УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ Российский патент 2004 года по МПК H04M1/24 G01B7/02 H04B3/46 

Предлагаемое изобретение относится к измерительным устройствам, использующим электрические средства для измерения длины двухпроводной линии передачи данных.

Известно устройство [1] для измерения длины двухпроводной линии передачи данных, использующее метод рефлектометрии, основанный на посылке в линию зондирующего и приеме отраженного импульсов. Это устройство содержит генератор зондирующего импульса, приемник отраженного импульса, микрокомпьютер, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти и два усилителя. Выход генератора зондирующего импульса соединен с входом приемника отраженного импульса и подключен к проверяемой двухпроводной линии. Микрокомпьютер соединен с генератором зондирующего импульса, приемником отраженного импульса, аналого-цифровым преобразователем, блоком памяти и усилителями.

Недостатком устройства [1] является небольшой диапазон длин измеряемых двухпроводных линий. Это связано с тем, что, с одной стороны, короткий зондирующий импульс не может преодолеть достаточно длинную линию и вернуться обратно - он сильно затухает и не может быть надежно распознан на фоне шумов. С другой стороны, с увеличением длительности зондирующего импульса диапазон длин измеряемых двухпроводных линий расширяется, но быстро входит в насыщение. Это обусловлено тем, что длительность зондирующего импульса становится соизмеримой с временем его распространения к удаленному концу линии и обратно. В результате получаемые рефлектограммы становятся непригодными для надежного распознавания отраженного импульса на фоне зондирующего из-за их интерференции и влияния других факторов.

Экспериментально установлено, что рефлектометрический метод измерения длины стандартного телефонного кабеля типа ТПП-0,5 (представляющего набор витых пар проводов с диаметром медной жилы 0,5 мм) не позволяет работать на дистанциях, превышающих 4 км, что явно недостаточно для практических целей, когда необходим диапазон, измеряемый десятками километров.

Известно устройство [2] для измерения длины двухпроводной линии передачи данных, содержащее первый и второй блоки приема-выдачи тестовых сигналов, подключенные к противоположным сторонам проверяемой двухпроводной линии передачи данных, первый блок приема-выдачи тестовых сигналов содержит микрокомпьютер, генератор импульсов, первый линейный приемник, таймер, первый и второй согласующие резисторы и блок регистрации формы сигнала, содержащий блок памяти, аналого-цифровой преобразователь и первый мультиплексор, входы данных которого являются первым и вторым входами блока регистрации формы сигнала, управляющий вход первого мультиплексора соединен с входом разрешения работы аналого-цифрового преобразователя и является третьим входом блока регистрации формы сигнала, четвертый и пятый входы этого блока соединены с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами данных блока памяти, выходы которого являются группой выходов блока регистрации формы сигнала, выход первого мультиплексора соединен с входом синхронизации блока памяти и с входом пуска аналого-цифрового преобразователя, входы первого линейного приемника подключены к проверяемой двухпроводной линии передачи данных и соединены с четвертым и пятым входами блока регистрации формы сигнала и через первый и второй согласующие резисторы - с шиной нулевого потенциала, выход первого линейного приемника соединен с первым входным портом микрокомпьютера, первый выходной порт которого соединен с первым входом блока регистрации формы сигнала, третий вход которого соединен с вторым выходным портом микрокомпьютера, группа входных портов которого соединена с группой выходов блока регистрации формы сигнала, выход данных таймера соединен с вторым входным портом микрокомпьютера, второй блок приема-выдачи тестовых сигналов содержит третий и четвертый согласующие резисторы, первый линейный передатчик и первый формирователь импульса, выход которого соединен с входом данных первого линейного передатчика, выходы которого подключены к проверяемой двухпроводной линии передачи данных и через третий и четвертый согласующие резисторы к шине нулевого потенциала. Устройство [2] содержит также два телевизионных приемника, подключенных к первому и второму блокам приема-выдачи тестовых сигналов.

Первый и второй блоки приема-выдачи тестовых сигналов устройства [2] синхронизируются от кадровых импульсов, поступающих от телевизионных приемников, настроенных на одну и ту же станцию местного телевещания. Это позволяет согласовать во времени моменты выдачи и приема тестового сигнала, представленного перепадом напряжения в проверяемой двухпроводной линии передачи данных. Для компенсации разности дистанций между каждым телевизионным приемником и телецентром проводятся две серии измерений, различающиеся направлением передачи тестового сигнала. Полученные результаты усредняются.

Недостатком устройства [2] является сложность. Этот недостаток связан с использованием в устройстве двух телевизионных приемников. Кроме того, функциональные возможности устройства ограничены в связи с возможностью работы только в зоне уверенного приема сигнала от телецентра и в отсутствие перерывов телевещания.

Цель изобретения - упрощение устройства и расширение его функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения длины двухпроводной линии передачи данных, содержащем первый и второй блоки приема-выдачи тестовых сигналов, подключенные к противоположным сторонам проверяемой двухпроводной линии передачи данных, первый блок приема-выдачи тестовых сигналов содержит микрокомпьютер, генератор импульсов, первый линейный приемник, таймер, первый и второй согласующие резисторы и блок регистрации формы сигнала, содержащий блок памяти, аналого-цифровой преобразователь и первый мультиплексор, входы данных которого являются первым и вторым входами блока регистрации формы сигнала, управляющий вход первого мультиплексора соединен с входом разрешения работы аналого-цифрового преобразователя и является третьим входом блока регистрации формы сигнала, четвертый и пятый входы этого блока соединены с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами данных блока памяти, выходы которого являются группой выходов блока регистрации формы сигнала, выход первого мультиплексора соединен с входом синхронизации блока памяти и с входом пуска аналого-цифрового преобразователя, входы первого линейного приемника подключены к проверяемой двухпроводной линии передачи данных и соединены с четвертым и пятым входами блока регистрации формы сигнала и через первый и второй согласующие резисторы - с шиной нулевого потенциала, выход первого линейного приемника соединен с первым входным портом микрокомпьютера, первый выходной порт которого соединен с первым входом блока регистрации формы сигнала, третий вход которого соединен с вторым выходным портом микрокомпьютера, группа входных портов которого соединена с группой выходов блока регистрации формы сигнала, выход данных таймера соединен с вторым входным портом микрокомпьютера, второй блок приема-выдачи тестовых сигналов содержит третий и четвертый согласующие резисторы, первый линейный передатчик и первый формирователь импульса, выход которого соединен с входом данных первого линейного передатчика, выходы которого подключены к проверяемой двухпроводной линии передачи данных и через третий и четвертый согласующие резисторы к шине нулевого потенциала, первый блок приема-выдачи тестовых сигналов дополнительно содержит второй линейный передатчик, второй мультиплексор, элемент И и триггер, управляющий вход второго линейного передатчика соединен с первым выходом генератора импульсов и с третьим входным портом микрокомпьютера, второй выход генератора импульсов соединен с входом данных второго линейного передатчика, с первым входом элемента И и с четвертым входным портом микрокомпьютера, третий выход генератора импульсов соединен с вторым входом элемента И, четвертый и пятый выходы генератора импульсов соединены с первым и вторым входами данных второго мультиплексора, управляющий вход которого соединен с третьим выходным портом микрокомпьютера, а выход - с вторым входом блока регистрации формы сигнала, третий вход элемента И соединен с первым входным портом микрокомпьютера, группа выходных портов которого соединена с группой входов таймера, вход синхронизации которого соединен с выходом элемента И, а выход признака нулевого кода - с входом установки единицы триггера, вход установки нуля которого соединен с четвертым выходным портом микрокомпьютера, выход триггера соединен с пятым входным портом микрокомпьютера и с дополнительным входом данных блока памяти, дополнительный выход которого соединен с шестым входным портом микрокомпьютера, второй блок приема-выдачи тестовых сигналов дополнительно содержит второй линейный приемник и второй формирователь импульса, выход которого соединен с управляющим входом первого линейного передатчика, а вход - с входом первого формирователя импульса и с выходом второго линейного приемника, входы которого соединены с выходами первого линейного передатчика.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - функциональная схема таймера; на фиг.3 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство для измерения длины двухпроводной линии передачи данных (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 блоки приема-выдачи тестовых сигналов, подключенные к противоположным сторонам проверяемой двухпроводной линии 3 передачи данных, первый блок 1 приема-выдачи тестовых сигналов содержит микрокомпьютер 4, генератор 5 импульсов, первый линейный приемник 6, таймер 7, первый 8 и второй 9 согласующие резисторы и блок 10 регистрации формы сигнала, содержащий блок памяти 11, аналого-цифровой преобразователь 12 и первый мультиплексор 13, входы данных которого являются первым 14 и вторым 15 входами блока 10 регистрации формы сигнала, управляющий вход первого мультиплексора 13 соединен с входом разрешения работы аналого-цифрового преобразователя 12 и является третьим входом 16 блока 10 регистрации формы сигнала, четвертый 17 и пятый 18 входы этого блока соединены с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя 12, выходы 19 которого соединены с входами данных блока памяти 11, выходы которого являются группой 20 выходов блока 10 регистрации формы сигнала, выход первого мультиплексора 13 соединен с входом синхронизации блока памяти 11 и с входом пуска аналого-цифрового преобразователя 12, входы 21 и 22 первого линейного приемника 6 подключены к проверяемой двухпроводной линии 3 передачи данных и соединены с четвертым 17 и пятым 18 входами блока 10 регистрации формы сигнала и через первый 8 и второй 9 согласующие резисторы - с шиной 23 нулевого потенциала, выход первого линейного приемника 6 соединен с первым входным портом 24 микрокомпьютера 4, первый выходной порт 25 которого соединен с первым входом 14 блока 10 регистрации формы сигнала, третий вход 16 которого соединен с вторым выходным портом 26 микрокомпьютера 4, группа 27 входных портов которого соединена с группой 20 выходов блока 10 регистрации формы сигнала, выход 28 данных таймера 7 соединен с вторым входным портом 29 микрокомпьютера 4, второй блок 2 приема-выдачи тестовых сигналов содержит третий 30 и четвертый 31 согласующие резисторы, первый линейный передатчик 32 и первый формирователь 33 импульса, выход которого соединен с входом данных первого линейного передатчика 32, выходы которого подключены к проверяемой двухпроводной линии 3 передачи данных и через третий 30 и четвертый 31 согласующие резисторы - к шине 34 нулевого потенциала.

Первый блок 1 приема-выдачи тестовых сигналов дополнительно содержит второй линейный передатчик 35, второй мультиплексор 36, элемент И 37 и триггер 38, управляющий вход второго линейного передатчика 35 соединен с первым выходом 39 генератора 5 импульсов и с третьим входным портом 40 микрокомпьютера 4, второй выход 41 генератора 5 импульсов соединен с входом данных второго линейного передатчика 35, с первым входом элемента И 37 и с четвертым входным портом 42 микрокомпьютера 4, третий выход 43 генератора 5 импульсов соединен с вторым входом элемента И 37, четвертый 44 и пятый 45 выходы генератора 5 импульсов соединены с первым и вторым входами данных второго мультиплексора 36, управляющий вход которого соединен с третьим выходным портом 46 микрокомпьютера 4, а выход - с вторым входом 15 блока 10 регистрации формы сигнала, третий вход элемента И 37 соединен с первым входным портом 24 микрокомпьютера 4, группа 47 выходных портов 48-52 которого соединена с группой входов таймера 7, вход 53 синхронизации которого соединен с выходом элемента И 37, а выход 54 признака нулевого кода - с входом установки единицы триггера 38, вход установки нуля которого соединен с четвертым выходным портом 55 микрокомпьютера 4, выход триггера 38 соединен с пятым входным портом 56 микрокомпьютера 4 и с дополнительным входом 57 данных блока памяти 11, дополнительный выход 58 которого соединен с шестым входным портом 59 микрокомпьютера 4, второй блок 2 приема-выдачи тестовых сигналов дополнительно содержит второй линейный приемник 60 и второй формирователь 61 импульса, выход которого соединен с управляющим входом первого линейного передатчика 32, а вход - с входом первого формирователя 33 импульса и с выходом второго линейного приемника 60, входы которого соединены с выходами первого линейного передатчика 32.

Таймер 7 (фиг.2) содержит сдвиговый регистр 62 и счетчик 63. Параллельные выходы 64 данных счетчика 63 соединены с параллельными входами данных сдвигового регистра 62. Параллельные выходы 65 данных сдвигового регистра 62 соединены с параллельными входами данных счетчика 63. Выходной порт 52 микрокомпьютера 4 соединен с последовательным входом данных сдвигового регистра 62. Направление сдвига данных в этом регистре показано стрелкой 66. Входной порт 29 микрокомпьютера 4 соединен с последовательным выходом данных сдвигового регистра 62. Выходной порт 49 микрокомпьютера 4 соединен с входом синхронизации сдвига данных регистра 62. Выходной порт 51 микрокомпьютера 4 соединен с управляющим входом параллельного приема данных в сдвиговый регистр 62 с выходов 64 счетчика 63. Выходной порт 50 микрокомпьютера 4 соединен с управляющим входом параллельного приема данных в счетчик 63 с выходов 65 сдвигового регистра 62. Выходной порт 48 микрокомпьютера 4 соединен с управляющим входом установки кода "все единицы" в счетчике 63. Выход 54 таймера 7 соединен с выходом признака "все нули" счетчика 63. Вход 53 таймера 7 соединен с управляющим входом вычитания единицы счетчика 63.

На фиг.3 представлены временные диаграммы работы устройства.

Диаграммы 67 и 68 соответствуют сигналам на выходах 41 и 39 генератора 5 импульсов. Диаграммы 69 и 70 отображают сигналы на входах первого 6 и второго 60 линейных приемников. Диаграммы 71 и 72 соответствуют сигналам на выходах формирователей 33 и 61. Часть диаграммы 69, выделенная окружностью 73, в укрупненном виде показана в виде фрагмента 74. На этом фрагменте диаграмма 75 отображает тот же сигнал, что и диаграмма 69. Диаграмма 76 соответствует сигналу на выходе мультиплексора 13. Часть диаграммы 75, выделенная окружностью 77, в укрупненном виде показана в виде фрагмента 78. На этом фрагменте диаграмма 79 отображает тот же сигнал, что и диаграммы 75 и 69. Диаграмма 80 соответствует сигналу на выходе мультиплексора 13. Уровни 81-85 и 86-90 напряжений U1 и U2 между проводами проверяемой линии 3 на противоположных ее сторонах (на входах линейных приемников 6 и 60) соответствуют высокому положительному (81, 86), низкому положительному (82, 87), нулевому (83, 88), низкому отрицательному (84, 89) и высокому отрицательному (85, 90) напряжениям.

Ниже рассмотрена работа составных частей устройства.

Высокоточный генератор 5 импульсов предназначен для обеспечения синхронной работы всех составных частей устройства. Он содержит пять выходов: 39, 41, 43-45, на которых формируются периодические сигналы, по форме близкие к прямоугольным, со скважностью, близкой двум. Все формируемые генератором 5 сигналы имеют фиксированные (неизменные во времени) фазовые соотношения. При измерении или отсчете заданных интервалов времени сигнал с выхода 43 генератора 5 проходит через элемент И 37 и поступает на вход 53 синхронизации таймера 7. Период этого сигнала задает квант времени, которым оперирует устройство, и может составлять, например, 5 нс.

Сигналы с выходов 44 и 45 генератора 5 определяют две возможные частоты регистрации цифровых отсчетов аналогового сигнала, поступающего из линии 3, в памяти 11. Частоты сигналов с выходов 44 и 45 могут составлять, например, соответственно 50 кГц и 50 МГц. Выбор той или иной частоты производится микрокомпьютером 4 с помощью мультиплексора 36 в зависимости от значения управляющего сигнала в его выходном порте 46 микрокомпьютера 4: при нулевом управляющем сигнале на выход мультиплексора 36 транслируется сигнал с выхода 44 генератора 5, при единичном - с выхода 45 этого генератора.

Сигналы Y1 и Y2 с выходов 41 и 39 генератора 5 задают режимы работы линейного передатчика 35. Эти сигналы имеют одинаковую частоту (например, равную 10 Гц) и имеют взаимный фазовый сдвиг, равный четверти периода (см. фиг.3, диаграммы 67 и 68). Период t₀-t₁₀ сигнала Y1 определяет длительность цикла работы устройства. При Y2=1 передатчик 35 включен, при Y2=0 - выключен, при этом его выходы находятся в состоянии с высоким выходным импедансом. Включенный передатчик 35 имеет низкое выходное сопротивление и формирует высокое положительное напряжение U1 (уровень 81) между прямым и инверсным выходами (между точками 22 и 21) при Y1=1 и высокое отрицательное напряжение (уровень 85) при Y1=0. Передатчик 32 работает аналогично под управлением сигналов Y3 и Y4 с выходов формирователей 33 и 61 (см. фиг.3, диаграммы 71 и 72); во включенном состоянии он формирует высокое положительное (при Y3=1) или высокое отрицательное (при Y3=0) напряжение U2 (уровни 86 и 90).

Длительности фронтов выходных сигналов линейных передатчиков 35 и 32 могут быть преднамеренно увеличены до некоторых заданных значений (которые учитываются в окончательных расчетах длины линии 3), а форма этих сигналов сглажена, чтобы уменьшить перекрестные помехи, наводимые на соседние провода кабеля, в котором размещена проверяемая линия 3 передачи данных. Далее для упрощения изложения предполагается, что длительность фронтов сигналов на выходах передатчиков 35 и 32 при их переключении из одного активного состояния в другое пренебрежимо мала.

Линейный приемник 6 выполняет функцию компаратора по отношению к сигналам, поступающим на его входы. При U1>0 (напряжение между его прямым 22 и инверсным 21 входами положительно) сигнал на выходе приемника 6 равен лог. 1; при U1<0 этот сигнал равен лог. 0. При U1=0 выходной сигнал может быть произвольным (лог.0 или 1). Приемник 60 работает аналогично. Сигнал Y5 на его выходе равен лог. 1 при U2>0 и лог.0 при U2<0.

Таймер 7 работает в двух режимах.

В первом режиме ("секундомер") он регистрирует интервал времени t₀-t₇ (см. фиг.3) между началом цикла работы устройства (моментом t₀ выдачи в линию 3 высокого (уровень 81) положительного напряжения) и срабатыванием приемника 6 (момент t₇) в результате получения ответного сигнала (отрицательного напряжения) от удаленного блока 2. Интервал времени t₀-t₇ заранее не известен и зависит, в частности, от длины линии 3 и ее параметров. Во втором режиме ("будильник") таймер отсчитывает заранее заданный период времени от момента t₀ начала цикла до некоторого момента t_С, вычисленного микрокомпьютером по усредненным результатам предшествующих экспериментов, в которых использовался "секундомер". Момент t_С выбирается между моментами t₆ и t₇ так, чтобы максимально наглядно прослеживался участок диаграммы 79 (см. фиг.3) вблизи момента t₆ ее начального отклонения от уровня 82. Это, в свою очередь, позволяет зарегистрировать момент t₆ (возможно, с применением аппроксимации и интерполяции) и использовать полученные данные для расчета длины линии 3.

Подготовка таймера 7 к работе в первом режиме начинается микрокомпьютером 4 при обнаружении перехода сигнала Y2, поступающего во входной порт 40, из состояния лог.0 в состояние лог.1 (см. фиг.3, момент t₈). Обнаружив этот переход, микрокомпьютер 4 устанавливает в состояние лог.0 группу выходных портов 47. Далее микрокомпьютер программно формирует импульсный сигнал SET. Для этого он записывает в порт 48 сначала лог.1, а затем лог.0. Под действием импульсного сигнала SET счетчик 63 таймера 7 устанавливается в состояние "все единицы". Начиная с момента t₁₀ (t₀) старта очередного цикла работы устройства, на вход 53 таймера поступает последовательность импульсов с выхода 43 генератора 5. Каждый импульс уменьшает содержимое счетчика 63 на единицу. Диапазон счета выбирается достаточно большим, чтобы код в счетчике 63 не уменьшился до нуля за время t₀-t₈. В момент t₇ сигнал с выхода линейного приемника 6 закрывает элемент И 37, работа счетчика 63 прекращается в связи с отсутствием синхроимпульсов на входе 53.

Для считывания кода из счетчика 63 микрокомпьютер 4 сначала переписывает этот код в регистр 62, а затем последовательно выдвигает его во входной порт 29. Эти операции выполняются под управлением соответствующей программы, выполняемой микрокомпьютером 4. Для переписи данных из счетчика 63 в регистр 62 микрокомпьютер программно формирует импульсный сигнал RD в выходном порте 51 (записью в этот порт последовательности сигналов: лог.0 - лог.1 - лог.0). Последующие сдвиги данных в регистре 62 происходят под действием программно формируемых импульсных сигналов CLK в выходном порте 49. Выходные данные DOUT таймера 7 при каждом сдвиге последовательно считываются микрокомпьютером 4 из входного порта 29.

Во втором режиме в счетчик 63 загружается некоторый код, предварительно вычисленный микрокомпьютером 4 (происходит установка кода в "будильнике"). Загрузка начинается после момента t₈ при обнаружении микрокомпьютером 4 перехода сигнала Y2, поступающего во входной порт 40, из состояния лог.0 в состояние лог.1. Загрузка счетчика происходит в два этапа. На первом этапе микрокомпьютер 4 передает последовательный код DIN в сдвиговый регистр 62 через порт 52, а затем, на втором этапе, переписывает полученный параллельный код из регистра 62 в счетчик 63.

Первый этап начинается с установки в портах 48-51 нулевых битов. В порте 52 устанавливается первый бит кода. Затем программно формируется импульсный сигнал CLK. Первый бит DIN передаваемого кода заносится в верхний (по схеме) разряд регистра 62, остальные данные в этом регистре сдвигаются вниз на один разряд, причем бит DOUT не считывается микрокомпьютером и поэтому теряется. Далее в порт 52 заносится второй бит кода, вновь формируется импульсный сигнал CLK и т. д., вплоть до полной загрузки сдвигового регистра 62. На втором этапе в порте 50 программно формируется импульсный сигнал WR (лог.0 - лог.1 - лог.0), в результате параллельный код из регистра 62 переписывается в счетчик 63.

Начиная с момента t₁₀ (t₀) старта очередного цикла работы устройства на вход 53 таймера поступает последовательность импульсов с выхода 43 генератора 5. Каждый импульс уменьшает содержимое счетчика 63 на единицу. В некоторый момент t_С (см. фиг.3, фрагменты 74, 78) в счетчике формируется нулевой код, в следующем такте код "все единицы", затем счет в режиме вычитания единиц в течение некоторого времени продолжается. При обнаружении в счетчике 63 нулевого кода на выходе 54 таймера 7 формируется сигнал лог. 1 длительностью в один период синхросигнала на входе 53 ("будильник" срабатывает). Этот сигнал регистрируется триггером 38 и в дальнейшем в течение некоторого времени сопровождает данные, накапливаемые в блоке памяти 11.

Блок 10 регистрации формы сигнала при наличии разрешения (сигнала лог.1 в выходном порте 26 микрокомпьютера 4) постоянно отслеживает "недавнюю предысторию" напряжения между точками 22 и 21 проверяемой линии 3. Это позволяет после снятия сигнала разрешения получить в блоке памяти 11 своего рода "фотографию" сигнала в линии, по которой можно определить момент t₆ начала фронта ответного тестового сигнала, поступившего из блока 2 (см. фиг.3, фрагменты 74 и 78).

Блок памяти 11 работает по принципу конвейера. Под действием фронта сигнала CL на входе синхронизации этого блока очередной код с выходов аналого-цифрового преобразователя 12 и сопровождающий его бит с выхода триггера 38 записываются в начало "конвейера". В то же время в результате продвижения данных по "конвейеру" на его выходы 20, 58 пересылается очередной код, соответствующий наиболее давней предыстории. Длина "конвейера" может составлять, например, несколько сотен ячеек. При отсутствии динамики сигнала CL содержимое блока памяти 11 остается неизменным.

Аналого-цифровой преобразователь 12 работает при наличии статического сигнала разрешения EN=1. Пуск очередного цикла преобразования происходит при поступлении сигнала синхронизации CL с выхода мультиплексора 13.

Мультиплексор 13 при С=1 передает на выход сигнал с входа 15, формируемый на выходе 44 или 45 генератора 5 (в зависимости от необходимой степени детализации диаграммы напряжения U1, см. фрагменты 74 и 78 на фиг.3). При С=0 мультиплексор 13 передает на выход серию сигналов с входа 14, формируемую программно, когда необходимо в относительно медленном темпе переписать содержимое блока памяти 11 в микрокомпьютер 4.

Формирователи импульса 33 и 61 срабатывают по положительному фронту сигнала Y5 с выхода линейного приемника 60 и выдают на выходы импульсные сигналы Y3 и Y4 в соответствии с временными диаграммами 71 и 72, приведенными на фиг.3. Длительность импульсного сигнала Y3 (интервал Т₄₂=t₄-t₂) формируется с высокой точностью, например с максимальным отклонением от номинальной длительности на 2,5 не в сторону увеличения или уменьшения. Длительность импульсного сигнала Y4 может выдерживаться с более низкой точностью, так как эта длительность не учитывается при расчете длины проверяемой линии 3.

Далее рассмотрена работа устройства в общем виде.

Длина L проверяемой линии вычисляется по известной формуле

L=V_L × T_L,

где V₁ - скорость распространения сигнала в линии передачи данных;

T₁ - время распространения сигнала от начала до конца линии (или в обратном направлении).

При этом V_L=с/k, где с - скорость света в вакууме; k - так называемый "коэффициент укорочения", показывающий, во сколько раз скорость света в вакууме превосходит скорость распространения сигнала по кабелю (например, для кабеля типа ТПП-0,5 k=1,52).

Таким образом, для вычисления длины линии необходимо знать время T_L распространения сигнала от ее начала до конца. Это время соответствует задержке между моментом посылки тестового ступенчатого сигнала в линию и моментом его поступления на противоположную сторону линии. В каждом цикле работы устройства тестовый сигнал сначала пересылается из блока 1 в блок 2, а затем, через точно заданный (заранее известный) интервал времени Т₄₂=t₄-t₂ (см. фиг.3) возвращается из блока 2 в блок 1. Как следует из временных диаграмм, приведенных на фиг.3, искомое время представлено интервалом T_L=Т₁₀=t₁-t₀ при распространении тестового ступенчатого сигнала U1 из блока 1 в блок 2. Такой же интервал времени соответствует распространению ступенчатого тестового сигнала U2 в обратном направлении при его передаче из блока 2 в блок 1:T_L=Т₆₄=t₆-t₄. Интервалы Т₁₀ и Т₆₄ не могут быть определены прямыми измерениями, так как сведения о моменте формирования тестового сигнала "не известны" приемной аппаратуре, размещенной на стороне линии, противоположной той, где размещен источник сигнала. Поэтому применены косвенные измерения, которые проводятся в два этапа.

На первом этапе микрокомпьютер 4 проводит серию измерений длительности интервала времени Т₇₀=t₇-t₀. При измерениях используется таймер 7, который работает в режиме "секундомера". Результаты измерений усредняются для уменьшения влияния на них шумов в линии и других источников погрешностей. На этом же этапе микрокомпьютер 4 после проведения каждого измерения просматривает форму ответного тестового сигнала при его грубой регистрации (диаграмма 75) и расчетным путем выбирает момент t_C срабатывания таймера в режиме "будильника", подготавливаясь к более точной регистрации этого сигнала (диаграмма 79). Момент t_C выбирается так, чтобы область перегиба диаграммы 75 (79) при более точной регистрации попадала примерно в середину накопленного в блоке памяти 11 множества отсчетов аналогового сигнала. Среди полученных значений t_C выбирается оптимальное.

На втором этапе проводится серия более точных регистрации участка перегиба диаграммы 79, показанной на фрагменте 78. Таймер 7 работает в режиме "будильника", который срабатывает в момент t_С, предшествующий завершению регистрации. Каждая полученная диаграмма 79 анализируется с целью вычисления момента t₆ - начала ее перегиба. Возможность вычисления момента t₆ основана на том, что момент t_C и шаг между отсчетами аналогового сигнала (расстояние по горизонтали между соседними точками или кружками на диаграмме 79) известны, а форма сигнала может быть прослежена при просмотре последовательности отсчетов в блоке памяти 11. Полученные результаты определения момента t₆ усредняются. Таким образом, по завершении первого и второго этапов измерений становятся известными интервалы Т₇₀ и Т₇₆=T₂₁.

Для вычисления искомого интервала T_L используется следующее соотношение:

Т₇₀=Т₁₀+Т₂₁+Т₄₂+Т₆₄+Т₇₆=(Т₁₀+Т₆₄)+(T₂₁+Т₇₆)+Т₄₂=2Т₆₄+2Т₇₆+Т₄₂,

из которого следует, что T_L=Т₆₄=(Т₇₀-2Т₇₆Т₄₂)/2. В последнем соотношении интервалы Т₇₀ и Т₇₆ получены в результате измерений и расчетов, а интервал Т₄₂ задан заранее. Значение T_L используется микрокомпьютером 4 для вычисления длины L проверяемой линии 3 передачи данных по приведенной ранее формуле. Окончательный результат измерения длины линии выдается микрокомпьютером 4 на индикатор (на фиг.1 не показан).

В зависимости от выбранного микрокомпьютером 4 режима работы таймера 7 ("секундомер" или "будильник") возможны два варианта цикла работы устройства.

Первый вариант цикла работы устройства

К началу очередного цикла работы устройства (в период, предшествующий моменту t₀, см. фиг.3) в таймер 7 загружен код "все единицы". Сигналы лог.0 с выхода 41 генератора 5 (Y1=0) и с выхода линейного приемника 6 поддерживают элемент И 37 в закрытом состоянии, поэтому синхросигналы с выхода 43 генератора 5 не поступают на вход 53 таймера 7. Триггер 38 находится в состоянии лог.0 благодаря ранее сформированному положительному импульсу установки нуля в выходном порте 55 микрокомпьютера 4. Линейный передатчик 35 поддерживается в активном состоянии сигналом Y2=1 с выхода 39 генератора 5. На выходах передатчика 35 сформировано высокое отрицательное напряжение (уровень 85), так как на его входе данных присутствует сигнал Y1=0.

В выходном порте 46 микрокомпьютера 4 сформирован сигнал лог. 0, поэтому мультиплексор 36 транслирует на выход сигнал с выхода 44 генератора 5. Такая настройка мультиплексора 36 соответствует грубой регистрации формы сигнала (см. диаграмму 75). В выходном порте 26 микрокомпьютера 4 сформирован сигнал лог. 1, поэтому мультиплексор 13 транслирует на выход сигнал с входа 15, а аналого-цифровой преобразователь 12 находится а активном состоянии. Блок 10 регистрации формы сигнала непрерывно накапливает в памяти 11 последовательность отсчетов аналогового сигнала, к каждому из которых добавлен бит с выхода триггера 38. Однако поток данных с выходов 20 и 58 блока памяти 11 не воспринимается микрокомпьютером 4 и теряется. В выходных портах 25, 48-52 присутствуют сигналы лог. 0. Микрокомпьютер 4 следит за сигналом Y1 во входном порте 42 и ожидает его перехода из состояния лог.0 в состояние лог.1.

К моменту начала очередного цикла работы устройства (до момента t₀) линейный передатчик 32 в блоке 2 выключен сигналом Y4=0, на входах приемника 60 присутствует низкое отрицательное напряжение (уровень 89), на выходе приемника 60 сформирован сигнал лог.0. В линии протекает ток, ограниченный омическим сопротивлением проводов линии 3 и сопротивлением последовательно включенных (по отношению к источнику напряжения U1) резисторов 30 и 31. Сопротивление этих резисторов может быть выбрано достаточно большим (например, равным 5 кОм).

В момент t₀ на выходе 41 генератора 5 формируется сигнал Y1=1, на выходах передатчика 35 - высокое (уровень 81) положительное напряжение, на выходе приемника 6 - сигнал лог.1. Элемент И 37 начинает транслировать высокочастотный сигнал с выхода 43 генератора 5 на вход 53 синхронизации таймера 7, который начинает отсчет времени. Перепад напряжения U1 начинает распространяться по линии 3. Микрокомпьютер 4 обнаруживает и принимает к сведению факт начала цикла (переход сигнала Y1 из состояния лог.0 в состояние лог.1) и начинает следить за состоянием сигнала во входном порте 24, ожидая его перехода в состояние лог.0 при получении ответного тестового перепада напряжения от блока 2.

В момент t₁ перепад напряжения достигает противоположного конца линии. Это проявляется в том, что напряжение на входах приемника 60 начинает возрастать примерно по экспоненциальному закону и стремится к некоторому низкому положительному уровню 87, который симметричен уровню 89 относительно нулевого уровня 88.

В момент t₂ диаграмма 70 напряжения U2 пересекает нулевой уровень 88, на выходе приемника 60 формируется сигнал лог. 1, запускаются формирователи 33 и 61 импульсов. Передатчик 32 переходит в активное состояние и формирует высокое (уровень 86) положительное напряжение U2.

В момент t₃ передатчик 35 выключается сигналом Y2=0, напряжение U1 начинает экспоненциально уменьшаться до уровня 82. Через некоторое время, после окончания переходных процессов, напряжение U1 фиксируется на этом уровне. Состояние линии передачи вновь может рассматриваться как статическое, при котором напряжения и токи остаются неизменными.

В момент t₄ сигнал Y3 на выходе формирователя 33 импульса переходит в состояние лог.0, передатчик 32 формирует высокое отрицательное напряжение U2 (уровень 90), которое начинает распространяться по линии 3 в сторону блока 1. В момент t₅ перепад напряжения достигает противоположной стороны линии. Момент t₅ соответствует переходу сигнала Y1 из состояния лог.1 в состояние лог.0, что, однако, не является значимым событием, так как передатчик 35 выключен.

В момент t₇ диаграмма 69 напряжения U1 пересекает нулевой уровень 83, на выходе приемника 6 формируется сигнал лог.0, который закрывает элемент И 37, поступление синхроимпульсов на вход 53 таймера прекращается, в нем фиксируется код отсчета интервала времени Т₇₀. Микрокомпьютер 4 обнаруживает поступление сигнала лог.0 во входной порт 24 и устанавливает в выходном порте 26 сигнал лог.0, приостанавливая работу блока 10 регистрации формы сигнала. Далее микрокомпьютер 4 считывает показания таймера (код, соответствующий интервалу времени Т₇₀) и содержимое блока памяти 11, в котором размещены данные, условно показанные точками на диаграмме 75.

Из-за инерционности микрокомпьютера 4 в блоке памяти 11 перед приостановкой его работы может быть зарегистрирован ряд отсчетов, соответствующих отрицательному напряжению U1. Эти отсчеты после их считывания распознаются микрокомпьютером 4 по кодировке отрицательных чисел, принятой в конкретной модели аналого-цифрового преобразователя. Для продвижения данных в блоке памяти 11 микрокомпьютер 4 программно формирует в выходном порте 25 управляющие импульсы, которые проходят через мультиплексор 13 и поступают на вход CL синхронизации этого блока. После каждого шага продвижения данных микрокомпьютер считывает очередное слово из группы входных портов 27. Биты данных, поступающие из блока памяти 11 во входной порт 59, не принимаются микрокомпьютером 4 во внимание. Считывание и обработка полученных в данном цикле данных завершаются к моменту t₈.

В момент t₈ микрокомпьютер 4 обнаруживает переход сигнала Y2, поступающего во входной порт 40, из состояния лог.0 в состояние лог.1 и начинает подготовку к началу следующего цикла: устанавливает таймер 7 и триггер 38 в исходные состояния и выдает в выходные порты нужные сигналы (описаны ранее), после чего переходит к ожиданию начала нового цикла при переходе сигнала Y1 из состояния лог.0 в состояние лог.1. Сигнал Y2=1 переводит передатчик 35 в активное состояние, на его выходах формируется высокое отрицательное напряжение (уровень 85). В момент t₉ передатчик 32 выключается, напряжение U2 экспоненциально возрастает и к моменту t₁₀ (t₀) достигает установившегося (статического) уровня 89. Далее описанный цикл повторяется.

Второй вариант цикла работы устройства

К началу очередного цикла работы устройства (в период, предшествующий моменту t₀, см. фиг.3) его состояние соответствует описанному ранее (см. описание начального состояния устройства при работе по первому варианту цикла) с учетом двух отличий.

1. В таймер 7 вместо кода "все единицы" загружен код, вызывающий срабатывание "будильника" в момент t_С. Как уже отмечалось, момент t_С выбирается так, чтобы зафиксированная в памяти 11 предыстория динамики сигнала в линии максимальную "наглядно" отображала участок начального перегиба диаграммы 79.

2. Микрокомпьютер 4 устанавливает в выходном порте 46 сигнал лог.1, который настраивает мультиплексор 36 на передачу сигнала с выхода 45 генератора 5 на вход 15 блока 10. Этот сигнал имеет более высокую частоту по сравнению с частотой сигнала на выходе 44 генератора 5 и обеспечивает более подробную регистрацию формы сигнала в линии 3 (см. диаграмму 79).

Работа устройства в период t₀-t₆, совпадает с описанной ранее, однако в данном случае микрокомпьютер следит за сигналом во входном порте 56 (ожидает момента t_С срабатывания "будильника"). В момент t_С на выходе 54 таймера 7 формируется положительный импульс длительностью в один период синхросигнала на его входе 53. Этот импульс устанавливает триггер 38 в единицу. Счетчик 63 таймера 7 продолжает работать, но результаты счета в дальнейшем не используются. Коды, вводимые в блок памяти 11 после момента t_С, помечаются признаком Z=1, который поступает на ее вход 57. Микрокомпьютер 4 обнаруживает сигнал лог.1 во входном порте 56 и переводит выходной порт 26 в состояние лог.0, приостанавливая работу блока 10 регистрации формы сигнала. За время между моментом t_С и моментом приостановки работы блока 10 в нем успевает зарегистрироваться ряд отсчетов, помеченных признаком Z=1 (см. фрагмент 78). После считывания содержимого блока памяти 11 микрокомпьютер 4 располагает информацией, достаточной для распознавания момента t₆ начала отклонения диаграммы 79 от уровня 82.

К моменту t₈ обработка считанных из памяти данных завершается. В момент t₈ микрокомпьютер 4 обнаруживает переход сигнала Y2, поступающего во входной порт 40, из состояния лог.0 в состояние лог.1 и начинает подготовку к началу следующего цикла. Далее цикл работы повторяется.

Использование предлагаемого изобретения позволяет измерять длину двухпроводных линий передачи данных в значительно более широком диапазоне (по сравнению с [1]) за счет передачи по ним редких или даже однократных перепадов уровней напряжения (а не коротких импульсов, которые быстро затухают даже на коротких дистанциях порядка 4 км). При этом полезный сигнал распространяется по линии на фоне "статической предыстории" и в одном направлении, отраженные сигналы не могут его опередить и даже догнать, так что к финишу приходит полноценный по форме сигнал уменьшенной амплитуды и имеющий "размытый" фронт. Диапазон измерений можно дополнительно увеличивать повышением уровня передаваемого сигнала с одновременным контролируемым увеличением длительности его фронта. Можно формировать фронт в виде графика функции

у=sin ϕt, где - π/2≤ϕt≤π/2, ω - параметр, определяющий крутизну фронта.

Увеличение длительности фронта и сглаживание его формы уменьшают нежелательное влияние проверяемой линии на соседние, размещенные в том же кабеле. Но даже при заметном влиянии помехи оказываются редкими (или даже однократными). По сравнению с устройством [2] достигнута значительная экономия аппаратуры (исключены два телевизионных приемника) и расширены функциональные возможности (возможна работа в подземных и иных сооружениях, где нет сигнала от телецентра).

Источники информации

1. Патент США №6097755.

2. Патент РФ №2187784 (прототип).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении электрических средств измерения параметров двухпроводных линий передачи данных. Технический результат заключается в упрощении устройства и расширении его функциональных возможностей. Устройство содержит первый и второй блоки приема-выдачи тестовых сигналов, подключенные к противоположным сторонам проверяемой двухпроводной линии передачи данных, причем первый блок приема-выдачи тестовых сигналов включает в себя микрокомпьютер, генератор импульсов, линейный приемник, линейный передатчик, таймер, мультиплексор, триггер, согласующие резисторы и блок регистрации формы сигнала, а второй блок приема-выдачи тестовых сигналов включает согласующие резисторы, линейный передатчик, линейный приемник и два формирователя импульса. 3 ил.

Устройство для измерения длины двухпроводной линии передачи данных, содержащее первый и второй блоки приема-выдачи тестовых сигналов, подключенные к противоположным сторонам проверяемой двухпроводной линии передачи данных, первый блок приема-выдачи тестовых сигналов содержит микрокомпьютер, генератор импульсов, первый линейный приемник, таймер, первый и второй согласующие резисторы и блок регистрации формы сигнала, содержащий блок памяти, аналого-цифровой преобразователь и первый мультиплексор, входы данных которого являются первым и вторым входами блока регистрации формы сигнала, управляющий вход первого мультиплексора соединен с входом разрешения работы аналого-цифрового преобразователя и является третьим входом блока регистрации формы сигнала, четвертый и пятый входы этого блока соединены с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами данных блока памяти, выходы которого являются группой выходов блока регистрации формы сигнала, выход первого мультиплексора соединен с входом синхронизации блока памяти и с входом пуска аналого-цифрового преобразователя, входы первого линейного приемника подключены к проверяемой двухпроводной линии передачи данных и соединены с четвертым и пятым входами блока регистрации формы сигнала и через первый и второй согласующие резисторы - с шиной нулевого потенциала, выход первого линейного приемника соединен с первым входным портом микрокомпьютера, первый выходной порт которого соединен с первым входом блока регистрации формы сигнала, третий вход которого соединен с вторым выходным портом микрокомпьютера, группа входных портов которого соединена с группой выходов блока регистрации формы сигнала, выход данных таймера соединен с вторым входным портом микрокомпьютера, второй блок приема-выдачи тестовых сигналов содержит третий и четвертый согласующие резисторы, первый линейный передатчик и первый формирователь импульса, выход которого соединен с входом данных первого линейного передатчика, выходы которого подключены к проверяемой двухпроводной линии передачи данных и через третий и четвертый согласующие резисторы - к шине нулевого потенциала, отличающееся тем, что первый блок приема-выдачи тестовых сигналов дополнительно содержит второй линейный передатчик, второй мультиплексор, элемент И и триггер, управляющий вход второго линейного передатчика соединен с первым выходом генератора импульсов и с третьим входным портом микрокомпьютера, второй выход генератора импульсов соединен с входом данных второго линейного передатчика, с первым входом элемента И и с четвертым входным портом микрокомпьютера, третий выход генератора импульсов соединен с вторым входом элемента И, четвертый и пятый выходы генератора импульсов соединены с первым и вторым входами данных второго мультиплексора, управляющий вход которого соединен с третьим выходным портом микрокомпьютера, а выход - с вторым входом блока регистрации формы сигнала, третий вход элемента И соединен с первым входным портом микрокомпьютера, группа выходных портов которого соединена с группой входов таймера, вход синхронизации которого соединен с выходом элемента И, а выход признака нулевого кода - с входом установки единицы триггера, вход установки нуля которого соединен с четвертым выходным портом микрокомпьютера, выход триггера соединен с пятым входным портом микрокомпьютера и с дополнительным входом данных блока памяти, дополнительный выход которого соединен с шестым входным портом микрокомпьютера, второй блок приема-выдачи тестовых сигналов дополнительно содержит второй линейный приемник и второй формирователь импульса, выход которого соединен с управляющим входом первого линейного передатчика, а вход - с входом первого формирователя импульса и с выходом второго линейного приемника, входы которого соединены с выходами первого линейного передатчика.