用於網絡線纜故障測試的方法及其裝置的製作方法

2023-09-19 06:47:55 4

專利名稱：用於網絡線纜故障測試的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及網絡線纜測試領域，特別涉及一種能夠有效的測試網絡線纜長度的技術方 法及其裝置。
背景技術：
隨著計算機網絡的發展和普及，網絡安全對於各個行業顯得尤其重要。但是一些網絡 因為設計原因或者維護不當而產生故障，往往會帶來經濟上的巨大損失和災難性的後果。 在這中間，由於網絡線纜引起的故障佔了很大一部分。網絡線纜的損壞或錯接將會導致數 據傳輸混亂，網絡不通，從而嚴重影響了計算機通信網絡的使用和安全。
網絡線纜測試儀可以對雙絞線進行驗證，它能夠測量雙絞線長度，發現斷點存在的位 置及原因，測試網絡線纜的接線圖(短路、開路)，幫助使用者能夠快速、方便、準確的檢 測出故障點的位置和故障的性質，從而及時地排除故障。因此，在當今的網絡布線、線纜 故障定位中，網絡線纜測試儀得到了廣泛的應用。
目前，電纜障礙查找的方法主要有電橋法、放音法、査漏法、脈衝反射法(TDR)
等。其中脈衝反射法解析度高，測量速度快，不會對傳輸線造成損傷，只需在電纜的一頭 進行操作，可以測量到人力接觸不到的地方，受地理條件的影響小，可以根據不同的測試 電纜靈活的調整測試參數，成為測試通信線纜不連續性的主要方法。
脈衝反射法使用窄脈衝作為發射的測試信號。該信號在電纜中傳播，當遇到阻抗不連 續點時脈衝信號被反射回發送端。在信號發送端測量出信號發射和被反射回來的時間差， 再配合脈衝在電纜中的傳播速度，就可以計算出故障點的位置。雖然這種方法操作簡單， 但其對脈衝波形的質量要求較高，並且存在著測量盲區，即由於待測線纜太短，導致探測 脈衝尚沒有完全發出時就己接收到反射脈衝，發射脈衝和反射脈衝互相疊加，從而無法精 確的測量出時間間隔。但是為了儘量減小測試盲區，此方法要求系統能夠產生足夠窄的脈 衝，並需要高速開關電路、高速採樣電路來測試發射脈衝和反射回波之間的時間差，電路 複雜，所需要的功耗較大。從另一方面看，探測脈衝的寬度越窄，頻帶也就越寬。然而， 網絡線纜直徑較細，其頻帶也限制了探測脈衝的寬度。因此， 一味減小發射脈衝的寬度，
並不是消除"測量盲區"的一個好的解決方法。同時現在的網絡線纜多採用5類或超5類 線纜，傳輸信號為無地差分信號。而脈衝反射法採用的發射脈衝是參考為地的窄脈衝信號，因此使用基於窄脈衝的脈衝反射法進行網絡線纜長度測試並不適合。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種能夠有效測量線纜長度並查出網絡線纜故障類型的方法。
本發明採用的是一種寬脈衝差分測試法，其原理如圖l所示，就是在測試端發出較寬 的差分探測脈衝，當探測脈衝遇到線纜上的斷點後，會發生反射，反射脈衝沿著網絡線纜 傳回到發送端，發射信號和反射信號相互疊加，通過測量疊加部分的時間寬度來計算發射 信號和反射信號間的時間間隔。
當發生斷路故障時，反射脈衝信號如圖1 (b)所示，將比圖1 (a)所示的發射脈衝滯
後At時刻，且極性相同。發射脈衝和反射脈衝疊加後形成的回波信號如圖1 (c)。通過與
設定的比較電平做比較，可產生包含線纜長度信息的寬度脈衝信號，如圖1 (d)所示。假
設探測脈衝寬度為T，線纜故障點與測試點之間的距離為S，電信號在待測線纜中的傳輸
速度為V，則比較器輸出的脈衝信號的寬度為T-At，且具有如下關係
formula see original document page 5
當發生短路故障時，反射脈衝信號如圖l (f)所示，將比圖l (e)所示的發射脈衝滯 後At時刻，且極性相反。發射脈衝和反射脈衝疊加後形成的回波信號如圖1 (g)。通過與 設定的比較電平做比較，可產生包含線纜長度信息的寬度脈衝信號，如圖1 (h)所示。短 路線纜的長度可由如下關係式計算得到
(2)
寬脈衝信號的佔空比為50%，為了方便的區分線纜究竟是短路還是斷路故障，所發送 的探測脈衝寬度應有一定的要求。若測試線纜的最大長度為Smax，則探測脈衝寬度T應滿 足formula see original document page 5此時，如圖l(d)、 (h)所示，可根據經過比較器的寬度脈衝來判斷線纜的故障類型
*如果測得的脈衝寬度Tp〉T/2時，則為斷路故障，此時A^-r-7>，所以
formula see original document page 5*如果Tp〈T/2時，則為短路故障，此時"=7>，所以5 = ￥><7^《。
根據上述原理，本發明進行網絡線纜故障測試的方法稱為差分寬脈衝時域反射法，具 體步驟如下
1)產生單端探測脈衝信號。根據網絡線纜測試裝置的最大線纜測試長度要求，利用公式 G)進行計算，可獲得所要產生的探測脈衝的最小寬度值，選取滿足要求的脈衝寬度 值，根據所選擇的脈衝寬度值利用CPU設置高速率定時器的計數值，使用高速率定時 器產生探測脈衝信號。
2) 使用高速單端一差分轉換器將單端探測脈衝轉換為差分探測脈衝。
3) 差分探測脈衝通過高速緩衝驅動、阻抗匹配後發送到待測線纜。這一步驟增強差分探測 脈衝的驅動能力，並有效的降低探測脈衝的過衝和振鈴，使脈衝信號的波形變得更平穩。
4) 探測脈衝到達線纜的阻抗不連續點(短路或斷路)，產生反射脈衝。
5) 從反射回波中提取包含故障信息的門控脈衝信號。將發射脈衝和反射脈衝疊加後形成的
回波信號送入高速比較器的同相輸入端，與高速比較器反相輸入端的比較電平進行比 較，產生反映線纜長度信息的門控脈衝。如果同相輸入端電平高於反相輸入端電平，產
生高電平輸出；如果同相輸入端電平低於反相輸入端電平，則產生低電平輸出。比較電 平應高於發射的探測脈衝電平，但低於回波信號的脈衝電平。
6) 對該門控脈衝的寬度Tp進行檢測，並保存測試結果。利用高速脈衝寬度檢測電路對該 門控脈衝的寬度Tp進行檢測，測試結果由鎖存電路保存。
7) 由門控脈衝信號判斷故障的位置和原因。線纜斷點分析模塊根據高速脈衝寬度檢測電路 測試的結果判定線纜的斷點位置以及發生斷點故障的原因當Tp〉T/2時，則為斷路故
障，S = Vx(T—當Tp〈T/2時，則為短路故障，S = VxT%。
本發明的另一個目的是提供一種利用上述方法進行網絡線纜故障測試的網絡線纜測 試儀。如圖2所示，本發明的網絡線纜測試儀是在乙太網控制器與網絡RJ45連接器之間 設置可編程差分探測脈衝形成模塊、探測脈衝發射模塊、回波接收與處理模塊、中央處理 模塊四大部分及相應的處理軟體，其中
1) 可編程差分探測脈衝形成模塊一般由高速率定時器、高速單端一差分轉換器連接組成， 負責完成可變寬度的高精度差分探測脈衝信號的形成，高速率定時器產生單端探測脈 衝信號，經高速單端一差分轉換器轉換為差分探測脈衝。
2) 探測脈衝發射模塊主要由高速緩衝驅動電路、阻抗匹配電路組成，負責增強差分探測 脈衝的驅動能力，並有效的降低探測脈衝的過衝和振鈴，使脈衝信號的波形變得更平穩。高速緩衝驅動電路可以由74ACT125緩衝器構成，阻抗匹配電路由阻容網絡組成， 參見圖3，差分探測脈衝是由相位相差180度的脈衝A和脈衝B組成，分別發射到待 測線纜中一對雙絞線的兩根線中，其中脈衝A經過74ACT125緩衝後發送到一個50 1000歐姆的電阻，該電阻與一個電阻和電容組成的並聯網絡相串聯，該並聯網絡中的 電阻阻值為200 10K歐姆，電容值為1000 2000pF，並聯網絡的另一端接到待測線 纜，並通過一個100 1000歐姆的電阻送到比較器的同相輸入端。差分探測脈衝中的 另一路脈衝B經過74ACT125緩衝後發送到一個50 1000歐姆的電阻，該電阻與一個 電阻和電容組成的並聯網絡相串聯，該並聯網絡中的電阻阻值為200 10K歐姆，電容 值為1000 2000pF，並聯網絡的另一端接到待測線纜。
3) 回波接收與處理模塊是本發明的核心。它包括高速比較器、門限設定電路、高速脈衝 寬度檢測電路、鎖存電路以及線纜斷點分析模塊。待測線纜的回波信號送入高速比較 器的同相輸入端，中央處理器模塊控制門限設定電路輸出比較電平送入高速比較器的 反相比較端，產生反映線纜長度信息的門控脈衝。高速脈衝寬度檢測電路對該門控脈 衝的寬度信息進行檢測，測試結果由鎖存電路保存。線纜斷點分析模塊根據高速脈衝 寬度檢測電路測試的結果判定線纜的斷點位置以及發生斷點故障的原因。
4) 中央處理模塊主要由一片高性能的DSP處理器組成。它主要負責差分脈衝寬度的設定、 通道選擇、數值計算以及結果顯示等工作。
本發明除了可以用於網絡線纜的斷點位置與斷點故障原因的測試外，還可以用於同軸 線纜的斷點位置與斷點故障原因測試，而且實現成本低廉，性價比很高。用戶只需設置待 測線纜的NVP值，即可獲得準確的線纜斷點位置及故障原因。該發明只需連接待測網絡 線纜的任何一端，即可檢測網絡線纜的4對雙絞線，操作簡單，並且具有測試解析度高， 受環境影響小的特點。


圖1是本發明進行線纜測試的發射脈衝、反射脈衝、回波信號以及經過比較器之後反 映故障位置與原因的脈衝信號波形原理圖。
圖2是本發明的網絡線纜測試儀的整體原理框圖。 圖3是本發明實施例的阻抗匹配電路示意圖。
圖4是本發明實施例進行線纜測試的回波波形圖，其中(a)、 (b)、 (c)分別對應不同 長度的雙絞線。
下面通過實施例進一步詳細說明本發明，但不以任何方式限制本發明的範圍。 探測脈衝產生與發送可以根據所需的測試範圍來選擇探測脈衝寬度，如果探測脈衝寬 度選擇不合理，將造成發射脈衝與反射回波不會形成疊加，增加檢測的難度，且無法分清 究竟是短路故障還是短路故障。探測脈衝的形成(由高速定時器完成)推薦使用高性能的 可編程邏輯器件(FPGA)，保證探測脈衝的陡峭上升沿特性。使用高速單端一差分轉換器 將單端探測脈衝轉換為差分探測脈衝，再通過高速緩衝驅動、阻抗匹配後發送到待測線纜。 高速緩衝驅動電路由74ACT125緩衝器構成，阻抗匹配電路由阻容網絡組成，如圖3所示。 回波信號的接收與處理分為比較器與脈衝寬度檢測與故障分析。高速比較器採用 MAXIM公司的MAX964，它具有4個比較器，分別用於檢測網絡線纜中的四對雙絞線， 剛好滿足本發明的要求；高速脈衝寬度檢測電路、鎖存電路與線纜斷點分析模塊集成在 FPGA內部。根據脈衝寬度的值判定究竟是短路還是斷路故障，並給出故障點與測試點之 間的距離。
由於本發明需要的I/O接口數目與存儲單元較多，並需要對測試數據進行相應的補償 算法，中央處理器的性能較為重要，因此建議選用高速、高性能的嵌入式處理器。
在本實施例中，高速定時器、高速脈衝寬度檢測電路、鎖存電路和線纜斷點分析模塊 均可集成在一款高性能的可編程邏輯器件(FPGA)中。
在實驗中，使用上述裝置分別對長度為1.41m、 4.86m與262.6m的雙絞線發射差分脈 衝進行測試，同時使用TDS3052示波器在待測線纜與本實施例裝置的連接端進行觀察，可
得發射脈衝與反射脈衝間的時間間隔分別為14ns、 48ns與2.7ps。由公式S-A7^^ (本
試驗所用雙絞線，電信號在其中的傳播速度為200m^is)，計算測得的長度分別為1.4m、 4.8m與270m，測試線纜時回波波形圖如圖4 (a)、 (b)、 (c)所示。可見本發明的寬脈衝 時域反射法測試解析度高、結果準確，能很好的解決窄脈衝線纜測試中的測試盲區問題。
權利要求
1.一種網絡線纜故障測試方法，包括如下步驟1)產生單端探測脈衝信號，探測脈衝寬度T＞4Smax/V，其中Smax為所測試線纜的最大長度，V是電信號在待測線纜中的傳輸速度；2)將單端探測脈衝轉換為差分探測脈衝；3)差分探測脈衝通過高速緩衝驅動、阻抗匹配後發射到待測線纜；4)探測脈衝到達線纜的阻抗不連續點，產生反射脈衝；5)將發射脈衝和反射脈衝疊加後形成的回波信號送入高速比較器的同相輸入端，與高速比較器反相輸入端的比較電平進行比較，產生包含故障信息的門控脈衝信號，其中所述比較電平高於發射的探測脈衝電平，但低於回波信號的脈衝電平；6)對該門控脈衝的寬度Tp進行檢測，並保存測試結果；7)判斷故障的位置和原因當Tp＞T/2時，為斷路故障，線纜故障點與測試點之間的距離S＝V×(T-Tp)/2；當Tp＜T/2時，則為短路故障，S＝V×Tp/2。
2. 如權利要求1所述的網絡線纜故障測試方法，其特徵在於所述差分探測脈衝 是由一對相位相差180度的脈衝A和B組成，分別發射到待測線纜中一對雙絞 線的兩根線中，在步驟5)只將其中的一個脈衝A或B與其反射脈衝疊加後形 成的回波信號送入高速比較器的同向輸入端。
3. 如權利要求1所述的網絡線纜故障測試方法，其特徵在於所述步驟6)利用一 高速脈衝寬度檢測電路對所述門控脈衝的寬度Tp進行檢測，測試結果由一鎖存 電路保存。
4. 一種網絡線纜故障測試儀，在該測試儀的乙太網控制器與網絡RJ45連接器之間 設置可編程差分探測脈衝形成模塊、探測脈衝發射模塊、回波接收與處理模塊 及中央處理模塊，其中中央處理模塊主要負責差分脈衝寬度的設定、通道選 擇、數值計算以及結果顯示；可編程差分探測脈衝形成模塊根據中央處理模塊 的設定產生差分探測脈衝信號；該差分探測脈衝信號經探測脈衝發射模塊發送 到待測線纜中；回波接收與處理模塊又包括高速比較器、門限設定電路、高速 脈衝寬度檢測電路、鎖存電路以及線纜斷點分析模塊，待測線纜的回波信號送 入高速比較器的同相輸入端，中央處理器模塊控制門限設定電路輸出比較電平送入高速比較器的反相比較端，產生反映線纜長度信息的門控脈衝，高速脈衝 寬度檢測電路對該門控脈衝的寬度信息進行檢測，測試結果由鎖存電路保存， 最後由線纜斷點分析模塊根據測試結果判定線纜的斷點位置以及發生斷點故障 的原因。
5. 如權利要求4所述的網絡線纜故障測試儀，其特徵在於所述可編程差分探測 脈衝形成模塊主要由高速率定時器、高速單端一差分轉換器連接組成，其中高 速率定時器產生單端探測脈衝信號，經高速單端一差分轉換器轉換為相位相差 180度的差分探測脈衝對。
6. 如權利要求5所述的網絡線纜故障測試儀，其特徵在於所述探測脈衝發射模 塊由高速緩衝驅動電路、阻抗匹配電路連接組成。
7. 如權利要求6所述的網絡線纜故障測試儀，其特徵在於所述高速緩衝驅動電 路由74ACT125緩衝器構成，所述阻抗匹配電路分為兩個並行電路，分別發送 組成所述差分探測脈衝對的兩路脈衝，其中一路脈衝經74ACT125緩衝器緩衝 後首先通過一個50 1000歐姆的電阻，再經過一個200 10K歐姆的電阻和 1000 2000pF的電容組成的並聯電路發送到待測線纜，同時又通過一個100 1000歐姆的電阻送到比較器的同相輸入端；另一路脈衝經74ACT125緩衝器緩 衝後首先通過一個50 1000歐姆的電阻，再經過一個200 10K歐姆的電阻和 1000 2000pF的電容組成的並聯電路發送到待測線纜。
8. 如權利要求5所述的網絡線纜故障測試儀，其特徵在於所述高速定時器、高 速脈衝寬度檢測電路、鎖存電路和線纜斷點分析模塊集成在一款可編程邏輯器 件中。
9. 如權利要求4所述的網絡線纜故障測試儀，其特徵在於所述中央處理器為嵌 入式處理器。
10. 如權利要求4所述的網絡線纜故障測試儀，其特徵在於所述高速比較器 採用MAXIM公司的MAX964。
全文摘要
本發明提供了一種網絡線纜故障測試方法，在測試端發出較寬的差分探測脈衝，當探測脈衝遇到線纜上的斷點後發生反射，反射脈衝沿著線纜傳回到發送端，發射信號和反射信號相互疊加，通過測量疊加部分的時間寬度計算出發射信號和反射信號間的時間間隔，進而分析得到故障的位置和原因。本發明還提供了相應的網絡線纜測試儀，只需連接待測網絡線纜的任何一端就可以檢測網絡線纜的4對雙絞線，操作簡單，並且測試解析度高，受環境影響小。本發明除了可用於網絡線纜的故障測試外，還可用於同軸線纜的故障測試。
文檔編號G01R31/08GK101127928SQ20071012160
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月11日 優先權日2007年9月11日
發明者科 劉, 李飛雄, 王厚軍, 田書林, 肖寅東 申請人:電子科技大學