嵌入式時(shí)域反射網(wǎng)線測(cè)試儀設(shè)計(jì)

陳 玉

（山西工程科技職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 晉中 030619）

0 引言

五類及六類雙絞線（簡(jiǎn)稱網(wǎng)線）被廣泛應(yīng)用于以太網(wǎng)工程中，是網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)的常用介質(zhì)。因此，以太網(wǎng)工程布線及網(wǎng)絡(luò)維護(hù)都需要對(duì)網(wǎng)線進(jìn)行精確測(cè)量，其中網(wǎng)線的短路和斷路故障是關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目，占網(wǎng)線所有測(cè)試項(xiàng)目的70%左右[1]。

工程中常用的簡(jiǎn)易網(wǎng)線測(cè)試儀通常只能測(cè)試網(wǎng)線的通斷，具體斷在什么位置卻不得而知，因此當(dāng)故障發(fā)生在較長(zhǎng)的網(wǎng)線中時(shí)，人們往往束手無(wú)策。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上也有一些可以定位網(wǎng)線斷路故障位置的網(wǎng)線測(cè)試儀，但這些儀器只能在網(wǎng)線長(zhǎng)度超過(guò)5 m甚至更長(zhǎng)的情況下粗略判斷故障點(diǎn)的位置，同時(shí)這種測(cè)試儀由于設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)陋，其只能測(cè)試斷路而不能測(cè)試短路點(diǎn)故障。一些進(jìn)口品牌的專業(yè)網(wǎng)線測(cè)試儀雖然可以精確定位網(wǎng)線的短路和斷路故障點(diǎn)，但是價(jià)格較高，無(wú)法在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)中推廣普及。因此，本文提出了一種高分辨率、低盲區(qū)的網(wǎng)線測(cè)試儀軟硬件設(shè)計(jì)方案。

1 測(cè)試原理

1.1 時(shí)域反射測(cè)量法

工程上常用的網(wǎng)線時(shí)域反射測(cè)量法主要可分為窄脈沖法和寬脈沖法（階躍法）。

（1）窄脈沖法。窄脈沖法原理：一窄脈沖信號(hào)源在和被測(cè)網(wǎng)線阻抗匹配的前提下，向被測(cè)網(wǎng)線起始端輸入一定幅度的窄脈沖信號(hào)，如果被測(cè)網(wǎng)線有斷路和短路故障點(diǎn)，那么脈沖信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的正負(fù)反射，這樣通過(guò)計(jì)算發(fā)射窄脈沖和反射窄脈沖的尖峰時(shí)間跨度就能計(jì)算出被測(cè)網(wǎng)線的斷路和短路故障點(diǎn)位置，具體見(jiàn)公式（1）。

公式（1）中，L為被測(cè)網(wǎng)線故障點(diǎn)位置，V為窄脈沖信號(hào)在銅質(zhì)網(wǎng)線中的傳播速度（0.66～0.85倍光速），?t為發(fā)射窄脈沖與反射窄脈沖的時(shí)間跨度，該公式實(shí)質(zhì)上是一個(gè)時(shí)間換空間的計(jì)算過(guò)程[2]。受脈沖寬度的影響，被測(cè)電纜較短時(shí)，會(huì)產(chǎn)生發(fā)射脈沖和反射脈沖的重疊，不能單獨(dú)區(qū)分發(fā)射、反射脈沖，從而形成測(cè)量盲區(qū)，脈沖越寬盲區(qū)越大。窄脈沖法的優(yōu)點(diǎn)是可以直觀地觀察到發(fā)射和反射窄脈沖的尖峰點(diǎn)，從而更容易計(jì)算故障點(diǎn)位置。但窄脈沖法也有不少缺點(diǎn)，如窄脈沖含有高頻分量較多，在網(wǎng)線較長(zhǎng)時(shí)，反射窄脈沖的形狀容易變形；而如果所測(cè)試網(wǎng)線為0.1 m時(shí)，需要脈沖的寬度在1 ns以下才不會(huì)產(chǎn)生發(fā)射和反射脈沖的重疊，這極大地增加了軟硬件的設(shè)計(jì)成本和實(shí)現(xiàn)難度。

（2）寬脈沖法。寬脈沖法原理及測(cè)試流程與窄脈沖法類似，不同的是向被測(cè)網(wǎng)線起始端輸入一定幅度的寬脈沖信號(hào)后，如果被測(cè)網(wǎng)線有斷路和短路故障點(diǎn)，那么寬脈沖信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的正負(fù)反射。由于發(fā)射和反射脈沖較寬，所以測(cè)試時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)射和反射脈沖的疊加，此時(shí)通過(guò)計(jì)算發(fā)射和反射寬脈沖的前沿時(shí)間差就能計(jì)算出故障點(diǎn)的位置[3]。寬脈沖法的優(yōu)點(diǎn)是反射寬脈沖持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易產(chǎn)生形狀的畸變，同時(shí)由于該方法是通過(guò)發(fā)射和反射脈沖的前沿計(jì)算時(shí)間差，所以可以測(cè)量0.1 m的長(zhǎng)度，極大降低了測(cè)量盲區(qū)。

1.2 網(wǎng)線測(cè)試儀理論依據(jù)

網(wǎng)線測(cè)試儀的基本指標(biāo)：所測(cè)網(wǎng)線長(zhǎng)度范圍為0.1～150 m，可以同時(shí)測(cè)量短路和斷路故障，因此寬脈沖法為最優(yōu)選擇。依據(jù)公式（1）可知寬脈沖的最低寬度需要3 μs，但考慮到脈沖的前沿陡峭程度，可以將脈沖寬度提升至16 μs，具體原理如下。

（1）網(wǎng)線斷路測(cè)試原理。在網(wǎng)線斷路測(cè)試中，發(fā)射脈沖和反射脈沖是正向疊加在一起的[4]，需要計(jì)算發(fā)射脈沖和反射脈沖前沿產(chǎn)生的時(shí)間差Δt。網(wǎng)線斷路測(cè)試原理如圖1所示。

計(jì)算Δt則需要知道發(fā)射脈沖和反射脈沖前沿的時(shí)間點(diǎn)。借助高速比較器，通過(guò)兩個(gè)采樣電壓（vt和vr）與疊加的發(fā)射和反射脈沖信號(hào)進(jìn)行比較輸出，可確定時(shí)間點(diǎn)。高速比較單元如圖2所示，圖2中的信號(hào)源S為反射疊加信號(hào)。

圖1 斷路測(cè)試

圖2 高速比較單元

（2）網(wǎng)線短路測(cè)試原理。短路測(cè)試中，由于反射脈沖極性為負(fù)，發(fā)射脈沖極性為正，因此二者互相抵消，產(chǎn)生反射脈沖前沿部分消失的情況[5]。短路測(cè)試原理如圖3所示，虛線部分表示反射脈沖前沿部分消失。在這種情況下，無(wú)法直接采用斷路測(cè)試中的采樣電壓比較法，應(yīng)想辦法恢復(fù)反射脈沖前沿部分。采用運(yùn)算放大器的差分放大特性可以有效恢復(fù)反射脈沖的前沿[6]，其中v1是疊加后的脈沖信號(hào)，v2是原始發(fā)射脈沖，vo是運(yùn)算提取后的反射脈沖。差分提取電路如圖4所示，反射脈沖如圖5所示。

圖3 短路測(cè)試

圖4 差分提取電路

圖5 反射脈沖

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）微控制器電路。本設(shè)計(jì)中使用ATmega128A單片微控制器，ATmega128A使用16 MHz時(shí)鐘時(shí)運(yùn)算速度可達(dá)16 MIPS，內(nèi)部有128 kb編程空間且自帶SPI控制接口，該微控制器功耗相對(duì)較低，更適合電池供電的手持設(shè)備[7]。微控制器主要通過(guò)其內(nèi)置程序完成網(wǎng)線測(cè)試儀整機(jī)電路的控制，可以自動(dòng)識(shí)別和測(cè)試網(wǎng)線的斷路和短路故障距離。

（2）時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換電路。測(cè)試儀發(fā)射脈沖和反射脈沖的時(shí)間間隔為納秒級(jí)，采用微控制器無(wú)法計(jì)時(shí)如此短的時(shí)間間隔，為此本設(shè)計(jì)采用了TDC-GP22時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。TDC-GP22芯片最小測(cè)量時(shí)間跨度為45 ps，TDC-GP22通過(guò)程序開啟噪聲位功能，時(shí)間計(jì)時(shí)跨度為0～2.4 μs。脈沖信號(hào)在銅質(zhì)網(wǎng)線中的傳播速度約200 m/μs，因此2.4 μs的時(shí)間跨度可以測(cè)試長(zhǎng)度為240 m的網(wǎng)線，而網(wǎng)線測(cè)試儀最大測(cè)量長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)為150 m，該芯片完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)[8]。

（3）斷路測(cè)試電路。按照公式（1），斷路測(cè)試需要3 μs以上寬度的脈沖，考慮到脈沖的畸變，本設(shè)計(jì)使用ATmega128A微控制器輸出16 μs寬度的測(cè)試脈沖。為了保持測(cè)試脈沖陡峭的前沿，微控制器輸出的脈沖送入高速施密特器件進(jìn)行整形，接著對(duì)整形脈沖進(jìn)行阻抗變換后送入被測(cè)網(wǎng)線的某一線對(duì)，同時(shí)該路脈沖信號(hào)加載到圖2中的比較器C1正端。由于C2的參考電壓高于C1的參考電壓，所以測(cè)試脈沖不會(huì)對(duì)C2造成影響。如果測(cè)試到斷路故障點(diǎn)，反射脈沖會(huì)疊加到發(fā)射脈沖上，如此，反射脈沖會(huì)和C2的參考電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生有效輸出。比較器C1的輸出端連接TDC-GP22的stop1端，比較器C2的輸出連 接TDC-GP22的stop2端，TDC-GP22通 過(guò) 計(jì) 算 兩 個(gè)stop端的時(shí)間差即可精確定位故障點(diǎn)位置。

由于網(wǎng)線本身存在直流電阻消耗，所以反射脈沖的幅度沒(méi)有發(fā)射脈沖高，同時(shí)反射脈沖的上升前沿開始傾斜變緩。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可依據(jù)真實(shí)波形圖，適當(dāng)調(diào)整電壓比較器的參考電壓，使測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。80 m網(wǎng)線終端斷路測(cè)試的實(shí)際測(cè)量波形如圖6所示。

圖6 80 m網(wǎng)線終端斷路測(cè)試的實(shí)際測(cè)量波形

（4）短路測(cè)試電路。短路測(cè)試所用測(cè)試脈沖同開路測(cè)試脈沖，測(cè)試脈沖加載到被測(cè)網(wǎng)線的同時(shí)，也加載到TDC-GP22的stop1端。如果網(wǎng)線有短路故障，那么將發(fā)射脈沖和反射脈沖的疊加信號(hào)加載到圖4差分放大電路的反相端，同相端再加載一路發(fā)射測(cè)試脈沖，差分放大器的輸出端連接TDC-GP22的stop2端，具體計(jì)算過(guò)程同斷路測(cè)試。

因?yàn)闊o(wú)法看到反射脈沖的前沿，所以測(cè)試時(shí)要進(jìn)行差分運(yùn)算處理。發(fā)射和反射脈沖疊加后幅度并沒(méi)有為零，這是因?yàn)榫W(wǎng)線本身的電阻和模擬切換開關(guān)電阻的緣故，不過(guò)這并不影響反射脈沖的提取，只需后續(xù)對(duì)提取的反射脈沖進(jìn)行幅度放大即可。80 m網(wǎng)線終端短路測(cè)試的實(shí)際波形測(cè)量如圖7所示。

圖7 80 m網(wǎng)線終端短路測(cè)試的實(shí)際測(cè)量波形

2.2 軟件設(shè)計(jì)

（1）微控制器程序要點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中微控制器程序使用C語(yǔ)言編寫，所用編譯軟件為CodeVisionAVR軟件，該編譯軟件界面簡(jiǎn)潔，且編譯生成的代碼緊湊、執(zhí)行效率高。由于采用C語(yǔ)言代碼，所以微控制器程序語(yǔ)句更應(yīng)匹配硬件執(zhí)行時(shí)序。例如TDC-GP22芯片在進(jìn)行stop1與stop2之間時(shí)間差的計(jì)算時(shí)，需要先給start引腳一個(gè)開始信號(hào)，而微控制器程序語(yǔ)句一旦給了start引腳開始信號(hào)后就不能再插入任何語(yǔ)句。因?yàn)閟top1與stop2之間最長(zhǎng)時(shí)間間隔為2.4 μs，使用16 MHz時(shí)鐘微控制器的每一條C語(yǔ)句最少要占用1 μs以上時(shí)間，所以一旦插入多余語(yǔ)句，TDCGP22將缺少運(yùn)行時(shí)間。

（2）TDC-GP22芯片編程 要 點(diǎn)。TDC-GP22芯 片 編程是網(wǎng)線測(cè)試儀設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)。TDC-GP22芯片主要是通過(guò)SPI接口協(xié)議和微控制器程序進(jìn)行對(duì)接，由于ATmega128A自帶SPI協(xié)議接口，所以二者更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)接。TDC-GP22芯片編程的難點(diǎn)主要是SPI協(xié)議與微控制器間的數(shù)據(jù)互傳及TDC-GP22內(nèi)部7個(gè)可配置寄存器的編程。

TDC-GP22芯片內(nèi)部共有7個(gè)可編程寄存器，其中每個(gè)寄存器只有高24位可以進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入操作，TDC-GP22的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果存放在可讀寄存器中，微控制器通過(guò)發(fā)送操作碼0xBX進(jìn)行相應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)的讀取，下面示例代碼為7個(gè)可編程寄存器的相應(yīng)配置數(shù)據(jù)。

微控制器和TDC-GP22芯片按照SPI協(xié)議進(jìn)行正確數(shù)據(jù)通信時(shí)，必須保證相互間的數(shù)據(jù)循環(huán)移位，如下函數(shù)代碼演示了數(shù)據(jù)的具體循環(huán)移位：

上述函數(shù)的功能為讀取TDC-GP22中寄存器的一個(gè)字節(jié)，函數(shù)中的語(yǔ)句SPDR=0xFF功能為每次假寫一次微控制器SPDR寄存器。假寫該寄存器的目的是滿足SPI協(xié)議要求，促使微控制器和TDC-GP22芯片二者寄存器中數(shù)據(jù)的循環(huán)移位。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用線纜為正規(guī)以太網(wǎng)五類非屏蔽雙絞線，測(cè)試對(duì)比設(shè)備為福祿克公司的FLUKE CableIQ網(wǎng)線測(cè)試儀，福祿克網(wǎng)線測(cè)試設(shè)備是行業(yè)標(biāo)桿產(chǎn)品，測(cè)試數(shù)據(jù)可信，測(cè)試項(xiàng)目主要是網(wǎng)線的斷路和短路。測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比 （單位：m）

由表1可知，本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)線測(cè)試儀誤差在±10%之內(nèi)，這個(gè)誤差與FLUKE CableIQ的技術(shù)指標(biāo)基本接近。

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)線測(cè)試儀由于整體器件進(jìn)行了優(yōu)化選型，所以整機(jī)功耗相對(duì)較低，最大工作電流為60 mA左右，而FLUKE CableIQ網(wǎng)線測(cè)試儀整機(jī)功耗最低要150 mA電流。由于網(wǎng)線測(cè)試儀是電池供電的手持設(shè)備，功耗越低，工作時(shí)間越長(zhǎng)，所以本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)線測(cè)試儀工作時(shí)長(zhǎng)更優(yōu)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)線測(cè)試儀利用時(shí)域反射測(cè)量原理最小可測(cè)量長(zhǎng)度為0.1 m網(wǎng)線，且網(wǎng)線測(cè)試儀不僅可以精確測(cè)量網(wǎng)線的斷路故障，還可以準(zhǔn)確測(cè)量網(wǎng)線的短路故障點(diǎn)距離，解決了網(wǎng)線測(cè)試中70%的難題，而網(wǎng)線測(cè)試儀硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，較低的工作功耗使其更適合手持使用[9]。

網(wǎng)線測(cè)試儀在軟硬件功能方面還有不少可改進(jìn)的余地，比如可以增加網(wǎng)線測(cè)試儀的鏈路脈沖信號(hào)測(cè)試功能，讓網(wǎng)線測(cè)試儀擁有網(wǎng)絡(luò)對(duì)線功能等，還可以繼續(xù)優(yōu)化微控制器軟件程序，進(jìn)一步提升測(cè)試精確度。