引言

電纜故障是通信行業(yè)中的常見故障，電纜測(cè)距是排除故障的前提條件，準(zhǔn)確的電纜測(cè)距可以縮短發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)的時(shí)間，利于快速排除故障，減少損失。窄脈沖時(shí)域反射儀利用時(shí)域反射技術(shù)TDR（Time-Domain Reflectometry）測(cè)定電纜斷點(diǎn)位置，它可以同時(shí)檢測(cè)出同軸傳輸系統(tǒng)中多個(gè)不連續(xù)點(diǎn)的位置、性質(zhì)和大小。為了實(shí)時(shí)高效地處理測(cè)試數(shù)據(jù)，多次重復(fù)信號(hào)的采集顯得尤為重要。當(dāng)對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行記錄測(cè)量時(shí)，由于所需采樣速率較高，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)要求，本文介紹的單路多次高速數(shù)據(jù)采集方案硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠有效滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景的脈沖波型特點(diǎn)和處理要求

根據(jù)電磁波理論，電纜即為傳輸線，假若在電纜的一端發(fā)送一探測(cè)脈沖，它就會(huì)沿著電纜進(jìn)行傳輸，當(dāng)電纜線路發(fā)生障礙時(shí)，會(huì)造成阻抗不匹配，電磁波會(huì)在障礙點(diǎn)產(chǎn)生反射。在發(fā)射端由測(cè)量?jī)x器將發(fā)送脈沖和反射脈沖波形記錄下來。實(shí)際測(cè)試中具體障礙的波形有所差異：斷線（開路）障礙反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相同，而短路、混線障礙的反射脈沖與發(fā)射脈沖極性相反。波形如圖l所示。

其中：v為脈沖波在電纜中的傳輸速度；L為電纜故障點(diǎn)與脈沖波送入端的距離。

由以上分析可知，在對(duì)同一個(gè)固定障礙的線路上多次送入同一脈沖電壓，其反射脈沖將f司樣地在同一位置多次出現(xiàn)。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把信號(hào)接收電路送來的模擬信號(hào)變?yōu)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行取點(diǎn)抽樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行存儲(chǔ)。儀器要求的分辨率較高，要實(shí)現(xiàn)1m的測(cè)距分辨率，在波速200m／us的情況下，有

即要求抽樣的時(shí)間分辨率為10ns，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)頻率要求高達(dá)100MHz。

2 硬件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)的硬件電路由CPU、A／D轉(zhuǎn)換器、隔離器、存儲(chǔ)器、地址發(fā)生器及相應(yīng)的控制邏輯組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

脈沖波形產(chǎn)生和反射波形的形成，在同一測(cè)試電纜線上是多次可重復(fù)出現(xiàn)的，只要發(fā)射脈沖產(chǎn)生一次，反射脈沖就會(huì)產(chǎn)生一次，而且波形是相似的，當(dāng)要求對(duì)波形進(jìn)行100MHz的數(shù)據(jù)采集時(shí)，只要使用轉(zhuǎn)換速率為25MHz的A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行四次采集轉(zhuǎn)換，每次的間隔是10ns就可以達(dá)到lOOMHz的時(shí)間分辨的效果，因此可以采用該方案進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本降到最低，滿足電纜測(cè)試的高精度。

2．1 主要元器件的選擇

由于單片機(jī)價(jià)格低廉，功能優(yōu)越，因此，CPU使用ATB9C5l，它的指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。為了用最低的價(jià)格獲得高的存儲(chǔ)深度，有最高的（單位速度×單位存儲(chǔ)深度）／價(jià)格比，本設(shè)計(jì)選用8位128k容量的高性能COMS靜態(tài)存儲(chǔ)器CY7C109／CY7C1009，將存儲(chǔ)器的地址端A0～A16對(duì)應(yīng)地連接到邏輯控制電路中生成的地址信號(hào)QO～Q16上，將使能端和寫有效端給單片機(jī)和控制邏輯進(jìn)行控制，就可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)操作。系統(tǒng)中最高的采樣頻率為25MHz，為了實(shí)現(xiàn)這樣的高速采集，我們選擇了TI公司的A／D轉(zhuǎn)換器TLC5540，其最高采樣速率可以達(dá)到40MHz。

2．2 單片機(jī)及其控制設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制部分包括系統(tǒng)清零和讀出數(shù)據(jù)，其主要作用是：①負(fù)責(zé)A／D轉(zhuǎn)換過程的啟動(dòng)及完成控制；②對(duì)自動(dòng)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器內(nèi)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中Pl口做數(shù)據(jù)線，P0．0為系統(tǒng)清零位（包括地址以及控制邏輯部分），P0．1控制A／D與存儲(chǔ)器的連接和斷開，P0．2為采集完成位，P0．3讀出數(shù)據(jù)地址信號(hào)控制，P0．4完成對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫控制。單片機(jī)首先控制A／D直接和存儲(chǔ)器連接，接著給出系統(tǒng)清零信號(hào)，將地址和控制邏輯中的計(jì)數(shù)器清零，等待觸發(fā)脈沖的到來。開始數(shù)據(jù)采集后，單片機(jī)查詢采集是否完成，采集完成后，系統(tǒng)再一次清零，斷開A／D和存儲(chǔ)器的連接，控制地址發(fā)生器將存儲(chǔ)在里面的數(shù)據(jù)讀出，一次采集就完成了。

2．3 專用控制邏輯的設(shè)計(jì)及其CPLD實(shí)現(xiàn)

窄脈沖時(shí)域反射儀要求的分辨率較高，所以要求的采樣頻率相當(dāng)高，例如要實(shí)現(xiàn)1m的測(cè)距分辨率，在波速200m／ns的情況下，要求波形抽樣的時(shí)間分辨率約為10ns，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集頻率達(dá)100MHz。

邏輯控制要實(shí)現(xiàn)對(duì)一固定波形多次采樣并進(jìn)行波形拼湊，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集電路，即將需一次完成的100MHz高速采樣轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的較低頻率的多次采樣，將各次采樣的結(jié)果進(jìn)行重新組合，以拼湊出一個(gè)完整的100MHz采樣波形。系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)采集速度是25MHz，采樣時(shí)間間隔40ns，每完成一次波形測(cè)試，儀器要連續(xù)發(fā)射四次脈沖，數(shù)據(jù)采集電路起動(dòng)四次，由于障礙點(diǎn)是固定的，每次發(fā)射脈沖時(shí)，儀器接收到的脈沖反射波形是相似的，只不過發(fā)射脈沖的時(shí)刻與起動(dòng)采樣的時(shí)刻延時(shí)分別從0ns依次以10ns的間隔增加到40ns。

本設(shè)計(jì)選用CPLD器件MAX7128S實(shí)現(xiàn)對(duì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，硬件框圖如圖3所示。

虛線框內(nèi)的是硬件邏輯控制模塊，該模塊可以完成我們所設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集所需的A/D轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器的控制信號(hào)。

2．3．1 控制邏輯的實(shí)現(xiàn)

高速數(shù)據(jù)采集控制邏輯的實(shí)現(xiàn)主要是通過兩個(gè)兩位的計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)的，連接TRIG（觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)）的計(jì)數(shù)器（啟動(dòng)計(jì)數(shù)器）是判斷當(dāng)前是第幾個(gè)脈沖，它的狀態(tài)過程是：00→0l→10→ll，連接100MHz晶體振蕩器的計(jì)數(shù)器（晶振計(jì)數(shù)器）來統(tǒng)計(jì)10ns的個(gè)數(shù)，就是說當(dāng)連接觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)的計(jì)數(shù)器從00→0l時(shí)，晶振計(jì)數(shù)器是00狀態(tài)，這時(shí)后面的狀態(tài)選擇輸出一個(gè)由低到高的躍變OP，控制后面25MHz數(shù)據(jù)采集開始，當(dāng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器又有一個(gè)觸發(fā)過來，它就從0l→10，這時(shí)晶振計(jì)數(shù)器就開始從00→0l，也就是統(tǒng)計(jì)一個(gè)10ns，統(tǒng)計(jì)完了以后，后面的狀態(tài)選擇又輸出一個(gè)由低到高的躍變OP，開始25MHz數(shù)據(jù)采集。以后依次類推，分別是延遲20ns和30ns開始數(shù)據(jù)采集。

原理圖如圖4所示。

2．3．2 地址的生成

在邏輯控制設(shè)計(jì)完成后，將最后得到的25MHz的時(shí)鐘輸入17位計(jì)數(shù)器，每次上升沿到來，地址加1，生成的地址信號(hào)使得采集的信號(hào)存入對(duì)應(yīng)的地址單元。使用Q9位是為了讓輸出端可以產(chǎn)生低電平，從而在采集的數(shù)據(jù)到達(dá)所需個(gè)數(shù)時(shí)有一個(gè)上升沿來觸發(fā)其所控制的觸發(fā)器，使得數(shù)據(jù)采集暫停，等待下一次采集；12作反饋，它指示的是數(shù)據(jù)采集到了4k，通過它進(jìn)行反饋，用它停止A／D芯片的工作，同時(shí)將地址計(jì)數(shù)器清零，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)讀出；最后，存儲(chǔ)夠了4k的數(shù)據(jù)，AD_0E輸出高電平，用于控制A／D芯片和內(nèi)部地址計(jì)數(shù)器，可以看到地址計(jì)數(shù)器在數(shù)據(jù)采集到達(dá)4K后也清零，在初始的位置等待數(shù)據(jù)的讀出。系統(tǒng)控制原理圖如圖6所示。系統(tǒng)仿真結(jié)果（仿真圖略）表明，該設(shè)計(jì)可以滿足本系統(tǒng)要求。

3 總結(jié)

本系統(tǒng)是一種在單片機(jī)控制下完全靠硬件通過多次低速數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)行波形拼湊，實(shí)現(xiàn)達(dá)到100MHz頻率的高速數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)最多可達(dá)到128k，具有硬件成本低廉，性能價(jià)格比較高的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣頻率完全不受單片機(jī)速度的影響，而只取決于所選用的A／D轉(zhuǎn)換電路的速度和控制邏輯的設(shè)計(jì)，其測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高，對(duì)溫度、濕度等環(huán)境指標(biāo)要求不高，環(huán)境實(shí)用性強(qiáng)，在生產(chǎn)實(shí)踐中可有效解決電纜斷點(diǎn)測(cè)定的難題。

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