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[摘 要]针对通信线缆故障检测耗时较长、测量精度不高等问题，在分析常见通信线缆故障类型的基础上，研制了一套多功能线缆故障检测系统，可以实现对常见故障类型准确识别和故障点位置的精确测量。
[关键词] 线缆故障检测；FPGA；STM32；时域反射
中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0231-01
随着我国信息化建设的不断推进，综合通信网在经济建设中发挥着越来越重要的作用，为经济高速发展提供了强有力的保障。但由于受各类因素的影响，综合通信网的通信线缆在业务传输过程中时常发生各类故障，造成通信网络运行不稳定甚至通信中断，严重影响了综合通信网效能的发挥。面对频发的传输线缆故障，现有检测定位手段却较为有限，加之现在通信线缆普遍芯数较多、長度较长、敷设相对隐蔽，因此在故障检测中很难实现对故障类型的快速识别和故障点位置精确定位，往往一个简单故障的排除都非常困难，不仅浪费了大量的人力、物力，而且会造成通信网的长时间中断。因此加强对通信线缆故障检测方面的研究，以在遇有线缆故障时简单、高效、快捷修复，具有十分重要的现实意义。
本文根据时域反射法的基本原理，设计研制了一套多功能线缆故障检测系统，基本实现了对通信线缆常见故障的准确识别和精确定位。
一、检测原理
多功能线缆故障检测系统主要分为通信电缆检测和通信光缆检测两大模块。
其中通信电缆检测模块采用脉冲时域反射法[1]。基本原理是：向待测电缆注入电脉冲信号，遇到故障点时产生反射脉冲，在接收端由仪器将发送脉冲和反射脉冲波形记录下来，则发射脉冲和反射脉冲之间的时间差Δt即为发送端到故障点往返一次所需的时间，已知脉冲在线缆中的传播速度为υ，即可通过以下公式计算故障点与脉冲发射端的距离：
L=υ·Δt/2
通过识别反射脉冲的极性，即可判断故障类型：断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同，而短路故障则与发射脉冲极性相反。
通信光缆检测模块采用光时域反射法[2]，其基本原理是：向待测光纤发射一个光脉冲信号，光脉冲信号沿着光纤向前传播遇到特征点（如断点、熔接损耗较大点或连接器连接处）时，可产生一个较强的反射信号，在接收端将反射光脉冲记录下来。与通信电缆脉冲时域法类似，即可确定被测光纤内各个特征点的位置。
二、硬件结构
基于此原理设计的多功能线缆故障检测系统按结构分为电脉冲发生、电脉冲接收、光脉冲发生、光脉冲接收、单片机控制等五部分。系统硬件结构图如图1所示。
电脉冲发生部分：
电脉冲发生部分提供系统测试用电脉冲，且电脉冲幅值0-15V、脉宽10-1000ns连续可调。系统通过MCU将所需幅值和脉宽参数传递给FPGA后，FPGA根据所设参数驱动高速DA芯片（AD9708）产生系统用源脉冲。但源脉冲幅值较小，最大仅为1V，因而系统中首先通过7阶巴特沃斯低通滤波器对源脉冲滤波，而后使用两片高性能运放AD8065和AD8021对源脉冲进行幅值放大，使得其脉冲幅值最大可达15V，满足测试需求。
电脉冲接收部分：
电脉冲接收部分，利用AD芯片（AD9226）对反射脉冲回波进行高速采样，以取得回波脉冲数据。因反射脉冲幅值较小，在脉冲信号进入AD芯片之前，采用两片高性能运放AD8065芯片对反射脉冲信号进行放大，以提高系统可检测故障距离。
光脉冲发生部分：
光脉冲发生部分，产生通信光缆故障检测用激光脉冲。系统采用的是50mw，1310nm激光二极管，驱动电流达1A。为取得合适的驱动电流，系统利用电脉冲发生部分产生的电脉冲，结合两个高速三极管（MPS2222），组成一个简单的电流源，驱动电流最大可达1.3A，足以驱动激光二极管。
光脉冲检测部分：
光脉冲检测部分，采用雪崩光电二极管（APD）接收反射光信号，通过光电导模式实现光电转化。由于反射光脉冲经APD进行光电转换后电流为na量级，很难被检测，因此在APD输出端采用低噪声电压反馈放大器OPA847进行电流电压变换，将微电流转换为可检测电压，再经电脉冲接收部分进行高速AD采样。
单片机控制部分：
单片机控制部分，通过单片机STM32实现对系统整体的控制、数据运算处理和通信等功能。
三、软件设计
配合硬件完成通信线缆故障检测任务，软件流程如图2所示。
上电后，首先对I/O端口、串行通信端口、LED显示屏和FPGA进行必要的配置并初始化。初始化完成后根据待测线缆的种类、故障点位置的粗略判断，设定相应脉冲传播速度、幅值、脉宽等参数。而后点击屏幕开始键，则系统根据设定的参数产生相应脉冲，送入待测线缆。在脉冲发射的同时开启回波数据采集，实时监测由待测线缆返回的数据。在数据采集完成后，通过并行方式传递给单片机控制部分，再由单片机控制部分自动实现对脉冲特征点的定位，对故障类型的识别、对故障距离的计算等操作，并通过LED显示屏进行显示。若脉冲参数设置不正确，导致无法判断线缆故障，需重新调整脉冲参数再次测量。若需人工校正测距结果，调整回波到达时刻与回波波形的相对位置即可，调整过程中，测距结果将自动更新。
四、实验结果
为了验证系统的测试准确率和测量精度，本文为认为给各类型线缆设定各类故障，再利用本系统进行故障点的故障类型识别和故障点距离的计算。试验结果表明：系统可以实现对常见通信电缆故障的准确识别和精确定位，故障识别率达95%以上，定位精度为±4米。
五、总结
本系统在分析常见通信线缆故障的基础上，采用STM32芯片作为单片机控制单元，利用FPGA构建测量单元，研制了一套多功能线缆故障检测系统，可实现对通信电缆、光缆故障类型的准确识别和故障点距离的准确测量，具有较强的应用价值。
参考文献
[1] 曹冬明等.一种新型故障定位方法的研究.电力系统自动化，1999，23（7）：12～14
[2] 李强.采用OTDR准确判断光缆线路故障点.华北电力技术，2005增刊
[关键词] 线缆故障检测；FPGA；STM32；时域反射
中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0231-01
随着我国信息化建设的不断推进，综合通信网在经济建设中发挥着越来越重要的作用，为经济高速发展提供了强有力的保障。但由于受各类因素的影响，综合通信网的通信线缆在业务传输过程中时常发生各类故障，造成通信网络运行不稳定甚至通信中断，严重影响了综合通信网效能的发挥。面对频发的传输线缆故障，现有检测定位手段却较为有限，加之现在通信线缆普遍芯数较多、長度较长、敷设相对隐蔽，因此在故障检测中很难实现对故障类型的快速识别和故障点位置精确定位，往往一个简单故障的排除都非常困难，不仅浪费了大量的人力、物力，而且会造成通信网的长时间中断。因此加强对通信线缆故障检测方面的研究，以在遇有线缆故障时简单、高效、快捷修复，具有十分重要的现实意义。
本文根据时域反射法的基本原理，设计研制了一套多功能线缆故障检测系统，基本实现了对通信线缆常见故障的准确识别和精确定位。
一、检测原理
多功能线缆故障检测系统主要分为通信电缆检测和通信光缆检测两大模块。
其中通信电缆检测模块采用脉冲时域反射法[1]。基本原理是：向待测电缆注入电脉冲信号，遇到故障点时产生反射脉冲，在接收端由仪器将发送脉冲和反射脉冲波形记录下来，则发射脉冲和反射脉冲之间的时间差Δt即为发送端到故障点往返一次所需的时间，已知脉冲在线缆中的传播速度为υ，即可通过以下公式计算故障点与脉冲发射端的距离：
L=υ·Δt/2
通过识别反射脉冲的极性，即可判断故障类型：断路故障反射脉冲与发射脉冲极性相同，而短路故障则与发射脉冲极性相反。
通信光缆检测模块采用光时域反射法[2]，其基本原理是：向待测光纤发射一个光脉冲信号，光脉冲信号沿着光纤向前传播遇到特征点（如断点、熔接损耗较大点或连接器连接处）时，可产生一个较强的反射信号，在接收端将反射光脉冲记录下来。与通信电缆脉冲时域法类似，即可确定被测光纤内各个特征点的位置。
二、硬件结构
基于此原理设计的多功能线缆故障检测系统按结构分为电脉冲发生、电脉冲接收、光脉冲发生、光脉冲接收、单片机控制等五部分。系统硬件结构图如图1所示。
电脉冲发生部分：
电脉冲发生部分提供系统测试用电脉冲，且电脉冲幅值0-15V、脉宽10-1000ns连续可调。系统通过MCU将所需幅值和脉宽参数传递给FPGA后，FPGA根据所设参数驱动高速DA芯片（AD9708）产生系统用源脉冲。但源脉冲幅值较小，最大仅为1V，因而系统中首先通过7阶巴特沃斯低通滤波器对源脉冲滤波，而后使用两片高性能运放AD8065和AD8021对源脉冲进行幅值放大，使得其脉冲幅值最大可达15V，满足测试需求。
电脉冲接收部分：
电脉冲接收部分，利用AD芯片（AD9226）对反射脉冲回波进行高速采样，以取得回波脉冲数据。因反射脉冲幅值较小，在脉冲信号进入AD芯片之前，采用两片高性能运放AD8065芯片对反射脉冲信号进行放大，以提高系统可检测故障距离。
光脉冲发生部分：
光脉冲发生部分，产生通信光缆故障检测用激光脉冲。系统采用的是50mw，1310nm激光二极管，驱动电流达1A。为取得合适的驱动电流，系统利用电脉冲发生部分产生的电脉冲，结合两个高速三极管（MPS2222），组成一个简单的电流源，驱动电流最大可达1.3A，足以驱动激光二极管。
光脉冲检测部分：
光脉冲检测部分，采用雪崩光电二极管（APD）接收反射光信号，通过光电导模式实现光电转化。由于反射光脉冲经APD进行光电转换后电流为na量级，很难被检测，因此在APD输出端采用低噪声电压反馈放大器OPA847进行电流电压变换，将微电流转换为可检测电压，再经电脉冲接收部分进行高速AD采样。
单片机控制部分：
单片机控制部分，通过单片机STM32实现对系统整体的控制、数据运算处理和通信等功能。
三、软件设计
配合硬件完成通信线缆故障检测任务，软件流程如图2所示。
上电后，首先对I/O端口、串行通信端口、LED显示屏和FPGA进行必要的配置并初始化。初始化完成后根据待测线缆的种类、故障点位置的粗略判断，设定相应脉冲传播速度、幅值、脉宽等参数。而后点击屏幕开始键，则系统根据设定的参数产生相应脉冲，送入待测线缆。在脉冲发射的同时开启回波数据采集，实时监测由待测线缆返回的数据。在数据采集完成后，通过并行方式传递给单片机控制部分，再由单片机控制部分自动实现对脉冲特征点的定位，对故障类型的识别、对故障距离的计算等操作，并通过LED显示屏进行显示。若脉冲参数设置不正确，导致无法判断线缆故障，需重新调整脉冲参数再次测量。若需人工校正测距结果，调整回波到达时刻与回波波形的相对位置即可，调整过程中，测距结果将自动更新。
四、实验结果
为了验证系统的测试准确率和测量精度，本文为认为给各类型线缆设定各类故障，再利用本系统进行故障点的故障类型识别和故障点距离的计算。试验结果表明：系统可以实现对常见通信电缆故障的准确识别和精确定位，故障识别率达95%以上，定位精度为±4米。
五、总结
本系统在分析常见通信线缆故障的基础上，采用STM32芯片作为单片机控制单元，利用FPGA构建测量单元，研制了一套多功能线缆故障检测系统，可实现对通信电缆、光缆故障类型的准确识别和故障点距离的准确测量，具有较强的应用价值。
参考文献
[1] 曹冬明等.一种新型故障定位方法的研究.电力系统自动化，1999，23（7）：12～14
[2] 李强.采用OTDR准确判断光缆线路故障点.华北电力技术，2005增刊