摘 要： 設計一種基于分布式參數模型查找電纜故障點系統，以Nios Ⅱ軟核處理器和所需的外設IP核嵌入到FPGA中為硬件架構，移植μC/OS-Ⅱ實時操作系統為軟件體系，實現故障的檢測，具有廣泛的適用性和良好的應用前景。
關鍵詞： 電纜；反射；分布參數；片上系統
“十二五”期間，國家將投巨資進行電網升級改造，如何做到迅速查找電纜故障點并予以修復，是智能電網建設的一項重要內容。
電纜在運行過程中，易受砸、壓、碰以及有害物質的腐蝕，發生漏電、短路、斷線等故障。電纜的故障是電力系統安全運行的薄弱環節，因電纜斷路、短路引發的各類重大事故的案例屢見不鮮。另外，電纜鋪設具有隱蔽性，傳輸距離較長，查找故障點十分困難。
本文利用電力電纜的分布式參數特征，在反射法基礎上，以SoPC為硬件，設計了一種電力電纜故障點檢測系統，及時發現并定位電力電纜故障，提高現場故障判斷的準確性、快速性，對于用電安全具有重要意義，應用前景廣泛。
1 分布參數模型檢測電纜故障點原理
為檢測電纜故障類型及其位置，在電纜上發送的信號波長遠小于電纜長度，即可把電纜看成分布參數模型[1]，若電纜分布式參數沿線均勻，則電纜上信號電壓通解為：
利用長線終端開路、短路等不同情況，反射系數也不同，來判斷故障類型，進而判斷故障點大致位置。
比較圖1和圖2可以發現，信號電壓和電流峰值位置不同，阻抗的性質也不同，將反射信號波形顯示出來，通過波形可判斷故障性質。
利用信號的傳播速度，測出發送、接收信號的時間差Δt，即可通過L=ν·Δt/2，計算出故障點位置。其中，ν為發射信號的傳播速度。
2 電纜故障點檢測設備的硬件架構
以SoPC為硬件，電纜故障點檢測系統的硬件架構如圖3所示。NiosⅡ軟核CPU及各種所需的外設均通過SoPC Builder集成在一片FPGA中[3]，構成本系統所需硬件的可重構部分，實現真正的可編程片上系統。為了在低成本情況下完成預定功能，選擇了Cyclone FPGA系列器件中的EP1C6。EP1C6無論是從邏輯資源還是存儲器均能滿足設計要求。
2.1 主要IP核設計
(1)UART內核：通用異步接收器/發送器。UART內核執行RS-232協議，它為FPGA上的嵌入式系統和外部設備提供了串行字符流的通信方式。
帶Avalon接口[4]的JTAG-UART內核還提供Nios CPU系統到PC機的連接通路，通過JTAG-UART在PC機上調試Nios CPU所需要的程序，并通過監控程序對整個系統的運行進行控制。
(2)PIO內核：并行輸入/輸出內核。它提供Avalon從控制器端口到通用I/O口間的映射接口。該IP核是常規的外設控制接口。通過PIO，實現開關量讀取，鍵盤輸入，對LED、LCD等外設進行控制。SoPC Builder中提供了PIO內核，可以很容易將PIO內核集成到SoPC Builder生成的系統中。
(3)EPCS內核：帶Avalon接口的EPCS設備控制器內核。EPCS包含1 KB的片內存儲器。該IP核允許NiosⅡ系統訪問EPCS串行配置芯片，管理FPGA配置數據，主要用于存儲程序代碼或一些非易失性數據，本系統中用于波形存儲。
(4)三態總線橋：該IP核是Avalon和Avalon-Tri BUS總線以及Avalon和Wishbone總線的橋接控制器，用于連接兩種不同總線。考慮A/D轉換器等外設需要自行開發I2C配置接口，這些外設不能直接連到Avalon總線上，需要通過橋接控制器并以IP核的形式通過SoPC Builder連接到系統的Avalon總線上。
2.2 信號的收發
2.2.1 信號的產生與發送
從微波理論可知，發送信號的頻率越高越接近于長線理論[5]，即滿足電纜分布式參數沿線均勻條件。但信號頻率越高，線路的高頻損耗越大，信號容易畸變，給檢測也會帶來困難。在SoPC中，信號的產生以及信號的頻率和幅度可方便地由軟件調整。實驗測定，若測距在10 km左右，信號的頻率大約在1.5 MHz~150 MHz為宜。
考慮到SoPC器件的驅動能力微弱，不能直接發送給被測電纜，必須要經過一定的放大，故末端采用高頻變壓器加上高頻晶體管射極驅動電路的形式。
2.2.2 A/D轉換模塊
采用Analog Devices公司的8位模數轉換器AD9481，該轉換器采樣頻率可達200 MHz，具有高速、低功耗、體積小的特點。適合高采樣頻率和寬帶寬的場合。為解決信號小不易檢測的矛盾，應加入前置放大級。參考AD9481數據手冊，采用了AC耦合、雙極性放大器接法。
3 電纜故障點檢測設備的軟件開發
軟件系統體系主要包括嵌入式操作系統的移植、應用級代碼編寫等部分。為了方便用戶編程，NiosⅡ IDE提供了設備驅動程序，在新建工程時NiosⅡ IDE會根據SoPC Builder對系統硬件配置自動生成一個定制的HAL，即硬件抽象層(HAL)系統庫。基于HAL系統庫的軟件工程的創建和管理與NiosⅡ IDE緊密相關，圖4為NiosⅡ IDE工程結構[6]。
一個NiosⅡ IDE工程包括兩個工程：用戶應用程序工程和HAL系統庫工程。用戶應用程序工程中包含所有的用戶代碼文件，最終的可執行映象由此工程生成。HAL系統庫工程中包含所有與硬件處理器相關的接口信息，系統庫工程基于用戶定制的NiosⅡ處理器系統，由SoPC Builder自動生成.ptf文件。
HAL應用程序接口(API)與ANSI C標準庫綜合在一起，可以使用類似Ｃ語言的庫函數來訪問硬件設備或文件，如printf()、fopen()等，而無須關心底層硬件實現細節。
在實驗室條件下，用該系統對1 000 m的電纜進行多次模擬測試，包括短路和開路情況，所顯示的故障類型正確，故障點距離均方根誤差E<1%，表明該系統具有良好的精度。但實驗條件與實際的電纜敷設環境差別較大，實際的敷設環境和故障現象要復雜得多，電纜運行可能出現既非短路又非開路情況，如漏電故障。此時，反射回的信號呈現行駐波的方式，這種工作模式需要提高系統的靈敏度，可以從提高設備的抗干擾能力和合理調節發送信號的頻率兩個方面予以改進。
參考文獻
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[6] 楊浩，林爭輝，鞠海，等.基于嵌入式處理器軟核的DVB_S基帶處理系統[J].計算機工程，2005，31(6)：203-205.