基于窄脉冲反射仪的高速数据采集系统的设计

O 引言

电缆故障是通信行业中的常见故障，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TDR(Time-Domain Reflectometry)测定电缆断点位置，它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。为了实时高效地处理测试数据，多次重复信号的采集显得尤为重要。当对高频信号进行记录测量时，由于所需采样速率较高，传统的数据采集已经不能满足系统要求，本文介绍的单路多次高速数据采集方案硬件结构简单，成本低廉，能够有效满足系统设计要求。

1 系统设计背景的脉冲波型特点和处理要求

根据电磁波理论，电缆即为传输线，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)障碍反射脉冲与发射脉冲极性相同，而短路、混线障碍的反射脉冲与发射脉冲极性相反。波形如图l所示。

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，在对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f司样地在同一位置多次出现。高速数据采集系统把信号接收电路送来的模拟信号变为数字信号，对数字信号进行取点抽样，转换成数字量进行存储。仪器要求的分辨率较高，要实现1m的测距分辨率，在波速200m／us的情况下，有

即要求抽样的时间分辨率为10ns，对应的数据采集系统频率要求高达100MHz。

2 硬件设计

采集系统的硬件电路由CPU、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。

脉冲波形产生和反射波形的形成，在同一测试电缆线上是多次可重复出现的，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100MHz的数据采集时，只要使用转换速率为25MHz的A／D转换器进行四次采集转换，每次的间隔是10ns就可以达到lOOMHz的时间分辨的效果，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。

2．1 主要元器件的选择

由于单片机价格低廉，功能优越，因此，CPU使用ATB9C5l，它的指令系统与MCS-51完全兼容。为了用最低的价格获得高的存储深度，有最高的(单位速度×单位存储深度)／价格比，本设计选用8位128k容量的高性能COMS静态存储器CY7C109／CY7C1009，将存储器的地址端A0～A16对应地连接到逻辑控制电路中生成的地址信号QO～Q16上，将使能端和写有效端给单片机和控制逻辑进行控制，就可以进行对应的存储数据和读取数据操作。系统中最高的采样频率为25MHz，为了实现这样的高速采集，我们选择了TI公司的A／D转换器TLC5540，其最高采样速率可以达到40MHz。

2．2 单片机及其控制设计

单片机控制部分包括系统清零和读出数据，其主要作用是：①负责A／D转换过程的启动及完成控制；②对自动存储于存储器内的采集数据进行处理。其中Pl口做数据线，P0．0为系统清零位(包括地址以及控制逻辑部分)，P0．1控制A／D与存储器的连接和断开，P0．2为采集完成位，P0．3读出数据地址信号控制，P0．4完成对存储器的读写控制。单片机首先控制A／D直接和存储器连接，接着给出系统清零信号，将地址和控制逻辑中的计数器清零，等待触发脉冲的到来。开始数据采集后，单片机查询采集是否完成，采集完成后，系统再一次清零，断开A／D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。

2．3 专用控制逻辑的设计及其CPLD实现

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1m的测距分辨率，在波速200m／ns的情况下，要求波形抽样的时间分辨率约为10ns，对应的数据采集频率达100MHz。

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100MHz高速采样转换为相应的较低频率的多次采样，将各次采样的结果进行重新组合，以拼凑出一个完整的100MHz采样波形。系统的实际数据采集速度是25MHz，采样时间间隔40ns，每完成一次波形测试，仪器要连续发射四次脉冲，数据采集电路起动四次，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起动采样的时刻延时分别从0ns依次以10ns的间隔增加到40ns。

本设计选用CPLD器件MAX7128S实现对高速数据采集系统的控制，硬件框图如图3所示。

虚线框内的是硬件逻辑控制模块，该模块可以完成我们所设计的高速数据采集所需的A/D转换器和存储器的控制信号。

作者：高晓剑 孟立凡 牛智伟 中北大学   来源：山西电子技术