基于脈沖反射法的電纜故障檢測儀設計

摘要：介紹了一種以嵌入式綴處理器Nios為核心的電纜故障檢測儀。該儀器應用A／D器件和FPGA組成可變頻率的高速數據采集系統，利用低壓脈沖反射法原理來實現對電纜的斷路、短路等故障的檢測與定位。
關鍵詞：電纜；故障檢測儀；低壓脈沖反射法；可編程邏輯器件

引言
電纜是通信、測試等系統信號傳輸的重要載體，隨著電纜數量的增多及運行時間的延長，電纜也越來越頻繁地發生故障。電纜線路的隱蔽性及測試設備的局限性，使電纜故障的查找非常困難。本文設計了一種以嵌入式微處理器Nios為核心的電纜故障檢測儀，應用A／D器件和FPGA組成可變頻率的高速數據采集系統，利用低壓脈沖反射法原理來實現線纜的斷路、短路、斷路點、短路點的檢測與定位。該儀器可廣泛應用于通信維護、工程施工和綜合布線，對市話電纜、同軸電纜等各種線纜進行測試和障礙維護。

1 系統總體結構
利用低壓脈沖反射法檢測電纜故障。主要原理是：向電纜發送一個電壓脈沖，當發射脈沖在傳輸線上遇到故障時，由于故障點阻抗不匹配，產生反向脈沖，通過計算二者的時間差△T，并分析反射脈沖的特性來進行故障的定性與定位。該方法適用于斷線、接觸不良、低電阻或短路故障的測試。
故障點距離L為：L=V·△T／2。式中，V是脈沖在電纜中的傳播速度。根據反向脈沖的極性可判斷故障性質：斷線或接觸不良引起的反向脈沖為正，低電阻或短路故障引起的反向脈沖為負。
該儀器是一個便攜式電纜故障檢測設備，可利用現代電子技術(如高速A／D技術、異步FIFO技術、現場可編程邏輯陣列FPGA等)來提高集成度和靈活性。系統總體結構如圖1所示。

脈沖發生電路產生探測脈沖，高速的A／D轉換器對脈沖及其反射回波信號進行采樣，使用異步FIFO作為A／D采樣數據的緩存。軟核Nios作為系統核心，控制檢測任務的啟動和結束、脈沖發送接收模式的選擇、A／D采樣數據的處理計算、故障性質和位置的判斷及顯示等。其中，軟核處理器和邏輯功能都是在現場可編程邏輯器件中編程實現的。

2 功能及性能指標
短路測試：檢測電纜芯線之間是否有不必要的連接及其位置。
斷路測試：檢測電纜中某芯線是否斷路及其位置。
顯示：顯示測試結果，即測量中開路及短路的位置。
測量范圍：2～1000 m。
測試精度：可選擇2 m和10 m兩種精度。
脈沖振幅：負載開路5 V。
脈沖寬度：20 ns，100 ns。
最大采樣速率：100 MHz。
波形記錄長度：1024點。