单总线技术在海底光缆故障位置探测中的应用

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虽然海底光缆采取了一系列的保护措施，但由于海底光缆的线路长并且途径的海域情况各异，常常受渔业捕捞、船舶航行、地震等外力影响而导致海底光缆发生故障。因此快速准确的确定故障类型和测出故障位置显得异常重要，可以为海底光缆系统的及时快捷的修复提供技术支持。

海底光缆1-Wire 单总线

一、海底光缆故障的分类

海底光缆的故障有以下几类：绝缘体故障、开路故障、光纤故障、短路故障。但因技术限制探测这些故障的花费和技术难度比较大，特别是精确度也受着一定的限制。

二、目前海缆故障点的测量方法

（一）OTDR测试法

光时域反射仪（OTDR）通过发送光脉冲进人输人光纤，由于受到散射粒子的散射，或遇到光纤断裂面产生菲涅尔反射，利用光束分离器将其中的菲涅尔反射光和瑞利背向散射光送入接收器，再变成电信号并随时间的变化在示波器上显示。这种方法虽然精度高，但只能测试从海缆岸端的终站或始站（以下简称海缆站）到第一个光中继器之间的海缆线路，或是无中继段的海缆段。

（二）电压测试法

电压测试法是通过一个恒流供电电源，得到海缆站到故障点间的电位差，由电压与电流之比可得到从海缆站到故障点间的电阻，从而得到海缆站与故障点之间的距离。在实际使用中，只需将已知的海缆系统故障时的电压、电流和电阻代入一定公式，就可得到海缆故障点的大致距离。但由于此方法未考虑故障点的大地电阻值，而且每个故障点的电阻值也各不相同，因此这种测试方法的测试必然存在较大的误差。

（三）音频测试法

音频测试法是将一持续音频电脉冲从海缆一端的供电导体输入，维修船可用探测仪追踪此信号，沿海缆探测，在故障点处，由于供电导体与海水的接地，测试脉冲信号消失，从而得到故障点位置。这种方法更多地用于维修船在故障发生的水域寻找海缆。这种方法的测试范围一般小于300km。

（四）线路监控系统测试法

线路监控系统测试法是利用线路监控设备周期性地对所有的中继器进行测试并与纪录进行比较，当一个中继段内的光缆发生故障使光纤受到轻微损伤或断裂时，线路监控设备会立刻显示中继器中相应的指标变化的状况，即可自动告警。这种方法的测试范围是一个中继段。

海缆的故障点的距离经过测量后，海缆修理船应在最短的时间内赶到修理现场。由于测算点与实际故障点有一定的差异，还需要进一步的精确定位。

可以看出以上方法定位故障点都存在着定位繁琐，定位点不够精确必须再次精确定位等缺点。

三、1-Wire 单总线技术简介

1-Wire 单总线是Maxim全资子公司Dallas的一项专有新技术，与目前的MICROWIRE、SPI等串行数据通信方式有着本质区别。它采用一种特殊的接口协议，通过单条连接线解决了控制、通信和供电，具备电子标识、传感器、控制和存储等多种功能器件，提供传统的IC封装、超小型CSP、不锈钢铠装iButtons等新型封装。它具有结构简单、成本低廉、节省I/O资源、便于总线扩展和维护等优点，适用于单个主机系统控制一个或多个从机设备，可广泛应用于温度测量、湿度测量、气压测量、风向风速测量等环境状态监测、居民小区监管、可寻址数字仪等低速测控系统等领域。

1-Wire 单总线器件的硬件结构如下图所示，器件内含序列号、接收控制、发射控制和电源存储电路，分别由单总线、电源和地3端引出。

每个1-Wire 单总线器件在制作时都激光刻录一个64位的二进制ROM代码，标志着器件的ID号，是唯一的芯片序列号。1-Wire 单总线器件存在序列号码总量，在总线上不会出现器件相互冲突或相同的节点地址。单总线端口为漏极开路，要求外接一个上拉电阻以确保总线的闲置状态为高电平，并要求主机或从机通过一个漏极开路或三态端口连接至该单总线，这样可允许设备在不发送数据时释放单总线，以便总线被其他设备使用。单总线器件一般用于对速度要求不高的测控或数据交换系统中。单总线技术的作用距离一般达到200m，并允许挂上百个器件，可实现多点测控。

四、系统硬件设计思想

（一）单总线器件的硬件结构

数据采集：采集光缆上的各项数据其中包括绝缘体故障信号（供电体，防水层，绝缘层，外护套）、开路故障信号、光纤故障信号、短路故障信号。

数据分析处理：判断是否出现线路异常即光缆是否受损，并初步分析、判断故障原因。

数据传输（报警）：向上一级处理设备传输最终数据。

（二）单总线器件的软件结构

软件采用模块化的设计思想，由若干个相互独立的报警子程序即中断子程序构成。此器件大部分时间运行在低功耗模式，当有中断发生时，CPU迅速进入相应的中断子程序，中断处理结束之后又返回低功耗模式。

主程序主要完成系统参数的初始化设置、使CPU进入低功耗运行模式。

中断处理子程序包括器件自身故障中断、绝缘体故障中断、开路故障中断、光纤故障中断、短路故障中断等。

五、结束语

此方案具有可行性和优越性强、定位准确、成本低廉等优点。并且不仅仅适用于海底光缆，在各种长距离传输领域的线路维护方面均可以引用。相信在不久的将来该方案可以付诸工程实践，为各行业的工程建设带来更大的便利和效益。

参考文献：

[1]仇胜美.海底光缆故障判定及测试方法.海洋工程， 2005，23（3）.

[2]郑宏军，黎昕，孟祥国.1-Wire 单总线器件技术规范及应用研究.电子技术，2004（9）.