)果信息的數(shù)據(jù)處理值，例如顯示反射脈沖波形起始處與脈沖發(fā)射脈沖點(diǎn)之間距離的數(shù)據(jù)處理值。脈沖波傳播速度增加/減少按鍵可以根據(jù)用戶的需要設(shè)置電磁波在電纜中的傳播速度，系統(tǒng)默認(rèn)脈沖波傳播速度值為200m/μs。當(dāng)脈沖波傳播速度改變時(shí)，顯示的距離值也會(huì)隨之相應(yīng)變化。以上光標(biāo)左/右移按鍵、脈沖波傳播速度增加/減少按鍵等四個(gè)按鍵都有連續(xù)按鍵的功能，MSP430F149會(huì)自動(dòng)檢測(cè)按鍵是否一直處于按下狀態(tài)，如果是的話，將連續(xù)執(zhí)行按鍵子程序。這樣大大方便了用戶的使用。本系統(tǒng)，對(duì)所有的按鍵都進(jìn)行了消抖動(dòng)處理。
上述顯示模塊用以顯示設(shè)置參數(shù)、測(cè)試結(jié)果信息及其數(shù)據(jù)處理值。所述顯示設(shè)置參數(shù)，例如顯示被測(cè)電纜的傳播速度等參數(shù)，顯示測(cè)試結(jié)果信息，例如顯示采集到的反射波波形等信息，顯示數(shù)據(jù)處理值，例如顯示被測(cè)點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的距離信息等。顯示模塊可采用液晶顯示模塊，例如，采用北京青云創(chuàng)新公司的LCM240128ZK型液晶，其顯示內(nèi)容240×128點(diǎn)陣。為與MSP430F149匹配，LCM240128ZK使用3.3V電源電壓。工作在8位6800工作模式之下。LCM240128ZK內(nèi)部附帶字庫，所以要顯示字符或漢字的時(shí)候一般只要向特定寄存器輸入該字符或漢字的編號(hào)即可。液晶使用時(shí)要首先調(diào)節(jié)如圖10所示的滑動(dòng)變阻器，使VDD與VO之間的電壓差為18.5V，這樣方可正常顯示。上電時(shí)要對(duì)液晶進(jìn)行復(fù)位，RST引腳上的低電平不能少于100ms，可由如圖11里所示的電容來實(shí)現(xiàn)，圖11所示為LCM240128ZK的接口連接原理圖。上電后，MSP430F149首先要對(duì)LCM240128ZK進(jìn)行初始化，即對(duì)特定的寄存器賦值。LCM240128ZK有兩種顯示方式，一種是字符型顯示方式；另一種是點(diǎn)陣型顯示方式。當(dāng)要顯示波形的時(shí)候，首先應(yīng)把LCM240128ZK的顯示方式改為點(diǎn)陣型顯示方式。這種顯示方式下，LCM240128ZK被分成240*128個(gè)點(diǎn)。如果想點(diǎn)亮某點(diǎn)，就向它對(duì)應(yīng)的寄存器寫1。
上述電源模塊包括數(shù)字電路用工作電源和模擬電路用工作電源，這樣相互分開可以避免干擾。這兩部分電源都是由9V轉(zhuǎn)換到5V，然后再由5V轉(zhuǎn)換到3.3V，如圖12所示，電源模塊可采用LT1117-5和LT1117-3.3芯片及外圍電路構(gòu)成，它們最大可以提供800毫安的電流，滿足本系統(tǒng)的需要。其中使用數(shù)字5V的器件有140MHz有源晶振和7406芯片；使用數(shù)字3.3V的器件有MSP430F149、LCM240128ZK、CY7C1021BV33和CPLD；使用模擬3.3V的器件有AD8369和MAX1198。
本發(fā)明的電纜故障定位方法，是在本發(fā)明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過對(duì)CPU模塊和CPLD模塊的編程來實(shí)現(xiàn)，例如通過對(duì)CPU MSP430F149的C程序編程和CPLD EPM3256的超高速集成電路硬件描述語言(very-high-speed integrated circuit hardware description language，簡稱VHDL)編程實(shí)現(xiàn)。如圖13所示為CPU MSP430F149的主程序程序流程圖，初始化是在程序最開始時(shí)根據(jù)需要對(duì)一些寄存器和端口進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)CPU MSP430F149初始化和自檢完畢后，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待中斷的發(fā)生。圖14所示為CPU MSP430F149的主程序的中斷程序流程圖。CPUMSP430F149進(jìn)入中斷程序之后，先判斷是哪個(gè)端口引發(fā)的中斷，然后延時(shí)10ms后再判斷一次，這樣可以消除因抖動(dòng)而引起的誤判。CPUMSP430F149判斷上述按鍵值，并進(jìn)入相應(yīng)鍵值處理程序，最后，清中斷，退出中斷程序，系統(tǒng)恢復(fù)低功耗模式。
CPLD EPM3256的VHDL編程采用自頂向下的設(shè)計(jì)模式。底層分為三個(gè)模塊，最后由一個(gè)TOP頂層文件封裝起來。EPM3256的VHDL程序底層分為三個(gè)模塊第一個(gè)是分頻模塊，因?yàn)镋PM3256以140MHz的頻率接收數(shù)據(jù)之后，要以70MHz的頻率發(fā)送給SRAM，所以要先進(jìn)行2分頻；第二個(gè)是數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)模塊，這個(gè)模塊里當(dāng)接受到檢測(cè)命令后，先發(fā)送一個(gè)0.5μs脈沖寬度的單脈沖，同時(shí)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存然后輸出給SRAM；第三個(gè)是數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，這個(gè)模塊把數(shù)據(jù)從SRAM里讀出來然后發(fā)送給CPU MSP430F149。本系統(tǒng)的VHDL頂層模塊end_top.vhdl由TOP文件實(shí)現(xiàn)。該文件將底層的三個(gè)模塊封裝起來，組成一個(gè)完整的模塊。圖15所示為CPLD模塊一種較佳實(shí)施例流程圖。
本發(fā)明系統(tǒng)在鐵路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。測(cè)試對(duì)象為8條已知故障點(diǎn)位置的電纜，其中短路故障4條，斷路故障4條。電纜型號(hào)為PTYA23，即聚乙烯絕緣綜合護(hù)套鋼帶鎧裝信號(hào)電纜，該型號(hào)電纜波速度為201m/μs。兩種故障的故障點(diǎn)距測(cè)試點(diǎn)都分別為83m，135m，400m，670m。測(cè)試時(shí)，對(duì)每根電纜測(cè)試五次，所得結(jié)果如表2所示。從測(cè)試結(jié)果來看，本系統(tǒng)基本達(dá)到了鐵路現(xiàn)場(chǎng)的要求。
表2測(cè)試結(jié)果比較

本發(fā)明由于采用“CPU+高速CPLD”的控制模式，既解決了CPU的處理速度問題，又有效的減少了外圍芯片的數(shù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明采用新型的高速AD轉(zhuǎn)換芯片，代替了以前用多個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片并聯(lián)的方式來提高采集頻率的方法，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。使用本發(fā)明只要在電纜一端操作即可，故障測(cè)試的智能化程度高，只要受過基本培訓(xùn)的人員都能夠順利找出故障點(diǎn)。系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，儀器由電池供電，滿足了野外工作便攜的要求。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例公開如上，但并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許之更動(dòng)與改進(jìn)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電纜故障定位系統(tǒng)，其特征是包括下述部分信號(hào)發(fā)送模塊用以驅(qū)動(dòng)由中央處理單元控制大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷a(chǎn)生至少兩種頻率的發(fā)射脈沖、并將該發(fā)射脈沖發(fā)射到被測(cè)電纜上；信號(hào)采集模塊用以采集被測(cè)電纜上的反射脈沖，并將該反射脈沖的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用以存儲(chǔ)上述通過大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷刂频男盘?hào)采集模塊采集、并經(jīng)CPLD緩存后的數(shù)據(jù)；中央處理單元用以通過大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?shí)現(xiàn)對(duì)上述信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)采集模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的控制以及數(shù)據(jù)的處理；大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷靡詫?shí)現(xiàn)上述中央處理單元對(duì)上述信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)采集模塊以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的控制；鍵盤模塊用以輸入命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；顯示模塊用以顯示設(shè)置參數(shù)、測(cè)試結(jié)果信息及其數(shù)據(jù)處理值；電源模塊用以提供系統(tǒng)工作電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的定位系統(tǒng)，其特征是所述信號(hào)采集模塊是由數(shù)控放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的定位系統(tǒng)，其特征是所述鍵盤模塊包括發(fā)送單個(gè)發(fā)射脈沖按鍵、光標(biāo)左移按鍵及光標(biāo)右移按鍵。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定位系統(tǒng)，其特征是所述鍵盤模塊還包括脈沖波傳播速度增加按鍵及脈沖波傳播速度減少按鍵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的定位系統(tǒng)，其特征是所述鍵盤模塊還包括發(fā)送連續(xù)脈沖按鍵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的定位系統(tǒng)，其特征是所述電源模塊包括數(shù)字電路用電源模塊和模擬電路用電源模塊。
7.一種電纜故障定位方法，其特征是至少包括下列步驟步驟1.系統(tǒng)初始化和自檢，然后進(jìn)入低功耗模式，等待進(jìn)入中斷程序；步驟2.開始測(cè)試時(shí)，按下鍵盤模塊按鍵，系統(tǒng)退出低功耗模式進(jìn)入中斷程序，判斷上述按鍵值，進(jìn)入相應(yīng)按鍵處理程序，所述相應(yīng)按鍵處理程序包括發(fā)送發(fā)射脈沖按鍵的步驟和光標(biāo)左移按鍵及光標(biāo)右移按鍵的步驟；步驟3.當(dāng)按鍵值為發(fā)送發(fā)射脈沖按鍵，進(jìn)入發(fā)送發(fā)射脈沖按鍵程序，它進(jìn)一步包括步驟31中央處理單元控制大規(guī)模可編程邏輯器件產(chǎn)生單個(gè)發(fā)射脈沖、并將該發(fā)射脈沖通過信號(hào)發(fā)送模塊發(fā)送到被測(cè)電纜上；步驟32.信號(hào)采集模塊采集被測(cè)電纜上的反射脈沖，并將該反射脈沖的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由大規(guī)模可編程邏輯器件緩存后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，直至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢；步驟33.大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷蛑醒胩幚韱卧答伾鲜霾杉⒋鎯?chǔ)數(shù)據(jù)完畢的信號(hào)，中央處理單元通過大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷峙x入上述數(shù)據(jù)；步驟34.中央處理單元對(duì)讀入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷故障點(diǎn)的位置，并且在顯示模塊上顯示測(cè)試結(jié)果信息；步驟35.清中斷，退出中斷程序，系統(tǒng)恢復(fù)低功耗模式；步驟4，按下光標(biāo)左移按鍵或按下光標(biāo)右移按鍵，判斷按鍵值并進(jìn)入光標(biāo)左移按鍵及光標(biāo)右移按鍵的步驟，使得顯示模塊顯示上述測(cè)試結(jié)果信息的數(shù)據(jù)處理值。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位方法，其特征是上述發(fā)送發(fā)射脈沖鍵的程序還包括中央處理單元控制大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷a(chǎn)生連續(xù)發(fā)射脈沖、并將該連續(xù)發(fā)射脈沖通過信號(hào)發(fā)送模塊發(fā)送到被測(cè)電纜芯線上的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的定位方法，其特征是上述相應(yīng)按鍵處理程序還包括脈沖波傳播速度增加按鍵/脈沖波傳播速度減少按鍵的步驟，用以根據(jù)用戶需要設(shè)置參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一權(quán)利要求所述的定位方法，其特征是上述中斷程序還包括消除按鍵抖動(dòng)步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于電纜故障定位的系統(tǒng)及其方法，本發(fā)明系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)送模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、CPU模塊、CPLD模塊、鍵盤模塊、顯示模塊及電源模塊等部分組成。本發(fā)明方法是在本發(fā)明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過對(duì)CPU模塊和CPLD模塊的編程來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有攜帶、使用方便，功耗低，檢測(cè)精確度高及智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合戶外工作的要求。
文檔編號(hào)G01R31/08GK1818691SQ20051011772
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2005年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月7日
發(fā)明者李金平, 顏鋌, 周曉龍 申請(qǐng)人:北京聯(lián)合大學(xué)