電纜是通信、測試等系統信號傳輸的重要載體，隨著電纜數量的增多及運行時間的延長，電纜也越來越頻繁地發生故障。電纜線路的隱蔽性及測試設備的局限性，使電纜故障的查找非常困難。本文設計了一種以嵌入式微處理器Nios為核心的電纜故障檢測儀，應用A/D器件和FPGA組成可變頻率的高速數據采集系統，利用低壓脈沖反射法原理來實現線纜的斷路、短路、斷路點、短路點的檢測與定位。該儀器可廣泛應用于通信維護、工程施工和綜合布線，對市話電纜、同軸電纜等各種線纜進行測試和障礙維護。
1 系統總體結構
利用低壓脈沖反射法檢測電纜故障。主要原理是：向電纜發送一個電壓脈沖，當發射脈沖在傳輸線上遇到故障時，由于故障點阻抗不匹配，產生反向脈沖，通過計算二者的時間差△T，并分析反射脈沖的特性來進行故障的定性與定位。該方法適用于斷線、接觸不良、低電阻或短路故障的測試。
故障點距離L為：L=V·△T/2。式中，V是脈沖在電纜中的傳播速度。根據反向脈沖的極性可判斷故障性質：斷線或接觸不良引起的反向脈沖為正，低電阻或短路故障引起的反向脈沖為負。
該儀器是一個便攜式電纜故障檢測設備，可利用現代電子技術（如高速A/D技術、異步FIFO技術、現場可編程邏輯陣列FPGA等）來提高集成度和靈活性。系統總體結構如圖1所示。
圖1 系統總體結構
脈沖發生電路產生探測脈沖，高速的A/D轉換器對脈沖及其反射回波信號進行采樣，使用異步FIFO作為A/D采樣數據的緩存。軟核Nios作為系統核心，控制檢測任務的啟動和結束、脈沖發送接收模式的選擇、A/D采樣數據的處理計算、故障性質和位置的判斷及顯示等。其中，軟核處理器和邏輯功能都是在現場可編程邏輯器件中編程實現的。
2 功能及性能指標
短路測試：檢測電纜芯線之間是否有不必要的連接及其位置。
斷路測試：檢測電纜中某芯線是否斷路及其位置。
顯示：顯示測試結果，即測量中開路及短路的位置。
測量范圍：2～1000 m。
測試精度：可選擇2 m和10 m兩種精度。
脈沖振幅：負載開路5 V。
脈沖寬度：20 ns，100 ns。
最大采樣速率：100 MHz。
波形記錄長度：1024點。
3 硬件設計
以Altera公司的Cyelone II系列FPGA器件EP2C20為核心，利用其Nios軟核功能設計了微處理器，并完成了相關電路的設計。通過編程FPGA器件定制脈沖發生、高速時鐘以及高速數據存儲FIFO等模塊，以此為基礎設計了脈沖發送和接收電路以及高速數據采集和處理電路。
3.1 微處理器系統
簡單來說，Nios是一種處理器的IP核，設計者可以將它放到FPGA中。Nios軟核處理器是一種基干流水線的精簡指令集通用微處理器，時鐘信號頻率最高可達75 MHz。采用Flash來存儲啟動代碼和應用程序，當系統復位或加電啟動時，Flash中的啟動代碼將被執行。采用SDRAM存儲應用程序的可執行代碼和數據，為程序提供運行空間。Nios軟核與Flash和SDRAM的連接在FPGA中的設計如圖2所示。
圖2 Nios軟核與Flash和SDRAM的連接在FPGA中的設計
3.2 探測脈沖的產生
故障檢測所用脈沖信號的寬度為20～100 ns，FPGA的工作時鐘可以達到200 MHz，在其中生成減法計數器可產生滿足脈寬要求的脈沖信號。減法計數器產生脈沖的幅度受限于FPGA的工作電平，對檢測來說是不夠的，因此從FPGA中出來的方波脈沖還要經過放大，才可以耦合到被檢測線纜中去。SN74LVC4245A用作電平轉換。sta和pulse_input均來自FPGA。本設計采用的是5 V脈沖幅度，脈沖的饋送采取了晶體管射極驅動的方式。這種驅動方式比較簡單，適用的器件也比較多。
3.3 A/D轉換電路
檢測脈沖的寬度為20～100 ns，相應的數據采樣率在20 MHz和100 MHz之間變化，一般的A/D芯片很難滿足采樣的要求，而用多片A/D芯片在成本和設計上都比較困難。這里選用美國NS公司的ADC08100，其采樣速率為20～100 Msps，此時采樣的功耗為1.3 mW/Msps，采樣的功耗會隨著采樣時鐘增加而增加，但是采樣的特性不會受到影響，因此在采樣率多樣的系統中一個芯片可以起到多個芯片的作用。根據采樣速率的不同，通過一個時鐘控制模塊產生相應的采樣時鐘信號，使芯片工作在所要求的速率之下，既可以節約成本，又可以簡化設計。ADC08 100和FPGA配合使用，可以方便地改變采樣時鐘，具有很大的靈活性。
A/D轉換電路如圖3所示。探測脈沖及回波信號需要轉換成適合A/D芯片電壓水平的信號后再進行采樣。脈沖在輸入運算放大器之前進行了鉗位處理，采用兩組倒置的二極管并聯，避免脈沖過高而擊穿運算放大器。
圖3 A/D轉換電路
3.4 時鐘信號的產生
檢測脈沖的產生、ADC08100的采樣，以及異步FIFO的數據緩存構成了一個高速A/D數據采集系統。這對于各種信號的時間配合要求很高，需要專門的時鐘單元來配合，以使電路工作在正確的時序之下。在FPGA中可方便地定制時鐘模塊來產生A/D采樣時鐘、異步存儲器的讀寫時鐘，以及脈沖發生模塊的計數時鐘。所有的時鐘都是由一個高速的時鐘來實現同步的，并且整個系統是在同一個啟動信號下同步運行的，從而保證了采樣的時序要求。
3.5 電源模塊
系統中既有模擬電路又有高速數字電路，使用電源種類復雜，存在+5 V、+3.3 V、+1.2 V、-5 V等多種電源信號。在電路板設計制作中既要減小高頻數字信號對模擬信號的電磁干擾，又要避免各種電源之間的干擾，因此需合理規劃模塊布局及布線走向以提高信號穩定性。
4 軟件設計
軟件設計主要包括FPGA的開發應用、應用程序設計以及液晶顯示器的驅動程序設計等。
4.1 FPGA開發應用
現場可編程邏輯器件FPGA（Field Programming Gate Array）具有高密度、高速度、低功耗、功能強大等特點。在此系統中采用了Altera公司的CycloneII系列器件來實現高速的數據采集、存儲功能，是在QuartuslI 7.1軟件中使用硬件描述語言VHDL來設計完成的。高密度可編程邏輯器件的設計流程包括：設計準備、設計輸入、設計處理和器件編程4個步驟，以及相應的功能仿真（前仿真）、時序仿真（后仿真）和器件測試3個設計驗證過程。
本設計中，主要包括Nios微處理器、脈沖發生、高速時鐘以及高速數據存儲FIFO等模塊的設計。
4.2 應用程序設計
應用程序控制檢測任務的啟動和結束、脈沖發送接收模式的選擇、A/D采樣數據的處理計算、故障性質和位置的判斷以及結果輸出等。
5 結語
本文提出了基于Nios軟核的電纜故障檢測儀設計方案。對于脈沖反射法檢測故障的具體實現，提出了基于現場可編程邏輯器件的高速采樣系統的設計思路，并在此基礎上對系統進行了全面的設計。仿真和試驗結果表明，該系統能夠實現對電纜的斷路、短路等故障的檢測，具有在線監測、易于控制的優點，以及靈活和良好的擴展功能。
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