基于dp83849的以太網(wǎng)電纜診斷儀的設(shè)計

1、<p>　　基于DP83849的以太網(wǎng)電纜診斷儀的設(shè)計</p><p>　　【摘要】隨著以太網(wǎng)的快速、廣泛應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)和維護(hù)中的鏈路檢測和電纜診斷成為突出的難題。DP83849內(nèi)嵌的線纜檢測模塊提供一種高效、可靠、低成本的實現(xiàn)方案?；贒P83849的線纜診斷儀，可以實現(xiàn)以太網(wǎng)雙絞線電纜的各種診斷測試功能，如線長、線序，斷路、短路、頻率失調(diào)等等。基于DP83849，介紹了線纜診斷儀的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計

2、，最后對其功能進(jìn)行驗證測試。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】以太網(wǎng)；DP83849；線纜診斷；時域反射計 </p><p>　　中圖分類號： TN711 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用越來越廣泛，以太網(wǎng)已經(jīng)從以前的企業(yè)

3、應(yīng)用擴展到目前的專業(yè)運營。在以太網(wǎng)的部署日益復(fù)雜和使用范圍日益廣泛的情況下，針對網(wǎng)絡(luò)的開通、運行維護(hù)過程中進(jìn)行監(jiān)視和故障定位及排除，都提出了越來越高的要求。問題的解決都依賴于維護(hù)方案以及維護(hù)儀表。 </p><p>　　本文介紹了基于DP83849的以太網(wǎng)電纜診斷儀的設(shè)計方案，這種方案復(fù)雜度不算太高，作為儀表研發(fā)生產(chǎn)，成本不高，功能穩(wěn)定可靠，可以作為獨立便攜式儀表設(shè)計方案，也可以作為多功能儀表中的一個功能模塊。該

4、測試功能為以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)、運營維護(hù)提供了高效、快速、低成本的解決方案。[1][2] </p><p><b>　　1 功能簡介 </b></p><p>　　DP83849是美國國家半導(dǎo)體的高度集成雙端口以太網(wǎng)收發(fā)器，其性能極為可靠，具備電纜參數(shù)測量功能，且價格低廉[1]。DP83849內(nèi)嵌有檢測電纜故障和監(jiān)測鏈路狀態(tài)的功能模塊[2]，包括： </p>

5、<p>　　（1）鏈路電纜狀態(tài) </p><p>　　該子功能用于檢測雙絞線電纜有效鏈路的當(dāng)前狀態(tài)，包括極性反向檢測（線對中的正負(fù)導(dǎo)線被互換）、線對交換檢測（本端發(fā)送和接收線對是否發(fā)生交換，沒有發(fā)生交換則為MDI，發(fā)生交換則為MDIX）、頻率失調(diào)、電氣電纜長度預(yù)估、電纜信號SNR評估。 </p><p>　?。?）鏈路品質(zhì)檢測 </p><p>　　該子

6、功能可以檢測并告警鏈路的變化或惡化，芯片內(nèi)部使用嵌入DSP進(jìn)行快速處理，當(dāng)出現(xiàn)鏈路質(zhì)量下降，如帶寬減少，F(xiàn)CS錯誤較多等，通過測量鏈路上的數(shù)字均衡器后達(dá)系數(shù)、數(shù)字自適應(yīng)增益控制、數(shù)字基線漂移控制、恢復(fù)時鐘長期頻率失調(diào)、恢復(fù)時鐘頻率控制等等，以確定鏈路受到干擾的程度，指導(dǎo)布線調(diào)整。 </p><p>　　（3）TDR電纜診斷 </p><p>　　DP83849通過使用時域反射計的方法（TD

7、R，Time Domain Reflectometry）來測量雙絞線對的長度。TDR可以在發(fā)送線對或接收線對上發(fā)生脈沖，并觀察測量脈沖反射的結(jié)果，從而確定：電纜短路、電纜斷路（電纜線長）、產(chǎn)生故障的距離、確定故障線對、線對偏差。 </p><p><b>　　2 系統(tǒng)設(shè)計 </b></p><p><b>　　2.1 方案設(shè)計 </b></

8、p><p>　　診斷儀采用手持式設(shè)計，整體架構(gòu)如下： </p><p>　　圖1 診斷儀系統(tǒng)架構(gòu) </p><p>　　主控芯片采用當(dāng)前廣泛應(yīng)用于手持式儀表的STM32F103。STM32F103是ARM 32位的Cortex-M3 CPU，工作頻率高達(dá)72MHz，內(nèi)置256KB程序存儲器和48KB SRAM，具有極其豐富的外圍通信接口和GPIO口，能夠支持TFT320

9、240的LCD屏和觸摸屏，支持圖形界面，對于本診斷儀的可以一個芯片完成。[3] </p><p>　　DP83849具備兩路完全獨立的以太網(wǎng)接口，本設(shè)計中實現(xiàn)了兩路以太網(wǎng)同時測試。診斷儀中的每個端口都包括鏈路電纜狀態(tài)、鏈路品質(zhì)檢測和TDR電纜診斷的所有子功能。下面著重對TDR電纜診斷中的電纜線長測試進(jìn)行描述。 </p><p>　　電纜線長測試使用TDR來實現(xiàn)，先發(fā)送脈沖，接收脈沖，計算脈

10、沖走過的距離，從而確定電纜長度。該測試使用到TDR脈沖發(fā)生器，它在100Mb速率下，可以發(fā)送8ns、16ns、24ns、32ns、40ns、48ns、56ns，共7種脈沖寬度的脈沖波形。電纜的對端連接到未加電的端口，在連接良好的情況下，本端發(fā)出的脈沖將無任何發(fā)射，短脈沖用于有利于測量短電纜，長脈沖有利于測量長電纜。 </p><p>　　TDR基于線對發(fā)送脈沖，可以是發(fā)送線對或接收線對，脈沖的返回波形也是基于線對

11、進(jìn)行監(jiān)測。電纜長度由發(fā)送和反射脈沖之間的時間來確定，長度為信號傳播距離的1/2，最終長度與電纜的另一個參數(shù)相關(guān)，則電纜額定傳播速率（NVP值），NVP值表述為光速的百分率，0.72c = 0.72 * 3 * 108 m/s，電纜長度計算公式： </p><p>　　L =（t × 0.72c）/ 2 </p><p>　　= （T × 10-9） × 0.7

12、2 × （3 × 108） × 0.5 </p><p>　　= T × 0.72 × 0.15 </p><p>　　=（TDR_Peak_Time × 8）× 0.72 × 0.15 </p><p>　　= TDR_Peak_Time * 0.864 </p><

13、;p>　　NVP通常為0.72c，不同的線纜其NVP值可能不相同，可以通過供應(yīng)商提供，或者測量來最終確定。TDR_Peak_Time為峰值寄存器中記錄脈沖發(fā)出后到脈沖反射峰值到來之間的時間，其基本單位是8ns。為了使得測試更加精確，可以采用多次測量，取平均值的方法。 </p><p>　　TDR脈沖監(jiān)測，是電纜線長測試需要使用到另外一個功能模塊。DP83849內(nèi)嵌有數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC），能夠?qū)γ}沖的反射進(jìn)行

14、采樣，將采樣值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。采樣周期為8ns，采樣到峰值和對應(yīng)時間都會被記錄。采樣的時間窗口可以設(shè)定為0~255，單位是8ns，只有在該時間范圍內(nèi)，脈沖的反射會被采樣分析。 </p><p><b>　　2.2 硬件設(shè)計 </b></p><p>　　本診斷儀只做電纜測試，不進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，STM32F103與DP83849的MII/RMII數(shù)據(jù)接口不需要

15、進(jìn)行連接。STM32F103只需要連接DP83849的MII串行管理接口進(jìn)行寄存器訪問即可；STM32F103與LCD觸摸屏相連，呈現(xiàn)測試結(jié)果和接收用戶的操作命令。診斷儀的電池選用1800mAh，能夠滿足診斷儀的使用需求。 </p><p>　　控制電路部分的電路連接如圖2、圖3所示。 </p><p>　　圖2 顯示觸摸控制電路 </p><p>　　圖2給出ST

16、M32F103與顯示觸摸屏的連接電路。STM32F103的外圍所需的元器件比較少，2個時鐘，1個上電復(fù)位，1個RTC（實時時鐘）時鐘電池。 </p><p>　　圖3 網(wǎng)絡(luò)控制接口電路 </p><p>　　圖3給出DP83849網(wǎng)絡(luò)控制接口部分電路連接。DP83849只通過MII串行管理接口與STM32F103相連。MII串行管理接口包括：MDIO雙向數(shù)據(jù)線和MDC時鐘。為了提交時鐘的精

17、度，DP83849采用了有源25.00MHz有源晶振。DP83849的兩個以太網(wǎng)接口，都通過隔離變壓器連接到RJ45接口。 </p><p><b>　　2.3 軟件設(shè)計 </b></p><p>　　軟件設(shè)計包括3部分：驅(qū)動設(shè)計，控制程序設(shè)計和界面程序設(shè)計。驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對MII串行管理接口的訪問；控制程序通過調(diào)用驅(qū)動程序完成DP83849內(nèi)部寄存器的操作，實現(xiàn)電纜診

18、斷的功能；界面程序?qū)崿F(xiàn)用戶命令的接收和測量結(jié)果顯示。 </p><p>　　STM32F103不具備專用的MII接口，所以MII串行管理接口中的MDIO訪問時序需要通過GPIO接口進(jìn)行模擬。驅(qū)動程序根據(jù)規(guī)定的串行管理訪問協(xié)議進(jìn)行引腳的電平控制，實現(xiàn)讀寫時序。DP83849的兩個端口都通過同一個串行管理接口進(jìn)行訪問，通過Phy地址進(jìn)行尋址。MII串行管理接口訪問封裝了兩個函數(shù)：讀出函數(shù)MdioRead（uint P

19、hyAddr， uint Data），寫入函數(shù)MdioWrite（uint PhyAddr， uint Data）。 </p><p>　　控制程序?qū)崿F(xiàn)測量功能，寄存器界面上的功能需要對相應(yīng)的4個寄存器進(jìn)行配置和狀態(tài)讀取，整個測試過程與以下寄存器相關(guān)：EDCR能量檢測控制寄存器EDCR、TDR控制寄存器TDR_CTRL、TDR窗口寄存器TDR_WIN、TDR峰值寄存器TDR_PEAK。寄存器的配置流程如下。 &l

20、t;/p><p>　　圖4 寄存器訪問流程 </p><p>　　界面程序使用uGUI圖像化界面，測試界面如下： </p><p><b>　　圖5 主測試界面 </b></p><p><b>　　3 功能驗證 </b></p><p>　　下面對其中“TDR電纜診斷”功能進(jìn)行

21、驗證測試，使用TDR進(jìn)行5類UTP電纜線長測試，NVP值為0.70c，測試結(jié)果如下： </p><p>　　表3.1 TDR電纜線長測試結(jié)果 </p><p>　　對比上表中的實際長度和平均長度，可以知道采用多次測量取平均值的方法能夠讓測量值更接近實際值。當(dāng)被測線纜長度在10m以上，測量精度更高。這種方式除了可以確定完好電纜線長，還可以確定受損電纜的故障位置。 </p>&l

22、t;p><b>　　4 結(jié)束語 </b></p><p>　　本文對基于DP83849的以太網(wǎng)電纜診斷儀的設(shè)計方案進(jìn)行介紹，詳細(xì)描述了其中TDR電纜線長測試的實現(xiàn)過程，包括硬件電路完整設(shè)計，軟件界面實現(xiàn)及配置寄存器的配置過程。最后通過STM32開發(fā)板對以上設(shè)計進(jìn)行驗證，從測試結(jié)果可以知道，設(shè)計方案能夠達(dá)到預(yù)期結(jié)果。因此，基于DP83849的診斷儀有很好的實用和推廣價值。 </p&

23、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] DP83849IFVS Dual Port 10_100 Mbps Ethernet Physical Layer Tranceiver. American, National Semiconductor Ltd,. </p><p>　　[2] AN-1469 PHYTER_ D