Патент на изобретение №2183052

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительным устройствам, использующим электрические средства для измерения длины линии передачи данных. Техническим результатом является увеличение диапазона измерения. Устройство содержит ведущий и ведомый блоки, ведущий блок содержит микрокомпьютер, генератор импульсов, линейный передатчик, линейный приемник, согласующий резистор, счетчик, блок памяти, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, ведомый блок содержит линейный передатчик, линейный приемник, согласующий резистор. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

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

Известно устройство [1] для измерения длины 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 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 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 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 не пригодными 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 линии передачи данных, содержащее ведущий и ведомый блоки, подключенные к противоположным сторонам проверяемой линии передачи данных, ведущий блок содержит микрокомпьютер, генератор импульсов, первый линейный передатчик, первый линейный приемник и первый согласующий резистор, ведомый блок содержит второй линейный передатчик, второй линейный приемник и второй согласующий резистор, первый и второй выходы первого линейного передатчика соединены через первую пару проводов проверяемой линии передачи данных со вторым согласующим резистором и с первым и вторым входами второго линейного приемника, первый и второй выходы второго линейного передатчика соединены через вторую пару проводов проверяемой линии передачи данных с первым согласующим резистором и с первым и вторым входами первого линейного приемника.

Определение длины линии устройством [2] проводится по следующей методике. К удаленному концу линии подключается источник сигнала с заранее известным выходным уровнем. Чем длиннее линия, тем больше затухание сигнала. Принятый (ослабленный) сигнал усиливается до некоторого заданного уровня. Чем сильнее ослаблен сигнал, тем больше он усиливается Таким образом, требуемый коэффициент усиления пропорционален длине линии. Зная величину удельного затухания сигнала в линии и требуемый коэффициент усиления, можно вычислить длину линии.

Недостатком устройства [2] является относительно небольшой диапазон измерения длины. Методика измерений предполагает, что установлена устойчивая связь между ведущим и ведомым (удаленным) блоками. При этом уровень выходного сигнала ведомого блока должен быть достаточно низким, чтобы не создавать помех в соседних линиях кабеля. Поэтому если достигнут некоторый предел дальности, устойчивость связи теряется, устройство теряет работоспособность.

Цель изобретения – увеличение диапазона измерения.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения длины линии передачи данных, содержащем ведущий и ведомый блоки, подключенные к противоположным сторонам проверяемой линии передачи данных, ведущий блок содержит микрокомпьютер, генератор импульсов, первый линейный передатчик, первый линейный приемник и первый согласующий резистор, ведомый блок содержит второй линейный передатчик, второй линейный приемник и второй согласующий резистор, первый и второй выходы первого линейного передатчика соединены через первую пару проводов проверяемой линии передачи данных со вторым согласующим резистором и с первым и вторым входами второго линейного приемника, первый и второй выходы второго линейного передатчика соединены через вторую пару проводов проверяемой линии передачи данных с первым согласующим резистором и с первым и вторым входами первого линейного приемника, ведущий блок дополнительно содержит счетчик и блок регистрации формы сигнала, первый выход генератора соединен с входом первого линейного передатчика, с входом установки нуля счетчика и с первым входным портом микрокомпьютера, второй выход генератора соединен с входом синхронизации счетчика, третий выход генератора соединен с первым входом блока регистрации формы сигнала, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходными портами микрокомпьютера, четвертый и пятый входы блока регистрации формы сигнала соединены с входами первого линейного приемника, группа выходов блока регистрации формы сигнала соединена с вторым входным портом микрокомпьютера, выходы счетчика соединены с третьим входным портом микрокомпьютера, вход остановки работы счетчика соединен с выходом первого линейного приемника и с четвертым входным портом микрокомпьютера, в ведомом блоке выход второго линейного приемника соединен с входом второго линейного передатчика.

При этом блок регистрации формы сигнала содержит блок памяти, аналого-цифровой преобразователь и мультиплексор, входы данных мультиплексора являются первым и вторым входами блока регистрации формы сигнала, управляющий вход 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 мультиплексора соединен с входом синхронизации блока памяти и с входом пуска аналого-цифрового преобразователя.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, на фиг.2 – временные диаграммы его работы, на фиг.3 – временные диаграммы, поясняющие принцип действия блока регистрации формы сигнала.

Устройство для измерения длины линии передачи данных (фиг.1) содержит ведущий 1 и ведомый 2 блоки, подключенные к противоположным сторонам проверяемой линии 3 передачи данных. Ведущий блок 1 содержит микрокомпьютер 4, генератор 5 импульсов, первый линейный передатчик 6, первый линейный приемник 7 и первый согласующий резистор 8. Ведомый блок 2 содержит второй линейный передатчик 9, второй линейный приемник 10 и второй согласующий резистор 11. Первый 12 и второй 13 выходы первого линейного передатчика 6 соединены через первую пару 14 проводов проверяемой линии 3 передачи данных со вторым согласующим резистором 11 и с первым 15 и вторым 16 входами второго линейного приемника 10. Первый 17 и второй 18 выходы второго линейного передатчика 9 соединены через вторую пару 19 проводов проверяемой линии 3 передачи данных с первым согласующим резистором 8 и с первым 20 и вторым 21 входами первого линейного приемника 7.

При этом ведущий блок 1 содержит также счетчик 22 и блок 23 регистрации формы сигнала, первый выход 24 генератора 5 соединен с входом первого линейного передатчика 6, с входом 25 установки нуля счетчика 22 и с первым входным портом 26 микрокомпьютера 4, второй выход 27 генератора 5 соединен с входом 28 синхронизации счетчика 22, третий выход 29 генератора 5 соединен с первым входом 30 блока 23 регистрации формы сигнала, второй 31 и третий 32 входы которого соединены с первым 33 и вторым 34 выходными портами микрокомпьютера 4. Четвертый 35 и пятый 36 входы блока 23 регистрации формы сигнала соединены с входами первого линейного приемника 7, группа 37 выходов блока 23 регистрации формы сигнала соединена с вторым входным портом 38 микрокомпьютера 4, выходы 39 счетчика соединены с третьим входным портом 40 микрокомпьютера 4. Вход 41 остановки работы счетчика 22 соединен с выходом первого линейного приемника 7 и с четвертым входным портом 42 микрокомпьютера 4. В ведомом блоке 2 выход второго линейного приемника 10 соединен с входом второго линейного передатчика 9.

Блок 23 регистрации формы сигнала содержит блок 43 памяти, аналого-цифровой преобразователь 44 и мультиплексор 45, входы данных мультиплексора 45 являются первым 30 и вторым 31 входами блока 23 регистрации формы сигнала, управляющий вход мультиплексора 45 соединен с входом 46 разрешения работы аналого-цифрового преобразователя 44 и является третьим входом 32 блока регистрации формы сигнала. Четвертый 35 и пятый 36 входы этого блока соединены с сигнальными входами аналого-цифрового преобразователя 44, выходы которого соединены с входами данных блока 43 памяти, выходы которого являются группой 37 выходов блока 23 регистрации формы сигнала. Выход мультиплексора 45 соединен с входом 47 синхронизации блока памяти и с входом 48 пуска аналого-цифрового преобразователя 44.

Временные диаграммы 49-56 (фиг.2) поясняют принцип действия устройства и отображают сигналы: на выходах 24, 27, 29 генератора импульсов 5 (диаграммы 49, 50, 51 соответственно); на выходах линейного передатчика 6 (диаграмма 52); на входах линейного приемника 10 (диаграмма 53), на выходах линейного передатчика 9 (диаграмма 54); на входах и выходе линейного приемника 7 (диаграммы 55 и 56 соответственно).

Временные диаграммы 57 и 58 (фиг.3) поясняют принцип действия блока 23 регистрации формы сигнала и отображают сигналы на входе 47 синхронизации блока памяти 43 (диаграмма 57) и на входах 35 и 36 аналого-цифрового преобразователя 44 (диаграмма 58).

Ниже рассмотрена работа составных частей устройства.

Генератор импульсов 5 выполнен по схеме с кварцевой стабилизацией частоты и формирует на выходах 24, 27 и 29 непрерывную последовательность импульсов со скважностью, равной двум (см. соответствующие временные диаграммы 49, 50 и 51, приведенные на фиг.2). Частота сигнала на выходе 24 генератора выбирается достаточно низкой (например, 50 Гц или ниже, вплоть до долей герца) для того чтобы длительность импульса, передаваемого по линии, была несопоставимо большей времени распространения сигнала по этой линии. Иными словами, можно считать, что фактически устройство оперирует не импульсами (как в рефлектометрах), а перепадами “статического” сигнала, как будет описано далее.

Частота сигнала на выходе 27 генератора определяет шаг квантования при регистрации интервала времени между фронтами переданного и полученного из линии 3 сигналов и может составлять, например, 100 МГц. Частота сигнала на выходе 29 генератора задает число точек, по которым воспроизводится форма сигнала (для распознавания начала фронта) после его прохождения по линии (см. фиг.3) и может составлять, например, 10 МГц.

Счетчик 22 прибавляет единицу к текущему содержимому по фронту сигнала CL на входе 28 при условии, что R=1 и STOP=0. При R=1 и STOP=1 счет останавливается, т. е. прекращается прибавление единиц к содержимому счетчика. При R= 0 счетчик устанавливается в нуль независимо от состояния сигналов на других входах.

Линейные передатчики 6 и 9 имеют низкое выходное сопротивление, в данном примере совпадающее с волновым сопротивлением линии (это условие рекомендуемое, но не обязательное). При переключении передатчика напряжение между его выходами меняет знак. Длительность фронта выходного сигнала передатчика может быть преднамеренно увеличена до некоторого заданного значения (которое учитывается в окончательных расчетах длины линии 3), а его форма сглажена, чтобы уменьшить перекрестные помехи, наводимые на соседние линии кабеля. В дальнейшем для упрощения изложения предполагается, что длительность фронта сигнала на выходах передатчиков 6 и 9 пренебрежимо мала.

Линейные приемники 7 и 10 выполняют функции компараторов и регистрируют моменты смены полярности входного напряжения. Резисторы 8 и 11 в данном примере имеют сопротивление, соответствующее волновому сопротивлению линии (это условие также не является обязательным).

Блок 23 регистрации формы сигнала при наличии разрешения (лог. 1) с выхода 34 микрокомпьютера 4 постоянно отслеживает “недавнюю предысторию” напряжения между точками 20 и 21 линии 3. Это позволяет расчетным путем с приемлемой точностью определить момент начала фронта поступившего (вернувшегося по петле 6 – 10 – 9 – 7) сигнала. Блок 23 содержит блок 43 памяти, аналого-цифровой преобразователь 44 и мультиплексор 45.

Блок памяти 43 работает по принципу конвейера. Под действием фронта сигнала CL на входе 47 синхронизации очередной код с выходов аналого-цифрового преобразователя 44 записывается в начало “конвейера”, в то же время в результате продвижения данных по “конвейеру” на его выход 37 пересылается очередной код, соответствующий наиболее давней предыстории. Длина “конвейера” может составлять, например, 256 ячеек. При отсутствии динамики сигнала CL содержимое блока памяти 43 остается неизменным.

Аналого-цифровой преобразователь 44 работает при наличии статического сигнала разрешения EN= 1 на входе 46. Пуск очередного цикла преобразования происходит при поступлении сигнала синхронизации CL на вход 48.

Мультиплексор 45 при С=1 передает на выход сигнал с входа 30; при С=0 на выход передается сигнал с входа 31.

Ниже рассмотрена работа устройства.

Принцип действия устройства основан на измерении задержки между посланным и принятым из линии перепадами уровней напряжения с учетом поправок на вносимые линией искажения фронтов сигнала. Умножив известную скорость распространения сигнала в линии на полученную расчетным путем (на основе измеренных параметров) задержку прохождения сигнала по линии (в одну сторону), можно вычислить ее длину.

В исходном состоянии, до момента t₀ (см. фиг.2), на выходе 24 генератора импульсов 5 (диаграмма 49) присутствует сигнал лог. 0, который удерживает счетчик 22 в нулевом состоянии. (На диаграмме 49 показан лишь фрагмент низкочастотного периодического сигнала низкой частоты, например равной 50 Гц). Микрокомпьютер 4 находится в режиме ожидания перехода этого сигнала в состояние лог. 1. На выходах 27 и 29 генератора формируются сигналы, приведенные на диаграммах 50 и 51. На выходе 34 микрокомпьютера 4 присутствует сигнал лог. 1, разрешающий работу аналого-цифрового преобразователя. Этот же сигнал настраивает мультиплексор 45 на передачу сигналов с входа 30. Таким образом, аналого-цифровой преобразователь 44 и блок памяти 43 непрерывно (с частотой дискретизации, определяемой сигналом на выходе 29 генератора 5) отслеживают “новейшую предысторию” состояния сигнала на входах приемника 7. “Выдвигаемая” из блока памяти 43 информация не воспринимается портом 38 микрокомпьютера 4 и теряется (как ненужная). На выходе 33 микрокомпьютера 4 сформирован сигнал лог. 0.

В момент t₀ на выходе 24 генератора 5 формируется сигнал лог. 1, который разрешает работу счетчика 22. Микрокомпьютер 4, получив этот сигнал на вход 26, принимает к сведению факт начала цикла измерений и переходит к ожиданию его завершения, которое, как будет показано далее, сопровождается формированием сигнала лог. 1 на его входе 42.

В момент t₁, близкий t₀, напряжение между выходами 12 и 13 линейного передатчика 6 меняет знак (диаграмма 52). Перепад напряжения начинает распространяться по витой паре проводов 14 линии 3, и в момент t₂ достигает дальнего конца линии. При этом фронт сигнала заметно “размывается”, что условно показано наклонным участком временной диаграммы 53, соответствующей сигналу на входах удаленного приемника 10. После срабатывания приемника (компаратора) 10 и передатчика 9 (момент t₃ восстановленный по форме сигнал (диаграмма 54) начинает распространяться в обратном направлении по витой паре проводов 19 линии 3 и в момент t₄ достигает входов приемника 7 (диаграмма 55), который срабатывает в момент t₅ (диаграмма 56).

Сигнал STOP= 1 с выхода приемника 7 останавливает накопление единиц в счетчике 22, так что в нем фиксируется промежуток времени T5 (см. фиг.2), выраженный в условных единицах – периодах сигнала на выходе 27 генератора 5. Сигнал с выхода приемника 7 поступает также на вход 42 микрокомпьютера 4 и вызывает его переход к программе завершения цикла измерения и обработки полученных результатов. Завершение цикла измерения заключается в приостановке работы блока 23, считывании данных из блока памяти 43 и опросе счетчика 22.

Для приостановки работы блока 23 микрокомпьютер 4 формирует сигнал лог. 0 на выходе 34, запрещая работу аналогово-цифрового преобразователя 44 и настраивая мультиплексор 45 на передачу сигнала с входа 31. На этом входе пока присутствует статический сигнал лог. 0, поэтому на выходе мультиплексора формируется временная диаграмма 57, приведенная на фиг.3. В результате процесс регистрации формы сигнала (диаграмма 58) блоком 23 приостанавливается через небольшой промежуток времени после момента t₅ срабатывания приемника 7 из-за инерционности микрокомпьютера. При этом в блоке памяти 43 хранятся данные, по которым в дальнейшем можно с некоторой точностью вычислить длительность интервала Т₄=t₅-t₄, соответствующего половине длительности фронта принятого сигнала, см. последовательность отсчетов, показанную рядом точек на диаграмме 58.

Считывание данных из блока памяти 43 в микрокомпьютер 4 происходит в сравнительно медленном темпе под управлением программы, которая периодически изменяет состояние выходного порта 33 и после каждого периода изменения считывает очередной отсчет, “выдвинутый” из блока памяти на его выходы 37. После считывания всех данных или их части, необходимой для вычисления длительности промежутка времени ₄=t₅-t₄, микрокомпьютер 4 опрашивает счетчик 22 через входной порт 40, рассчитывает длину линии, выдает результаты на индикатор (на чертежах не показан) и переходит в описанное ранее состояние ожидания следующего положительного фронта сигнала на выходе 24 генератора 5 для повторения измерения (например в режиме усреднения результатов), либо выполняет иные действия, предписанные командами оператора.

Из временных диаграмм, представленных на фиг.2, следует, что, без учета задержек срабатывания линейных передатчиков и приемников, время Т_X распространения фронта сигнала до дальнего конца линии и обратно составляет
Т_X=Т₁+Т₃=Т₅-Т₂-Т₄.

Если предположить, что характеристики пар проводов 14 и 19 примерно одинаковы, то можно считать, что Т₂=Т₄; тогда Т_X=T₅-2Т₄. Время Т_Y распространения сигнала в одну сторону при этом составит Т_Y=Т₅/2-Т₄. Значения Т₅ и Т₄ определены по результатам измерений. Искомая длина L линии вычисляется по формуле
L=сT_Y/К,
где с – скорость света в вакууме;
К – 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 К=1,52).

Если принятое ранее условие примерного равенства промежутков времени Т₂ и Т₄ не соблюдается (что маловероятно), то можно провести измерение повторно, поменяв местами витые пары проводов 14 и 19 и усреднив результаты измерения.

Использование изобретения позволяет измерять длину кабельных линий в значительно более широком диапазоне (по сравнению с аналогом и прототипом) за счет передачи по ним редких или даже однократных перепадов уровней (а не импульсов). При этом полезный сигнал распространяется по петле 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 четверти графика функции
y=sinх,
где –/2x/2.
Увеличение длительности фронта и сглаживание его формы уменьшает нежелательное влияние проверяемой линии на соседние, размещенные в том же кабеле. Но даже при заметном влиянии помехи окажутся редкими (или даже однократными).

Источники информации
1. Патент США 6.097.755.

2. Патент США 5.440.611 (прототип).

Формула изобретения

1. Устройство для измерения длины линии передачи данных, содержащее ведущий и ведомый блоки, подключенные к противоположным сторонам проверяемой линии передачи данных, ведущий блок содержит микрокомпьютер, генератор импульсов, первый линейный передатчик, первый линейный приемник и первый согласующий резистор, ведомый блок содержит второй линейный передатчик, второй линейный приемник и второй согласующий резистор, первый и второй выходы первого линейного передатчика соединены через первую пару проводов проверяемой линии передачи данных со вторым согласующим резистором и с первым и вторым входами второго линейного приемника, первый и второй выходы второго линейного передатчика соединены через вторую пару проводов проверяемой линии передачи данных с первым согласующим резистором и с первым и вторым входами первого линейного приемника, отличающееся тем, что ведущий блок дополнительно содержит счетчик и блок регистрации формы сигнала, первый выход генератора соединен с входом первого линейного передатчика, входом установки нуля счетчика и первым входным портом микрокомпьютера, второй выход генератора соединен с входом синхронизации счетчика, третий выход генератора соединен с первым входом блока регистрации формы сигнала, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходными портами микрокомпьютера, четвертый и пятый входы блока регистрации формы сигнала соединены с входами первого линейного приемника, группа выходов блока регистрации формы сигнала соединена с вторым входным портом микрокомпьютера, выходы счетчика соединены с третьим входным портом микрокомпьютера, вход остановки работы счетчика соединен с выходом первого линейного приемника и четвертым входным портом микрокомпьютера, в ведомом блоке выход второго линейного приемника соединен с входом второго линейного передатчика.

2. Устройство для измерения длины линии передачи данных по п. 1, отличающееся тем, что блок регистрации формы сигнала содержит блок памяти, аналого-цифровой преобразователь и мультиплексор, входы данных мультиплексора являются первым и вторым входами блока регистрации формы сигнала, управляющий вход 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 мультиплексора соединен с входом синхронизации блока памяти и входом пуска аналого-цифрового преобразователя.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 11.11.2003

Извещение опубликовано: 10.03.2005 БИ: 07/2005