畢業(yè)論文-電力線路故障檢測(cè)裝置研制(正文)

1、第一章 緒論1.1 電力電纜的故障檢測(cè)的背景與意義 隨著電纜數(shù)量的增多及其運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),電纜的故障也越來(lái)越頻繁。電纜故障點(diǎn)的查找與測(cè)量是通訊和電力供應(yīng)暢通的有力保障，但因?yàn)殡娎|線路的隱蔽性、個(gè)別運(yùn)行單位的運(yùn)行資料不完善以及測(cè)試設(shè)備的局限性等原因,使電纜故障的查找非常困難。電力線路故障的檢測(cè)與準(zhǔn)確定位，能夠縮短故障修復(fù)時(shí)間，提高供電可靠性，減少停電損失。電纜故障情況及埋設(shè)環(huán)境比較復(fù)雜，變化多，測(cè)試人員應(yīng)熟悉電纜的埋設(shè)走向與環(huán)境，確切地判斷出電纜故障性質(zhì)，選擇合適的儀器與測(cè)量方法，按照一定的程序工作，才能順利地測(cè)出電纜故障點(diǎn)。從七十年代至今，電纜故障定位技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，各種測(cè)試方法和

2、測(cè)試儀器應(yīng)運(yùn)而生，電纜故障檢測(cè)技術(shù)不斷得到完善和提高，并且在現(xiàn)實(shí)中得到了廣泛的應(yīng)用?；旧鲜且蕾嚪治龉收嫌涗浗Y(jié)果來(lái)估算故障點(diǎn)位置，測(cè)距精度得不到保障。八十年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)保護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用，許多微機(jī)線路保護(hù)或故障記錄裝置都增加了基于阻抗測(cè)量原理的故障測(cè)距功能，推動(dòng)了故障測(cè)距技術(shù)的進(jìn)步，但受多種因素的影響，阻抗原理測(cè)距精度還不是很理想，因此，電力部門迫切希望能研制出精度高的線路故障測(cè)距裝置，以解決線路故障尋找難的問題。隨著人們對(duì)線路故障行波現(xiàn)象研究的深入和微電子技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)行波故障測(cè)距技術(shù)取得了重大進(jìn)展并顯示出其優(yōu)越性，相信行波測(cè)距會(huì)成為將來(lái)輸電線路故障重要的定位方法之一。本課題從理論

3、上提出了一種先進(jìn)的理論電纜故障定位方法低壓脈沖反射法，基于AT90 的AVR單片機(jī)的系統(tǒng)，通過記錄脈沖的時(shí)間，計(jì)算故障點(diǎn)反射脈沖之間時(shí)間和脈沖在電纜中的速度的乘積，就可以得到故障點(diǎn)距測(cè)量端的距離。1第二章 電力線路故障分析2.1 電纜故障的原因了解電纜故障的原因，對(duì)于減少電纜的損壞，快速地判定出故障點(diǎn)是十分重要的。電纜故障的原因大致可歸納為以下幾類：一、 機(jī)械損傷機(jī)械損傷是電纜故障的主要原因，包括電纜受震動(dòng)或沖擊性負(fù)荷等影響造成電纜的鉛（鋁）包絕緣等裂損，有時(shí)輕微的損傷會(huì)在幾個(gè)月甚至幾年后才發(fā)展成故障原因。造成電纜機(jī)械損傷主要有以下幾種原因：1.安裝時(shí)損傷：在安裝時(shí)不小心碰傷電纜，機(jī)械牽引力過

4、大而拉傷電纜，或電纜過度彎曲而損傷電纜；2.直接受外力損壞：在安裝后電纜路徑上或電纜附近進(jìn)行城建施工，使電纜受到直接的外力損傷；3.行駛車輛的震動(dòng)或沖擊性負(fù)荷會(huì)造成地下電纜的鉛(鋁)包裂損；4.因自然現(xiàn)象造成的損傷：如中間接頭或終端頭內(nèi)絕緣膠膨脹而脹裂外殼或電纜護(hù)套；因電纜自然行程使裝在管口或支架上的電纜外皮擦傷；因土地沉降引起過大拉力，拉斷中間接頭或?qū)w。二、絕緣受潮 絕緣受潮后引起故障。造成電纜受潮的主要原因有：1.因接頭盒或終端盒結(jié)構(gòu)不密封或安裝不良而導(dǎo)致進(jìn)水；2.電纜制造不良，金屬護(hù)套有小孔或裂縫；3.金屬護(hù)套因被外物刺傷或腐蝕穿孔。三、絕緣老化變質(zhì)電纜絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生

5、游離使絕緣下降。當(dāng)絕緣介質(zhì)電離時(shí)，氣隙中產(chǎn)生臭氧、硝酸等化學(xué)生成物，腐蝕絕緣；絕緣中的水分使絕緣纖維產(chǎn)生水解，造成絕緣下降。過熱會(huì)引起絕緣老化變質(zhì)。電纜內(nèi)部氣隙產(chǎn)生電游離造成局部過熱，使絕緣碳化。電纜過負(fù)荷是電纜發(fā)熱的一個(gè)重要因素。安裝于電纜密集地區(qū)、電纜溝及電纜隧道等通風(fēng)不良處的電纜、穿在干燥管中的電纜以及電纜與熱力管道接近的部分等都會(huì)因本身過熱而使絕緣加速損壞。四、過電壓大氣與內(nèi)部過電壓作用，使電纜絕緣擊穿，形成故障，擊穿點(diǎn)一般是存在缺陷。五、設(shè)計(jì)和制作工藝不良中間接頭和終端頭的防水、電場(chǎng)分布設(shè)計(jì)不周密，材料選用不當(dāng)，工藝不良、不按規(guī)程要求制作會(huì)造成電纜頭故障。六、材料缺陷材料缺陷主要表現(xiàn)

6、在三個(gè)方面：1、電纜制造的問題，鉛（鋁）護(hù)層留下的缺陷；在包纏絕緣過程中，出現(xiàn)褶皺、裂損、破口和重疊間隙等缺陷；2、電纜附件制造上的缺陷，如鑄鐵件有砂眼，瓷件的機(jī)械強(qiáng)度不夠，其它零件不符合規(guī)格或組裝時(shí)不密封等；3、對(duì)絕緣材料的維護(hù)管理不善，造成電纜絕緣受潮、臟污和老化。七、護(hù)層的腐蝕由于地下酸堿腐蝕、雜散電流的影響，使電纜外皮受腐蝕出現(xiàn)麻點(diǎn)、開裂或穿孔，造成故障。八、電纜的絕緣物流失油浸紙絕緣電纜敷設(shè)時(shí)地溝凸凹不平，或處在電桿上的戶外頭，由于起伏、高低落差懸殊，高處的絕緣油流向低處而使高處電纜絕緣性能下降，導(dǎo)致故障發(fā)生。在分析電纜故障發(fā)生的原因以及尋找故障點(diǎn)時(shí)，極重要的是要特別注意了解高壓電纜

7、敷設(shè)、故障及修復(fù)的情況。要注意做好電纜安裝敷設(shè)及故障修復(fù)過程中的記錄工作。記錄應(yīng)主要包括以下內(nèi)容：1.線路名稱及起止地點(diǎn)。2.故障發(fā)生時(shí)間。3.故障發(fā)生的地點(diǎn)及排除經(jīng)過。4.電纜規(guī)范：如電壓等級(jí)、型式、導(dǎo)體截面、絕緣方式，制造廠名及購(gòu)置日期等。5.裝置記錄：如安裝日期及氣候，各個(gè)對(duì)接頭、三通接頭的設(shè)計(jì)型式、絕緣種類、熱處理溫度及精確位置。6.電纜的埋設(shè)情況：如電纜彎曲半徑的大小，路徑的走向，有無(wú)反常的敷設(shè)深度或者有特別的保護(hù)措施，如鋼板、穿管和排管等；電纜敷設(shè)中的技工和技術(shù)人員的姓名（這也常常是提供重要線索的來(lái)源之一）。7.周圍環(huán)境情況：如臨近故障處的地面情況，有無(wú)新的挖土、打樁或埋管等工程，

8、泥土中有無(wú)酸或堿的成分，是否夾有小石塊，附近地區(qū)有無(wú)化學(xué)工廠等。8.運(yùn)行情況：如電纜線路負(fù)荷及溫度等。9.校驗(yàn)情況：包括試驗(yàn)電壓、時(shí)間、泄漏電流及絕緣電阻的數(shù)值、歷史記錄。由于制造缺陷而造成的電纜故障是不多的，分析了解可能造成電纜故障的原因，對(duì)尋找電纜故障點(diǎn)是很有幫助的。例如，通過測(cè)距知道了電纜的故障距離，而在對(duì)應(yīng)位置上，發(fā)現(xiàn)近期進(jìn)行過城建施工，就可以懷疑為在施工的過程中損傷了被測(cè)電纜而引起了故障，往往不需要費(fèi)很大功夫，就能很快地對(duì)故障進(jìn)行定點(diǎn)。2.2 電力線路故障的性質(zhì)與分類2.2.1 電力電纜的長(zhǎng)線等效電路電力電纜是電力傳輸線路的一種，傳輸線路本身幾何長(zhǎng)度上大于它所傳輸電波的波長(zhǎng)l (波長(zhǎng)

9、l傳輸速度V電波頻率f)，或二者可以相比擬時(shí)，則稱該傳輸線路為長(zhǎng)線，否則為短線當(dāng)傳輸?shù)碾姴槊}沖波時(shí)，波長(zhǎng)等于脈沖寬度?？梢?，長(zhǎng)線或短線是相對(duì)于電波波長(zhǎng)l或脈沖寬度t 的相對(duì)概念因此，長(zhǎng)線的幾何長(zhǎng)度并不一定要很長(zhǎng)，有時(shí)只不過幾厘米或幾米就足夠了。對(duì)于電力傳輸線路而言，即使線路長(zhǎng)度達(dá)千米以上，它比起工頻信號(hào)的波長(zhǎng)(6000km)要小得多，因此不能稱之為長(zhǎng)線。當(dāng)在電纜線路上利用脈沖反射測(cè)試技術(shù)進(jìn)行故障診斷時(shí)，情況就發(fā)生變化了。一般來(lái)說(shuō)，低壓脈沖的寬度0.22ms。脈沖電流波的寬度不足1 ms，而電波在電纜中的傳播速度一般不超過200m/ ms。因此，低壓脈沖的波長(zhǎng)l40400m，而脈沖電壓、電流波

10、的波長(zhǎng)不低于200m?？梢?，當(dāng)電纜線路長(zhǎng)度在幾十米以上時(shí)就可以等效為長(zhǎng)線電力電纜被看作長(zhǎng)線時(shí)，就不再是簡(jiǎn)單的導(dǎo)體(線芯)絕緣對(duì)地(外護(hù)套)回路，而是由許許多多的等效電阻、電導(dǎo)、電感、電容構(gòu)成，這些參數(shù)沿整個(gè)電纜線路均勻分布，故稱之為分布參數(shù)。電纜等效長(zhǎng)線分布參數(shù)電路如下圖2-1所示。圖2-1 電纜等效長(zhǎng)線分布參數(shù)電路圖2-2 電纜故障等效電路電纜故障點(diǎn)可用圖2-2所示電路來(lái)等效。代表絕緣電阻，G是擊穿電壓為的擊穿間隙，代表局部分布電容，上述三個(gè)數(shù)值隨不同的故障情況變化很大，并且互相之間并沒有必然的聯(lián)系。間隙擊穿電壓的大小取決于放電通道的距離，電阻的大小取決于電纜介質(zhì)的碳化程度，而電容的大小取決

11、于故障點(diǎn)受潮的程度，數(shù)值很小，一般可以忽略。根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為開路、低阻、高阻與閃絡(luò)性故障，如表2-1所示。表2-1電纜故障性質(zhì)的分類故障性質(zhì)間隙的擊穿情況開 路在直流或高壓脈沖作用下?lián)舸┑?阻小于10不是太低時(shí)，可用高壓脈沖擊穿高 阻大于10高壓脈沖擊穿閃 絡(luò)直流或高壓脈沖擊穿說(shuō)明：表中為電纜的波阻抗值，電力電纜波阻抗一般在10-40之間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高阻及閃絡(luò)性故障約占整個(gè)電纜故障總數(shù)的90%。在本設(shè)計(jì)中研制的電纜故障檢測(cè)裝置僅針對(duì)電纜的短路和斷路故障。以下是三種故障情況。圖2-3 一相接地圖2-4兩相對(duì)地圖2-5 一相斷線并接地實(shí)際上還存在一種封閉性故障，它多發(fā)生于電

12、纜接頭或終端頭內(nèi)，特別是多發(fā)生在浸油的電纜頭內(nèi)。發(fā)生這類故障時(shí)，有時(shí)在某一試驗(yàn)電壓下絕緣擊穿，待絕緣恢復(fù)，擊穿現(xiàn)象便完全消失，這類故障稱為封閉性故障，因故障不能再現(xiàn)，尋找起來(lái)就比較困難。2.3 電力線路故障檢測(cè)的一般步驟方法電力電纜故障的診斷，無(wú)論選用那種測(cè)試方法，均需按照一定的程序和步驟進(jìn)行，現(xiàn)歸納如下。2.3.1 確定故障性質(zhì)當(dāng)著手對(duì)某一故障電纜進(jìn)行故障測(cè)試時(shí)，首先要進(jìn)行的工作是：了解故障電纜的有關(guān)情況以確定故障性質(zhì)。掌握這一故障是接地、短路、斷線，還是它們的混合；是單相、兩相還是三相故障；是高阻，低阻，還是泄漏性或閃絡(luò)性故障。只有確定了故障性質(zhì)，才可以選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法對(duì)電纜故障進(jìn)行具體

13、的診斷。2.3.2 粗測(cè)距離當(dāng)確定了故障電纜的故障性質(zhì)以后，就可以根據(jù)故障性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法測(cè)出故障點(diǎn)到測(cè)試端或末端的距離，這項(xiàng)工作稱為粗測(cè)距離。粗測(cè)距離是電纜故障測(cè)試過程中最重要的一步，這項(xiàng)工作的優(yōu)劣，決定著電纜故障測(cè)試整個(gè)過程的效率和準(zhǔn)確性。因此，常常需要具有相當(dāng)專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)理論知識(shí)和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的人員來(lái)進(jìn)行操作。人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中探討和總結(jié)出多種故障距離的粗測(cè)方法，即經(jīng)典法（如電橋法及其變形等）和現(xiàn)代法（脈沖發(fā)射法）。隨著電力電纜生產(chǎn)質(zhì)量的提高和新型絕緣材料的采用，使電纜的故障電阻不斷提高（達(dá)到兆歐級(jí)）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，凡預(yù)防性試驗(yàn)擊穿的故障電阻，不少于90%在兆歐數(shù)量級(jí)以上；運(yùn)行故障

14、的75%是高阻故障，其中60%以上的故障電阻達(dá)到兆歐級(jí)。由此看來(lái)電纜故障的絕大部分為高阻故障，那些只能測(cè)試低阻故障的經(jīng)典測(cè)試方法顯然適用性太差。當(dāng)遇到高阻故障時(shí)，必須經(jīng)過一個(gè)耗時(shí)，費(fèi)力的“燒穿”降阻過程，以求把高阻故障轉(zhuǎn)化為低阻故障，這個(gè)漫長(zhǎng)的過程需要的設(shè)備笨重而繁雜，而新型絕緣材料電纜的故障電阻極難“燒穿”與降阻。現(xiàn)代的脈沖反射測(cè)試法可以做到無(wú)需經(jīng)過“燒穿”降阻而直接進(jìn)行高阻故障的測(cè)距。這一發(fā)明，無(wú)疑是電纜故障診斷技術(shù)的重大進(jìn)步。這種現(xiàn)代法與經(jīng)典法相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：1、 可以不依賴準(zhǔn)確的電纜資料。如長(zhǎng)度、截面、接頭或分支位置、敷設(shè)圖等。2、 測(cè)試簡(jiǎn)便。由于不需要“燒穿”降阻，使測(cè)試設(shè)備得到簡(jiǎn)

15、化，測(cè)試程序變得簡(jiǎn)單。3、 測(cè)試效率高。由于高阻故障無(wú)需漫長(zhǎng)的“燒穿”降阻過程，縮短了測(cè)試時(shí)間，使測(cè)試效率大為提高。4、 測(cè)試更精確?，F(xiàn)代的脈沖反射法采用先進(jìn)的微電子技術(shù)，尤其是近幾年引入了人工智能技術(shù)，無(wú)需人工換算使現(xiàn)代法測(cè)試結(jié)果更加精確。5、 適用范圍廣?，F(xiàn)代的脈沖反射法不像經(jīng)典法那樣具有應(yīng)用的局限性，無(wú)論是哪種電纜故障，都可以通過脈沖反射測(cè)試技術(shù)得到快速、準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，因此具有更加廣泛的適用性。6、 適于發(fā)展?，F(xiàn)代的脈沖反射測(cè)試技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、輕便，一機(jī)多用（各類故障）、操作方便等優(yōu)點(diǎn)而成為電纜故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向。人工智能設(shè)備的出現(xiàn)，為操作者提供了更快捷、更理想的測(cè)試結(jié)果。2.3

16、.3 探測(cè)路徑或鑒別電纜 故障電纜經(jīng)過粗測(cè)以后便得出一個(gè)故障距離Lx,這個(gè)故障距離是由測(cè)試端（即首端或稱始端）到故障點(diǎn)的距離。從理論上講，以測(cè)試端為圓心，以故障距離L;為半徑劃一個(gè)圓，圓周上的所有的點(diǎn)都滿足故障點(diǎn)到測(cè)試端的距離為L(zhǎng)X的條件，顯然故障點(diǎn)只能是圓周上的某一點(diǎn)，而這一點(diǎn)又必須在電纜上，這是可以借助的另外一個(gè)條件。當(dāng)把電纜路徑用線段畫出以后，這條線段必將與R-LX的圓相交于一點(diǎn)，這一點(diǎn)才是欲尋找的故障點(diǎn)。對(duì)于直接埋設(shè)在地下的電纜，需要找出電纜線路的實(shí)際走向（也可以測(cè)出埋設(shè)深度），即為探測(cè)路徑。對(duì)于在電纜溝、隧道等處的明敷電纜，則需要從許多電纜中挑選出故障電纜，即鑒別電纜。探測(cè)電纜路徑或

17、鑒別電纜，通常是向故障電纜（如有完好線芯，一般加在完好線芯上）加一音頻電流信號(hào)，然后用探測(cè)線圈接收此音頻信號(hào)，從而找出電纜路徑或鑒別電纜。對(duì)于干擾較大的復(fù)雜環(huán)境，鑒別電纜常用鉗形電流表來(lái)輔助鑒別。從電纜首端或末端加入一個(gè)電流信號(hào)，并做規(guī)律性通斷變化，然后用鉗形表卡在電纜上觀察其電流指示值及通斷規(guī)律，當(dāng)電流指示值接近于加入端的電流值（由于線路損耗而有所減?。?，并且通斷規(guī)律相符時(shí)，可以確認(rèn)該電纜為故障電纜。2.3.4 精測(cè)定點(diǎn)精測(cè)定點(diǎn)是電纜故障測(cè)試工作的最后一步，也是致關(guān)重要的一步。在粗測(cè)出故障距離并確定了故障電纜路徑或鑒別出故障電纜以后，為什么還需要精測(cè)定點(diǎn)呢？因?yàn)榇譁y(cè)出的故障距離有一定的誤差，

18、故障距離的丈量也有誤差。因此，在精測(cè)定點(diǎn)前只能判斷出故障點(diǎn)所處的大概位置，要想準(zhǔn)確地定出故障點(diǎn)所在的具體位置，必須經(jīng)過精測(cè)定點(diǎn)。電纜故障的精測(cè)定點(diǎn)一般采用聲測(cè)定點(diǎn)法、感應(yīng)定點(diǎn)法和其他特殊方法。以上的電纜故障可以通過聲測(cè)法確定故障點(diǎn)的位置，金屬性接地故障需要用感應(yīng)法或特殊方法定點(diǎn)。以上是電纜故障診斷的一般步驟。在具體測(cè)試工作中，根據(jù)具體情況的不同，有些步驟可以省略。例如，電纜線路標(biāo)志很清楚的不需要測(cè)明電纜路徑或鑒別電纜；明敷短電纜的開放性故障（電纜故障點(diǎn)已暴露在外表），可以略去各步而直接精測(cè)定點(diǎn)；故障點(diǎn)的可能位置有限（如僅懷疑在某個(gè)中間頭上）時(shí)，也可直接精測(cè)定點(diǎn)。電力電纜故障診斷的一般步驟與方法

19、匯總于表2-1:表2-1 步驟與方法匯總表步驟內(nèi)容方法備注一確定故障性質(zhì)1.測(cè)絕緣電阻2.導(dǎo)通試驗(yàn)二粗測(cè)距離經(jīng)典法：電橋法駐波法等高阻故障需燒穿2.現(xiàn)代法（脈沖反射法）：低壓脈沖法直流高壓閃絡(luò)法沖擊高壓閃絡(luò)法高阻故障無(wú)需燒穿三探測(cè)路徑1.音頻感應(yīng)法2.卡流表法只適用于鑒別電纜四精測(cè)定點(diǎn)1.聲測(cè)定點(diǎn)法2.感應(yīng)定點(diǎn)法僅適用金屬性接地故障3.時(shí)差定點(diǎn)法4.同步定點(diǎn)法5.其他特殊方法適用于低壓電纜故障21 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 理論分析3.1 低壓脈沖反射法目前，現(xiàn)場(chǎng)上主要是通過測(cè)量低壓注入脈沖或故障點(diǎn)放電脈沖在故障點(diǎn)與測(cè)量端之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間測(cè)量電纜故障距離，本課題使用的是前者，依

20、據(jù)的是低壓脈沖反射法。下面介紹的是低壓脈沖反射法。一、應(yīng)用范圍低壓脈沖反射法(以下簡(jiǎn)稱低壓脈沖法)用于測(cè)量電纜的低阻、短路與斷路故障。據(jù)統(tǒng)計(jì)這類故障約占電纜故障的10%。低壓脈沖法還可用于測(cè)量電纜的長(zhǎng)度、電磁波在電纜中的傳播速度，還可用于區(qū)分電纜的中間頭、T型接頭與終端頭等。二、工作原理測(cè)試時(shí)向電纜注入一低壓脈沖，該脈沖沿電纜傳播到阻抗不匹配點(diǎn)，如短路點(diǎn)、故障點(diǎn)、中間接頭等，脈沖產(chǎn)生反射，回送到測(cè)量點(diǎn)被儀器記錄下來(lái)（圖3-1）。波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差，對(duì)應(yīng)脈沖在測(cè)波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差，對(duì)應(yīng)脈沖在測(cè)量點(diǎn)與阻抗不匹配點(diǎn)往返一次的時(shí)間，已知脈沖在電纜中的波速度v，則阻抗不匹配點(diǎn)

21、距離，可由下式計(jì)算： （3-1）圖3-1低壓脈沖反射原理圖通過識(shí)別反射脈沖的極性，可以判定故障的性質(zhì)。斷路故障反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同，而短路故障的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。由3-1知道，脈沖在電纜中的波速度對(duì)于準(zhǔn)確地計(jì)算出故障距離是很關(guān)鍵。在不清楚電纜的波速度值的情況下，可用如下方法測(cè)量。如已知被測(cè)電纜的長(zhǎng)度，根據(jù)發(fā)送脈沖與電纜終端反射脈沖之間的時(shí)間，可推算出電纜中的波速度： （3-2）三、發(fā)射脈沖的選擇(1) 脈沖的形狀電纜故障測(cè)量?jī)x器使用的電壓脈沖一般有矩形、指數(shù)、鐘形（又叫升余弦）等。由于矩形脈沖形成比較容易，故應(yīng)用的比較多。(2) 脈沖的寬度脈沖總有一定的時(shí)間寬度，假定為，則在時(shí)

22、刻以內(nèi)到來(lái)的反射脈沖與發(fā)射脈沖相重疊，無(wú)法區(qū)分出來(lái)，因此就不能測(cè)出故障點(diǎn)距離，出現(xiàn)了盲區(qū)。假設(shè)脈沖發(fā)射寬度是0.5 ms，電纜波速度是160m / ms，其測(cè)量盲區(qū)就是40米，儀器發(fā)送脈沖愈寬，測(cè)量盲區(qū)愈大。從減小盲區(qū)的角度看，發(fā)送脈沖寬度窄一些好，但脈沖愈窄，它所包含的高頻成分愈豐富，而線路高頻損耗大，使反射脈沖幅值過小，畸變嚴(yán)重，影響遠(yuǎn)距離故障的測(cè)量效果。為解決這一問題，脈沖反射儀器把脈沖寬度分成幾個(gè)范圍，根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近來(lái)選擇脈沖寬度，測(cè)量距離愈遠(yuǎn)，脈沖愈寬。3.2脈沖反射波形的理解1. 脈沖反射波形反映電纜故障與結(jié)構(gòu)圖 3-2a 給出了一個(gè)有低阻故障的電纜，中間有接頭J，圖2-4b給

23、出了向電纜注入一低壓脈沖測(cè)得的脈沖反射波形。 a b圖3-2中間有接頭的電纜脈沖反射波形把波形上任一點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)乘以二分之一的波速度（即3-2式），換算成距離，則電纜上所有的阻抗不匹配點(diǎn)，如中間接頭J、故障點(diǎn)F、電纜的開路終端B，均按實(shí)際的距離以脈沖的形式出現(xiàn)在波形上。根據(jù)脈沖的極性與大小可判別阻抗不匹配的性質(zhì)與嚴(yán)重程度。一般來(lái)說(shuō)，開路與短路故障反射比較強(qiáng)，而中間接頭反射較弱。低阻故障的電阻值愈小，反射愈強(qiáng)烈。下面介紹幾種典型故障的脈沖反射波形。圖3-3斷路故障脈沖反射波(1) 斷路故障脈沖在斷路點(diǎn)產(chǎn)生全反射，反射脈沖與發(fā)送脈沖同極性。 圖3-3給出了斷路故障脈沖反射波形。波形上第一個(gè)故障點(diǎn)反

24、射脈沖之后，還有若干個(gè)相距仍然是故障距離的反射脈沖，這是由于脈沖在測(cè)量端與故障點(diǎn)之間多次來(lái)回反射的結(jié)果。由于脈沖在電纜中傳輸存在損耗，脈沖幅值逐漸減小，并且波頭上升變得愈來(lái)愈緩慢。圖3-4短路故障脈沖反射波形(2) 短路故障脈沖在短路點(diǎn)產(chǎn)生全反射，反射脈沖與發(fā)送脈沖極性相反。圖3-4給出了電纜短路故障脈沖反射波形。波形上第一個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之后的脈沖極性出現(xiàn)一正一負(fù)的交替變化，這是由于脈沖在故障點(diǎn)反射系數(shù)為-1，而在測(cè)量端反射為正的緣故。 圖3-5低電阻故障點(diǎn)電壓(3) 低阻故障脈沖反射波形 如圖3-5，電纜中出現(xiàn)低電阻故障時(shí)，故障點(diǎn)電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)由式=-1/(1+2K)與=2K/(1

25、+2K)給出，其中K=Rf/Z0是故障電阻與電纜波阻抗的比。圖3-10給出了電壓反射系數(shù)與 透射系數(shù)隨K值的變化關(guān)系，可見K>10，即故障電阻大于波阻抗值的10倍時(shí)，脈沖反射系數(shù)幅值小于5%，故障點(diǎn)反射脈沖較難以識(shí)別，低壓脈沖法不適用測(cè)量這類故障的距離。 圖3-6c給出了故障點(diǎn)在電纜中點(diǎn)之前的低阻故障脈沖反射波形。由脈沖傳播網(wǎng)格圖（圖3-6b）看出，注入的脈沖在故障點(diǎn)產(chǎn)生反射脈沖，t1時(shí)刻回到測(cè)量端，該脈沖從測(cè)量端返回，在故障點(diǎn)又被再次反射，t2時(shí)刻又一次回到測(cè)量端。第二個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖在波形上與第一個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之間的距離為故障距離，穿過故障點(diǎn)的透射脈沖在電纜的端點(diǎn)被反射，t3時(shí)刻回

26、到測(cè)量端。 (a) (b) (c)圖3-6電纜中點(diǎn)之前的低阻故障脈沖反射波形 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 第四章 硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)以單片機(jī)以及與其相配合的接口電路、數(shù)字電路、模擬電路、電源等構(gòu)成了裝置的硬件。Atmage8單片機(jī)在預(yù)先編制好的指令（即軟件程序）的驅(qū)動(dòng)下，控制整個(gè)硬件電路工作，完成裝置的各項(xiàng)功能。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)構(gòu)思是基于低壓脈沖反射法的原理，故障測(cè)試儀對(duì)故障電纜發(fā)送一脈沖，且脈沖寬度可調(diào)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖發(fā)大電路。對(duì)反射回來(lái)的脈沖還要進(jìn)行接收和識(shí)別，則需設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖接收電路。用單片機(jī)依據(jù)波速，根據(jù)中斷原理得出發(fā)射脈沖和反射脈沖之間的時(shí)間差，從而計(jì)算故障距離，并顯示在LCD屏

27、上。因此還需設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)和LCD顯示電路。另外還需設(shè)計(jì)一個(gè)鍵盤矩陣來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行命令的輸入，以上是實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)最基本的功能，根據(jù)以后的需要可以添加多個(gè)擴(kuò)展功能。下面就根據(jù)上述要實(shí)現(xiàn)的基本功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。如下：圖4-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)將系統(tǒng)分為數(shù)字部分和模擬部分。系統(tǒng)的數(shù)字部分主要分為單片機(jī)系統(tǒng)，接口等。模擬部分包括脈沖的發(fā)送和接收電路。設(shè)計(jì)中采用AVR系列的ATmega8單片機(jī)，構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)鍵盤來(lái)的信號(hào)完成相應(yīng)的操作流程。通過單片機(jī)完成脈沖信號(hào)的發(fā)生，采樣控制。RS232串口與PC相連。4.1 脈沖發(fā)生在前面的章節(jié)中講到，在幅度固定的前提下，脈寬決定了向電纜饋送的能

28、量，也就意味著不同的測(cè)試環(huán)境，脈沖寬度越大對(duì)于遠(yuǎn)距離測(cè)量更為有利，但較寬的脈沖又會(huì)導(dǎo)致測(cè)量盲區(qū)的增加，從減小盲區(qū)的角度看，發(fā)送脈沖寬度窄一些好，但脈沖愈窄，它所包含的高頻成分愈豐富，而線路高頻損耗大，使反射脈沖幅值過小，畸變嚴(yán)重，影響遠(yuǎn)距離故障的測(cè)量效果。為解決這一問題，脈沖反射儀器把脈沖寬度分成幾個(gè)范圍，根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近來(lái)選擇脈沖寬度，測(cè)量距離愈遠(yuǎn)，脈沖愈寬。所以為了便于不同的測(cè)量場(chǎng)合這里的脈沖發(fā)生器的脈寬必須軟件可控。脈沖發(fā)生有很多種實(shí)現(xiàn)方式，但由于對(duì)其有特定的要求，譬如必須是方波，啟動(dòng)速度必須足夠的快和穩(wěn)定。脈寬時(shí)間可軟件調(diào)整。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法就是采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。圖4-2脈沖發(fā)送Q1選用

29、9018，頻率特性可以到1GHz，速度很快，耐壓值為30V,耗散功率0.4W，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況Q1也可換用高速大功率管。晶體管脈沖驅(qū)動(dòng)有多種方案和電路，實(shí)驗(yàn)將對(duì)各種電路進(jìn)行測(cè)試比較，接收電路部分還需用到脈沖發(fā)射部分信號(hào)作為開關(guān)或者負(fù)反饋。采用脈沖高頻變壓器，介質(zhì)是四氧化三鐵。4.2 脈沖接收在測(cè)量得出距離前應(yīng)先了解電纜故障類型，就必須在接收反射波的電路里加入波形轉(zhuǎn)換裝置。首先判斷是否短路故障，由于短路故障反射波與發(fā)射波波形相反，因此接收電路采用第1種方案，接入一個(gè)二極管，若結(jié)論為短路故障，反射波就被濾掉，則不產(chǎn)生中斷。測(cè)出是短路故障的話，就按照2方案的接法，將發(fā)射波接入一個(gè)橋式整流電路，這樣就原來(lái)

30、不可以反映出的發(fā)射波形就可以通過這方式重新出現(xiàn)了，就可以申請(qǐng)SCM中斷，則就可以測(cè)出故障距離了；若在一開始的第1種方案中就產(chǎn)生了中斷，我們就能判別是斷路故障，這就不需要用其他方法就可以測(cè)出故障距離了。接收電路如圖4-3。本設(shè)計(jì)是通過CD4052模擬開關(guān)來(lái)控制選擇電路接法。測(cè)試脈沖發(fā)給待測(cè)電纜遇到故障點(diǎn)反射返回，當(dāng)故障點(diǎn)距離大于測(cè)試盲區(qū)時(shí)，該反射波形可以用示波器（測(cè)試階段）在發(fā)射端看到。由于脈沖在電纜中的傳輸特性，導(dǎo)致反射脈沖相對(duì)于發(fā)射脈沖很微弱，小于單片機(jī)中斷接口的1LSB（Vref/256）就很難分辨出了。此外，因?yàn)槭瞻l(fā)公用一根線，發(fā)射脈沖的幅度相當(dāng)大而且也會(huì)竄入接收通道，這顯然是很危險(xiǎn)的，

31、若直接輸入到單片機(jī)，極易擊穿放大器或者單片機(jī)芯片造成電路損壞，所以在單片機(jī)和放大器之前必須加入專門的電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行必要的處理。其目標(biāo)主要有兩個(gè)：盡可能抑制和衰減高幅度的發(fā)射脈沖；放大和整形反射信號(hào)以達(dá)到單片機(jī)的最佳輸入。假設(shè)發(fā)送脈沖幅度最大可以達(dá)到30Vpp，接收器前端的運(yùn)放工作電壓最高也就是+/-12V或者+/-5V，很顯然，發(fā)射脈沖在輸入給運(yùn)放之前必須要加入鉗位處理，否則會(huì)擊穿運(yùn)算放大器。又因?yàn)檫@個(gè)脈沖極窄，對(duì)于數(shù)字電路來(lái)說(shuō)更加危險(xiǎn)，一般情況下，普通數(shù)字器件很難有效勝任這種特殊場(chǎng)合。一般的鉗位處理通常是采用兩個(gè)倒置的二極管并聯(lián)完成，譬如IN4148就用的比較廣泛。這里也可以考慮用瞬態(tài)保

32、護(hù)二極管（TVS）實(shí)施，因?yàn)檫@里對(duì)速度要求很高，必須要迅速有效的吸收較大的能量。當(dāng)然，若沒有TVS采用一般IN60并聯(lián)亦可。具體的并聯(lián)個(gè)數(shù)取決于放大器的輸入幅度設(shè)計(jì)。解決了放大器的輸入限幅外，還需要考慮發(fā)射平衡的問題，如何有效的抑制或者衰減發(fā)射脈沖。當(dāng)然，發(fā)射平衡消除不是必須的，因?yàn)閷?duì)于用戶來(lái)說(shuō)，他所關(guān)心的僅僅是接收波形性質(zhì)以及收發(fā)脈沖的前沿時(shí)間間隔，發(fā)射波形是否好看并沒有任何的實(shí)際意義。但有一點(diǎn)很重要，發(fā)射波形在放大器后的遲滯時(shí)間絕不能過長(zhǎng)，否則不易和反射波形區(qū)分開來(lái)，使得測(cè)量盲區(qū)進(jìn)一步加大（這種概率非常小）。平衡電路可采用變壓器方式平衡，在運(yùn)放輸入前完成，但非變壓器方式的情況下可以采用運(yùn)放

33、的反相輸入完成平衡。從脈沖發(fā)射電路（不是最后的輸出）里采樣并輸入到運(yùn)放的反相輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡。這樣，只要調(diào)節(jié)好這個(gè)反饋信號(hào)（幅度、偏移以及相位），就可以很好的實(shí)現(xiàn)平衡，以達(dá)到抵消發(fā)射脈沖的目的。當(dāng)然，由于待測(cè)電纜多樣化，電參數(shù)不確定，這個(gè)發(fā)射脈沖并不能完全徹底消除，僅供參考。還有一種方法就是利用脈沖發(fā)射部分的信號(hào)控制接收器前端的一個(gè)高速開關(guān)管，在脈沖的發(fā)射期間將這個(gè)開關(guān)管與地短路，這樣就可以解決發(fā)射脈沖對(duì)運(yùn)放的沖擊危險(xiǎn)。接收放大電路有多種，這里采用高速運(yùn)放實(shí)現(xiàn)，原則上來(lái)說(shuō)，從電纜到單片機(jī)之間插入的部件應(yīng)該越少越好，因?yàn)椴迦氲碾娐窌?huì)增加波形的畸變。運(yùn)算放大器一定要選用高速的，帶寬至少百兆以上。從電

34、纜檢測(cè)到的信號(hào)由同相端輸入，這樣不會(huì)改變波形的性質(zhì)，發(fā)射電路的反饋信號(hào)作為反相輸入以抵消發(fā)射脈沖的放大效果。為了達(dá)到較好的放大效果以及為了實(shí)驗(yàn)方便，再加入電平偏移和放大增益調(diào)整電位器。圖4-3脈沖接收如圖4-3所示。脈沖在輸入給運(yùn)放之前加入鉗位處理，采用的是兩組倒置的IN4148二極管并聯(lián)，避免發(fā)射脈沖過高竄入，擊穿運(yùn)算放大器。在輸入到單片機(jī)前，采用雙極性的放大器（MAX4108）的接法。4.3 中心處理單元由系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3-2可知，單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)里面主要是系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)處理和通信等功能。單片機(jī)與鍵盤，串口，LCD顯示器相連，通過接收從鍵盤來(lái)的信息，完成相應(yīng)的操作。測(cè)試時(shí)的主要工作流程如

35、下：當(dāng)從鍵盤接收到啟動(dòng)測(cè)量的信號(hào)時(shí)，通知單片機(jī)發(fā)生脈沖，通過脈沖發(fā)送電路送到電纜上，同時(shí)定時(shí)器開始定時(shí)，在接收到從故障點(diǎn)返回的脈沖后，產(chǎn)生中斷，這時(shí)單片機(jī)可讀出時(shí)間，并且計(jì)算結(jié)果，控制LCD屏顯示相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，系統(tǒng)還可通過串口與PC機(jī)相連。本設(shè)計(jì)選用AVR系列的ATmega8單片機(jī)，AVR單片機(jī)的核心是將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行的一條指令可以同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使AVR的運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。ATmega8是一款基于AVR RISC、低功耗CMOS的

36、8位單片機(jī)，由于在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令，ATmega8可以達(dá)到接近1MIPS/MHz的性能。ATmega8具有以下特點(diǎn)：8K字節(jié)的在線編程/應(yīng)用編程（ISP/IAP）Flash程序存儲(chǔ)器，512字節(jié) EEROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用工作寄存器，23個(gè)通用I/O口，3個(gè)帶有比較模式靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，182個(gè)內(nèi)外中斷源，1個(gè)可編程的SUART接口，l個(gè)8位I2C總線接口，4（6）通道的 10位 單片機(jī)，2通道8位單片機(jī)，可編程的看門狗定時(shí)器，l個(gè)SPI接口和5種可通過軟件選擇的節(jié)電模式。當(dāng)單片機(jī)處于空閑模式時(shí)， CPU將停止運(yùn)行，而SRAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、SPI口和中斷系統(tǒng)則繼

37、續(xù)工作；處于掉電模式時(shí)，振蕩器停止工作，所有其他功能都被禁止，但寄存器內(nèi)容得到保留，只有在外部中斷或硬件復(fù)位時(shí)才退出此狀態(tài)；處于省電模式時(shí)，芯片的所有功能被禁止（處于休眠），只有異步時(shí)鐘正常工作，以維持時(shí)間基準(zhǔn)。當(dāng)單片機(jī)處于單片機(jī)噪聲抑制模式時(shí)，CPU和其他的I/O模塊都停止運(yùn)行，只有單片機(jī)和異步時(shí)鐘正常工作，以減少單片機(jī)轉(zhuǎn)換過程中的開關(guān)噪聲：在待命模式時(shí)，CPU和其他的I/O模塊都停止運(yùn)行，但系統(tǒng)振蕩器仍在運(yùn)行，使得系統(tǒng)在低功耗時(shí)可以很快地啟動(dòng)。單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖如下圖4-4：圖4-4單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖4.4 鍵盤輸入電路 課題中設(shè)計(jì)的是2行x 8列16個(gè)按鍵組成的鍵盤矩陣， 單片機(jī)僅僅提供

38、三個(gè)端口就可以完成16個(gè)健值的讀取和處理，其連接圖4-5如下： 圖4-5鍵盤電路4.5 液晶顯示器本設(shè)計(jì)選用中文液晶顯示模塊LCM12864ZK為數(shù)據(jù)顯示部件。LCM12864ZK的字型ROM 內(nèi)含8192個(gè)16*16 點(diǎn)中文字型和128個(gè)16*8 半寬的字母符號(hào)字型。另外繪圖顯示畫面提供一個(gè)64*256 點(diǎn)的繪圖區(qū)域GDRAM)， 而且內(nèi)含CGRAM 提供4組軟件可編程的16*16 點(diǎn)陣造字功能。電源操作范圍寬(2.7V to 5.5V)；低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求。同時(shí)，與單片機(jī)等微控器的接口界面靈活(三種模式并行8 位/4 位串行3 線/2 線)。中文液晶顯示模塊可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCI

39、I、 碼點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，廣泛用于各種儀器儀表家用電器和信息產(chǎn)品上作為顯示器件。中文液晶顯示模塊具有上/下/左/右移動(dòng)當(dāng)前顯示屏幕及清除屏幕的命令，具有光標(biāo)顯示/閃爍控制命令及液晶睡眠/喚醒/關(guān)閉顯示命令。預(yù)留多種控制線(復(fù)位/串并選擇/亮度調(diào)整)供用戶靈活使用。圖4-6 中文液晶顯示模塊LCM12864ZK管腳說(shuō)明：表4-1 引腳說(shuō)明管腳號(hào)名稱 LEVEL功能1VSS0V電源地2VDD+5V電源正（3.0V5.5V）3V0-對(duì)比度（亮度）調(diào)整4CSH/L模組片選端，高電平有效5SIDH/L串行數(shù)據(jù)輸入端6CLKH/L串行同步時(shí)鐘：上升沿時(shí)讀取SID數(shù)據(jù)15PSBLL：串口方式17/RESE

40、TH/L復(fù)位端，低電平有效19AVDD背光源電壓+5V20KVSS背光源負(fù)端0V硬件接口采用串行控制，如圖4-6所示。圖4-6單片機(jī)與液晶顯示的串行控制電路接線圖 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 第五章 軟件設(shè)計(jì)5.1 總體設(shè)計(jì)方案前面已經(jīng)詳細(xì)介紹了測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)和主要芯片的功能，以下要提出具體的功能指標(biāo)，并根據(jù)這些功能指標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)軟件。脈沖測(cè)試儀需要完成的主要功能可以表述為：l 接收用戶的參數(shù)輸入l 控制低壓脈沖的發(fā)生與發(fā)送l 接收反射波形l 與主機(jī)的串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換l 故障點(diǎn)距離顯示具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)可以描述為：l 采樣頻率為40MHzl 脈沖寬度：40ns10.2msl 最大測(cè)量范圍：

41、10kml 測(cè)量精度：測(cè)量范圍小于 1000m 時(shí)，測(cè)量誤差不大于 + 3m測(cè)量范圍大于 1000m 時(shí)，測(cè)量誤差不大于 0.5%l 測(cè)試盲區(qū)：不大于 6ml 功耗< 5w用戶僅通過鍵盤的操作就可以完成全部的故障檢測(cè)操作，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、距離顯示等都在單片機(jī)內(nèi)部自動(dòng)完成。5.2 單片機(jī)程序控制的設(shè)計(jì)在進(jìn)行軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采用經(jīng)典的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，以功能劃分作為模塊設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。系統(tǒng)軟件的功能塊如圖5-1： 圖5-1系統(tǒng)軟件的功能圖各模塊均以從鍵盤采集來(lái)的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過對(duì)數(shù)據(jù)源的計(jì)算、顯示、標(biāo)定、保存等操作，從而構(gòu)成整個(gè)測(cè)試軟件。數(shù)據(jù)流圖如圖5-2所示：圖5-2數(shù)據(jù)流圖由于單片機(jī)

42、在這個(gè)系統(tǒng)之中的作用是指揮外部的高壓部分工作以及以盡可能快的精度測(cè)取到前面的兩三個(gè)脈沖，把外部要控制的電氣設(shè)備等同于一個(gè)端口的，加上要輸入的端口，我們把設(shè)計(jì)的單片機(jī)的系統(tǒng)主要用到的端口做了統(tǒng)計(jì)如下表5-1：表5-1 設(shè)計(jì)端口說(shuō)明名稱輸入方向使用的端口個(gè)數(shù)備注LCD控制出/入PB1、2、33ICP 捕獲入ICP （PB0）1用來(lái)捕獲脈沖鍵盤中斷入T0（PD2）1鍵盤中斷T1（第一脈沖）入T1（PD4）1捕獲發(fā)射脈沖鍵盤入PC0、1、23發(fā)脈沖控制出PD31可控硅導(dǎo)通5.2.1 設(shè)計(jì)原理單片機(jī)程序是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，完成與各個(gè)功能模塊的的聯(lián)系和處理。 在故障檢測(cè)之前，需要通過串口往FRAM中寫入常用

43、字模和設(shè)定的參數(shù)、開機(jī)界面、幫助信息等數(shù)據(jù)。從啟動(dòng)系統(tǒng)開始，等待鍵盤中斷送來(lái)的采樣指令，然后啟動(dòng)采樣，計(jì)算出故障距離。單片機(jī)在程序中要實(shí)現(xiàn)的具體功能模塊如下：l 與LCD屏的通信。完成LCD的初始化過程（復(fù)位過程）：設(shè)置顯示模式為OR模式開顯示器設(shè)置顯示每行字節(jié)數(shù)設(shè)置顯示緩沖區(qū)首地址；完成LCD屏上的點(diǎn)顯示，線顯示，字符顯示，漢字顯示，漢字的反顯，開機(jī)界面的顯示，系統(tǒng)自檢的顯示，系統(tǒng)信息的顯示，游標(biāo)的顯示，任意曲線的矢量顯示。l 串口通信。單片機(jī)可通過串口與PC機(jī)進(jìn)行通信，由上所述，PC機(jī)可通過串口向FRAM中寫入字模，常用參數(shù)等等。單片機(jī)也可通過串口將波形數(shù)據(jù)和故障距離等在LCD屏上顯示的數(shù)

44、據(jù)送往PC機(jī)，由PC機(jī)完成LCD屏的顯示功能，即可開發(fā)的聯(lián)機(jī)版程序。單片機(jī)的流程圖如下：圖5-3單片機(jī)的流程圖本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)中斷方式實(shí)現(xiàn)測(cè)量，中斷原理如下圖5-4中斷原理圖335.3 鍵盤的軟件設(shè)計(jì)用戶是通過鍵盤修改參數(shù)，控制測(cè)試儀的。由單片機(jī)將命令讀走，再根據(jù)用戶輸入的命令完成相應(yīng)的操作。在單片機(jī)的軟件編程中要實(shí)現(xiàn)的功能如下：l 由用戶輸入電纜傳播速度。因?yàn)椴煌碾娎|類型，傳播速度不一樣。計(jì)算故障距離的時(shí)候，也會(huì)不同，所以需要在測(cè)試前，由用戶設(shè)定電纜速度。根據(jù)常用電纜的傳播速度，取值范圍也就是輸入有效值為100300m/ms。l 由用戶輸入脈沖的寬度。前面曾經(jīng)提過，脈沖的寬度需要軟件可調(diào)節(jié)

45、，故障距離遠(yuǎn)則采用寬脈沖，故障距離近則采用窄脈沖。根據(jù)CPLD的系統(tǒng)頻率和脈寬寄存器的寬度決定了脈沖的輸入范圍為：10ns10.21us。同理，根據(jù)故障距離的計(jì)算公式，脈沖的寬度也需要用戶設(shè)定。l 在測(cè)量之前需要將電纜波速度和脈寬設(shè)定好，若沒有設(shè)定，則電纜波速度和脈寬默認(rèn)為最近一次的設(shè)定值。然后可由用戶觸發(fā)按鈕啟動(dòng)測(cè)量，即啟動(dòng)測(cè)量。在設(shè)定電纜波速度和脈沖寬度的參數(shù)時(shí)，編程中需要注意的是，兩個(gè)不同的參數(shù)設(shè)定都有特定的有效位數(shù)；若輸入過程中輸入了其它無(wú)效鍵時(shí)，則當(dāng)前顯示無(wú)變化；若輸入有誤，需要重新輸入，則需填滿3位后，再重新輸入；若輸入達(dá)到有效位數(shù)，又鍵入有效值，則原來(lái)的數(shù)值清空，可繼續(xù)輸入。上面

46、是在鍵盤矩陣必須完成的一些功能，于是將鍵盤設(shè)計(jì)為4×4的形式，16個(gè)按鍵的功能說(shuō)明如下：l 09 表示參數(shù)設(shè)定（電纜波速度和脈沖寬度的設(shè)定）輸入的數(shù)值l 脈寬 表示設(shè)置脈寬，按下該按鈕后便可以輸入脈寬數(shù)值l 波速 表示設(shè)置電纜波速度，按下該按鈕后便可以輸入速度值l 測(cè)量 表示啟動(dòng)鍵，即啟動(dòng)測(cè)量 l 確認(rèn) 當(dāng)設(shè)定好數(shù)值后，就可以按下此鍵l 取消 當(dāng)輸入有誤時(shí)就按下此鍵，在繼續(xù)操作程序流程圖如下：圖5-6程序流程圖5.4 顯示器的軟件設(shè)計(jì)當(dāng)PSB 腳接低電位(模塊背面S/P 的短路電阻在“S” 側(cè)) ，模塊將進(jìn)入串行模式在串行模式；下將使用二條傳輸線作串行資料的傳送，主控制系統(tǒng)將配合傳輸

47、同步時(shí)鐘(CLK)與接收串行數(shù)據(jù)線(SID) ，來(lái)完成串行傳輸?shù)膭?dòng)作。在片選CS 設(shè)為高電位時(shí)，同步時(shí)鐘線(SCLK)輸入的訊號(hào)才會(huì)被接收，另一方面，當(dāng)片選(CS)設(shè)為低電位時(shí)，模塊的內(nèi)部串行傳輸計(jì)數(shù)與串行資料將會(huì)被重置，也就是說(shuō)在此狀態(tài)下，傳輸中的資料將被終止清除，并且將待傳輸?shù)拇匈Y料計(jì)數(shù)重新設(shè)置回第一位；模塊選擇腳(CS)可被固定接到高電位。 模塊的同步時(shí)鐘線(SCLK)具有獨(dú)立的操作，但是當(dāng)有連續(xù)多個(gè)指令需要被傳輸，必須確實(shí)等到一個(gè)指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料，因?yàn)槟K內(nèi)部并沒有傳送/接收緩沖區(qū)。從一個(gè)完整的串行傳輸流程來(lái)看，一開始先傳輸起始位，它需先接收到五個(gè)連續(xù)的“1 ”(同

48、步位串)在起始位元組，此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個(gè)BIT 分別指定傳輸方向位(RW)及暫存器選擇位(RS)， 最后第八位則為0在接收到起始位元組后，每個(gè)指令/數(shù)據(jù)將分為二組接收：到較高4 位元(DB7DB4)的指令資料將會(huì)被放在第一組的LSB部分，而較低4 位元(DB3DB0)的指令資料則會(huì)被放在第二組的LSB 部分至于相關(guān)的另四位則都為0。液晶發(fā)送子程序（串行）輸入數(shù)據(jù)：要發(fā)送的8位數(shù)據(jù)輸出：無(wú)void lcm_out(char a)char i,d;for(i=0;i<8;i+)cbi(PORTD,4);d=a&0x80;if(d)sbi(PORTD

49、,3);elsecbi(PORTD,3);a<<=1;sbi(PORTD,4);液晶寫控制字程序輸入數(shù)據(jù)：要寫入的8位數(shù)據(jù)輸出：無(wú)void wr_com(uchar a)uchar s;s=a&0xf0;lcm_out(0xf8);lcm_out(s);s=a&0x0f;s<<=4;lcm_out(s);液晶寫數(shù)據(jù)字程序輸入數(shù)據(jù)：要寫入的8位數(shù)據(jù)void wr_date(uchar a)uchar s;s=a&0xf0;lcm_out(0xfa);lcm_out(s);s=a&0x0f;s<<=4;lcm_out(s);液晶屏

50、初始化的時(shí)序圖如下：延時(shí)1ms延時(shí)1ms延時(shí)1ms延時(shí)1ms上電延時(shí)40ms設(shè)定功能，寫控制字30H再次寫控制字30H設(shè)定顯示狀態(tài)0CH清除屏幕01H設(shè)定光標(biāo)方向06H圖5-7時(shí)序圖液晶初始化程序：void lcm_init(void)sbi(PORTD,2);delay(40,8000);wr_com(0x30);delay(1,8000);wr_com(0x30);delay(1,8000);wr_com(0x0c);delay(1,8000);wr_com(0x01);delay(10,8000);wr_com(0x60);delay(1,8000);5.5 集成開發(fā)環(huán)境 單片機(jī)的軟件設(shè)

51、計(jì)主要運(yùn)用AtmanAvr C 集成開發(fā)環(huán)境，AtmanAvr C是為 Atmel 公司的 AVR 系列單片機(jī)應(yīng)用 AVRGCC 編譯器而開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境 IDE 。包括向?qū)?、文本編輯器和調(diào)試器等。工程項(xiàng)目采用模塊化管理，可視化編程。提供多種向?qū)еС謩?dòng)態(tài)添加/刪減各種模塊和中斷函數(shù)，自動(dòng)生成代碼。 文本編輯器支持自動(dòng)提示函數(shù)參數(shù)信息，函數(shù)檢索和插入等功能。AVR 系列單片機(jī)是 RISC 結(jié)構(gòu)、內(nèi)含 Flash 和 EEPROM 的高速嵌入式單片機(jī)。它采用低功率、非易失的 CMOS 工藝制造，具有多種封裝形式和穩(wěn)定的產(chǎn)品性能。AVR 系列單片機(jī)可以對(duì)程序加密，不可破譯性保證軟件的真正

52、安全。方便的并行和串行編程，通過 SPI 口和一般編程器，可以對(duì) Flash 和 EEPROM 進(jìn)行編程。5.6 系統(tǒng)抗干擾措施 在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中不可避免地存在著各種干擾源。它們主要分為三大部分：第一，信號(hào)線引入的干擾（電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁波）；第二，電源引入的干擾。供電系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，主要有閃電，附近用電設(shè)備干擾以及供電線路切換等產(chǎn)生的瞬間脈沖干擾，電網(wǎng)隨著用電負(fù)荷的改變而產(chǎn)生的電壓波動(dòng)現(xiàn)象以及電網(wǎng)供電的突然中斷；第三，地線的干擾，常常被忽視。而這種干擾卻影響非常大。尤其是在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)覆蓋面積大，由電磁場(chǎng)引起的電位差有的甚至高達(dá)幾十伏。地線不僅是信號(hào)的公用線，而且是電源的一條反饋線。

53、因此，干擾信號(hào)很容易通過地線進(jìn)入電路。由于地線是信號(hào)傳輸?shù)囊桓B線。所以，它比電源線引入的干擾更容易造成系統(tǒng)的誤動(dòng)作，沖程序等故障，甚至損壞系統(tǒng)。 用于工業(yè)控制的單片機(jī)，使用環(huán)境一般都比較惡劣。如果不采取有效的防干擾措施，受各種外界干擾源的干擾而不能正常工作。經(jīng)濟(jì)地，有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，提高系統(tǒng)的可靠性始終是微機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重要研究課題。過去人們研究較多的是怎樣切斷外界干擾途徑，盡量減少干擾強(qiáng)度。這些消極的措施用于工業(yè)控制系統(tǒng)，往往由于其成本太高甚至超過系統(tǒng)本身的價(jià)格而影響其實(shí)用性。實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，單片微機(jī)受干擾后有以下表現(xiàn)： （l）系統(tǒng)鎖死，不能回到正常程序。 （2）正常的運(yùn)行秩序混亂

54、，程序發(fā)生錯(cuò)誤跳躍。 （3）內(nèi)部或外部RAM中數(shù)據(jù)被打亂。 （4）外部輸入數(shù)據(jù)測(cè)量錯(cuò)誤。受干擾后單片機(jī)程序計(jì)數(shù)器PC被打亂，CPU隨機(jī)的將正常程序的某條指令的操作數(shù)拼成錯(cuò)誤的指令執(zhí)行，如果這種情況得不到自然（就是拼成的指令正好是正常程序指令）或人為的控制而進(jìn)一步的擴(kuò)大，將使整個(gè)系統(tǒng)程序面目全非而造成系統(tǒng)失控。 哈爾濱理工大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)論文 第六章 小結(jié)和展望6.1 設(shè)計(jì)中得到的主要結(jié)論 先將本設(shè)計(jì)歸納總結(jié)如下：1、設(shè)計(jì)基本完成要求，總體的設(shè)計(jì)裝置基本上是可以應(yīng)用，在短路故障檢測(cè)。2、在運(yùn)用單片機(jī)完成整個(gè)控制過程，脈沖發(fā)射，中斷原理實(shí)現(xiàn)反射波時(shí)間獲取。3、信號(hào)處理發(fā)送接收模塊上的方案選擇，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)原則，采取最優(yōu)