基于通信电缆电气性能测试的设计Word文档下载推荐.docx
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3.6测量电路设计24
3.7继电器驱动电路25
3.8本章小结26
第四章通信电缆电气性能测试软件设计与调试分析27
4.1测试系统程序设计流程图27
4.2系统主程序28
4.3测试程序设计29
4.3调试记录与分析30
4.4本章小结31
第五章结束语32
参考文献33
致谢35
摘要：
随着电气化进程的加快，现在各行各业都开始向信息化迈进，信息化的发展过程中尤为重要的一点就是信息的传输，信息的安全传输变得越来越重要。
传输的媒介电缆的电气性能好坏是必须要考虑的，现在对电缆的导通状况和其他性能的检测已经受到了信息传输领域测试项目中必须进行的项目。
现在国内电缆测试方面的设备还比较单一，性能效率还有待提高，在测试过程中需要一定的资源配合，容易受到干扰等问题，随意急需对通信电缆电气性能测试进行研究设计。
本文针对当前电缆测试中存在的问题为研究对象，设计了基于单片机的电缆电气性能测试系统，通信电缆的电气性能测试项目有:
直流电阻、工作电容、对地电容不平衡、线对电容不平衡、衰减、阻抗、相角、近端串音、远端串音回波损耗等参数。
电缆大规模的应用，势必会对电缆的运行和维护带来前所未有的挑战，设计的电缆电气性能测试系统能够对通信电缆定期测试与维护，为提供一定的是保障基础。
通过实验采集数据进行了分析与验证，设计的系统可以对通信电缆电气性能的好坏做出正确的测试，为电力安全生产、通信传输可靠性、保障信息传送的快速性和准确性提供的一定的保障。
关键词：
信息化；
电缆测试；
单片机；
电气性能
ABSTRACT：
Withtheaccelerationoftheelectrificationprocess,allwalksoflifearenowmovingtowardinformatization.Themostimportantpointinthedevelopmentofinformationtechnologyisthetransmissionofinformation,andthesafetransmissionofinformationbecomesmoreandmoreimportant.Theelectricalperformanceofthetransmittedmediacablemustbeconsidered.Nowthedetectionofthecable'
sconductionandotherperformancehasbeensubjecttothenecessaryitemsintheinformationtransmissionfieldtestproject.Atpresent,theequipmentfordomesticcabletestingisstillrelativelysimple,andtheperformanceefficiencyneedstobeimproved.Inthetestprocess,certainresourcesareneeded,anditiseasytobeinterferedwith.Therefore,itisurgenttostudyanddesigntheelectricalperformancetestofthecommunicationcable.
Inthispaper,theexistingproblemsinthecurrentcabletestarestudied.Thecableelectricalperformancetestsystembasedonsinglechipisdesigned.Theelectricalperformancetestitemsofthecommunicationcableare:
DCresistance,workingcapacitance,unbalancedcapacitancetoground,andunbalancedcapacitanceoftheline.Parameterssuchasattenuation,impedance,phaseangle,near-endcrosstalk,andfar-endcrosstalkreturnloss.Thelarge-scaleapplicationofcablesisboundtobringunprecedentedchallengestotheoperationandmaintenanceofcables.Thedesignedcableelectricalperformancetestsystemcanregularlytestandmaintainthecommunicationcables,providingacertainguaranteebasis.Thedatacollectedbytheexperimentisanalyzedandverified.Thedesignedsystemcancorrectlytesttheelectricalperformanceofthecommunicationcable,andprovideacertainguaranteeforthesafetyproduction,communicationtransmissionreliability,andthespeedandaccuracyofinformationtransmission.Protection.
KEYWORDS:
InformationTechnology;
CableTest;
SingleChipMicrocomputer;
ElectricalPerformance
第1章绪论
1.1课题的背及意义
随着科学技术的发展，互联网技术的兴起，信息技术在各行各业的应用也越来越重要。
特别是在民用、工业生产制造、能量传输、电力行业邻域中吴出不在，建筑及工厂内部的供电以及通信线路，现阶段采用最多的还是电缆的形式。
无线传输技术还未能够由成熟的发展前，电缆必将持续会大规模的应用，就需要对电缆的应用前做一些电气性能测试，投入应用的电缆也需要定期的做检测和维护，这势必对电缆的测试和运行维护提出更高的要求，因为电缆的定期测试与维护是保障设备正常工作的基础。
如图1.1所示，是现在常用的电缆测试设备，万用表和摇表。
图1.1电缆测试设备万用表与摇表
电缆在出厂安装之前需要根据设计说明进行检查，主要检查其电阻特性、绝缘特性、抗电特性等。
其次这些电缆由于使用、维护不当可能出现短路、断路、或者随着工作年限的增加也会出现性能退化、接触不良的情况，其结果可能导致信息传输的中断甚至可能造成整个系统的奔溃，所以必须对这些电缆进行定期的检查与维护。
那么如何测试电缆性能的好坏，如何迅速的找出问题，如何快速的进行故障定位，就显得越来越重要了。
通信电缆是指用于近距离音频通信和远距离高频载波数字通信及信号传输的电缆。
广泛应用于通信线路传输、仪器仪表、电力等重要领域。
为了保证工业通信电缆可靠工作，需要完善的检测设备。
通信电缆的电气性能测试项目有:
电缆大规模的应用，势必会对电缆的运行和维护带来前所未有的挑战，因为电缆的定期测试与维护是保障设备正常工作的基础。
通信电缆电气性能的好坏将直接影响着电力安全生产、通信传输可靠性、保障信息传送的快速性和准确性。
在系统设计上，将电缆导通测量、绝缘电阻测量和电缆导通电阻测量融为一体，减小系统的体积和功耗。
在数据处理和通信上，利用单片机嵌入式设计技术、LCD显示技术、通信接口和计算机通信技术，大大提高了系统检测的自动化程度，只需一名测试人员即可完成所有电缆性能的测试操作。
由于电缆测试系统实现了快速自动的智能化测试，所以可以在短时间内对被测电缆进行多次测量。
通过对多次测量结果进行数据比对和综合分析，可以进一步提高测量结果的准确度，为待测装备系统的检查、调试、维修提供一份有实际参考价值的资料。
1.2国内外研究现状
1.2.1国内电缆电气性能测试技术的研究发展
我国对通信电缆的电气性能检测研究起步比较晚，但是发展迅速，而且出现了一些突破性的进展。
在二十世纪六十年代以前，主要是利用电桥法，使用的是机械式的指针仪表来测试电缆的电气性能。
到了七十年代初，我国在电缆测试方面出现了新的突破主要是发明了测定埋地电力电缆的“冲击闪络法”并制造出了世界上第一台利用此方法设计的“埋地电力电缆故障测寻仪”。
类似的方法多年后才在国外出现。
并且还开始利用脉冲反射的方法利用电子仪表来测试电缆的电气性能。
在1976年西安电子科技大学研究出了电缆始端数字显示DCG-2型电力电缆电气性能测试仪。
目前西安科技大学—陕西三通仪器系统有限公司联合实验室推出了DG系类电气性能测试仪。
在电缆测试技术发展上有一定的地域差异，在应用方面技术较好的公司基本集中在北京的和西安，具有代表性的是北京航天测控技术有限公司，该公司在国内该领域开发设计的AMC-CTI系列电缆测试仪不仅性能优良，在市场上占有很大的使用率，打破了国外的设备垄断。
设备兼容性强，采用虚拟技术，不需要过多的人力操作，自动化水平高，能够快速准确的发现电缆中的问题，达到快速检测的目的。
在测试过程只需简单的硬件连接配合以及仪器操作即可完成各类设备电缆的导通电阻、绝缘电阻、抗电强度和分布式电容等电气性能参数的自动测量。
该系列产品具有功能强、测试精度高、测量速度快等突出特点，广泛适用于军用、民用领域中大型设备、分系统、单元设备在开发、调试、生产和检测维护过程中电缆的自动检测。
在飞机线缆测试方面具有高水平测试方法的是位于景德镇的中国直升机设计研究所研制的线缆测试仪;
此外成都飞机工业集团公司和西北工业大学联合研制的整机电缆综合测试设备对电缆测试方面也有突出的贡献；
他们确保了飞机线束网络的正确，为我国在飞机线缆测试方面积累了宝贵的经验。
虽然国内的电缆测试设备已经做得比较齐全的品类，但是相对集中在一些工业应用和特殊领域，设备的使用价值相对较高，民用测试设备相对较少。
开发的便携式设备在应用中往往效率低下、缺乏扩展能力、不能适应线缆长度、芯数的变化等，这些缺点已经成为便携式通用设备的弊病，因此迫切需要研究设计具有有高效检测能力的电缆测试设备，适合信息产业的普及和发展。
1.2.2国内电缆电气性能测试研究现状
国外的研究代表有英国的MK线缆测试公司、美国的DIT_MCO公司以及法国赛峰等都是世界领先的军工仪器研发企业，都具有设计生产大型专用检测设备的能力。
英国MK公司生产的航空发动机线缆测试仪可以实现发动机在线和离线电气性能检测，检测时间只需3分钟。
美国DIT_MCO公司已经成功的将通断、电阻、电容、绝缘、耐压等多种测试项目集成于一台设备，并提供3万点以上的测试容量，全部测试点可编程，可扩展。
还有美国CIRRIS公司其推出的CH2线缆测试仪测试点数高达20000点，而其推出的1000H/1000H+测试仪能够自动执行导通阻抗测试和绝缘阻抗测试/绝缘击穿（高压）测试，这种测试可以确保更好的消除可能潜在的缺陷。
通过国内外研究现状的比较，我们不难发现国内电缆电气性能测试的发展速度远滞后于一些技术领先的国家。
因此，在将来的发展中，研发高精度的测试设备，深入开发功能丰富、易于扩展、测试能力强的通用性线缆测试系统具有极强的现实意义。
1.3本文研究的目的及主要内容
信息和电力传输在现代生活中、科学技术发展上发挥着不能替代的作用，越来越多的信息科技产品融入到人们的生活之中，为人们生活带来了极大的便捷，这些都离不开电缆的传输作用，特别是互联网、云计算、物联网、大数据以及未来城市的发展，本文主要是围绕线缆在应用前的检测和投入使用后的维护系统的设计展开的，利用单片机作为设计系统的核心和控制MCU，完成电缆电气性能的测试系统的软、硬件设计，并设计相应的最小系统和外围电路，具体内容如下：
第一章首先讲述了本课题研究的背景及意义，分析了国内外的相关领域的研究现状，并对电气性能测试起源和发展历程进行了探讨和详细分析。
第二章是对电缆电气性能测试的原理、方法等进行详细的分析，对设计的测试功能做了总体概述，重点分析了监测原理，给出了导通电阻测试、绝缘电阻测试、电缆通断检测各个部分的原理图，把用到的测试方法进行了比较，对电容充电法、电流电压法、电桥测试法每种方法的应用场合做了详细的论述。
第三章主要对通信电缆电气性能测试系统重点部分的硬件进行了电路设计，包块单片机模块的选择和模块介绍，最小系统电路的搭建。
对测量模块模块进行了重点分析，特别是各个电气量的采集方案的确定。
还对显示模块、电源模块、控制与驱动模块通信接口模块进行了设计与分析。
达到了系统的硬件需求。
第四章主要是给出了大棚温湿度控制系统的软件实现设计，通过每个功能流程图的设计，给出了整个系统和模块的逻辑思想，给出了部分模块的具体设计流程，对设计的电气性能测试系统进行了调试分析。
第二章电缆电气性能测试原理分析
2.1测试系统功能简介
电缆测试的一般性指标包括：
导通电阻（一般情况为0到几十欧姆）；
电缆之间的绝缘电阻（对其不同定义的导体之间或是导体和其外壳之间的绝缘电阻提出一个最低要求，一般不得小于200MΩ）；
电缆之间的电容、电缆的电感；
电缆之间的抗电电压（不同电缆各自独有的正常范围）。
所以为了提高电缆保障水平，电缆测试仪的研究也是非常有必要的了。
所以说电缆故障诊断技术具有广阔的发展前景，而且市场潜力是巨大的。
目前的传输电缆故障的诊断多是通过多种测试设备的相互配合来完成故障定位的任务的。
对于导通电阻测试一般选择电压比较的方法（一根电缆两端的电阻和整体加上参考电压的参考电阻进行比较）来测试；
对于绝缘电阻的测试一般选择桥式电阻加直流高压的方法；
电容、电感的测试则利用LC振荡电路测频率的方法，若是大的电容则利用电容充电放电的时间来测量。
因此各项电气性能测试都有测试的技术方法，在理论上的完全可以实现的。
2.2检测原理分析
电缆电阻根据阻值大小的不同分为三种，分别是高阻值、中阻值、和低阻值，其对应的电阻值分别是：
大于
、
和小于
，电阻值范围的不同，为了保证测量的精度，就需要利用不同的测量方法，利用不同的测量原理。
2.2.1导通电阻测量原理分析
直流电阻的测量是电气性能测试首要进行的测试项目，直流电阻表征着电缆的导电性能。
通过直流电阻能够判断出电缆的好坏和线径的粗细，间接根据电导率推出电芯的材料。
在一定的横截面积下，直流电阻值主要取决于导体的材料。
测试按照国家颁布的GB/T3956测试标准，依照标准的要求，规定导体在，标准单位为
，把每公里的电缆的电阻值作为测量的基准，测得的数据换算成20℃下的电阻值，就为该段导线的直流电阻值，按照以下的公式进行计算：
（2.1）
在式（2.1）中，
的意义是20℃时每公里长度电阻值，单位是（
）；
为待测电阻值，单位为（
是待测电电缆导体的长度，单位为（
是代表测量时的环境温度，（℃），
是电缆导体的所用材料在20℃时的电阻温度的系数。
根据测量得到的
的值能够初步判断电缆是否合格，如果得到的测量电阻值
小于标准规定值，可以判断测量的电线电缆是合格的，如果测量值大于规定值，则该段电缆不合格。
2.2.2绝缘电阻测量原理
绝缘电阻是判断绝缘质量好坏以及绝缘品质变化的最典型依据，也是电线电缆总体质量的一个重要的衡量指标。
当绝缘层加上直流电压时，沿绝缘表面和绝缘内部均有微弱电流通过，对应于这两种电流的电阻分别称为表面绝缘电阻和体积绝缘电阻。
一般不加特别说明的绝缘电阻均指体积绝缘电阻，只有极少数的产品的表面绝缘电阻的要求。
在恒定的电压作用下，通过介质或绝缘内部的电流主要由以下几部分构成：
（1）电容电流/几何电流
因介质极化而产生，实际是以导体和外极（绝缘层）作为一对电极构成一个电器的电容电流，电容电流按指数规律随时间很快的衰减，一般在数毫秒时间内接近消失。
如图2.1所示。
图2.1施加电压后流过绝缘介质的电流主要组成示意图
（2）吸收电流
这部分电流主要是由于绝缘介质内部偶极子在电场作用下发生转向极化（或称之为松弛极化）所产生的电流，它随着时间成负指数减小，但它比电容电流要慢得多，可能会几分钟也可能更长，是一个绝缘体缓慢极化的过程，取决于绝缘体的结构、不均匀度以及电介质的性质。
如上图2.1所示。
（3）泄露电流/电导电流
这是由于带电绝缘介质中存在的自由离子和导电杂质在电场作用下迁移所产生的。
由电介质在直流电场中的导电率所决定的，是一个纯阻性电流。
这种电流不随施加的电压和时间而变，在电场强度不太高时符合欧姆定律，对应的电阻值是绝缘电阻的主要组成部分，是反映绝缘优劣的主要方面。
因此，绝缘电阻就是指绝缘介质上施加的直流电压
与泄漏电流
之间的比值
。
由于施加电压后，绝缘中存在着三种随时间而衰减的电流，因此，理论是应该等这三种电流全部衰减完后，才读出泄漏电流的数值，以计算绝缘电阻，但由于可吸收电流要经数分钟后才趋于消失，考虑到测量系统长时间的稳定性，测量时间不宜太长。
有实验证明，在同样测量条件，读数时间不同会造成很大差别，读数时间长，将造成数值偏大。
因此GB5023.3标准中明确规定在接通电流1分钟后读数（也可在1分钟时读数），既保证了非泄漏电流大部分已消失，又使测量时间有了统一，使数值具有重复性和可比性。
2.2.3电缆通断检测原理
通断检测主要目的是检测电缆电线中是否含有已断的芯线。
其检测方法是通过STC89C51单片机的端口输出一个高（或者低）电平到待测线芯的一端，然后从另一端读取电平，比较电平值，如果相同则表示导通，否则就不导通。
2.3检测原理分析电气性能测试常用方法
根据测试原理，目前常用的电缆电阻的测试方法大致有以下几种:
串联法、并联法、电压比较法、电容充放电法和电桥法。
每种方法各有优点，适用的故障类型也不尽相同。
考虑电缆的实际情况和可测方式，本节简单介绍了几种常用的测试方法:
电容充电法、电流电压法和电桥法。
2.3.1电容充电法
电容充电法主要应用于测量大电阻，其测量原理如图2.2所示，
为被测电缆的绝缘等效电阻；
为电源电压，经
给标准电容
充电。
是电容
的漏电阻。
电容
上的电压为：
（2.2）
根据实际测试的情况，式（2.2）中的
一般是未知数，为减少非线性和
漏电所引起的误差，常在
的情况下测量，由于
和
都是同数量级的绝缘电阻，则
中的电流很小，可以略去，则电容中的电流：
（2.3）
在充电过程中可认为是常量，因此，电容C上的电荷：
（2.4）
当
时，电容C上的电荷：
（2.5）
则可以得到：
（2.6）
在计算的过程中，式（2.5）和（2.6）中的
是由冲击检流设备测试得到的。
图2.2电容充电法测试原理图
2.3.2电流电压法
在常用的测试方法中，电流电压法用得最多，测试的基本原理如图2.2所示。
图2.3电流电压法测试原理图
在测量电压
一定的条件下，采样电阻两端的电压与回路中的电流成正比，如图2.3所示，
为限流电阻，
为被测电缆的等效电阻。
为采样电阻。
由回路电流法可得：
（2.7）
测量电压
为稳定电压源的输出值，限流电阻
和采样电阻
均为已知的固定值，因此，由上式就可求得被测等效电阻
的值为：
（2.8）
2.3.3电桥测试法
电桥法包括两种，单臂电桥法，又称为惠斯登电桥，常用来测量电缆电阻在
以上的导体电阻；
另一种是双臂电桥法，一般主要是测量
以下的电阻。
单臂桥测量法的原理如图2.4所示，由被测电阻
和另外的三个电阻
构成电桥的四个桥臂，用检流计检测电桥两端的电压。
图2.4单臂桥法测试原理图
双电桥测量（开尔文电桥）电阻是运用电桥平衡原理，将未知电阻值和已知的标准电阻值相比较，是一种比较测量法。
电阻均采用四接点接线，消除了接触电阻和导线电阻的影响，对提高测量低电阻的精度起到很大的作用。
双电桥可以测量到
量级的低电阻，但是电桥平衡条件的得出采用了近似处理。
测量原理如图2.5所示。
图2.5双电桥测试原理图
2.4本章小结
本章首先介绍了设计的测试系统所要实现的功能，具体包括电缆电气性能测试的的指标。
对测试原理进行了详细分析，分别从导通电阻测量原理、绝缘电阻测量原理和电缆通断检测原理上做了阐述。
重点分析了电缆电气性能测试系统常用的测试方法，对每一种测试方法进行了详细的原理分析，并给出了测试原理图。
第三章通信电缆电气性能测试硬件设计
3.1总体硬件结构
在该系统中主要由单片机控制部分，液晶显示部分，接收信号部分以及电源供电部分等几个模块组成。
其中接收信号部分主要负责接收卫星信号，然后将接收到的数据传输到单片机，那么单片机就负责处理接收到的数据，主要是对数据进行筛选和转换，单片机同时要控制液晶屏将处理后的信息进行显示。
按键部分主要就是通过单片机来控制液晶屏的显示。
整个系统的电源都由供电部分来提供。
硬件结构框图如图3.1所示。
图3.1硬件结构框图
3.2单片机控制部分
一个设计主控芯片不是说一定要选择好的芯片，而是要选择最合适的主控芯片。
如果选择的芯片太差会影响系统的正常工作，如果选择的太好又会造成浪费，本设计中主控芯片主要有如下几种选择方案。
方案一：
该方案中使用最简单的51单片机，51单片机是大学中接触最多的单片机，也是使用最多的单片机，同时这种单片机的各种资料也比较齐全。
考虑到本设计中主要要使用单片机的串行口与GPS模块通信，然后控制液晶屏进行显示，这对单片机的要求并不是特别高，51单片机完全可以满足要求。
所以本设计选择方案一。
方案二：
该方案可以选择用PIC单片机，PIC单片机采用精简指令集，使用哈佛双总线结
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