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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-副本(留存版)

  

【正文】 等。在故障點(diǎn)正上方,聲波信號(hào)最大,離開故障點(diǎn),聲波信號(hào)減少,或者無(wú)聲波信號(hào)。根據(jù)電纜正上方地面接收電磁信號(hào)最小的特點(diǎn),可以準(zhǔn)確地找到電纜埋設(shè)位置。 2) 低壓 脈沖反射法:到了上世紀(jì)七八十年代,電纜故障測(cè)試普遍采用了閃測(cè)法測(cè)試,原理為 低壓 脈沖反射法 (也叫雷達(dá)法 )。在潮濕的氣候條件下做接頭, 使接頭封裝物內(nèi)混入水氣而耐不住實(shí)驗(yàn)電壓,往往形成閃絡(luò)性故障。如果通訊電纜埋設(shè)在 附近有強(qiáng)地下電場(chǎng)的地面下(如大型行車、電力機(jī)車軌道附近),往往出現(xiàn)電纜外皮鉛(鋁)護(hù)套腐蝕致穿的現(xiàn)象,導(dǎo)致潮氣侵入,絕緣破壞 [3]。 高阻故障可分為兩種故障形式: 1) 高阻泄漏性故障:在做電纜高壓絕緣試驗(yàn)時(shí),泄漏電流隨試驗(yàn)電壓的升高而增加,試驗(yàn)電壓升高到額定值時(shí)(有時(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到額定值),而泄漏電流超過(guò)了允許值。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、測(cè)距精度較高、應(yīng)用效果良好。 本文的任務(wù)就是在現(xiàn)有的通訊線路故障測(cè)距方法的基礎(chǔ)上,通過(guò)從原理和方法進(jìn)行深入的研究,設(shè)計(jì)出原理上更加準(zhǔn)確、工程上更加實(shí)用的故障測(cè)試方法。 ``` 3 CfRfG 圖 21 電纜故障等效圖 通訊線路故障產(chǎn)生的原因 致使通訊電纜發(fā)生故障的原因有很多方面,現(xiàn)將常見的幾種 主要的原因歸納如下: 1. 機(jī)械損傷。 ``` 4 6. 過(guò)熱。由于制造缺陷而造成的電纜故障不多,因而對(duì)于事故的其他原因分析,應(yīng)充分考慮到上述細(xì)節(jié)。 二次脈沖法的關(guān)鍵是要給閃測(cè)儀加一個(gè)高頻高壓數(shù)據(jù)處理器。 4) 磁場(chǎng)預(yù)定點(diǎn)技術(shù):電纜故障磁場(chǎng)預(yù)定點(diǎn)技術(shù)的原理為:通過(guò)高壓直流脈沖發(fā)生器,使電纜的故障點(diǎn)產(chǎn)生電弧,在電弧存在期間,向電纜注入音頻信號(hào)。波形上發(fā)射脈沖與反射脈沖的時(shí)間差△ t,對(duì)應(yīng)脈沖在測(cè)量點(diǎn)與阻抗不匹配點(diǎn)往返一次的時(shí)間,已知脈沖在電纜中的波速度 V,則阻抗不匹配點(diǎn)距離,可由下式計(jì)算。類似于透視用的 X 光片,被測(cè)電纜結(jié)構(gòu)(狀態(tài))以波形的形式直觀地呈現(xiàn)在儀器的屏幕上。 圖 45 低電阻故障點(diǎn)電壓反射系數(shù)與透射系數(shù)變化規(guī)律 ``` 11 圖 給出了故障點(diǎn)在電纜中點(diǎn)之前的低阻故障脈沖反射波形。 使用內(nèi)部阻抗平衡技術(shù)的目的在于壓縮甚至消除掉儀器接收(并顯示)的發(fā)送脈沖,從而減少或消除掉測(cè)量盲區(qū),并且可以較大限度地增加放大電路增益,提高故障點(diǎn)反射脈沖的幅值,而不會(huì)使放大電路“阻塞”造成脈沖反射波形失真。 AT89C51是美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓高性能 CMOS 8位單片機(jī), 片內(nèi)含 4KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲(chǔ)器和 128B 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器( RAM),器件采用 Atmel 公司的高密度 非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn), 兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng),片內(nèi)配置通用位中央處理器( CPU)和 FLASH存儲(chǔ)單元,共有 40個(gè)引腳,其中 32 個(gè) I/O接口線,兩個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器,一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu),一個(gè)全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 點(diǎn)亮 LED顯示器有兩種方法:靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。下面簡(jiǎn)要說(shuō)明連線形式: 100MHz 的脈沖源接到 74LS390 的 CP0, 74LS390 按串聯(lián)方式接成 100 進(jìn)制計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)輸出最高為接到 AT89C51 的 T0 口, 74LS390 的輸出端經(jīng)一片 74LS245(三態(tài)輸出八組總線緩沖器 /驅(qū)動(dòng)器)芯片,接到單片機(jī)的 8 位數(shù)據(jù)總線上( P0)口。下面就把涉及到的各個(gè)元 器件工作原理作簡(jiǎn)要的介紹: 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 74121不可重復(fù)觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,具有施密特觸發(fā)特性。圖 63是 7474邏輯符號(hào)。而此時(shí)附錄 C中的各點(diǎn)狀態(tài)如下表 65 表 65 各點(diǎn)狀態(tài) M24 M23 M15 M14 M16 M17 M18 M19 M20 1 0 1 ? 1 ? 1 0 1 這時(shí), M18 為 1, M20 的狀態(tài)保持不變, INT0 不會(huì)觸發(fā)。 信號(hào)發(fā)射電路 、接收電路,和主控單元配合能完成設(shè)計(jì)工作,即給被測(cè)電纜加上測(cè)試波,能及時(shí)準(zhǔn)確的接收反射回來(lái)的故障波形,并將結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示出來(lái)。 中斷允許寄存器 IE進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明: 表 72 中斷允許寄存器 IE D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 EA ? ? ES ET1 EX1 ET0 EX0 EA: CPU中斷允許、禁止總控制位。實(shí)測(cè)試驗(yàn)表明,該方法的精度高,可以得到令人滿意的結(jié)果,具有實(shí)用價(jià)值。 首先分析了行波測(cè)距法的測(cè)距原理及其具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程,得出的結(jié)論是: 論文根據(jù)通訊系統(tǒng)的實(shí)際需要,應(yīng)用單片機(jī)、電子和通信技術(shù)的發(fā)展成果,提出了新型故障測(cè)距裝置電路的設(shè)計(jì)方案。 ES:串行口中斷控制位。但還得考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的``` 25 影響,還必須有抗干擾能力和防止誤操作能力,僅通過(guò)對(duì) INT INT0引腳和定時(shí)器 T 0的控制是不夠的 , 系統(tǒng)還須有其它輔助電路 。 反射波的接收過(guò)程 本次設(shè)計(jì)中,主要利用低壓脈沖波來(lái)檢測(cè)通信線路故障。為了方便分析低壓脈沖波的發(fā)射與接收電路如何跟主控單元配合完成功能檢測(cè),在圖中標(biāo)出 25 個(gè)采樣點(diǎn)( M0~ M24 標(biāo)注),下面就針對(duì)這些采樣點(diǎn)來(lái)解釋整個(gè)接收電路的工作過(guò)程。 ``` 20 圖 62 TTL集成器件 74121引腳圖 下面簡(jiǎn)要介紹 74121的觸發(fā)與定時(shí)。 第 6 章 脈沖發(fā)生及接收單元電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)主體的構(gòu)想:用調(diào)制過(guò)的低壓脈沖波 ,加到被測(cè)電纜上,通過(guò)對(duì)反射回來(lái)的脈沖波形的判斷,確定通訊電纜是否有故障,故障點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)之間的距離 [13]。 靜態(tài)顯示就是將 N位共陰極 LED顯示器的陰極連在接地, 每一位 LED的 8位段選線與一個(gè) 8位并行口相連。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。有無(wú)內(nèi)部平衡作用的儀器測(cè)量波形如圖 。第二個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖在波形上與第一個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之間的距離為故障距離,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意不要把它誤以為新的故障點(diǎn)或接頭反射。根據(jù)脈沖的極性與大小可判別阻抗不匹配的性質(zhì)(例如低阻還是開路)與嚴(yán)重程度。 △ t?2 (44) 圖 41 低壓脈沖反射原理圖 通過(guò)識(shí)別反射脈沖的極性,可以判定故障的性質(zhì)。采用專用的接收機(jī),接收電纜輻射出的音頻電磁波信號(hào),通過(guò)比較故障點(diǎn)前后的音頻電磁波幅值大小的變化,判斷接收機(jī)位于故障點(diǎn)之前或之后,從而達(dá)到快速預(yù)定點(diǎn)的目的。 采用電磁波進(jìn)行路徑探測(cè),是一種很成熟的方法,實(shí)際應(yīng)用效果也很好。在實(shí)際測(cè)試中,三個(gè)步驟是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活運(yùn)用的。內(nèi)因主要是電纜絕緣內(nèi)部氣隙游離造成局部過(guò)熱,從而使絕緣炭化;外因是電纜不符合產(chǎn)生過(guò)熱。有時(shí)如果損傷輕微,在幾個(gè)月甚至幾年后損傷部位才發(fā)展到鎧裝、鉛(鋁)護(hù)套穿孔,潮氣侵入而導(dǎo)致?lián)p傷部位徹底崩潰形成故障。前者表現(xiàn)為開路及斷線,很少見;后者經(jīng)常碰到 。通過(guò)該系統(tǒng)控制發(fā)射高頻脈沖,將脈沖波幅度提高,結(jié)合設(shè)備載波送入電纜,脈沖波在電纜中傳播,遇到高阻的斷點(diǎn)、終端點(diǎn)就會(huì)發(fā)生反射,反射波又經(jīng)脈沖接收電路到達(dá)該系統(tǒng)。 2. 短路故障 凡是電纜故障點(diǎn)的絕緣電阻小于該線纜的特性阻抗,甚至直流電阻為零的故障均稱為低阻故障 或是短路故障 (低壓脈沖測(cè)試時(shí)故障有反應(yīng),且發(fā)射脈沖和返回脈沖的波形相反)。行駛車輛的振動(dòng)或沖擊性負(fù)荷,也會(huì)造成穿越公路或鐵路以及靠近公路或鐵路并與之平行敷設(shè)的電纜的鉛(鋁)護(hù)套的疲勞裂損,形成故障。在夏季,電纜故障率高原因正在于此[4]。用電橋原理測(cè)試電纜故障距離,曾是上世紀(jì)六七十年代普遍采用的方法。如 DTC206系列電纜路徑探測(cè)儀,電磁波頻率為 16KHZ,路徑儀信號(hào)源發(fā)射峰值功率大于 100W,即使電纜埋深 2m,路徑儀接收信號(hào)仍然很大。 5) 聲磁同步法:是將聲測(cè)法與電磁波法綜合應(yīng)用,例如 DTC003 系列聲磁同步定點(diǎn)儀,采用了聲測(cè)法定點(diǎn)與聲磁同步定點(diǎn)法相結(jié)合定點(diǎn)原理。在不清楚電纜的波速度值的情況下,可用如下方法測(cè)量。 下面介紹幾種典型故障的脈沖反射波形。 a. b. c. 圖 46 電纜中點(diǎn)之前的低阻故障脈沖反射波形 ``` 12 圖 47 電纜中點(diǎn)之后的低阻故障脈沖反射波形 一般的低壓脈沖反射儀器依靠操作人員移動(dòng)標(biāo)尺或電子光標(biāo),來(lái)測(cè)量故障距離。 為了簡(jiǎn)化操作,實(shí)際的低壓脈沖反射儀器往往采用固定的平衡網(wǎng)絡(luò),而不是由操作人員調(diào)節(jié)。 針對(duì)本次的設(shè)計(jì),考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響,對(duì)信息的輸出及顯示要求盡量的簡(jiǎn)明、精確,采用 BCD 撥碼盤信息輸入、 LED 數(shù)碼顯示器輸出(故障距離)和報(bào)警指示燈輸出(故障類型)這兩種輸出的方式。特點(diǎn)是:將多段LED 顯示器同各端的段選線復(fù)接在一起,只用一個(gè) 8 位 I/O 口輸出控段選線,段選碼同時(shí)加到各個(gè) LED 顯示器上,因此,在每個(gè)瞬間, N 位 LED 只能顯示相同的字符,要想每一個(gè)LED顯示不同的字符,必須用另外一個(gè) I/O口控制各個(gè) LED顯示器公共陰極輪流接地,逐一掃描點(diǎn)亮,使每位 LED 顯示該位應(yīng)當(dāng)顯示的字符。 脈沖發(fā)射電路設(shè)計(jì) 本電路用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)預(yù)定寬度為 30V 矩形脈沖,并通過(guò)耦合變壓器發(fā)送到電纜上去。在全溫度和 VCC 范圍內(nèi),輸出脈沖寬度為: TWQ =CEXTRTln2≈ 。如附錄中 C圖,各個(gè)狀態(tài)如表 63所示。 此時(shí)附錄 C圖中,各點(diǎn)的狀態(tài)如下表 66所示: M0 M2 M4 M5 M6 M7 M9 M10 +1 1 1 0 0 1 0 ? 0 ? 1 1 1 1 ? ? 1 0 0 1 1 0 ? 1 ``` 24 當(dāng) M0為 +1時(shí), M2為 1, M6為 0,三態(tài)門 2滿足條件,輸出 M9為 0; M2為 1, M7為1,三態(tài)門 1不滿足條件, M10沒(méi)有信號(hào)。 本次軟件設(shè)計(jì)主程序和中斷程序采用匯編語(yǔ)言,考慮到本次設(shè)計(jì)的儀器是在錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境中應(yīng)用的,僅僅用上上述所說(shuō)的硬件抗干擾電路還不夠,必須在軟件編程中加上軟件看門狗程序,防止程序跑飛。 主程序框圖主程序框圖見 71圖: ``` 27 圖 71系統(tǒng)主控電路程序流程圖 系統(tǒng)初始化 關(guān)所有中斷 是否檢測(cè)功鍵 是 檢測(cè)功能鍵 啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0 清計(jì)數(shù)器 TL0 開 INT0、 T0中斷 INT1=1 循環(huán)等待 跳轉(zhuǎn)到中斷程序 否 跳轉(zhuǎn)檢測(cè)程序 ``` 28 定時(shí)器 T0 中斷子程序設(shè)計(jì) 定時(shí)器 T0 中斷子程序的功能是檢查結(jié)果是否為被測(cè)線路無(wú)故障,是否超過(guò)系統(tǒng)的檢測(cè)范圍。各個(gè)部分電路大多數(shù)采用數(shù)字集成芯片,這樣系統(tǒng)工作的可靠性大大提高,而且減小電 路板的面積,有利于縮小整體儀器的體積,便于操作者攜帶外出作業(yè);如需以后模塊電路的改進(jìn)或升級(jí),不需考慮對(duì)它部分電路之間的影響,直接更換或添加所需模塊。 0INT 外部中斷子程序框圖見 73圖。當(dāng) GATE=0, TR=1 時(shí)啟動(dòng)。以上的發(fā)射波接收是瞬間完成的,各點(diǎn)的變化也是瞬間進(jìn)行的。而當(dāng) M19瞬時(shí)變化(由“ 0”變到“ 1”),也不能引起 M2M22 狀態(tài)的變化,指示燈依舊 不亮;但這一變化卻使計(jì)數(shù)裝置的開始工作,計(jì)數(shù)開始。 輸出脈沖寬度 RC? ( 61) 通常 R的數(shù)值取在 2 ~ 30 K?之間, C的數(shù)值取在 10pF~ 10μ F 之間,得到的 Wt 的取值范圍可達(dá)到 20ns~ 200ms。 在現(xiàn)場(chǎng)中常用到一種內(nèi)部阻抗平衡技術(shù),來(lái)消除脈沖反射儀器中產(chǎn)生的 “阻塞 ”現(xiàn)象。其能計(jì)最大的數(shù)值為: M=216=65536,所以能計(jì)的最長(zhǎng)時(shí)間為 T=M/F=216/108==,低壓脈沖波在標(biāo)準(zhǔn)通訊電纜中的傳播速度為 V ≈160m/μs, 一般常用的通訊電纜與標(biāo)準(zhǔn)的通訊電纜間系數(shù)為 ρ=80%,則最長(zhǎng)的測(cè)量距 2Lmax=PVTmax≈,即 Imax=40km,滿足 測(cè)量長(zhǎng)度的要求。 ``` 17 22 圖 51 4位 BCD撥碼盤并聯(lián)結(jié)構(gòu) 7段 LED 數(shù)碼顯示器由 7條發(fā)光二極管組成顯示字段,并按 “ ”字排列, 這 7段發(fā)光二極管分別成為 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g。在目前的工程使用中,應(yīng)用最多的是 8 位單片機(jī)和 16 位單片機(jī); 其中 8 位的單片機(jī)、 16 位單片機(jī)都分別由 INTER 公司的 MCS51 系列和MCS96 系列為代表。由于脈沖在傳播過(guò)程中存在損耗,電 纜終端的反射脈沖傳回到測(cè)量點(diǎn)后,波形上升沿比較圓滑,不好精確地標(biāo)定出反射脈沖到達(dá)時(shí)間,特別當(dāng)電纜距離較長(zhǎng)時(shí),這一現(xiàn)象更突出。波形上第一個(gè)故障點(diǎn)反射脈沖之后的脈沖極性出現(xiàn)一正一負(fù)的交替變化,這是由于脈沖在故障點(diǎn)反射系數(shù)為 1,而在測(cè)量端反射為正的緣故。 脈沖反射波形的理解 脈沖反射波形反映電纜故障與結(jié)構(gòu) 觀察電纜的低壓脈沖反射波形除可以找出故障點(diǎn)的位置及判別故障性質(zhì)外,還有利于了解復(fù)雜電纜的結(jié)構(gòu),這一優(yōu)點(diǎn)是電橋法無(wú)法比擬的。
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