CN110133363B - 一种线缆电平变化的探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线缆电平变化的探测装置及方法，属于电压信号测量技术领域。该装置包括：一部手机、一副耳机的话筒线和所述手机安装的信号采集还原软件；所述手机包括音频模块；所述耳机的话筒线，用于作为测试天线与被测线缆组成耦合电容接收耦合电压，并传送至所述音频模块，得到音频文件；所述信号采集还原软件安装在所述手机，用于对所述音频文件还原得到被测波形。本发明的技术方案以手机为实现载体解决了现有技术测试灵敏度低，携带不方便，数据处理灵活性差的问题，同时降低了设备购置成本。

Description

一种线缆电平变化的探测装置及方法

技术领域

本发明涉及电压信号测量技术领域，尤其涉及一种线缆电平变化的探测装置及方法。

背景技术

目前对于线缆电压信号的非接触式测量一般采用检测笔或专用的三用表。其中，检测笔无法定量检测电压；三用表无法记录电压变化的波形；使用示波器，利用容性耦合的原理以非接触方式可以测试电压时序的波形，但是示波器的分辨率多在0.1v左右，对于检测耦合电压来说分率不够高，且需要根据耦合波形自行计算被测电压，易用性和便携性都存在问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种线缆电平变化的探测方法和装置，以解决现有测试方法存在的部分或全部的不足问题，以非接触方式的测试并记录电压的输出，提升了电压检测的灵敏度,提升测试的灵活性和易操作性，降低测试设备的购置成本。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种线缆电平变化的探测装置，包括一部手机、一副耳机的话筒线和所述手机安装的信号采集还原软件；所述手机包括音频模块；所述耳机的话筒线，用于作为测试天线与被测线缆组成耦合电容接收耦合电压，并传送至所述音频模块，得到音频文件；所述信号采集还原软件安装在所述手机，用于对所述音频文件还原得到被测波形。

进一步地，所述话筒线作为测试天线与被测线缆并行紧贴放置，并通过容性耦合接收耦合电压；所述手机的音频模块对所述耦合电压进行采样并记录为线性非压缩格式的音频文件；所述信号采集还原软件将所述音频文件按照预定算法进行原始数据处理，还原出被测波形并显示。

进一步地，所述话筒线把容性耦合的电信号输入到所述音频模块内的集成芯片进行放大及A/D转换，再通过语音总线发送到CPU，且存储在FALSH内。

进一步地，所述音频文件按照预定算法进行原始数据处理包括：利用巴特沃斯数字高通滤波器将所述音频文件去除500Hz以下的低频信号，并通过Matlab Compiler的扩展Java Builder工具，将Matlab函数包装为Java类中形成一个Java组件或包，每个Matlab函数被封装为Java类在应用程序中，当所述应用程序被调用，对原始数据通过信号采集还原软件设置合理阈值来判断出被测波形的上升沿和下降沿，还原出被测波形。

进一步地，对采集到的所述音频文件通过合理阈值的设置滤除杂波和噪音，保留有效的耦合电压信息；所述合理阈值的设置原则为高于噪声的耦合电压幅值同时低于有效的耦合电压幅值。

进一步地，所述有效电压幅值根据耦合电压频域模型的如下公式计算得到：

V＝(2πfC_2RR_LRV_t)/(1+2πfC_2RV_tR_LR)；

其中，V_t为信号源电压，C_2R为被测电缆RS232串口数据线与所述测试天线之间的耦合电容，R_LR为所述测试天线的输入阻抗，f为信号带宽。

另一方面，一种基于所述装置的探测方法，包括以下步骤：

步骤1，采用话筒线制作测试天线，将所述测试天线与被测线缆平行紧贴放置，通过容性耦合接收耦合电压并传送至所述手机的音频模块；

步骤2，通过所述手机的音频模块对所述耦合电压进行采样并记录为线性非压缩格式的音频文件；

步骤3，点击手机上的所述信号采集还原软件开始采集所述音频文件，并利用巴特沃斯数字高通滤波器去除所述音频文件中500Hz以下的低频信号；

步骤4，对耦合入所述被测天线的部分信号通过所述信号采集还原软件设置合理阈值来判断出被测波形的上升沿和下降沿，还原出被测波形；所述合理阈值的设置，通过检测被测波形的上升沿和下降沿的脉冲波形，并根据脉冲值进行波形还原时配置在所述信号采集还原软件中。

进一步地，所述采用话筒线制作测试天线包括将话筒拆掉，采用开路的音频线作为接收被测电缆泄漏电磁波的测试天线；

对采集到的所述音频文件通过合理阈值的设置滤除杂波和噪音，保留有效的耦合电压信息；所述合理阈值的设置原则为高于噪声的耦合电压幅值同时低于有效的耦合电压幅值。

进一步地，所述被测电缆为串口数据线，数据线上传输字符码，并根据奈奎斯特采样定律，采样并还原出传输的字符码。

进一步地，所述步骤4中根据奈奎斯特采样定律，采样并还原出传输的字符码的算法包括以下步骤：

S41，按照传输速率和采样数据个数，产生时间轴；

S42，将小于所述合理阈值的数据置零，其余数据置1；

S43，将间隔小于1bit的非零点置零；

S44，第一个1到第二个1之间按位全部置1，第二个1到第三个1之间按位全部置0，以此类推，之后进行同样设置；

S45，读取出字符码显示为字符明文。

本发明技术方案的有益效果：本发明公开了一种线缆电平变化的探测装置，利用手机音频电路作为电压采样电路，耳机的话筒线作为电压耦合天线，手机处理器作为对采样数据的处理模块，利用电磁耦合原理反推出实际电压波形，最终通过可视化的方式将测量结果展示给使用者，同时手机应用程序具有灵活的可编程性，可根据需要实现相应的数据处理算法，也可以有较好的人机交互特性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的一种线缆电平变化的探测装置的示意图；

图2为本发明实施例的一种线缆电平变化的探测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

针对现有测试方法的不足，考虑利用手机实现以非接触方式测量并显示电压输出时序的功能，并提升了测试的灵活性和易操作性。手机的音频电路最高工作电压为3V，16bit采样宽度，分率达到了3/2e16＝45.7μV，最高采样率为48000bps。

本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种线缆电平变化的探测装置，包括一部手机、一副耳机的话筒线和所述手机安装的信号采集还原软件；所述手机包括音频模块；所述耳机的话筒线，用于作为测试天线与被测线缆组成耦合电容接收耦合电压，并传送至所述音频模块，得到音频文件；所述信号采集还原软件安装在所述手机，用于对所述音频文件还原得到被测波形。与现有技术相比，本技术方案以手机为实现载体解决了测试灵敏度低，携带不方便，数据处理灵活性差的问题，同时降低了设备购置成本。

也就是说，一种用于线缆电平变化的探测装置，包括：一部智能手机、一副耳机，以及手机中安装的信号采集还原软件。手机作为硬件载体，安装信号采集还原软件后实现对耦合电压的采集，记录，还原以及显示。耳机的话筒线作为测试天线与被测电缆组成耦合电容，接收耦合电压，并传送至手机的音频模块。

本发明的一个具体实施例，所述话筒线作为测试天线与被测线缆并行紧贴放置，并通过容性耦合接收耦合电压；所述手机的音频模块对所述耦合电压进行采样并记录为线性非压缩格式的音频文件；所述信号采集还原软件将所述音频文件按照预定算法进行原始数据处理，还原出被测波形并显示。

需要说明的是，所依据的测试原理为：耳机的话筒线作为测试天线与被测线缆并行紧贴放置，放置的距离越近，耦合信号越强，通过容性耦合接收耦合电压，手机的音频模块对耦合电压进行采样并记录为线性非压缩格式的音频文件，信号采集还原软件将文件按照既定的算法进行原始数据的处理，还原出被测波形并显示。

本发明的一个具体实施例，所述话筒线把容性耦合的电信号输入到所述音频模块内的集成芯片进行放大及A/D转换，再通过语音总线发送到CPU，且存储在FALSH内。

本发明的一个具体实施例，所述音频文件按照预定算法进行原始数据处理包括：利用巴特沃斯数字高通滤波器将所述音频文件去除500Hz以下的低频信号，并通过MatlabCompiler的扩展Java Builder工具，将Matlab函数包装为Java类中形成一个Java组件或包，每个Matlab函数被封装为Java类在应用程序中，当所述应用程序被调用，对原始数据通过信号采集还原软件设置合理阈值来判断出被测波形的上升沿和下降沿，还原出被测波形。

需要说明的是，处理原始数据记录文件，利用巴特沃斯数字高通滤波器去除500Hz以下的低频信号，主要为50Hz的工频及其倍频。算法可通过Matlab实现，通过MatlabCompiler的扩展Java Builder工具，将Matlab函数包装为Java类中形成一个Java组件或包，每个Matlab函数被封装为Java类的一个方法，这样就可以在安卓等应用程序中被调用，针对耦合入所述测试天线的部分信号相应的原始数据，通过信号采集还原软件配置合理阈值来判断出被测波形的上升沿和下降沿，还原出被测波形。

本发明的一个具体实施例，对采集到的所述音频文件通过合理阈值的设置滤除杂波和噪音，保留有效的耦合电压信息；所述合理阈值的设置原则为高于噪声的耦合电压幅值同时低于有效的耦合电压幅值。

本发明的一个具体实施例，所述有效电压幅值根据耦合电压频域模型的如下公式计算得到：

V＝(2πfC_2RR_LRV_t)/(1+2πfC_2RV_tR_LR)；

其中，V_t为信号源电压，C_2R为被测电缆RS232串口数据线与所述测试天线之间的耦合电容，R_LR为所述测试天线的输入阻抗，f为信号带宽。

需要说明的是，被测信号为高电压、低电流，所以只考虑电耦合，而忽略磁耦合，电尺寸远小于0.1，可以用集总参数分析电缆的耦合泄漏。于是，耦合电容C_2R可用下式计算：

其中，s为并行两线之间的距离，l为平行段的线长，r_w2，r_WR分别为被测电缆和接收天线的半径，ε₀为真空介电常数。

输入阻抗R_LR为复数阻抗，公式如下：R_LR＝R+j(XL-XC)，其中，实数部分R是电阻(单位为Ω)，虚数部分是由容抗XC＝1/ωC、感抗XL＝ωL组成。

需要说明的是，C为电容，单位为F；XC为容抗，单位为Ω；L为电感，单位为H；感抗为XL，单位为Ω；ω为角频率ω＝2*π*f，f为频率；感抗或容抗值的大小不仅与电感或电容本身的大小有关，还与所在回路中的工作频率f有关。

本发明的一个具体实施例，一种基于所述装置的探测方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1，采用话筒线制作测试天线，将所述测试天线与被测线缆平行紧贴放置，通过容性耦合接收耦合电压并传送至所述手机的音频模块；

S2，通过所述手机的音频模块对所述耦合电压进行采样并记录为线性非压缩格式的音频文件；

S3，点击手机上的所述信号采集还原软件开始采集所述音频文件，并利用巴特沃斯数字高通滤波器去除所述音频文件中500Hz以下的低频信号；

S4，对耦合入所述被测天线的部分信号通过所述信号采集还原软件设置合理阈值来判断出被测波形的上升沿和下降沿，还原出被测波形；所述合理阈值的设置，通过检测被测波形的上升沿和下降沿的脉冲波形，也就是说，耦合进测试天线的部分信号的上升沿处有向下的脉冲，下降沿处有向上的脉冲，并根据脉冲值进行波形还原时配置在所述信号采集还原软件中。

上述方法步骤S4的计算结果与实测结果一致。耦合进测试天线波型只有上升沿与下降沿，这是因为频率越高，耦合效率越高，所以信号低频的直流部分基本没耦合进天线。

设置合理阈值的依据是即可滤除噪声，又可最大限度的识别波形的变化值。实际测试工况不同，需要根据步骤S3之后的波形设置，即检测被测波形的上升沿和下降沿的脉冲波形，并根据脉冲值进行波形还原时配置在所述信号采集还原软件中。

本发明的一个具体实施例，所述采用话筒线制作测试天线包括将话筒拆掉，采用开路的音频线作为接收被测电缆泄漏电磁波的测试天线；

对采集到的所述音频文件通过合理阈值的设置滤除杂波和噪音，保留有效的耦合电压信息；所述合理阈值的设置原则为高于噪声的耦合电压幅值同时低于有效的耦合电压幅值。

也即是，根据采集到包含干扰噪声的原始波形确定合理阈值，确保阈值高于噪声的耦合电压，以滤除噪声，又低于非噪声的有效的耦合电压，以正确检测出被测线缆上电压变化耦合到接收天线的电压脉冲波形。

需要说明的是，由话筒的工作原理可知，话筒将声音转换为模拟电信号，并由手机音频模块采样记录，要接收的是串口线的泄漏电磁波，由声音转换后的电信号反而是“噪音”，为了降低或避免环境中噪音的影响，可以将话筒拆掉，用开路的音频线作为接收串口线泄漏电磁波的天线，可有效提高测试精度。

本发明的一个具体实施例，所述被测电缆为串口数据线，通常采用没有屏蔽层且带有电磁辐射的电缆线，例如RS232，数据线上传输字符码，内容可以为ASCⅡ码，并根据奈奎斯特采样定律，采样并还原出传输的字符码。也即是，通过被测电缆采用的数据线还原出波形同时还原出数据线上传输的字符码。

本发明的一个具体实施例，执行完步骤S3后还原被测波形，同时根据奈奎斯特采样定律，采样并还原出传输的字符码的算法包括以下步骤：

S41，按照传输速率和采样数据个数，产生时间轴；

S42，将小于所述合理阈值的数据置零，其余数据置1；

S43，将间隔小于1bit的非零点置零；

S44，第一个1到第二个1之间按位全部置1，第二个1到第三个1之间按位全部置0，以此类推，之后进行同样设置；

S45，读取出字符码显示为字符明文。

综上所述，本发明公开了一种线缆电平变化的探测装置，包括一部手机、一副耳机的话筒线和所述手机安装的信号采集还原软件；所述手机包括音频模块；所述耳机的话筒线，用于作为测试天线与被测线缆组成耦合电容接收耦合电压，并传送至所述音频模块，得到音频文件；所述信号采集还原软件安装在所述手机，用于对所述音频文件还原得到被测波形。与所述装置构成同一发明构思的探测方法包括以下步骤：步骤1，采用话筒线制作测试天线，将所述测试天线与被测线缆平行紧贴放置，通过容性耦合接收耦合电压并传送至所述手机的音频模块；步骤2，通过所述手机的音频模块对所述耦合电压进行采样并记录为线性非压缩格式的音频文件；步骤3，点击手机上的所述信号采集还原软件开始采集所述音频文件，并利用巴特沃斯数字高通滤波器去除所述音频文件中500Hz以下的低频信号；步骤4，对耦合入所述被测天线的部分信号通过所述信号采集还原软件设置合理阈值来判断出被测波形的上升沿和下降沿，还原出被测波形；所述合理阈值的设置，通过检测被测波形的上升沿和下降沿的脉冲波形，并根据脉冲值进行波形还原时配置在所述信号采集还原软件中。本发明技术方案利用手机音频电路作为电压采样电路，耳机的话筒线作为电压耦合天线，手机处理器作为对采样数据的处理模块，利用电磁耦合原理反推出实际电压波形，最终通过可视化的方式将测量结果展示给使用者，同时手机应用程序具有灵活的可编程性，可根据需要实现相应的数据处理算法，也可以有较好的人机交互特性，也即以手机为实现载体解决了现有技术测试灵敏度低，携带不方便，数据处理灵活性差的问题，同时降低了设备购置成本。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线缆电平变化的探测装置，其特征在于，包括一部手机、一副耳机的话筒线和所述手机安装的信号采集还原软件；

所述手机包括音频模块；

所述耳机的话筒线，用于作为测试天线与被测线缆组成耦合电容接收耦合电压，并传送至所述音频模块，得到音频文件；

所述信号采集还原软件安装在所述手机，用于对所述音频文件还原得到被测波形。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述话筒线作为测试天线与被测线缆并行紧贴放置，并通过容性耦合接收耦合电压；

所述手机的音频模块对所述耦合电压进行采样并记录为线性非压缩格式的音频文件；

所述信号采集还原软件将所述音频文件按照预定算法进行原始数据处理，还原出被测波形并显示。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述话筒线把容性耦合的电信号输入到所述音频模块内的集成芯片进行放大及A/D转换，再通过语音总线发送到CPU，且存储在FALSH内。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述音频文件按照预定算法进行原始数据处理包括：利用巴特沃斯数字高通滤波器将所述音频文件去除500Hz以下的低频信号，并通过Matlab Compiler的扩展Java Builder工具，将Matlab函数包装为Java类中形成一个Java组件或包，每个Matlab函数被封装为Java类在应用程序中，当所述应用程序被调用，对原始数据通过信号采集还原软件设置合理阈值来判断出被测波形的上升沿和下降沿，还原出被测波形。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，对采集到的所述音频文件通过合理阈值的设置滤除杂波和噪音，保留有效的耦合电压信息；

所述合理阈值的设置原则为高于噪声的耦合电压幅值同时低于有效的耦合电压幅值。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述有效的耦合电压幅值根据耦合电压频域模型的如下公式计算得到：

V＝(2πfC_2RR_LRV_t)/(1+2πfC_2RV_tR_LR)；

其中，V_t为信号源电压，C_2R为被测线缆RS232串口数据线与所述测试天线之间的耦合电容，R_LR为所述测试天线的输入阻抗，f为信号带宽。

7.一种基于权利要求1所述装置的探测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用话筒线制作测试天线，将所述测试天线与被测线缆平行紧贴放置，通过容性耦合接收耦合电压并传送至所述手机的音频模块；

步骤2，通过所述手机的音频模块对所述耦合电压进行采样并记录为线性非压缩格式的音频文件；

步骤3，点击手机上的所述信号采集还原软件开始采集所述音频文件，并利用巴特沃斯数字高通滤波器去除所述音频文件中500Hz以下的低频信号；

步骤4，对耦合入所述测试天线的部分信号通过所述信号采集还原软件设置合理阈值来判断出被测波形的上升沿和下降沿，还原出被测波形；所述合理阈值的设置，通过检测被测波形的上升沿和下降沿的脉冲波形，并根据脉冲值进行波形还原时配置在所述信号采集还原软件中。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述采用话筒线制作测试天线包括将话筒拆掉，采用开路的音频线作为接收被测线缆泄漏电磁波的测试天线；

对采集到的所述音频文件通过合理阈值的设置滤除杂波和噪音，保留有效的耦合电压信息；所述合理阈值的设置原则为高于噪声的耦合电压幅值同时低于有效的耦合电压幅值。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述被测线缆为串口数据线，数据线上传输字符码，并根据奈奎斯特采样定律，采样并还原出传输的字符码。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据奈奎斯特采样定律，采样并还原出传输的字符码，包括以下步骤：

S41，按照传输速率和采样数据个数，产生时间轴；

S42，将小于所述合理阈值的数据置零，其余数据置1；

S43，将间隔小于1bit的非零点置零；

S44，第一个1到第二个1之间按位全部置1，第二个1到第三个1之间按位全部置0，以此类推，之后进行同样设置；

S45，读取出字符码显示为字符明文。

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