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O 引言
電纜故障是通信行業(yè)中的常見故障，電纜測距是排除故障的前提條件，準確的電纜測距可以縮短發(fā)現(xiàn)故障點的時間，利于快速排除故障，減少損失。窄脈沖時域反射儀利用時域反射技術(shù)TDR(Time-Domain Reflectometry)測定電纜斷點位置，它可以同時檢測出同軸傳輸系統(tǒng)中多個不連續(xù)點的位置、性質(zhì)和大小。為了實時高效地處理測試數(shù)據(jù)，多次重復信號的采集顯得尤為重要。當對高頻信號進行記錄測量時，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)簡單，成本低廉，能夠有效滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。
1 系統(tǒng)設(shè)計背景的脈沖波型特點和處理要求
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)送一探測脈沖，它就會沿著電纜進行傳輸，當電纜線路發(fā)生障礙時，會造成阻抗不匹配，電磁波會在障礙點產(chǎn)生反射。在發(fā)射端由測量儀器將發(fā)送脈沖和反射脈沖波形記錄下來。實際測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為電纜故障點與脈沖波送入端的距離。
由以上分析可知，在對同一個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)把信號接收電路送來的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，對數(shù)字信號進行取點抽樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進行存儲。儀器要求的分辨率較高，要實現(xiàn)1m的測距分辨率，在波速200m／us的情況下，有
即要求抽樣的時間分辨率為10ns，對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)頻率要求高達100MHz。
2 硬件設(shè)計
采集系統(tǒng)的硬件電路由CPU、A／D轉(zhuǎn)換器、隔離器、存儲器、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，在同一測試電纜線上是多次可重復出現(xiàn)的，只要發(fā)射脈沖產(chǎn)生一次，反射脈沖就會產(chǎn)生一次，而且波形是相似的，當要求對波形進行100MHz的數(shù)據(jù)采集時，只要使用轉(zhuǎn)換速率為25MHz的A／D轉(zhuǎn)換器進行四次采集轉(zhuǎn)換，每次的間隔是10ns就可以達到lOOMHz的時間分辨的效果，因此可以采用該方案進行數(shù)據(jù)采集，將系統(tǒng)設(shè)計的成本降到最低，滿足電纜測試的高精度。
2．1 主要元器件的選擇
由于單片機價格低廉，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。為了用最低的價格獲得高的存儲深度，有最高的(單位速度×單位存儲深度)／價格比，本設(shè)計選用8位128k容量的高性能COMS靜態(tài)存儲器CY7C109／CY7C1009，將存儲器的地址端A0～A16對應(yīng)地連接到邏輯控制電路中生成的地址信號QO～Q16上，將使能端和寫有效端給單片機和控制邏輯進行控制，就可以進行對應(yīng)的存儲數(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到40MHz。
2．2 單片機及其控制設(shè)計
單片機控制部分包括系統(tǒng)清零和讀出數(shù)據(jù)，其主要作用是：①負責A／D轉(zhuǎn)換過程的啟動及完成控制；②對自動存儲于存儲器內(nèi)的采集數(shù)據(jù)進行處理。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)地址信號控制，P0．4完成對存儲器的讀寫控制。單片機首先控制A／D直接和存儲器連接，接著給出系統(tǒng)清零信號，將地址和控制邏輯中的計數(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和存儲器的連接，控制地址發(fā)生器將存儲在里面的數(shù)據(jù)讀出，一次采集就完成了。
2．3 專用控制邏輯的設(shè)計及其CPLD實現(xiàn)
窄脈沖時域反射儀要求的分辨率較高，所以要求的采樣頻率相當高，例如要實現(xiàn)1m的測距分辨率，在波速200m／ns的情況下，要求波形抽樣的時間分辨率約為10ns，對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集頻率達100MHz。
邏輯控制要實現(xiàn)對一固定波形多次采樣并進行波形拼湊，實現(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)果進行重新組合，以拼湊出一個完整的100MHz采樣波形。系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)采集速度是25MHz，采樣時間間隔40ns，每完成一次波形測試，儀器要連續(xù)發(fā)射四次脈沖，數(shù)據(jù)采集電路起動四次，由于障礙點是固定的，每次發(fā)射脈沖時，儀器接收到的脈沖反射波形是相似的，只不過發(fā)射脈沖的時刻與起動采樣的時刻延時分別從0ns依次以10ns的間隔增加到40ns。
本設(shè)計選用CPLD器件MAX7128S實現(xiàn)對高速數(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)計的高速數(shù)據(jù)采集所需的A/D轉(zhuǎn)換器和存儲器的控制信號。
