隨著現代電信事業的發展，常常由于自然災害或人為因素發生電纜中斷事故^[1]。傳統的電纜監測設備^[2～3]存在測量速度慢、信號處理手段落后、報警方式單一、有虛報漏報現象、用戶接口不友好、使用不便、不能對機房環境進行監測、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，以提高電纜維護的自動化水平。
1 系統硬件電路設計及工作原理
1．1 系統組成
　　系統組成框圖如圖1所示，由放置于各支局的電纜監控裝置和放置于省或市局監控中心的計算機組成兩級結構，并通過調制解調器和電話網將它們聯接起來，進行報警信息的數據通信。監控中心計算機通過調制解調器和電話網絡" title="電話網絡">電話網絡接收報警數據，完成故障電纜的電子地圖定位、打印、報警和數據存檔等工作；電纜監控裝置以嵌入式處理器芯片Atmega128^[4]為系統的控制核心，采用交流直流在線切換供電方式，完成實時監測、電話語音處理、人機交互和數據通訊等工作，并且還可以通過電話機進行參數查詢與修改。

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1．2 監控裝置組成
　　電纜監控裝置結構如圖2所示，可分為三個部分，下面分別進行介紹。
1.2.1 實時監測模塊
　　由于電纜所處環境復雜惡劣，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，將電纜狀態送入Atmega128的ADC中，來完整地記錄線路的狀態漸變情況；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，自動實現電纜故障點長度的測量；采用環境監測模塊完成機房的溫度、煙霧、濕度等的監測。
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，實現電纜故障驗證和語音報警、遠程參數修改和信息查詢等功能。
1.2.3 人機交互和數據通訊模塊
　　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。數據通訊模塊采用MODEM電路同監控中心進行數據傳輸。
1.3 電纜監測電路設計原理
　　電纜監測電路可以對八根電纜進行實時監測。通過監視電纜的一對備用線，實現電纜通斷狀態的監視。選取的一對備用線,一端接監測電路,另一端短接,從而構成一回路。電纜監測電路可以巡回監視電纜線路的狀態，若發生故障，則根據線路的通或斷狀態，采用電容或電阻測量方法，確定故障點的位置。
1.3.1 線路監視電路
　　在電纜沒有發生故障的狀態下，通過對繼電器的控制，將被測線路與監視電路相連，完成線路狀態的實時監視。如圖3所示，監視回路由＋24V電源、1kΩ和510Ω電阻、被測線路和TLP521-4組成。系統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,發光二極管電流為3～11mA,ADCx的電壓范圍為0～2.4V。考慮到實際電纜存在一定誤差，可設其閾值為2.4＋0.6V，當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雜且不可預測,通過調用通斷檢測函數，在一定時間內對異常電纜進行多次監測。若多次監測結果均超出閾值范圍,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，當進行電纜的電容/電阻測量時，控制繼電器開關，將被測電纜兩端分別連接CAP-RES1、CAP-RES2端。當被測線路斷路時，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，當進行電纜的電容/電阻測量時，控制繼電器開關，將被測電纜兩端分別連接CAP-RES1、CAP-RES2端。當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過LM331V/F電路轉換為相應的頻率信號。頻率信號經過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，將所要發送數據由HT9200A芯片轉化為DTMF信號，送入電話網絡；而收號電路則將DTMF信號轉化為四位的編碼送給MCU。信號音識別電路是由LM567組成的鎖相環電路，在話路上檢出450Hz信號音的調制脈沖后，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測電纜的長度、地理位置等語音信息。當發生故障時，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字和語音信息，完成本裝置的參數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 軟件設計
　　系統軟件包括監控中心軟件和電纜監控裝置軟件兩部分。監控中心采用Delphi語言，通過MODEM和電話網絡接收報警數據，完成故障點地圖打印、報警和電纜管理功能；電纜監控裝置軟件采用程序查詢和中斷相結合的方式，對電纜完成實時監控、故障自動定位、電話語音報警、參數遠程修改、數據上傳、故障校驗和機房環境監測等功能。當線路狀態發生變化時，則進行線路長度測量。在系統發送報警信息之前，采用下列三種方法，去除線路誤報情況：
　　(1) 核實電話法：八條監控電纜，每條電纜設置兩個核實電話號碼。當故障發生時，系統自動撥打核實電話，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次采樣結果同斷路閾值和短路閾值相比較，得到線路的通斷狀態。如果電纜線路在檢測執行過程中發生了明顯的變化,則該次測量數據無效,需要重新進行通斷檢測。
2．1 監控裝置監測程序設計
　　在監測程序設計中，主要包含的函數有通斷檢測函數、電阻檢測函數、電容檢測函數、綜合處理函數等。

2.1.1 監控裝置主程序
　　監控裝置主程序如圖7所示。它主要執行如下動作：
　　(1) 系統初始化，包括數據緩沖區、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、復核電話號碼、被監測線路長度、語音數據、密碼等參數的顯示及設定。
　　(3) 對線路狀態和環境進行監測，若線路發生故障或機房環境發生異常，則進行線路長度測量或環境參數測量，并通過電話網絡發送報警信息。
　　(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查詢和修改。
2.1.2 電容/電阻檢測函數
　　當線路發生故障時，由NE555/LM331電路將線路電容/電阻轉化為相應頻率，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引腳發生的外部事件及發生的時刻，調用電容/電阻檢測函數計算單位時間內觸發事件的次數，從而精確計算出頻率值及相應的電容/電阻值。由于電容/電阻同電纜長度成比例關系，因此在故障未發生時，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。為減少系統誤差，電容/電阻檢測函數先測量標準電容/電阻，然后測量線路電容/電阻，從而提高測量精度。
2．2 監控中心地圖輸出程序設計
　　通常，地理信息系統采用Mapinfo軟件進行信息查詢，但由于電子地圖版權費用較高，為降低系統成本，采用地圖位圖同線路繪制信息數據庫相結合的方法實現電纜地理信息查詢。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據信息，形成相應的數據庫。
　　(3)當故障發生時，根據此線路的總長度、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信息輸出或報警。
3 系統測試
　　系統測量電路經過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系。本文以齊齊哈爾電信局測試數據為例，采用在電信領域廣泛使用的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，得到測試數據表。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，由于每條鋪設的電纜的型號、所處環境不同以及施工的復雜性，導致單位長度電容/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。當故障發生時，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,最長距離為20公里，完全能滿足用戶的需要。

　　系統可監測最長距離為20公里，精度為1%，無誤報情況發生；系統結構緊湊、功能齊全、使用簡單易學，成本低，具備電話機功能，已在國內大量應用。