基于DP83849的以太网电缆诊断仪的设计

【摘要】随着以太网的快速、广泛应用，网络铺设和维护中的链路检测和电缆诊断成为突出的难题。DP83849内嵌的线缆检测模块提供一种高效、可靠、低成本的实现方案。基于DP83849的线缆诊断仪，可以实现以太网双绞线电缆的各种诊断测试功能，如线长、线序，断路、短路、频率失调等等。基于DP83849，介绍了线缆诊断仪的硬件设计和软件设计，最后对其功能进行验证测试。

【关键词】以太网；DP83849；线缆诊断；时域反射计

中图分类号： TN711 文献标识码： A 文章编号：

0 引言

随着以太网技术的快速发展，其应用越来越广泛，以太网已经从以前的企业应用扩展到目前的专业运营。在以太网的部署日益复杂和使用范围日益广泛的情况下，针对网络的开通、运行维护过程中进行监视和故障定位及排除，都提出了越来越高的要求。问题的解决都依赖于维护方案以及维护仪表。

本文介绍了基于DP83849的以太网电缆诊断仪的设计方案，这种方案复杂度不算太高，作为仪表研发生产，成本不高，功能稳定可靠，可以作为独立便携式仪表设计方案，也可以作为多功能仪表中的一个功能模块。该测试功能为以太网的网络铺设、运营维护提供了高效、快速、低成本的解决方案。[1][2]

1 功能简介

DP83849是美国国家半导体的高度集成双端口以太网收发器，其性能极为可靠，具备电缆参数测量功能，且价格低廉[1]。DP83849内嵌有检测电缆故障和监测链路状态的功能模块[2]，包括：

（1）链路电缆状态

该子功能用于检测双绞线电缆有效链路的当前状态，包括极性反向检测（线对中的正负导线被互换）、线对交换检测（本端发送和接收线对是否发生交换，没有发生交换则为MDI，发生交换则为MDIX）、频率失调、电气电缆长度预估、电缆信号SNR评估。

（2）链路品质检测

该子功能可以检测并告警链路的变化或恶化，芯片内部使用嵌入DSP进行快速处理，当出现链路质量下降，如带宽减少，FCS错误较多等，通过测量链路上的数字均衡器后达系数、数字自适应增益控制、数字基线漂移控制、恢复时钟长期频率失调、恢复时钟频率控制等等，以确定链路受到干扰的程度，指导布线调整。

（3）TDR电缆诊断

DP83849通过使用时域反射计的方法（TDR，Time Domain Reflectometry）来测量双绞线对的长度。TDR可以在发送线对或接收线对上发生脉冲，并观察测量脉冲反射的结果，从而确定：电缆短路、电缆断路（电缆线长）、产生故障的距离、确定故障线对、线对偏差。

2 系统设计

2.1 方案设计

诊断仪采用手持式设计，整体架构如下：

图1 诊断仪系统架构

主控芯片采用当前广泛应用于手持式仪表的STM32F103。STM32F103是ARM 32位的Cortex-M3 CPU，工作频率高达72MHz，内置256KB程序存储器和48KB SRAM，具有极其丰富的通信接口和GPIO口，能够支持TFT320240的LCD屏和触摸屏，支持图形界面，对于本诊断仪的可以一个芯片完成。[3]

DP83849具备两路完全独立的以太网接口，本设计中实现了两路以太网同时测试。诊断仪中的每个端口都包括链路电缆状态、链路品质检测和TDR电缆诊断的所有子功能。下面着重对TDR电缆诊断中的电缆线长测试进行描述。

电缆线长测试使用TDR来实现，先发送脉冲，接收脉冲，计算脉冲走过的距离，从而确定电缆长度。该测试使用到TDR脉冲发生器，它在100Mb速率下，可以发送8ns、16ns、24ns、32ns、40ns、48ns、56ns，共7种脉冲宽度的脉冲波形。电缆的对端连接到未加电的端口，在连接良好的情况下，本端发出的脉冲将无任何发射，短脉冲用于有利于测量短电缆，长脉冲有利于测量长电缆。

TDR基于线对发送脉冲，可以是发送线对或接收线对，脉冲的返回波形也是基于线对进行监测。电缆长度由发送和反射脉冲之间的时间来确定，长度为信号传播距离的1/2，最终长度与电缆的另一个参数相关，则电缆额定传播速率（NVP值），NVP值表述为光速的百分率，0.72c = 0.72 * 3 * 108 m/s，电缆长度计算公式：

L =（t × 0.72c）/ 2

= （T × 10-9） × 0.72 × （3 × 108） × 0.5

= T × 0.72 × 0.15

=（TDR_Peak_Time × 8）× 0.72 × 0.15

= TDR_Peak_Time * 0.864

NVP通常为0.72c，不同的线缆其NVP值可能不相同，可以通过供应商提供，或者测量来最终确定。TDR_Peak_Time为峰值寄存器中记录脉冲发出后到脉冲反射峰值到来之间的时间，其基本单位是8ns。为了使得测试更加精确，可以采用多次测量，取平均值的方法。

TDR脉冲监测，是电缆线长测试需要使用到另外一个功能模块。DP83849内嵌有数模转换器（ADC），能够对脉冲的反射进行采样，将采样值与设定的阈值进行比较。采样周期为8ns，采样到峰值和对应时间都会被记录。采样的时间窗口可以设定为0~255，单位是8ns，只有在该时间范围内，脉冲的反射会被采样分析。

2.2 硬件设计

本诊断仪只做电缆测试，不进行以太网数据传输，STM32F103与DP83849的MII/RMII数据接口不需要进行连接。STM32F103只需要连接DP83849的MII串行管理接口进行寄存器访问即可；STM32F103与LCD触摸屏相连，呈现测试结果和接收用户的操作命令。诊断仪的电池选用1800mAh，能够满足诊断仪的使用需求。

控制电路部分的电路连接如图2、图3所示。

图2 显示触摸控制电路

图2给出STM32F103与显示触摸屏的连接电路。STM32F103的所需的元器件比较少，2个时钟，1个上电复位，1个RTC（实时时钟）时钟电池。

图3 网络控制接口电路

图3给出DP83849网络控制接口部分电路连接。DP83849只通过MII串行管理接口与STM32F103相连。MII串行管理接口包括：MDIO双向数据线和MDC时钟。为了提交时钟的精度，DP83849采用了有源25.00MHz有源晶振。DP83849的两个以太网接口，都通过隔离变压器连接到RJ45接口。

2.3 软件设计

软件设计包括3部分：驱动设计，控制程序设计和界面程序设计。驱动程序实现对MII串行管理接口的访问；控制程序通过调用驱动程序完成DP83849内部寄存器的操作，实现电缆诊断的功能；界面程序实现用户命令的接收和测量结果显示。

STM32F103不具备专用的MII接口，所以MII串行管理接口中的MDIO访问时序需要通过GPIO接口进行模拟。驱动程序根据规定的串行管理访问协议进行引脚的电平控制，实现读写时序。DP83849的两个端口都通过同一个串行管理接口进行访问，通过Phy地址进行寻址。MII串行管理接口访问封装了两个函数：读出函数MdioRead（uint PhyAddr， uint Data），写入函数MdioWrite（uint PhyAddr， uint Data）。

控制程序实现测量功能，寄存器界面上的功能需要对相应的4个寄存器进行配置和状态读取，整个测试过程与以下寄存器相关：EDCR能量检测控制寄存器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。

图4 寄存器访问流程

界面程序使用uGUI图像化界面，测试界面如下：

图5 主测试界面

3 功能验证

下面对其中“TDR电缆诊断”功能进行验证测试，使用TDR进行5类UTP电缆线长测试，NVP值为0.70c，测试结果如下：

表3.1 TDR电缆线长测试结果

对比上表中的实际长度和平均长度，可以知道采用多次测量取平均值的方法能够让测量值更接近实际值。当被测线缆长度在10m以上，测量精度更高。这种方式除了可以确定完好电缆线长，还可以确定受损电缆的故障位置。

4 结束语

本文对基于DP83849的以太网电缆诊断仪的设计方案进行介绍，详细描述了其中TDR电缆线长测试的实现过程，包括硬件电路完整设计，软件界面实现及配置寄存器的配置过程。最后通过STM32开发板对以上设计进行验证，从测试结果可以知道，设计方案能够达到预期结果。因此，基于DP83849的诊断仪有很好的实用和推广价值。

参考文献

[1] DP83849IFVS Dual Port 10_100 Mbps Ethernet Physical Layer Tranceiver. American, National Semiconductor Ltd,.

[2] AN-1469 PHYTER_ Design & Layout Guide. . American, National Semiconductor Ltd,.

[3] 王永虹，徐炜，郝立平. STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社，2008：47-50.