CN106707103B - 一种手持式线缆自动故障定位装置 - Google Patents

一种手持式线缆自动故障定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种手持式线缆自动故障定位装置,可以自动判断线缆故障类型也可以自动定位故障距离，还可以根据线缆分叉情况进行测试范围选择；通过旋转开关手动选择待测线缆的测试距离，能有效解决分叉线缆的测试问题；通过4通道AD9288芯片实现高速采样，提高了定位精度和系统的稳定性；通过设置3米测试延长线提高短距离的故障定位精度，有效解决测试盲区的测试问题；通过内置SOPC实现对测试信号的实时计算，自动计算出故障类型和故障距离，提高测试效率。而且基于SOPC的设计具有很大灵活性，可随时根据用户需求进行升级；通过设置锁屏按键，能够实时锁存测试数据，方便用户记录测试结果。

Description

一种手持式线缆自动故障定位装置
技术领域
本发明属于线缆检测技术领域，具体涉及一种手持式线缆自动故障定位装置。
背景技术
目前的线缆测试装置主要基于时域反射技术，通过人工判断波形分析故障类型，通过手动控制光标实现距离判断，测试效率较低且定位距离容易受人影响。目前的时域反射测试装置主要针对双线平行线缆，一旦出现分叉则测试结果很难判断。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可以自动判断线缆故障类型也可以自动定位故障距离，还可以根据线缆分叉情况进行测试范围选择。
一种线缆自动故障定位装置，包括手持机及内部控制电路，所述内部控制电路包 括片上可编程系统SOPC(1)、FPGA控制逻辑模块(2)、4通道模数采集模块(3)、测试信号幅度 控制模块(4)；
所述FPGA控制逻辑(2)包括脉冲产生模块、脉冲选择模块、AD采样控制模块以及 FIFO存储模块；
所述脉冲产生模块产生测试可能所需的多种脉宽的测试脉冲信号；脉冲选择模块 在片上可编程系统SOPC(1)的控制下对脉冲产生模块产生的多种测试脉冲信号中选择一种 输出；
所述幅度控制模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下对脉冲选择模块输出的脉 冲信号进行幅度放大处理，并将处理后的测试脉冲信号通过BNC接口接入到被测线缆；同 时，幅度控制模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下对从被测电缆接收的反射信号进行 衰减处理，并将处理后的反射信号送入4通道高速模数采集模块(3)；
所述AD采样控制模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下输出4路相位差为90度 且频率可调的采样时钟；
所述4通道高速模数采集模块(3)根据AD采样控制模块输出的4路采样时钟的控 制，依次对测试脉冲信号以及线缆的反射信号进行采集，最后将采集的信号数据送入FIFO 存储模块进行存储；
所述FIFO存储模块用于存储测试脉冲信号和反射信号；
所述片上可编程系统SOPC(1)用于：
读取所述FIFO存储模块的测试脉冲信号和反射信号数据，判断待测线缆故障类型 是开路还是短路，具体为：若|ymax2|＞|ymin2|，则认为故障类型为开路；若|ymax2|＜|ymin2|， 则认为故障类型为短路，ymax1为测试脉冲信号的幅度最大值，ymax2为反射信号的幅度最大 值，ymin2为反射信号的幅度最小值；然后根据外部输入的待测线缆电信号传播速度信息计 算出故障点距离，具体为：故障类型为开路时，故障距离为
Figure BDA0001177547180000021
故障类 型为短路时故障距离为/>
Figure BDA0001177547180000022
其中：
tmax1未测试脉冲最大值ymax1对应的时间节点，tmax2为反射脉冲最大值ymax2对应时 间节点，tmin2为反射脉冲最小值ymin2对应时间节点，v表示外部输入的线缆中电信号的传播 波速，v0表示测试线缆的波速。
较佳的，所述脉冲产生模块根据测试距离产生相应脉宽的测试脉冲信号，其中测 试距离与脉宽的对应关系为：测试距离<10米时，脉宽为10ns；当10米<测试距离<50米时，脉 宽为20ns；当50米<测试距离<100米时，脉宽为50ns；当100米<测试距离<500米时，脉宽为 500ns；当500米<测试距离<1000米时，脉宽为1us。
较佳的，所述片上可编程系统SOPC(1)对AD采样控制模块的采样时钟的采样频率 调整方式为：当测试距离<10米时，4路采样时钟的频率均为100M，采样时钟相位偏移依次为 0度、90度、180度和270度，并通过波形合成，实现400M的等效采样；当10米<测试距离<50米 时，通过相位差为180度的其中2路100M采样时钟实现200M的等效采样；当50米<测试距离< 100米时，采用其中一路100M的采样时钟实现200M的等效采样；当100米<测试距离<500米 时，采用其中一路50M的采样时钟实现50M的等效采样；当500米<测试距离<1000米时，采用 其中一路25M的采样时钟实现25M的等效采样。
进一步的，所述测试信号幅度控制模块(4)包括幅度放大电路和幅度衰减电路；其 中幅度放大电路实现对测试脉冲信号的放大；所述幅度衰减电路实现对线缆中回波脉冲信 号的衰减控制。
进一步的，所述手持机包括TFT彩屏(6)，显示内容包括测试波形、故障类型、故障 距离、测试波速、锁屏信号。
进一步的，所述手持机上设置波速设置按键(7)，用于使用者输入线缆中电信号传 播速度，并送入片上可编程系统SOPC(1)。
进一步的，所述手持机上设置测距旋转开关(8)，用于使用者输入线缆长度。
进一步的，所述手持机上设置锁屏按键(9)，用于实现对TFT彩屏(6)的锁定。
进一步的，还包括电源模块，用于实现5V和3.3V的电压输出。
进一步的，还包括测试线缆，所述被测线缆的前端接测试线缆的一端，测试线缆的 另一端接BNC接口。
进一步的，幅度控制模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下对脉冲选择模块输 出的脉冲信号进行幅度放大处理的方式为：当测试距离<10米时,幅度控制模块对测试脉冲 信号不作用；10米<测试距离<50米时，幅度控制模块将测试脉冲幅度放大为6V；当50米<测 试距离<100米时，幅度控制模块将将发射脉冲幅度放大为10V；当100米<测试距离<500米 时，将发射脉冲幅度放大为15V；当500米<测试距离<1000米时，将发射脉冲幅度放大为20V。
较佳的，幅度控制模块对反射信号进行衰减处理，使反射信号衰减到AD采样芯片 的测试范围内，即-500mv～500mV。
本发明具有如下有益效果：
1)通过旋转开关手动选择待测线缆的测试距离，能有效解决分叉线缆的测试问题。
2)通过4通道AD9288芯片实现高速采样，提高了定位精度和系统的稳定性；
3)通过设置3米测试延长线提高短距离的故障定位精度，有效解决测试盲区的测试问题。
4)通过内置SOPC实现对测试信号的实时计算，自动计算出故障类型和故障距离，提高测试效率。而且基于SOPC的设计具有很大灵活性，可随时根据用户需求进行升级。
5)通过设置锁屏按键，能够实时锁存测试数据，方便用户记录测试结果。特别是对于偶发性、间歇性故障，一旦出现测试结果，用户可以进行一键锁屏，记录下测试结果。
附图说明
图1为本发明的手持式线缆自动故障定位装置的组成框图；
图2(a)为本发明中线缆故障类型为开路时发射脉冲与反射脉冲的关系图；
图2(b)为本发明中线缆故障类型为断路时发射脉冲与反射脉冲的关系图；
图3为本发明中测试线缆与被测线缆连接示意图；
图4为本发明手持式线缆自动故障定位装置的外观示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1和4所示，本发明的一种手持式线缆自动故障定位装置，包括其内部控制电路以及手持机；其中，内部控制电路包括片上可编程系统SOPC、FPGA控制逻辑、4通道高速模数采集模块以及测试信号幅度控制模块；手持机包括壳体以及设置在壳体上的TFT彩屏、波速设置按键、测距旋转开关、锁屏按键、可充电电源模块、BNC测试接口以及测试线。其中测试线为长度为3米BNC测试线。
所述FPGA控制逻辑包括脉冲产生模块、脉冲选择模块、AD采样控制模块以及FIFO存储模块；
所述脉冲产生模块产生测试可能所需的多种脉宽的测试脉冲信号；脉冲产生模块主要产生测试所需的10ns(测试距离<10米时)、20ns(10米<测试距离<50米时)、50ns(50米<测试距离<100米时)、500ns(100米<测试距离<500米时)、1us单脉冲(500米<测试距离<1000米时)。
脉冲选择模块在片上可编程系统SOPC的控制下对脉冲产生模块产生的多种测试脉冲信号中选择一种输出；其中采样频率调整的策略为：4路100M(测试距离<10米时)、2路100M(10米<测试距离<50米时)、单路100M(50米<测试距离<100米)、单路50M(100米<测试距离<500米时)、单路25M(500米<测试距离<1000米时)。
所述幅度控制模块在片上可编程系统SOPC的控制下对脉冲选择模块输出的脉冲信号进行幅度放大处理，并将处理后的测试脉冲信号通过BNC接口接入到被测线缆；同时，幅度控制模块在片上可编程系统SOPC的控制下对从被测电缆接收的反射信号进行衰减处理，并将处理后的反射信号送入4通道高速模数采集模块；
所述AD采样控制模块在片上可编程系统SOPC的控制下输出4路相位差为90度且频率可调的采样时钟；
所述4通道高速模数采集模块根据AD采样控制模块输出的4路采样时钟的控制，依次对测试脉冲信号以及线缆的反射信号进行采集，最后将采集的信号数据送入FIFO存储模块进行存储；所述片上可编程系统SOPC对AD采样控制模块的采样时钟的采样频率调整方式为：当测试距离<10米时，4路采样时钟的频率均为100M，采样时钟相位偏移依次为0度、90度、180度和270度，并通过波形合成，实现400M的等效采样；当10米<测试距离<50米时，通过相位差为180度的其中2路100M采样时钟实现200M的等效采样；当50米<测试距离<100米时，采用其中一路100M的采样时钟实现200M的等效采样；当100米<测试距离<500米时，采用其中一路50M的采样时钟实现50M的等效采样；当500米<测试距离<1000米时，采用其中一路25M的采样时钟实现25M的等效采样。
所述FIFO存储模块用于存储测试脉冲信号和反射信号；
所述片上可编程系统SOPC用于：
根据测距旋转开关输入的参数控制FPGA控制逻辑中的脉冲选择模块输出制定宽度和频率的测试脉冲信号；读取FPGA控制逻辑中的FIFO存储模块数据，将采样数据发送给TFT彩屏进行显示；通过对FIFO存储数据的分析，判断待测线缆故障类型是开路还是短路，并根据波速设置按键输入的待测线缆电信号传播速度信息计算出故障点距离。
1)故障类型自动判断过程：
测试时，测试设备发射最大值为ymax1的测试脉冲，在故障点处反射脉冲最大值为ymax2，最小值为ymin2,若|ymax2|＞|ymin2|，此时反射波形如图2(a)所示，则认为故障类型为开路；若|ymax2|＜|ymin2|，此时反射波形如图2(b)所示，则认为故障类型为短路。
2)故障点位置自动定位方法
如前所述，当判断出故障类型时，记录发射脉冲最大值ymax1对应的时间节点tmax1,以及反射脉冲最大值ymax2对应时间节点tmax2，反射脉冲最小值ymin2对应时间节点tmin2。已知测试线长3米，故障点距离被测线缆测试端距离为l，如图3所示。
设测试信号往返一次在3m测试线上耗时T1，在被测线缆上耗时T2，且已知测试线的波速为v0，被测线缆波速为v。则满足开路时，
Figure BDA0001177547180000071
于是得到故障点距离测试端的距离：
Figure BDA0001177547180000072
同理可得，短路时故障距离为
Figure BDA0001177547180000073
其中，v表示该线缆的波速，v0表示测试线的波速，标准值位0.6倍的光速，即0.6c。
所述测试信号幅度控制模块包括幅度放大电路和幅度衰减电路，幅度放大电路基于高频三极管设计，利用三极管的开关特性实现对测试脉冲信号的放大，以确保线缆中的测试脉冲信号足以到达设定距离；幅度衰减电路基于比例运算电路设计，实现对线缆中回波脉冲信号的衰减控制，以确保回波信号在采样模块的测试范围内，即-500mv～500mV。
所述TFT彩屏采用2.8寸TFT彩屏显示，显示内容包括测试波形、故障类型、故障距离、测试波速、锁屏信号。
所述波速设置按键通过左右两个按键控制波速加减，默认值为0.6倍光速。对于波速不确定的待测线缆可以找一根完好的该型线缆，先测量其长度L，再对其进行故障测试；在测试过程中通过波速设置按键调整波速，直至故障距离等于L，此时的波速即为该型线缆的波速。
所述测距旋转开关可选长度分别为10米、50米、100米、500米、1000米。该功能可对线缆的待测区域进行设置，即可以增加线缆测试的灵活性，又可对分叉线缆进行分区测量。
所述锁屏按键通过自锁按键实现对屏幕的锁定，片上可编程系统SOPC实时读取该按键状态，当开关闭合时，停止刷新屏幕，方便用户记录测试信息。
所述电源模块采用4节可充电锂电池供电，通过MiniUSB充电，内置电压转换模块，同步输出5V、3.3V，供片上可编程系统SOPC、FPGA控制逻辑、4通道高速模数采集模块、升压模块、TFT彩屏使用。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种线缆自动故障定位装置，包括手持机及内部控制电路，其特征在于，所述内部控制电路包括片上可编程系统SOPC(1)、FPGA控制逻辑模块(2)、4通道模数采集模块(3)、测试信号幅度控制模块(4)；
所述FPGA控制逻辑(2)包括脉冲产生模块、脉冲选择模块、AD采样控制模块以及FIFO存储模块；
所述脉冲产生模块产生测试可能所需的多种脉宽的测试脉冲信号；脉冲选择模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下对脉冲产生模块产生的多种测试脉冲信号中选择一种输出；
所述幅度控制模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下对脉冲选择模块输出的脉冲信号进行幅度放大处理，并将处理后的测试脉冲信号通过BNC接口接入到被测线缆；同时，幅度控制模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下对从被测电缆接收的反射信号进行衰减处理，并将处理后的反射信号送入4通道高速模数采集模块(3)；
所述AD采样控制模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下输出4路相位差为90度且频率可调的采样时钟；
所述4通道高速模数采集模块(3)根据AD采样控制模块输出的4路采样时钟的控制，依次对测试脉冲信号以及线缆的反射信号进行采集，最后将采集的信号数据送入FIFO存储模块进行存储；
所述FIFO存储模块用于存储测试脉冲信号和反射信号；
所述片上可编程系统SOPC(1)用于：
读取所述FIFO存储模块的测试脉冲信号和反射信号数据，判断待测线缆故障类型是开路还是短路，具体为：若|ymax2|＞|ymin2|，则认为故障类型为开路；若|ymax2|＜|ymin2|，则认为故障类型为短路，ymax1为测试脉冲信号的幅度最大值，ymax2为反射信号的幅度最大值，ymin2为反射信号的幅度最小值；然后根据外部输入的待测线缆电信号传播速度信息计算出故障点距离，具体为：故障类型为开路时，故障距离为
Figure FDA0001177547170000021
故障类型为短路时故障距离为/>
Figure FDA0001177547170000022
其中：
tmax1未测试脉冲最大值ymax1对应的时间节点，tmax2为反射脉冲最大值ymax2对应时间节点，tmin2为反射脉冲最小值ymin2对应时间节点，v表示外部输入的线缆中电信号的传播波速，v0表示测试线缆的波速。
2.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，所述脉冲产生模块根据测试距离产生相应脉宽的测试脉冲信号，其中测试距离与脉宽的对应关系为：测试距离<10米时，脉宽为10ns；当10米<测试距离<50米时，脉宽为20ns；当50米<测试距离<100米时，脉宽为50ns；当100米<测试距离<500米时，脉宽为500ns；当500米<测试距离<1000米时，脉宽为1us。
3.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，所述片上可编程系统SOPC(1)对AD采样控制模块的采样时钟的采样频率调整方式为：当测试距离<10米时，4路采样时钟的频率均为100M，采样时钟相位偏移依次为0度、90度、180度和270度，并通过波形合成，实现400M的等效采样；当10米<测试距离<50米时，通过相位差为180度的其中2路100M采样时钟实现200M的等效采样；当50米<测试距离<100米时，采用其中一路100M的采样时钟实现200M的等效采样；当100米<测试距离<500米时，采用其中一路50M的采样时钟实现50M的等效采样；当500米<测试距离<1000米时，采用其中一路25M的采样时钟实现25M的等效采样。
4.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，所述测试信号幅度控制模块(4)包括幅度放大电路和幅度衰减电路；其中幅度放大电路实现对测试脉冲信号的放大；所述幅度衰减电路实现对线缆中回波脉冲信号的衰减控制。
5.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，所述手持机包括TFT彩屏(6)，显示内容包括测试波形、故障类型、故障距离、测试波速、锁屏信号。
6.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，所述手持机上设置波速设置按键(7)，用于使用者输入线缆中电信号传播速度，并送入片上可编程系统SOPC(1)。
7.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，所述手持机上设置测距旋转开关(8)，用于使用者输入线缆长度。
8.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，所述手持机上设置锁屏按键(9)，用于实现对TFT彩屏(6)的锁定。
9.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，还包括电源模块，用于实现5V和3.3V的电压输出。
10.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，还包括测试线缆，所述被测线缆的前端接测试线缆的一端，测试线缆的另一端接BNC接口。
11.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，幅度控制模块在片上可编程系统SOPC(1)的控制下对脉冲选择模块输出的脉冲信号进行幅度放大处理的方式为：当测试距离<10米时,幅度控制模块对测试脉冲信号不作用；10米<测试距离<50米时，幅度控制模块将测试脉冲幅度放大为6V；当50米<测试距离<100米时，幅度控制模块将将发射脉冲幅度放大为10V；当100米<测试距离<500米时，将发射脉冲幅度放大为15V；当500米<测试距离<1000米时，将发射脉冲幅度放大为20V。
12.如权利要求1所述的一种线缆自动故障定位装置，其特征在于，幅度控制模块对反射信号进行衰减处理，使反射信号衰减到AD采样芯片的测试范围内，即-500mv～500mV。
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