电缆断路检测系统的研制

57Mi crocontrollers & Embedded Systems２００２．２应 用 天 地AP PL IC A TIO N N O TE S电缆断路检测系统的研制■ 亿万通讯设备厂 陈 坚 波 刘 艳 萍摘 要关 键 词介绍一种用单片机开发的智能电缆断路检测告警系统。 该系统以 ＡＴ８９Ｃ５２ 单片机为核心， 分为单片机矩阵扫描、断缆测长、光电隔离、与上位 ＰＣ 机通信的 ＲＳ２３２ 接口等硬件电路模块。文中对系统的工作原理作了详细说明。单片机 矩阵扫描 电缆断路检测 断缆测长引 言随着电话普及率的提高， 铜线电缆遍布城乡。从电信局的测量机房或接入网点机房到分散的各个用户的电话机， 都需要用铜电缆连接， 这样电缆的连接线路就比较长。 由于铜电缆回收价格较高， 故电缆被盗现象时有发生， 特别是农村地区电缆被盗的现象更为严重。 一旦电缆被切断， 不仅导致电缆材料的浪费， 也给被盗电缆所覆盖的一大片用户 造 成 通 话 故 障 。 因此 ， 需 要 一 个 性 能 完善、 能实时监测的智能电缆断路检测系统。针对上述情况， 我们采用单片机研制了电缆断路检测系统。 该系统最大的检测电缆数为 64 条。通过 AT89C52 的 P0口和P2口的译码扩展， 以 8 × 8 = 64矩阵扫描的方式来确定每一根电缆的通断状态。 实时扫描时， 给每一对外线电缆一个脉冲电流信号，若有电流流回来，则视电缆工作正常， 此时， 不用选通电缆断路测长电路进行测长；若检测不到该电流的反馈信号， 则视 为 外 电 缆 断 路 ， 这 时 单 片 机 通 过 P2 口外扩的74HC238译码器译码，选通相应的继电器，将有断缆信号的外线电缆接入断缆测长装置， 测量断点距机房的位置， 并产生告警信号和数据。 电缆断路检测装置带有 RS232串行通信接口，它与 MODEM 和PSTN 相连。 发生告警时，电缆断路检测装置通过MODEM 和 PSTN将告警数据送到监测中心电脑， 中心电脑发出告警和显示断点距机房的距离， 并可通过无线传呼呼叫有关人员到现场处理， 保障话路通畅。１ 系 统 硬 件 设 计１ ． １ 系 统 结 构 框 图系统硬件结构框图如图 1所示。 由图 1可知， 系统硬件电路由单片机、 看门狗复位电路、 直流电源供电电路、矩阵扫描电路、光电隔离电路、 断缆测长电路、 RS232通信接口电路等组成。１ ． ２ 单 片 机 与 看 门 狗 复 位 电 路单片机采用美国 ATMEL 公司生产的 AT89C52单片机。 该芯片不仅具有 MCS-51 系列单片机的所有特性， 而且片内集成有 8 KB 电可改写的存储器（ FLASH EEPROM ） 、 256 B的 RAM 。价格低，是目前性能价格比较高的单片机之一。 AT89C52 的工作频率为 6～ 20 M Hz。 系统利用单片机的内部振荡器， 外加石英晶体构成时钟源。 本系统采用 20 MHz晶振。看门狗复位电路选用 Xicor 公司的 X25045芯片。它 有 三 种 功 能 ： 看 门 狗 定 时 器 、 电 压 监 控 和EEPROM 功能。 X25045与 CPU 的连接方式采用模拟串行外设接口（ SPI） ，因此，节约了单片机的口资源。 X25045芯片的一个显著特点， 是它内部的存储器（ 512× 8） EEPROM， 可使用 100 000次和最少 100年的数据保存期。 在本系统中， 用它来保存各条电缆的预置长度 l 0等， 以保证数据正常使用和不会因AT89C52单片机直流电源供电电路看门狗复位电路晶体振荡电路光电隔离RS232 通信接口 监测中心电脑矩阵扫描电路断缆测长电路 继电器切换电路外电缆图１ 系 统 硬 件 结 构 框 图58 ２００２．２应 用 天 地 AP PL IC A TIO N N O TE S掉电而丢失。 图 2 示出了 CPU、 看门狗复位电路、译码选通电路及 RS232通信接口的硬件连接电路。１ ． ３ Ｉ ／ Ｏ口 矩 阵 扫 描 电 路为节省能源，系统设计为即时供电方式：当扫描到该电缆时， 给该被测电缆所在的列提供 48 V电源；同时通过光耦隔离后，反馈给 AT89C52 一个脉冲信号。 外线电缆的接入方式为：在每一束外电缆中选出一对空号的电话线， 在最末端将选出的该对线短接（在交接箱完成） ，通过机房配线架，接入电缆断路测长装置。AT89C52 的 P0口是分时复用的输入 /输出端口，外电缆的供电选通和扫描结果的反馈都经过这个端口实现。 P0口外扩 1 片 74HC373，以增加 P0口的带载能力。 74HC373的 8 个输出端分别与矩阵扫描电路中的光耦三极管 C极相连， 用来提供光耦导通后三极管的 5 V 工作电源 ； 74HC373 同时驱动 1 片74HC245。 74HC245 的 8个输出端分别驱动矩阵电路中的 48 V电源的供电选通光耦， 用于选通被测电缆的 48 V 供电电源。 因为，由 74HC373提供的 5 V电源和 74HC245选通的 48 V电源是同步的，所以，保证了光耦在矩阵扫描电路中的正常工作。 AT89C52的 P0口还外扩了 1 片 74HC245，用来收集矩阵扫描的结果。其输入口与矩阵扫描电路光耦三极管的 E极相连， 每 8个光耦为 1 行，共 8 行，每行中的光耦以并联的方式接到 74HC245的输入端，输出端直接与 89C52的 P0口相连。其硬件连接电路如图 3 所示。图 3 中以 1 条电缆为例，给出了矩阵扫描电路的连接方式， 其他电缆的连接方式相同。１ ． ４ 断 缆 测 长 电 路１．４．１ 功 能该电路的功能为测试电缆的断点到配线机房的距离， 即断缆测长。 在矩阵扫描电路检测到某条电缆断路后， 则 AT89C52 通过 P2口， 选通相应的继P10P11P12P13P14P15P16P17RESETINT0INT1T0T1EA/VPX1X2RDWRP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RXDTXDALE/PPSEN4.7kΩ× 81 2 3 4 5 6 7 8 9VDDRP1P00P01P02P03P04P05P06P0739383736353433322122232425262728SELESELFSELGABCE1E2E3456Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774HC23815141312111097Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7D3123456789121314153119181716VDD1234ROWSELCOLSEL+5V8765D2X25045R110 kOC71μFR2 10 kOC830 pFC930 pFAXAL120 MHz10113029 589VDD74HC14D6C6D6D74HC14 R854.7 kOV99013V1041481324R83240 kOR86200 O21VDDU234 3TXD RXDPC817ABCE1E2E3456Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774HC23815141312111097U1ULN2003151413121110916 JRN0JRN1JRN2U1012345678……ULN2003151413121110916U12123ABCE1E2E3456Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y774HC23815141312111097U3 12345678123VDD……Y7Y0SELESELPSELGD1AT89C52D6AD6B图２ ＣＰＵ、 看 门 狗 电 路 、 译 码 选 通 电 路 及 ＲＳ２３２通 信 接 口 的 硬 件 电 路59Mi crocontrollers & Embedded Systems２００２．２应 用 天 地AP PL IC A TIO N N O TE S电器， 将有断缆信号的电缆中的一对双绞线接入断缆测长装置。１．４．２ 基 本 原 理断缆测长装置是根据电学中交流信号到达电线断头会产生回波这一原理研制的。为了便于检测，我们将交流信号改成脉冲信号， 在脉冲信号发出时， 让单片机开始计时， 收到回波脉冲信号后停止计时， 从而获得时间值 t，根据电磁信号在导线中的传播速度 v，即可算出导线长度 l。实际运用中， 单片机每次对一条电缆中用于电缆断检测的双绞线进行测量，获得长度 l 1。为避免检测电缆末端的短接线松脱而造成误判断缆信号，用 l 1 和单片机中该条电缆的预置长度l 0 进行比较， 从而判别该条电缆是否被截断。断缆测长电路的原理如图 4 所示。１．４．３ 工 作 原 理将单片机中断 INT0 设置成高优先级，其它中断设置成低优先级。 T0设置成自动记时方式，RAM 中的计数单元清零， 并清零 1.2μ s脉冲鉴别器 A1，用指令在 P1.4脚送出一个 1.2μ s的方波脉冲 （低电平有效） 。在 P1.4脚脉冲的下降沿后，立即启动定时器 T0；在 P1.4脚脉冲的上升沿（脉冲关闭沿）开放与非门 D8A 。当脉冲R22 MOC41 000 pFD8BCD4011C31000 pF6R32 MOD8CCD4011C20.01 μF343910R11 kO 312D8ACD4011R4100 kO111213D8DCD4011P1.4P1.7INT0≥ 48COUNTER≥ 49COUNTER14 6323 V0OSC WRAT89C52AXAL240MHzC515 pFC615 pFINA1ROWSELCOLSELRDCLR图４ 断 缆 测 长 电 路反射波返回来经 D8B、 D8C组成的级联放大器后，就变成了 1.2μ s的方波，经过 D8D后 ， 变 成 了 负 向 方 波 ， 使INT0 产生中断， 并送 A1进行脉宽鉴别。因为 INT0 中断优先级最高，故 AT89C52 立即响应 INT0 中断。 在 INT0 中断程 序 的 第 一 条 语 句 即 关 T 0定时器，再读取 T0 定时器中未 减 完 的 数 据 和 RAM 中的T0 计数单元值， 延时 1.2μ s，关闭与非门 D3D， 检查 RD脚是否为低电平，若不是，则产生 INT0中断的方波为干扰信号，重复上述过程。 若 RD脚 是 低 电 平 ， 则 为 有 效 信号。１．４．４ 电 缆 测 量 长 度 的 计 算电缆断头到 AT89C52 的长度按下述方法计算 ：T0 的一个计数值所代表的时间值为t0 = 12/20 = 0.6 μ sT0 的一次中断时间为256 × 0.6 μ s=153.6 μ s设 RAM 中 T0 计数单元的值为 N， T0 中未减完Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D0D1D2D3D4D5D6D7OELE3 4 7 8 13 14 17 18P0 1 11 COLSELD5 74HC373A0A1A2A3A4A5A6A7B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7D6 74HC24518 17 16 15 14 13 12 112 5 6 9 12 15 16 19EDIR2COL1D3COL2D4COL3D5COL4D6COL5D7COL6D8COL7D9COL8D……48V－V12N5551V82N5551B7B1B2B3B4B5B6 A6A0A1A2A3A4A5A7EDIR82345679P019 ROWSEL1D474HC245COL119 1VDDCOL2COL3COL4COL5COL6COL7COL8 B0ROW1 11ROW7 17ROW6 16ROW5 15ROW4 14ROW3 13ROW2 12ROW8 18ba 外电缆 1接入……ba 外电缆 8接入…………R6 51.5 kOR7 21.5 kO R684.7 kOR120 kOR820 kO图３ 矩 阵 扫 描 电 路60 ２００２．２应 用 天 地 AP PL IC A TIO N N O TE S的数为 X， 则脉冲在电缆中单向传输所用的时间为t1 = [153.6N+(256 － X ) 0.6]/2 （ 1）根据电波传输公式 ： c= l /t1 ≈ 300 000 000 m/s则电缆长度 ： l ≈ 300 000 000/t 1 （ 2）该电路的缺点 ：① 需检测的电缆长度必须≥ 180 m， 否则，测不到长度。② 测长用时较多， 需反复多次测量 （尤其是电缆中干扰较大时） 。这就是需用矩阵扫描电路预测电缆断路后，才用该测长电路来测长的原因之一。１ ． ５ Ｒ Ｓ ２ ３ ２串 行 通 信 口系统可安置在无人值守的机房或机站中，所以预留了 RS232接口电路。这样可以方便地通过 MO-DEM 实现与监控中心电脑的连接， 并将告警信息上传到管理中心， 实现远程监控。 RS232接口电路见图2。电路采用带施密特的非门直接与单片机的 TXD、RXD 相连，增加了单片机串口的带载能力；对单片机 TXD、 RXD 进行保护，提高了系统的可靠性。２ 系 统 的 软 件 设 计整个系统的软件分为电缆断路检测装置低层软件和 PC 机上层管理软件。下面主要对电缆断路检测装置的软件作一些介绍。 为了优化装置的软件设计，采用模块化结构。电缆断路检测装置， 首先按接入电缆断路检测装置各条电缆的号数， 从小到大依次扫描电缆的通断状态， 如果没有电缆断路信号，则主程序又回到扫描初始状态， 依次扫描；如果有电缆断路信号， 则保存断缆的号码， 通过译码，选通相应的继电器，进行断缆测长。 电缆断路检测装置的主程序流程如图 5 所示。结 束 语由于系统采用以单片机为核心的电路， 所以，具有体积小、成本低廉、灵敏度高、 告警及时准确等特点， 也易于被用户所采用。 电缆断路检测系统研制开发出来后， 在茂名市电信局的电信机房安装使用， 获得了用户的好评。 据茂名市电信局技术人员告诉我们， 未用电缆断路检测系统之前， 茂名市电信局每年因电缆被盗损失较大。 安装电缆断路检测系统后， 有力地打击了盗窃电缆的不法行为， 为茂名市电信局避免了经济损失， 并使茂名市电信局赢得了使用电信业务用户的赞誉。参 考 文 献1 张友德，等 . 单片微型机原理、应用与实验 .上海：复旦大学出版社， 19962 X25045使用手册3 Xicor 非易失性器件使用手册4 中华人民共和国信息产业部 . YD/T 694－ 1999中华人民共和国通信行业标准 . 总配线架5 国家技术监督局 . GB2421－ 89中华人民共和国国家标准 .电工电子产品基本环境实验规程初始化8× 8 矩阵扫描有告警否？测量电缆长度数据包向 PC 机发送PC机收到否？新告警电缆切换到测长电路开始是新告警否？和预设长度相等？该电缆置正常标志告警数据打包NNYYYYNN图５ 主 程 序 流 程 图