安防监控调测仪的中断点检测功能设计

引言
    调像仪又称安防监控调测仪，是一款用于对监控系统进行测试的仪器。在监控项目现场施工及维护过程中，经常需要对摄像设备的姿态、通信线路、电源等进行测试，使用该款仪器可减少日常工作量，提高工作效率。
    在现场的安装及维护过程中，经常出现同轴线缆断路的现象，如外力拉断、老鼠咬断等，导致图像无法传输。而线缆多是隐藏在天花板内、地下、墙壁管线内等不容易检测的地方，这就对仪器提出增加断线检测功能的需求。通过在线缆的一端测试，可直接测量出线缆的长度(即断点的位置)，从而帮助施工人员快速确认故障位置，及时维修。

1 检测原理
    根据TDR理论，在同轴线缆的一端发送低压脉冲，当终端负载阻抗与线缆特征阻抗相等时，发射脉冲被负载完全吸收，不产生反射波。如果线缆终端负载阻抗与线缆特性阻抗不等，则产生回波反射。其反射系数定义为反射波幅度U反射与入射波幅度U入射的比值：
   
    式中：ZL为线缆的负载阻抗；z0为线缆的特征阻抗。
    由式(1)可以看出：
    ①当负载阻抗与传输线阻抗匹配时，即ZL=Z0，ρ=0，入射波被负载完全吸收；
    ②当负载阻抗为无穷大(开路)时，即ZL=∞，ρ=+1，发射波与入射波幅值相同，极性相同；
    ③当负载阻抗为无穷小(短路)时，即ZL=0，ρ=-1，发射波与入射波幅值相同，极性相反。
    在实际测试中由于脉冲的发送和接收在同一端，所以要避免入射波后沿与反射波前沿在此处叠加；同时，为了降低最短测试长度，要选用较窄脉宽的脉冲。当测试线缆长度增加时，由于存在传输线损耗，所以脉冲的宽度也应适当增加。脉冲宽度与被测线缆的长度可通过式(2)推算：
   
    式中：L代表测试线缆的长度；v代表脉冲在线缆中的传输速度；t代表脉冲上升沿在传输线中的往返时间。
    脉冲在同轴线中的传输速度不同于光速，与线的种类有关，例如在SYV75-5-2同轴线中的传输速度约为200m／μs。由于脉冲的发送和接收在同一端，需避免反射波与入射波叠加，应保证测试脉冲的脉宽小于脉冲上升沿在被测线缆中传输的往返时间。若测量最短长度为5m的同轴线，则脉宽：
   

2 设计实现
    根据上述原理设计断点检测功能，其原理框图如图1所示。

    单片机负责LCD驱动、发送脉冲宽度设置、测量结果处理、按键扫描等工作；LCD显示部分负责测试结果的显示；脉冲发生模块用于产生低压窄脉冲，其脉宽可调；发送调理电路负责将脉冲信号放大，接收调理电路用于将脉冲信号转换成CPLD可以接收的电压范围(0～3．3 V)；计数模块用于记录入射脉冲与反射脉冲的时间间隔。
2．1 脉冲发生模块
    脉冲发生模块和计数模块均由CPLD逻辑电路实现。CPLD选用Altera公司MAX II系列EPM240T器件，支持高达300 MHz的内部时钟，其速度可以满足测量需求。
    脉冲发生模块由脉宽设置单元、脉冲输出单元组成。为节省单片机I／O口资源，脉宽设置由一组16位串入并出移位寄存器实现，当单片机资源足够时，可省去该单元。脉冲输出单元由状态机实现，如图2所示。

    其中，clk_50m为时钟输入端，pulse_with为脉宽设置端口，pulse_out为脉冲输出端口，enalble为使能输出端口。当enable=1时，pulse_out输出一个高电平，其宽度为Tclk_50m×(pulse_with+1)。例如pulse_with=0，脉宽默认值为t=Tclk_50m×(0+1)=20 ns。设置不同的pulse_with，输入脉冲宽度可调，这样可以在测量不同长度的线缆时调整脉冲宽度，使测量结果更加准确。
    如图3所示，计数模块由一个16位计数器和一个16位并入串出移位寄存器电路实现。enalble使能端用于防止干扰脉冲输入启动计数器；start_counter为使计数器启动和停止的脉冲输入，上升沿有效；clk_50m为计数器时钟，该时钟影响测量精度，其频率越高，线缆的测量误差范围越小；Q为计数值输出；EOC为计数结束标志。
    计数器的启动由入射脉冲触发，停止由反射脉冲触发，计数值由Q数据接口输出，计数停止后输出高电平。单片机查询计数结束标志EOC，当电平为1后读取计数值。
2．2 调理电路
2．2．1 发送调理电路
    发送调理电路由放大电路组成，如图4(a)所示。场效应管M1将输入的正脉冲转换为最大值为12 V的负脉冲，再经M2反相后，即可注入到被测电缆和接收调理电路。这里选用MOS管而不是运放芯片实现信号脉冲的放大、反相，便于节省成本，缩短信号的传输延时。

2．2．2 接收调理电路
    接收调理电路如图4(b)所示。将发送调理电路的输出与接收调理电路的输入相连，同时连接被测电缆，M3将入射脉冲和反射脉冲降压，经M4反相后传入CPLD中的计数模块，以控制计数模块的启动和停止。其中，TVS为瞬变电压抑制二极管，是一种过压保护器件。
2．2．3 原理仿真
    图5中，波形1为脉冲发生模块产生的测试脉冲，该脉冲输入至图4电路①中的位置。波形2为图4电路中位置的测试波形图(测试点为测试模块与被测电缆的连接点)，第一个脉冲为放大后的测试脉冲，注入被测电缆中，第二个脉冲为被测电缆断点处返回脉冲。波形3为波形2经过接收调理电路后的波形，该波形将输入至CPLD的计数模块。第一个脉冲上升沿触发计数模块开始计数，第二个脉冲上升沿触发计数模块停止计数。实际测试波形如图6所示。

3 软件设计
    程序实现自动测量功能，用户无需事先估算线缆长度，调整测试脉冲宽度。自动测量流程如图7所示。

    在选择好线型后，具体流程如下：
    ①首先从最窄脉冲20 ns(PW=O)开始输出，延时后检测EOC。(EOC等于0时，说明没有反射脉冲返回)；
    ②脉宽加40 ns(PW+=2)后再次输出，延时后检测EOC，如此反复，直到检测到返回脉冲(EOC=1)为止，或≥最大输出脉宽范围；
    ③当PW≥256时，超出测量范围，返回Length=0，测量失败；
    ④当EOC=1时，读取测量值，根据线缆类型计算测试线缆长度并返回Length值，否则返回Length=0，测试失败；
    ⑤将长度值进行数据转换后，使用LCD进行显示。

4 实验结果
    为使测量准确，需要对不同线缆的信号传输速度进行测量。选取三种线缆，使用示波器及测试脉冲测试出各线缆的传输速度。将各速度值作为常数与计数模块计数值进行计算，即可得出对3种电缆的长度测量结果。实验结果如表1所列。

    通过对3种电缆的测试可以看出，其测试误差均在±2％以内，完全可以满足实际工程的需要。

5 结论
    本文系统论述了断点检测的实现原理，设计了相关软、硬件模块，集成到调像仪中并进行了多种线缆的标定实验。实验结果表明，该功能模块测量精度较高，完全可以满足工程现场的实际需要。