一种数传电缆长度测量系统的设计

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随着国民经济的快速发展，电缆在电力系统中的应用数量越来越多，应用范围也越来越广，但同时电缆故障也越来越频繁，不仅带来了巨大的经济损失，也给人民群众的日常生活带来了诸多不便。因此，准确快速的检测电缆故障并找到故障位置对企业和用户都具有十分重要的意义。笔者通过对脉冲反射法的原理分析，设计了-种基于数字信号控制器和 FPGA[1 的电缆长度测量系统，并进行了实际测试 ，取得 了比较理想的效果 。

1 数传电缆测量原理电缆长度测量有多种方法，笔者提出的基于数字信号控制器和 FPGA的数传电缆长度测量方法，是在对脉冲在导线中传播时遇到阻抗不匹配点将被反射回始端的基本原理 进行分析的基础上提出的。

实现方案如下：向被测导线 (电力电缆，通信电缆等)注入人射脉冲，接收从导线终点 (开路端，阻抗不匹配点)处反射的反射脉冲，根据入射脉冲和反射脉冲之间的往返时间差和脉冲在导线中的传播速度，便可计算出故障点离测试点的距离：L - × /X t (1)式中，L为被测导线从测试点到终点的距离，m； 为行波在被测导线中的传播速度，m/s；At为入射脉冲与反射脉冲的时间差，S o而行波波速V只与电缆绝缘材料的相对介电系数e 和相对导磁系数 有关嘲，即：- I l(2)式中，C为真空光速，m/s。不同绝缘材料的相对介电系数差别较大，因此行波在不同绝缘材料的电缆中传播速度并不相同，但对于相同绝缘材料的电缆，材料的分布不均对脉冲的传播速度几乎没有影响。因此，可由查询绝缘材料的相对介电系数和相对导磁系数经计算得到。为了精确测得△ ，采用的方法是向2个脉冲之间插入频率为 厂的高频脉冲，并对这个高频脉冲计数。设脉冲个数为 ，则有At- ×1If，再根据式(1)即可计算得到测试点与故障点间的距离。

2 测量系统方案设计设计设计采用数字信号控制器与 FPGA相结合的控制处理方案，系统设计方案如图 1所示。反射脉冲经过整形后送至控制处理单元，计数器对整形后的反射脉冲中插入的高频脉冲计数后，控制处理单[收稿日期]2013-o2-18[基金项目]中国石油科技创新基金项目 (2011D-5006-0302)。

[作者简介]刘弛 (1987-)，男，硕士生，现主要从事自动检测与控制方面的教学与研究工作。

[通讯作者]陈永军 (1972-)，男，博士，教授，现主妻从事电力电子与电力传动、石油仪器开发方面的教学与研究工作；E-mailyj-ch###163.COrno第 1O卷 第 13期 刘弛等 ：-种数传电缆长度测量系统的设计元将计数值转换为电缆长度值输出至 LCD液晶显示。

3 系统硬件设计3.1 数字信号控制器系统设计系统采用 Microchip公司的高性能数字信号控制器 dsPIC30F4013。

dsPIC30F4013通过 RS232串口实现与 FPGA的连接，主要电路原理图如上 图 2所示 。

3.2 整形电路设计系统采用 FPGA控制的 ADG719单刀双掷开关来设计入射脉冲和反射脉冲的隔离电路。AD719具有高达 200MHz的切换速度。

整形电路采用 AD公司的 AD8009超高速运放来实现。AD8009转换速率高达 5500V/s，并具有 1GHz的～3dB带宽以及良好的带内平坦度 。因 AD8009的 IN-脚 的电压会受到 IN脚的电压影 响， 图1 系统设计方案故设计了-个电压跟随器，采用的是高精度低失调的运放 OP-07。原理图如图 3所示。

爵 nR2OUT慨VE ]- L。JIUaMAX3 I1nr42。船m w图 2 dsPIC30F4013与 串口连接 电路 图3.3 FPGA测量系统设计系统采用 Altera公司的EP3C16Q240C8芯 片为 核 心，其主频高达 470MHz，计数器最 高频 率 275MHz。测 量系统 主要 由 3个 拈 组 成 ，如 图 4所 示 ：① 控 制 模 块。

控制发射脉冲，接受反射脉冲并整形、合成被测信号；②脉宽计数拈。共 4路 2O位高速计数器，4路计数值取平均值；③显示拈。处理计数值并显示 5ns脉冲个数”以及 电缆长度”。

4 软件设计FPGA测 量 系统软 件 流程图如 图 5所示 。高频脉 冲Ⅱ哪 ⅡJ[PDi 33反射脉冲输入端n rrs4ePlfINdS11：-7硼 JinclkO cI c非pll c0inclkO clc2 -inst7 c3pausle testfilter- - - - comter ccolm tp sle) instllfilterc kcounter c图 3 整形电路ZS adder from the SDRAM[11：Ozs ba f1.锄 the sm[1：8elk 0 zs cas n the sreset n zs ckefr th e SDRA!zs as n from the 岛zs dq to andfrcKtheSDR[15：0ZS d呻 fh)m the印RAM[1.Uzs ras n from the 蹬矗l舳zs we n fhm the 暇 1吐 由t8jD妞 畦且砸甜 1吐 l绷 [7：ci 呲J lcd 9 fr锄 the-lcdl286he I协 lcd rs from the Icdl286led rw the lcdl286弧 丽 I8tainl[19：0]Ntain2[19：0]tain3[19：0]tain4[19：0]It盯 眦 tPINI77 -图 4 FPGA测量系统组成Pulse叭埘 田 蓍蠹呻- -曲二-呻 萋 薹主-理工上旬刊 计算机科学与电子信息工程 2013年 5月频率为 200MHz，脉冲宽度为 5ns。要精确测得电缆长度 L，只需得到 5ns脉冲个数 d即可。图 5中 a为常数 ，由行波在 电缆中的传播速度决定。由于 LCD12864液晶只能显示字符，若 L带小数位则不能直接输出显示，故a需为整数。例如，行波在某电缆中的传播速度为V-1.98×10。(m/s)，则有L 1.98×1O ×5×10 ×d/2-O.495 (m)。此时需将 L。转换为整数即L-1000×L ，然后通过取整取余运算将 L的每-位分别取 出并逐位在LCD12864输出显示。数值 23为校验值。经过大量实际测试发现，系统会产生大约 23个高频脉冲的误差，因此在程序中将这个误差去除掉。

5 测量数据及分析对2根不同长度但绝缘材料相同的电缆进行实际测试，测试结果如表 1所示。

从表 1中数据可以看出，该系统对电缆长度的测量精度较高，具有-定的实际可操作性。若要进-步提高测量精度，可从以下几方面人手：①提高系统晶振频率。由原理可知，晶振频率越高，测得的高频脉冲个数将越准确，测量误差将越小；②采用比ADG719切换速率更快的开关器件，减少开关整形电路的延迟，提高系统精确度；③使用某些方法旧能获得行波波速的准确值，也能极大的提高测量精度。

表 1 实验测量数据图 5 FPGA测量 系统软件流程 图6 结 语笔者在低压脉冲测距原理的基础上，采用数字信号控制器与FPGA相结合的方式来实现对电缆长度的测量。实际测试证明，该系统具有较高的精度，具有-定的实际可操作性，能对不同长度、不同材料的电缆进行长度测量，该设计方案是可行的，并可通过提高系统晶振频率等方法来进-步提高测量精度。