通信电缆故障测试仪的设计方案

一、引言

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。广泛应用于通信线路传输、仪器仪表、电力等重要领域。由于多种因素可引起通信电缆发生短路、断线等故障。如何快速准确探测通信电缆故障，减少故障历时，提高通信电缆的工作稳定性，是当前通信线路领域一项重要的研究课题。


二、理论基础部分

1  研究背景

通信电缆在传输电话、有线电视线传输、宽带网接入专用电缆、智能楼宇信息网、有线电话配线网、计算机数据传输线及重要交通运输控制领域广泛用。通信线路从明线发展到通信电缆，再到目前广泛应用的光缆，是社会经济发展和科技进步的重要标志之一。从目前的发展趋势可见，光缆仍然没有全部取代通信电缆，通信电缆与光缆混合使用更为合理，其中用户对称电缆和射频同轴电缆在通信接入网中的使用尤其广泛。合理的使用通信电缆和光缆能够提高信息传输质量和扩大数据的流量。

2  通信电缆故障种类

接地故障，通信电缆传输线芯与地连接。通常接地电阻小于100欧姆的为低阻接地故障，大于100欧姆的为高阻接地故障。

短路故障，通信电缆传输线芯发生短接。通常电阻在小于100欧姆的为低阻短路故障，大于100欧姆的为高阻短路故障。 断线故障，通信电缆线芯断开。

闪络故障，电缆绝缘层承受过电压信号，导致暂时性击穿，最终导致造成绝缘层破损.

3  故障点及故障性质确定

确定电缆故障类型的方法是用兆欧表在线路一端测量各相的绝缘电阻及对地绝缘电阻。一般根据以下情况确定故障类型：

（1）当测到电缆一芯或几芯对地绝缘电阻，或线间绝缘电阻低于100 Ω时，为低电阻接地或短路故障。

（2）当测到电缆一芯或几芯对地绝缘电阻，或线间绝缘电阻低于正常值很多，但高于100 Ω时，为高电阻接地故障。

（3）当测到电缆一芯或几芯对地绝缘电阻较高或正常，应进行导体连续性试验，检查是否有断线，若有即为断线故障。

（4）当测到电缆有一芯或几芯导体不连续，且低电阻接地时， 为断线并接地故障。

（5）闪络性故障多发生于预防性耐压试验，发生部位大多在电缆终端和中间接头。闪络有时会连续多次发生，每次间隔几秒至几分钟。


三、系统方案确定

1  故障的测试方法

1.1  二次脉冲法

在故障点起弧的瞬间通过内部装置触发发射一低压脉冲，此脉冲在故障点闪络处（电弧的电阻值很低）发生短路反射，并将波形记忆在仪器中，电弧熄灭后，重新发一正常的低压测量脉冲到电缆中，此低压脉冲在故障处（高阻）没有击穿产生通路，直接到达电缆末端，并在电缆末端发生开路反射，将两次低压脉冲波形进行对比，非常容易判断故障点（击穿点）位置。仪器可自动匹配，自动判断计算出故障点距离。

1.2  闪测法

分为高压直流闪测法和冲击闪测法，分别测试间歇故障及高阻故障，.电压取样法可测率高，波形清晰易判，盲区比电流法少一倍，但接线复杂，分压过大时对人及仪器有危险。电流取样法正好相反，接线简单，但波形干扰大，不易判别盲区大。

我们设计的检测仪主要实现功能是检测1芯至10芯电缆的各芯线的通断及各芯线之间的绝缘情况。可以采用高压通过电缆，通过电缆的信号输出来确定电缆的通断情况，对于绝缘情况则是通过相邻电缆的信号输出情况来判断，所以本电路采用闪测法。

2  电缆测试仪的设计

我们采用主从控制器检测电缆。用主控制器产生电压，从控制器进行电压检测，主从控制器通过电缆相连接，从而达到对电缆的检测。

若施加电压的芯线上电压达到预定值则说明该线导通情况良好；若其它芯线上电压低于限定电压则说明绝缘良好。

2.1  主控制器

单片机最小系统为本系统的控制核心。为了保证系统工作的稳定性，我们购买了单片机最小系统板K60 系列的MK60FX512ZVLQ15。这个最小系统板引出了其几乎所有功能引脚，板上自带晶振电路、复位电路、单片机电源电路，指示灯[4]。

（1）电压产生电路。高压产生电路主要用于产生100～200V的高压，以提供检测绝缘电阻所需的电压。从实际出发我们用开关电源替代高压产生电路，达到电路稳定的效果。我们在实际中采用了WD990微机电源。用正弦信号发生器电路产生了1000hz的交流信号。

（2）高压检测电路。检测200V的高压是否正常，就要用到了高压检测电路。此电路为单片机提供了自检信号，用大液晶显示，基准电压是3.3V。高压检测电路由电阻R3～R15、比较器U1（TL062）：A和U1：B组成。R3、R4、W1组成分压电路，根据高压值产生5.1V的电压，以便与5.1V的基准电平（分别由+24V通过R5、R6和W2分压形成）比较，判断高压是否正常：正常情况下比较器U1：A和U1：B均应输出低电平；高压过低则U1：A输出变高，高压过高则U1：B输出变高。这样k60单片机通过其P2.3的电平即可判断出高压是否正常。其中TL062利用一个电压跟随器和一个反向器将-12V转换为正电压（4V左右）之后送给单片机，从而达到对电压检测的功能。该电路利用多个检测电路对+200V、+24V、+19V、+12V、-12V电压进行了检测，从而使电路能够正常工作。

（3）继电器组。继电器组的主要功能是将高压加到某一路芯线上，以检测该芯线的通断及与其它芯线的绝缘情况。主控制器上共有8个继电器，它们的一端通过隔离电阻R2（1K）接到高压上，常开触点分别与被测电缆的各芯线连接。每个继电器的线圈两端并联1个二极管，其作用在于防止继电器释放时线圈两端产生很高的电动势，损坏继电器驱动电路。继电器组电路如图1所示：

（4）继电器控制电路。继电器控制电路的主要功能是通过4个IO口选择并驱动继电器吸合。（U4～U8为继电器选择电路）U4～U8由k60单片机控制，通过4个IO口输出的高低电平控制74LS138再通过74LS138进而控制7407经驱动后使对应的继电器吸合。

（5）通信电路。通信电路的作用是以串行方式与从控制器进行数据交换，采用NRF2401接口，主从机分别有一个NRF接口。采用单片射频收发芯片NRF2401，通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。NRF的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120A 至500A 之间。

NRF芯片在2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用，最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，内置2.4Ghz 天线，体积小巧15mm X29mm，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便，内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC 开关电源均有很好的通信效果，具有可选的内置包应答机制，极大的降低丢包率。

（6）+5V电源。+5V电源采用了WD990微机电源。

2.2  从控制器

从控制器包括单片机、显示电路、通信电路、电阻分压网络、信号选择电路、信号检测电路等。

（1）整流电路。整理电流的作用是将检测到的电缆输出的交流信号，转化成直流形式，然后经过分压网络，转化成单片机能够识别的信号。主要由二极管，稳压管，电容以及电阻构成。

（2）信号检测电路。信号检测电路的作用在于检测信号选择电路送来的电压信号，从而判断出电缆芯线的到同情况以及其它芯线的绝缘情况。通过交流信号接整流电路，输出2，5v左右直流信号，经过单片机对比3和0来识别电路的通断。单片机输出，经过138译码器和缓冲器选择各路状态，单片机显示电缆号、测定通路、断路、短路，以及对应的短路号。

3  寻迹

寻迹器的信号源，音频信号振荡器的振荡频率约1kHz。音频信号振荡器的输出端接有一只电感，其作用是防止测试过程中发生探头短路而损坏555电路。音频信号输出端连接一只信号输出插孔CKl，用来与被测电缆的芯线连接，以便输出测试信号。运算放大器Al组成一个电压跟随器。运算放大器A2与R7～Rll及C5～C8组成四阶有源高通滤波器，它的截止频率约1kHz，用来滤除50Hz的交流信号。运算放大器A3组成一级信号放大器，将有源滤波器输出的信号进行放大、输出后通过一只晶体式耳机放出。信号放大器的放大倍数由R12与R13的比值确定，约为34dB。

该仪器在使用时，首先将被测电缆的一端用插头连接至CKl，将测试探头插入CK2，然后使测试探头沿电缆线移动。当电缆线完好时，音频振荡器输出的信号通过电缆线与探头之间的分布电容进入放大器，使耳机发声。一旦耳机发声停止，说明电缆已断，探头所在处便是它的断点。


四、方案分析讨论及合理改进方向

经过实际电路的测试发现高压产生电路设计复杂，且最终输出的电压被电路实际应用的必须经过电阻隔离才能送给电路，电压输出实际为200V利用开关电源可直接实现产生200V电压。方法简单容易实现，所以在后期电路设计过程中我们将高压产生电路改为200V开关电源，整体电路能够实现对多路电缆的检测是否有断点，以及电缆的绝缘情况，但是没有对于电缆的类型的判定，不能对电缆进行高精度的检测，在下一步设计过程中我们要合理设计方案，增强电路的功能，使其更好的解决电缆存在的问题，使其功能更加完善，更好的为工程领域发挥作用，更好的解决实际问题。


五、结语

本方案采用闪测法诊断电缆的故障，成功解决了多芯电缆检测中的下列技术难点：①多芯电缆快速检测技术；②潜在电缆故障预测技术；③高精度电缆故障点定位技术；④多路模拟开关切换技术。随着多芯电缆在武器装备以及其他民用器件中应用范围的扩大，对其安全性和可靠性的要求也越来越高。本检测仪对提高大型装备的整体可靠性和减少电缆资源的浪费意义重大，有着广泛的应用前景。