单片机在电缆测试仪中的设计

本文介绍了以电缆固有的电参数为检测对象，以单片机为处理核心的电缆测试仪的设计原理及其基本组成。应用该仪表可快速检测电缆线路的频率特性，判断并定位电缆的断、短、混线故障的性质及故障点。

　　通信电缆是信息交换的主要媒质之一，在通信及计算机网络工程建设和维护中，传输电缆线路的断路、短路、混线等故障常常困扰着网络建设和网络维护人员。本文将介绍一种电缆测试仪，不仅可确定电缆线路中的断路、短路、混线故障的性质和故障点位置，而且能测试电缆的频率特性，可完成电缆自动对线，解决人们在信息系统建设和维护中常常遇到的一些问题。

　　1 电缆测试仪的功能

　　根据信息系统建设和日常维护中经常需要解决的问题，为该测试仪设计了以下几个功能：1） 可测试网络电缆的频率特性，以确定传输系统的带宽（传输速率） .2） 可实现网络电缆的自动对线，该功能在大多数电缆的施工和维护中能大大提高效率和准确率。3） 可判断线路的断路故障性质，并确定线路的断点。4） 可判断线路间的短路、混线故障并确定故障点。该测试仪的组成如图1 所示。

图1 电缆测试仪组成框图

　　2 电缆测试仪的测试原理

　　2. 1 频率特性

　　电缆的频率特性是指电缆对传输信号的衰减随信号频率变化的特性。由于电缆芯线间存在分布电容和电感，其对正弦信号的衰减随传输信号频率的变化而变化，若在电缆的A 端注入幅度稳定的不同频率信号，在B 端测试经过电缆传输后的与A 端频率相对应的信号幅值，即可获取电缆的频率特性。

　　根据频率合成器（如图2 所示） 的工作原理，可知输出频率fo 与基准频率f i 间的关系为：

　　式中M , N 为分频器的分频比。

图2 频率合成器框图

　　由式（1） 可知，通过改变M , N 的值，图1 中的频率合成器可输出不同间隔的与基准频率相同稳定度的频率信号。fo 信号由输出电路对其放大稳幅，并由阻抗匹配接口电路注入电缆A 端；在电缆的B端，将经过电缆传输后的信号接入输入电路进行放大，并由APD（模P数） 转换器转换成数字信号送给单片机检测处理。单片机一方面控制M , N 的大小，以达到输出不同频率的目的，另一方面向对方输出握手联络同步信号。

2. 2 自动对线

　　在线路的A 端注入直流信号，在B 端有唯一的一根导线能检测到该信号，则A ,B 两端连接的为同一根线；若在B 端有两根以上的接入线能检测到该信号，则在电缆的某处必有混线。若在B 端没有一根接入线能检测到该信号，则这根线在线路的某处必有断点。

　　如图1 所示。由单片机和专用电路控制的模拟开关，将直流测试信号分别接入A 端的不同测试线，在B 端通过单片机控制模拟开关接入点检测该信号，A ,B 两端通过主从信号同步控制（需要在电缆中找出一对信号线作为握手联络线） ,判断并记录各线对的通、短、断、混线的对应情况。

　　2. 3 断线定位

　　根据电缆制造结构的一致性，单位长度电缆分布电容的大小是相同的，因此测试电缆每对线间的分布电容，即可测得电缆线路的长度或电缆线对的断点。

　　根据单稳态触发定时电路的工作原理，可知定时时间t 与定时元件R , C 的关系为：

　　式中t 为定时时间， R 为定时电阻的电阻值， C 为定时电容的电容值， k 为与电路有关的常数，一般取3~5.

　　由于定时时间与外接电容成线性关系，若在一个定时周期内，对频率f 的脉冲信号记数，则脉冲个数n 与t 的关系为：

　　将式（2） 代入式（3） ,得：

　　因此，可利用被测电容作为电路的定时元件，在一个定时周期内对一个稳定的基准频率f 信号取样记数，被测电容越大，则取样时间越长，脉冲记数越多，脉冲个数能线性反映被测电容值。

　　若已知某电缆的单位长度电容为Cx （出厂时电缆检验合格证上有标注） ,所测得电容量为Cp ,则电缆长度为：

　　将式（4） 代入式（5） ,得：

　　如图1 所示，定时电路可由555 集成电路为核心的电路组成，开关电路可由门电路组成，计数频率信号是频率合成器的输出信号，可通过单片机来改变M , N 的值，达到改变测试量程的目的。定时信号在控制开关电路的同时，送入单片机，作为单片机计数中断的中断信号源。

　　2. 4 混线定位

　　线路混线时可用测量线路间的环路直流电阻的方法测试，根据每公里电缆芯线的电阻值，即可将测得的电阻值换算成混线点与测试点的距离。

　　但是当电缆芯线在电缆中间某处发生混线时，由于混线程度不同，接触电阻大小不确定，是个未知数，因此，必须设法消除接触电阻的影响。用两次测量方法可消除接触电阻的影响。

图3 混线定位测试原理图

　　如图3 所示，设混线接触电阻为R ,混线点与测试点A 端间的单根导线的线电阻为Rx ,测得的混线环阻为Ra ;与测试点B 端间的单根导线的线电阻为Ry ,测得的混线环阻为Rb ;则有：

　　由上式可得：

　　而Rx + Ry 为电缆全长的单根导线电阻，因此Rx 或Ry 可通过上式求出。根据电缆的每公里电阻值，可由Rx 或Ry 判断混线点。

　　3 电缆测试仪的控制程序流程

　　系统首先进行初始化，然后按不同测试需求依据测试流程进行测试，测试结果在显示器中显示。

　　各部分的测试流程如图4 所示。

                                                                各部分的测试流程图