隨著現(xiàn)代電信事業(yè)的發(fā)展，常常由于自然災(zāi)害或人為因素發(fā)生電纜中斷事故^[1]。傳統(tǒng)的電纜監(jiān)測設(shè)備^[2～3]存在測量速度慢、信號處理手段落后、報警方式單一、有虛報漏報現(xiàn)象、用戶接口不友好、使用不便、不能對機房環(huán)境進行監(jiān)測、不能輸出故障地圖等嚴重弊端，因此急需一種新型的適用電纜維護需要的電纜故障自動定位系統(tǒng)，以提高電纜維護的自動化水平。
1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計及工作原理
1．1 系統(tǒng)組成
　　系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，由放置于各支局的電纜監(jiān)控裝置和放置于省或市局監(jiān)控中心的計算機組成兩級結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)制解調(diào)器和電話網(wǎng)將它們聯(lián)接起來，進行報警信息的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控中心計算機通過調(diào)制解調(diào)器和電話網(wǎng)絡(luò)" title="電話網(wǎng)絡(luò)">電話網(wǎng)絡(luò)接收報警數(shù)據(jù)，完成故障電纜的電子地圖定位、打印、報警和數(shù)據(jù)存檔等工作；電纜監(jiān)控裝置以嵌入式處理器芯片Atmega128^[4]為系統(tǒng)的控制核心，采用交流直流在線切換供電方式，完成實時監(jiān)測、電話語音處理、人機交互和數(shù)據(jù)通訊等工作，并且還可以通過電話機進行參數(shù)查詢與修改。

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1．2 監(jiān)控裝置組成
　　電纜監(jiān)控裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，可分為三個部分，下面分別進行介紹。
1.2.1 實時監(jiān)測模塊
　　由于電纜所處環(huán)境復(fù)雜惡劣，每條電纜采用壓敏保護元件、阻容濾波電路、二極管保護電路、TLP521-4光電隔離電路和繼電器切換電路等，將電纜狀態(tài)送入Atmega128的ADC中，來完整地記錄線路的狀態(tài)漸變情況；采用NE555電容測量" title="電容測量">電容測量電路、LM331電阻測量" title="電阻測量">電阻測量電路、標準電阻電容繼電器切換電路和6N137光電隔離電路等，自動實現(xiàn)電纜故障點長度的測量；采用環(huán)境監(jiān)測模塊完成機房的溫度、煙霧、濕度等的監(jiān)測。
1.2.2 電話語音處理模塊
　　電話語音處理模塊包括HT9200A電話撥號電路、HT9170收號電路、LM567信號音識別電路、振鈴電路、ISD25120語音錄放電路等，實現(xiàn)電纜故障驗證和語音報警、遠程參數(shù)修改和信息查詢等功能。
1.2.3 人機交互和數(shù)據(jù)通訊模塊
　　人機交互模塊采用Atmega16作為CPU，配以24鍵鍵盤和8位LED顯示器，通過串行口同Atmega128通訊。數(shù)據(jù)通訊模塊采用MODEM電路同監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)傳輸。
1.3 電纜監(jiān)測電路設(shè)計原理
　　電纜監(jiān)測電路可以對八根電纜進行實時監(jiān)測。通過監(jiān)視電纜的一對備用線，實現(xiàn)電纜通斷狀態(tài)的監(jiān)視。選取的一對備用線,一端接監(jiān)測電路,另一端短接,從而構(gòu)成一回路。電纜監(jiān)測電路可以巡回監(jiān)視電纜線路的狀態(tài)，若發(fā)生故障，則根據(jù)線路的通或斷狀態(tài)，采用電容或電阻測量方法，確定故障點的位置。
1.3.1 線路監(jiān)視電路
　　在電纜沒有發(fā)生故障的狀態(tài)下，通過對繼電器的控制，將被測線路與監(jiān)視電路相連，完成線路狀態(tài)的實時監(jiān)視。如圖3所示，監(jiān)視回路由＋24V電源、1kΩ和510Ω電阻、被測線路和TLP521-4組成。系統(tǒng)允許測量電纜長度為20km，則線徑為0.4mm的銅線電阻值為0～5.6kΩ,發(fā)光二極管電流為3～11mA,ADCx的電壓范圍為0～2.4V?？紤]到實際電纜存在一定誤差，可設(shè)其閾值為2.4＋0.6V，當(dāng)線路接觸不良或斷路時，其回路間電阻會迅速增加，ADCx端電壓值大大高于閾值3V。由于引起異常的原因復(fù)雜且不可預(yù)測,通過調(diào)用通斷檢測函數(shù)，在一定時間內(nèi)對異常電纜進行多次監(jiān)測。若多次監(jiān)測結(jié)果均超出閾值范圍,即表明電纜存在故障。另外，電路采用330V的壓敏電阻和TLP521-4可避免雷擊或其它大電流對系統(tǒng)的危害，采用1kΩ、510Ω電阻、二極管和10μF電解電容，可減少被測電纜中的干擾信號對監(jiān)視電路的影響。

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1.3.2 電容測量電路
　　電容測量電路如圖4所示，當(dāng)進行電纜的電容/電阻測量時，控制繼電器開關(guān)，將被測電纜兩端分別連接CAP-RES1、CAP-RES2端。當(dāng)被測線路斷路時，CAP-RES1和CAP-RES2分別同圖4中的CAP1和CAP2相連，斷開后的長線對相當(dāng)于一個電容器的兩個極板，其長度與電容值成正比。電容測量采用NE555電路，將電容量轉(zhuǎn)化為頻率量。測量電路分別對0.1μF標準電容C0和被測電容CX進行測量，得到相應(yīng)的頻率值F0和FX。按照公式CX=C0×F0/FX,計算出被測電纜的電容值。電路中采用高速光耦6N137芯片，使電路與MCU隔離。
1.3.3 電阻測量電路
　　電阻測量電路如圖5所示，當(dāng)進行電纜的電容/電阻測量時，控制繼電器開關(guān)，將被測電纜兩端分別連接CAP-RES1、CAP-RES2端。當(dāng)被測線路在故障點短路時, CAP-RES1和CAPR-ES2分別同圖5中的RES1和GND相連，短路后的長線對相當(dāng)于一個電阻器，其長度與電阻值成正比。通過＋9V電源、1kΩ電阻和被測線路電阻組成的分壓電路，將被測線路電阻上的電壓經(jīng)過LM331V/F電路轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的頻率信號。頻率信號經(jīng)過6N137高速光耦隔離后連接 Atmega 捕獲時鐘中斷引腳，測量出頻率值，再換算成電阻值。

1．4 電話語音報警電路設(shè)計原理
　　電話語音報警電路如圖6所示，該模塊主要由收/撥號電路、信號音識別電路、振鈴電路和語音錄放電路等組成。在撥號電路中，MCU通過串行接口，將所要發(fā)送數(shù)據(jù)由HT9200A芯片轉(zhuǎn)化為DTMF信號，送入電話網(wǎng)絡(luò)；而收號電路則將DTMF信號轉(zhuǎn)化為四位的編碼送給MCU。信號音識別電路是由LM567組成的鎖相環(huán)電路，在話路上檢出450Hz信號音的調(diào)制脈沖后，送給MCU測試，以便識別出撥號音、回鈴音和忙音等信號音。振鈴電路將電話線路上的25Hz/70V的交流振鈴信號轉(zhuǎn)化為TTL電平信號，送給MCU的中斷引腳。語音錄放電路由ISD2560、74HC164、LM386和繼電器切換電路組成。繼電器電路控制本地和遠程電話機語音錄放功能的切換。ISD2560中存放報警所需的固定信息和由用戶輸入的所監(jiān)測電纜的長度、地理位置等語音信息。當(dāng)發(fā)生故障時，由撥號電路撥通報警電話，信號音識別電路檢測出對方摘機后，語音錄放電路播放報警信息。當(dāng)用戶電話機撥通本裝置時，振鈴電路和收號電路接收用戶的數(shù)字和語音信息，完成本裝置的參數(shù)修改及語音錄放功能。為了用戶使用方便，本裝置也可以作為電話機使用。

2 軟件設(shè)計
　　系統(tǒng)軟件包括監(jiān)控中心軟件和電纜監(jiān)控裝置軟件兩部分。監(jiān)控中心采用Delphi語言，通過MODEM和電話網(wǎng)絡(luò)接收報警數(shù)據(jù)，完成故障點地圖打印、報警和電纜管理功能；電纜監(jiān)控裝置軟件采用程序查詢和中斷相結(jié)合的方式，對電纜完成實時監(jiān)控、故障自動定位、電話語音報警、參數(shù)遠程修改、數(shù)據(jù)上傳、故障校驗和機房環(huán)境監(jiān)測等功能。當(dāng)線路狀態(tài)發(fā)生變化時，則進行線路長度測量。在系統(tǒng)發(fā)送報警信息之前，采用下列三種方法，去除線路誤報情況：
　　(1) 核實電話法：八條監(jiān)控電纜，每條電纜設(shè)置兩個核實電話號碼。當(dāng)故障發(fā)生時，系統(tǒng)自動撥打核實電話，并且自動識別撥號音、忙音、摘機、無人接聽等情況，以判別故障的真實性。
　　(2) 線路全長判別法：在精確測量的前提下，每條電纜的全長同故障測量距離比較，若相近，且線路最后狀態(tài)為閉合，則認為誤報；否則，認為故障或線路終端開路。
　　(3) 線路巡檢電路對八路電纜進行A/D采樣，全程記錄線路狀態(tài)的漸變情況，以便去掉干擾造成的誤報。通過計算和實驗得出每條線路的斷路閾值和短路閾值。A/D采樣采用中斷方式，依次測量1~8路通道，每通道采樣10次，并將10次采樣結(jié)果同斷路閾值和短路閾值相比較，得到線路的通斷狀態(tài)。如果電纜線路在檢測執(zhí)行過程中發(fā)生了明顯的變化,則該次測量數(shù)據(jù)無效,需要重新進行通斷檢測。
2．1 監(jiān)控裝置監(jiān)測程序設(shè)計
　　在監(jiān)測程序設(shè)計中，主要包含的函數(shù)有通斷檢測函數(shù)、電阻檢測函數(shù)、電容檢測函數(shù)、綜合處理函數(shù)等。

2.1.1 監(jiān)控裝置主程序
　　監(jiān)控裝置主程序如圖7所示。它主要執(zhí)行如下動作：
　　(1) 系統(tǒng)初始化，包括數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、軟件標志、MCU的I/O端口、定時器、串行口波特率及中斷向量表的初始化。
　　(2) 接收鍵盤輸入，包括本機標識、報警電話號碼、復(fù)核電話號碼、被監(jiān)測線路長度、語音數(shù)據(jù)、密碼等參數(shù)的顯示及設(shè)定。
　　(3) 對線路狀態(tài)和環(huán)境進行監(jiān)測，若線路發(fā)生故障或機房環(huán)境發(fā)生異常，則進行線路長度測量或環(huán)境參數(shù)測量，并通過電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報警信息。
　　(4)若有遠程控制電話呼入，在密碼核對正確后，用戶可以進行遠程參數(shù)查詢和修改。
2.1.2 電容/電阻檢測函數(shù)
　　當(dāng)線路發(fā)生故障時，由NE555/LM331電路將線路電容/電阻轉(zhuǎn)化為相應(yīng)頻率，送給Timer1/Timer3的捕獲引腳ICP1/ICP3。其輸入捕獲單元可精確捕獲ICP1/ICP3引腳發(fā)生的外部事件及發(fā)生的時刻，調(diào)用電容/電阻檢測函數(shù)計算單位時間內(nèi)觸發(fā)事件的次數(shù)，從而精確計算出頻率值及相應(yīng)的電容/電阻值。由于電容/電阻同電纜長度成比例關(guān)系，因此在故障未發(fā)生時，定期測量整個線路的電容/電阻值，計算出單位電容/電阻的線路長度；在故障發(fā)生時，測量故障線路的電容/電阻值，并換算出故障電纜長度。為減少系統(tǒng)誤差，電容/電阻檢測函數(shù)先測量標準電容/電阻，然后測量線路電容/電阻，從而提高測量精度。
2．2 監(jiān)控中心地圖輸出程序設(shè)計
　　通常，地理信息系統(tǒng)采用Mapinfo軟件進行信息查詢，但由于電子地圖版權(quán)費用較高，為降低系統(tǒng)成本，采用地圖位圖同線路繪制信息數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方法實現(xiàn)電纜地理信息查詢。其步驟如下：
　　(1) 掃描某一城市的高精度地圖,得到位圖形式的電子地圖。
　　(2) 在電子地圖上，繪制由頂點和線段組成的電纜線路圖，記錄各頂點的坐標，并輸入各頂點和線段的數(shù)據(jù)信息，形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。
　　(3)當(dāng)故障發(fā)生時，根據(jù)此線路的總長度、故障線路長度、電子位圖中的電纜線路的所有線段總長度，得出故障點在線路圖中的位置，并且把故障點的相關(guān)信息輸出或報警。
3 系統(tǒng)測試
　　系統(tǒng)測量電路經(jīng)過DESIGN EXPLORE 99 SE軟件仿真測試，待測電容在1nF～1000nF之間，輸出頻率在28.8Hz～28.8kHz之間(或待測電阻在0～10kΩ之間，輸出頻率在0～9kHz之間)，待測的電容/電阻與頻率成線性關(guān)系。本文以齊齊哈爾電信局測試數(shù)據(jù)為例，采用在電信領(lǐng)域廣泛使用的0.4mm線徑電纜進行測試，首先對每路電纜的一對線路全長進行10次電容/電阻測量，計算出單位長度的電容/電阻值；然后對每一路電纜故障進行模擬測試，得到測試數(shù)據(jù)表。由表1可知，每條線的單位長度電容/電阻值是變化的，若按固定常數(shù)50nF/km計算，則由測量得到的電容/電阻值計算出的電纜長度的相對誤差在2%以上。然而，由于每條鋪設(shè)的電纜的型號、所處環(huán)境不同以及施工的復(fù)雜性，導(dǎo)致單位長度電容/電阻值很難由理論計算得出。因此，針對特定電纜，定期地測試其總長度以及相應(yīng)的電容/電阻值，計算出單位長度電容/電阻值，并形成所有被測電纜的單位長度電容/電阻值表。當(dāng)故障發(fā)生時，由測得電容/電阻值同查表得到的單位長度電容/電阻值的乘積而得到故障點的電纜長度。由表1可知，測量相對誤差在1%以內(nèi),最長距離為20公里，完全能滿足用戶的需要。

　　系統(tǒng)可監(jiān)測最長距離為20公里，精度為1%，無誤報情況發(fā)生；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、使用簡單易學(xué)，成本低，具備電話機功能，已在國內(nèi)大量應(yīng)用。