本发明涉及电话线路故障监测技术领域，尤其涉及一种电话线路故障监测系统及监测方法。
背景技术：
电话线路的一端连接交换机，另一端连接电话机。电话线路由两条传输模拟信号的信号线组成，即正极线和负极线。当交换机侧的正极线连接电话机的正极线，且交换机侧的负极线连接电话机的负极线时，称为正向连接；当交换机侧的正极线连接电话机的负极线，且交换机侧的负极线连接电话机的正极线时，称为反向连接。不论正向连接还是反向连接，电话都能够正常使用。
电话线路上存在多种状态，包括交换机向终端发出铃流信号时的振铃状态、通话时的正向摘机状态(正向连接时的摘机状态)、通话时的反向摘机状态(反向连接时的摘机状态)、固定电话未使用时的挂机状态、以及电话线路出现故障时的短路状态、开路状态等。
目前，通常采用的对电话线路进行故障检测的方式，为定时或人工干预的方式，但是这种故障检测方式需要短时中断终端通信，即，一则不能实现对线路故障检测的实时性，二则影响用户的正常通信，灵活性不高。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种电话线路故障监测系统及监测方法，实时地对电话线路的状态进行监测，并在发现故障时，判断故障类型，并发出报警信号以提醒维护人员进行对应检修，实用性好，灵活性高。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一方面，本发明提供一种电话线路故障监测系统，包括，极性检测电路，极性倒换电路，振铃检测电路，摘挂机检测电路，信号采样电路，控制器；
摘挂机检测电路分别连接于极性倒换电路和信号采样电路；
控制器分别连接于极性检测电路，极性倒换电路，振铃检测电路，摘挂机检测电路，信号采样电路。
进一步地，还包括防雷保护电路，防雷保护电路与信号采样电路连接。
进一步地，极性检测电路包括，极性比较器，用于检测线路极性，并将极性检测信号发送至控制器；
极性倒换电路包括，极性切换单元和切换驱动单元，控制器根据极性检测信号，控制切换驱动单元驱动极性切换单元执行极性切换；其中，极性切换单元为闭锁型继电器，切换驱动单元为H型驱动电路；
振铃检测电路包括，铃流检测单元，检测线路铃流信号，并将铃流检测信号发送至控制器，用于供控制器进行线路状态判断；
摘挂机检测电路包括，线路电压检测单元和线路电流检测单元，线路电压检测单元用于检测线路电压信号，线路电流检测单元用于检测线路电流信号，电压检测信号和电流检测信号用于供所述控制器进行摘挂机判断；
信号采样电路，包括电流采样单元和电压采样单元，电流采样单元用于对线路电流进行采样，电压采样单元用于对线路电压进行采样，采样获得的线路电流数据和线路电压数据用于供控制器进行线路状态分析以及线路故障判断。
进一步地，还包括接口电路，接口电路用于向控制器输入控制指令，和/ 或，接收控制器输出的控制指令或信息，且接口电路包括，串行通信接口，键盘，LED指示灯，BUZ蜂鸣器。
进一步地，还包括用于提供电源的电源模块电路，且电源模块电路包括，可充电电池，充电控制单元，电源电压检测单元，电源变换单元；其中，可充电电池用于经过电源变换后进行供电，充电控制单元用于在可充电电池进行充电时进行充电控制，电源电压检测单元用于检测可充电电池的电池电压，电池电压检测信号用于供控制器进行电池状态报警判断。
进一步地，线路状态包括，振铃状态，手柄摘机状态，免提摘机状态，挂机状态，脱机状态，进线断线状态；线路故障包括，线路开路，线路短路，线路漏电，线路严重漏电，终端非正常并机。
另一方面，本发明提供一种电话线路故障监测方法，包括，
系统学习步骤，采集单机正常使用时，摘机和挂机状态下的电流值、电压值，以及采集正常并机使用时，摘机和挂机状态下的电流值、电压值，并将所采集的数据进行处理以获得基准数据集；
采样步骤，以预设的采样方式采样获取线路电压数据和/或线路电流数据；
数据处理步骤，对线路电压数据和线路电流数据进行滤波处理；
故障监测步骤，根据基准数据集以及，根据滤波后的线路电压数据和线路电流数据对线路状态进行判断，并在出现线路故障时，通过接口发出相应报警信号。
进一步地，数据处理步骤具体包括，对线路电压数据和线路电流数据，采用数字滤波方法进行数字滤波，且在进行滤波处理中自适应地调节滤波系数，且将设定时间长度内的滤波后的电压数据和电流数据进行二次防干扰处理。
进一步地，数据处理步骤的滤波方式为，一阶滤波，或多阶滤波，或DSP 频谱分析滤波。
进一步地，线路状态包括，振铃状态，手柄摘机状态，免提摘机状态，挂机状态，脱机状态，进线断线状态；线路故障包括，线路开路，线路短路，线路漏电，线路严重漏电，终端非正常并机。
本发明提供的电话线路故障监测系统及监测方法，实时地对电话线路的状态进行监测，并在发现故障时，判断故障类型，并发出报警信号以提醒维护人员进行对应检修，实用性好，灵活性高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电话线路故障监测系统的应用示意图；
图2是本发明实施例提供的电话线路故障监测系统的框图；
图3是本发明实施例提供的极性检测电路的结构原理示意图；
图4是本发明实施例提供的极性倒换电路的结构原理示意图；
图5是本发明实施例提供的振铃检测电路的结构原理示意图；
图6是本发明实施例提供的摘挂机检测电路的结构原理示意图；
图7是本发明实施例提供的信号采样电路的结构原理示意图；
图8是本发明实施例提供的电话线路故障监测系统的另一框图；
图9是本发明实施例提供的电源模块电路的结构原理示意图；
图10是本发明实施例提供的电话线路故障监测方法的流程图；
图11是本发明实施例提供的一阶滤波流程图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例一
结合图1，本实施例提供的电话线路故障监测系统200，设置于交换机100 与电话机300之间，用于对连接到终端的电话线路进行故障监测。且如图2所示地，电话线路故障监测系统200，包括，极性检测电路1，极性倒换电路2，振铃检测电路3，摘挂机检测电路4，信号采样电路5，控制器6；
摘挂机检测电路4分别连接于极性倒换电路2和信号采样电路5；
控制器6分别连接于极性检测电路1，极性倒换电路2，振铃检测电路3，摘挂机检测电路4，信号采样电路5。
本实施例提供的电话线路故障监测系统200，实时地对电话线路的状态进行监测，并在发现故障时，判断故障类型，并发出报警信号以提醒维护人员进行对应检修，实用性好，灵活性高。
需要说明的是，本实施例中，通过实时监测接入电话线两端的DC(直流) 电压值和DC环路电流值，测量和记录线路及电话机300的正常使用状态的参数值(测量值)，测量和计算电话线上当前的每一参数值(计算值)、参数的偏差值，按预定函数处理的计算值及偏差值，以自适应处理方式，修正线路参数值的缓慢变化所产生的非错误偏移。将每一新测量值与当前的计算值及偏差值作比较，当一新的测量值超过从当前的计算值及偏差值超出设定范围值时，通过比较和分析检测的参数是否发生变化，结合线路当时所处于的状态条件，作出对应事件判断。
另外，在线路中传输的信令和信号将无损地通过系统，对电话机300的使用不会造成影响。系统通过学习功能，可记录下电话机300在手柄摘机、免提摘机时的正常线电压、待机时的漏电流等参数，作为比较的基础参数，同时考虑了话机和线路因环境因素影响，参数会相应缓慢的变化，自动作出修正相关的偏差值参数。
当电话机300待机或线路开路时，电话线的电压较高，由于线路及终端存在一定的漏电流，电流、电压采样电路通过滤波、采样、放大处理后，其值提供给MCU(即，控制器6)进行对比和分析，做出对应的待机漏电流事件判断。
当用户摘机或线路短路时，同样线路电压会产生明显的变化，线路直流电流较大，摘机或线路短路时线路电压较低，系统实时监测线路电压的变化，MCU 通过对比和分析即可侦测出异常情况。
系统接入电话线路后，自动检测当前话线接入方式，判断是否反极性，若线路反极性，则MCU通过极性倒换电路2，将输入线路在系统内部进行翻转，确保检测系统正常工作。电路正常工作后，需人工干预进行“学习”过程，目的就是取得线路和终端(即，电话机300)在正常情况下各种状态的参数，包括学习当前话机通话告警门限、待机漏电流告警门限和铃流周期设置，为系统工作时正常判断各事件设定判断标准。
当使用锂电池时，为减小系统功耗，MCU一般处于低速扫描工作模式。当系统检测到摘机信号、振铃信号、接口接收到指令或者有按键动作时，触发MCU 都处于高速模式，处理当前事件；正常情况下，定时唤醒MCU进入高速模式。
优选地，还包括防雷保护电路，防雷保护电路与信号采样电路5连接。
进一步优选地，极性检测电路1包括，极性比较器，用于检测线路极性，并将极性检测信号发送至控制器6中；如图3所示地，极性检测电路1主要由极性比较器组成，主要作用为，对电话线接入极性检测，该电路目的是保证线路电流值/电压值采样电路的被检测电压和电流极性正确。其作用是检测线路接进系统与否和接进系统时的极性。一旦电话线接入出现相反极性情况，该极性检测电路1立即输出一低电平信号POP＝1,图3中，a和b为进线端。
极性倒换电路2包括，极性切换单元和切换驱动单元，控制器6根据极性检测信号，控制切换驱动单元，驱动极性切换单元执行极性切换；其中，极性切换单元为闭锁型继电器，切换驱动单元为H型驱动电路；如图4所示地，本实施例中，极性倒换电路2由极性切换单元和切换驱动单元组成。极性倒换电路2受MCU的RERL1和RERL2控制。极性切换采用了闭锁型继电器，电话线极性倒换主要通过继电器实现；切换驱动采用常规的H型驱动电路，控制继电器实施切换，由MCU通过RERL1和RERL2两个信号控制切换。正常工作时，MCU 已记录当前了线路极性状态，MCU的输出RERL1和RERL2均为1；当POD为1 时，经MCU分析处理后，需要切换动作时，MCU控制RERL1和RERL2输出与当前状态相反的电平(01或10)，使继电器翻转，完成倒转线路极性。需要注意的是RERL1和RERL2不能同时输出0，否则继电器电源将对地短路。MCU切换控制逻辑见表1。
振铃检测电路3包括，铃流检测单元，检测线路铃流信号，并将铃流检测信号发送至控制器，用于供控制器进行线路状态判断；如图5所示地，振铃检测电路3主要由铃流检测单元组成，其输出信号为RDET。当接收到线路铃流交流信号时，该铃流检测信号经铃流检测单元电路内部隔直耦合，输入到铃流检测单元，铃流检测单元输出与铃流检测信号相应的直流脉动电平信号。即线路出现铃流检测信号时，RDET为脉动高电平(例如，1)，无铃时RDET为0。
表1控制逻辑表
摘挂机检测电路4包括，线路电压检测单元和线路电流检测单元，线路电压检测单元用于检测线路门限电压信号，线路电流检测单元用于检测线路门限电流信号，电压信号和电流信号用于供控制器6进行摘挂机判断；如图6所示地，摘挂机检测电路4由线路电压检测单元和线路电流检测单元两部分电路组成，线路a'和b'为内部经极性倒换后的正向线路，a'为正端；a”和b'为线路出线端，接用户终端。
其中，线路电压检测单元检测摘挂机状态：待机时线路电压高(一般在 22V～64V)，高于设定的门限电压值，开关电路导通，LDET输出端为0；用户终端正常摘机时的线路电压低(线路电压一般低于15V)，开关电路截止，LDET 端输出为1，即摘机信号为1。MCU通过LDET状态判断是否有摘挂机动作，若 LDET无摘机信号则终端处于待机状态，若LDET有摘机信号则系统判断摘机状态。
线路电流检测单元可检测摘机状态：利用设定摘机电流门限值，在待机状态下，其漏电流很小，而摘机状态下的线路电流大的特征。当用户摘机时，线路电流大于电流门限值，开关电路导通，HDF输出端为1；待机状态下，输出0。
MCU通过检测LDET和HDF端口，可准确判断出摘挂机终端状态，作为MCU 分析和和处理线路状态的依据。
信号采样电路5，包括电流采样单元和电压采样单元，电流采样单元用于对线路电流进行采样，电压采样单元用于对线路电压进行采样，采样获得的线路电流数据和线路电压数据用于供控制器6进行线路状态分析以及线路故障判断。如图7所示地，LDET、PWEN为采样控制输入端，AADJ为切换检测电流范围档位控制输入端，均由MCU控制；VOX为摘机线路电压值采样输出端，Iout为电流值采样输出端，两个输出分别接到MCU的AD变换的输入端。
摘机时电压检测：电路中LDET既作为检测摘机信号，也作为检测使能信号。摘机后LDET输出高电平，启动电压采样电路，VOX输出摘机后检测的线路电压。同一话机在免提摘机和手柄摘机状态下线路电压有所差别(一般免提摘机线电压较高，手柄摘机较低)，MCU通过读取VOX输出的AD值，与记录的正常摘机状态的AD值比较和分析，即可判断用户终端是否正常摘机或线路短路故障。
进线端线路未接或脱机时，由于进线线路电压为0，LDET会输出高电平，而HDF持续输出低电平，脱机时由于线路没有电压，所以VOX输出为0，MCU 可判断当前为脱机状态或者进线断线状态。
待机时漏电流检测：电流检测Iout主要用于待机时的漏电流检测。应用一高精度的电流检测放大器，将检测的电流信号线性变换成电压信号，该放大器具有耐高压、微电流、高精度等优点，线路电流经滤波、放大、电流取样后，输出到MCU的AD端口。
待机时线路电流小，主要为话机本身产生的漏电流及线路漏电流的总和，该电流信号包含直流电流信号、干扰信号和噪声信号。经扫描、滤波、放大、采样后输出，输入到MCU精确读取AD值。通过学习，MCU可以学得当前话机正常使用时的漏电流，记录、保存Iout输出AD值。系统待机状态时，MCU定时进入高速模式，读取Iout的AD值，若AD值发生较大突变，则MCU标识“异常”警示，记录事件和事件持续时间。
当前软件实际运行方式为：摘机、待机状态下，MCU监测Iout和VOX为8ms 取样一次，连续16个数据为一组，滤除最大、最小值后取平均值作为当前Iout 和VOX的AD值，与学习到的标准值进行比较，分析是否为异常状态。按目前的处理方法，检测电路Iout可实现5μA测量精度，测量范围为5μA～200μA。
系统能自适应反馈电话机300的漏电流特性以及环境变化时，话机及线路漏电流会相应缓慢变化的特性。常用的免电电话机300在待机时，周期性从线路馈电，以保持话机正常工作。电话机300取电瞬间线路电流较大，此时Iout 输出呈周期性满档特性，需要对取电期间的Iout值作排除处理；取电间歇期间线路电流很小，对正常的话机和线路漏电流进行分析处理，当使用环境变化时话机漏电流也会出现缓慢变化。为适应以上情况，除对Iout输出信号实时硬件滤波处理措施外，还需要大数判定法和一阶软件滤波的软件以处理。
进一步优选地，如图8所示地，还包括接口电路，接口电路用于向控制器 6输入控制指令，和/或，接收控制器6的控制指令，且接口电路包括，串行通信接口，键盘，LED指示灯，BUZ蜂鸣器。需要说明的还是，接口电路可以根据实际需要进行扩展，本实施例不作具体限定。
进一步地，如图9所示地，还包括用于提供电源的电源模块电路7，且电源模块电路7包括，可充电电池，充电控制单元，电源电压检测单元，电源变换单元；其中，可充电电池用于经过电源变换后进行供电，充电控制单元用于在可充电电池进行充电时进行充电控制，电源电压检测单元用于检测可充电电池的电池电压，电池电压检测信号用于供控制器6进行电池状态报警判断。本实施例中，线路电压检测单元检测锂电池的电池电压，当电池电压值低于设定值时，BATDET输出一高电平，MCU读到BATDET＝1，MCU发出锂电池低压报警。
具体地，线路状态包括，振铃状态，手柄摘机状态，免提摘机状态，挂机状态，脱机状态，进线断线状态；线路故障包括，线路开路，线路短路，线路漏电，线路严重漏电，终端非正常并机。
实施例二
结合图10，本实施例提供一种电话线路故障监测方法，应用于实施例一中的系统，方法包括，
系统学习步骤S1，采集单机正常使用时，摘机和挂机状态下的电流值、电压值，以及采集正常并机使用时，摘机和挂机状态下的电流值、电压值，并将所采集的数据进行处理以获得基准数据集；
采样步骤S2，以预设的采样方式采样获取线路电压数据和/或线路电流数据；
数据处理步骤S3，对线路电压数据和线路电流数据进行滤波处理；
故障监测步骤S4，根据基准数据集以及，根据滤波后的线路电压数据和线路电流数据对线路状态进行判断，并在出现线路故障时，通过接口发出相应报警信号。
本实施例中，学习：系统安装后或重新校验正常线路时，使系统进入“学习”状态，通过与用户终端互动，用户终端在不同的使用状态下，采集话机和线路在摘机和挂机状态下正常的电流值和电压值，采集并机使用时摘机和挂机状态下正常的电流电压值，保存所采集到的数据，作为系统在正常工作时采集到的数据进行分析判断和比较的基准；
扫描和采样：采用8ms定时中断方式，即每8ms对VOX和Iout进行一次扫描，通过AD口对其信号数据采样；同样，每8ms同步扫描各模块电路的输入端口，读取各端口的输入状态。
信号数据分析和处理：软件滤波，采用一阶或多阶滤波算法；或者采用DSP 频谱分析算法。目的就是将采集到的模拟电压和电流信号数字化后，该信号中含有各种干扰和音频交流信号，需要对其进行软件滤波处理，得到精确的直流信号数值。
数据存储：需要划分暂存区和存储区，分别暂存处理过程的数据和存储目标数据。存储线路故障出现的持续时间段、故障事件和标识等报警数据信息。
数据处理步骤S3具体包括，对线路电压数据和线路电流数据，采用数字滤波方法进行数字滤波，且在进行滤波处理中自适应地调节滤波系数，且将设定时间长度内的滤波后的电压数据和电流数据进行二次防干扰处理。具体地，采样周期为8ms，且采样方式为定时中断方式。且更加具体地，采用大数判别法、偏差补偿法对滤波后的数据进行二次防干扰处理。需要说明的是，数字滤波处理方法(例如，一阶滤波，或多阶滤波，或DSP频谱分析滤波方法)可滤除线路中大部分的音频、信令及干扰信号，但对于一些离散的、瞬态的、随机的干扰信号，滤波处理方法的滤波能力有限，故而，继续对设定时间长度内的滤波后的数据进行二次防干扰处理，进一步滤除干扰，弥补数字滤波处理的缺陷，提高滤波精度。
本实施例中，应用的数据采样频率是每8ms进行一次采样，一组连续采样 160毫秒(暂定160毫秒时长)，则采样次数有CAIYANG_NUM＝160/8＝20次，经大数判别(每组采样都是连续20次AD采样数值，去掉4个最大值，去掉4 个最小值，求取剩下12个数值的处理值作为本组当前的数值)处理后，获得 Ti。此外，得出的Ti、T(i-1)值分别与Tx及T0值比较，如果当前检测数据超出设定的允许变化范围，则异常状态计数器加一，同时非异常状态计数器清零处理，则认为当前处于疑似异常状态。
当前检测的数据超出设定的允许变化范围后，进入线路短路或开路故障状态判别处理，为了排除干扰信号影响，将设定持续时间长度内的疑似异常状态判断为异常状态，即表示线路出现故障。
表2判断条件与判断结果关系对照表
异常状态的判别方法：当前测量的待机电流和摘机电压数值分别与“学习”数值，以及上一组的测量数值比较，超出设定的阀值时，表示线路处于疑似异常状态，还需要根据当前的线路工作状态，进行判断线路短路还是短路状态，判断条件与结果的关系见表2。
表2中，T0为“学习”的数值(包括“学习”的待机漏电流值I0和摘机电流值Iz0、或“学习”的摘机电压值V0)；
Tx为自适应处理修正值(包括处理后的待机漏电流值Ix和摘机电流值Izx、或处理后的摘机电压值Vx)；
Ti为当前测量数值(包括检测的待机漏电流值Ii和摘机电流值Izi、或检测的摘机电压值Vi)；
T(i-1)为上一次测量数值(同理包括上次检测的待机漏电流值△I和摘机电流值△Iz、或摘机电压值)；
△T为设定异常时的阀值(同理包括设定的待机漏电流阀值△I和摘机电流阀值△Iz、或摘机电压阀值△V)；
本实施例中，当︱T0-Ti︱≥△T和︱Tx–Ti︱≥△T则认为当前出现异常状态。
进一步地，数据处理步骤的滤波方式为，一阶滤波，或多阶滤波，或DSP 频谱分析滤波。需要说明的是，本实施例不对数字滤波的具体方式进行限定，可以结合实际情况进行选取。此外，需要说明的是，一阶滤波，又叫一阶惯性滤波或一阶低通滤波。一阶低通滤波的算法公式为：Y(n)＝αX(n)(1-α)Y(n-1) 式中：α为滤波系数；X(n)为本次采样值；Y(n-1)为上次滤波输出值；Y(n)为本次滤波输出值。一阶低通滤波法采用本次采样值与上次滤波输出值进行加权，得到有效滤波值，使得输出对输入有反馈作用。
本实施例中，采用一阶滤波方式进行滤波处理，且在进行滤波处理的过程中，自适应地调整一阶滤波系数，以提高滤波精度。具体地，调整一阶滤波系数的算法，如图11所示，
1)当数据快速变化时，滤波结果能及时跟进，也就是灵敏度优先；并且数据变化越快，灵敏度应该越高。
2)当数据趋于稳定，并在一个固定的点上下振荡时(AD参考电源的稳定，线路上信号的稳定)，滤波结果趋于平稳，也就是平稳度优先考虑；
3)当数据稳定后，滤波结果能逼近最终等于采样数据。
且在进行调整之前，我们需要先进行以下判断；
数据变化是否朝向同一个方向(比如，当连续两次的采样值都比其上次滤波结果大，视为变化方向一致，否则视为不一致)；
数据变化是否较快(主要是判断采样值和上次滤波结果之间的差值)。
调整后原理如下解释：当两次数据变化方向不一致时，说明有抖动，将滤波系数清零，忽略本次新采样值；当数据持续向一个方向变化时，逐渐提高滤波系数，提过本次新采样值的权；当数据变化较快(差值>消抖技术加速反应阈值)时，要加速提高滤波系数。
本实施例中，系统能够正确感知线路和终端的工作状态，并依据这些已感知的工作状态及检测信号，通过硬件的信号处理和软件的数据处理，正确判断出线路故障状态，发出相应的报警信号。
具体地，线路状态包括，振铃状态，手柄摘机状态，免提摘机状态，挂机状态，脱机状态，进线断线状态；线路故障包括，线路开路，线路短路，线路漏电，线路严重漏电，终端非正常并机。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。