電纜故障自動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、電纜故障自動(dòng)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)隨著現(xiàn)代電信事業(yè)的發(fā)展，常常由于自然災(zāi)害或人為因素發(fā)生電纜中斷事幫1。傳統(tǒng)的電纜監(jiān)測(cè)設(shè)備2-3存在測(cè)量速度慢、信號(hào)處理手段落后、報(bào)警方式單一、有虛報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象、用戶接口不友好、使用不便、不能對(duì)機(jī)房環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、不能輸出故障地圖等嚴(yán)重弊端，因此急需一種新型的適用電纜維護(hù)需要的電纜故障自動(dòng)定位系統(tǒng)，以提高電纜維護(hù)的自動(dòng)化水平。1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及工作原理1.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，由放置于各支局的電纜監(jiān)控裝置和放置于省或市局監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)組成兩級(jí)結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)制解調(diào)器和電話網(wǎng)將它們聯(lián)接起來，進(jìn)行報(bào)警信息的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器和電話網(wǎng)絡(luò)接收

2、報(bào)警數(shù)據(jù)，完成故障電纜的電子地圖定位、打印、報(bào)警和數(shù)據(jù)存檔等工作;電纜監(jiān)控裝置以嵌入式處理器芯片Atmega1384為系統(tǒng)的控制核心，采用交流在線切換供電方式，完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、電話語音處理、人機(jī)交互和數(shù)據(jù)通訊等工作，并且還可以通過電話機(jī)進(jìn)行參數(shù)查詢與修改。1.2監(jiān)控裝置組成電纜監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，可分為三個(gè)部分，下面分別進(jìn)行介紹。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊由于電纜所處環(huán)境復(fù)雜惡劣，每條電纜采用壓敏保護(hù)元件、阻容濾波電路、二極管保護(hù)電路、TLP521-4光電隔離電路和繼電器切換電路等，將電纜狀態(tài)送入Atmega128的ADC中，來完整地記錄線路的狀態(tài)漸變情況;采用NE555電容測(cè)量電路、LM331電阻測(cè)量電

3、路、標(biāo)準(zhǔn)電阻電容繼電器切換電路和6N137光電隔離電路等，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電纜故障點(diǎn)長(zhǎng)度的測(cè)量;采用環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊完成機(jī)房的溫度、煙霧、濕度等的監(jiān)測(cè)。電話語音處理模塊電話語音處理模塊包括HT9200A電話撥號(hào)電路、HT9170收號(hào)電路、LM567信號(hào)音識(shí)別電路、振鈴電路、ISD25120語音錄放電路等，實(shí)現(xiàn)電纜故障驗(yàn)證和語音報(bào)警、遠(yuǎn)程參數(shù)修改和信息查詢等功能。人機(jī)交互和數(shù)據(jù)通訊模塊人機(jī)交互模塊采用Atmega16作為CPU，配以24鍵鍵盤和8位LED顯示器，通過串行口同Atmega128通訊。數(shù)據(jù)通訊模塊采用MODEM電路同監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。1.3電纜監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)原理電纜監(jiān)測(cè)電路可以對(duì)八根電纜進(jìn)行實(shí)

4、時(shí)監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)視電纜的一對(duì)備用線，實(shí)現(xiàn)電纜通斷狀態(tài)的監(jiān)視。選取的一對(duì)備用線，一端接監(jiān)測(cè)電路，另一端短接，從而構(gòu)成一回路。電纜監(jiān)測(cè)電路可以巡回監(jiān)視電纜線路的狀態(tài)，若發(fā)生故障，則根據(jù)線路的通或斷狀態(tài)，采用電容或電阻測(cè)量方法，確定故障點(diǎn)的位置。線路監(jiān)視電路在電纜沒有發(fā)生故障的狀態(tài)下，通過對(duì)繼電器的控制，將被測(cè)線路與監(jiān)視電路相連，完成線路狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。如圖3所示，監(jiān)視回路由+24V電源、1k和510電阻、被測(cè)線路和TLP521-4組成。系統(tǒng)允許測(cè)量電纜長(zhǎng)度為20km，則線徑為0.4mm的銅線電阻值為05.6k，發(fā)光二極管電流為311mA,ADCx的電壓范圍為02.4V?？紤]到實(shí)際電纜存在一事實(shí)上誤差

5、，可設(shè)其閾值為2.4+0.6V，當(dāng)線路接觸不良或斷路時(shí)，其回路間電阻會(huì)迅速增加，ADCx端電壓值大大高于閾值3V。由于引起異常的原因復(fù)雜且不可預(yù)測(cè)，通過調(diào)用通斷檢測(cè)函數(shù)，在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)異常電纜進(jìn)行多次監(jiān)測(cè)。若多次監(jiān)測(cè)結(jié)果均超出閾值范圍，即表明電纜存在故障。另外，電路采用330V的壓敏電阻和TLP521-4可避免雷擊或其它大電流對(duì)系統(tǒng)的危害，采用1k、510電阻、二極管和10F電解電容，可減少被測(cè)電纜中的干擾信號(hào)對(duì)監(jiān)視電路的影響。電容測(cè)量電路電容測(cè)量電路如圖4所示，當(dāng)進(jìn)行電纜的電容/電阻測(cè)量時(shí)，控制繼電哭開關(guān)，將被測(cè)電纜兩端分別連接CAP-RES1、CAP-RES2端。當(dāng)被測(cè)線路斷路時(shí)，CAP-

6、RES1和CAP-RES2分別同圖4中的CAP1和CAP2相連，斷開后的長(zhǎng)線對(duì)相當(dāng)于一個(gè)電容器的兩個(gè)極板，其長(zhǎng)度與電容值成正比。電容測(cè)量采用NE555電路，將電容量轉(zhuǎn)化為頻率量。測(cè)量電路分別對(duì)0.1F標(biāo)準(zhǔn)電容和被測(cè)電容Cx進(jìn)行測(cè)量，得到相應(yīng)的頻率值Fo和Fx。按照公式Cx=Co×Fo/Fx，計(jì)算出被測(cè)電纜的電容值。電路中采用高速光耦6N137芯片，使電路與MCU隔離。電阻測(cè)量電路電阻測(cè)量電路如圖5所示，當(dāng)進(jìn)行電纜的電容/電阻測(cè)量時(shí)，控制繼電器開關(guān)，將被測(cè)電纜兩端分別連接CAP-RES1、CAP-RES2端。當(dāng)被測(cè)線路在故障點(diǎn)短路時(shí)，CAP-和CAP-RES2分別同圖5中的RES1和G

7、ND相連，短路后的長(zhǎng)線對(duì)相當(dāng)于一個(gè)電阻器，其長(zhǎng)度與電阻值成正比。通過+9V電源、1k電阻和被測(cè)線路電阻組成的分壓電路，將被測(cè)線路電阻上的電壓經(jīng)過LM331V/F電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率信號(hào)。頻率信號(hào)經(jīng)過6N137高速光耦隔離后連接Atmega捕獲時(shí)鐘中斷引腳，測(cè)量出頻率值，再換算成電阻值。1.4電話語音報(bào)警電路設(shè)計(jì)原理電話語音報(bào)警電路如圖6所示，該模塊主要由收/撥號(hào)電路、信號(hào)音識(shí)別電路、振鈴電路和語音錄放電路等組成。在撥號(hào)電路中，MCU通過串行接口，將所要發(fā)送數(shù)據(jù)由HT9200A芯片轉(zhuǎn)化為DTMF信號(hào)，送入電話網(wǎng)絡(luò);而收號(hào)電路則將DTMF信號(hào)轉(zhuǎn)化為四位的編碼送給MCU。信號(hào)音識(shí)別電路是由LM567

8、組成的鎖相環(huán)電路，在話路上檢出450Hz信號(hào)音的調(diào)制泳沖后，送給MCU測(cè)試，以便識(shí)別出撥號(hào)音、回鈴音和忙音等信號(hào)音。振鈴電路將電話線路上的25Hz/70V的交流振鈴信號(hào)轉(zhuǎn)化為TTL電平信號(hào)，送給MCU的中斷引腳。語音錄放電路由ISD2560、74HC164、LM386和繼電器切換電路組成。繼電器電路控制本地和遠(yuǎn)程電話機(jī)語音錄放功能的切換。ISD2560中存放報(bào)警所需的固定信息和由用戶輸入的所監(jiān)測(cè)電纜的長(zhǎng)度、地理位置等語音信息。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，由撥號(hào)電路撥通報(bào)警電話，信號(hào)音識(shí)別電路檢測(cè)出對(duì)方摘機(jī)后，語音錄放電路播放報(bào)警信息。當(dāng)用戶電視機(jī)撥通本裝置時(shí)，振鈴電路和收號(hào)電路接收用戶的數(shù)字和語音信息，完成

9、本裝置的參數(shù)修改及語音錄放功能。為了用戶使用方便，本裝置也可以作為電話機(jī)使用。2軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控中心軟件和電纜監(jiān)控裝置軟件兩部分。監(jiān)控中心采用Delphi語言，通過MODEM和電話網(wǎng)絡(luò)接收?qǐng)?bào)警數(shù)據(jù)，完成故障點(diǎn)地圖打印、報(bào)警和電纜管理功能;電纜監(jiān)控裝置軟件采用程序查詢和中斷相結(jié)合的方式，對(duì)電纜完成實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障自動(dòng)定位、電話語音報(bào)警、參數(shù)遠(yuǎn)程修改、數(shù)據(jù)上傳、故障校驗(yàn)和機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能。當(dāng)線路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，則進(jìn)行線路長(zhǎng)度測(cè)量。在系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息之前，采用下列三種方法，去除線路誤報(bào)情況：(1)核實(shí)電話法：八條監(jiān)控電纜，每條電纜設(shè)置兩個(gè)核實(shí)電話號(hào)碼。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)撥打核實(shí)電話，并且

10、自動(dòng)識(shí)別撥號(hào)音、忙音、摘機(jī)、無人接聽等情況，以判別故障的真實(shí)性。(2)線路全長(zhǎng)判別法：在精確測(cè)量的前提下，每條電纜的全長(zhǎng)同故障測(cè)量距離比較，若相近，且線路最后狀態(tài)為閉合，則認(rèn)為誤報(bào);否則，認(rèn)為故障或線路終端開路。(3)線路巡檢電路對(duì)八路電纜進(jìn)行A/D采樣，全程記錄線路狀態(tài)的漸變情況，以便去掉干擾造成的誤報(bào)。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得出每條線路的斷路閾值和短合閾值。A/D采樣采用中斷方式，依次測(cè)量18路通道，每通道采樣10次，并將10次采樣結(jié)果同斷路閾值和短路閾值相比較，得到線路的通斷狀態(tài)。如果電纜線路在檢測(cè)執(zhí)行過程中發(fā)生了明顯的變化，則該次測(cè)量數(shù)據(jù)無效，需要重新進(jìn)行通斷檢測(cè)。2.1監(jiān)控裝置監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)在

11、監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)中，主要包含的函數(shù)有通斷檢測(cè)函數(shù)、電阻檢測(cè)函數(shù)、電容檢測(cè)函數(shù)、綜合處理函數(shù)等。監(jiān)控裝置主程序監(jiān)控裝置主程序如圖7所示。它主要執(zhí)行如下動(dòng)作：(1)系統(tǒng)初始化，包括數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、軟件標(biāo)志、MCU的I/O端口、定時(shí)器、串行口波特率及中斷向量表的初始化。(2)接收鍵盤輸入，包括本機(jī)標(biāo)識(shí)、報(bào)警電話號(hào)碼、復(fù)核電話號(hào)碼、被監(jiān)測(cè)線路長(zhǎng)度、語音數(shù)據(jù)、密碼等參數(shù)的顯示及設(shè)定。(3)對(duì)線路狀態(tài)和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若線路發(fā)生故障或機(jī)房環(huán)境發(fā)生異常，則進(jìn)行線路長(zhǎng)度測(cè)量或環(huán)境參數(shù)測(cè)量，并通過電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)警信息。(4)若有遠(yuǎn)程控制電話呼入，在密碼核對(duì)正確后，用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)查詢和修改。電容/電阻檢測(cè)函數(shù)當(dāng)線路發(fā)

12、生故障時(shí)，由NE555/LM311線路電容/電阻轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率，送給Timer1/Timer3的捕獲引腳ICP1/ICP3。其輸入捕獲單元可精確捕獲ICP1/ICP3引腳發(fā)生的外部事件及發(fā)生的時(shí)刻，調(diào)用電容/電阻檢測(cè)函數(shù)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)觸發(fā)事件的次數(shù)，從而精確計(jì)算出頻率值及相應(yīng)的電容/電阻值。由于電容/電阻電纜長(zhǎng)度成比例關(guān)系，因此在故障未發(fā)生時(shí)，定期測(cè)量整個(gè)線路的電容/是阻值，計(jì)算出單位電容/電阻的線路長(zhǎng)度;在故障發(fā)生時(shí)，測(cè)量故障線路的電容/電阻值，并換算出故障電纜長(zhǎng)度。為減少系統(tǒng)誤差，電容/電阻檢測(cè)函數(shù)先測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電容/電阻，然后測(cè)量線路電容/電阻，從而提高測(cè)量精度。2.2監(jiān)控中心地圖輸出程序設(shè)

13、計(jì)通常，地理信息系統(tǒng)采用Mapinfo軟件進(jìn)行信息查詢，但由于電子地圖版權(quán)費(fèi)用較高，為降低系統(tǒng)成本，采用地圖位圖同線路繪制信息數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)電纜地理信息查詢。其步驟如下：(1)掃描某一城市的高精度地圖，得到位圖形式的電子地圖。(2)在電子地圖上，繪制由頂點(diǎn)和線段組成的電纜線路圖，記錄各頂點(diǎn)的坐標(biāo)，并輸入各頂點(diǎn)和線段數(shù)據(jù)信息，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。(3)當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，根據(jù)此線路的總長(zhǎng)度、故障線路長(zhǎng)度、電子位圖中的電纜線路的所有線段總長(zhǎng)度，得出故障點(diǎn)在線路圖中的位置，并且把故障點(diǎn)的相關(guān)信息輸出或報(bào)警。表1電費(fèi)定位系統(tǒng)測(cè)量精度表線路總長(zhǎng)度(m)測(cè)量電容/電阻(nf,)單位長(zhǎng)度電容/電阻(nF/m

14、,/m)故障點(diǎn)長(zhǎng)度(m)測(cè)量斷路電容/短路電阻(nF,)計(jì)算斷路/短路長(zhǎng)度(m)斷路/短路測(cè)量精度201.00,5.760.0500,0.2880180.921,5.28118.7,18.34+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%

15、,-0.3%161083.52,481.760.0519,0.2992101052.846,302.6421018.23,1011.50+0.8%,-0.1%3457170.08,1015.000.0492,0.2936149274.149,434.5961507.09,1480.23+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

16、+0.9%,+0.4%3系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量電路經(jīng)過DESIGNEXPLORE99SE軟件仿真測(cè)試，待測(cè)電容在1nF1000 nF之間，輸出頻率在28.8Hz28.8kHz之間(或待測(cè)電阻在010k之間，輸出頻率在09kHz之間)，待測(cè)的電容/電阻與頻率成線性關(guān)系。本文以齊齊哈爾電信局測(cè)試數(shù)據(jù)為例，采用在電信領(lǐng)域廣泛使用的0.4mm線徑電纜進(jìn)行測(cè)試，首先對(duì)每路電纜的一對(duì)線路全長(zhǎng)進(jìn)行10次電容/電阻測(cè)量，計(jì)算出單位長(zhǎng)度的電容/電阻值;然后對(duì)每一路電纜故障進(jìn)行模擬測(cè)試，得到測(cè)試數(shù)據(jù)表。由表1可知，每條線的單位長(zhǎng)度電容/電阻值是變化的，若按固定常數(shù)50nF/km計(jì)算，則由測(cè)量得到的電容/電阻值計(jì)算出的電纜長(zhǎng)度的相對(duì)誤差在2%以上。然而，由于每條鋪設(shè)的電纜的型號(hào)、所處環(huán)境不