調像儀又稱安防監(jiān)控調測儀，是一款用于對監(jiān)控系統(tǒng)進行測試的儀器。在監(jiān)控項目現場施工及維護過程中，經常需要對攝像設備的姿態(tài)、通信線路、電源等進行測試，使用該款儀器可減少日常工作量，提高工作效率。

　　在現場的安裝及維護過程中，經常出現同軸線纜斷路的現象，如外力拉斷、老鼠咬斷等，導致圖像無法傳輸。而線纜多是隱藏在天花板內、地下、墻壁管線內等不容易檢測的地方，這就對儀器提出增加斷線檢測功能的需求。通過在線纜的一端測試，可直接測量出線纜的長度(即斷點的位置)，從而幫助施工人員快速確認故障位置，及時維修。　　

　　1 檢測原理

　　根據TDR理論，在同軸線纜的一端發(fā)送低壓脈沖，當終端負載阻抗與線纜特征阻抗相等時，發(fā)射脈沖被負載完全吸收，不產生反射波。如果線纜終端負載阻抗與線纜特性阻抗不等，則產生回波反射。其反射系數定義為反射波幅度U反射與入射波幅度U入射的比值：

　　式中：ZL為線纜的負載阻抗；z0為線纜的特征阻抗。

　　由式(1)可以看出：

　?、佼斬撦d阻抗與傳輸線阻抗匹配時，即ZL=Z0，ρ=0，入射波被負載完全吸收；

　?、诋斬撦d阻抗為無窮大(開路)時，即ZL=∞，ρ=+1，發(fā)射波與入射波幅值相同，極性相同；

　　③當負載阻抗為無窮小(短路)時，即ZL=0，ρ=-1，發(fā)射波與入射波幅值相同，極性相反。

　　在實際測試中由于脈沖的發(fā)送和接收在同一端，所以要避免入射波后沿與反射波前沿在此處疊加；同時，為了降低最短測試長度，要選用較窄脈寬的脈沖。當測試線纜長度增加時，由于存在傳輸線損耗，所以脈沖的寬度也應適當增加。脈沖寬度與被測線纜的長度可通過式(2)推算：

　　式中：L代表測試線纜的長度；v代表脈沖在線纜中的傳輸速度；t代表脈沖上升沿在傳輸線中的往返時間。

　　脈沖在同軸線中的傳輸速度不同于光速，與線的種類有關，例如在SYV75-5-2同軸線中的傳輸速度約為200m／μs。由于脈沖的發(fā)送和接收在同一端，需避免反射波與入射波疊加，應保證測試脈沖的脈寬小于脈沖上升沿在被測線纜中傳輸的往返時間。若測量最短長度為5m的同軸線，則脈寬：

　　2 設計實現

　　根據上述原理設計斷點檢測功能，其原理框圖如圖1所示。

　　單片機負責LCD驅動、發(fā)送脈沖寬度設置、測量結果處理、按鍵掃描等工作；LCD顯示部分負責測試結果的顯示；脈沖發(fā)生模塊用于產生低壓窄脈沖，其脈寬可調；發(fā)送調理電路負責將脈沖信號放大，接收調理電路用于將脈沖信號轉換成CPLD可以接收的電壓范圍(0～3．3 V)；計數模塊用于記錄入射脈沖與反射脈沖的時間間隔。

　　2．1 脈沖發(fā)生模塊

　　脈沖發(fā)生模塊和計數模塊均由CPLD邏輯電路實現。CPLD選用Altera公司MAX II系列EPM240T器件，支持高達300 MHz的內部時鐘，其速度可以滿足測量需求。

　　脈沖發(fā)生模塊由脈寬設置單元、脈沖輸出單元組成。為節(jié)省單片機I／O口資源，脈寬設置由一組16位串入并出移位寄存器實現，當單片機資源足夠時，可省去該單元。脈沖輸出單元由狀態(tài)機實現，如圖2所示。

　　其中，clk_50m為時鐘輸入端，pulse_with為脈寬設置端口，pulse_out為脈沖輸出端口，enalble為使能輸出端口。當enable=1時，pulse_out輸出一個高電平，其寬度為Tclk_50m×(pulse_with+1)。例如pulse_with=0，脈寬默認值為t=Tclk_50m×(0+1)=20ns。設置不同的pulse_with，輸入脈沖寬度可調，這樣可以在測量不同長度的線纜時調整脈沖寬度，使測量結果更加準確。

　　如圖3所示，計數模塊由一個16位計數器和一個16位并入串出移位寄存器電路實現。enalble使能端用于防止干擾脈沖輸入啟動計數器；start_counter為使計數器啟動和停止的脈沖輸入，上升沿有效；clk_50m為計數器時鐘，該時鐘影響測量精度，其頻率越高，線纜的測量誤差范圍越小；Q為計數值輸出；EOC為計數結束標志。

　　計數器的啟動由入射脈沖觸發(fā)，停止由反射脈沖觸發(fā)，計數值由Q數據接口輸出，計數停止后輸出高電平。單片機查詢計數結束標志EOC，當電平為1后讀取計數值。

　　2．2 調理電路

　　2．2．1 發(fā)送調理電路

　　發(fā)送調理電路由放大電路組成，如圖4(a)所示。場效應管M1將輸入的正脈沖轉換為最大值為12 V的負脈沖，再經M2反相后，即可注入到被測電纜和接收調理電路。這里選用MOS管而不是運放芯片實現信號脈沖的放大、反相，便于節(jié)省成本，縮短信號的傳輸延時。

　　2．2．2 接收調理電路

　　接收調理電路如圖4(b)所示。將發(fā)送調理電路的輸出與接收調理電路的輸入相連，同時連接被測電纜，M3將入射脈沖和反射脈沖降壓，經M4反相后傳入CPLD中的計數模塊，以控制計數模塊的啟動和停止。其中，TVS為瞬變電壓抑制二極管，是一種過壓保護器件。

　　2．2．3 原理仿真

　　圖5中，波形1為脈沖發(fā)生模塊產生的測試脈沖，該脈沖輸入至圖4電路①中的位置。波形2為圖4電路中位置的測試波形圖(測試點為測試模塊與被測電纜的連接點)，第一個脈沖為放大后的測試脈沖，注入被測電纜中，第二個脈沖為被測電纜斷點處返回脈沖。波形3為波形2經過接收調理電路后的波形，該波形將輸入至CPLD的計數模塊。第一個脈沖上升沿觸發(fā)計數模塊開始計數，第二個脈沖上升沿觸發(fā)計數模塊停止計數。實際測試波形如圖6所示。

　　3 軟件設計

　　程序實現自動測量功能，用戶無需事先估算線纜長度，調整測試脈沖寬度。自動測量流程如圖7所示。

　　在選擇好線型后，具體流程如下：

　?、偈紫葟淖钫}沖20 ns(PW=O)開始輸出，延時后檢測EOC。(EOC等于0時，說明沒有反射脈沖返回)；

　?、诿}寬加40ns(PW+=2)后再次輸出，延時后檢測EOC，如此反復，直到檢測到返回脈沖(EOC=1)為止，或≥最大輸出脈寬范圍；

　?、郛擯W≥256時，超出測量范圍，返回Length=0，測量失??；

　?、墚擡OC=1時，讀取測量值，根據線纜類型計算測試線纜長度并返回Length值，否則返回Length=0，測試失??；

　?、輰㈤L度值進行數據轉換后，使用LCD進行顯示?！　?/p>

　　4 實驗結果

　　為使測量準確，需要對不同線纜的信號傳輸速度進行測量。選取三種線纜，使用示波器及測試脈沖測試出各線纜的傳輸速度。將各速度值作為常數與計數模塊計數值進行計算，即可得出對3種電纜的長度測量結果。實驗結果如表1所列。

　　通過對3種電纜的測試可以看出，其測試誤差均在±2％以內，完全可以滿足實際工程的需要。

　　5 結論

　　本文系統(tǒng)論述了斷點檢測的實現原理，設計了相關軟、硬件模塊，集成到調像儀中并進行了多種線纜的標定實驗。實驗結果表明，該功能模塊測量精度較高，完全可以滿足工程現場的實際需要。