基于射频无线收发器实现双绞线的故障检测方案
随着计算机局域网的不断发展，网络连接越来越复杂，给网络工程师布线、维修等工作带来了很大的困难。困难的原因有两个：第一，双绞线的错接、断接、压线接触不良等问题在工程实践中层出不穷，很难直观发现，而分清每条双绞线两端的对应关系在综合布线中又显得尤其重要;第二，在一般情况下，局域网的终端之间或终端与集线器之间的距离较远，很难采用直接测量的办法对网线故障做出正确判断。
针对以上两点原因，本文对双绞线的故障检测提出了可行的方案与实现方法。首先，将微处理器快速数据分析与逻辑运算应用于双绞线故障检测，使问题变得简单，结果直观化。其次，采用射频无线收发器 nrf401进行数据传输，实现远距离数据交换，使距离远的问题迎刃而解，简化测量过程。
1 系统构成
1.1 nrf401结构简介
nrf401内部结构如图1所示。它是由挪威nordic公司推出的集收、发为一体的集成芯片，工作于433mhz ism频段;采用fsk调制与解调技术;传输速率达20kb/s，传输功率最大+10dbm;差分式天线接口，非常适合做成pcb天线，以节约成本。
图1 nrf401内部结构
图1中各引脚含义如下。
dout：数据输出端。
din：数据输入端。
txen：高电平允许发送数据，低电平允许接收数据。
ant1、ant2：天线接入端。
pwr_up： 器件低功耗控制。
1.2 nrf401外部连接及与微处理器接口
在本设计中，将天线以覆铜的方式做在印制板上，在保证了数据安全可靠传递的前提下，减小了产品的体积。nrf401的配置如图2所示。
图2 nrf401外部连接及与微处理器接口
nrf401与cpu之间控制和数据传递接口如图3 所示。
图3 nrf401与cpu接口 图4 cpu与双绞线接口
1.3 cpu与双绞线接口
普通双绞线包含8根线，可以将89c51的p0口作为双绞线线上电平状态的输入口。通过设置和检测p0口的状态，即可对双绞线的连接状况做出正确判断，连接如图4所示。
2 双绞线连接标准
关于连接的标准有两个：t568a和t568b。两个标准的线序排列如图5所示，方向为水晶头金属压片向上且正对观测者的方向。t568b为常用的标准。
图5 rj45连接器标准
◆ 两边使用同样标准的线称为直通线，用于pc到hub普通口、hub普通口到hub级联口之间的连接。
◆ 两边使用不同标准的线称为级联线， 用于pc到pc、hub普通口到hub普通口之间的连接。
以上两条是判断的主要理论依据。
根据标准，对应 rj-45插头引脚线序颜色如表1所列。
表1
3 工作原理
因为双绞线故障的不确定性，所以不能通过双绞线自身作为主设备和从设备之间数据传递的途径。通过微波进行无线数据传递，对于双绞线的故障判断实在是合适不过的。为此，我们自行设计了主从设备间的数据通信协议及相应的判断规则。
3.1 通信协议
（1） 连接标准选择命令（01h）
下行报文：01h + 标准数据码（t568a为0ah;t568b为0bh）+ lpc。
上行报文：01h + 确认码（00h） + lpc。
（2） 通道选择命令（02h）
下行报文：02h + 通道码（01~08：通道1~通道8）+ lpc。
上行报文：02h + 确认码（00h） + lpc。
注：报文中lpc是指校验和，用于数据校验。
3.2 检测算法
要检测双绞线连接的正确性，必须使电平信号在两条线上传递，否则无法检测。在本设计中，故障检测可分为三步：第一，在 8条导线中寻找1条能传递电平信号的公用导线;第二，将公用导线与待测导线在从设备端短接，使公用导线电平信号经过待测导线传递到主设备侧，从而确定待测导线的故障所在;第三，显示线路的连接状态。
3.2.1 选公用导线
实际上在10m、100m网络中，仅仅使用1-2 、3-6 这两对线，而1000m网络要用所有的导线，但这并不影响双绞线的测量方法。上文已经阐明，对于直通线双绞线的两端线的排列顺序是相同的，而级联线不同于直通线，双绞线的一端1-2对应另一端的3-6，3-6对应1-2，其余与直通线连接对应关系相同。因为在实际应用中，直通线的数量远大于级联线的数量， 所以将直通线列为首要判断对象。公用导线的选择可以从1号线开始进行，主从设备均选中1号线（暂列为公用导线）。通过通道选择命令，由主设备指导从设备将 1号线（临时公用导线）和2号线在从设备端连接起来。如果两条线无故障且两个端子同属于一条双绞线，那么，1号线与2号线将形成通路，在主设备端2号线上，主设备能够检测到加在1号线上的电平信号。由此可知，1号线可选为公用导线，应用于其它导线的测量。否则，两条线中的一条出现故障不能导通，主设备将指导从设备将1、3号线连接起来，重复以上步骤，直到找到公用导线为止。如果公用导线找不到，则说明本线路最多有一条导线导通，或测量的两端不同属于一条线路，或所有的导线发生错接现象。
3.2.2 其它导线对应关系测量
经过公用导线的测量结果分为两种：一， 找到公用导线;二，没有找到公用导线。在公用导线的前提下，首先按照直通线的对应关系，在从设备侧进行连接，看其它导线是否与公用导线形成环路。如果测量最终结果与直通线的对应关系不一致，则按照级联线的对应关系进行测量。如果测量结果还不一致，那么说明有错接现象。通过以上步骤已经获得部分连线导通的信息。将这些导线排除在外，利用排列、组合的数学方法与公用导线连接，从而得出错接导线的连接状况。
如果没有找到公用导线，系统只能通过排列、组合的数学方法找出导线的连接状况。当然，这种几率较少。由于微处理器的速度较快，即使出现这种极端情况，耗时也是瞬间完成的。
另外，每进行一次测量结果的记录是非常重要的，避免了重复性工作，提高了判断速度。
3.2.3 显示两端对应关系
将测量结果显示于液晶屏上，使双绞线两端的对应关系一目了然，便于排除故障。
本设计采用手动和自动测量两种方法。以上叙述了自动测量的原理，手动测量的原理与自动测量相同。区别在于选择手动测量时，已经明确线路接线采用的标准。
4 软件设计［2，3］
根据以上工作原理设计了相应的软件，图6为系统工作流程。下面将整个程序设计的主要通信程序提供给大家，以供参考。
图6 主从设备软件设计流程图
部分程序如下：
include “reg51.h”
include “com.h” //自定义头文件
char cri_opt［3］; //标准选择命令码
char cha_opt［3］; //通道选择命令码
char xbuff［15］; //数据发送缓冲区
char rbuff［15］; //数据接收缓冲
xmit_mst（） interrupt 4 using 3 //主设备发送中断程序
{ ti = 0; //关闭发送中断
if（xput ！= xget）{ //xput：发送缓冲区入指针;//xget：发送缓冲区出指针
sbuf = xbuff（xget）; //发送数据
xget = （xget++）&0fh; //当数据取空时指针xget转到起始位置
}
delay（10ms）;
}
rcv_mst（） interrupt 4 using 3//主设备接收中断程序
{ ri = 0; //关闭接收中断
if（rput ！= rget） { //rput：接收缓冲区入指针;rget：//接收缓冲区出指针
rbuff（rput） = sbuf;
rput = （rput++）&0fh;
}
delay（10ms）;
}
void sendcmd（char*buff， char totalchar）{
char cnt;
for（cnt=0; cnt《=totalchar; cnt++）{
xbuff［xput］ = buff［cnt］; //将命令移入发送缓冲区
xput = （xput++）&0fh; //当发送缓冲区满时入队指针由队尾指向队头
}
sbuf = xbuff［xget］; //引起通信中断，发送数据
delay（10ms）; //延时
}
main（）{
char p0_state;
init（）; //系统初始化
。..。..。..。..
//选择连线标准
cri_opt［1］ = 0ah; //0ah或0bh
lpcgen（cri_opt）; //生成校验码并写入相应位置
sendcmd（cri_opt，3）; //将采用的连接标准通知从设备
p0 = 0ffh; //p0口操作
。..。..。..。..
等待从设备响应; //等待从设备确认后的状态置位
//选择通道
。..。..。..。..
cha_opt［1］ = 01h; // 01h-08h
lpcgen（cha_opt）;
sendcmd（cha_opt，3）; //发送选择通道命令
p0 = 0ffh; //p0口操作
。..。..。..。..
等待从设备响应;
p0_state = p0; //读p0口状态
。..。..。..。..
}
从设备程序设计可仿照主设备程序设计。
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针对以上两点原因，本文对双绞线的故障检测提出了可行的方案与实现方法。首先，将微处理器快速数据分析与逻辑运算应用于双绞线故障检测，使问题变得简单，结果直观化。其次，采用射频无线收发器 nrf401进行数据传输，实现远距离数据交换，使距离远的问题迎刃而解，简化测量过程。
1 系统构成
1.1 nrf401结构简介
nrf401内部结构如图1所示。它是由挪威nordic公司推出的集收、发为一体的集成芯片，工作于433mhz ism频段;采用fsk调制与解调技术;传输速率达20kb/s，传输功率最大+10dbm;差分式天线接口，非常适合做成pcb天线，以节约成本。
图1 nrf401内部结构
图1中各引脚含义如下。
dout：数据输出端。
din：数据输入端。
txen：高电平允许发送数据，低电平允许接收数据。
ant1、ant2：天线接入端。
pwr_up： 器件低功耗控制。
1.2 nrf401外部连接及与微处理器接口
在本设计中，将天线以覆铜的方式做在印制板上，在保证了数据安全可靠传递的前提下，减小了产品的体积。nrf401的配置如图2所示。
图2 nrf401外部连接及与微处理器接口
nrf401与cpu之间控制和数据传递接口如图3 所示。
图3 nrf401与cpu接口 图4 cpu与双绞线接口
1.3 cpu与双绞线接口
普通双绞线包含8根线，可以将89c51的p0口作为双绞线线上电平状态的输入口。通过设置和检测p0口的状态，即可对双绞线的连接状况做出正确判断，连接如图4所示。
2 双绞线连接标准
关于连接的标准有两个：t568a和t568b。两个标准的线序排列如图5所示，方向为水晶头金属压片向上且正对观测者的方向。t568b为常用的标准。
图5 rj45连接器标准
◆ 两边使用同样标准的线称为直通线，用于pc到hub普通口、hub普通口到hub级联口之间的连接。
◆ 两边使用不同标准的线称为级联线， 用于pc到pc、hub普通口到hub普通口之间的连接。
以上两条是判断的主要理论依据。
根据标准，对应 rj-45插头引脚线序颜色如表1所列。
表1
3 工作原理
因为双绞线故障的不确定性，所以不能通过双绞线自身作为主设备和从设备之间数据传递的途径。通过微波进行无线数据传递，对于双绞线的故障判断实在是合适不过的。为此，我们自行设计了主从设备间的数据通信协议及相应的判断规则。
3.1 通信协议
（1） 连接标准选择命令（01h）
下行报文：01h + 标准数据码（t568a为0ah;t568b为0bh）+ lpc。
上行报文：01h + 确认码（00h） + lpc。
（2） 通道选择命令（02h）
下行报文：02h + 通道码（01~08：通道1~通道8）+ lpc。
上行报文：02h + 确认码（00h） + lpc。
注：报文中lpc是指校验和，用于数据校验。
3.2 检测算法
要检测双绞线连接的正确性，必须使电平信号在两条线上传递，否则无法检测。在本设计中，故障检测可分为三步：第一，在 8条导线中寻找1条能传递电平信号的公用导线;第二，将公用导线与待测导线在从设备端短接，使公用导线电平信号经过待测导线传递到主设备侧，从而确定待测导线的故障所在;第三，显示线路的连接状态。
3.2.1 选公用导线
实际上在10m、100m网络中，仅仅使用1-2 、3-6 这两对线，而1000m网络要用所有的导线，但这并不影响双绞线的测量方法。上文已经阐明，对于直通线双绞线的两端线的排列顺序是相同的，而级联线不同于直通线，双绞线的一端1-2对应另一端的3-6，3-6对应1-2，其余与直通线连接对应关系相同。因为在实际应用中，直通线的数量远大于级联线的数量， 所以将直通线列为首要判断对象。公用导线的选择可以从1号线开始进行，主从设备均选中1号线（暂列为公用导线）。通过通道选择命令，由主设备指导从设备将 1号线（临时公用导线）和2号线在从设备端连接起来。如果两条线无故障且两个端子同属于一条双绞线，那么，1号线与2号线将形成通路，在主设备端2号线上，主设备能够检测到加在1号线上的电平信号。由此可知，1号线可选为公用导线，应用于其它导线的测量。否则，两条线中的一条出现故障不能导通，主设备将指导从设备将1、3号线连接起来，重复以上步骤，直到找到公用导线为止。如果公用导线找不到，则说明本线路最多有一条导线导通，或测量的两端不同属于一条线路，或所有的导线发生错接现象。
3.2.2 其它导线对应关系测量
经过公用导线的测量结果分为两种：一， 找到公用导线;二，没有找到公用导线。在公用导线的前提下，首先按照直通线的对应关系，在从设备侧进行连接，看其它导线是否与公用导线形成环路。如果测量最终结果与直通线的对应关系不一致，则按照级联线的对应关系进行测量。如果测量结果还不一致，那么说明有错接现象。通过以上步骤已经获得部分连线导通的信息。将这些导线排除在外，利用排列、组合的数学方法与公用导线连接，从而得出错接导线的连接状况。
如果没有找到公用导线，系统只能通过排列、组合的数学方法找出导线的连接状况。当然，这种几率较少。由于微处理器的速度较快，即使出现这种极端情况，耗时也是瞬间完成的。
另外，每进行一次测量结果的记录是非常重要的，避免了重复性工作，提高了判断速度。
3.2.3 显示两端对应关系
将测量结果显示于液晶屏上，使双绞线两端的对应关系一目了然，便于排除故障。
本设计采用手动和自动测量两种方法。以上叙述了自动测量的原理，手动测量的原理与自动测量相同。区别在于选择手动测量时，已经明确线路接线采用的标准。
4 软件设计［2，3］
根据以上工作原理设计了相应的软件，图6为系统工作流程。下面将整个程序设计的主要通信程序提供给大家，以供参考。
图6 主从设备软件设计流程图
部分程序如下：
include “reg51.h”
include “com.h” //自定义头文件
char cri_opt［3］; //标准选择命令码
char cha_opt［3］; //通道选择命令码
char xbuff［15］; //数据发送缓冲区
char rbuff［15］; //数据接收缓冲
xmit_mst（） interrupt 4 using 3 //主设备发送中断程序
{ ti = 0; //关闭发送中断
if（xput ！= xget）{ //xput：发送缓冲区入指针;//xget：发送缓冲区出指针
sbuf = xbuff（xget）; //发送数据
xget = （xget++）&0fh; //当数据取空时指针xget转到起始位置
}
delay（10ms）;
}
rcv_mst（） interrupt 4 using 3//主设备接收中断程序
{ ri = 0; //关闭接收中断
if（rput ！= rget） { //rput：接收缓冲区入指针;rget：//接收缓冲区出指针
rbuff（rput） = sbuf;
rput = （rput++）&0fh;
}
delay（10ms）;
}
void sendcmd（char*buff， char totalchar）{
char cnt;
for（cnt=0; cnt《=totalchar; cnt++）{
xbuff［xput］ = buff［cnt］; //将命令移入发送缓冲区
xput = （xput++）&0fh; //当发送缓冲区满时入队指针由队尾指向队头
}
sbuf = xbuff［xget］; //引起通信中断，发送数据
delay（10ms）; //延时
}
main（）{
char p0_state;
init（）; //系统初始化
。..。..。..。..
//选择连线标准
cri_opt［1］ = 0ah; //0ah或0bh
lpcgen（cri_opt）; //生成校验码并写入相应位置
sendcmd（cri_opt，3）; //将采用的连接标准通知从设备
p0 = 0ffh; //p0口操作
。..。..。..。..
等待从设备响应; //等待从设备确认后的状态置位
//选择通道
。..。..。..。..
cha_opt［1］ = 01h; // 01h-08h
lpcgen（cha_opt）;
sendcmd（cha_opt，3）; //发送选择通道命令
p0 = 0ffh; //p0口操作
。..。..。..。..
等待从设备响应;
p0_state = p0; //读p0口状态
。..。..。..。..
}
从设备程序设计可仿照主设备程序设计。
FM收音机接收机解决方案介绍
凯迪拉克推出Super Cruise，以加强智能驾驶系统
2009年中国电子元件行业十大创新企业
光纤耦合器使用方法
什么牌子运动蓝牙耳机好用，运动蓝牙耳机推荐性价比
基于射频无线收发器实现双绞线的故障检测方案
运放为什么有失调电压？
存储芯片供应商旺宏电子：今年存储芯片价格将反弹
起动机电磁开关故障判断检查
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并行Nor Flash的结构和参数特性
国芯思辰 |兼容LTC2245，14位GAD2245可用于手持数字存储示波表
中芯国际2019年Q3营收8.165亿美元 下年目标看准5G
离子注入中的剂量和浓度之间有何关系呢？
工程师笔记|程序运行在 STM32H750 的外扩 FLASH 上两小时后死机
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