一种数传电缆长度测量系统的设计

刘 弛，陈永军

（长江大学电子信息学院，湖北 荆州434023）

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，设计了一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［2］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）注入入射脉冲，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：

式中，L为被测导线从测试点到终点的距离，m；V为行波在被测导线中的传播速度，m／s；Δt为入射脉冲与反射脉冲的时间差，s。而行波波速V只与电缆绝缘材料的相对介电系数εr和相对导磁系数μr有关［3］，即：

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，V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Δt，采用的方法是向2个脉冲之间插入频率为f的高频脉冲，并对这个高频脉冲计数。设脉冲个数为n，则有Δt＝n×1／f，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，控制处理单元将计数值转换为电缆长度值输出至LCD液晶显示。

图1 系统设计方案

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200 MHz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5500 V／μs，并具有1 GHz的－3d B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，故设计了一个电压跟随器，采用的是高精度低失调的运放OP－07。原理图如图3所示。

图2 ds PIC30F4013与串口连接电路图

图3 整形电路

3.3 FPGA测量系统设计

系统采用Altera公司的EP3C16 Q240C8芯片为核心，其主频高达470 MHz，计数器最高频率275 MHz。测量系统主要由3个模块组成，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脉宽计数模块。共4路20位高速计数器，4路计数值取平均值；③显示模块。处理计数值并显示“5ns脉冲个数”以及“电缆长度”。

图4 FPGA测量系统组成

4 软件设计

FPGA测量系统软件流程图如图5所示。高频脉冲频率为200 MHz，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＝1.98×108（m／s），则有L1＝1.98×108×5×10－9×d／2＝0.495 d（m）。此时需将L1转换为整数即L＝1000×L1，然后通过取整取余运算将L的每一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。

图5 FPGA测量系统软件流程图

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，具有一定的实际可操作性。若要进一步提高测量精度，可从以下几方面入手：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使用某些方法尽可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

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，具有一定的实际可操作性，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一步提高测量精度。

［1］夏宇闻.Verilog数字系统设计教程［M］.第2版 .北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［2］张桂华 .基于脉冲反射法的导线长度测量的研究［J］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

［3］李保生 .基于时域脉冲反射原理的电线电缆精确测长计数研究［D］.西安：西安电子科技大学，2010.