隨著現(xiàn)代電信事業(yè)的發(fā)展,，常常由于自然災(zāi)害或人為因素發(fā)生電纜中斷事故^[1]。傳統(tǒng)的電纜監(jiān)測設(shè)備^[2～3]存在測量速度慢,、信號處理手段落后,、報(bào)警方式單一、有虛報(bào)漏報(bào)現(xiàn)象,、用戶接口不友好,、使用不便、不能對機(jī)房環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測,、不能輸出故障地圖等嚴(yán)重弊端,，因此急需一種新型的適用電纜維護(hù)需要的電纜故障自動定位系統(tǒng)，以提高電纜維護(hù)的自動化水平,。
1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及工作原理
1．1 系統(tǒng)組成
　　系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,，由放置于各支局的電纜監(jiān)控裝置和放置于省或市局監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)組成兩級結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)制解調(diào)器和電話網(wǎng)將它們聯(lián)接起來,，進(jìn)行報(bào)警信息的數(shù)據(jù)通信,。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器和電話網(wǎng)絡(luò)" title="電話網(wǎng)絡(luò)">電話網(wǎng)絡(luò)接收報(bào)警數(shù)據(jù)，完成故障電纜的電子地圖定位,、打印,、報(bào)警和數(shù)據(jù)存檔等工作,；電纜監(jiān)控裝置以嵌入式處理器芯片Atmega128^[4]為系統(tǒng)的控制核心，采用交流直流在線切換供電方式,，完成實(shí)時監(jiān)測,、電話語音處理、人機(jī)交互和數(shù)據(jù)通訊等工作,，并且還可以通過電話機(jī)進(jìn)行參數(shù)查詢與修改,。

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1．2 監(jiān)控裝置組成
　　電纜監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，可分為三個部分,，下面分別進(jìn)行介紹,。
1.2.1 實(shí)時監(jiān)測模塊
　　由于電纜所處環(huán)境復(fù)雜惡劣，每條電纜采用壓敏保護(hù)元件,、阻容濾波電路,、二極管保護(hù)電路、TLP521-4光電隔離電路和繼電器切換電路等,，將電纜狀態(tài)送入Atmega128的ADC中,，來完整地記錄線路的狀態(tài)漸變情況；采用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(biāo)準(zhǔn)電阻電容繼電器切換電路和6N137光電隔離電路等，自動實(shí)現(xiàn)電纜故障點(diǎn)長度的測量,；采用環(huán)境監(jiān)測模塊完成機(jī)房的溫度,、煙霧、濕度等的監(jiān)測,。
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(shí)現(xiàn)電纜故障驗(yàn)證和語音報(bào)警,、遠(yuǎn)程參數(shù)修改和信息查詢等功能,。
1.2.3 人機(jī)交互和數(shù)據(jù)通訊模塊
　　人機(jī)交互模塊采用Atmega16作為CPU，配以24鍵鍵盤和8位LED顯示器,，通過串行口同Atmega128通訊,。數(shù)據(jù)通訊模塊采用MODEM電路同監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
1.3 電纜監(jiān)測電路設(shè)計(jì)原理
　　電纜監(jiān)測電路可以對八根電纜進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,。通過監(jiān)視電纜的一對備用線,，實(shí)現(xiàn)電纜通斷狀態(tài)的監(jiān)視。選取的一對備用線,一端接監(jiān)測電路,另一端短接,從而構(gòu)成一回路,。電纜監(jiān)測電路可以巡回監(jiān)視電纜線路的狀態(tài),，若發(fā)生故障,，則根據(jù)線路的通或斷狀態(tài)，采用電容或電阻測量方法,，確定故障點(diǎn)的位置,。
1.3.1 線路監(jiān)視電路
　　在電纜沒有發(fā)生故障的狀態(tài)下，通過對繼電器的控制,，將被測線路與監(jiān)視電路相連,，完成線路狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)視。如圖3所示,，監(jiān)視回路由＋24V電源,、1kΩ和510Ω電阻、被測線路和TLP521-4組成,。系統(tǒng)允許測量電纜長度為20km,，則線徑為0.4mm的銅線電阻值為0～5.6kΩ,發(fā)光二極管電流為3～11mA,ADCx的電壓范圍為0～2.4V?？紤]到實(shí)際電纜存在一定誤差,，可設(shè)其閾值為2.4＋0.6V，當(dāng)線路接觸不良或斷路時,，其回路間電阻會迅速增加，ADCx端電壓值大大高于閾值3V,。由于引起異常的原因復(fù)雜且不可預(yù)測,通過調(diào)用通斷檢測函數(shù),，在一定時間內(nèi)對異常電纜進(jìn)行多次監(jiān)測。若多次監(jiān)測結(jié)果均超出閾值范圍,即表明電纜存在故障,。另外,，電路采用330V的壓敏電阻和TLP521-4可避免雷擊或其它大電流對系統(tǒng)的危害，采用1kΩ,、510Ω電阻,、二極管和10μF電解電容，可減少被測電纜中的干擾信號對監(jiān)視電路的影響,。

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1.3.2 電容測量電路
　　電容測量電路如圖4所示,，當(dāng)進(jìn)行電纜的電容/電阻測量時，控制繼電器開關(guān),，將被測電纜兩端分別連接CAP-RES1,、CAP-RES2端。當(dāng)被測線路斷路時,，CAP-RES1和CAP-RES2分別同圖4中的CAP1和CAP2相連,，斷開后的長線對相當(dāng)于一個電容器的兩個極板，其長度與電容值成正比,。電容測量采用NE555電路,，將電容量轉(zhuǎn)化為頻率量,。測量電路分別對0.1μF標(biāo)準(zhǔn)電容C0和被測電容CX進(jìn)行測量，得到相應(yīng)的頻率值F0和FX,。按照公式CX=C0×F0/FX,計(jì)算出被測電纜的電容值,。電路中采用高速光耦6N137芯片，使電路與MCU隔離,。
1.3.3 電阻測量電路
　　電阻測量電路如圖5所示,，當(dāng)進(jìn)行電纜的電容/電阻測量時，控制繼電器開關(guān),，將被測電纜兩端分別連接CAP-RES1,、CAP-RES2端。當(dāng)被測線路在故障點(diǎn)短路時, CAP-RES1和CAPR-ES2分別同圖5中的RES1和GND相連,，短路后的長線對相當(dāng)于一個電阻器,，其長度與電阻值成正比。通過＋9V電源,、1kΩ電阻和被測線路電阻組成的分壓電路,，將被測線路電阻上的電壓經(jīng)過LM331V/F電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率信號。頻率信號經(jīng)過6N137高速光耦隔離后連接 Atmega 捕獲時鐘中斷引腳,，測量出頻率值,，再換算成電阻值。

1．4 電話語音報(bào)警電路設(shè)計(jì)原理
　　電話語音報(bào)警電路如圖6所示,，該模塊主要由收/撥號電路,、信號音識別電路、振鈴電路和語音錄放電路等組成,。在撥號電路中,，MCU通過串行接口，將所要發(fā)送數(shù)據(jù)由HT9200A芯片轉(zhuǎn)化為DTMF信號,，送入電話網(wǎng)絡(luò),；而收號電路則將DTMF信號轉(zhuǎn)化為四位的編碼送給MCU。信號音識別電路是由LM567組成的鎖相環(huán)電路,，在話路上檢出450Hz信號音的調(diào)制脈沖后,，送給MCU測試，以便識別出撥號音,、回鈴音和忙音等信號音,。振鈴電路將電話線路上的25Hz/70V的交流振鈴信號轉(zhuǎn)化為TTL電平信號，送給MCU的中斷引腳,。語音錄放電路由ISD2560,、74HC164、LM386和繼電器切換電路組成,。繼電器電路控制本地和遠(yuǎn)程電話機(jī)語音錄放功能的切換,。ISD2560中存放報(bào)警所需的固定信息和由用戶輸入的所監(jiān)測電纜的長度,、地理位置等語音信息。當(dāng)發(fā)生故障時,，由撥號電路撥通報(bào)警電話,，信號音識別電路檢測出對方摘機(jī)后，語音錄放電路播放報(bào)警信息,。當(dāng)用戶電話機(jī)撥通本裝置時,，振鈴電路和收號電路接收用戶的數(shù)字和語音信息，完成本裝置的參數(shù)修改及語音錄放功能,。為了用戶使用方便,，本裝置也可以作為電話機(jī)使用。

2 軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控中心軟件和電纜監(jiān)控裝置軟件兩部分,。監(jiān)控中心采用Delphi語言,，通過MODEM和電話網(wǎng)絡(luò)接收報(bào)警數(shù)據(jù)，完成故障點(diǎn)地圖打印,、報(bào)警和電纜管理功能,；電纜監(jiān)控裝置軟件采用程序查詢和中斷相結(jié)合的方式，對電纜完成實(shí)時監(jiān)控,、故障自動定位,、電話語音報(bào)警、參數(shù)遠(yuǎn)程修改,、數(shù)據(jù)上傳,、故障校驗(yàn)和機(jī)房環(huán)境監(jiān)測等功能。當(dāng)線路狀態(tài)發(fā)生變化時,，則進(jìn)行線路長度測量。在系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警信息之前,，采用下列三種方法,，去除線路誤報(bào)情況：
　　(1) 核實(shí)電話法：八條監(jiān)控電纜，每條電纜設(shè)置兩個核實(shí)電話號碼,。當(dāng)故障發(fā)生時,，系統(tǒng)自動撥打核實(shí)電話，并且自動識別撥號音,、忙音,、摘機(jī)、無人接聽等情況,，以判別故障的真實(shí)性,。
　　(2) 線路全長判別法：在精確測量的前提下，每條電纜的全長同故障測量距離比較,，若相近,，且線路最后狀態(tài)為閉合,，則認(rèn)為誤報(bào)；否則,，認(rèn)為故障或線路終端開路,。
　　(3) 線路巡檢電路對八路電纜進(jìn)行A/D采樣，全程記錄線路狀態(tài)的漸變情況,，以便去掉干擾造成的誤報(bào),。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)得出每條線路的斷路閾值和短路閾值。A/D采樣采用中斷方式,，依次測量1~8路通道,，每通道采樣10次，并將10次采樣結(jié)果同斷路閾值和短路閾值相比較,，得到線路的通斷狀態(tài),。如果電纜線路在檢測執(zhí)行過程中發(fā)生了明顯的變化,則該次測量數(shù)據(jù)無效,需要重新進(jìn)行通斷檢測。
2．1 監(jiān)控裝置監(jiān)測程序設(shè)計(jì)
　　在監(jiān)測程序設(shè)計(jì)中,，主要包含的函數(shù)有通斷檢測函數(shù),、電阻檢測函數(shù)、電容檢測函數(shù),、綜合處理函數(shù)等,。

2.1.1 監(jiān)控裝置主程序
　　監(jiān)控裝置主程序如圖7所示。它主要執(zhí)行如下動作：
　　(1) 系統(tǒng)初始化,，包括數(shù)據(jù)緩沖區(qū),、軟件標(biāo)志、MCU的I/O端口,、定時器,、串行口波特率及中斷向量表的初始化。
　　(2) 接收鍵盤輸入,，包括本機(jī)標(biāo)識,、報(bào)警電話號碼、復(fù)核電話號碼,、被監(jiān)測線路長度,、語音數(shù)據(jù)、密碼等參數(shù)的顯示及設(shè)定,。
　　(3) 對線路狀態(tài)和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測,，若線路發(fā)生故障或機(jī)房環(huán)境發(fā)生異常，則進(jìn)行線路長度測量或環(huán)境參數(shù)測量,，并通過電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報(bào)警信息,。
　　(4)若有遠(yuǎn)程控制電話呼入，在密碼核對正確后，用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)查詢和修改,。
2.1.2 電容/電阻檢測函數(shù)
　　當(dāng)線路發(fā)生故障時,，由NE555/LM331電路將線路電容/電阻轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率，送給Timer1/Timer3的捕獲引腳ICP1/ICP3,。其輸入捕獲單元可精確捕獲ICP1/ICP3引腳發(fā)生的外部事件及發(fā)生的時刻,，調(diào)用電容/電阻檢測函數(shù)計(jì)算單位時間內(nèi)觸發(fā)事件的次數(shù)，從而精確計(jì)算出頻率值及相應(yīng)的電容/電阻值,。由于電容/電阻同電纜長度成比例關(guān)系,，因此在故障未發(fā)生時，定期測量整個線路的電容/電阻值,，計(jì)算出單位電容/電阻的線路長度,；在故障發(fā)生時，測量故障線路的電容/電阻值,，并換算出故障電纜長度,。為減少系統(tǒng)誤差，電容/電阻檢測函數(shù)先測量標(biāo)準(zhǔn)電容/電阻,，然后測量線路電容/電阻,，從而提高測量精度。
2．2 監(jiān)控中心地圖輸出程序設(shè)計(jì)
　　通常,，地理信息系統(tǒng)采用Mapinfo軟件進(jìn)行信息查詢,，但由于電子地圖版權(quán)費(fèi)用較高，為降低系統(tǒng)成本,，采用地圖位圖同線路繪制信息數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)電纜地理信息查詢,。其步驟如下：
　　(1) 掃描某一城市的高精度地圖,得到位圖形式的電子地圖。
　　(2) 在電子地圖上,，繪制由頂點(diǎn)和線段組成的電纜線路圖,，記錄各頂點(diǎn)的坐標(biāo)，并輸入各頂點(diǎn)和線段的數(shù)據(jù)信息,，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫,。
　　(3)當(dāng)故障發(fā)生時，根據(jù)此線路的總長度,、故障線路長度、電子位圖中的電纜線路的所有線段總長度,，得出故障點(diǎn)在線路圖中的位置,，并且把故障點(diǎn)的相關(guān)信息輸出或報(bào)警。
3 系統(tǒng)測試
　　系統(tǒng)測量電路經(jīng)過DESIGN EXPLORE 99 SE軟件仿真測試,，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0～10kΩ之間，輸出頻率在0～9kHz之間)，待測的電容/電阻與頻率成線性關(guān)系,。本文以齊齊哈爾電信局測試數(shù)據(jù)為例,，采用在電信領(lǐng)域廣泛使用的0.4mm線徑電纜進(jìn)行測試，首先對每路電纜的一對線路全長進(jìn)行10次電容/電阻測量,，計(jì)算出單位長度的電容/電阻值,；然后對每一路電纜故障進(jìn)行模擬測試，得到測試數(shù)據(jù)表,。由表1可知,，每條線的單位長度電容/電阻值是變化的，若按固定常數(shù)50nF/km計(jì)算,，則由測量得到的電容/電阻值計(jì)算出的電纜長度的相對誤差在2%以上,。然而，由于每條鋪設(shè)的電纜的型號,、所處環(huán)境不同以及施工的復(fù)雜性,，導(dǎo)致單位長度電容/電阻值很難由理論計(jì)算得出。因此,，針對特定電纜,，定期地測試其總長度以及相應(yīng)的電容/電阻值，計(jì)算出單位長度電容/電阻值,，并形成所有被測電纜的單位長度電容/電阻值表,。當(dāng)故障發(fā)生時，由測得電容/電阻值同查表得到的單位長度電容/電阻值的乘積而得到故障點(diǎn)的電纜長度,。由表1可知,，測量相對誤差在1%以內(nèi),最長距離為20公里，完全能滿足用戶的需要,。

　　系統(tǒng)可監(jiān)測最長距離為20公里,，精度為1%，無誤報(bào)情況發(fā)生,；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,、功能齊全、使用簡單易學(xué),，成本低,，具備電話機(jī)功能，已在國內(nèi)大量應(yīng)用,。