【文章內(nèi)容簡介】 上顯示發(fā)送脈沖與反射脈沖，當(dāng)故障點距離較遠時，發(fā)送脈沖的幅值遠大于故障點反射脈沖，如通過提高放大器增益，來達到提高故障點反射脈沖幅值的目的，將造成放大電路的飽和，出現(xiàn)所謂的“阻塞”現(xiàn)象。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，提高故障點反射脈沖的幅值，而不會使放大電路“阻塞”造成脈沖反射波形失真。 內(nèi)部平衡阻抗技術(shù)如圖45所示，儀器同時向被測電纜與內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)發(fā)射脈沖，而儀器接收到的信號是被測電纜與內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)上信號的差值，調(diào)節(jié)內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使其與電纜的波阻抗一致，這樣發(fā)送脈沖在電纜與內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的信號相同，儀器接收到的信號為零，而當(dāng)反射脈沖到來時，內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)上無信號出現(xiàn)，反射脈沖全部送到儀器接收電路上去。有無內(nèi)部平衡作用的儀器測量波形如圖45所示。圖45 內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)的作用從圖45看出，當(dāng)發(fā)送脈沖在波形上同時出現(xiàn)時，因發(fā)送脈沖幅值遠大于故障點反射脈沖，如果提高儀器放大增益，來達到提高故障點反射脈沖幅值的目的，將導(dǎo)致儀器輸入信號過大，造成信號放大電路飽和，出現(xiàn)所謂的“阻塞”現(xiàn)象，波形如圖46c。而圖46 b中的使用內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)的脈沖反射波形是從波形上消除了發(fā)送脈沖后，提高儀器增益測得的。為了簡化操作，本課題的低壓脈沖發(fā)射儀器采用固定的平衡網(wǎng)絡(luò)，而不是由操作人員調(diào)節(jié)[9]。儀器采用內(nèi)部平衡技術(shù)壓縮顯示波形的發(fā)送脈沖后，利用波形比較法，可很方便地測出電纜始端頭故障。首先測得一完好電纜芯線的脈沖反射波形，儲存起來，然后再測量故障芯線，把先后兩次測量波形比較，在波形起始處，二者有明顯的差別，說明是電纜始端頭故障。圖47給出了一電纜頭附近處有短路故障的線芯與完好線芯的波形比較。a)無內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)；b)有內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)c)無內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)，儀器增益過大圖46 有無內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)的脈沖反射波形比較圖47 利用波形比較法測量電纜頭故障第5章 系統(tǒng)主控單元硬件電路設(shè)計在本次設(shè)計中，采用單片機及其外圍輔助設(shè)備作為系統(tǒng)的控制處理部分。本章所涉及的各個單元作分析論述，其包括器件、芯片的選擇，電路的設(shè)計兩個部分。單片機是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器，隨機存取數(shù)據(jù)存儲器、 只讀程序存儲器、輸入/輸出電路，還有其它的外圍器件等集成到一片芯片上，構(gòu)成一個最小而且又完善的計算機系統(tǒng)。單片機在智能儀器儀表、工業(yè)控制、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信以及醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域[10]。在目前的工程使用中，應(yīng)用最多的是8位單片機和16位單片機；其中8位的單片機、16位單片機都分別由INTER公司的MCS51系列和MCS96系列為代表。MCS51系列和MCS96系列，都具有集成度高，處理數(shù)據(jù)能力強、可靠性高、運算速度快，MCS96系列主要是用在工業(yè)控制中，而且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格比較昂貴。而MCS51系列結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉等特點。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓高性能CMOS 8位單片機， 片內(nèi)含4KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲器和128B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度 非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，共有40個引腳，其中32個I/O接口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。針對本次設(shè)計，綜合考慮性能及成品價格，8位單片機完全能滿足需要，所以決定用8位的AT89C51作為本次設(shè)計的中央處理單元。本次系統(tǒng)主控單元硬件器件包括：BCD撥碼盤信息輸入、LED數(shù)碼顯示輸出、還包括分頻器件、譯碼器件、緩沖/驅(qū)動器件。針對本次的設(shè)計，考慮到現(xiàn)場環(huán)境的影響，對信息的輸出及顯示要求盡量的簡明、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）和報警指示燈輸出（故障類型）這兩種輸出的方式。下面就對BCD撥碼盤信息輸入、LED數(shù)碼顯示器的結(jié) 構(gòu)工作原理作簡單一一的介紹。常用的信息輸入方式有：按鍵鍵盤輸入、BCD撥碼盤輸入。按鍵鍵盤輸入需外擴可編程控制芯片8279，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜軟件編程也比較繁瑣，多用與輸入信息量較大，控制較復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)中；針對本次設(shè)計，考慮到現(xiàn)場中的諸多環(huán)境因素，要求對信息輸入方式盡量簡單，可靠，而BCD撥碼盤方便、直觀、實用，易于操作等諸多優(yōu)點，所以決定采用BCD撥碼盤輸入方式。下面就對撥碼盤的結(jié)構(gòu)和工作原理作簡單那介紹。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中使用的碼盤多為十進制輸入BCD碼輸出的碼盤。BCD碼撥盤后面有5個接點（圖51），其中A為輸入控制線，另外4根是BCD碼輸出信號線。撥碼盤撥到不同的位置時，輸入控制線A分別與4根BCD碼輸出線中的某根或幾根接通，其接通的BCD碼輸出線狀態(tài)正好與撥碼盤指示的十進制一致。BCD碼撥盤具有0 ～ 9十個位置，每個位置都有相應(yīng)的數(shù)字顯示，代表撥盤輸入的十進制數(shù)，因此每片撥碼盤可代表一位十進制數(shù)，需要幾為十進制數(shù)可選擇幾片BCD碼撥盤拼接[11]。圖51 4位BCD撥碼盤并聯(lián)結(jié)構(gòu)根據(jù)本次設(shè)計的信息輸入單元，主要完成實際的通訊線路與標準線路的系數(shù)輸入，來修正實際的測量結(jié)果，使用式： （51） ——修正系數(shù)，實際的應(yīng)為百分比系數(shù)，是60% ～95%之間；具體到通訊線路在70%～ 90%中取值。因此，設(shè)計中需要用兩片 BCD碼撥盤，通過一片74LS240芯片與AT89C51的P1口相連（此時兩片BCD碼撥盤的A應(yīng)接地，同時對4根BCD碼輸出線采用上拉電阻，使`碼撥盤輸出BCD碼反邏輯，原因是74LS240有反相作用，若兩片BCD碼撥盤的A端接+5V，4根BCD碼輸出線采用下拉電阻， 撥碼盤輸出BCD碼正邏輯，則可采用74LS245作為線驅(qū)動/緩沖器）。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，有的還帶有一個小數(shù)點dp，7段LED由此得名。將7段發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，稱為共陰極接法，當(dāng)某個字段的陽極為高電平時，對應(yīng)的字段就點亮；共陽極接法是將 LED顯示器的所有陽極并接后連到+5V的電源上，當(dāng)某一字段的陰極為0時，對應(yīng)的字段就點亮。因此，通過7段的不同組合控制，可以顯示0 ～ 9數(shù)字和A ～ F字母，實現(xiàn)16進制顯示。點亮LED顯示器有兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。下面以共陰極接法為例說明。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8位并行口相連。當(dāng)顯示某一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管就恒定地導(dǎo)通或截止。動態(tài)顯示是用掃描方式一位一位地輪流點亮LED顯示器的各個位。特點是：將多段LED顯示器同各端的段選線復(fù)接在一起，只用一個 8位I/O口輸出控段選線，段選碼同時加到各個LED顯示器上，因此，在每個瞬間，N位 LED只能顯示相同的字符，要想每一個LED顯示不同的字符，必須用另外一個I/O口控制各個LED顯示器公共陰極輪流接地，逐一掃描點亮，使每位LED顯示該位應(yīng)當(dāng)顯示的字符。恰當(dāng)?shù)剡x擇點亮LED的時間間隔（1ms ～5ms），會 給人一種視覺暫停效應(yīng)，似乎N位LED都在“同時”顯示?？刂泼總€LED顯示位輪流接地點亮的代碼稱之為“位選碼”。I/O口輸出8位代碼控制，特點是每次輸出只有一位是0（點亮）， 其余7位均為1（熄滅），因此每一位LED都有一 個唯一的8位“位選碼”[12]。本系統(tǒng)采用脈沖波在通訊線路上傳播，遇到故障點后返回，記下脈沖來回的時間，進而來確定故障點到測試點之間的距離。因此，計時單元的精確度直接影響系統(tǒng)的測量精度?！?0km之間，如考慮到技術(shù)要求，決定采用100MHz的脈沖源作為計時單元的計數(shù)脈沖；計數(shù)部分采用一片雙十進制74LS390芯片。 使用AT89C51內(nèi)部計數(shù)器T0。其能計最大的數(shù)值為：M=216=65536，所以能計的最長時間為 T=M/F=216/108==，低壓脈沖波在標準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準的通訊電纜間系數(shù)為ρ=80%，則最長的測量距2Lmax=PVTmax≈，即Imax=40km,滿足測量長度的要求。誤差，也滿足誤差的精度要求。所以，可判斷系統(tǒng)所選的計時部分。下面簡要說明連線形式：100MHz的脈沖源接到 74LS390的CP0， 74LS390 按串聯(lián)方式接成100進制計數(shù)器，計數(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)動器）芯片，接到單片機的8位數(shù)據(jù)總線上（P0）口。具體電路接線圖見附錄A。第6章 脈沖發(fā)生及接收單元電路設(shè)計本次設(shè)計主體的構(gòu)想：用調(diào)制過的低壓脈沖波，加到被測電纜上，通過對反射回來的脈沖波形的判斷，確定通訊電纜是否有故障，故障點到測試點之間的距離[13]。因此，在本次設(shè)計中，低壓脈沖波的產(chǎn)生、調(diào)制、發(fā)送、接收、檢驗過程是難點，也是重點。下面就本設(shè)計中所使用的信號發(fā)生電路、信號接受電路和相關(guān)知識作簡明介紹。本電路用來產(chǎn)生一個預(yù)定寬度為30V矩形脈沖，并通過耦合變壓器發(fā)送到電纜上去。脈沖發(fā)射電路框圖如下圖61所示。圖61中定時器電路為一可預(yù)置的減法計數(shù)器。按要求微處理器向定時器預(yù)先置一個數(shù)，電路接收到微處理器發(fā)出啟動發(fā)射的命令后，輸出一個5V的電平，此時定時器在時鐘信號控制下進行減法計數(shù)，即每來一個脈沖，定時記數(shù)減1，經(jīng)過幾個脈沖后，計數(shù)器減到0，定時器輸出一個0V的電平，這樣就形成了具有一定寬度的5V矩形脈沖。根據(jù)測量范圍的不同改變預(yù)置的數(shù)值，定時器就輸出不同寬度的脈沖。圖61 脈沖發(fā)射電路原理圖定時器輸出的5V的矩形脈沖，經(jīng)過放大電路放大為30V的電壓脈沖，施加到脈沖變壓器T1上去，此時發(fā)送脈沖通過脈沖變壓器T1原邊L1，在其副邊LL3產(chǎn)生大小相等極性相反的電壓脈沖，分別加到被測線路和內(nèi)部阻抗平衡電路，如內(nèi)部平衡電路阻抗與被測電路波阻抗相近，則在發(fā)射脈沖的作用下，在L L5產(chǎn)生一個大小相近， 極性相反的電流信號，L6收到的信號極弱，達到了壓縮發(fā)射脈沖的目的。而當(dāng)線路上反射脈沖到來時，在LL5上產(chǎn)生的電壓大小相等