摘要：針對頻繁發生的電信電纜中斷事故，提出了一種電纜故障自動定位係統設計方案。該係統結合了電容檢測法和電阻檢測法，根據定期測量的單位長度電容/電阻值，計算出故障電纜的長度。報警形式包括故障點圖輸出報警和語音電話報警。實驗及應用結果表明，該係統結構緊湊、功能齊全、易學易用、測量精度高、無誤報、成本低。關鍵詞：嵌入式、自動定位、電信電纜、報警器。隨著現代電信業的發展，由於自然災害或人為因素經常發生電纜中斷事故[1]。傳統的電纜監控設備[2~3]存在測量速度慢、信號處理方式落後、報警方式單一、誤報漏報、用戶界麵不友好、使用不便、無法對機房環境進行監控等問題。輸出故障圖等存在嚴重弊端，因此迫切需要一種適合電纜維護需求的新型電纜故障自動定位係統，以提高電纜維護的自動化水平。 1 係統硬件電路設計及工作原理1.1 係統組成係統組成框圖如圖1所示。它由放置在各分支的電纜監控裝置和放置在省或市局監控中心的計算機組成的兩級結構組成。並通過調製解調器將它們與電話網絡連接，進行報警信息的數據通信。監控中心計算機通過調製解調器和電話網絡接收報警數據' title='電話網絡'電話網絡完成故障電纜的電子地圖定位、打印、報警和數據歸檔；電纜監測裝置采用嵌入式處理器芯片Atmega128[4]為係統的控製核心，采用交直流在線開關供電方式完成實時監測、電話語音處理、人機交互和數據通信，還可以通過電話查詢、修改參數。 1.2 監測裝置的組成電纜監測裝置的結構如圖2所示，可分為三部分，下麵分別介紹。 1.2.1 實時監控模塊由於電纜環境複雜惡劣，每根電纜均采用壓敏保護元件、阻容濾波電路、二極管保護電路、TLP521-4光電隔離電路和繼電器開關電路對電纜進行發送狀態傳輸至Atmega128 ADC，完整記錄線路的狀態梯度；利用NE555電容測量'title='電容測量'電容測量電路、LM331電阻測量'title='電阻測量'電阻測量電路、標準電阻電容繼電器切換電路和6N137光電隔離電路等，自動實現電容的測量電纜故障點長度；環境監控模塊用於完成機房內的溫度、煙霧、濕度等監控。 1.2.2 電話語音處理模塊電話語音處理模塊包括HT9200A電話撥號電路、HT9170收號電路、LM567信號音識別電路、振鈴電路、ISD25120語音錄放電路等，實現電纜故障校驗和語音報警。遠程參數修改和信息查詢等功能。 1.2.3 人機交互及數據通信模塊人機交互模塊采用Atmega16作為CPU，配備24鍵鍵盤和8位LED顯示屏，通過串口與Atmega128進行通信。數據通訊模塊采用MODEM電路與監控中心傳輸數據。 1.3 電纜監測電路設計原理電纜監測電路可實時監測8根電纜。通過監測電纜的一對備用線路，可以監測電纜的通斷狀態。選取一對備用線，一端連接監控電路，另一端短接，形成回路。電纜監測電路可以巡檢電纜線路的狀態。如果發生故障，則根據線路的通斷狀態，采用電容或電阻測量方法來確定故障點的位置。
1.3.1 線路監測電路當電纜無故障時，通過控製繼電器將被測線路接入監測電路，完成線路狀態的實時監測。如圖3所示，監測回路由+24V電源、1k和510電阻、被測線路和TLP521-4組成。係統允許測量電纜長度為20km，則線徑為0.4mm的銅線電阻值為0~5.6k，LED電流為3~11mA，ADCx的電壓範圍為0~2.4五、考慮到實際電纜存在一定誤差，閾值可設置為2.4+0.6V。當線路接觸不良或電路開路時，電路間的電阻會迅速增大，ADCx端電壓值遠高於閾值3V。由於異常原因複雜且難以預測，通過調用連續性檢測功能，可以在一定時間內多次監測異常電纜。如果多次監測結果超出閾值範圍，則表明電纜存在故障。另外，電路采用330V壓敏電阻和TLP521-4，避免雷擊或其他大電流對係統造成損壞。它采用1k、510電阻、二極管和10F電解電容，減少被測電纜中的幹擾信號對監測電路的影響。影響。 1.3.2 電容測量電路電容測量電路如圖4所示。測量電纜的電容/電阻時，控製繼電器開關，將被測電纜兩端分別連接至CAP-RES1和CAP-RES2端子。當被測電路斷開時，CAP-RES1和CAP-RES2分別連接到圖4中的CAP1和CAP2。斷開後的長線對相當於電容器的兩塊極板，其長度與電容值成正比。電容測量采用NE555電路將電容轉換為頻率。測量電路分別測量0.1F標準電容C0和被測電容CX，得到相應的頻率值F0和FX。根據公式CX=C0F0/FX，計算被測電纜的電容值。電路中采用高速光耦6N137芯片，將電路與MCU隔離。 1.3.3 電阻測量電路電阻測量電路如圖5所示。測量電纜的電容/電阻時，控製繼電器開關，將被測電纜兩端分別連接到CAP-RES1和CAP-RES2端。當被測線路在故障點短路時，CAP-RES1和CAPR-ES2分別連接到圖5中的RES1和GND。短路後的長線對相當於一個電阻，其長度與電阻值成正比。通過+9V電源、1k電阻和被測線電阻組成的分壓電路，將被測線電阻上的電壓通過LM331V/F電路轉換成相應的頻率信號。頻率信號通過6N137高速光耦隔離，然後連接到Atmega捕獲時鍾中斷引腳。測量頻率值，然後轉換為電阻值。 1.4 電話語音報警電路設計原理電話語音報警電路如圖6所示。該模塊主要由接收/撥號電路、信號音識別電路、振鈴電路和語音錄放電路組成。在撥號電路中，MCU將HT9200A芯片要發送的數據通過串行接口轉換為DTMF信號發送到電話網絡；收號電路將DTMF信號轉換成四位編碼發送給MCU。信號音識別電路是由LM567組成的鎖相環電路。檢測到語音線路上450Hz信號音的調製脈衝後，送至MCU進行測試，以識別撥號音、回鈴音、忙音等信號音。振鈴電路將電話線上的25Hz/70V交流振鈴信號轉換為TTL電平信號發送至MCU的中斷引腳。語音錄放電路由ISD2560、74HC164、LM386和繼電器開關電路組成。繼電器電路控製本地和遠端電話錄音和放音功能的切換。 ISD2560存儲報警和語音信息所需的固定信息，例如監控電纜的長度和用戶輸入的地理位置。當發生故障時，撥號電路撥打報警電話。信號音識別電路檢測到對方拿起電話後，錄音播放電路播放報警信息。
當用戶的電話撥打該設備時，振鈴電路和收號電路接收用戶的數字和語音信息，完成設備的參數修改和語音錄放音功能。為了方便用戶，該設備還可以用作電話。 2 軟件設計係統軟件包括兩部分：監控中心軟件和電纜監控裝置軟件。監控中心采用Delphi語言，通過MODEM和電話網絡接收報警數據，完成故障點圖打印、報警及線纜管理功能；電纜監測裝置軟件采用程序查詢和中斷相結合的方式完成電纜的實時監測和故障自動定位。電話語音報警、遠程參數修改、數據上傳、故障校驗及機房環境監控等功能。當線路狀態發生變化時，測量線路長度。在係統發送報警信息前，可采用以下三種方法消除線路誤報： (1)驗證電話法：8根監控線纜，每根監控線纜設置2個驗證電話號碼。當發生故障時，係統自動撥打驗證電話，並自動識別撥號音、忙音、摘機、無人應答等，以判斷故障的真實性。 (2)線路全長識別法：在準確測量的前提下，將每根電纜的全長與故障測量距離進行比較。如果相似且線路最終狀態為關閉，則認為是誤報；否則，視為故障或線路終止。開路。 (3)巡線電路對八路電纜進行A/D采樣，全程記錄線路狀態的逐漸變化，以消除幹擾引起的誤報。通過計算和實驗得到每條線路的開路閾值和短路閾值。 A/D采樣采用中斷方式，依次測量通道18，每個通道采樣10次，將10次采樣結果與開路閾值、短路閾值進行比較，得到線路的通斷狀態。如果檢測過程中電纜線路發生較大變化，則測量數據將失效，需要重新進行連續性檢測。 2.1 監測裝置監測程序設計監測程序設計中，主要功能包括通斷檢測功能、電阻檢測功能、電容檢測功能、綜合處理功能等。 2.1.1 監測裝置主程序主程序監控設備的流程如圖7所示。它主要執行以下動作： (1)係統初始化，包括數據緩衝區、軟件標誌、MCU I/O端口、定時器、串口波特率和中斷向量表的初始化。 (2)接收鍵盤輸入，包括本機標識、報警電話號碼、複查電話號碼、監控線路長度、語音數據、密碼等參數的顯示和設置。 (3)監控線路狀態和環境。如果線路出現故障或機房環境異常，測量線路長度或環境參數，並通過電話網絡發送報警信息。 (4) 如果有遠程控製呼叫進來，密碼驗證正確後，用戶可以查詢和修改遠程參數。 2.1.2 電容/電阻檢測功能當線路發生故障時，NE555/LM331 電路將線路電容/電阻轉換為相應的頻率，發送到Timer1/Timer3 的捕捉引腳ICP1/ICP3。其輸入捕捉單元可以準確捕捉ICP1/ICP3引腳上發生的外部事件以及發生的時間，並調用電容/電阻檢測函數計算單位時間內觸發事件的數量，從而精確計算出頻率值和頻率值。相應的電容/電阻值。由於電容/電阻與電纜的長度成正比，因此在不發生故障的情況下，定期測量整條線路的電容/電阻，計算出單位電容/電阻的線路長度；當發生故障時，測量故障線路的電容/電阻值，換算出故障電纜的長度。為了減少係統誤差，電容/電阻檢測功能首先測量標準電容/電阻，然後測量線路電容/電阻，從而提高測量精度。
2.2 監控中心地圖輸出程序設計地理信息係統通常采用Mapinfo軟件進行信息查詢。但由於電子地圖版權費用較高，為了降低係統成本，采用地圖位圖與線圖信息數據庫相結合的方法來實現有線地理信息查詢。步驟如下： (1)掃描某城市的高精度地圖，得到位圖形式的電子地圖。 (2)在電子地圖上，繪製由頂點和線段組成的電纜線路圖，記錄每個頂點的坐標，輸入每個頂點和線段的數據信息，形成相應的數據庫。 (3)當故障發生時，根據電子位圖中線路總長度、故障線路長度以及電纜線路所有線段總長度，確定線路中故障點的位置獲取故障圖，輸出故障點的相關信息或報警。 3 係統測試係統測量電路已經通過DESIGN EXPLORE 99 SE軟件進行了仿真和測試。待測電容在1nF~1000nF之間，輸出頻率在28.8Hz~28.8kHz之間（或待測電阻在0~10k之間，輸出頻率在1nF~1000nF之間。（0~9kHz之間） ），待測電容/電阻與頻率呈線性關係，本文以齊齊哈爾電信局的測試數據為例，采用電信領域廣泛使用的0.4mm直徑電纜進行測試。首先，10電容/電阻對每根電纜的一對線路全長進行電阻測量，計算出單位長度的電容/電阻值；然後對每根電纜故障進行模擬測試，得到測試數據表，由表可見由圖1可知，每條線路單位長度的電容/電阻值發生變化，如果按照固定常數50nF/km計算，則根據測量的電容/電阻值計算出的電纜長度的相對誤差大於2%。但由於敷設的電纜類型不同、環境不同、施工複雜，單位長度的電容/電阻在理論上很難計算。因此，對於特定電纜，定期測試其總長度和對應的電容/電阻值，計算單位長度電容/電阻值，形成所有被測電纜的單位長度電容/電阻值表。當發生故障時，將測量的電容/電阻值乘以表中得到的單位長度電容/電阻值，即可得到故障點的電纜長度。從表1可以看出，測量相對誤差在1%以內，最大距離為20公裏，完全可以滿足用戶的需求。係統最大監測距離可達20公裏，準確率1%，無誤報。該係統結構緊湊、功能齊全、使用方便、成本低廉，並具有電話功能。在中國已得到廣泛應用。參考文獻1 葉元國，廖國武低壓配電電纜防盜問題研究[J].華南師範大學學報，2000(2):34382 李虎山，潘某。防盜報警係統的設計與實現[J]計算機應用，2002, 28(2):463 滕誌軍，滕誌華，張淑豔。一種遠程智能防盜報警裝置的研製[J].東北電力大學學報，2001； 21(4):77804 馬超，詹偉幹，耿德根。 ATmega8原理及應用手冊[M]北京： 清華大學出版社，2003
