摘  要： 設(shè)計一種基于分布式參數(shù)模型查找電纜故障點系統(tǒng)，以Nios Ⅱ軟核處理器和所需的外設(shè)IP核嵌入到FPGA中為硬件架構(gòu)，移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)為軟件體系，實現(xiàn)故障的檢測，具有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 電纜；反射；分布參數(shù)；片上系統(tǒng)

　“十二五”期間，國家將投巨資進行電網(wǎng)升級改造，如何做到迅速查找電纜故障點并予以修復(fù)，是智能電網(wǎng)建設(shè)的一項重要內(nèi)容。
　電纜在運行過程中，易受砸、壓、碰以及有害物質(zhì)的腐蝕，發(fā)生漏電、短路、斷線等故障。電纜的故障是電力系統(tǒng)安全運行的薄弱環(huán)節(jié)，因電纜斷路、短路引發(fā)的各類重大事故的案例屢見不鮮。另外，電纜鋪設(shè)具有隱蔽性，傳輸距離較長，查找故障點十分困難。
　本文利用電力電纜的分布式參數(shù)特征，在反射法基礎(chǔ)上，以SoPC為硬件，設(shè)計了一種電力電纜故障點檢測系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)并定位電力電纜故障，提高現(xiàn)場故障判斷的準確性、快速性，對于用電安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣泛。
1 分布參數(shù)模型檢測電纜故障點原理
　為檢測電纜故障類型及其位置，在電纜上發(fā)送的信號波長遠小于電纜長度，即可把電纜看成分布參數(shù)模型[1]，若電纜分布式參數(shù)沿線均勻，則電纜上信號電壓通解為：

　利用長線終端開路、短路等不同情況，反射系數(shù)也不同，來判斷故障類型，進而判斷故障點大致位置。

                      
　比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)，信號電壓和電流峰值位置不同，阻抗的性質(zhì)也不同，將反射信號波形顯示出來，通過波形可判斷故障性質(zhì)。
利用信號的傳播速度，測出發(fā)送、接收信號的時間差Δt，即可通過L=ν·Δt/2，計算出故障點位置。其中，ν為發(fā)射信號的傳播速度。
2 電纜故障點檢測設(shè)備的硬件架構(gòu)
　以SoPC為硬件，電纜故障點檢測系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示。NiosⅡ軟核CPU及各種所需的外設(shè)均通過SoPC Builder集成在一片F(xiàn)PGA中[3]，構(gòu)成本系統(tǒng)所需硬件的可重構(gòu)部分，實現(xiàn)真正的可編程片上系統(tǒng)。為了在低成本情況下完成預(yù)定功能，選擇了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6。EP1C6無論是從邏輯資源還是存儲器均能滿足設(shè)計要求。

2.1 主要IP核設(shè)計
　(1)UART內(nèi)核：通用異步接收器/發(fā)送器。UART內(nèi)核執(zhí)行RS-232協(xié)議，它為FPGA上的嵌入式系統(tǒng)和外部設(shè)備提供了串行字符流的通信方式。
帶Avalon接口[4]的JTAG-UART內(nèi)核還提供Nios CPU系統(tǒng)到PC機的連接通路，通過JTAG-UART在PC機上調(diào)試Nios CPU所需要的程序，并通過監(jiān)控程序?qū)φ麄€系統(tǒng)的運行進行控制。
　(2)PIO內(nèi)核：并行輸入/輸出內(nèi)核。它提供Avalon從控制器端口到通用I/O口間的映射接口。該IP核是常規(guī)的外設(shè)控制接口。通過PIO，實現(xiàn)開關(guān)量讀取，鍵盤輸入，對LED、LCD等外設(shè)進行控制。SoPC Builder中提供了PIO內(nèi)核，可以很容易將PIO內(nèi)核集成到SoPC Builder生成的系統(tǒng)中。
　(3)EPCS內(nèi)核：帶Avalon接口的EPCS設(shè)備控制器內(nèi)核。EPCS包含1 KB的片內(nèi)存儲器。該IP核允許NiosⅡ系統(tǒng)訪問EPCS串行配置芯片，管理FPGA配置數(shù)據(jù)，主要用于存儲程序代碼或一些非易失性數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中用于波形存儲。
(4)三態(tài)總線橋：該IP核是Avalon和Avalon-Tri BUS總線以及Avalon和Wishbone總線的橋接控制器，用于連接兩種不同總線?？紤]A/D轉(zhuǎn)換器等外設(shè)需要自行開發(fā)I2C配置接口，這些外設(shè)不能直接連到Avalon總線上，需要通過橋接控制器并以IP核的形式通過SoPC Builder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上。
2.2 信號的收發(fā)
2.2.1 信號的產(chǎn)生與發(fā)送
　從微波理論可知，發(fā)送信號的頻率越高越接近于長線理論[5]，即滿足電纜分布式參數(shù)沿線均勻條件。但信號頻率越高，線路的高頻損耗越大，信號容易畸變，給檢測也會帶來困難。在SoPC中，信號的產(chǎn)生以及信號的頻率和幅度可方便地由軟件調(diào)整。實驗測定，若測距在10 km左右，信號的頻率大約在1.5 MHz~150 MHz為宜。
考慮到SoPC器件的驅(qū)動能力微弱，不能直接發(fā)送給被測電纜，必須要經(jīng)過一定的放大，故末端采用高頻變壓器加上高頻晶體管射極驅(qū)動電路的形式。
2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊
    采用Analog Devices公司的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9481，該轉(zhuǎn)換器采樣頻率可達200 MHz，具有高速、低功耗、體積小的特點。適合高采樣頻率和寬帶寬的場合。為解決信號小不易檢測的矛盾，應(yīng)加入前置放大級。參考AD9481數(shù)據(jù)手冊，采用了AC耦合、雙極性放大器接法。
3 電纜故障點檢測設(shè)備的軟件開發(fā)
　軟件系統(tǒng)體系主要包括嵌入式操作系統(tǒng)的移植、應(yīng)用級代碼編寫等部分。為了方便用戶編程，NiosⅡ IDE提供了設(shè)備驅(qū)動程序，在新建工程時NiosⅡ IDE會根據(jù)SoPC Builder對系統(tǒng)硬件配置自動生成一個定制的HAL，即硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫?；贖AL系統(tǒng)庫的軟件工程的創(chuàng)建和管理與NiosⅡ IDE緊密相關(guān)，圖4為NiosⅡ IDE工程結(jié)構(gòu)[6]。

　一個NiosⅡ IDE工程包括兩個工程：用戶應(yīng)用程序工程和HAL系統(tǒng)庫工程。用戶應(yīng)用程序工程中包含所有的用戶代碼文件，最終的可執(zhí)行映象由此工程生成。HAL系統(tǒng)庫工程中包含所有與硬件處理器相關(guān)的接口信息，系統(tǒng)庫工程基于用戶定制的NiosⅡ處理器系統(tǒng)，由SoPC Builder自動生成.ptf文件。
HAL應(yīng)用程序接口(API)與ANSI C標(biāo)準庫綜合在一起，可以使用類似Ｃ語言的庫函數(shù)來訪問硬件設(shè)備或文件，如printf()、fopen()等，而無須關(guān)心底層硬件實現(xiàn)細節(jié)。
　在實驗室條件下，用該系統(tǒng)對1 000 m的電纜進行多次模擬測試，包括短路和開路情況，所顯示的故障類型正確，故障點距離均方根誤差E<1%，表明該系統(tǒng)具有良好的精度。但實驗條件與實際的電纜敷設(shè)環(huán)境差別較大，實際的敷設(shè)環(huán)境和故障現(xiàn)象要復(fù)雜得多，電纜運行可能出現(xiàn)既非短路又非開路情況，如漏電故障。此時，反射回的信號呈現(xiàn)行駐波的方式，這種工作模式需要提高系統(tǒng)的靈敏度，可以從提高設(shè)備的抗干擾能力和合理調(diào)節(jié)發(fā)送信號的頻率兩個方面予以改進。
參考文獻
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[6] 楊浩，林爭輝，鞠海，等.基于嵌入式處理器軟核的DVB_S基帶處理系統(tǒng)[J].計算機工程，2005，31(6)：203-205.