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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.