調(diào)像儀又稱安防監(jiān)控調(diào)測儀,，是一款用于對監(jiān)控系統(tǒng)進行測試的儀器,。在監(jiān)控項目現(xiàn)場施工及維護過程中，經(jīng)常需要對攝像設(shè)備的姿態(tài),、通信線路,、電源等進行測試，使用該款儀器可減少日常工作量，提高工作效率,。
在現(xiàn)場的安裝及維護過程中,，經(jīng)常出現(xiàn)同軸線纜斷路的現(xiàn)象，如外力拉斷,、老鼠咬斷等,，導(dǎo)致圖像無法傳輸。而線纜多是隱藏在天花板內(nèi),、地下,、墻壁管線內(nèi)等不容易檢測的地方，這就對儀器提出增加斷線檢測功能的需求,。通過在線纜的一端測試,，可直接測量出線纜的長度(即斷點的位置)，從而幫助施工人員快速確認故障位置,，及時維修,。
1 檢測原理
根據(jù)TDR理論,，在同軸線纜的一端發(fā)送低壓脈沖,，當(dāng)終端負載阻抗與線纜特征阻抗相等時，發(fā)射脈沖被負載完全吸收,，不產(chǎn)生反射波,。如果線纜終端負載阻抗與線纜特性阻抗不等，則產(chǎn)生回波反射,。其反射系數(shù)定義為反射波幅度U反射與入射波幅度U入射的比值：
式中：ZL為線纜的負載阻抗,；z0為線纜的特征阻抗。
由式(1)可以看出：
?、佼?dāng)負載阻抗與傳輸線阻抗匹配時,，即ZL=Z0，ρ=0,，入射波被負載完全吸收,；
②當(dāng)負載阻抗為無窮大(開路)時,，即ZL=∞,，ρ=+1，發(fā)射波與入射波幅值相同,，極性相同,；
③當(dāng)負載阻抗為無窮小(短路)時,，即ZL=0,，ρ=-1，發(fā)射波與入射波幅值相同，極性相反,。
在實際測試中由于脈沖的發(fā)送和接收在同一端,，所以要避免入射波后沿與反射波前沿在此處疊加,；同時,，為了降低最短測試長度，要選用較窄脈寬的脈沖,。當(dāng)測試線纜長度增加時,，由于存在傳輸線損耗，所以脈沖的寬度也應(yīng)適當(dāng)增加,。脈沖寬度與被測線纜的長度可通過式(2)推算：
式中：L代表測試線纜的長度,；v代表脈沖在線纜中的傳輸速度；t代表脈沖上升沿在傳輸線中的往返時間,。
脈沖在同軸線中的傳輸速度不同于光速,，與線的種類有關(guān)，例如在SYV75-5-2同軸線中的傳輸速度約為200m／μs,。由于脈沖的發(fā)送和接收在同一端,，需避免反射波與入射波疊加，應(yīng)保證測試脈沖的脈寬小于脈沖上升沿在被測線纜中傳輸?shù)耐禃r間,。若測量最短長度為5m的同軸線,，則脈寬：
2 設(shè)計實現(xiàn)
根據(jù)上述原理設(shè)計斷點檢測功能，其原理框圖如圖1所示,。
單片機負責(zé)LCD驅(qū)動,、發(fā)送脈沖寬度設(shè)置、測量結(jié)果處理,、按鍵掃描等工作,；LCD顯示部分負責(zé)測試結(jié)果的顯示；脈沖發(fā)生模塊用于產(chǎn)生低壓窄脈沖,，其脈寬可調(diào),；發(fā)送調(diào)理電路負責(zé)將脈沖信號放大，接收調(diào)理電路用于將脈沖信號轉(zhuǎn)換成CPLD可以接收的電壓范圍(0～3．3 V),；計數(shù)模塊用于記錄入射脈沖與反射脈沖的時間間隔,。
2．1 脈沖發(fā)生模塊
脈沖發(fā)生模塊和計數(shù)模塊均由CPLD邏輯電路實現(xiàn)。CPLD選用Altera公司MAX II系列EPM240T器件,，支持高達300 MHz的內(nèi)部時鐘,，其速度可以滿足測量需求。
脈沖發(fā)生模塊由脈寬設(shè)置單元,、脈沖輸出單元組成,。為節(jié)省單片機I／O口資源，脈寬設(shè)置由一組16位串入并出移位寄存器實現(xiàn)，當(dāng)單片機資源足夠時,，可省去該單元,。脈沖輸出單元由狀態(tài)機實現(xiàn)，如圖2所示,。
其中,，clk_50m為時鐘輸入端，pulse_with為脈寬設(shè)置端口,，pulse_out為脈沖輸出端口,，enalble為使能輸出端口。當(dāng)enable=1時,，pulse_out輸出一個高電平,，其寬度為Tclk_50m×(pulse_with+1)。例如pulse_with=0,，脈寬默認值為t=Tclk_50m×(0+1)=20ns,。設(shè)置不同的pulse_with，輸入脈沖寬度可調(diào),，這樣可以在測量不同長度的線纜時調(diào)整脈沖寬度,，使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。
如圖3所示,，計數(shù)模塊由一個16位計數(shù)器和一個16位并入串出移位寄存器電路實現(xiàn),。enalble使能端用于防止干擾脈沖輸入啟動計數(shù)器；start_counter為使計數(shù)器啟動和停止的脈沖輸入,，上升沿有效,；clk_50m為計數(shù)器時鐘，該時鐘影響測量精度,，其頻率越高,，線纜的測量誤差范圍越小,；Q為計數(shù)值輸出,；EOC為計數(shù)結(jié)束標(biāo)志。
計數(shù)器的啟動由入射脈沖觸發(fā),，停止由反射脈沖觸發(fā),，計數(shù)值由Q數(shù)據(jù)接口輸出，計數(shù)停止后輸出高電平,。單片機查詢計數(shù)結(jié)束標(biāo)志EOC,，當(dāng)電平為1后讀取計數(shù)值。
2．2 調(diào)理電路
2．2．1 發(fā)送調(diào)理電路
發(fā)送調(diào)理電路由放大電路組成,，如圖4(a)所示,。場效應(yīng)管M1將輸入的正脈沖轉(zhuǎn)換為最大值為12 V的負脈沖,，再經(jīng)M2反相后，即可注入到被測電纜和接收調(diào)理電路,。這里選用MOS管而不是運放芯片實現(xiàn)信號脈沖的放大,、反相，便于節(jié)省成本,，縮短信號的傳輸延時,。
2．2．2 接收調(diào)理電路
接收調(diào)理電路如圖4(b)所示。將發(fā)送調(diào)理電路的輸出與接收調(diào)理電路的輸入相連,，同時連接被測電纜,，M3將入射脈沖和反射脈沖降壓，經(jīng)M4反相后傳入CPLD中的計數(shù)模塊,，以控制計數(shù)模塊的啟動和停止。其中,，TVS為瞬變電壓抑制二極管,，是一種過壓保護器件。
2．2．3 原理仿真
圖5中,，波形1為脈沖發(fā)生模塊產(chǎn)生的測試脈沖,，該脈沖輸入至圖4電路①中的位置。波形2為圖4電路中位置的測試波形圖(測試點為測試模塊與被測電纜的連接點),，第一個脈沖為放大后的測試脈沖,，注入被測電纜中，第二個脈沖為被測電纜斷點處返回脈沖,。波形3為波形2經(jīng)過接收調(diào)理電路后的波形,，該波形將輸入至CPLD的計數(shù)模塊。第一個脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)模塊開始計數(shù),，第二個脈沖上升沿觸發(fā)計數(shù)模塊停止計數(shù),。實際測試波形如圖6所示。
3 軟件設(shè)計
程序?qū)崿F(xiàn)自動測量功能,，用戶無需事先估算線纜長度,，調(diào)整測試脈沖寬度。自動測量流程如圖7所示,。
在選擇好線型后,，具體流程如下：
①首先從最窄脈沖20 ns(PW=O)開始輸出,，延時后檢測EOC,。(EOC等于0時，說明沒有反射脈沖返回),；
?、诿}寬加40ns(PW+=2)后再次輸出,，延時后檢測EOC，如此反復(fù),，直到檢測到返回脈沖(EOC=1)為止,，或≥最大輸出脈寬范圍；
?、郛?dāng)PW≥256時,，超出測量范圍，返回Length=0,，測量失?。?/p>
?、墚?dāng)EOC=1時,，讀取測量值，根據(jù)線纜類型計算測試線纜長度并返回Length值,，否則返回Length=0,，測試失敗,；
?、輰㈤L度值進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，使用LCD進行顯示,?！ ?/p>
4 實驗結(jié)果
為使測量準(zhǔn)確，需要對不同線纜的信號傳輸速度進行測量,。選取三種線纜,，使用示波器及測試脈沖測試出各線纜的傳輸速度。將各速度值作為常數(shù)與計數(shù)模塊計數(shù)值進行計算,，即可得出對3種電纜的長度測量結(jié)果,。實驗結(jié)果如表1所列。
通過對3種電纜的測試可以看出,，其測試誤差均在±2％以內(nèi),，完全可以滿足實際工程的需要。
5 結(jié)論
本文系統(tǒng)論述了斷點檢測的實現(xiàn)原理,，設(shè)計了相關(guān)軟,、硬件模塊，集成到調(diào)像儀中并進行了多種線纜的標(biāo)定實驗,。實驗結(jié)果表明,，該功能模塊測量精度較高，完全可以滿足工程現(xiàn)場的實際需要,。