基于dp83849的以太網(wǎng)電纜診斷儀的設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于DP83849的以太網(wǎng)電纜診斷儀的設(shè)計(jì)</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(cè)和電纜診斷成為突出的難題。DP83849內(nèi)嵌的線纜檢測(cè)模塊提供一種高效、可靠、低成本的實(shí)現(xiàn)方案?；贒P83849的線纜診斷儀，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)雙絞線電纜的各種診斷測(cè)試功能，如線長(zhǎng)、線序，斷路、短路、頻率失調(diào)等等?；贒P83849，介紹了線纜診斷儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)

2、，最后對(duì)其功能進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】以太網(wǎng)；DP83849；線纜診斷；時(shí)域反射計(jì) </p><p>　　中圖分類號(hào)： TN711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： </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(lái)越廣泛，以太網(wǎng)已經(jīng)從以前的企業(yè)

3、應(yīng)用擴(kuò)展到目前的專業(yè)運(yùn)營(yíng)。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(duì)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)通、運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)視和故障定位及排除，都提出了越來(lái)越高的要求。問(wèn)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(jì)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(dú)立便攜式儀表設(shè)計(jì)方案，也可以作為多功能儀表中的一個(gè)功能模塊。該

4、測(cè)試功能為以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)、運(yùn)營(yíng)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(jiǎn)介 </b></p><p>　　DP83849是美國(guó)國(guó)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(cè)量功能，且價(jià)格低廉[1]。DP83849內(nèi)嵌有檢測(cè)電纜故障和監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài)的功能模塊[2]，包括： </p>

5、<p>　?。?）鏈路電纜狀態(tài) </p><p>　　該子功能用于檢測(cè)雙絞線電纜有效鏈路的當(dāng)前狀態(tài)，包括極性反向檢測(cè)（線對(duì)中的正負(fù)導(dǎo)線被互換）、線對(duì)交換檢測(cè)（本端發(fā)送和接收線對(duì)是否發(fā)生交換，沒(méi)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(zhǎng)度預(yù)估、電纜信號(hào)SNR評(píng)估。 </p><p>　?。?）鏈路品質(zhì)檢測(cè) </p><p>　　該子

6、功能可以檢測(cè)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(cuò)誤較多等，通過(guò)測(cè)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(shí)鐘長(zhǎng)期頻率失調(diào)、恢復(fù)時(shí)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(guò)使用時(shí)域反射計(jì)的方法（TD

7、R，Time Domain Reflectometry）來(lái)測(cè)量雙絞線對(duì)的長(zhǎng)度。TDR可以在發(fā)送線對(duì)或接收線對(duì)上發(fā)生脈沖，并觀察測(cè)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(zhǎng)）、產(chǎn)生故障的距離、確定故障線對(duì)、線對(duì)偏差。 </p><p><b>　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) </b></p><p><b>　　2.1 方案設(shè)計(jì) </b></

8、p><p>　　診斷儀采用手持式設(shè)計(jì)，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(chǔ)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(duì)于本診斷儀的可以一個(gè)芯片完成。[3] </p><p>　　DP83849具備兩路完全獨(dú)立的以太網(wǎng)接口，本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了兩路以太網(wǎng)同時(shí)測(cè)試。診斷儀中的每個(gè)端口都包括鏈路電纜狀態(tài)、鏈路品質(zhì)檢測(cè)和TDR電纜診斷的所有子功能。下面著重對(duì)TDR電纜診斷中的電纜線長(zhǎng)測(cè)試進(jìn)行描述。 </p><p>　　電纜線長(zhǎng)測(cè)試使用TDR來(lái)實(shí)現(xiàn)，先發(fā)送脈沖，接收脈沖，計(jì)算脈

10、沖走過(guò)的距離，從而確定電纜長(zhǎng)度。該測(cè)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(duì)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(wú)任何發(fā)射，短脈沖用于有利于測(cè)量短電纜，長(zhǎng)脈沖有利于測(cè)量長(zhǎng)電纜。 </p><p>　　TDR基于線對(duì)發(fā)送脈沖，可以是發(fā)送線對(duì)或接收線對(duì)，脈沖的返回波形也是基于線對(duì)

11、進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電纜長(zhǎng)度由發(fā)送和反射脈沖之間的時(shí)間來(lái)確定，長(zhǎng)度為信號(hào)傳播距離的1/2，最終長(zhǎng)度與電纜的另一個(gè)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(zhǎng)度計(jì)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(guò)供應(yīng)商提供，或者測(cè)量來(lái)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(lái)之間的時(shí)間，其基本單位是8ns。為了使得測(cè)試更加精確，可以采用多次測(cè)量，取平均值的方法。 </p><p>　　TDR脈沖監(jiān)測(cè)，是電纜線長(zhǎng)測(cè)試需要使用到另外一個(gè)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(duì)應(yīng)時(shí)間都會(huì)被記錄。采樣的時(shí)間窗口可以設(shè)定為0~255，單位是8ns，只有在該時(shí)間范圍內(nèi)，脈沖的反射會(huì)被采樣分析。 </p><p><b>　　2.2 硬件設(shè)計(jì) </b></p><p>　　本診斷儀只做電纜測(cè)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(wèn)即可；STM32F103與LCD觸摸屏相連，呈現(xiàn)測(cè)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(gè)時(shí)鐘，1個(gè)上電復(fù)位，1個(gè)RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）時(shí)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(guò)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(shí)鐘。為了提交時(shí)鐘的精

17、度，DP83849采用了有源25.00MHz有源晶振。DP83849的兩個(gè)以太網(wǎng)接口，都通過(guò)隔離變壓器連接到RJ45接口。 </p><p><b>　　2.3 軟件設(shè)計(jì) </b></p><p>　　軟件設(shè)計(jì)包括3部分：驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，控制程序設(shè)計(jì)和界面程序設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)MII串行管理接口的訪問(wèn)；控制程序通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序完成DP83849內(nèi)部寄存器的操作，實(shí)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(cè)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(wèn)時(shí)序需要通過(guò)GPIO接口進(jìn)行模擬。驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)規(guī)定的串行管理訪問(wèn)協(xié)議進(jìn)行引腳的電平控制，實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)時(shí)序。DP83849的兩個(gè)端口都通過(guò)同一個(gè)串行管理接口進(jìn)行訪問(wèn)，通過(guò)Phy地址進(jìn)行尋址。MII串行管理接口訪問(wèn)封裝了兩個(gè)函數(shù)：讀出函數(shù)MdioRead（uint P

19、hyAddr， uint Data），寫(xiě)入函數(shù)MdioWrite（uint PhyAddr， uint Data）。 </p><p>　　控制程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)量功能，寄存器界面上的功能需要對(duì)相應(yīng)的4個(gè)寄存器進(jìn)行配置和狀態(tài)讀取，整個(gè)測(cè)試過(guò)程與以下寄存器相關(guān)：EDCR能量檢測(cè)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(wèn)流程 </p><p>　　界面程序使用uGUI圖像化界面，測(cè)試界面如下： </p><p><b>　　圖5 主測(cè)試界面 </b></p><p><b>　　3 功能驗(yàn)證 </b></p><p>　　下面對(duì)其中“TDR電纜診斷”功能進(jìn)行

21、驗(yàn)證測(cè)試，使用TDR進(jìn)行5類UTP電纜線長(zhǎng)測(cè)試，NVP值為0.70c，測(cè)試結(jié)果如下： </p><p>　　表3.1 TDR電纜線長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果 </p><p>　　對(duì)比上表中的實(shí)際長(zhǎng)度和平均長(zhǎng)度，可以知道采用多次測(cè)量取平均值的方法能夠讓測(cè)量值更接近實(shí)際值。當(dāng)被測(cè)線纜長(zhǎng)度在10m以上，測(cè)量精度更高。這種方式除了可以確定完好電纜線長(zhǎng)，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(yǔ) </b></p><p>　　本文對(duì)基于DP83849的以太網(wǎng)電纜診斷儀的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹，詳細(xì)描述了其中TDR電纜線長(zhǎng)測(cè)試的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括硬件電路完整設(shè)計(jì)，軟件界面實(shí)現(xiàn)及配置寄存器的配置過(guò)程。最后通過(guò)STM32開(kāi)發(fā)板對(duì)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，從測(cè)試結(jié)果可以知道，設(shè)計(jì)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(shí)用和推廣價(jià)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