（测试计量技术及仪器专业论文）双绞线连通性与故障定位检测技术研究.pdf

摘要 摘要 随着我国城市建设现代化速度的加快，综合布线系统得到了快速发展，双绞线电缆作为 局域网的重要传输介质得到了广泛的应用。在综合布线系统的设计和实施过程中，双绞线电 缆的连接正确性( 如出现开路、短路、反接、串绕、错对等问题) 直接影响着局域网中各种 信息的传输质量，影响网络的正常运行。因此，在综合布线系统中，有必要对双绞线进行验 证测试，分析、测试双绞线的连通性，并对双绞线的短路、断路进行准确定位，以便及时排 除故障，保证网络正常运行。 目前，双绞线测试仪器大多是由国外公司提供，价格高，因而应用受到限制。因此，研 究开发出一套能够实现双绞线验证测试的功能，并具有小型化、价格低廉等特点的测试系统 具有十分重要的意义。 本文从实际出发，针对综合布线系统的实际需要，对双绞线连通性及故障定位等问题进 行深入研究，并开发出一套双绞线故障测试系统，为国内综合布线的发展服务。 本文主要研究内容如下： 首先对与双绞线连通性测试、故障定位等相关的双绞线理论知识进行了研究。然后，介 绍了双绞线故障测试系统的组成原理。 研究了双绞线连通性测试的原理和方法，进行双绞线连通性测试系统软硬件设计。 研究了双绞线故障定位测试的原理和方法，重点研究故障定位的现代测试方法及其工作 原理，在此基础上进行双绞线故障定位测试系统软硬件详细设计。解决了双绞线故障定位测 试具体实现中的几个关键问题：发射脉冲的产生与放大驱动，双绞线中脉冲回波的接收，抗 干扰设计，高速数据的采集等。 对所研制的双绞线测试系统进行了调试和试验，证明了作者所设计的系统满足要求。 最后，对本文研制的系统进行了全面总结，对该系统在实际应用过程中遇到的问题进行 有益的探讨。本文在信号调理电路、提高测试精度等方面进行了有益的探索。 关键词：综合布线；双绞线；连通性；故障定位；测试 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l ll l 抡d e v c l o p m e mo fc 时e c o n o m y ，g e n e f i cc a _ b l i i l g s y s t e m ( g c s ) u s e di nb i l i l d i n g a u t o m a t i z a t i o nm a k e sp r o g r e 蟠瑚【p i d l y a sah n do f 恤s n l i s s i o nm e d i 啪i i ll a ni i l g c s ， 嘶s c l 甜一p a i r b l e ( t p c ) i s 、：v i d e l y 璐e d w h e t l l 盯t p ci sc 咖e c t e dw e l lo rn o ti n n u e n c e sd i 豫c t l y t h cv e r a c i t yo fi n f b m i a t i o n 乜眦s m i t t i 毒di nt p c s oi ng c s ，f o rl a nw o r k sw e l i ，i ti sn e c e s s a r vt o t e s tc 0 i m e c t i v i 毋o ft p c ，a n dt 0l o c a t cf a u l tp l a c cw t l e nt p ci l lf h u l t ，s ot o 船s u r eg o o dc o n d i t i o 衄 o f l a n n o w ，1 1 p ct c s ti i l s 仇蚰e n 协i i l a i l l l yd e p e n do ni i i l p o n a t i 叫t h e ya r et o oe x p e 戚v ef o rm 柚y c 0 袱= r i l c dt oa 丘o r di t s 疵c t sd e 、，e l o p l n e n to f g c s s oi ti s 粼s a r yf o rc t l i 越t od e v e i o p h 峪咖a a t sc o n c a m c d 1 h e m a i l lp r o b l 锄sd b o u t t p cc o 衄硎、r i t y t e s t 柚d f a u l t l o c a t i o n i sr e h e d i n t h i sm e s i s ， 锄d a s y s t 锄u s e d i n t p c f h u l t t e s t i s d e v c l o p e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e f h sa r es u m m a r i z e da sf o i l o w s s 锄e t l l e o r y 陀l 缸e d t 0 1 1 p c i s 雕掀删f i r s t i n 恤m c s i s ，t l l e n 也es y s t e mc o m p o 咖g o f t p c t c s ti si n 删u c e d h lt l l e 枷c b 印t e r ，t h ep r i n c i p l ea n da p p a c ho fc 0 删砖c t i v i t yt c s ti si n 扛o d u c e d ，l h mt l l e d e s i 印t i l e o 啦l m d w a r ec o m p o s i n g 觚d 竹聊睇删i z i n g i sd c r i b c di l ld e t a i l i nt l l ef 硪hd l a p t e r m ep 矗i l c i p l ea n da p p r o a c ho ft p cf a l l l t - l o 训o ni si n 柚d ( 1 u c e d ，m o d 锄 a p p r o a c ho ff a l l l tl o c a 缸o n 孤di t sp r i n c i p l ed i s c 璐s e di nd 呦i i l b a s c do nt h e w o l 【，t l l ed e s i 鲫 t l l e o l y l l a r d w a c o m p o s i n g 锄ds o f t w a r e 他a l i z i n gi sp r e 辩m e di nd “l - s u c hk e yp r o b l e m si l l t p c 圳t - l o c a 矗o n 鹊c h o i c c ，g e i l 训a n d 锄p l i f i c a t i o no ft h e 托q u 砌p u l 辩u s e di nt i l e 删t - l o c a t i ，r e p t i o no f 佗r e n 蛐胡p u l ，删j a m i n g 咖b l e 脚锄dt 1 1 e q i l i s m o no fh i g h f e q u 即q ，纰a 陀陀s o l w 翊 h 恤脓hc h p 毗也e1 1 p c 锻s y s t 锄d c v e l o p e db yt l l i st l l e s i si s c x p e r i n l e t e d t h e e x p 渤e n t a lr e s l l l ti s 鞠缸s f 砬t o 彤 f i n a l l y ，t l l em a i nc o n c l 璐i o 璐a r cm a d e 舶m t l l i sw o r k t l l i st l l e s i s 删d 船av a l i dm 劬0 do fi m p r 0 v i i l gt l l em e 勰u r 锄e n tp r e c i s i o mni so fg r e 砒 v a l u e b o 血i n t l l e o r y a n d i i l e n 百n e e r i n g f b r t p c f a u l t t c s l t e s t k e yw o r d s ：e r i cc a b l i n gs y s t e m ；嘲s t e d p a i rc a b l e ；c n c c t i v 姆；f 卸l tio ：t i o n ； 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 呈垂蝤日期：塑矽；l ) 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 i 研究生签名：j = _ 五凼哂一导师签名： 日期：矿7 、j ；j 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国城市建设现代化速度的加快，城市建筑、商业枢纽、办公大楼和居民小区，正 在向全面智能化、网络化的方向迈进。信息网络作为智能大厦、小区的中枢神经，使用户可 以开展广播、可视电话、会议电视、图像传输、数据传输和多媒体等多种综合业务。综合布 线系统作为网络最基本、最重要的组成部分，得到了快速的发展。综合布线系统是建筑物的 基础通信设施，它可以使语音、数据、信息管理系统彼此相连，并与外部通信网络连接，因 此它是各智能化系统的通用平台网络传输平台。在综合布线系统中，双绞线电缆因其价 格低廉且可同时传输话音、数据、图像及c a 模拟信号等优点，被广泛使用在宽带网最后 1 0 0 米局域布线中。 双绞线作为局域网的重要传输介质得到了广泛的应用，它关系到局域网内部计算机的互 联互通，也关系到与国内外公用数据网的连接。双绞线电缆的传输特性和工作可靠性直接影 响着宽带局域网中各种信息的传输质量。在综合布线系统的设计和实施过程中，要将双绞线 和接插件有机地结合在一起，整个过程中加入了很多人为的因素，必将对整个缆线系统在诸 如连接正确性、接续性、短路、开路等方面产生很大的影响。根据统计，大约5 0 一7 0 的 网络故障与电缆有关。所以电缆本身的质量以及安装质量都直接影响网络的正常运行。 因此，在综合布线系统中对双绞线进行测试具有重要的现实意义。 1 2 双绞线电缆测试仪的国内外研究现状 随着综合布线的不断发展，不论是用户还是工程商对于综合布线的要求越来越严格，要 求工程竣工后必须要有测试报告。根据需求不同，通常将综合布线系统测试的方法分为验证 测试和认证测试两类。 所谓验证测试通常是指通过简单的测试手段来判断链路的物理特性，即线路的通断、线 序的正确与否等。在布线过程中，为了确保工程质量，要随时使用验证测试，即使用测试设 备对其进行“随布随测”。验证测试过程中使用的功能按键测试仪级别相对低一些。在验证测 试过程中所使用的设备通常为简单的双绞线测试仪。这类简单的双绞线测试仪包含从最简单 的发光二极管双绞线测试仪到高级的f l u k e f 6 2 0 测试设备，他们共同的特点就是只测试双 绞线布线系统的物理故障。 认证测试相对验证测试就比较复杂。影响布线系统性能的参数，除了链路的物理特性以 外，其电气性能也非常重要。一般在布线系统施工完成时，甲乙双方都要对其进行验收测试， 也即认证测试。这类测试往往要以公共测试标准为基础f 一般以1 1 a t s b 6 7 、i s 0 1 1 8 0 l 为准1 。 它们对布线系统的物理性能和电气性能都要进行严格的测试。前文提到的简单的双绞线测试 仪只测试链路的物理特性，而对线路的电气性能则无能为力。因而认证测试必须使用专业的 双绞线测试仪。这类测试仪可以对布线系统的物理性能和电气性能进行综合的测试。专业的 东南大学硕士学位论文 双绞线测试仪主要有f l u k ed s p 4 0 0 0 ，f l u l d s p 2 0 0 0 等。 目前，网络电缆测试仪从价位上分，可分为高档测试仪、中档测试仪、低档测试仪三类。 为方便分析，通常将售价l 万元以上的测试仪称为高档测试仪，售价几百元几千元的测试 仪称为中档测试仪，售价一百元以下的测试仪称为低档测试仪。 ( 1 ) 高档测试仪 目前，高档测试仪市场全为国外( 主要为美国) 厂商占据，主要生产厂家有美国福禄克、 美国安捷伦、美国胜利等。近年来，市场竞争开始变得激烈，并蔓延到国内。高档测试仪的 代表厂家是美国福禄克网络公司( f l u k en e t 0 r k s ) ，该公司目前处于快速增长期，它是 2 0 0 0 年5 月从原有的f l u k e 公司网络测试仪器部分离出来成立的一家独立公司，是目前世 界最大的网络电缆测试仪生产厂家，全球网络测试技术的创新者和领导者，主要生产高档测 试仪，其代表产品为d s p 4 0 0 0 数字式电缆分析仪，如图1 1 所示，其产品主要买主为电信及 网络布线商，用于网络布线工程完工时的认证测试，产品价格昂贵，通常在2 万一2 0 万之间。 目前在北京、上海、广州、成都设有办事处。 图1 1 美国福禄克d s p 4 0 0 0 系列数字式电缆分析仪 2 、中档测试仪 中档测试仪主要为国外( 美国厂家居多) 以及台湾厂商占据，大陆厂家比较少见。中档 测试仪正处于市场启动阶段。中档测试仪的主要生产厂家有美国微测公司( m i c r a r e s t ) 、 意大利h t 、台湾禾普( h o b b e s ) ，北京康信联( x w e l l ) 等。美国微测公司( m i c r o t e s t ) ( 又称为美国微试) ，是世界上第一家发明并生产制造网络电缆测试仪的厂家，以生产高档测 试仪( 代表产品：0 m n i s 蚰c r 系列产品) 为主，它很早看到中档测试仪巨大的潜在市场，开 发生产了针对该目标市场的m i c l 的s c n n e r 电缆验测仪系列产品，其代表产品为 m i c r o s c 锄n e rp r o ，如图l - 2 所示。台湾禾普( h o b b e s ) ，成立于1 9 8 5 年，靠研发和生产中、 低档网络电缆测试仪起家，目前已发展成为亚洲地区主要的网络电缆测试仪生产厂家。其代 表产品为l a n t c s tp ，该产品除它自己生产外，也为美国福禄克提供0 e m 。北京康信联 ( x 、e l l ) ，是一家在软件开发、系统集成、计算机硬件及网络设备销售和各类工程服务项 目等方面综合发展的高新技术企业。其代表产品为与华铁弘达公司工程部合作开发的t s - 2 0 1 。 2 第一章绪论 图1 2f l u k e 公司的m i c r o s c 锄e rp m 3 、低档测试仪 在国内市场上，低档测试仪几乎为国内厂商占据。低档测试仪虽然功能过于简单，但由 于价格低廉，国内生产厂商众多，竞争激烈。低档测试仪的代表厂家是国内的上海三北实业 公司( 3 n c ) ，1 9 9 4 年开始涉足低档测试仪的生产，并以此起家，目前是国内较大的低档网络 电缆测试仪专业生产厂家。图1 3 为上海三北的能手网线测试仪。为其代表产品为n s - 4 6 8 n ， 其产品主要买主为广大中小企事业单位、各电脑公司、网吧、家庭等，主要用于双绞线做好 后测试是否接通。 1 3 本课题研究意义 图1 3 上海三北的能手网线测试仪 在综合布线系统中，对双绞线进行验证测试，具有十分重要的现实意义。对双绞线的验 证测试主要包括双绞线的连通性测试，即从连接正确性、接续性、短路、开路等方面进行测 试，并实现故障定位等功能。目前，国内市场的验证测试仪大多由国外公司( 如美国孔u k e 公司、安捷伦公司) 提供，价格非常高，一般在万元以上，而国内生产的针对综合布线测试 的仪器非常少，这些不利因素给我国的综合布线商带来了难题。针对这种现象，本文在对双 绞线故障测试技术进行深入研究的基础上，提出并研制一套双绞线故障测试系统，为我国综 合布线提供了技术保障。 东南大学硕士学位论文 1 4 本文的主要研究内容 计。 针对综合布线中双绞线测试的要求，本文主要研究以下内容： 1 根据双绞线故障测试系统功能进行双绞线故障测试系统的架构设计。 2 研究双绞线连通性测试原理和方法，根据连通性测试原理进行系统硬件设计和软件设 3 研究双绞线故障定位的测试方法，重点研究利用时域脉冲反射法对双绞线故障进行定 位测试的原理。 4 根据时域脉冲反射法的原理设计故障定位系统，并详细分析系统各个组成部分的硬件 设计，设计故障定位系统的软件。 5 对双绞线连通性测试及故障定位系统进行试验研究，以检验系统性能。 1 5 本章小结 本章详细介绍了双绞线故障检测这一课题的应用背景及研究意义，提出了本文主要研究 内容。 4 第二章双绞线故障测试系统设计方案 第二章双绞线故障测试系统设计方案 本课题主要针对双绞线的连通性及双绞线的短路、开路故障定位等方面进行研究，研制 双绞线故障测试系统，实现双绞线连通性测试和故障定位测试功能。本章根据双绞线故障测 试系统的功能，提出系统架构。 2 1 双绞线基本概念 本文研究的应用对象是双绞线，故在此介绍一些相关的基本概念。 2 1 1 双绞线的概念 双绞线【1 1 ( t p ：喇s c c dp a i r 证r e ) 是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两 根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，可降低信 号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电磁波会被另一根线上发出的电磁波抵消。双绞 线一般由两根2 2 2 6 号绝缘铜导线相互缠绕而成。如果把一对或多对双绞线放在一个绝缘套 管中便成了双绞线电缆。在双绞线电缆( 也称双扭线电缆) 内，不同线对具有不同的扭绞长度， 一般地说，扭绞长度在1 4 c m 至3 8 1 伽内，按逆时针方向扭绞，相临线对的扭绞长度在1 2 7 c m 以上。与其他传输介质相比，双绞线在传输距离、信道宽度和数据传输速度等方面均受到一 定限制，但价格较为低廉。 目前，双绞线可分为非屏蔽双绞线( u 1 甲：u n s h j e l d e d 删s t c dp a i r ) 和屏蔽双绞线( s t p ： s h i e l d e d 确s t e dp 柚。非屏蔽双绞线由外部保护层、多对双绞线组成。屏蔽双绞线由外部保 护层、屏蔽层、多对双绞线组成。屏蔽双绞线价格高，且安装时要比非屏蔽双绞线电缆困难。 非屏蔽双绞线无屏蔽外套，直径小，节省所占用的空间，重量轻、易弯曲、易安装，将串扰 减至最小或加以消除，具有阻燃性、独立性和灵活性等特点，故在综合布线系统中得到广泛 应用。 2 1 2 双绞线的结构 常用双绞线电缆由4 对线，即8 根双绞线组成，四对线分别用橙、绿、蓝、棕等4 种颜 色表示。双绞线结构如图2 1 所示。 橙橙绿兰兰绿棕棕 白 自白白 图2 1 双绞线结构 东南大学硕士学位论文 实际上，1 0 m 、1 0 0 m 网络中，仅仅使用1 、2 ，3 、6 这四根线，而在1 0 0 0 m 中才使用全 部线对。双绞线接法如图2 2 所示。 图2 2 双绞线连接图( 1 0 m l o o m ，1 0 0 0 m 标准网络接线法) 2 1 3 双绞线类型及型号 美国电子行业协会电信工业协会( e i a 厂】r i a ) 为双绞线电缆定义了五种不同质量的型号。 计算机网络综合布线使用第三、四、五类。这五种型号如下： ( 1 ) 第一类：主要用于传输语音( 一类标准主要用于八十年代初之前的电话线缆) ，不用 于数据传输。 ( 2 ) 第二类：传输频率为l 瑚z ，用于语音传输和最高传输速率4 m b p s 的数据传输，常 见于使用4 m b p s 规范令牌传递协议的旧的令牌网。 ( 3 ) 第三类：指目前在a n s i 和e i a 仍a 5 6 8 标准中指定的电缆。该电缆的传输频率为 1 6 m h z ，用于语音传输及最高传输速率为1 0 m b p s 的数据传输，主要用于1 0 b a t 。 ( 4 ) 第四类：该类电缆的传输频率为2 0 m h z ，用于语音传输和最高传输速率1 6 m b p s 的 数据传输，主要用于基于令牌的局域网和1 0 b a 船t 1 0 0 b a t 。 ( 5 ) 第五类：该类电缆增加了绕线密度，外套一种高质量的绝缘材料，传输频率为 1 0 0 瑚z ，用于语音传输和最高传输速率为l o o m b p s 的数据传输，主要用于l o o b a t 和 1 0 b a - t 网络，这是最常用的以太网电缆。 超5 类布线系统是一个非屏蔽双绞线布线系统，通过对它的“链接”和“信道”性 能的测试表明，它超过瑚i a 5 6 8 的5 类线要求。 与普通的5 类u r p 比较，超5 类u r p 衰减更小，串扰更少，同时具有更高的衰减与串 扰的比值( a c r ) 和信噪比( s r l ) 、更小的时延误差，性能得到了提高。 2 2 双绞线故障测试系统的功能 根据本课题的要求，需要对双绞线进行验证测试，分析、测试双绞线的连通性，并对双 绞线的短路、开路等故障进行及时和准确的定位与诊断，即对双绞线进行连通性测试及故障 定位测试( 测试故障点的距离) 。 双绞线故障测试系统的功能包括： ( 1 ) 测试双绞线的连通性，并直接显示测试结果。 6 喧9 8 橙 第二章双绞线故障测试系统设计方案 ( 2 ) 对双绞线的短路、开路、超长等故障进行定位，测试出故障点的距离，并显示测试 结果。 2 3 双绞线故障测试系统的架构 2 3 1 测试系统组成 双绞线故障测试系统的架构如图2 - 3 所示。本测试系统主要由连通性测试系统和故障定 位测试系统两部分构成。 图2 - 3 双绞线故障测试系统的架构 各个模块的功能： 输入模块：参数用户设置，包括连通性测试系统与故障定位测试系统的启动、传播速度 及脉冲宽度的输入等。 控制模块：控制连通性测试系统与故障定位测试系统，并控制显示模块。 显示模块：显示故障定位的测试结果。 连通性测试系统：主要完成双绞线的连通性测试，测试内容包括开路、短路、反接、串 绕、错对、超长等故障，并直接显示测试结果。 故障定位测试系统：主要是完成短路、开路等故障定位，即确定开路、短路点的具体位 置。此外还包括测试双绞线的长度，并判断双绞线有无超长。 端口：连接被测双绞线。 连通性测试属于基本测试，可以独立出来。在设计系统中，采用单片机单独设计连通性 测试系统。控制模块与故障定位测试系统选用一片d s p 芯片可完成此功能。d s p 与单片机之 间通过串口进行通信。 2 3 2 测试流程 双绞线测试系统的测试流程如下： ( 1 ) 首先设置被测双绞线的参数，如脉冲宽度、传播速度等。 7 东南大学硕七学位论文 ( 2 ) 将双绞线插入测试端口，启动连通性测试系统，测试双绞线的连通性； ( 3 ) 如果连通性测试通过，则完成测试，并显示测试结果； ( 4 ) 如果测试连通性时发现有故障，则启动故障定位测试系统的测试，判断故障类型， 并显示故障点的具体位置。 在下文中将对这两个部分进行深入研究，包括他们的测试原理、测试方法、系统硬件设 计及软件设计等。 2 4 本章小结 本章介绍了双绞线的基本概念，包括双绞线的定义、结构等，然后阐述了双绞线故障测 试系统的功能，提出了双绞线故障测试系统架构。 第三章双绞线连通性测试系统设计 第三章双绞线连通。眭测试系统设计 本章设计双绞线连通性测试系统。首先介绍双绞线常见的故障类型，然后根据故障类型 设计双绞线连通性测试系统的总体方案，并详细阐述测试系统的硬件设计和软件设计。 3 1 双绞线连通性故障类型 双绞线连通性测试是双绞线故障测试中最基本的测试内容。连通性测试系统是测试双绞 线的每根线的连接情况，验证线缆链路中每一根针脚端至端的连通性，即检测双绞线的故障 类型。 双绞线连通性常见的故障类型【l 】如表3 1 所示。主要包括线对交叉，反向线对、交叉线 对、短路、开路等故障类型。 表3 1 双绞线连通性常见故障类型 连接图类型 线缆实际情况 l l 2 _ q 正确连接3 _ _ 3 十叫 ，q 6 1 7 - 7 手8 l l 线对交叉；譬 6 _ 一 反向线对 2 x2 1 交叉线对 餮i 开路 = 短路 l 一1 2 h 3 一_ 3 6 6 l ，2 线对中的 线与3 ，6 线对 中的线发生交 叉，形成一不 可识别回路 同一线对中的l 线l 和线2 交叉 l 、2 线对和3 ， 6 线对交叉 线1 断开 线l 和线3 短路 根据双绞线连通性常见的故障类型，连通性测试的内容主要包括：测试双绞线线对交叉， 反向线对、交叉线对、短路、开路等故障。 9 东南大学硕士学位论文 3 2 双绞线连通性测试系统设计方案 为了测试出双绞线的线序及每一根芯线的通断情况，本系统需要由两部分组成，即主电 路和辅助电路。主电路的功能是响应连通性测试的启动命令、分配测试信号、显示当前测试 线序、环回测试信号等。辅助电路的功能是显示远程端线序、环回远程端的测试信号。 根据主电路和辅助电路的功能设计连通性测试系统，测试系统结构如图3 1 所示。 单片机 社 图3 1 连通性测试系统结构图 辅助电路 主电路由单片机、显示电路、l u 4 5 端口、环回电路等构成。单片机的功能是接收串口控 制命令、分配测试信号。显示电路就是实时显示正在测试的线序号。l u 4 5 端口用来连接双绞 线的一端。环回电路是将从辅助电路回来的测试信号环回到单片机。辅助电路由r j 4 5 端口、 显示电路及环回电路构成。r j 4 5 端口用来连接双绞线的另一端口。显示电路是显示当前测试 的线序连接的另一端的线序号，环回电路也是用来构成回路。 当主电路接收到串口的启动命令，系统开始进行测试。主电路通过单片机分配测试信号， 周期地按序轮流将测试信号送到被测双绞线的1 到8 根芯线，并显示当前测试的线序号。测 试信号经芯线传输到双绞线的另一端( 即辅助电路) ，显示当前测试线的另一端所对应的线序 号。通过其他芯线传输回主电路。结果可由主电路和辅助电路的显示结果决定。整个连通性 测试系统的测试结果可以反映出每根连线的通断情况及其线序是否正确，从而得出测试结论。 3 3 双绞线连通性测试系统设计 3 3 1 器件选择 在双绞线连通性测试系统中，显示电路选用发光二极管显示当前测试的线序，为了将辅 助电路返回的信号传输回主电路，选用普通二极管可以满足主电路的环回要求。辅助电路的 线序显示电路也选用发光二级管，环回电路选用普通二极管实现。由于此系统中的单片机的 i ，0 口需要同时驱动2 个发光二极管，且只需要8 个m 0 口就能满足要求，为了节约资源且满 足系统要求，选用s t c l 2 c 2 0 5 2 单片机。 s 1 1 2 c 2 0 5 2 单片机【3 】是宏晶科技生产的单时钟机器周期的单片机，具有高速低功耗， 超强抗干扰等特点的新一代8 0 5 1 单片机，指令代码完全兼容传统8 0 5 1 ，但速度快8 1 2 倍， 内部集成m a x 8 1 0 专用复位电路。 s t c l 2 c 2 0 5 2 单片机具有如下特点： l o 第三章双绞线连通性测试系统设计 ( 1 ) 工作频率范围：o 3 5 m h z ，相当于普通8 0 5 l 的o 4 2 m h z ，实际工作频率可达 4 8 m h z 。 ( 2 ) 通用i ，o 口( 2 7 陀3 1 5 ) ，复位后为：准双向口弱上拉( 普通8 0 5 1 传统i 0 口) 可设置成 四种模式：准双向口，弱上拉，推挽偶上拉，仅为输入高阻，开漏。每个i 0 口驱动能力均 可达到2 0 i i a ，但整个芯片最大不得超过5 5 m a 。 ( 3 ) i s p ( 在系统可编程) i a p ( 在应用可编程) ，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串 口( p 3 o p 3 1 ) 直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 3 3 2 测试系统硬件设计 系统硬件结构设计如图3 2 所示。双绞线连通性测试系统主要由s t c l 2 c 2 0 5 2 、发光二 极管、普通二极管及i u 4 5 端口等组成。利用s 1 1 2 c 2 0 5 2 单片机的p l 口分配测试信号，分 别与8 路发光二极管相连，此8 路发光二极管构成主测试系统的显示电路，然后将信号通过 l u 4 5 端口连接到被测双绞线上，双绞线的另一端连接到辅助电路的r j 4 5 上。在辅助电路中 采用发光二极管和普通二极管并联，可显示线序，并环回测试信号。在被测双绞线的每一根 芯线分别经过普通二极管连接到s t c l 2 c 2 0 5 2 的p l 口上，这样就形成了回路。 设当前测试双绞线的1 号线，测试信号由s t 1 2 c 2 0 5 2 的p 1 0 口发出高电平信号，其他 i o 口为低电平，经发光二极管d 1 送到l u 4 5 端口，由双绞线将信号送到了另一端l u 4 5 端口， 经过辅助电路的发光二极管d l ，再由辅助电路的其他普通二极管环回测试信号，通过主电路 的普通二极管送到p 1 口的其他i o 口中，这样构成了回路。如果当前测试1 号芯线连接正确， 则在此回路中主电路的d l 和辅助电路的d 1 均被点亮。这样就完成了1 号线的连通性测试。 其他芯线的测试与1 号芯线相似。 图3 2 双绞线连通性测试系统硬件结构图 在e l a 用a 国际标准中，对双绞线的线序分别规定了两种标准e i a 仍a 5 6 8 a 和 e l a 厂a 5 6 8 b 。这两种线序分别如下： e i a ，n a 5 6 8 a 的线序：绿白，绿、橙白、兰、兰白、橙、棕白、棕； e i a ，兀a 5 6 8 b 的线序：橙白、橙、绿自、兰、兰白、绿、棕白、棕。 直通线接法是两端都按t 5 6 8 b 线序标准连接，而交叉线接法是一端按t 5 6 8 a 线序连接， 另一端按t 5 6 8 b 线序连接。如网卡与交换机之间采用直通线接法，网卡与网卡之间采用交叉 1 1 东南大学硕士学位论文 线接法。故在设计连通性测试系统时需考虑这两种标准。 绿绿橙兰兰橙棕棕 e i a 门广i a 5 6 8 a r j 4 5 1 e i a 厂1 1 a 5 6 8 b r j 4 5 2 白白白白 图3 3 两种标准线序与主电路的连接图 针对这两种标准，在设计双绞线连通性测试系统时，可采用如图3 3 所示的方法解决此 问题：在主电路中采用两个r j 4 5 端口，一个连接e i a ，n a 5 6 8 a 规定的线序，另一个连接 e i 们 5 6 8 b 规定的线序，然后把相同颜色的线序连接在一起。这样就可以测试这两种标准 线序的双绞线。 s 1 1 2 c 2 0 5 2 单片机的p l 口的i ，0 口可以有四种工作类型：准双向口( 标准8 0 5 1 输出模 式) 、推挽输出、仅为输入( 高阻) 或开漏输出功能。这四种类型可通过表3 - 2 所示的方法进 行软件配置。 表3 - 2 p l 口的i ，o 口的设置 p l 翻设定吼z 扎6 飘sp l 舰3p lzp ll 。n p 黼【z 棚p 蒯l l 毋 l ，o 口模式( p 1 i 翔辙a ，d 使用，鬣先将冀，嫒麓成开潮或礴戳输入) 准硬向口( 传统8 ll ，o 妇模式) 。 oo 鬃电漉珂选2 d m a 。控电流为2 3 伽a 。 斑予制造谣袭，实际为2 5 0 1 a 1 5 0 l l a 0l 推挽输i l j ( 强j ：投输班，珂达2 0 m a ，餮抽艰流电阻) l 0 仗为输入( 商阻) ，如襞泼”0 “篱作为a ，d 经阁可选此攒式 l l 开黼( o p c nd 扭h ) 姻袋缓i ，0 翻辫作为a 仍使掰，可选此旗式 p 1 口的每个i o 口由2 个控制寄存器中的相应位控制每个引脚工作类型。s 1 1 2 c 2 0 5 2 单片机上电复位后为准双向口( 传统8 0 5 1 的i o ) 模式。2 v 以上时为高电平，0 8 v 以下时为低 电平。 本系统中p l 口需要设置为准双向口，则设置方法如下： m o v p l m o 群0 0 0 0 0 0 0 0 b m o vp 1 m 1 群0 0 0 0 0 0 0 0 b 1 2 第三章双绞线连通性测试系统设计 注意：虽然p 1 口的每个l 口在弱上拉时都能承受2 0 m a 的灌电流f 还是要加限流电阻， 如l k ，5 6 0 q 等) ，在强推挽输出时都能输出2 0 l n a 的拉电流( 也要加限流电阻) ，但整个芯 片的工作电流推荐不要超过5 5 m a 。即从m c u v c c 流入的电流不超过5 5 i n a ，从m c u g n d 流出电流不超过5 5 r n a 。 在此系统复位时，由于发光二极管不能在复位时被点亮，所以p 1 口的i ，o 口在复位时需 为低电平。而s t c 2 0 5 1 单片机既有弱上拉输出又有强推挽输出，就可以很轻松的解决此问题。 解决方法是在p 1 口的i o 口上分别加一个下拉电阻( 1 k 2 科3 k ) 。这样上电复位时，虽然单片 机内部i ，o 口是弱上拉高电平输出，但由于内部上拉能力有限，而外部下拉电阻又较小，无 法将其拉高，所以该i o 口上电复位时外部为低电平。如果要将此m 口驱动为高电平，可 将此i ，0 口设置为强推挽输出，而强推挽输出时，i o 口驱动电流可达2 0 i i l a ，故可以将该口 驱动为高电平输出。图3 - 4 所示为复位时p 1 0 为低电平电路。 p l o k 图3 - 4 复位时p 1 0 为低电平电路 3 3 3 测试系统软件设计 本系统软件采用c 5 1 【4 】语言在k c i lc 开发环境中进行编程，采用模块化结构设计，主程序 流程如图3 ，5 所示，串口中断子程序如图3 6 所示。 在k e i lc 环境中将程序编写完成，经过编译、调试，最后形成b 能文件。利用 s t ci s pv 3 5 下载软件将程序下载到芯片中，即可以运行。 3 3 4 测试流程 将双绞线两端的水晶头分别插入主电路和辅助电路端的i u 4 5 端口，当串口接收到有效的 测试命令，则连通性测试系统开始工作，这时主电路和辅助电路的发光二极管就应该逐个闪 亮。 ( 1 ) 连接正确的测试现象：测试直通连线时，主电路的指示灯应该从1 到8 逐个顺序闪亮， 而辅助电路端的指示灯也应该从1 到8 逐个顺序闪亮。如果是这种现象，说明直通线的连通 性没问题，否则此双绞线就有问题。 ( 2 ) 线对交叉的测试现象：如果双绞线的线2 与线3 交叉，则主电路的指示灯应该从l 到8 逐个顺序闪亮，而辅助电路端的指示灯的指示顺序为l 、3 、2 、4 ，5 、6 、7 、8 。 ( 3 ) 反向线对的测试现象：如果双绞线的线l 和线2 交叉，则主电路的指示灯应该从l 到8 逐个顺序闪亮，而辅助电路端的指示灯的指示顺序为2 、1 、3 、4 、5 、6 、7 、8 。 ( 4 ) 交叉线对的测试现象：如果双绞线的1 、2 线对和3 、6 线对交叉，则主电路的指示 东南大学硕士学位论文 图3 5 主程序流程图 灯应该从l 到8 逐个顺序闪亮，而辅助电路端的指示灯的指示顺序为3 、6 、l 、4 、5 、2 、 7 、8 。 ( 5 ) 开路的测试现象如下： 1 ) 当有1 到6 根导线开路时，则主电路和辅助电路端的对应线号的指示灯都不亮，其它 的灯仍然可以逐个闪亮。 2 ) 当有7 根或8 根导线开路时，则主电路和辅助电路端的指示灯全都不亮。 ( 6 ) 短路的测试现象如下： 1 ) 当有两根导线短路时，主电路的指示灯仍然按着从l 到8 的顺序逐个闪亮，而辅助电 1 4 第三章双绞线连通件测试系统设计 图3 6 串口中断子程序 路端两根短路线号所对应的指示灯将被同时点亮，其它的指示灯仍按正常的顺序逐个闪亮。 2 ) 当有三根或三根以上的导线短路时，则所有短路线号对应的指示灯都不亮。 3 4 本章小结 本章阐述了常见故障类型，根据常见故障类型进行了双绞线连通性测试系统的方案设计， 然后对连通性测试系统进行了详细的设计，包括器件选择、硬件设计、软件设计等。 东南大学硕士学位论文 第四章双绞线故障定位测试理论 本章开始双绞线故障定位测试系统的研究。本章主要研究双绞线故障定位测试理论。首 先研究双绞线故障定位的测试方法，然后对本文进行故障定位将要采用的脉冲反射法的原理 进行深入研究。 双绞线故障定位测试功能主要是确定短路、开路时故障点的具体位置，以及检测双绞线 的长度，是否满足测试的标准。 一般而言，双绞线故障定位的测试方法基本上可归纳为两类：经典法( 电桥法) 和现代 法( 脉冲反射法) 。 4 1 电桥法 电桥法嘲嘲7 1 是一种经典测试方法。电桥法测试线路的连接如图4 1 所示，将被测电缆终 端故障线与非故障线短接，电桥两臂分别接故障线与非故障线，图b ) 给出了等效电路图。 )b 图4 1 电桥测距原理 通过调节马数值，使电桥平衡，即c d 间的电位差位0 ，无电流流过检流计，此时根据 电桥平衡原理可得： 墨：旦 墨 足 ( 4 - 1 ) 置、坞为已知电阻，设墨，是= 置，则恐置= 足。由于电缆直流电阻与长度成正比， 设电缆导体电阻率为p ，k 长代表电缆全长，以、上d 分别为电缆故障点到测量端及末端的距 离，则马可用( k + 上o ) p 代替，由于上o = 以长一以，根据( 4 1 ) 可推出： 以= 撩 ( 4 - 2 ) 电桥法的优点是简单、方便、精确度高。但是电桥法存在如下缺点： 1 6 第四章双绞线故障定位测试理论 入的数值调整到与电桥法测量的范围内，使得设计不方便。 ( 2 ) 需要知道电缆的准确长度等资料，当一条电缆线路内是由不同导体材料或不同截面 的电缆组成时，需要进行换算。 ( 3 ) 不能测量开路故障。 故实际中电桥法使用很少。而时域脉冲反射法不存在上述缺点。时域脉冲反射法具有简 单、直观，不需要预知有关电缆的精确数据( 如电缆长度、截面积等) ，测寻速度快( 不需烧穿) ， 容易实现数字化等优点，且根据脉冲反射波形还可以容易地识别电缆接头与分支点的位置。 时域脉冲反射法的理论基础是电磁波在传输线中的传输理论。以下首先介绍电磁波在传 输线中的传输理论。 4 2 电磁波在传输线中的传输理论嘲【q 4 2 1 电磁波的反射 当电磁波在无限长均匀传输线上以一定的速度沿线传播时，如果传输线足够长，这种传 播会无止境地持续下去，不会有电磁波的反射现象。但是，实际通信线路总有一定的长度， 为了研究电磁波传播到线路终端或任意不匹配点时产生的物理现象，可以把均匀线在某处断 开，这样就形成了有限长的均匀传输线。 图4 - 2 中用z 工作为负载阻抗接到线路的断开处，当此负载阻抗与线路的特性阻抗z c 相 等时，线路即处于匹配连接状态。图中长度为l 的线路即处在匹配连接状态，此时，电磁波 在沿线传播的情况如同在无限长均匀传输线一样。 玉塑芋 ( a ) z 产z l ( b ) 图4 - 2 无限长与有限长均匀线 从图中可以看，把图中的负载阻抗z 工去掉，改接为特性阻抗乙的无限长均匀线，显然不 会改变电磁波在l 长度线路上的分布。这就是说，电磁波在匹配线路上的传播与在无限长均 匀线上的传播是一样的。此时，信号能量除消耗在线路上以外，其余能量将全部由负载吸收， 不会产生电磁波的反射，当线路负载阻抗乙不等于线路的特性阻抗乙时，即线路处于失配状 1 7 东南大学硕士学位论文 态时，电磁波将在负载处产生反射。 反射的概念 在失配状态下，因乙z c ，电磁波传播到终端时，碰到的阻抗乙已不是沿线上各点的 阻抗值互，这就相当于传播的媒质在终端处发生了变化。例如终端开路，即z l 专a o ，当电磁 波传播到终端时，既不能继续向前传播，又没有负载接收能量，于是电磁波只能由线路终端 向始端回送，这种电磁波的返转传播现象就叫反射。 入射波与反射波 当线路的负载阻抗五不等于线路的特性阻抗互时，电磁波从始端到达终端后就会产生反 射。我们把从线路始端向终端传播的电磁波叫做入射波，入射波包括电压波和电流波。入射 电压波用( ，入表示，入射电流波用厶表示，从线路终端向始端反射的电磁波叫做反射波，反 射波也包括电压波与电流波。反射电压波用表示，反射电流波用乇表示。 显然，当阻抗匹配时只有入射波，没有反射波。而阻抗不匹配时既有入射波又有反射波。 4 2 2 反射系数 电磁波在线路处于失配状态时将产生反射。但不同失配状态下的反射情形，反射过程是 不一样的，为了更进一步分析线路在各种失配状态下的反射，先介绍反射系数的概念。 反射系数的定义 反射波与入射波的比值，称为反射系数，它表示电磁波在线路失配处的反射程度。用公 式表示为 严责2 妥 ， 用反射系数的阻抗表示 电磁波产生反射的原因是因为线路失配( 包括线路特性阻抗改变或线路终端负载不匹 配) ，即互不等于乙，而反射波的传播也是在同一线路上，只是由失配点传向始端而已。因 而在波阻抗及传播中的衰耗及速度方面与入射波的规律是相同的。显然 癸2 z c 警2 z c ( 4 4 ) 上式对于沿线任意点都是适合的，对于发生反射的终端点l 处来说，入射电压为【，厶， 入射电流为屯，而反射电压为【，矗，反射电流为反，则其合成电压与合成电流分别为 美等 ， 1 8 第四章双绞线故障定位测试理论 此