安防監(jiān)控調(diào)測(cè)儀的中斷點(diǎn)檢測(cè)功能設(shè)計(jì) - 全文

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　　調(diào)像儀又稱(chēng)安防監(jiān)控調(diào)測(cè)儀，是一款用于對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的儀器。在監(jiān)控項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工及維護(hù)過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)攝像設(shè)備的姿態(tài)、通信線路、電源等進(jìn)行測(cè)試，使用該款儀器可減少日常工作量，提高工作效率。

　　在現(xiàn)場(chǎng)的安裝及維護(hù)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)同軸線纜斷路的現(xiàn)象，如外力拉斷、老鼠咬斷等，導(dǎo)致圖像無(wú)法傳輸。而線纜多是隱藏在天花板內(nèi)、地下、墻壁管線內(nèi)等不容易檢測(cè)的地方，這就對(duì)儀器提出增加斷線檢測(cè)功能的需求。通過(guò)在線纜的一端測(cè)試，可直接測(cè)量出線纜的長(zhǎng)度(即斷點(diǎn)的位置)，從而幫助施工人員快速確認(rèn)故障位置，及時(shí)維修。

　　1 檢測(cè)原理

　　根據(jù)TDR理論，在同軸線纜的一端發(fā)送低壓脈沖，當(dāng)終端負(fù)載阻抗與線纜特征阻抗相等時(shí)，發(fā)射脈沖被負(fù)載完全吸收，不產(chǎn)生反射波。如果線纜終端負(fù)載阻抗與線纜特性阻抗不等，則產(chǎn)生回波反射。其反射系數(shù)定義為反射波幅度U反射與入射波幅度U入射的比值：

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　　式中：ZL為線纜的負(fù)載阻抗;z0為線纜的特征阻抗。

　　由式(1)可以看出：

　?、佼?dāng)負(fù)載阻抗與傳輸線阻抗匹配時(shí)，即ZL=Z0，ρ=0，入射波被負(fù)載完全吸收;

　?、诋?dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮大(開(kāi)路)時(shí)，即ZL=∞，ρ=+1，發(fā)射波與入射波幅值相同，極性相同;

　?、郛?dāng)負(fù)載阻抗為無(wú)窮小(短路)時(shí)，即ZL=0，ρ=-1，發(fā)射波與入射波幅值相同，極性相反。

　　在實(shí)際測(cè)試中由于脈沖的發(fā)送和接收在同一端，所以要避免入射波后沿與反射波前沿在此處疊加;同時(shí)，為了降低最短測(cè)試長(zhǎng)度，要選用較窄脈寬的脈沖。當(dāng)測(cè)試線纜長(zhǎng)度增加時(shí)，由于存在傳輸線損耗，所以脈沖的寬度也應(yīng)適當(dāng)增加。脈沖寬度與被測(cè)線纜的長(zhǎng)度可通過(guò)式(2)推算：

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　　式中：L代表測(cè)試線纜的長(zhǎng)度;v代表脈沖在線纜中的傳輸速度;t代表脈沖上升沿在傳輸線中的往返時(shí)間。

　　脈沖在同軸線中的傳輸速度不同于光速，與線的種類(lèi)有關(guān)，例如在SYV75-5-2同軸線中的傳輸速度約為200m/μs。由于脈沖的發(fā)送和接收在同一端，需避免反射波與入射波疊加，應(yīng)保證測(cè)試脈沖的脈寬小于脈沖上升沿在被測(cè)線纜中傳輸?shù)耐禃r(shí)間。若測(cè)量最短長(zhǎng)度為5m的同軸線，則脈寬：

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　　2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)斷點(diǎn)檢測(cè)功能，其原理框圖如圖1所示。

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　　單片機(jī)負(fù)責(zé)LCD驅(qū)動(dòng)、發(fā)送脈沖寬度設(shè)置、測(cè)量結(jié)果處理、按鍵掃描等工作;LCD顯示部分負(fù)責(zé)測(cè)試結(jié)果的顯示;脈沖發(fā)生模塊用于產(chǎn)生低壓窄脈沖，其脈寬可調(diào);發(fā)送調(diào)理電路負(fù)責(zé)將脈沖信號(hào)放大，接收調(diào)理電路用于將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成CPLD可以接收的電壓范圍(0～3.3 V);計(jì)數(shù)模塊用于記錄入射脈沖與反射脈沖的時(shí)間間隔。

　　2.1 脈沖發(fā)生模塊

　　脈沖發(fā)生模塊和計(jì)數(shù)模塊均由CPLD邏輯電路實(shí)現(xiàn)。CPLD選用Altera公司MAX II系列EPM240T器件，支持高達(dá)300 MHz的內(nèi)部時(shí)鐘，其速度可以滿(mǎn)足測(cè)量需求。

　　脈沖發(fā)生模塊由脈寬設(shè)置單元、脈沖輸出單元組成。為節(jié)省單片機(jī)I/O口資源，脈寬設(shè)置由一組16位串入并出移位寄存器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)單片機(jī)資源足夠時(shí)，可省去該單元。脈沖輸出單元由狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

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　　其中，clk_50m為時(shí)鐘輸入端，pulse_with為脈寬設(shè)置端口，pulse_out為脈沖輸出端口，enalble為使能輸出端口。當(dāng)enable=1時(shí)，pulse_out輸出一個(gè)高電平，其寬度為T(mén)clk_50m×(pulse_with+1)。例如pulse_with=0，脈寬默認(rèn)值為t=Tclk_50m×(0+1)=20 ns。設(shè)置不同的pulse_with，輸入脈沖寬度可調(diào)，這樣可以在測(cè)量不同長(zhǎng)度的線纜時(shí)調(diào)整脈沖寬度，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

　　如圖3所示，計(jì)數(shù)模塊由一個(gè)16位計(jì)數(shù)器和一個(gè)16位并入串出移位寄存器電路實(shí)現(xiàn)。enalble使能端用于防止干擾脈沖輸入啟動(dòng)計(jì)數(shù)器;start_counter為使計(jì)數(shù)器啟動(dòng)和停止的脈沖輸入，上升沿有效;clk_50m為計(jì)數(shù)器時(shí)鐘，該時(shí)鐘影響測(cè)量精度，其頻率越高，線纜的測(cè)量誤差范圍越小;Q為計(jì)數(shù)值輸出;EOC為計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志。

　　計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)由入射脈沖觸發(fā)，停止由反射脈沖觸發(fā)，計(jì)數(shù)值由Q數(shù)據(jù)接口輸出，計(jì)數(shù)停止后輸出高電平。單片機(jī)查詢(xún)計(jì)數(shù)結(jié)束標(biāo)志EOC，當(dāng)電平為1后讀取計(jì)數(shù)值。

　　2.2 調(diào)理電路

　　2.2.1 發(fā)送調(diào)理電路

　　發(fā)送調(diào)理電路由放大電路組成，如圖4(a)所示。場(chǎng)效應(yīng)管M1將輸入的正脈沖轉(zhuǎn)換為最大值為12 V的負(fù)脈沖，再經(jīng)M2反相后，即可注入到被測(cè)電纜和接收調(diào)理電路。這里選用MOS管而不是運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)脈沖的放大、反相，便于節(jié)省成本，縮短信號(hào)的傳輸延時(shí)。

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　　2.2.2 接收調(diào)理電路

　　接收調(diào)理電路如圖4(b)所示。將發(fā)送調(diào)理電路的輸出與接收調(diào)理電路的輸入相連，同時(shí)連接被測(cè)電纜，M3將入射脈沖和反射脈沖降壓，經(jīng)M4反相后傳入CPLD中的計(jì)數(shù)模塊，以控制計(jì)數(shù)模塊的啟動(dòng)和停止。其中，TVS為瞬變電壓抑制二極管，是一種過(guò)壓保護(hù)器件。

　　2.2.3 原理仿真

　　圖5中，波形1為脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生的測(cè)試脈沖，該脈沖輸入至圖4電路①中的位置。波形2為圖4電路中位置的測(cè)試波形圖(測(cè)試點(diǎn)為測(cè)試模塊與被測(cè)電纜的連接點(diǎn))，第一個(gè)脈沖為放大后的測(cè)試脈沖，注入被測(cè)電纜中，第二個(gè)脈沖為被測(cè)電纜斷點(diǎn)處返回脈沖。波形3為波形2經(jīng)過(guò)接收調(diào)理電路后的波形，該波形將輸入至CPLD的計(jì)數(shù)模塊。第一個(gè)脈沖上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)模塊開(kāi)始計(jì)數(shù)，第二個(gè)脈沖上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù)模塊停止計(jì)數(shù)。實(shí)際測(cè)試波形如圖6所示。

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　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量功能，用戶(hù)無(wú)需事先估算線纜長(zhǎng)度，調(diào)整測(cè)試脈沖寬度。自動(dòng)測(cè)量流程如圖7所示。

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　　在選擇好線型后，具體流程如下：

　　①首先從最窄脈沖20 ns(PW=O)開(kāi)始輸出，延時(shí)后檢測(cè)EOC。(EOC等于0時(shí)，說(shuō)明沒(méi)有反射脈沖返回);

　?、诿}寬加40 ns(PW+=2)后再次輸出，延時(shí)后檢測(cè)EOC，如此反復(fù)，直到檢測(cè)到返回脈沖(EOC=1)為止，或≥最大輸出脈寬范圍;

　?、郛?dāng)PW≥256時(shí)，超出測(cè)量范圍，返回Length=0，測(cè)量失敗;

　　④當(dāng)EOC=1時(shí)，讀取測(cè)量值，根據(jù)線纜類(lèi)型計(jì)算測(cè)試線纜長(zhǎng)度并返回Length值，否則返回Length=0，測(cè)試失敗;

　?、輰㈤L(zhǎng)度值進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，使用LCD進(jìn)行顯示。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為使測(cè)量準(zhǔn)確，需要對(duì)不同線纜的信號(hào)傳輸速度進(jìn)行測(cè)量。選取三種線纜，使用示波器及測(cè)試脈沖測(cè)試出各線纜的傳輸速度。將各速度值作為常數(shù)與計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，即可得出對(duì)3種電纜的長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

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　　通過(guò)對(duì)3種電纜的測(cè)試可以看出，其測(cè)試誤差均在±2%以?xún)?nèi)，完全可以滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。

　　5 結(jié)論

　　本文系統(tǒng)論述了斷點(diǎn)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)原理，設(shè)計(jì)了相關(guān)軟、硬件模塊，集成到調(diào)像儀中并進(jìn)行了多種線纜的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該功能模塊測(cè)量精度較高，完全可以滿(mǎn)足工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要。