基于TDR多芯信号电缆故障测试装置的研制*

吕 瀚 吴雄伟 关伟智 吴林斌

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

基于TDR多芯信号电缆故障测试装置的研制*

吕 瀚 吴雄伟 关伟智 吴林斌

(中国地震局地震研究所，武汉 430071)

介绍一种基于时域脉冲反射(TDR)的多芯电缆故障测试装置。使用C8051F005单片机为处理核心，控制CPLD向电缆注入脉冲信号，通过双机联测的方式在电缆两端点同时进行测量，可快速判断电缆短接，混接以及芯线断线等故障以及故障点的位置，故障位置定点可精确到5 m以内，该装置设计成本低廉，操作方便，具有良好的应用前景。

时域脉冲反射(TDR);多芯电缆;双机联测;断路;短路

1 引言

多芯电缆是工程应用中常用的电信号传输介质，由于芯数较多，电缆结构一般较复杂，在铺设安装过程中极易出现线芯断裂，在装配焊接过程中也容易出现短路，芯线错位等故障。为了保证通讯电缆的正常工作，在电缆施工安装完成后需进行各项故障测试，排除短、断路以及芯线错位等故障。传统的多芯电缆故障检测主要采用万用表、示波器等通用设备进行人工检测，耗时、周期较长，同时对检测人员的专业素质的要求较高;而专用的电缆检测设备可以较精确的判断单芯电缆断线、短路等故障，但价格昂贵，对多芯电缆的测量操作过程较为繁琐。

本文介绍一种基于时域脉冲反射(TDR)的测试装置，通过双机联测的方式，可以快速地检测出多芯电缆的芯线配对错位、短路，断路等故障，并能较为准确地确定电缆的故障点。

2 测试原理

根据电磁波理论，电脉冲信号在电缆中传输的过程中，若传输介质出现突变(电缆短路、断路故障点)，脉冲信号将在突变处发生反射［1］，反射系数可由

计算。式中，Zi为电缆线路障碍点的输入阻抗，Zc为电缆线路的特性阻抗。当线路出现断路时，输入阻抗趋向于无穷大，由式(1)可得，反射系数ρ=1，此时反射的电脉冲与初始脉冲幅度相近，相位相同;脉冲全反射且与入射脉冲同相;当线路出现短路时，输入阻抗接近零，此时反射系数ρ=0，反射的电脉冲与初始脉冲幅度相近，但相位相反［2］。

根据脉冲注入电缆的时间点以及脉冲反射返回的时间点，由

计算出故障点的距离。式中，v为电脉冲波在电缆介质中传播的速度，t0、t1分别为脉冲发送的时刻与脉冲返回到发送点的时刻。基于上述原理，向出现故障的电缆起始端注入脉冲信号，记下注入脉冲时刻，再依据返回脉冲相位和回时刻，即可对电缆故障类型和位置进行较为精确的判断与计算［3］。

3 硬件设计

图1 系统框图Fig.1 Block diagram of the system

依照电缆故障测试原理，在测试过程中，测试设备必须对脉冲注入与返回时刻以及返回波形相位这两个参数进行较为准确的与判断，但实现上较为困难。由于脉冲在电缆中传播的速度较快(一般为200 m/us)［4］，若注入脉冲较宽，或故障点离注入脉冲点距离较近，将会出现返回脉冲与注入脉冲重叠或交叠的现象，无法对脉冲的时间差进行判断，即存在测试盲区［5］。本文使用双机联测的方式来解决测试盲区的问题，测试装置硬件框图如图1所示，采用51单片机系列C8051F005作为主控制芯片，控制EPM570型CPLD向待测电缆注入脉冲，并记录故障返回脉冲，通过记录的时间差计算故障点的具体位置。采用CPLD使得装置控制灵活，响应速度快，并简化了硬件电路，利用CPLD芯片丰富的内部硬件资源，增强了设计的灵活性，提高了系统的整体性能［6］。

3.1 配线检测

配线测试方式如图2所示，将两套装置分别接入待测电缆两端，测试装置A通过继电器组向待测电缆中的一根芯线发送测试脉冲，若该芯线无故障，脉冲将会直接传送到测试装置B处，B装置在电缆的另一端依次进行扫描，即可接收到测试脉冲。A装置依次接通电缆各芯线并发送脉冲，装置B同步进行接收并记录，则可完成电缆配线序列的检测。

图2 双机联测原理图Fig.2 Principle diagram of dual joint measurement

3.2 断线与短路故障检测

若电缆存在故障，返回脉冲将会在电缆故障点处反射，返回到测试装置，依照上述测试原理即可计算出故障发生的具体位置。由于返回脉冲与电缆故障类型相关，有正负脉冲之分，正脉冲可直接通过CPLD的IO口进行接收，而负脉冲必须进行转换成正脉冲才能接入IO口。本装置通过两路运放进行相位鉴别，图3为脉冲相位与转换电路，采用运放AD8021对电缆上的返回波形进行鉴别与转换，AD8021为高速运放，频带可达200 MHz，可满足本装置中微秒级脉冲的转换［7］。电路原理如下，单片机控制CPLD发送测试脉冲，控制MOS管Q1向测试电缆发送幅度+5V的脉冲信号，若电缆出现断线故障，正反射脉冲信号将经二极管D3与运放U1通道返回到CPLD进行采集，若为短路故障，负脉冲经运放U2反向后变为正脉冲返回到CPLD。

图3 脉冲相位判别电路Fig.3 Pulse phase discriminating circuit

依据测量原理，计算出发射脉冲和返回脉冲的时间差，即可确认短路或断路故障点的位置。为了计算时间差，在CPLD中设定3个定时器，分别对图3中CPLD的3个IO口上的发射脉冲和返回脉冲进行时间计数(图4)，依据式(1)即可计算出故障点的位置。

图4 时间差计算示意图Fig.4 Diagram of time interval calculation

为了防止电缆上高频噪声的影响，系统通过重复测量来剔除误判断。可通过系统自带的键盘输入重复测量次数，设定好后系统将自动进行测量，并将各次测量的数值进行存储，然后计算平均值与方差，根据计算结果剔除无效数据后再计算平均距离，即可得出较为精确的结果［8］。

3.3 测试盲区的处理方法

当电缆故障点与测试装置距离较小时，由于电脉冲在电缆中传送的速度很快，将会出现发送脉冲与返回脉冲交叠的现象，在该距离内所有的故障将无法通过回波反射法进行检测，即存在测试盲区。本系统采用双机联测方法解决测试盲区的问题。

按照图2连接测试装置和待测电缆，当其中一台装置检测到返回脉冲，注入脉冲时间与返回脉冲时间几乎一致时，说明故障点距离测试装置过小，此时将启动另一台测试装置，在远端进行测量，即可计算时间差和故障点距离。

4 测试结果分析

分别使用100 m、200 m、300 m与500 m长的14芯电缆对本装置进行测试，经检测，发现系统可精确地测量电缆的配线线序。人为将电缆的一端芯线断开或与系统地短接，使用50 ns方波脉冲进行测试，系统测试结果如表1。

表1 系统测试结果(单位：m)Tab.1 Results of system test(unit：m)

从测量结果中可知，系统可较为准确地判断出故障的位置，但测量结果与实际位置相比普遍偏大，经分析可能是由于相位判别电路的对脉冲信号的延迟所造成的。

5 结论

以单片机为控制核心，采用 TDR原理通过CPLD进行电缆故障测量，简化了多芯电缆的配线线序检测、短路与电路故障的检测，大大降低了设计成本。

1 王蔷.电磁场理论基础［M］.北京：清华大学出版社，2001.

2 肖利.电磁学［M］.北京：科学出版社，2011.

3 邓忠礼.数字传输系统测试［M］.北京：人民邮电出版社，1993.

4 宁瑞林.浅谈电缆故障探测［J］.科学论坛，2003，2：45.

5 余景丰.电缆故障测寻新技术及其特殊波形的分析［J］.冶金设备管理与维修，1994，5：28-30.

6 石鸿凌，姜琳峰，孙洪.基于CPLD的可控电抗控制器［J］.信息与电子工程，2003，3：57.

7 Analog Devices.Low noice，high speed amplifier for 16-bit systems［S］.AD8021，Rev.F.

8 孔令海，何虎军.采集数据无效值的剔除方法［J］.信息技术，2006，4：89-90.

MULTI-CORE CABLE TEST DEVICE BASED ON TIME DOMAIN REFLECTOMETRY(TDR)

Lü Han，Wu Xiongwei，Guan Weizhi and Wu Linbin
(Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071)

This paper presents a multi-core cable test device based on the time domain reflectometry(TDR).A microcontroller of C8051F005 is used for controling CPLD to send pulse signal to the cable.With this design and dual joint measurement mode，the faults of cable shorted，mixed and the position of borken wires can be quickly detected and the presion of fault fixed-point position can be within 5 m.Because of the low cost and convenient operation，the design will have good application prospects.

Time Domain Reflectometry(TDR);multi-core cable;dual joint measurement;broken circuit;shorted circuit

1671-5942(2011)Supp.-0152-03

2011-05-02

中国地震局地震研究所所长基金(IS20106093)

吕瀚，男，1983年生，硕士，研究实习员，主要从事地震监测仪器的设计研发工作.E-mail：haohan_lv@qq.com

TH762

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