嵌入式时域反射网线测试仪设计

陈 玉

（山西工程科技职业大学 信息工程学院，山西 晋中 030619）

0 引言

五类及六类双绞线（简称网线）被广泛应用于以太网工程中，是网络传输信号的常用介质。因此，以太网工程布线及网络维护都需要对网线进行精确测量，其中网线的短路和断路故障是关键测试项目，占网线所有测试项目的70%左右[1]。

工程中常用的简易网线测试仪通常只能测试网线的通断，具体断在什么位置却不得而知，因此当故障发生在较长的网线中时，人们往往束手无策。目前，国内市场上也有一些可以定位网线断路故障位置的网线测试仪，但这些仪器只能在网线长度超过5 m甚至更长的情况下粗略判断故障点的位置，同时这种测试仪由于设计原理简陋，其只能测试断路而不能测试短路点故障。一些进口品牌的专业网线测试仪虽然可以精确定位网线的短路和断路故障点，但是价格较高，无法在网络维护中推广普及。因此，本文提出了一种高分辨率、低盲区的网线测试仪软硬件设计方案。

1 测试原理

1.1 时域反射测量法

工程上常用的网线时域反射测量法主要可分为窄脉冲法和宽脉冲法（阶跃法）。

（1）窄脉冲法。窄脉冲法原理：一窄脉冲信号源在和被测网线阻抗匹配的前提下，向被测网线起始端输入一定幅度的窄脉冲信号，如果被测网线有断路和短路故障点，那么脉冲信号就会产生相应的正负反射，这样通过计算发射窄脉冲和反射窄脉冲的尖峰时间跨度就能计算出被测网线的断路和短路故障点位置，具体见公式（1）。

公式（1）中，L为被测网线故障点位置，V为窄脉冲信号在铜质网线中的传播速度（0.66～0.85倍光速），∆t为发射窄脉冲与反射窄脉冲的时间跨度，该公式实质上是一个时间换空间的计算过程[2]。受脉冲宽度的影响，被测电缆较短时，会产生发射脉冲和反射脉冲的重叠，不能单独区分发射、反射脉冲，从而形成测量盲区，脉冲越宽盲区越大。窄脉冲法的优点是可以直观地观察到发射和反射窄脉冲的尖峰点，从而更容易计算故障点位置。但窄脉冲法也有不少缺点，如窄脉冲含有高频分量较多，在网线较长时，反射窄脉冲的形状容易变形；而如果所测试网线为0.1 m时，需要脉冲的宽度在1 ns以下才不会产生发射和反射脉冲的重叠，这极大地增加了软硬件的设计成本和实现难度。

（2）宽脉冲法。宽脉冲法原理及测试流程与窄脉冲法类似，不同的是向被测网线起始端输入一定幅度的宽脉冲信号后，如果被测网线有断路和短路故障点，那么宽脉冲信号就会产生相应的正负反射。由于发射和反射脉冲较宽，所以测试时会产生发射和反射脉冲的叠加，此时通过计算发射和反射宽脉冲的前沿时间差就能计算出故障点的位置[3]。宽脉冲法的优点是反射宽脉冲持续时间长，不易产生形状的畸变，同时由于该方法是通过发射和反射脉冲的前沿计算时间差，所以可以测量0.1 m的长度，极大降低了测量盲区。

1.2 网线测试仪理论依据

网线测试仪的基本指标：所测网线长度范围为0.1～150 m，可以同时测量短路和断路故障，因此宽脉冲法为最优选择。依据公式（1）可知宽脉冲的最低宽度需要3 μs，但考虑到脉冲的前沿陡峭程度，可以将脉冲宽度提升至16 μs，具体原理如下。

（1）网线断路测试原理。在网线断路测试中，发射脉冲和反射脉冲是正向叠加在一起的[4]，需要计算发射脉冲和反射脉冲前沿产生的时间差Δt。网线断路测试原理如图1所示。

计算Δt则需要知道发射脉冲和反射脉冲前沿的时间点。借助高速比较器，通过两个采样电压（vt和vr）与叠加的发射和反射脉冲信号进行比较输出，可确定时间点。高速比较单元如图2所示，图2中的信号源S为反射叠加信号。

图1 断路测试

图2 高速比较单元

（2）网线短路测试原理。短路测试中，由于反射脉冲极性为负，发射脉冲极性为正，因此二者互相抵消，产生反射脉冲前沿部分消失的情况[5]。短路测试原理如图3所示，虚线部分表示反射脉冲前沿部分消失。在这种情况下，无法直接采用断路测试中的采样电压比较法，应想办法恢复反射脉冲前沿部分。采用运算放大器的差分放大特性可以有效恢复反射脉冲的前沿[6]，其中v1是叠加后的脉冲信号，v2是原始发射脉冲，vo是运算提取后的反射脉冲。差分提取电路如图4所示，反射脉冲如图5所示。

图3 短路测试

图4 差分提取电路

图5 反射脉冲

2 软硬件设计

2.1 硬件设计

（1）微控制器电路。本设计中使用ATmega128A单片微控制器，ATmega128A使用16 MHz时钟时运算速度可达16 MIPS，内部有128 kb编程空间且自带SPI控制接口，该微控制器功耗相对较低，更适合电池供电的手持设备[7]。微控制器主要通过其内置程序完成网线测试仪整机电路的控制，可以自动识别和测试网线的断路和短路故障距离。

（2）时间数字转换电路。测试仪发射脉冲和反射脉冲的时间间隔为纳秒级，采用微控制器无法计时如此短的时间间隔，为此本设计采用了TDC-GP22时间数字转换芯片。TDC-GP22芯片最小测量时间跨度为45 ps，TDC-GP22通过程序开启噪声位功能，时间计时跨度为0～2.4 μs。脉冲信号在铜质网线中的传播速度约200 m/μs，因此2.4 μs的时间跨度可以测试长度为240 m的网线，而网线测试仪最大测量长度的设计指标为150 m，该芯片完全满足设计指标[8]。

（3）断路测试电路。按照公式（1），断路测试需要3 μs以上宽度的脉冲，考虑到脉冲的畸变，本设计使用ATmega128A微控制器输出16 μs宽度的测试脉冲。为了保持测试脉冲陡峭的前沿，微控制器输出的脉冲送入高速施密特器件进行整形，接着对整形脉冲进行阻抗变换后送入被测网线的某一线对，同时该路脉冲信号加载到图2中的比较器C1正端。由于C2的参考电压高于C1的参考电压，所以测试脉冲不会对C2造成影响。如果测试到断路故障点，反射脉冲会叠加到发射脉冲上，如此，反射脉冲会和C2的参考电压进行比较，产生有效输出。比较器C1的输出端连接TDC-GP22的stop1端，比较器C2的输出连 接TDC-GP22的stop2端，TDC-GP22通 过 计 算 两 个stop端的时间差即可精确定位故障点位置。

由于网线本身存在直流电阻消耗，所以反射脉冲的幅度没有发射脉冲高，同时反射脉冲的上升前沿开始倾斜变缓。实际设计时可依据真实波形图，适当调整电压比较器的参考电压，使测量数据更加准确可靠。80 m网线终端断路测试的实际测量波形如图6所示。

图6 80 m网线终端断路测试的实际测量波形

（4）短路测试电路。短路测试所用测试脉冲同开路测试脉冲，测试脉冲加载到被测网线的同时，也加载到TDC-GP22的stop1端。如果网线有短路故障，那么将发射脉冲和反射脉冲的叠加信号加载到图4差分放大电路的反相端，同相端再加载一路发射测试脉冲，差分放大器的输出端连接TDC-GP22的stop2端，具体计算过程同断路测试。

因为无法看到反射脉冲的前沿，所以测试时要进行差分运算处理。发射和反射脉冲叠加后幅度并没有为零，这是因为网线本身的电阻和模拟切换开关电阻的缘故，不过这并不影响反射脉冲的提取，只需后续对提取的反射脉冲进行幅度放大即可。80 m网线终端短路测试的实际波形测量如图7所示。

图7 80 m网线终端短路测试的实际测量波形

2.2 软件设计

（1）微控制器程序要点。本设计中微控制器程序使用C语言编写，所用编译软件为CodeVisionAVR软件，该编译软件界面简洁，且编译生成的代码紧凑、执行效率高。由于采用C语言代码，所以微控制器程序语句更应匹配硬件执行时序。例如TDC-GP22芯片在进行stop1与stop2之间时间差的计算时，需要先给start引脚一个开始信号，而微控制器程序语句一旦给了start引脚开始信号后就不能再插入任何语句。因为stop1与stop2之间最长时间间隔为2.4 μs，使用16 MHz时钟微控制器的每一条C语句最少要占用1 μs以上时间，所以一旦插入多余语句，TDCGP22将缺少运行时间。

（2）TDC-GP22芯片编程 要 点。TDC-GP22芯 片 编程是网线测试仪设计中的核心环节。TDC-GP22芯片主要是通过SPI接口协议和微控制器程序进行对接，由于ATmega128A自带SPI协议接口，所以二者更容易实现对接。TDC-GP22芯片编程的难点主要是SPI协议与微控制器间的数据互传及TDC-GP22内部7个可配置寄存器的编程。

TDC-GP22芯片内部共有7个可编程寄存器，其中每个寄存器只有高24位可以进行数据写入操作，TDC-GP22的测量数据结果存放在可读寄存器中，微控制器通过发送操作码0xBX进行相应结果数据的读取，下面示例代码为7个可编程寄存器的相应配置数据。

微控制器和TDC-GP22芯片按照SPI协议进行正确数据通信时，必须保证相互间的数据循环移位，如下函数代码演示了数据的具体循环移位：

上述函数的功能为读取TDC-GP22中寄存器的一个字节，函数中的语句SPDR=0xFF功能为每次假写一次微控制器SPDR寄存器。假写该寄存器的目的是满足SPI协议要求，促使微控制器和TDC-GP22芯片二者寄存器中数据的循环移位。

3 实验数据

本实验测试所用线缆为正规以太网五类非屏蔽双绞线，测试对比设备为福禄克公司的FLUKE CableIQ网线测试仪，福禄克网线测试设备是行业标杆产品，测试数据可信，测试项目主要是网线的断路和短路。测试数据对比结果见表1。

表1 测试数据对比 （单位：m）

由表1可知，本文设计的网线测试仪误差在±10%之内，这个误差与FLUKE CableIQ的技术指标基本接近。

本文设计的网线测试仪由于整体器件进行了优化选型，所以整机功耗相对较低，最大工作电流为60 mA左右，而FLUKE CableIQ网线测试仪整机功耗最低要150 mA电流。由于网线测试仪是电池供电的手持设备，功耗越低，工作时间越长，所以本文设计的网线测试仪工作时长更优。

4 结论

本文设计的网线测试仪利用时域反射测量原理最小可测量长度为0.1 m网线，且网线测试仪不仅可以精确测量网线的断路故障，还可以准确测量网线的短路故障点距离，解决了网线测试中70%的难题，而网线测试仪硬件结构设计合理，较低的工作功耗使其更适合手持使用[9]。

网线测试仪在软硬件功能方面还有不少可改进的余地，比如可以增加网线测试仪的链路脉冲信号测试功能，让网线测试仪拥有网络对线功能等，还可以继续优化微控制器软件程序，进一步提升测试精确度。