线路故障自动检测系统设计与实现

摘要：高质量的传输线路可以保证信号的完整性和清晰度，然而，传统的故障检测设备在检测信号传输线路的故障时，难以满足时效性和准确度的要求。文章设计了判断信号传输线路等效网络中故障元件位置及故障类型的自动检测系统。系统以STM32F103RCT6单片机为主控制器，以XD4069反向器为核心作为信号前向处理电路，通过芯片74HC4051D的多路复用电路进入传输线路等效网络，信号采样之前通过以GS8552芯片为核心的滤波处理电路，最后使用单片机内置ADC模块进行采样，故障辨别的结果在TFT-LCD模块上显示。该系统的电路结构简单、操作简易方便，能够快速、准确识别故障元件和故障类型，实现了传输线路故障的自动化检测。

关键词：信号传输线路；等效网络；STM32；阻抗；故障检测

中图分类号：TP274" 文献标志码：A

基金项目：广东开放大学（广东理工职业学院）校级科研一般项目；项目编号：YB2114。广东开放大学（广东理工职业学院）校级科研重点项目；项目编号：ZD1905。

作者简介：黎斌（1982— ），男，讲师，博士；研究方向：电子技术应用。

0" 引言

信号传输线路在现代电子系统和通信系统中至关重要，是信息传递的基础。高质量的传输线路确保了数据从一个设备准确地传输至另一个设备，保证信号的完整性和清晰度。随着电子系统和通信系统功能日趋复杂，性能不断提高，系统设计者对信号传输线路性能提出了更高的要求，致使传输线路复杂性不断提高。这将导致信号传输线路出现问题的情况增多，影响传输线路的正常工作［1-2］。然而，传统的人工检测或功能单一的专用检测设备在对信号传输线路进行故障判断和排除时，时效性和准确度难以满足要求，迫切地须要研发一种快速、准确和高效的信号传输线路故障自动检测系统［3］。研究人员研究信号传输线路时，通常受限于场地和预算，无法搭建与实际线路相同的实物进行研究。因此，一种有效的方法是构建信号传输线路运行的仿真模型。信号传输线路等效网络就是一种用于模拟和分析信号传输特性的简化电路模型，误差较小，可根据实际线路等效调整为网络结构［4-5］。

本文以典型的多阶滤波器电路为例，设计了自动检测并显示线路网络中故障元件编号及故障类型（短路或断路）的自动检测系统。该系统还能够在线路网络中准确地辨别出线路网络中的故障类型及故障元件编号。该系统具有故障检测速度快且准确、成本低廉等特性，能够为适应更复杂的线路网络故障检测提供参考。

1" 系统方案论证与选型

图1所示的信号传输线路等效网络本质上是一个多阶滤波器电路［6］，当其中某个或多个元件发生短路或开路故障时，传输等效网络的输入和输出阻抗发生变化，以致通过该等效网络的信号受到影响，故可根据传输等效网络中不同的响应倒推网络中的故障信息。根据信号传输线路等效网络的特点，本文设计了线路故障自动检测系统［6］，如图2所示。该系统的设计思路如下：主控制电路输出控制信号，首先选择不同端口，使得传输线路等效网络处在低通或高通滤波状态；然后主控制电路输出高频信号，进入传输线路等效网络；最后通过信号采集电路测量传输线路等效网络两端的信号。考虑到待测线路网络的对称性，主控制电路须要多次变换信号输入和输出的端口顺序，获取不同的信号采集数据，最后确定待测电路中某个元件的故障和故障类型。

按照设计功能的要求，本系统主要由5个模块组成，分别是主控制模块、信号前向调整模块、多路复用选择模块、显示模块和信号采集模块，如图3所示。下面本文简单论证这几个模块的元件选择。

1.1" 主控制器的论证与选择

系统的设计使用单片机作为主控制器，可以结合计算机技术和测量控制技术，组成通过改变软件程序即可实现更新换代的智能线路故障检测系统。考虑系统对高频信号产生、信号采集处理和显示接口等方面的要求，算法较为复杂，程序部分比较大，常用的51系列单片机难以满足需求，因此，本文选择低成本、低功耗、性能更优越的STM32F103系列单片机作为主控制器。此外，芯片生产厂商还提供了丰富的开发工具和软件库，方便使用者进行代码编写、调试和测试。

经过调研，STM32F103RCT6单片机具有48 kB SRAM、256 kB FLASH、51个通用I/O口，8个定时器、5个串行通信接口、3个12位ADC和1个12位DAC等配置，能够很好地满足本系统测量和控制的要求。

第22期2024年11月无线互联科技·智能控制" No.22November，2024

第22期2024年11月无线互联科技·智能控制" No.22November，2024

1.2" 信号前向调整模块的论证与选择

根据系统设计，该方案须要主控制器产生高频信号（约2 MHz），输入信号传输线路等效网络。因传输线路等效网络阻抗较小，主控制器I/O口驱动能力非常低，只有不到25 mA驱动能力，若直接接入传输线路等效网络，不但会使高频信号失真严重，还容易烧毁主控制器的I/O口。为了增强主控制器高频信号输出的能力，所提方案须要在信号接入等效网络之前进行调整处理。常用方法是搭建运算放大器（如LM358）或比较器（如LM393）等，作为主控制器的前向信号处理与调整模块。该方案的频率精度和稳定度均较差，难以控制。另外，LM358的增益带宽积仅为1 MHz ，转换速率仅为0.5 V/ μs；而LM393在小信号（100 mV）下的响应时间（典型值）为1.3 μs，速度达不到需求，故未能采用这些方案。

XD4069反向器的响应速度为20 ns，当VDD为5 V时，响应为18 ns+（0.55 ns/pF）CL，满足主控制器输出高频信号处理要求，可以很好地隔离主控制器I/O口与传输线路等效网络直连，降低了烧毁主控制器I/O口的风险。本文方案利用XD4069反向器对主控制器输出的高速信号进行处理与调整，实现信号的增强和噪声消除后，再输入等效网络。

1.3" 显示模块的论证与选择

LCD1602液晶显示模块具有价格便宜、低功耗和易于使用等特点，但只能显示ASCII码字符，单屏显示信息较少，不能满足系统中须要显示故障元件的故障类型（断路或短路）要求。LCD12864液晶显示模块具有灵活的接口方式、简单方便的操作指令，可以实现ASCII码字符、汉字和低分辨率图形的显示，价格略低于相同点阵的图形液晶模块。考虑到系统不仅可以显示故障元件的故障类型，还可以显示故障元件的位置要求，主控制器具有TFT-LCD模块接口等因素，系统选择2.8寸ATK-MD0280模块。该显示模块的分辨率为240×320像素，支持16位真彩显示，可以显示更丰富的内容。此外，该显示模块采用ILI9341/ ST7789作为驱动芯片，使用时无须外加驱动器或存储器，简化了接口电路。

1.4" 信号采集模块的论证与选择

本文直接利用主控制器自带的ADC模块读取待测电信号的分量，使用方便快捷，能够简化电路。但是由于其输入阻抗较小、信号易受干扰和采集数据易剧烈跳变等问题，难以满足系统的测量要求。为此，当使用主控制器ADC模块读取数据时，本文接入以GS8552芯片为核心的滤波处理电路。GS8552芯片是低功耗、零漂移CMOS运算放大器。该芯片提供1.8 MHz的带宽，具有轨对轨输入和输出，电压宽度为1.8～5.5 V。GS8552使用斩波器稳定技术来提供非常低的失调电压（小于30 μV），具有优异的温度稳定性，其温漂量接近0。此外，GS8552提供了优秀的共模抑制比，无交叉与传统的互补输入阶段。所提方案利用GS8552可以对采集的电信号进行有效滤波，提供稳定的采集样源。

2" 硬件设计

2.1" 总体规划

系统的主控制芯片STM32F103RCT6单片机产生脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号，首先通过前向调整电路进入多路复用选择电路；输入待测电路后，在待测电路信号输入端接入信号采集处理电路；再由STM32F103RCT6单片机自带的ADC采集数据；最后，在系统的显示模块中显示检测结果。

2.2" 信号前向调整电路

系统首先由主控制芯片STM32F103RCT6单片机引脚PA0输出PWM信号；随后进入XD4069的输入端口1A，XD4069的输出端口3Y；再连接阻容串联电路进行滤波；最后，进入多路复用选择电路。前向调整电路如图4所示。

2.3" 多路复用选择电路

2块74HC4051D芯片由STM32F103RCT6单片机控制，分别选择待测电路的输入和输出端口，即传输电路等效网络的A+、A-、B+和B-这4个端口。PWM信号由第一块74HC4051D芯片输入待测电路，经过待测电路后从第二块74HC4051D芯片接入地线，形成回路。多路复用选择电路如图5所示。

2.4" 信号采集处理电路

从待测电路信号输入端中输出的信号并非直接进入STM32F103RCT6单片机的ADC模块中进行采样，而是先经过信号采集处理电路进行滤波处理。信号采集处理电路如图6所示。

3" 软件设计

系统软件采用C语言开发，在keil μvision5环境下使用ST公司官方外设驱动函数库进行编程、调试并实现功能。按照所需实现的功能，程序分为3个模块，分别是系统初始化模块、数据采集模块、信号传输线路等效网络故障判断模块。程序的流程如图7所示。

（1）系统初始化模块包含STM32F103RCT6单片机系统时钟、GPIO端口、按键输入、PWM信号产生、ADC模块和显示模块等初始化内容。

（2）在数据采集模块中，STM32F103RCT6单片机通过控制多路复用选择电路，向信号传输线路等效网络输出PWM信号，随后使用ADC模块采集通过信号传输线路等效网络后的PWM信号。单片机在信号采集时采用均值算法，对每次128个采样电压数据求平均值。

（3）在信号传输线路等效网络故障判断模块中，根据输入、输出端口状态和信号采集均值，对比之前调试所记录的实验数据进行判断，输出故障元件和故障类型信息，在显示模块上呈现。

4" 系统测试与分析

4.1" 系统调试

在系统调试期间，设计人员要确保系统的正常运行，收集待测电路各种元件故障的信号数据。

在系统调试前期，设计人员先检查待测电路是否保持与赛题［6］初始状态一致，确认无误后再上电测试。根据赛题要求，设计人员对待测电路中元件进行短路或断路，通过显示模块提示，设计人员按下测试按键后进行自动测试；测试按键被按下后，主控制器将信号发送给信号前向调整模块；信号前向调整模块将PWM信号输出推挽能力进行加强，经过滤波电路对信号进行选频，通过端口选择模块将信号送入待测电路；信号采集处理GS8552电路将经过待测电路中的电压分量信号进行处理后，送入主控制模块的ADC1通道1中进行采集，显示模块输出采集数据；设计人员记录对应的故障元件、故障类型、输入和输出端口以及采集的数据。按照以上操作方法，设计人员收集信号传输线路等效网络上所有元件故障和故障类型所对应的采集数据，如表1—4所示，将数据录入程序，为自动识别故障元件和故障类型作准备。

表中提到的端口顺序是指对进入待测电路的信号切换不同的输入端和接地端。端口顺序1：A+进，A-接地；端口顺序2：B+进，B-接地；端口顺序3：A+进，B+接地；端口顺序4：A-进，B+接地。表中数据为线路网络处在不同状态下由STM32F103RCT6单片机采集的电压属性的平均值。

4.2" 系统功能测试

赛题的基本要求为在线路网络中只存在一个元件有故障，在按下按键后，系统能够自动检测并显示故障元件的编号和故障类型。赛题的部分要求可以分为3种情况：①线路网络无故障；②二极管都无故障，有一个电感或电容有故障；③有一个二极管有故障，且有一个电感或电容有故障。经测试发现，所设计的系统能够判断并识别出具体的故障元件和类型。

在测试时，设计人员也发现了一些问题，例如：①电路中出现高频干扰；②系统上电时间过长时，电路会出现温飘现象；③当信号传输线路过长时会出现信号衰减问题。针对以上的问题，本文采取如下措施改进：①改善电源电路，消除电源方面带来的干扰；②在系统中采用铝极板接地作底座，更好地屏蔽了干扰信号；③对于电路中发热明显的元件使用散热器；④控制信号传输线路长度和采用阻抗更低且带有屏蔽功能的连接线。

5" 结语

针对信号传输线路等效网络中元件出现的故障现象，本文展示了以STM32F103RCT6单片机为主控制器的自动检测系统。在优化测试信号、多路复用选择电路和信号采集电路配合下，系统提取故障元件对线路网络整体阻抗的影响特征，进而倒推线路网络中存在的元件故障。经测试，所设计的系统能够识别线路网络中出现的二极管、电容和电感故障，满足实际电路故障检测的要求。文中自动检测系统电路较为简洁，成本低廉，对故障辨别快且准确，后续还有极大的改进空间以适应更复杂的线路网络故障。

参考文献

［1］孙秀萍.信号传输线路特性阻抗对数字信号品质的影响［J］.阴山学刊，2015（3）：23-25.

［2］周胜海，马建中.传输线路引起的数字信号畸变与抑制［J］.计算机测量与控制，2002（10）：695-697.

［3］王德海，傅洪全，陈曦，等.电力输配电线路运行短路故障自动检测方法研究［J］.制造业自动化，2021（11）：173-177.

［4］李广，薛永端，杨帆，等.面向配电网的π形等效电路链形网络级联数目确定方法［J］.电力系统自动化，2020（5）：180-186.

［5］钟雷.基于简化信号传输线路等效网络的线路故障自动检测系统设计［J］.武汉交通职业学院学报，2024（2）：129-134.

［6］全国大学生电子设计竞赛组织委员会.2023年全国大学生电子设计竞赛J题：线路故障自动检测系统［EB/OL］.（2023-08-02）［2024-08-09］.https：//res.nuedc-training.com.cn/topic/2023/topic_104.html.

（编辑" 王雪芬）

Design and implementation of automatic fault detection system for circuits

LI" Bin， CHEN" Yijie， WEI" Jingting

（Engineering Technology Department， the Open University of Guangdong and Technology of

Guangdong Polytechnic Institute， Guangzhou 510091， China）

Abstract： High-quality transmission lines can ensure signal integrity and clarity. However， the traditional fault detection devices often struggle to meet the requirements for timeliness and accuracy when detecting the faults in signal transmission lines. This paper presents the design of an automatic detection system for identifying the locations and types of faulty components in the equivalent network of signal transmission lines. The system uses the STM32F103RCT6 microcontroller as the main controller， with the XD4069 inverter as the core of the signal forwarding processing circuit. The signals enter the transmission line equivalent network through the multiplexing circuit of the 74HC4051D chip. Before the signal sampling， a filtering circuit centered around the GS8552 chip is employed， and the sampling is performed using the built-in ADC module of the microcontroller. The fault identification results are displayed on a TFT-LCD module. This system features a simple circuit structure and is easy to operate， can identify the faulty components and types quickly and accurately， which achieves the automatic fault detection of transmission line.

Key words： signal transmission line; equivalent network; STM32; impedance; fault detection