Xây dựng hệ thống tự động quản lý, cảnh báo và phát hiện vị trí đứt, cắt cáp thông tin sử dụng CPLD

CÁC CÔNG NGHỆ ĐO KIỂM CÁP THÔNG TIN Với các loại tham số cơ lý, tham số điện khác nhau thì có các phương pháp đo khác nhau, thiết bị đo, kiểm tra cáp chủ yếu tập trung vào việc xác định

LỜI NÓI ĐẦU

Công nghệ thông tin và công nghệ điện tử không ngừng phát triển kéo theo sự phát triển và cải tiến của các hệ thống thông tin Sự phát triển của các hệ thống thông tin lại xuất hiện một nhu cầu kèm theo đó là quá trình kiểm tra, giám sát và bảo vệ các hệ thống thông tin đó trước những tác động của thiên nhiên và con người

Trên thực tế đã có nhiều hãng trên thế giới chế tạo thiết bị đo khoảng cách đứt cáp, tuy nhiên những thiết bị đó khá đắt tiền, kích thước lớn và đôi khi khó sử dụng Thiết bị đo, kiểm cáp thông tin đã được nghiên cứu ở đề tài: “Thiết kế chế tạo thiết bị đo kiểm tra cáp

thông tin cầm tay” của KS Nguyễn Mạnh Hà và ThS Nguyễn Trung

Hiếu nhưng chưa được xây dựng thành hệ thống và đầu tư, triển khai rộng rãi

Vì vậy, đề tài đã mạnh dạn nghiên cứu “Xây dựng hệ thống tự động quản lý, cảnh báo và phát hiện vị trí đứt, cắt cáp thông tin sử dụng CPLD”

Đề tài gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về cáp thông tin và các công nghệ đo

kiểm tra cáp

Chương 2: Thiết kế chế tạo thiết bị đo, kiểm tra đứt cáp thông tin Chương 3: Xây dựng phần mềm giám sát cảnh báo

Trong đó đề tài tập trung chủ yếu vào chương 2 và chương 3,

từ đó đưa ra phương pháp chế tạo thiết bị và giới thiệu tính năng của phần mềm

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁP THÔNG TIN

VÀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO KIỂM CÁP

1.1 GIỚI THIỆU

Ngày nay hệ thống viễn thông không ngừng phát triển Ngoài việc cung cấp các dịch vụ điện thoại phục vụ nhu cầu thông tin liên lạc còn cung cấp các dịch vụ thông tin băng rộng, truy cập internet tốc độ cao và truyền hình trực tuyến Để đáp ứng được những nhu cầu đó đòi hỏi mạng lưới viễn thông không ngừng nâng cao chất lượng, đảm bảo chất lượng và khả năng thông suốt của đường truyền thông

Mặc dù hiện nay phương pháp truy nhập vô tuyến đang được chú trọng phát triển, nhưng việc truyền thông hữu tuyến vẫn giữ vai trò quan trọng trong hệ thống viễn thông Trong đó cáp thông tin đóng vai trò kết nối người sử dụng với mạng viễn thông, nhờ có cáp thông tin mọi người có thể đàm thoại với nhau, truy cập internet tốc

độ cao, xem truyền hình trực tuyến, …

1.2 PHÂN LOẠI CÁP THÔNG TIN

Cáp thông tin là phương tiện dùng để truyền đưa thông tin từ nơi này đến nơi khác phục vụ nhu cầu thông tin liên lạc cũng như cung cấp các dịch vụ đa phương tiện

Phân loại cáp thông tin theo thành phần cấu tạo thì có hai loại chính: cáp kim loại và cáp sợi quang Trong đó:

- Cáp kim loại sử dụng dây dẫn làm bằng kim loại, gồm hai loại tiêu biểu:

+ Cáp đôi xoắn + Cáp đồng trục

- Cáp sợi quang sử dụng dây dẫn làm bằng sợi thủy tinh: + Cáp quang đa mode

+ Cáp quang đơn mode

1.3 NHU CẦU ĐO, KIỂM TRA CÁP THÔNG TIN

Cáp thông tin bị đứt do nhiều nguyên nhân, trong đó có cả những nguyên nhân chủ quan cũng như khách quan:

- Do thiên tai, bão lũ, gãy cây, đổ cột làm đứt cáp trong mùa mưa bão, đặc biệt là tại những khu vực miền núi

- Do các loài gặm nhấm cắn dây

- Do các xe chở hàng cao va quệt, các phương tiện cơ giới khi thi công đường xá, cầu cống, nhà cửa thiếu cẩn trọng

- Do cố ý trộm cắp cáp thông tin (cáp đồng là tài sản có giá trị nhưng lại được để ngoài trời, vì vậy thường xuyên xảy ra tình trạng cắt trộm cáp đem đi bán)

Ngoài ra các đoạn dây nối cáp mạng, cáp điện thoại có thể bị đứt hoặc tiếp xúc tại đầu jắc không tốt, do đó cần có thiết bị giúp đỡ

họ kiểm tra điều này

Cáp thông tin sử dụng trong mạng viễn thông Việt Nam gồm cáp đồng và cáp quang Nội dung của đề tài này là xây dựng hệ thống tự động quản lý, cảnh báo và phát hiện vị trí đứt cáp được áp dụng cho cáp đồng đôi xoắn Đây là cáp được sử dụng trong mạng ngoại vi để kết nối từ tổng đài tới thuê bao

1.4 CÁC THÔNG SỐ KIỂM TRA CABLE THÔNG TIN

1.4.1 Các chỉ tiêu cơ lý

1.4.2 Các chỉ tiêu điện

1.5 CÁC CÔNG NGHỆ ĐO KIỂM CÁP THÔNG TIN

Với các loại tham số cơ lý, tham số điện khác nhau thì có các phương pháp đo khác nhau, thiết bị đo, kiểm tra cáp chủ yếu tập trung vào việc xác định đứt cáp thông tin kim loại và xác định chính xác vị trí đứt cáp Hiện này có 2 phương pháp cơ bản được dùng để xác định khoảng cách cáp thông tin kim loại đó là:

- Đo chiều dài cáp bằng phương pháp đo điện dung

- Đo chiều dài cáp bằng phương pháp phát xạ xung

1.5.1 Đo chiều dài cáp bằng phương pháp đo điện dung

Điện dung của đôi dây phụ thuộc vào chiều dài của đôi dây đó

Hình 1.1: Đo chiều dài cáp bằng phương pháp đo điện dung

Sử dụng cầu đo diện dung tự động để xác định điện dung của đôi dây dẫn (trong trường hợp các bó cáp gồm nhiều đôi dây thì các đôi dây khác được để hở để loại bỏ điện dung giữa các đôi dây và đất)

Điện dung của đôi dây Cx =f(l)k.C0.l (Trong đó C0 là điện dung của đôi dây có khoảng cách 1 đơn vị chiều dài trong điều kiện chuẩn, thường không đổi với mỗi loại cáp, l – chiều dài của đôi dây, k- tham số tỉ lệ)

Bằng cách đo điện dung của đôi dây có thể xác định được khoảng cách của cáp, tuy nhiên phương pháp này có sai số khá lớn,

Cầu đo điện dung

tự động

Xác

định

khoảng

cách

l

vì tham số C phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường, độ đồng đều của vỏ cáp và vật liệu cách điện

1.5.2 Đo chiều dài cáp bằng phương pháp phản xạ xung - TDR

Phương pháp xác định điểm đứt cáp thông tin thông qua việc

đo khoảng cách từ điểm đo đến điểm đứt cáp dựa trên nguyên lý phản xạ xung trong miền thời gian

Nguyên lý của phương pháp này sẽ được trình bày chi tiết hơn trong chương 2 Phương pháp đo theo nguyên lý này có độ chính xác khá cao, được dùng phổ biến để chế tạo thiết bị đo khoảng cách và nhiều tham số khác không chỉ cho cáp kim loại mà còn cho cả cáp quang Đề tài chọn nguyên lý này để thiết kế chế tạo cho thiết bị đo, kiểm tra cáp thông tin kim loại

1.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương mở đầu của luận văn đã giới thiệu tổng quan về cáp thông tin và các công nghệ đo kiểm cáp Việc nghiên cứu tổng quan

về cáp thông tin, về các thông số này giúp ta loại bỏ các tín hiệu thu sai do nhiễu, tạp âm môi trường,…nghiên cứu các công nghệ đo kiểm cáp tìm ra phương pháp đo có độ chính xác cao,…mà trong chương tiếp theo khi đi vào thiết kế, chế tạo thiết bị đo kiểm cáp thông tin đề tài sẽ đưa vào để tính toán và khắc phục lỗi đo, kiểm tra

Chương 2 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO, KIỂM TRA

CÁP THÔNG TIN 2.1 VI ĐIỀU KHIỂN

2.2 CÔNG NGHỆ CPLD/FPGA

2.2.1 Lịch sử logic khả trình

2.2.2 Các họ sản phẩm CPLD của Xilinx

2.3 THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO, KIỂM TRA CÁP 2.3.1 Giới thiệu

Trong hệ thống mạng ngoại vi hiện nay, chủ yếu sử dụng cáp đồng đôi xoắn Do nhiều nguyên nhân chủ quan cũng như khách quan, cáp thông tin thường hay bị đứt, gây thiệt hại về kinh tế cũng như làm gián đoạn thông tin liên lạc Thiết bị xác định điểm đứt cáp thông tin được sử dụng nhằm định vị chính xác vị trí điểm đứt cáp, cho phép thực hiện các biện pháp ứng cứu kịp thời khôi phục hoạt động của thông tin

Mỗi loại máy đo khác nhau, có thể sử dụng các nguyên lý đo khác nhau Các máy đo xuất hiện, tồn tại và không ngừng được cải tiến cùng với sự phát triển của hệ thống thông tin Hiện nay nguyên

lý đo phổ biến và được áp dụng hiệu quả nhất là phương pháp phản

xạ xung trong miền thời gian (TDR)

2.3.2 Xây dựng, thử nghiệm các thuật toán đo kiểm

2.3.2.1 Phương pháp xác định cáp đứt, hoặc tiếp xúc không tốt

Phương pháp này có nội dung đơn giản như sau: Tại một đầu dây cáp, ta đặt một điện áp một chiều vào, nếu cáp không bị đứt và các điểm tiếp xúc là tốt thì sẽ có dòng điện chạy qua đường cáp và ở

phía đầu kia ta nhận được một điện áp lớn hơn một ngưỡng cho trước (ngưỡng này được chọn thông qua quá trình khảo sát và thiết kế phần cứng) Trường hợp ngược lại, tức là cáp bị đứt hoặc điểm tiếp xúc không tốt thì điện áp nhận được là “0” do điện trở của cáp lúc này là rất lớn

2.3.2.2 Phương pháp xác định vị trí điểm đứt cáp thông tin

Phương pháp xác định điểm đứt cáp thông tin thông qua việc

đo khoảng cách từ điểm đo đến điểm đứt cáp dựa trên nguyên lý phản xạ xung trong miền thời gian Nguyên lý này được mô tả như sau: Tại phía phát ta phát đi một xung có biên độ và độ rộng nhất định, xung này sẽ chạy dọc theo đường dây Tại đầu cáp bị đứt, do mất phối hợp trở kháng, xung sẽ phản xạ ngược trở lại phía phát Bộ thu xung phản xạ của thiết bị đo sẽ thực hiện việc thu và tách xung phản xạ nhận về trên đường dây Trong khoảng thời gian từ khi phát xung đến khi thu được xung phản xạ, xung tín hiệu đã đi được hai lần chiều dài cáp thông tin Tính tương quan khoảng thời gian này với hàm mẫu của cáp tương ứng cho phép xác định chính xác điểm đứt cáp thông tin

Hình 2.12 biểu thị nguyên lý đo khoảng cách cáp đứt Do nhiễu

và suy hao trên đường dây, xung phản xạ thường có biên độ thấp hơn, độ rộng xung thì lớn hơn xung phát đi Trong hình vẽ xung hẹp, biên độ lớn là xung phát; xung rộng, biên độ nhỏ được biểu thị bằng đường gạch chéo là xung phản xạ

t (s)

A (V)

T

Xung ph¸t Xung ph¶n x¹

Hình 2.12: Nguyên lý đo khoảng cách cáp đứt dựa trên phản xạ xung

Căn cứ vào vận tốc xung truyền trên mỗi loại cáp thông tin và thời gian từ khi truyền xung phát đến khi thu được xung phản xạ, ta tính được khoảng cách từ điểm đo đến điểm đứt cáp theo công thức:

Trong đó:

S: là khoảng cách từ điểm đo đến điểm đứt v: là vận tốc xung truyền trong cáp

T: Thời gian từ khi phát xung đến khi thu được xung phản xạ

Đây là công thức về mặt lý thuyết, trong thực tế đo đạc khoảng cách cáp thông tin không thay đổi tuyến tính theo công thức (2.1) Vì vậy chương tình phần mềm sử dụng phương pháp nội suy từ các mẫu thu được trong quá trình thực nghiệm

Khảo sát thực tế cho thấy vận tốc xung truyền trên cáp thông tin v rất cao, xấp xỉ 2/3 vận tốc ánh sáng, và thời gian T là rất nhỏ (khoảng vài chục µs) đòi hỏi xung phát phải có độ rộng rất nhỏ (chỉ

cỡ vài µs) để không xảy ra chồng lấn xung phát và xung phản xạ, ảnh hưởng đến kết quả đo

Do cáp không hoàn toàn đồng nhất nên trong thực tế xung phản xạ không thể vuông lý tưởng, mà nó thường có dạng răng cưa không đồng đều, khi khoảng cách càng xa thì xung phản xạ càng bị nhiễu và suy hao nhiều hơn, do đó bị trải rộng, biên độ xung phản xạ càng nhỏ Điều đó làm cho sai số phép đo càng lớn Vì vậy cần phải đưa vào các tham số điều khiển để khắc phục sai lỗi

Hình 2.13: Dạng xung phát và xung phản xạ thực tế

Các tham số này sẽ giúp loại bỏ các tín hiệu thu sai (do nhiễu, tạp âm môi trường), thêm vào đó tăng khả năng xác định ngưỡng xung phản xạ Trong đề tài đưa vào 4 tham số chính sẽ được trình bày ở phần sau

2.3.3 Thiết kế thiết bị đo, kiểm tra đứt cáp thông tin

2.3.3.1 Lập mô hình hệ thống

Thiết bị cần thiết kế yêu cầu cần phải có một số chức năng: Kiểm tra cáp thông tin có bị đứt không, kiểm tra tiếp xúc của connector với cáp, đo khoảng cách từ điểm đo đến điểm đứt để xác định vị trí đứt cáp thông tin, hiển thị kết quả cho người sử dụng thiết

bị quan sát trực tiếp Từ đó ta có sơ đồ khối hệ thống như sau:

Hình 2.14 Sơ đồ khối hệ thống

Khối điều khiển: Điều khiển khối phát xung và nhận lại các

tham số đo từ bộ phát xung Khối này còn có chức năng thiết lập và tính toán cập nhật lại tham số điều khiển Từ các tham số nhận được, khối điều khiển tính toán xử lý theo phương pháp thống kê và điều khiển hiển thị kết quả trên khối hiển thị Khối điều khiển sử dụng vi điều khiển 89C52

Khối phát xung: Phát xung tần số cao (cỡ MHz), và xử lý

xung phản xạ xác định theo ngưỡng và đếm khoảng thời gian từ khi phát xung đến khi nhận được xung phản xạ Khối phát xung có giao diện với khối điều khiển để nhận lệnh, thực hiện lệnh từ khối điều khiển, trả về các tham số đo cho khối điều khiển Do yêu cầu tốc độ hoạt động cao, khối này sử dụng CPLD XC9500XL

Khối giao tiếp đường dây: Kết nối trực tiếp thiết bị với đường

dây cần đo, khuếch đại điện áp xung phát và hạn chế ngưỡng xung phản xạ trước khi đưa vào khối thu nhận xung

Khối hiển thị, loa: Hiển thị các thông báo trạng thái, yêu cầu

của chương trình và kết quả tính toán của quá trình đo cáp bằng số thập phân có đơn vị tính là mét

Giao tiếp

máy tính

Khối giao tiếp máy tính: thực hiện giao tiếp, kết nối máy tính

với thiết bị thông qua khối điều khiển Giao tiếp giữa thiết bị với máy tính để quản lý, đo đạc và hiển thị kết quả có thể thực hiện thông qua máy tính Điều này tăng tính mềm dẻo của thiết bị Thiết

bị sử dụng kết nối qua cổng COM theo chuẩn RS232C

Khối nguồn DC: Cung cấp nguồn DC 5V cho các linh kiện

trong thiết bị Đầu vào là điện áp DC 5  35V lấy từ Pin hoặc các nguồn điện

2.3.3.2 Thiết kế các khối chức năng

2.3.3.3 Các tham số hoạt động của hệ thống

2.3.4 Chương trình điều khiển

2.3.4.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống

Hình 2.22: Lưu đồ thuật toán

Giải thích lưu đồ: Khi cáp bị đứt, chương trình điều khiển

trong 89C52 sẽ thiết lập các tham số ban đầu và gửi các tham số này tới khối phát xung Khối phát xung nhận các tham số, khởi tạo bộ đếm thời gian, đồng thời tạo ra một xung có độ rộng theo yêu cầu và gửi xung này tới khối giao tiếp đường dây, tại đó xung được khuếch đại lên mức điện áp cao hơn, với công suất lớn hơn để có thể truyền

xa hơn Xung truyền dọc theo đường dây, khi tới điểm đứt nó sẽ phản xạ ngược trở lại Bộ đếm thời gian trong khối thu – phát xung

sẽ đếm chính xác khoảng thời gian trễ giữa xung phát và xung phản

xa, độ rộng xung phản xạ và sau đó truyền ngược trở lại cho khối điều khiển Khối điều khiển sẽ kiểm tra tính hợp lệ của các tham số này, điều chỉnh lại tham số hay tính toán và hiển thị kết quả

2.3.4.2 Chương trình tính toán thống kê

Để tăng tính chính xác và độ tin cậy của kết quả đo, chương trình điều khiển sử dụng phương pháp tính toán thống kê Trong quá trình thử nghiệm, đề tài đã tiến hành với các trường hợp số xung phát trên một kết quả đo là 64, 128, 256, 512, 1024, với các kết quả thu được cho thấy với số lượng xung phát thấp thì kết quả đo còn cho sai

số cao, khi số lượng xung phát từ 512 trở lên thì độ ổn định đạt được

là khá tốt, sai số được khống chế ở mức rất nhỏ Nhận xét là khi xung phát đi càng nhiều thì thông qua xử lý xung thu ta được kết quả với độ chính xác càng cao Từ 512 xung phát trở lên, độ giảm sai số

là không đáng kể, do đó thiết bị được thiết kế với số lần phát xung là

512 tương ứng 512 lần đo khác nhau, và khi có tối thiểu 256 kết quả

đo hợp lệ thì kết quả thu được hiển thị

Sau mỗi lần đo, các tham số nhận được lại được kiểm tra tính hợp lệ và cập nhật lại tham số điều khiển Kết quả của lần đo này