CN105137295A - 一种电缆故障检测装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆故障检测装置，涉及电缆故障检测技术领域，包括主处理器MCU、FPGA模块、收发耦合器、A/D转换器、显示器、存储器和供电电源，FPGA模块连接于主处理器MCU和收发耦合器之间，A/D转换器连接于FPGA模块和收发耦合器之间，显示器和存储器均与主处理器MCU连接，主处理器MCU还连接有电容电阻检测装置和键盘，供电电源为上述各部件提供电源，本发明中的FPGA模块发出的是低压脉冲信号，脉冲宽度可根据线路长度进行调整，降低了脉冲损耗，提高了检测精度，且显示方便，数据均可存储起来以备用，整个装置可集成在一个盒体内，携带方便。

Description

一种电缆故障检测装置及测试方法

技术领域

本发明涉及电缆故障检测技术领域，具体涉及一种电缆故障检测装置及测试方法。

背景技术

各种类型的电缆不仅在电力、通信领域应用广泛，同样大量应用于煤矿、冶金、化工以及交通运输等国民经济发展的各个领域。广泛的应用同样需要较好的检测、维护技术作为保障。由于电缆通常是悬挂于高空中或掩埋在地下或水下，故电缆故障点隐蔽性较强，查找和维护相对困难。电缆故障点的以上特点给电缆故障检测仪器提出了很高的技术要求，如何准确、迅速、经济的查寻电缆故障点成为重要的技术问题。

相对于其他检测仪器，电缆故障检测仪对精度要求并不是很高，因为电缆的长度很长，只要确定故障发生在某一距离段内，就可以考虑将一整段替换掉。电缆在安装前都必须经过严格的质量检测，而检出有质量瑕疵的一整段电缆或一整批电缆都会被弃用，而且电缆安装或维护的工作环境通常在野外，因此，电缆故障检测仪对检测效率和方便携带等方面要求比较高。申请号为CN201510347009.4公开了一种电缆故障在线检测及定位装置，包括：带NIOSII软核处理器的FPGA模块，提供各模块所需时钟、产生由m序列与正弦波调制而成的检测信号、实现检测信号与反射信号的相关运算处理、对电缆故障进行定位；高速DA模块，对FPGA模块产生的检测信号进行数模转换；隔离耦合模块，用于将高速DA模块的输出信号隔离耦合至电缆，同时将电缆中的反射信号隔离耦合至检测定位装置；高速AD模块，将电缆中的反射信号进行模数转换后送至FPGA模块处理；调理电路，对高速DA模块的输出信号和高速AD模块的输入信号进行调理。但是该发明由于其结构和功能的限制，检测精度并不是很高，不便于携带，

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测精度高，便于携带的电缆故障检测装置，具体方案如下。

一种电缆故障检测装置，包括主处理器MCU、FPGA模块、收发耦合器、A/D转换器、显示器、存储器和供电电源，FPGA模块连接于主处理器MCU和收发耦合器之间，A/D转换器连接于FPGA模块和收发耦合器之间，显示器和存储器均与主处理器MCU连接，主处理器MCU还连接有电容电阻检测装置和键盘，供电电源为上述各部件提供电源。

优选的，所述A/D转换器与收发耦合器之间还连接有前置放大器。

优选的，所述FPGA模块具体采用Altera公司的FPGA(EP2C5T144C8)芯片。

优选的，所述电容电阻检测装置具体为555控制器。

优选的，所述主处理器MCU采用MSP430系列单片机。

优选的，所述供电电源具体采用12V可充电锂电池供电，供电电源连接有HDW5-12S05电源转换模块。

优选的，所述显示器和存储器具体分别采用1602显示器和SD存储卡。

一种电缆故障检测装置的测试方法包括如下步骤：

（1）、准备好待测电缆和电缆故障检测装置；

（2）、用阻容法判断电缆的性质和大致的故障点位置；

（3）、按设计原理把发送脉冲的红色鱼夹夹在电缆芯线上，把接地的黑色鱼夹夹在电缆的屏蔽层上，连接好电路后检查一遍是否有连接错误，没有错误时接通电源；

（4）、通电后电缆故障检测装置的LCD上出现界面提示输入波速和脉宽，输入结束后按照提示按下启动键测量，等待检测结束读取检测结果。

本发明的优点在于：本发明中的FPGA模块发出的是低压脉冲信号，脉冲宽度可根据线路长度进行调整，降低了脉冲损耗，提高了检测精度，且显示方便，数据均可存储起来以备用，整个装置可集成在一个盒体内，携带方便，测试方法简单，易操作。

附图说明

图1为本发明的工作原理图。

图2为本发明中脉冲产生及发送模块原理图。

图3为本发明A/D转换器采样原理图。

图4为本发明中555谐振原理图。

其中：1—主处理器MCU，2—FPGA模块，3—供电电源，4—A/D转换器，5—显示器，6—存储器，7—电容电阻检测装置，8—键盘，9—前置放大器，10—HDW5-12S05电源转换模块，11—收发耦合器。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1和图3所示，一种电缆故障检测装置，包括主处理器MCU1、FPGA模块2、收发耦合器11、A/D转换器4、显示器5、存储器6和供电电源3，FPGA模块2连接于主处理器MCU1和收发耦合器11之间，A/D转换器4连接于FPGA模块2和收发耦合器11之间，显示器5和存储器均与主处理器MCU1连接，主处理器MCU1还连接有电容电阻检测装置和键盘8，供电电源3为上述各部件提供电源，本发明的工作原理具体为主处理器MCU1控制FPGA模块2发送一个低压脉冲信号，经收发耦合器11发送给待测电缆，待测电缆中如果出现故障点，低压脉冲会全部返回或部分返回，并通过收发耦合器11接收脉冲信号，脉冲信号经高速A/D转换器4转换成数字信号给FPGA模块2，再反馈给主处理器MCU1，经过计算将故障点的相关信息，如距离信号显示在显示器5上，本装置可将所有部件集成在一个盒体内，便于携带。

本发明的系统对高频脉冲产生及发送有特定的要求：必须是方波，方波的上升沿和下降沿足够短，经过放大后波形对称性及稳定性良好，脉冲宽度可键盘8设置等，因此设计用FPGA产生高频脉冲。

本发明中脉冲产生及发送模块原理如图2所示，FPGA产生脉冲信号，经74LVC4245电平转换把电压抬高至5V,再经三极管网络进行功率放大后输出到电缆上，C1的作用是为了加速，改进信号前沿特性。考虑到高频脉冲放大每一级都需要很高的速度，Tl、T2、T3均采用9018三极管。T1的作用是开关管，FPGA有脉冲输出T1导通，反之T1截止，这样FPGA产生的正脉冲经T1后反相变成负脉冲，幅度保持5V不变。T2的原理与T1相同，把T1集电极输出的负脉冲变成正脉冲，幅度提高至15V。T3是射极跟随器，把T2集电极输出的正脉冲以最大的功率输出到待测电缆。高频脉冲发送待测电缆，遇到故障点返回的波形可以用示波器在检测端观察到，低压脉冲信号稳定性好，可根据电缆的长度来确定脉冲的宽度，进而获得最佳的检测效果。

值得注意的是，所述A/D转换器4与收发耦合器11之间还连接有前置放大器9，由于电缆的阻抗作用，导致脉冲在传播过程中功率衰减，波形畸变，返回波的幅度和波形可能不能满足检测精度的要求，所以在A/D转换器4前加一级放大。

在本实施例中，所述FPGA模块2具体采用Altera公司的FPGA(EP2C5T144C8)芯片，该种芯片现场可编程逻辑阵列(FiledProgrammableGateArray，FPGA)是在CPLD的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，大多采用SRAM工艺，少数专用器件采用Flash工艺或反熔丝工艺等，FPGA拥有较高集成度、数万系统门到数千万系统门的器件密度，可实现复杂的时序与组合逻辑电路功能，一般在数字电路占据系统主要部分、集成度较高的数字逻辑电路的应用比较广泛。

在本实施例中，所述电容电阻检测装置具体为555控制器555是一个高稳度控制器，通过555能产生精确定时脉冲，其输出驱动电流可达200mA，在多谐振荡器工作方式时，由两个外接电阻和一个外接电容确定输出的脉冲占空比，工作电压范围较宽：一般为+3至+18V。阻容法采用555谐振的方式分别用电缆替代R2或C就可以得到电缆的电阻和电容。555谐振原理如图4所示。

在本实施例中，所述主处理器MCU1采用MSP430系列单片机，由于主控单元要读取外接键盘8的输入，控制LCD1602对测量结果和操作界面显示以及和FPGA进行通讯，需要引脚比较多，因此MCU采用美国德州仪器公司的MSP430系列单片机。

在本实施例中，所述供电电源3具体采用12V可充电锂电池供电，供电电源3连接有HDW5-12S05电源转换模块10，HDW5-12S05是一种高性能的DC-DC电源转换模块，可将+12V电源转换成+5V电源，能达到80%的转换效率，开关频率300KHZ±30KHz，具有长期短路保护，短路后有自恢复功能，输入与输出之间具有隔离；一般为直插封装。

在本实施例中，所述显示器5和存储器6具体分别采用1602显示器和SD存储卡，显示和存储数据都很方便。

基于上述，本发明中的FPGA模块2发出的是低压脉冲信号，脉冲宽度可根据线路长度进行调整，降低了脉冲损耗，提高了检测精度，且显示方便，数据均可存储起来以备用，整个装置可集成在一个盒体内，携带方便。

一种电缆故障检测装置的测试方法包括如下步骤：

（1）、准备好待测电缆和电缆故障检测装置；

（2）、用阻容法判断电缆的性质和大致的故障点位置；

（3）、按设计原理把发送脉冲的红色鱼夹夹在电缆芯线上，把接地的黑色鱼夹夹在电缆的屏蔽层上，连接好电路后检查一遍是否有连接错误，没有错误时接通电源；

（4）、通电后电缆故障检测装置的LCD上出现界面提示输入波速和脉宽，输入结束后按照提示按下启动键测量，等待检测结束读取检测结果。

根据上述方法对不同长度的导线进行测试，结果如下：1、对长度为100米的单芯导线的测量结果如表6.1所示。

由以上测量结果可知，测量存在一定的误差。误差的来源有：

由于导线是单芯的，没有屏蔽层，环境的电磁干扰产生随机误差。如果使用有屏蔽层的电缆或双绞线，电磁干扰产生的误差会减小很多。

ADC模拟输入端的噪声干扰产生的误差。接收电路断开ADC接收到的返回波形和ADC模拟输入端接收到的返回波形接收电路接收到的返回波形，ADC的采样率决定的系统误差，采样率25M，采样时间40ns假设波速200m/us，对应的误差则为4米。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (8)

1.一种电缆故障检测装置，其特征在于，包括主处理器MCU（1）、FPGA模块（2）、收发耦合器（11）、A/D转换器（4）、显示器（5）、存储器（6）和供电电源（3），FPGA模块（2）连接于主处理器MCU（1）和收发耦合器（11）之间，A/D转换器（4）连接于FPGA模块（2）和收发耦合器（11）之间，显示器（5）和存储器（6）均与主处理器MCU（1）连接，主处理器MCU（1）还连接有电容电阻检测装置（7）和键盘（8），供电电源（3）为上述各部件提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种电缆故障检测装置，其特征在于：所述A/D转换器（4）与收发耦合器（11）之间还连接有前置放大器（9）。

3.根据权利要求1所述的一种电缆故障检测装置，其特征在于：所述FPGA模块（2）具体采用Altera公司的FPGA(EP2C5T144C8)芯片。

4.根据权利要求1所述的一种电缆故障检测装置，其特征在于：所述电容电阻检测装置（7）具体为555控制器。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的电缆故障检测装置，其特征在于：所述主处理器MCU（1）采用MSP430系列单片机。

6.根据权利要求5所述的一种电缆故障检测装置，其特征在于：所述供电电源（3）具体采用12V可充电锂电池供电，供电电源（3）连接有HDW5-12S05电源转换模块（10）。

7.根据权利要求1所述的一种电缆故障检测装置，其特征在于：所述显示器（5）和存储器（6）具体分别采用1602显示器和SD存储卡。

8.一种如权利要求1-7任一所述的电缆故障检测装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）、准备好待测电缆和电缆故障检测装置；

（2）、用阻容法判断电缆的性质和大致的故障点位置；

（3）、按设计原理把发送脉冲的红色鱼夹夹在电缆芯线上，把接地的黑色鱼夹夹在电缆的屏蔽层上，连接好电路后检查一遍是否有连接错误，没有错误时接通电源；

（4）、通电后电缆故障检测装置的LCD上出现界面提示输入波速和脉宽，输入结束后按照提示按下启动键测量，等待检测结束读取检测结果。