【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 造成顯著的測(cè)量盲區(qū)；儀器同時(shí)接收并在顯示器上顯示發(fā)送脈沖與反射脈沖，當(dāng)故障點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，發(fā)送脈沖的幅值遠(yuǎn)大于故障點(diǎn)反射脈沖，如通過提高放大器增益，來達(dá)到提高故障點(diǎn)反射脈沖幅值的目的，將造成信號(hào)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(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。2. 內(nèi)部阻抗平衡技術(shù)如圖410所示，儀器同時(shí)向被測(cè)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(hào)是被測(cè)電纜與內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)上信號(hào)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，則發(fā)送脈沖在電纜與內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生的信號(hào)相同，儀器接收到的信號(hào)為零，而當(dāng)反射脈沖到來時(shí)，內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)上無信號(hào)出現(xiàn)，反射脈沖全部送到儀器接收電路上去。圖410 內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)的作用a. 無內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)b. 有內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò),儀器增益過大圖411 有無內(nèi)部平衡網(wǎng)絡(luò)的脈沖反射波形比較 ，提高儀器增益測(cè)得的。，當(dāng)發(fā)送脈沖在波形上同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，因發(fā)送脈沖幅值遠(yuǎn)大于故障點(diǎn)反射脈沖，如提高儀器放大增益，來達(dá)到提高故障點(diǎn)反射脈沖幅值的目的，將導(dǎo)致儀器輸入信號(hào)過大，造成信號(hào)放大電路飽和，出現(xiàn)所謂的“阻塞”現(xiàn)象。 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)。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(cè)出電纜出頭故障。首先測(cè)得一完好電纜芯線的脈沖反射波形，儲(chǔ)存起來，然后再測(cè)量故障芯線，把先后兩次測(cè)量波形比較，在波形起始處，二者有明顯的差別，說明是電纜出頭故障。圖412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。圖412有短路故障的線芯與完好線芯的波形比較第5章 系統(tǒng)主控單元硬件電路設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)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(gè)單元作分析論述，其包括器件、芯片的選擇，電路的設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。單片機(jī)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(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 只讀程序存儲(chǔ)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(gè)最小而且又完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)在智能儀器儀表、工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)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(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。MCS51系列和MCS96系列，都具有集成度高，處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、可靠性高、運(yùn)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(jià)格比較昂貴。而MCS51系列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。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。ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。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。針對(duì)本次設(shè)計(jì)，綜合考慮性能及成品價(jià)格，8位單片機(jī)完全能滿足需要，所以決定用8位的AT89C51作為本次設(shè)計(jì)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(dòng)器件。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。下面就對(duì)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(jiǎn)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(kuò)可編程控制芯片8279，結(jié)構(gòu)相對(duì)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(duì)本次設(shè)計(jì)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)中的諸多環(huán)境因素，要求對(duì)信息輸入方式盡量簡(jiǎn)單，可靠，而BCD撥碼盤方便、直觀、實(shí)用，易于操作等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以決定采用BCD撥碼盤輸入方式。下面就對(duì)撥碼盤的結(jié)構(gòu)和工作原理作簡(jiǎn)單那介紹。BCD碼撥盤后面有5個(gè)接點(diǎn)（圖51），其中A為輸入控制線，另外4根是BCD碼輸出信號(hào)線。撥碼盤撥到不同的位置時(shí)，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(jìn)制一致。BCD碼撥盤具有0 ～ 9十個(gè)位置，每個(gè)位置都有相應(yīng)的數(shù)字顯示，代表撥盤輸入的十進(jìn)制數(shù)，因此每片撥碼盤可代表一位十進(jìn)制數(shù)，需要幾為十進(jìn)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)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。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(gè)字段的陽極為高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)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(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)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(shí)現(xiàn)16進(jìn)制顯示。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(gè)8位并行口相連。當(dāng)顯示某一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管就恒定地導(dǎo)通或截止。動(dòng)態(tài)顯示是用掃描方式一位一位地輪流點(diǎn)亮LED顯示器的各個(gè)位。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。恰當(dāng)?shù)剡x擇點(diǎn)亮LED的時(shí)間間隔（1ms ～5ms），會(huì) 給人一種視覺暫停效應(yīng)，似乎N位LED都在“同時(shí)”顯示?？刂泼總€(gè)LED顯示位輪流接地點(diǎn)亮的代碼稱之為“位選碼”。I/O口輸出8位代碼控制，特點(diǎn)是每次輸出只有一位是0（點(diǎn)亮）， 其余7位均為1（熄滅），因此每一位LED都有一 個(gè)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(diǎn)后返回，記下脈沖來回的時(shí)間，進(jìn)而來確定故障點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)之間的距離。因此，計(jì)時(shí)單元的精確度直接影響系統(tǒng)的測(cè)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(jì)時(shí)單元的計(jì)數(shù)脈沖；計(jì)數(shù)部分采用一片雙十進(jìn)制74LS390芯片。 使用AT89C51內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0。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。誤差，也滿足誤差的精度要求。所以，可判斷系統(tǒng)所選的計(jì)時(shí)部分。下面簡(jiǎn)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(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。具體電路接線圖見圖1。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)制過的低壓脈沖波，加到被測(cè)電纜上，通過對(duì)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(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)之間的距離[13]。因此，在本次設(shè)計(jì)中，低壓脈沖波的產(chǎn)生、調(diào)制、發(fā)送、接收、檢驗(yàn)過程是難點(diǎn)，也是重點(diǎn)。下面就本設(shè)計(jì)中所使用的信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)接受電路和相關(guān)知識(shí)作簡(jiǎn)明介紹。本電路用來產(chǎn)生一個(gè)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(shí)器電路為一可預(yù)置的減法計(jì)數(shù)器。按要求微處理器向定時(shí)器預(yù)先置一個(gè)數(shù)，電路接收到微處理器發(fā)出啟動(dòng)發(fā)射的命令后，輸出一個(gè)5V的電平，此時(shí)定時(shí)器在時(shí)鐘信號(hào)控制下進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，即每來一個(gè)脈沖，定時(shí)記數(shù)減1，經(jīng)過幾個(gè)脈沖后，計(jì)數(shù)器減到0，定時(shí)器輸出一個(gè)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(cè)量范圍的不同改變預(yù)置的數(shù)值，定時(shí)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(shí)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(shí)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(cè)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(cè)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(gè)大小相近， 極性相反的電流信號(hào)，L6收到的信號(hào)極弱，達(dá)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(shí)，在LL5上產(chǎn)生的電壓大小相等，方向相反，回路電壓代數(shù)和為0，內(nèi)部平衡電路不起作