基于时域反射的多芯线缆检测装置设计

汪兴海 刘 凯

（海军航空工程学院基础实验部 烟台 264001）

1 引言

近些年，随着部队装备数量以及装备训练频率的增加，设备之间的联通性操作越来越频繁，导致线缆损耗加快，设备与设备之间的联通性故障时有发生，给设备操作人员带来了很大的麻烦。目前基层部队常用的线缆少则几芯，多则几十芯，操作人员主要依靠万用表测通断的方法逐芯检测线缆的完好情况，一旦发生设备间的联通性故障，工作效率很难满足快速排故的要求。特别是对于大型水面舰艇，线缆的两端相距较远，增加了故障定位的难度。

近几年兴起的基于时域反射原理的线缆测试方法通过向线缆一端注入脉冲信号，利用故障点的阻抗不匹配特性，通过检测故障点的反射信号参数，确定故障类型并对故障点进行定位［1］。该方法是一种典型的单端测试法，能有效解决大型水面舰艇线缆两端不方便同时检测的问题，非常适合大型水面舰艇的线缆测试。通过在测试端设计开关矩阵，能够实现对多芯线缆的自动检测与定位，能够满足快速定位、快速排故的需求［2］。

2 总体方案设计

根据测试需求，待测线缆芯数一般介于1芯～32芯，线缆长度介于1.5m～1000m，线缆材质一般为铜芯、聚氯乙烯绝缘外套，电信号在线缆中的传播速度因线缆材质和构造而异［3］，但一般介于0.4c～0.8c（c为光速3*108m/s）。因此，多芯线缆自动检测装置的设计应充分考虑待测线缆的实际情况，完善线缆数据库建设，在此基础上设计基于时域反射的多芯线缆检测矩阵，实现对多芯线缆的检测与故障定位。总体方案设计如图1所示。主要包括人机交互模块、数据库、数据处理模块、测试信号采集模块、测试信号产生模块、测试矩阵模块、电源模块等［4］。

图1 总体方案功能模块结构图

1）人机交互模块：主要完成测试指令的输入和测试结果的显示。测试指令主要包括：待测线缆的选择、开始测试、暂停测试、测试结果存储、测试结果调取等；其中待测线缆的选择通过输入线缆编号实现，线缆编号的命名规则为：部门代号-单元代号—线缆代号，如WK-FS-1004，表示WK部门FS单元的1004号线缆。

2）数据库模块：主要存储每型线缆的编号、电信号在该型线缆中的传播速度（以下简称波速）、线长、芯线数量等线缆信息，以及保存的测试结果信息，用于后续维护中的线缆故障预测。

3）测试信号产生模块：由于待测线缆长度少则几米、多则近千米，需要不同参数的测试脉冲。脉冲过窄，则信号能量有限，导致测试距离有限；脉冲过宽则时域反射信号较难分辨，导致测试盲区增大。因此，需要根据不同线缆的长度信息产生不同宽度和幅度的测试信号。

4）测试信号采集模块：该模块用于完成对测试信号和反射信号的采样和存储；由于测试信号脉宽和幅度因待测线缆长度的不同而不同，在数据采集时必须综合考虑定位精度、测试效率和数据处理模块硬件资源等因素，选择最优的采样速率；并根据测试信号的参数合理设置信号调理电路结构和参数，确保模数转换达到最优的效果。

5）测试矩阵：该模块根据测试程序指令完成测试矩阵的切换，配合测试信号产生模块和采集模块对待测线缆各芯线进行遍历测试。

3 系统硬件结构设计

在系统功能模块划分的基础上，系统的硬件方案基于片上可编程系统设计（SOPC），主要包括SOPC模块设计、TFT显示电路设计、测试信号调理与采集电路设计、电源转换电路设计、按键电路设计、测试矩阵电路设计、存储电路设计等［5］。

SOPC模块作为整个系统的控制和信息处理中枢，主要包括内置NiossII软核处理器及负责各个功能的可编程逻辑模块，这些模块通过片上Avalon总线接受NiosII软核的控制和信息交互［6］，通过FPGA外置引脚实现和外围电路元器件的信息传递，具体结构如图2所示，其中各功能模块基于verilog语言设计。

图2 SOPC模块设计图

1）AD采样控制模块：该模块在NiosII的控制下完成对外置模数转换芯片的控制与数据读取，并将读取到的数据传递给存储管理模块［7］，用于数据存储及相关处理。其采样频率又受测试参数设置模块传递的参数控制，如表1所示。外围电路基于双通道模数转换芯片AD9288设计，最高实时采样率达100M；由于测试信号的时序严格受控，为了提高故障定位精度，可在SOPC系统严格的时序控制下实现双通道10次采样结果的交叉叠加，并通过设计野值剔除算法，实现等效采样率2G［8］。

2）测试信号产生模块：该模块在NiosII的控制下，根据测试参数设置模块传递的测试参数，生成两路测试信号。测试信号种类主要包括如下几种单脉冲：

表1 测试信号参数表

3）测试信号调理模块：由于测试信号产生模块产生的信号是数字信号，由FPGA引脚直接驱动输出，幅度和功率较小，无法传播至较长的距离，在检测较长线缆时需要对测试信号脉冲进行放大。同样，由于AD9288输入信号幅度为1Vpp，因此，在AD采样前需要将放大的测试信号进行衰减。该模块在NiosII的控制下，根据测试参数设置模块传递的测试参数，对输出的测试信号进行功率和幅度放大；对AD采样前的信号进行幅度衰减。外围电路中，幅度放大电路基于高频三极管设计，幅度衰减电路基于分压电路和宽带运算放大器设计［9］。

4）测试矩阵控制模块：该模块在NiosII的控制下，生成测试矩阵控制逻辑，用于驱动外部测试矩阵电路。外部电路基于单刀双掷开关设计，用于实现单个测试信号通道对待测线缆所有芯线的遍历连接。测试矩阵结构图如图3所示。

其中T1、T2为经过测试信号调理模块输出的两路测试信号，P1、P2…P32为待测线缆转接插头的插针（编号为1-32），A3、A2、A1、A0为矩阵切换控制信号，S0、S1…S29为单刀双掷开关模块，每个开关模块采用NPN三极管8050对继电器进行控制，实现单刀双掷开关的功能，电路图如图4所示。当Ai输入电平时，继电器复位，输入信号端Si_in和输出信号Si_0连接；当Ai输入高电平时，继电器闭合，输入信号端Si_in和输出信号Si_1连接。

图3 测试矩阵结构图

图4 单刀双掷开关模块原理图

5）电源监控模块：该模块用于控制外部电路中的电池监控芯片DS2438，在NiosII的控制下，实现单总线串行通信协议和片上Avalon总线协议的对接，将设备内置锂电池模块的电压、电流等信息上传至片上系统，实现对电池电量的监控［10］。

6）TFT显示控制模块：该模块用于控制外部液晶显示电路。外部液晶内置显示芯片型号为ILI9341，显示分辨率 360*240［11］。显示信息主要包括：测试线缆编号、故障芯线编号、故障类型、故障点位置、电池电量［12］。

7）按键输入模块：实现外部按钮电路的状态读取；外部电路模块主要包括：开机键、线缆编号输入/选择键、测试开始/停止键、测试数据存储/读取键等。

8）测试参数设置模块：该模块在NiosII的控制协调下，通过片上总线读取按键输入模块信息，根据线缆编号从存储设备上获取线缆测试参，包括测试波速、线长等信息［9］。

9）存储管理模块：该模块通过片上总线获取其他模块对存储芯片的访问请求，协调各功能模块实现测试参数读取、测试数据存储、测试数据上传等操作［13］。

10）通信接口模块：该模块负责实现测试设备与上位机的通信，实现数据的上传。外部电路模块采用MiniUSB接口设计。

4 系统软件方案设计

系统的核心数据处理模块是SOPC模块，各功能模块通过片上总线受NiosII软核协同和控制。系统的软件设计主要是针对NiosII的系统软件设计以及TFT液晶显示和内存读写控制程序设计。软件设计流程图如图5所示。

1）线缆编号选择：由于线缆编号格式为XX-XX-XXXX（如WK-FS-1004），在启动测试前需要通过操作界面输入/选择线缆编号。线缆编号的译码规则如表2所示。

表2 线缆编号信息对照关系表

其中用户单位的部门数和每个部门下属的单元数默认为不大于16，每个单元的线缆数量默认为不大于256。*.mif文件为4096*16的存储文件，每个部门对应一个.mif文件，“单元选择”和“线缆选择”译码后生成.mif文件的地址。

2）测试参数读取

该模块根据线缆编号信息读取相应的mif存储文件，存储有线缆长度和波速等信息的mif文件的16bit存储单元对应信息如表3所示。前6位存储相关线缆的波速信息，后10位存储线缆长度信息。其中线缆波速信息计算公式如下：

V=（0.5+X/100）*c

表3 mif存储单元信息对照关系表

3）测试参数设置

该模块根据mif存储单元信息控制测试信号产生硬件模块输出相应的测试波形，并控制信号调理和AD采样硬件模块完成对测试信号的和反射信号的处理。

4）测试矩阵转换

该模块负责控制测试矩阵驱动电路的，完成对各待测芯线的遍历测试。

图5 软件设计流图

5）测试结果显示与存储

该模块负责对TFT液晶屏和存储电路的控制，将测试结果进行显示和存储。

5 结语

基于时域反射的线缆故障检测方法通过对线缆进行单端测试来确定故障类型和故障点位置，非常适用于大型船舶等复杂系统的设备联通性故障排查，在此基础上设计的多芯线缆自动检测装置能够大幅提高基层装备维护人员的工作效率，有利于进一步提升装备保障效率，能够满足大型船舶的基本测试要求。目前存在的不足主要是设备的抗干扰能力和智能化程度有待进一步提高［14］。在今后的研究中，会重点研究回波信号的抗干扰处理方法和线缆智能检测方法［15］。

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