便携式ADSL线缆测试仪的设计

摘要：介绍了一种以单片机和FPGA为核心的ADSL线缆测试仪。通过采用嵌入式计算机技术，硬件电路模块化设计技术，方便了测量通道的扩展，实现了ADSL线缆的导通，绝缘，电压，电容测试。阐述了该系统的工作原理、设计方案和硬件、软件实现方法。试用结果表明，该测试仪能够对ADSL线缆的绝缘，电压等电气性能参数进行自动测量，能及时快速地检测ADSL线缆存在的故障隐患，缩短检测时间，提高检测效率。
关键词：ADSL线缆；FPGA；单片机；便携

0 引言
    近几年来，不对称数字用户线(ADSL)作为网络“最后一公里”问题解决方案在世界范围内得到了广泛运用。在我国，ADSL业务已成为运营商收入的主要增长点之一。
    其直接采用的是现有的市话铜缆线路传输信息，市内电话线缆线路同时还担负着传递长途电话、市内电话和其他通信业务的重要任务，是保证通信业务畅通无阻的关键环节。如果市话线路发生障碍，少则十几个用户，多则上千个用户会同时发生阻断；如果是多局制的中继线缆出现障碍，会使两个局的全体用户都不能相互通信。因此，无论是ADSL业务还是市话业务的开通，还是正常的运营维护，都需进行一系列的测试工作，而自动化的测试仪表是提高测试效率及准确度的关键。针对传统仪表设备不便携带，自动化程度不高等特点设计了此型ADSL线路测试仪。

1 系统工作原理
    线缆测试仪由MCU控制器电路、控制驱动电路、A／D采集电路、通道切换电路、绝缘，环阻，电压，电容，通断测量电路、系统电源电路、显示电路、人机键盘接口电路等部分组成。线缆测试仪系统原理组成方框图如图1所示。

    MCU主控制器电路完成系统测试程序的运行控制，进行计算机控制、地址、数据命令的接收、发送、驱动控制，进行人机接口命令交互，与上位机通讯命令传送，接收与之联网的上位计算机发送的测试命令字，执行测试过程及将测试结果显示、通过串口输出上传等。
    驱动控制电路完成总线信号的驱动和各种用户功能接口板的地址译码、控制、通道切换、功能实现等工作。
    绝缘阻抗测试单元：实现被测电缆的绝缘阻抗测试。将绝缘测试所需的高压源或标准电阻通过通道切换电路切换到相应的测量电路。
    环路电阻测试单元：实现被测电缆的环路电阻测试。将环阻测试所需的电压源或标准电阻通过通道切换电路切换到相应的测量电路。
    通断测试单元：实现被测电缆的通断测试，以及断点位置的确定。
    电压测试单元：实现被测线缆A，B线之间的电压测量。
    电容测试单元：实现被测线缆A，B线之间的电容测量。
    通道切换电路实现将被测电缆的被测点接通切换到相应的测试线路通道。
    人机接口单元接收面板键盘的命令，完成相应的控制操作，并将信息送到LCD显示屏显示。
    显示电路实现开机画面、系统主菜单、测试项目子菜单、自检和校准结果、测试结果、数据管理、电气性能参数值等显示信息。

2 系统硬件设计
2．1 通断测试单元
2．1．1 通断测试原理
    测试原理：测试时向电缆一端注入低压脉冲，该脉冲沿电缆传播(传播速度与光速为同一级别)，当遇到阻抗不匹配的地方，如短路点、故障点、中间接头等，脉冲产生反射，反射信号回到测量点时被仪器记录下来，波形发射脉冲与反射脉冲的时间差，脉冲在电缆中的波速度v，很容易得到阻抗不匹配点距离L。
2．1．2 通断测试电路
    测试时通过人机键盘设置脉冲宽度，由单片机发送测试开始指令和脉宽控制字，FPGA接收到测试指令，根据脉宽控制字产生脉冲的同时开始计数，脉冲经发射电路到被测线缆。在遇到断点后，脉冲原路返回，再经过接收电路后产生下降沿，使FPGA停止计数，将计数值传给单片机，计算出断点位置后通过显示电路显示出来，MCU通过串口与PC机通信，可导出所测数据。
    为防止因信号损耗过大导致回波幅值较小不易辨别，FPGA产生的脉冲通过放大电路放大到+50 V；同时为了避免因测试点阻抗不平衡导致发射脉冲幅度减小，在放大电路与线缆之间加入高频脉冲隔离器，以求电路与线缆更好的耦合。在遇到断点后，脉冲原路返回，经耦合电路后再经过放大处理后，由光电隔离电路产生下降沿，传给FPGA。如图2所示。

2．2 绝缘阻抗测试
    绝缘电阻测量采用漏电流法测量原理，通过外加直流电压源测量无源回路的绝缘电阻。如果被测回路某一根芯线与其它芯线、电缆壳体、地绝缘，给该芯线施加直流电压，则其余芯线对地就不会有漏电流，否则，就会检测到漏电电压。绝缘测试的工作原理如图3所示。

    绝缘电阻：Rl=URo／Uo一Ro。
    根据IEC61010-2001标准及测试要求，绝缘电阻的测试回路需施加3种直流电压信号(250 V，500 V，1 000 V)。直流高压源在直流控制信号的作用下，将单片机系统通过DA转换提供的0 V～5 V直流信号转变成0 V～1 000 V的直流高压信号。为了保障单片机系统的测量范围，同时实现绝缘电阻的全量程测量，必须采用分压网络进行量程自动切换。单片机系统发出直流信号控制开关K的动作以选中分压网络3个电阻中任一个，当回路中所加直流高压信号一定时，测试回路因分压网络所选中电阻不同而分出的检测信号不一样，当检测信号低于单片机的采集范围时，分压网络向小电阻档切换；反之，向高电阻档自动转换。
2．3 环路电阻，电压测试设计
    环路电阻测试，电压测试均采用与绝缘电阻测试相同的设计原理，在此不再赘述。
2．4 电容测试设计
    通过将电容转化为频率测试的方法来测量线对间的电容。采用555时基振荡电路。线对间电容与仪表内部电阻和555构成振荡电路，输出脉冲，通过对脉冲频率的测量，来计算电容。
    用555定时器构成多谐振荡器的电路和工作波形如图4所示。

    振荡周期，由此即可计算出电容。
2．5 通道切换，驱动控制电路设计
    通道切换电路由地址译码电路、通道译码电路、驱动电路、继电器开关电路等部分组成。经测试总线送来的控制信号经译码电路译码，选中相应的端口并经驱动电路放大，驱动继电器开关相应的通道接点吸合，从而将被测点切换到相应通道上。

3 系统软件设计
    测试仪系统软件采用模块化设计。系统软件主要由用户接口管理模块、测试项目管理模块和数据管理模块组成。数据管理模块完成实时数据，告警数据的存盘及测试参数告警阀值的设定等功能。测试项目管理模块完成电缆测试仪系统自检、系统校准、被测回路的导通测试和绝缘测试等电气参数性能测试。系统软件功能如图5所示。

    各种软件功能模块实现硬件功能板的地址识别、通道切换和程控增益控制，完成相应被测通道的测试、计算、结果判断、存储、显示、通讯、退出等功能。

4 结束语
    测试仪具有以下特点：
    (1)本产品集成度高。硬件和软件设计采用模块化设计，各种功能板和功能模块相对独立，根据用户需求可构建不同功能、不同规模的用户系统，通过转接电缆(组合)完成与用户系统的对接测试。测试通道可根据需要灵活配置，各种功能模块可以灵活组合。既可以像小型台式仪器设备一样使用，也可以配合系统上机架。
    (2)测试仪采用嵌入式主控制器，可实现单机测试，也可以与测控系统联网测试，进行系统设备、ADSL线缆的导通测试、绝缘测试、短路测试、开路测试，并将测试结果实时存盘和屏幕显示，也可以通过远程控制打印电缆测试结果。
    通过实际测量，满足测试需要，能够检测ADSL线缆存在的故障，提高了测试速度，缩短了使用前的检测时间。