電纜線路的隱蔽性及測試設備的局限性，使電纜故障的查找非常困難。本文設計了一種以嵌入式微處理器Nios為核心的電纜故障檢測儀，應用A/D器件和FPGA組成可變頻率的高速數據采集系統(tǒng)，利用低壓脈沖反射法原理來實現線纜的斷路、短路、斷路點、短路點的檢測與定位。該儀器可廣泛應用于通信維護、工程施工和綜合布線，對市話電纜、同軸電纜等各種線纜進行測試和障礙維護。

  電纜線路的隱蔽性及測試設備的局限性，使電纜故障的查找非常困難。本文設計了一種以嵌入式微處理器Nios為核心的電纜故障檢測儀，應用A/D器件和FPGA組成可變頻率的高速數據采集系統(tǒng)，利用低壓脈沖反射法原理來實現線纜的斷路、短路、斷路點、短路點的檢測與定位。該儀器可廣泛應用于通信維護、工程施工和綜合布線，對市話電纜、同軸電纜等各種線纜進行測試和障礙維護。

  1、系統(tǒng)總體結構

  利用低壓脈沖反射法檢測電纜故障。主要原理是：向電纜發(fā)送一個電壓脈沖，當發(fā)射脈沖在傳輸線上遇到故障時，由于故障點阻抗不匹配，產生反向脈沖，通過計算二者的時間差△T，并分析反射脈沖的特性來進行故障的定性與定位。該方法適用于斷線、接觸不良、低電阻或短路故障的測試。

  故障點距離L為：L=V·△T/2。式中，V是脈沖在電纜中的傳播速度。根據反向脈沖的極性可判斷故障性質：斷線或接觸不良引起的反向脈沖為正，低電阻或短路故障引起的反向脈沖為負。

  該儀器是一個便攜式電纜故障檢測設備，可利用現代電子技術(如高速A/D技術、異步FIFO技術、現場可編程邏輯陣列FPGA等)來提高集成度和靈活性。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

  脈沖發(fā)生電路產生探測脈沖，高速的A/D轉換器對脈沖及其反射回波信號進行采樣，使用異步FIFO作為A/D采樣數據的緩存。軟核Nios作為系統(tǒng)核心，控制檢測任務的啟動和結束、脈沖發(fā)送接收模式的選擇、A/D采樣數據的處理計算、故障性質和位置的判斷及顯示等。其中，軟核處理器和邏輯功能都是在現場可編程邏輯器件中編程實現的。

  2、功能及性能指標

  短路測試：檢測電纜芯線之間是否有不必要的連接及其位置。

  斷路測試：檢測電纜中某芯線是否斷路及其位置。

  顯示：顯示測試結果，即測量中開路及短路的位置。

  測量范圍：2～1000m。

  測試精度：可選擇2m和10m兩種精度。

  脈沖振幅：負載開路5V。

  脈沖寬度：20ns，100ns。

  最大采樣速率：100MHz。

  波形記錄長度：1024點。

  3、硬件設計

  以Altera公司的CyeloneII系列FPGA器件EP2C20為核心，利用其Nios軟核功能設計了微處理器，并完成了相關電路的設計。通過編程FPGA器件定制脈沖發(fā)生、高速時鐘以及高速數據存儲FIFO等模塊，以此為基礎設計了脈沖發(fā)送和接收電路以及高速數據采集和處理電路。

  3.1微處理器系統(tǒng)

  簡單來說，Nios是一種處理器的IP核，設計者可以將它放到FPGA中。Nios軟核處理器是一種基干流水線的精簡指令集通用微處理器，時鐘信號頻率最高可達75MHz。采用Flash來存儲啟動代碼和應用程序，當系統(tǒng)復位或加電啟動時，Flash中的啟動代碼將被執(zhí)行。采用SDRAM存儲應用程序的可執(zhí)行代碼和數據，為程序提供運行空間。Nios軟核與Flash和SDRAM的連接在FPGA中的設計如圖2所示。

  3.2探測脈沖的產生

  故障檢測所用脈沖信號的寬度為20～100ns，FPGA的工作時鐘可以達到200MHz，在其中生成減法計數器可產生滿足脈寬要求的脈沖信號。減法計數器產生脈沖的幅度受限于FPGA的工作電平，對檢測來說是不夠的，因此從FPGA中出來的方波脈沖還要經過放大，才可以耦合到被檢測線纜中去。SN74LVC4245A用作電平轉換。sta和pulse_input均來自FPGA。本設計采用的是5V脈沖幅度，脈沖的饋送采取了晶體管射極驅動的方式。這種驅動方式比較簡單，適用的器件也比較多。

  3.3A/D轉換電路

  檢測脈沖的寬度為20～100ns，相應的數據采樣率在20MHz和100MHz之間變化，一般的A/D芯片很難滿足采樣的要求，而用多片A/D芯片在成本和設計上都比較困難。這里選用美國NS公司的ADC08100，其采樣速率為20～100Msps，此時采樣的功耗為1.3mW/Msps，采樣的功耗會隨著采樣時鐘增加而增加，但是采樣的特性不會受到影響，因此在采樣率多樣的系統(tǒng)中一個芯片可以起到多個芯片的作用。根據采樣速率的不同，通過一個時鐘控制模塊產生相應的采樣時鐘信號，使芯片工作在所要求的速率之下，既可以節(jié)約成本，又可以簡化設計。ADC08100和FPGA配合使用，可以方便地改變采樣時鐘，具有很大的靈活性。

  A/D轉換電路如圖3所示。探測脈沖及回波信號需要轉換成適合A/D芯片電壓水平的信號后再進行采樣。脈沖在輸入運算放大器之前進行了鉗位處理，采用兩組倒置的二極管并聯，避免脈沖過高而擊穿運算放大器。

  圖3A/D轉換電路

  3.4時鐘信號的產生

  檢測脈沖的產生、ADC08100的采樣，以及異步FIFO的數據緩存構成了一個高速A/D數據采集系統(tǒng)。這對于各種信號的時間配合要求很高，需要專門的時鐘單元來配合，以使電路工作在正確的時序之下。在FPGA中可方便地定制時鐘模塊來產生A/D采樣時鐘、異步存儲器的讀寫時鐘，以及脈沖發(fā)生模塊的計數時鐘。所有的時鐘都是由一個高速的時鐘來實現同步的，并且整個系統(tǒng)是在同一個啟動信號下同步運行的，從而保證了采樣的時序要求。

  3.5電源模塊

  系統(tǒng)中既有模擬電路又有高速數字電路，使用電源種類復雜，存在+5V、+3.3V、+1.2V、-5V等多種電源信號。在電路板設計制作中既要減小高頻數字信號對模擬信號的電磁干擾，又要避免各種電源之間的干擾，因此需合理規(guī)劃模塊布局及布線走向以提高信號穩(wěn)定性。

  4、軟件設計

  軟件設計主要包括FPGA的開發(fā)應用、應用程序設計以及液晶顯示器的驅動程序設計等。

  4.1FPGA開發(fā)應用

  現場可編程邏輯器件FPGA(FieldProgrammingGateArray)具有高密度、高速度、低功耗、功能強大等特點。在此系統(tǒng)中采用了Altera公司的CycloneII系列器件來實現高速的數據采集、存儲功能，是在QuartuslI7.1軟件中使用硬件描述語言VHDL來設計完成的。高密度可編程邏輯器件的設計流程包括：設計準備、設計輸入、設計處理和器件編程4個步驟，以及相應的功能仿真(前仿真)、時序仿真(后仿真)和器件測試3個設計驗證過程。

  本設計中，主要包括Nios微處理器、脈沖發(fā)生、高速時鐘以及高速數據存儲FIFO等模塊的設計。

  4.2應用程序設計

  應用程序控制檢測任務的啟動和結束、脈沖發(fā)送接收模式的選擇、A/D采樣數據的處理計算、故障性質和位置的判斷以及結果輸出等。

  5、結語

  本文提出了基于Nios軟核的電纜故障檢測儀設計方案。對于脈沖反射法檢測故障的具體實現，提出了基于現場可編程邏輯器件的高速采樣系統(tǒng)的設計思路，并在此基礎上對系統(tǒng)進行了全面的設計。仿真和試驗結果表明，該系統(tǒng)能夠實現對電纜的斷路、短路等故障的檢測，具有在線監(jiān)測、易于控制的優(yōu)點，以及靈活和良好的擴展功能。北京恒瑞鑫達科技有限公司。

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