嵌入式時域反射網線測試儀設計

陳 玉

（山西工程科技職業大學 信息工程學院，山西 晉中 030619）

0 引言

五類及六類雙絞線（簡稱網線）被廣泛應用于以太網工程中，是網絡傳輸信號的常用介質。因此，以太網工程布線及網絡維護都需要對網線進行精確測量，其中網線的短路和斷路故障是關鍵測試項目，占網線所有測試項目的70%左右[1]。

工程中常用的簡易網線測試儀通常只能測試網線的通斷，具體斷在什么位置卻不得而知，因此當故障發生在較長的網線中時，人們往往束手無策。目前，國內市場上也有一些可以定位網線斷路故障位置的網線測試儀，但這些儀器只能在網線長度超過5 m甚至更長的情況下粗略判斷故障點的位置，同時這種測試儀由于設計原理簡陋，其只能測試斷路而不能測試短路點故障。一些進口品牌的專業網線測試儀雖然可以精確定位網線的短路和斷路故障點，但是價格較高，無法在網絡維護中推廣普及。因此，本文提出了一種高分辨率、低盲區的網線測試儀軟硬件設計方案。

1 測試原理

1.1 時域反射測量法

工程上常用的網線時域反射測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：一窄脈沖信號源在和被測網線阻抗匹配的前提下，向被測網線起始端輸入一定幅度的窄脈沖信號，如果被測網線有斷路和短路故障點，那么脈沖信號就會產生相應的正負反射，這樣通過計算發射窄脈沖和反射窄脈沖的尖峰時間跨度就能計算出被測網線的斷路和短路故障點位置，具體見公式（1）。

公式（1）中，L為被測網線故障點位置，V為窄脈沖信號在銅質網線中的傳播速度（0.66～0.85倍光速），?t為發射窄脈沖與反射窄脈沖的時間跨度，該公式實質上是一個時間換空間的計算過程[2]。受脈沖寬度的影響，被測電纜較短時，會產生發射脈沖和反射脈沖的重疊，不能單獨區分發射、反射脈沖，從而形成測量盲區，脈沖越寬盲區越大。窄脈沖法的優點是可以直觀地觀察到發射和反射窄脈沖的尖峰點，從而更容易計算故障點位置。但窄脈沖法也有不少缺點，如窄脈沖含有高頻分量較多，在網線較長時，反射窄脈沖的形狀容易變形；而如果所測試網線為0.1 m時，需要脈沖的寬度在1 ns以下才不會產生發射和反射脈沖的重疊，這極大地增加了軟硬件的設計成本和實現難度。

（2）寬脈沖法。寬脈沖法原理及測試流程與窄脈沖法類似，不同的是向被測網線起始端輸入一定幅度的寬脈沖信號后，如果被測網線有斷路和短路故障點，那么寬脈沖信號就會產生相應的正負反射。由于發射和反射脈沖較寬，所以測試時會產生發射和反射脈沖的疊加，此時通過計算發射和反射寬脈沖的前沿時間差就能計算出故障點的位置[3]。寬脈沖法的優點是反射寬脈沖持續時間長，不易產生形狀的畸變，同時由于該方法是通過發射和反射脈沖的前沿計算時間差，所以可以測量0.1 m的長度，極大降低了測量盲區。

1.2 網線測試儀理論依據

網線測試儀的基本指標：所測網線長度范圍為0.1～150 m，可以同時測量短路和斷路故障，因此寬脈沖法為最優選擇。依據公式（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）網線斷路測試原理。在網線斷路測試中，發射脈沖和反射脈沖是正向疊加在一起的[4]，需要計算發射脈沖和反射脈沖前沿產生的時間差Δt。網線斷路測試原理如圖1所示。

計算Δt則需要知道發射脈沖和反射脈沖前沿的時間點。借助高速比較器，通過兩個采樣電壓（vt和vr）與疊加的發射和反射脈沖信號進行比較輸出，可確定時間點。高速比較單元如圖2所示，圖2中的信號源S為反射疊加信號。

圖1 斷路測試

圖2 高速比較單元

（2）網線短路測試原理。短路測試中，由于反射脈沖極性為負，發射脈沖極性為正，因此二者互相抵消，產生反射脈沖前沿部分消失的情況[5]。短路測試原理如圖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，無法直接采用斷路測試中的采樣電壓比較法，應想辦法恢復反射脈沖前沿部分。采用運算放大器的差分放大特性可以有效恢復反射脈沖的前沿[6]，其中v1是疊加后的脈沖信號，v2是原始發射脈沖，vo是運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 短路測試

圖4 差分提取電路

圖5 反射脈沖

2 軟硬件設計

2.1 硬件設計

（1）微控制器電路。本設計中使用ATmega128A單片微控制器，ATmega128A使用16 MHz時鐘時運算速度可達16 MIPS，內部有128 kb編程空間且自帶SPI控制接口，該微控制器功耗相對較低，更適合電池供電的手持設備[7]。微控制器主要通過其內置程序完成網線測試儀整機電路的控制，可以自動識別和測試網線的斷路和短路故障距離。

（2）時間數字轉換電路。測試儀發射脈沖和反射脈沖的時間間隔為納秒級，采用微控制器無法計時如此短的時間間隔，為此本設計采用了TDC-GP22時間數字轉換芯片。TDC-GP22芯片最小測量時間跨度為45 ps，TDC-GP22通過程序開啟噪聲位功能，時間計時跨度為0～2.4 μs。脈沖信號在銅質網線中的傳播速度約200 m/μs，因此2.4 μs的時間跨度可以測試長度為240 m的網線，而網線測試儀最大測量長度的設計指標為150 m，該芯片完全滿足設計指標[8]。

（3）斷路測試電路。按照公式（1），斷路測試需要3 μs以上寬度的脈沖，考慮到脈沖的畸變，本設計使用ATmega128A微控制器輸出16 μs寬度的測試脈沖。為了保持測試脈沖陡峭的前沿，微控制器輸出的脈沖送入高速施密特器件進行整形，接著對整形脈沖進行阻抗變換后送入被測網線的某一線對，同時該路脈沖信號加載到圖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，所以測試脈沖不會對C2造成影響。如果測試到斷路故障點，反射脈沖會疊加到發射脈沖上，如此，反射脈沖會和C2的參考電壓進行比較，產生有效輸出。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 計 算 兩 個stop端的時間差即可精確定位故障點位置。

由于網線本身存在直流電阻消耗，所以反射脈沖的幅度沒有發射脈沖高，同時反射脈沖的上升前沿開始傾斜變緩。實際設計時可依據真實波形圖，適當調整電壓比較器的參考電壓，使測量數據更加準確可靠。80 m網線終端斷路測試的實際測量波形如圖6所示。

圖6 80 m網線終端斷路測試的實際測量波形

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

因為無法看到反射脈沖的前沿，所以測試時要進行差分運算處理。發射和反射脈沖疊加后幅度并沒有為零，這是因為網線本身的電阻和模擬切換開關電阻的緣故，不過這并不影響反射脈沖的提取，只需后續對提取的反射脈沖進行幅度放大即可。80 m網線終端短路測試的實際波形測量如圖7所示。

圖7 80 m網線終端短路測試的實際測量波形

2.2 軟件設計

（1）微控制器程序要點。本設計中微控制器程序使用C語言編寫，所用編譯軟件為CodeVisionAVR軟件，該編譯軟件界面簡潔，且編譯生成的代碼緊湊、執行效率高。由于采用C語言代碼，所以微控制器程序語句更應匹配硬件執行時序。例如TDC-GP22芯片在進行stop1與stop2之間時間差的計算時，需要先給start引腳一個開始信號，而微控制器程序語句一旦給了start引腳開始信號后就不能再插入任何語句。因為stop1與stop2之間最長時間間隔為2.4 μs，使用16 MHz時鐘微控制器的每一條C語句最少要占用1 μs以上時間，所以一旦插入多余語句，TDCGP22將缺少運行時間。

（2）TDC-GP22芯片編程 要 點。TDC-GP22芯 片 編程是網線測試儀設計中的核心環節。TDC-GP22芯片主要是通過SPI接口協議和微控制器程序進行對接，由于ATmega128A自帶SPI協議接口，所以二者更容易實現對接。TDC-GP22芯片編程的難點主要是SPI協議與微控制器間的數據互傳及TDC-GP22內部7個可配置寄存器的編程。

TDC-GP22芯片內部共有7個可編程寄存器，其中每個寄存器只有高24位可以進行數據寫入操作，TDC-GP22的測量數據結果存放在可讀寄存器中，微控制器通過發送操作碼0xBX進行相應結果數據的讀取，下面示例代碼為7個可編程寄存器的相應配置數據。

微控制器和TDC-GP22芯片按照SPI協議進行正確數據通信時，必須保證相互間的數據循環移位，如下函數代碼演示了數據的具體循環移位：

上述函數的功能為讀取TDC-GP22中寄存器的一個字節，函數中的語句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協議要求，促使微控制器和TDC-GP22芯片二者寄存器中數據的循環移位。

3 實驗數據

本實驗測試所用線纜為正規以太網五類非屏蔽雙絞線，測試對比設備為福祿克公司的FLUKE CableIQ網線測試儀，福祿克網線測試設備是行業標桿產品，測試數據可信，測試項目主要是網線的斷路和短路。測試數據對比結果見表1。

表1 測試數據對比 （單位：m）

由表1可知，本文設計的網線測試儀誤差在±10%之內，這個誤差與FLUKE CableIQ的技術指標基本接近。

本文設計的網線測試儀由于整體器件進行了優化選型，所以整機功耗相對較低，最大工作電流為60 mA左右，而FLUKE CableIQ網線測試儀整機功耗最低要150 mA電流。由于網線測試儀是電池供電的手持設備，功耗越低，工作時間越長，所以本文設計的網線測試儀工作時長更優。

4 結論

本文設計的網線測試儀利用時域反射測量原理最小可測量長度為0.1 m網線，且網線測試儀不僅可以精確測量網線的斷路故障，還可以準確測量網線的短路故障點距離，解決了網線測試中70%的難題，而網線測試儀硬件結構設計合理，較低的工作功耗使其更適合手持使用[9]。

網線測試儀在軟硬件功能方面還有不少可改進的余地，比如可以增加網線測試儀的鏈路脈沖信號測試功能，讓網線測試儀擁有網絡對線功能等，還可以繼續優化微控制器軟件程序，進一步提升測試精確度。