基于FPGA的数传电缆故障检测装置的设计与实现.pdf

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1、基于FPGA的数传电缆故障检测装置的设计与实现周骏文，等基于FPGA的数传电缆故障检测装置的设计与实现DesignandImplementationofCableFaultDetectionSystembasedonFPGA周骏文陈永军通讯作者余书瀚阮波沈阳(长江大学电子信息学院，湖北荆州434023)[摘要】为了解决电缆故障定位精确度不高的问题，设计了一种基于FPGA的电缆故障检测系统．采用低压脉冲反射法，借助QuartusII软件提供的锁相环PLL控制低压脉冲交叉收发隔离电路产生纳秒级窄脉冲作为脉冲源。详细论述了低压脉冲反射法的设计原理、硬件结构框图以及模块内部设计原理

2、图，采用基于FPGA的全同步数字测频模块化设计，大大提高了检测系统的可靠性，优化了检测系统的综合性能。实验数据表明，该检测系统构成的实验平台可以适应不同长度数传电缆故障点的测量，满足现场测试要求。【关键词】FPGA；电缆；低压脉冲反射法；全同步数字测频[中图分类号】TM932【文献标识码】A引言在石油勘探行业中，数传电缆【1】的使用日益增加。同时由于现场环境恶劣，电缆的短路故障和断路故障时有发生，严重影响现场勘探质量与工程进展。据统计，每年在石油勘探行业中因电缆故障而导致的经济损失近千万元。如何设计一个实验装置去快速定位电缆故障点，进行快速维修，减少经济损失，迫在眉睫【2】

3、。目前，数传电缆测量装置的原理和实验平台在国内外研究中刚刚起步．可借鉴的资料很少。本项目在湖北省教学研究项目的资助下，组织优秀大学生，采用低压脉冲反射原理，开发了基于FPGA的高精度的数传电缆故障检测实验平台，既可以用于实验室建设。也可以在石油仪器现场中使用。在设计过程中，针对脉冲源宽度窄、反射波畸变严重、检测精确度不高、检测盲区【3】范围大且长度有限的问题，本装置采用行波测距法[41，以FPGA为核心控制器，生成纳秒级低压窄脉冲，通过低压脉冲交叉收发隔离电路，在电缆故障点的位置产生反射波，通过该反射波不但能够准确识别电缆故障类型，也能够准确测量电缆的长度。该装置由于采用了

4、全同步数字测频技术[5-41，在测量精度和稳定性方面较传统的测量实验平台有了明显的改善与提升。基金项目：“非常规油气湖北省协同创新中心”(HBUOG-2014—11)；资助项目：国家重大专项“3000型成套压裂装备研制及应用示范工程”(2011ZX05048)一15—《仪器仪表与分析监测》2017年第1期低压脉冲反射法的原理低压脉冲反射法的原理是向待测电缆中注射高频低压脉冲源。该脉冲源在故障点处发生反射。通过测量入射脉冲与反射脉冲的时间差AT，进行故障点的识别与电缆长度的测量。脉冲在电缆中传输速度不变则被称为行波，脉冲在电缆中以电磁波p8】的形式传播，波长A=V／f，其中V

5、=3x108m／s，为电磁波传播速度；厂是电磁波频率。脉冲在电缆中传播时，电磁波的波长远远小于传输线本身的几何长度，则传输线称为长线。长线可等效为由许多电感L、电阻R、电容C和电导G参数均匀分布的模型，脉冲反射法是基于电缆分布参数等效模型分析的。电缆分布参数等效模型如图1所示。图l电缆分布参数等效模型脉冲信号在传播的过程中由于电缆中分布电容和电感的惰性作用而存在延时，即行波以一定的速度传播。行波的传播速度如式(1)所示：y=—兰(1)～￡I‰其中，c=3x108m／s；B是电缆绝缘材料的相对介电系数；肼是电缆绝缘材料的相对磁通系数。由式(1)可看出，行波波速仅与电缆绝缘材料

6、的相对介电系数岛和相对磁通系数弘，有关，说明行波在同类绝缘材料电缆中的传播速度相同。行波在线路中传输，遇到阻抗不匹配的点时，因为没有负载能够吸收能量，行波会发生反射，反射系数P表示反射波的强度：p=鲁=iIo=丽Zx-Z6(2)其中，％是反射波电压；矾是入射波电压；一16一如是反射波电流；^是入射波电流；磊是负载阻抗；磊是传输线阻抗。由式(2)可得，当线路正常时，ax=ac，则p=O，入射脉冲被负载完全吸收，不存在反射波；当发生断路故障时，五_+∞，则p=l，反射脉冲与入射脉冲的极性相同；当发生短路故障时，磊_十0，则p=一1，反射脉冲与入射脉冲的极性相反。根据入射脉冲与反

7、射脉冲的时间间隔[9]At，结合式(1)可计算出故障点的距离：L：芝竽(3)Z所以’，．系统电缆故障测量精度由&的误差决定，本系统采用全同步数字测频技术提高血的测量精度。2实验测量系统的硬件设计实验系统硬件平台主要由FPGA控制器、低压脉冲交叉收发隔离电路、滤波放大电路、反射波比较电路及脉冲同步检测电路等部分构成．系统结构框图见图2。高频基准信号键盘lI脉簇率酬入裂舻D触发器一相比于使用单片机控制和传统的硬件电路设计，FPGA的高速逻辑控制优势更明显，生成的脉冲源和高频基准信号稳定、可靠，保证了检测精度。本系统选用