基于脉冲反射法的电缆故障检测仪设计

摘要：介绍了一种以嵌入式缀处理器Nios为核心的电缆故障检测仪。该仪器应用A／D器件和FPGA组成可变频率的高速数据采集系统，利用低压脉冲反射法原理来实现对电缆的断路、短路等故障的检测与定位。
关键词：电缆；故障检测仪；低压脉冲反射法；可编程逻辑器件

引言
电缆是通信、测试等系统信号传输的重要载体，随着电缆数量的增多及运行时间的延长，电缆也越来越频繁地发生故障。电缆线路的隐蔽性及测试设备的局限性，使电缆故障的查找非常困难。本文设计了一种以嵌入式微处理器Nios为核心的电缆故障检测仪，应用A／D器件和FPGA组成可变频率的高速数据采集系统，利用低压脉冲反射法原理来实现线缆的断路、短路、断路点、短路点的检测与定位。该仪器可广泛应用于通信维护、工程施工和综合布线，对市话电缆、同轴电缆等各种线缆进行测试和障碍维护。

1 系统总体结构
利用低压脉冲反射法检测电缆故障。主要原理是：向电缆发送一个电压脉冲，当发射脉冲在传输线上遇到故障时，由于故障点阻抗不匹配，产生反向脉冲，通过计算二者的时间差△T，并分析反射脉冲的特性来进行故障的定性与定位。该方法适用于断线、接触不良、低电阻或短路故障的测试。
故障点距离L为：L=V·△T／2。式中，V是脉冲在电缆中的传播速度。根据反向脉冲的极性可判断故障性质：断线或接触不良引起的反向脉冲为正，低电阻或短路故障引起的反向脉冲为负。
该仪器是一个便携式电缆故障检测设备，可利用现代电子技术(如高速A／D技术、异步FIFO技术、现场可编程逻辑阵列FPGA等)来提高集成度和灵活性。系统总体结构如图1所示。

脉冲发生电路产生探测脉冲，高速的A／D转换器对脉冲及其反射回波信号进行采样，使用异步FIFO作为A／D采样数据的缓存。软核Nios作为系统核心，控制检测任务的启动和结束、脉冲发送接收模式的选择、A／D采样数据的处理计算、故障性质和位置的判断及显示等。其中，软核处理器和逻辑功能都是在现场可编程逻辑器件中编程实现的。

2 功能及性能指标
短路测试：检测电缆芯线之间是否有不必要的连接及其位置。
断路测试：检测电缆中某芯线是否断路及其位置。
显示：显示测试结果，即测量中开路及短路的位置。
测量范围：2～1000 m。
测试精度：可选择2 m和10 m两种精度。
脉冲振幅：负载开路5 V。
脉冲宽度：20 ns，100 ns。
最大采样速率：100 MHz。
波形记录长度：1024点。