引言

电缆故障是通信行业中的常见故障，而电缆测距是排除故障的前提条件。准确的电缆测距可以缩短发现故障点的时间，利于快速排除故障，减少损失。窄脉冲时域反射仪利用时域反射技术来测定电缆断点位置，可以同时检测出同轴传输系统中多个不连续点的位置、性质和大小。窄脉冲信号持续的时间非常短暂，为了能够有效地捕捉到窄脉冲信号，对A/D采样率和处理器速率提出了较高的要求，传统的数据采集已经不能满足系统设计需求。本文介绍的单路多次低速数据采集方案硬件结构简单，成本低，能够满足系统设计要求。

1系统设计理论依据

根据电磁波理论，电缆即传输线。假若在电缆的一端发送一探测脉冲，它就会沿着电缆进行传输，当电缆线路发生障碍时会造成阻抗不匹配，电磁波会在障碍点产生反射。在发射端，由测量仪器将发送脉冲和反射脉冲波形记录下来。实际测试中，具体障碍的波形有所差异:断线（开路）障碍时，反射脉冲与发射脉冲极性相同；而短路、混线障碍时，反射脉冲与发射脉冲极性相反。波形如图1所示。

图1发射脉冲与反射脉冲波形

设从发射窄脉冲开始到接收到反射脉冲波的时间为Δt，则：

其中，v为脉冲波在电缆中的传输速度；l为电缆故障点与脉冲波送入端的距离。

由以上分析可知，在同一个固定障碍的线路上多次送入同一脉冲电压，其反射脉冲将同样地在同一位置多次出现。

要实现对反射窄脉冲的捕获和1 m的测距分辨率（在波速为200 m/μs的情况下），则Δt=2lv=2×1200=0.01 μs=10 ns。即要求抽样的时间分辨率为10 ns，对应的数据采集系统频率高达100 MHz。同时，最大测量范围是2 km时，要求发射脉冲的重复周期T=2lv=2×2 000200=20 μs。实际上，电磁波在电缆中的传播速度可能小于200 m/μs，这就要求发射脉冲的重复周期大于20 μs。该时域反射已发射脉冲的重复周期T＝40 μs，因此需要存储的数据是40 μs的时间间隔，每10 ns采集一个点，共需要4 K个存储单元。

2系统硬件设计

采集系统的硬件电路由单片机、A/D转换器、隔离器、存储器、地址发生器及相应的控制逻辑组成，其结构如图2所示。本文选用TI公司的单片机MSP430F149。

图2系统硬件结构框图

脉冲波形和反射波形在同一测试电缆线上是可多次重复出现的。只要发射脉冲产生一次，反射脉冲就会产生一次，而且波形是相似的。当要求对波形进行100 MHz的数据采集时，只需使用转换速率为25 MHz的A/D转换器进行4次采样，每次的间隔时间为是10 ns。因此，可以采用该方案进行数据采集，将系统设计的成本降到最低，满足电缆测试的高精度要求。

3系统软件设计

3.1单片机控制部分的设计

单片机控制部分主要完成系统清零和数据读出。其具体功能是：负责A/D转换过程的启动及控制；对采样后存储于存储器内的采集数据进行处理。其中，P2口用作数据端口，P1.0为系统清零位（包括地址以及控制逻辑部分），P1.1控制A/D转换器与存储器的连接和断开，P1.2为采集完成位，P1.3读出数据地址信号控制，P1.4完成对存储器的读写控制。

系统上电后，单片机首先控制A/D转换器直接和存储器连接，接着给出系统清零信号，将地址和控制逻辑的计数器清零，等待触发脉冲的到来，单片机进入低功耗模式。开始数据采集后，单片机以中断方式来判断采集是否完成；采集完成后P1.2产生中断信号，唤醒单片机；系统再一次清零并断开A/D转换器和存储器的连接，控制地址发生器将存储在里面的数据读出，一次采集就完成了。

3.2FPGA控制逻辑的设计

窄脉冲时域反射仪要求的分辨率较高，所以要求的采样频率相当高。例如，要实现1 m的测距分辨率（在波速为200 m/μs的情况下），要求波形抽样的时间分辨率约为10 ns,对应的数据采样频率达100 MHz[3]。

逻辑控制要实现对一固定波形多次采样，并进行波形拼凑。实现高速数据采集电路，即将需一次完成的100 MHz高速采样[2]转换为较低频率的4次采样，将各次采样的结果进行重新组合，以拼凑出一个完整的100 MHz采样波形。系统的实际数据采样速率为25 MHz,采样时间间隔为40 ns。每完成一次波形测试，仪器要连续发射4次脉冲，数据采集电路启动4次。由于障碍点是固定的，每次发射脉冲时仪器接收到的脉冲反射波形是相似的，只不过发射脉冲的时刻与启动采样的时刻延时分别从0 ns、以10 ns为间隔增加到40 ns。

3.2.1FPGA的控制流程

FPGA的控制流程如图3所示。硬件逻辑控制模块可以产生高速数据采集所需的A/D转换器和存储器的控制信号。

图3FPGA的控制流程

3.2.2FPGA控制逻辑的具体实现

高速数据采集[1]控制逻辑的设计主要包括：脉冲个数检测电路的设计和读写存储器的地址逻辑生成部分的设计。

OP信号产生原理图如图4所示。

图4OP信号产生原理图

脉冲个数检测电路是通过2个2位计数器来实现的。连接TRIG（触发启动信号）的计数器（启动计数器），判断当前是第几个脉冲，它的状态过程是00011011，连接100 MHz晶体振荡器的计数器（晶振计数器）用来统计10 ns脉冲的个数。也就是说，当连接触发启动信号的计数器从0001时，晶振计数器是00状态，这时后面的状态选择输出一个由低到高的跃变OP（输出脉冲），控制后面25 MHz数据采集开始。当启动计数器又有一个触发过来（从0110）时，晶振计数器就开始从0001，也就是统计一个10 ns。统计完以后，后面的状态选择又输出一个由低到高的跃变OP，开始25 MHz数据采集。以次类推，分别是延迟20 ns和30 ns开始数据采集。

得到的OP仿真图如图5所示。

图5OP仿真图

在逻辑控制设计完成后，将最后得到的25 MHz时钟输入17位计数器。每次上升沿到来，地址加1,生成的地址信号使得采样的信号存入对应的地址单元。使用Q9位是为了让输出端可以产生低电平，从而在采样数据到达所需个数时，有一个上升沿来触发其所控制的触发器，使得数据采样暂停，等待下一次采样。Q12用作反馈，数据采样到了4K后通过它进行反馈，停止A/D芯片的工作，同时将地址计数器清零，准备数据读出。当存储器存满4K的数据，AP_OE输出高电平，用于控制A/ D芯片和内部地址计数器。可以看到，地址计数器在数据采集到达4K后也清零，在初始的位置等待数据的读出。系统控制原理图如图6所示。

系统控制仿真图如图7所示。

图6系统控制原理图

图7系统控制仿真图

4结论

本系统在MSP430F149单片机和FPGA控制下，通过多次低速数据采集并对采样到的数据进行重组，实现了高达到100 MHz的高速数据采集与存储。该系统不但具有硬件成本低、系统功耗低的优点，而且数据采样频率完全不受单片机速度的影响，只取决于所选用A/D转换电路的速度和控制逻辑的设计。其测量结果准确度高，环境实用性强，可有效解决电缆断点测定的难题。