专利名称：具有自动断尾和恢复功能的双向中继器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及通信领域，尤其是涉及一种应用于漏泄通信系统的双向中继器及其控制方法。
背景技术：
漏泄通信系统目前仍为国内外矿山井下无线通信的基本手段。它是将一条外导体开口的特殊的同轴电缆一漏泄电缆代替天线，将电磁波引向井下巷道，从而实现地面井下一体化的超短波调频通信，即井下无线对讲系统。漏泄通信系统一旦在某矿山组建，由于 其操作简单便捷、声音清晰洪亮、没有任何延时、没有通信盲区等特点，往往很快成为井下运输调度、井筒联络、设备检修、安全检查等各部门不可或缺的通信手段。在漏泄通信系统中，凡漏泄电缆所到之处，即该系统的通信覆盖范围。为使系统通信能覆盖全矿，需要不断延伸漏泄电缆的长度。由于射频信号在电缆中远距离传输将带来损耗，为弥补这种传输损耗，要求每隔一定距离插入一个中继放大器。一个基本双向中继放大器的电路组成如图I所示，包括下行放大器，上行放大器，定向耦合器I，定向耦合器II以及为放大器供电的上行稳压器和下行稳压器。上行稳压器与上行放大器连接，下行稳压器与下行放大器连接；定向耦合器I与下行放大器输入端及上行放大器输出端连接，定向耦合器II及上行放大器输入端和下行放大器输出端连接，双向中继器的输入与输出端之间包括直流供电通道。其中，下行放大器用于放大从基地台到井下手持机的下行信号，上行放大器用于放大从手持机到基地台的上行信号，两个定向耦合器使两路放大电路既能同时工作又互不影响。为便于隔离，上下链路的工作频率相隔了17MHz O来自基台的射频信号通过漏泄电缆从A端进入中继器，经过定向耦合器II耦合到下行放大器输入端，放大后经定向耦合器I从B端耦合到漏泄电缆，引向巷道远端。而由B端来的上行信号则经定向耦合器I耦合到上行放大器输入端，放大后经定向耦合器II从A端通过漏泄电缆送往基台。从而完成了同时放大上、下行两路不同频率的信号的功能。图中虚线部分是其直流供电通道，通过两个扼流电感与交流通道相互隔离，实线部分为射频通道。为提高上下链路的隔离度，上下行放大器分别由两个稳压器供电。实际操作中，很多矿山经常因放炮等原因造成电缆内外导体短路，短路后由于所有中继器同时失去工作电压，要查清那一段电缆发生故障十分费时费力，维护部门将因此承受很大的检修压力，而一旦系统瘫痪，将严重影响生产效率，甚至导致局部停工。中继放大器为有源通信设备，需要直流供电。为避免对井下每个中继器单独供电所带来的繁琐，在漏泄通信系统中，中继放大器通常都利用电缆的芯线和屏蔽层实现直流串联供电。这种供电方式大大降低了系统的成本，但在另一方面，这种供电方式也带来系统一处电缆发生短路故障，就会造成全网因断电而瘫痪的困扰
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种具有自动断尾和恢复功能的双向中继器，通过持续监测输出电压判断后续电缆是否短路，从而控制电子开关，实现自动断开后续电缆及自动恢复功能，并驱动故障报警指示，以达到弱化电缆短路故障的效果。本发明所称断尾即为中继器断开后续故障电缆连接。通过断尾操作，能够保证故障点前面的中继器和其他分支的网络正常工作。为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案
包括上行放大器，下行放大器，定向耦合器I，定向耦合器II，与上行放大器连接的上行稳压器和与下行放大器连接的下行稳压器，所述定向耦合器I与下行放大器输入端及上行放大器输出端连接，所述定向耦合器II及上行放大器输入端和下行放大器输出端连接，双向中继器的输入与输出端之间包括直流供电通道，还包括输出电压取样电路，CPU,场效应管，控制电路以及为CPU连接的稳压器，输出电压取样电路与中继器输出端连接，所述场效应管设置在中继器的直流通道中，所述CPU与输出电压取样电路连接，CPU与场效应管之间通过控制电路连接。作为改进，还包括输入电压取样电路，所述输入电压取样电路与CPU连接。作为改进，还包括与上行放大器输出端连接的上行电平检测电路，以及与下行放大器输出端连接的下行电平检测电路，所述上行电平检测电路和下行电平检测电路分别与CPU相连接。作为改进，还包括与CPU相连的LED指示灯。作为优选，所述LED指示灯包括故障指示灯，电源指示灯，上行电平指示灯和下行电平指示灯。作为改进，还包括与定向耦合器II连接的可变衰减器。一种具有自动断尾和恢复功能的双向中继器的控制方法，其特征在于包括以下步骤
(1)CPU通过输出取样电路监测输出直流电压，当输出直流电压<断尾临界值时，则转入步骤(2)，当输出直流电压彡断开临界值时，则转入步骤(5);
(2)CPU发出信号切断电子开关，点亮中继器面板上的故障指示灯；
(3)CPU监测输出电压，当输出电压升高时，转入步骤(4)，否则继续执行步骤(3)；
(4)CPU发出信号接通电子开关，熄灭中继器面板上的故障指示灯；
(5 )CPU通过输入取样电路监测输入直流电压，当输入电压 < 中继器最低允许工作电压时，电源指示灯闪烁，当输入电压>中继器最低允许工作电压时，电源指示灯常亮；
(6)CPU通过上、下行电平检测电路获得上、下行射频电平；当下行射频电平>阈值时，中继器面板上的下行电平指示灯亮起；当上行射频电平>阈值时，中继器面板上的上行电平指不灯売起。 本发明提供的双向中继器与现有技术相比，具有以下有益效果
I.能够在电缆某处发生短路后，自动断开故障点之后的电缆，保证前续中继器和其他分支网络正常工作，并能通过亮起中继器面板上的LED故障指示灯对发生故障的电缆加以指示；还能在电缆修复好之后自动接通原故障点之后的电缆，恢复整个系统的正常运转。2.能够监测中继器的供电电压，并通过亮灭相应指示灯对供电电压状况加以指
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3.能够监测上、下行射频电平，并通过亮灭相应指示灯对上、下行射频电平状况加以指示。4.能灵活适应不同的漏泄电缆长度。
图I为现有技术中的双向中继器的结构示意 图2为具有断开故障点功能的双向中继器的的结构示意 图3为两个双向中继器在漏泄通信系统中的连接 图4为增加监测输入电压功能的双向中继器的的结构示意图；
图5为增加监测上下行射频电平功能的双向中继器的的结构示意 图6为本发明提供的双向中继器的控制流程图。
具体实施例方式以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式
仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。如图2所示，本发明提供的具有自动断尾和恢复功能的双向中继器，在基本双向中继器的基础上，增加了与双向中继器输出端相连的输出电压取样电路以及一片控制板。控制板的核心器件是一片CPU，它内含A/D变换器、模拟比较器以及与CPU连接的稳压器等资源，输出电压取样电路能够获得中继器输出端的电压并传送给CPU，稳压器与上行放大器连接并为CPU供电。图中实线为交流通道，虚线为直流通道。要使得电缆短路时，不影响后续网络，则中继器的供电电源必须具有短路保护和自恢复功能。由于中继器要求能通过IA以上的直流电流以供后续中继器工作，所以要切断后续电路通常考虑采用继电器。继电器的吸合需要一定的能量，而串联供电的中继器则要求功耗越小越好。否则，电流的增大将导致漏泄电缆上直流压降过快，以致最后面的中继器因欠压而不能正常工作。超低导通电阻的场效应管解决了上述矛盾它的高输入阻抗决定了其导通不需消耗电能，而其极低的导通电阻(小于20πιΩ )决定了其导通时不会产生明显的电压降。(通过IA电流时压降不超过20mV)。因此本发明还在中继器直流通道内设置了一个导通电阻极低的场效应管作为电子开关，在本文中，也可称为断尾开关。电子开关通过控制电路连接CPU，CPU根据获得的中继器输出端电压发送相应信号给控制电路用以控制场效应管的导通、截止，实现中继器后续电缆短路时的自动断开功能。控制电路为三极管或其他业内常规简单控制元件。本发明提供的中继器在断开后续电缆的基础上，通过场效应管保证其前面的中继器和其他分支的网络正常工作。作为优选，中继器面板上设置一个与CPU连接的LED故障指示灯，在电子开关截止时CPU控制故障指示灯亮起，导通时CPU控制故障指示灯熄灭，用于指示故障点的位置。实际应用中，漏泄通信系统中的双向中继器为多个，接下来以两个相邻的中继器在漏泄电缆发生短路故障时的工作状态为例说明在漏泄电缆发生短路故障时，中继器通过电子开关断开、恢复的过程。如图3所示的两个相邻的中继器Z1、Z2，当系统正常工作时，中继器Z1、Z2的电子开关均处于导通状态，主干线始端直流电压为18V，每过一个中继器，直流电压会因电缆上的直流压降而有所降低。但不低于12V (中继器最低允许工作电压)。若中继 器Z2后续电缆于C处发生短路时，系统整条主干线直流电压将被拉到0V。供电电源处于短路保护状态。此时，Z1、Z2等所有中继器均被断电，它们的电子开关均进入截止状态。由于供电电源具有自恢复功能，当中继器Zl、Z2的电子开关截止后，短路点已被隔离，于是供电电源恢复供电。当中继器Zl加电时，Z2尚未加电，Z2的电子开关也未导通。因而Zl之后的负荷相当于开路。其输出电压取样电路获得的电压接近18V，于是由CPU控制将电子开关接通，将18V电压送到中继器Z2。当中继器Z2加电时，由于其后续电缆A处仍处于短路状态，所以Z2的输出电压取样电路获得的是OV电压，于是CPU控制其电子开关保持截止状态。并点亮其故障指示灯，指示出中继器Z2之后的电缆发生了故障。 这样，故障点C之后的网络已经断电而停止工作，而C点之前的中继器Z2截止，Zl及Zl之前的通信电缆则仍保持正常工作状态，实现了电缆短路故障的弱化。中继器Z2处于断尾保护状态后，CPU将继续监测其输出电压。一旦发现电压升高，即短路故障排除，将立即通过控制电路接通电子开关，恢复全系统的正常工作。作为一种改进方案，本发明还可在中继器的输入端连接输入电压取样电路，如图4所示，所述输入电压取样电路还与CPU连接，以使CPU监测输入直流供电电压正常或欠压，并可进一步通过与CPU连接的电源指示灯对供电电压状况加以指示。作为改进，还可在中继器中增加分别与CPU连接的上、下行电平检测电路用于检测上下行信号电平，并通过中继器面板上的LED指示灯显示上述内容。如图5所示，与上行放大器输出端相连的上行电平检测电路为CPU中的A/D变换器提供与上行信号强度相关的直流电压，当测得上行射频电平>某一设定好的阈值时，通过点亮与CPU连接的上行电平指示灯指示上行射频信号的强度；与下行放大器输出端相连的下行电平检测电路为CPU中的A/D变换器提供与下行信号强度相关的直流电压，当测得下行射频电平>阈值某一设定好的阈值时，通过点亮与CPU连接的下行电平指示灯指示下行射频信号的强度。此外，为了使本双向中继器能灵活适应不同的漏泄电缆长度，还在定向耦合器II与中继器输入端之间增加了可变衰减器。本发明提供的双向中继器工作时，能够实现已有的中继器基本功能，来自基台的射频信号通过漏泄电缆从A端进入中继器，经过定向耦合器II耦合到下行放大器输入端，放大后经定向耦合器I从B端耦合到漏泄电缆，引向巷道远端。而由B端来的上行信号则经定向耦合器I耦合到上行放大器输入端，放大后经定向耦合器II从A端通过漏泄电缆送往基台。从而完成了同时放大上、下行两路不同频率的信号的功能。图中虚线部分是其直流供电通道，通过两个扼流电感与交流通道相互隔离，实线部分为射频通道。如图6所示，本双向中继器中CPU的总体控制过程如下
(1)CPU通过输出取样电路监测输出直流电压，当输出直流电压 < 断开临界值，则转入步骤(2)，当输出直流电压>断开临界值时，执行步骤(5)，本例中断开临界值设为9V;
(2)CPU发出信号切断电子开关，并点亮中继器面板上的LED故障指示灯；(3)在电子开关断开状态下,CPU继续监测输出电压，当输出电压升闻时，例如输出电压为IV时，转入步骤(4)，否则继续执行步骤(3)；
(4)CPU发出信号立即接通电子开关，熄灭故障指示灯，恢复全系统的正常工作。(5) CPU通过输入取样电路监测输入直流电压，当输入电压< 12V时，中继器面板上的电源指示灯闪烁，当输入电压> 12V时，电源指示灯常亮。其中12V为中继器最低允许工作电压，该电压值在CPU中预先设定。 (6)CPU通过上、下行电平检测电路获得上、下行射频电平，当下行射频电平彡阈值时，中继器面板上的下行电平指示灯亮起；当上行射频电平>阈值时，中继器面板上的上行电平指不灯売起。
权利要求
1.一种具有自动断尾和恢复功能的双向中继器，包括上行放大器，下行放大器，定向耦合器I，定向耦合器II，与上行放大器连接的上行稳压器和与下行放大器连接的下行稳压器，所述定向耦合器I与下行放大器输入端及上行放大器输出端连接，所述定向耦合器II及上行放大器输入端和下行放大器输出端连接，双向中继器的输入与输出端之间包括直流供电通道，其特征在于还包括输出电压取样电路，CPU，场效应管，控制电路以及与CPU连接的稳压器，输出电压取样电路与中继器输出端连接，所述场效应管设置在中继器的直流通道中，所述CPU与输出电压取样电路连接，CPU与场效应管之间通过控制电路连接。
2.根据权利要求I所述的具有自动断尾和恢复功能的双向中继器，其特征在于还包括输入电压取样电路，所述输入电压取样电路与CPU连接。
3.根据权利要求I所述的具有自动断尾和恢复功能的双向中继器，其特征在于还包括与上行放大器输出端连接的上行电平检测电路，以及与下行放大器输出端连接的下行电平检测电路，所述上行电平检测电路和下行电平检测电路分别与CPU相连接。
4.根据权利要求I 3中任意一项权利要求所述的具有自动断尾和恢复功能的双向中继器，其特征在于还包括与定向耦合器II连接的可变衰减器。
5.根据权利要求I 3中任意一项权利要求所述的具有自动断尾和恢复功能的双向中继器，其特征在于还包括与CPU相连的LED指示灯。
6.根据权利要求5所述的具有自动断尾和恢复功能的双向中继器，其特征在于所述LED指示灯包括故障指示灯，电源指示灯，上行电平指示灯和下行电平指示灯。
7.根据权利要求5或6所述的具有自动断尾和恢复功能的双向中继器的控制方法，其特征在于包括以下步骤 (1)CPU通过输出取样电路监测输出直流电压，当输出直流电压<断尾临界值时，则转入步骤(2)，当输出直流电压彡断开临界值时，则转入步骤(5); (2)CPU发出信号切断电子开关，点亮中继器面板上的故障指示灯； (3)CPU监测输出电压，当输出电压升高时，转入步骤(4)，否则继续执行步骤(3)； (4)CPU发出信号接通电子开关，熄灭中继器面板上的故障指示灯； (5 )CPU通过输入取样电路监测输入直流电压，当输入电压 < 中继器最低允许工作电压时，电源指示灯闪烁，当输入电压>中继器最低允许工作电压时，电源指示灯常亮； (6)CPU通过上、下行电平检测电路获得上、下行射频电平，当下行射频电平>阈值时，中继器面板上的下行电平指示灯亮起；当上行射频电平>阈值时，中继器面板上的上行电平指不灯売起。
全文摘要
本发明提供一种具有自动断尾和恢复功能的双向中继器及其控制方法，通过持续监测输出电压判断后续电缆是否短路，从而控制电子开关，实现自动断开后续电缆及自动恢复功能，并驱动故障报警指示，以达到弱化电缆短路故障的效果。本发明公开的双向中继器，包括上行放大器，下行放大器，定向耦合器Ⅰ，定向耦合器Ⅱ，与上行放大器连接的上行稳压器和与下行放大器连接的下行稳压器，所述定向耦合器Ⅰ与下行放大器输入端及上行放大器输出端连接，所述定向耦合器Ⅱ及上行放大器输入端和下行放大器输出端连接，双向中继器的输入与输出端之间包括直流供电通道，还包括输出电压取样电路，CPU，场效应管，控制电路以及与CPU连接的稳压器。
文档编号H04B7/15GK102664672SQ20121011749
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者何煦春, 余波, 兰宁, 唐永德, 姜军, 沈继三, 艾宁 申请人:南京矿通科技有限公司