Диагностика промышленных Ethernet-кабелей рефлектометрическим методом


PDF версия

В статье рассматриваются основы рефлектометрического метода, включая способы реализации сравнительно простых измерительных рефлектометрических установок, в которых не применяются высокоскоростные АЦП или ЦАП. На примере из практики показано, как интеграция таких установок в Ethernet PHY-устройства от компании TI позволяет осуществлять диагностику.

Введение

С увеличением потребности в сокращении времени разработки и вывода изделий на рынок возрастает необходимость в эффективной и своевременной диагностике Ethernet-кабелей. Рефлектометрия с временным разрешением (TDR) позволяет разработчикам обнаружить скрытые разомкнутые и закороченные цепи, промежуточные контакты и выявить многие иные проблемы, которые могут повлиять на надежность связи с помощью технологии Ethernet, используемой в заводских цехах, на обрабатывающих предприятиях, в логистических центрах и даже в больших фермерских хозяйствах.

 

Обзор рефлектометрического метода

Рефлектометрические измерения предоставляют непосредственную информацию об электрической целостности Ethernet-кабелей. Рефлектометр отправляет короткие тестовые импульсы по кабелю и по отраженным сигналам определяет участки скачкообразного изменения (разрыва) импеданса. Этими участками могут являться разомкнутые или короткозамкнутые цепи, а также повреждения диэлектрического слоя.

Для описания распространения сигналов и импеданса линии передачи рефлектометрический метод использует соответствующий математический аппарат. Часть энергии тестового импульса, встретившего в линии передачи препятствие на пути своего распространения, отражается в обратном направлении. По амплитуде и времени возвращения отраженного сигнала определяется местонахождение препятствия и относительное рассогласование импедансов. Если импульс отразился от разомкнутой цепи, его амплитуда удваивается. Если отражение произошло из-за короткого замыкания, у эха – отрицательная амплитуда. В отсутствие рассогласования импеданса эхо не наблюдается.

В соответствии с рефлектометрическим методом, чем меньше время нарастания фронта импульса, тем меньше размер элементов, которые позволяет обнаружить рефлектометр. В настоящее время некоторые рефлектометры, у которых время нарастания фронта импульсов составляет несколько пикосекунд, применяются для инспекции печатных плат и проводников корпусов интегральных схем.

 

Что значит TDC?

Несмотря на свое название, большинство аналого-цифровых преобразователей, по сути, являются преобразователями напряжения в цифровые сигналы, т. е. разновидностью АЦП. TDC – еще одна разновидность этих устройств, которые преобразуют временные интервалы в цифровые величины. Исходное назначение АЦП состояло в обеспечении передачи голосовых данных, поступающих в преобразователи в виде напряжения. Однако в свое время Европейской организации ядерных исследований (CERN) понадобилось устройство, которое преобразовывало бы интервалы времени между двумя фронтами сигналов. В результате появились первые преобразователи TDC. С тех пор спрос на эти устройства растет в тех приложениях, где нельзя использовать АЦП или их применение не вполне оправдано.

 

Использование TDC-преобразователей в рефлектометрических измерениях

Необходимо хорошо понимать, для чего предназначена система дискретного измерения. На рисунке 1 показаны сигналы, отраженные от разных препятствий. Диагностика проводится по величине амплитуды импульса на участке с препятствием.

Взаимосвязь между видом отраженных сигналов и проблемами в промышленном Ethernet-кабеле
Рис. 1. Взаимосвязь между видом отраженных сигналов и проблемами в промышленном Ethernet-кабеле

Для использования TDC-преобра­зователя в рефлектометрических измерениях запуск измерения настраивается для работы с определенными положительными и отрицательными приращениями напряжения. Во многом как и АЦП, которые осуществляют выборку через равные интервалы времени, TDC-преобразователи работают при равных приращениях амплитуды. Они характеризуются очень малым энергопотреблением при высоком разрешении и используются для определения амплитуды фронтов сигнала.

 

Настройка TDC-преобразователя

На рисунке 2 показана типовая схема рефлектометрической измерительной установки с использованием TDC-преобразователя. Передний и задний фронты распространяющегося по кабелю импульса служат триггерами для TDC-преобразователя, который измеряет значения времени поступления отраженных сигналов.

Структурная схема рефлектометрической установки с использованием TDC-преобразователя
Рис. 2. Структурная схема рефлектометрической установки с использованием TDC-преобразователя

Рассмотрим простой случай с сигналом в цепи с разомкнутым проводником (см. рис. 1). Как только принятый сигнал достигает порогового значения, заданного одним из цифровых потенциометров (DPOT), срабатывает компаратор и затем – стоп-линия TDC-преобразователя. Поскольку такие преобразователи как, например, TDC7201 от TI способны захватывать несколько стоп-сигналов по переднему и заднему фронтам, можно задать ряд пороговых значений для этих фронтов с помощью нескольких компараторов и цифровых потенциометров (или ЦАП). В результате реализуется более полное извлечение информации из отраженных сигналов в Ethernet-кабеле.

 

Рефлектометрические измерения с использованием Ethernet-устройств

Устройства DP83822 и DP83867 физического уровня Ethernet поддерживают функциональный блок диагностики кабеля как часть зависящего от среды интерфейса (MDI) с интегрированным TDR-рефлектометром (см. рис. 3). Эта встроенная функция используется для профилактического обслуживания и диагностики неисправностей Ethernet-кабелей промышленного оборудования. Данный метод позволяет обнаружить разрывы в кабелях, а также повреждения в кабельных парах и плохо подключенные разъемы. Такие неполадки могут происходить на предприятиях с жесткими условиями эксплуатации, где применяется робототехника или автоматизированные модули, а также случаться из-за небрежных действий операторов.

Блок диагностики кабелей как часть зависящего от среды интерфейса
Рис. 3. Блок диагностики кабелей как часть зависящего от среды интерфейса

Рефлектометрия для наблюдения за формой отраженного сигнала – метод активных измерений, для реализации которого требуется неактивный Ethernet-канал. Рефлектометрическая функция, интегрированная на физическом уровне, генерирует импульсы и измеряет все отражения в Ethernet-кабеле. В памяти хранятся значения пяти отраженных сигналов, включая их время задержки, амплитуду и ее знак.

Хост-микроконтроллер занимается конфигурацией, запуском и считыванием результатов с помощью интерфейса MDIO/MDC (management-data input/output, management-data clock) между микроконтроллером и уровнем Ethernet PHY. Доступ к функции диагностики кабеля, являющейся частью расширенного регистрового пространства на этом уровне, осуществляется с помощью блока MDIO хоста-микроконтроллера (см. рис. 4).

Интерфейс MDIO/MDC между микроконтроллером и уровнем Ethernet PHY
Рис. 4. Интерфейс MDIO/MDC между микроконтроллером и уровнем Ethernet PHY

Хост-микроконтроллер конфигурирует функцию TDR в заданном рабочем режиме. Импульс рефлектометра можно генерировать вручную с помощью программного обеспечения или автозапуска по событию в нисходящем Ethernet-канале. Применяются конфигурации для выбора пар приемник/временная область, перекрестных режимов и усредняющих циклов TDR, а также для самопроверки, обнаружения отражений в длинных кабелях и пороговой величины отраженных сигналов большой амплитуды в коротких кабелях.

После запуска измерителя отраженного сигнала с уровня PHY отправляется короткий импульс по Ethernet-кабелю. Этот импульс отражается на дальнем конце, если линия разомкнута, короткозамкнута или у нее несогласованный импеданс (см. рис. 5). Отражения не наблюдаются на дальнем конце кабеля с согласованной оконечной нагрузкой 100 Ом. В таких случаях на экране рефлектометра не регистрируются отраженные сигналы.

Измерение сигнала, отраженного на дальнем конце разомкнутого кабеля
Рис. 5. Измерение сигнала, отраженного на дальнем конце разомкнутого кабеля

По полученному из рефлектометра сигналу хост-микроконтроллер определяет задержку, амплитуду и ее знак, чтобы установить вид ошибки в кабеле и расстояние от ее источника до рефлектометра. На рисунке 6 показан результат рефлектометрического измерения закороченного Ethernet-кабеля: сначала следует первый импульс, за ним – отраженный от дальнего конца закороченного кабеля. Время прохождения электрического сигнала по медному кабелю составляет около 5 нс/м.

Пример измерения отраженного импульса в закороченном кабеле
Рис. 6. Пример измерения отраженного импульса в закороченном кабеле

Время между моментом генерации импульса и его регистрацией рефлектометром (Δt) равно 244 нс. Поскольку сигнал проходит одно и то же расстояние до места повреждения в кабеле и обратно до рефлектометра, для определения этого расстояния необходимо время разделить на скорость распространения сигнала 5 нс/м и на два: 244 нс: 5 нс/м: 2 = 24,4 м. Отрицательный знак амплитуды отраженного импульса свидетельствует о наличии короткого замыкания в кабеле.

 

Выводы

Рефлектометрия во временной области – очень мощное средство испытаний, которое позволяет установить местонахождения разрыва или короткого замыкания в кабеле, а также определить попадание воды в кабель, что влияет на его изоляционные свойства. На основе этой информации производители могут своевременно осуществить ремонтные работы и повысить продуктивность.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *