Кабельный пробник со звуковой сигнализацией

Приветствую, друзья!

Сегодня мы познакомимся с практической конструкцией кабельного пробника на микроконтроллере.

В настоящее время существует множество различных тестеров кабеля на витой паре, который используется при монтаже локальных вычислительных сетей (ЛВС).

Если вы читаете эти строки, ваш компьютер тоже подключен к ЛВС.

Такой кабель содержит обычно четыре пары проводов, свитых с определенным шагом.

Дорогие модели тестеров позволяют не только выявлять ошибки в разделке концов кабеля, но и измерять его электрические параметры.

Кабельные тестеры и кабельные пробники

Однако использовать такие дорогие приборы имеет смысл только при сертификации кабельной системы.

Для контроля правильности заделки концов кабеля используют простые пробники, большинство из которых используют принцип «бегущих огней». Такой пробник состоит из активной части, которая включает в себя источник питания и генератор «бегущая единица» и пассивной, которая состоит из линейки светодиодов, расположенных в один ряд.

Обе части содержат стандартные гнезда RJ-45 и подключаются к противоположным концам тестируемой кабельной линии. По очередности и количеству зажигающихся светодиодов можно судить о правильности заделки концов кабеля, об обрывах и коротких замыканиях в проводах.

Почему на микроконтроллере?

Генератор «бегущая единица» может быть реализован множеством способов, в том числе и на микросхемах средней степени интеграции (счетчиках, дешифраторах и т.п.). Однако при таком подходе трудно реализовать режим экономии источника питания. На практике могут иметь место случаи, когда пробник после окончания тестирования просто забудут выключить.

Активная часть может потреблять ток порядка 10 мА и более, т.е. энергия источника питания (гальванических элементов или аккумуляторов) может быть полностью исчерпана в течение нескольких дней. Поэтому пробник должен обладать некоторым «интеллектом», позволяющим сберегать энергию источника питания, исключая работу «вхолостую».

Такая энергосберегающая функция может быть легко реализована с помощью микроконтроллера. Здесь возможны два пути. Первый – использовать энергосберегающие режимы, заложенные в самом микроконтроллере. Один из них («Power Down») отличается тем, что тактовый генератор микроконтроллера останавливается, и его КМОП-схемы потребляют ток в статическом режиме.

Величина этого тока невелика – несколько мкА и, если погашены светодиоды пассивной части либо она отсоединена, пробник может находиться во включенном состоянии длительное время. Второй путь – использовать один из выводов микроконтроллера для управления внешними цепями, через которые подается питание на активную часть пробника. Оба таких подхода и реализованы в описываемой ниже конструкции.

Для удобства работы пробник снабжен звуковым излучателем, который сигнализирует о нормальной работе и о переходе в режим «Power Down». Основа активной части – микроконтроллер АТ89С2051.

Описание работы схемы кабельного пробника

Включение и выключение пробника

Схема пробника изображена на рис.1. В исходном состоянии нефиксируемая кнопка S1 разомкнута, падения напряжения на резисторе R1 нет. Ключ на р-канальном транзисторе VT1 закрыт, и питание на интегральный стабилизатор DA1 не подается. При нажатии на кнопку S1 на резисторе R1 появляется падение напряжения, и ключ на VT1 открывается. Подается питание на вход стабилизатора DA1, и на его выходе появляется положительное напряжение +5 В, питающее основную схему пробника.

При этом на входе RST (выв.1) микроконтроллера устанавливается высокий логический уровень на время, определяемое постоянной времени цепочки R8C1. Этот уровень устанавливает в начальное состояние все регистры микроконтроллера и начинается выполнение программы с нулевого адреса.

Упрощенная блок-схема программы изображена на рис.2.

После инициализации регистров и портов микроконтроллер устанавливает на выходе Р1.5 (выв.17) высокий логический уровень, который открывает ключ на n-канальном транзисторе VT2, шунтируя кнопку S1 и подключая нижний (по схеме) вывод резистора R1 и затвор транзистора VT1 через резистор R2 к общему проводу.

Падение напряжения на резисторе R1 несколько уменьшается, но его хватает для поддержания транзистора VT1 в открытом состоянии даже при сниженном напряжении питания.

После этого пробник издает короткий звуковой сигнал длительностью 100 мс, свидетельствующий о нормальной работе.

В качестве источника звукового сигнала используется пьезокерамический излучатель BQ1 со встроенным генератором типа HSM1206X.

Управление им осуществляется через выход Р1.4 (выв. 16) порта Р1 микроконтроллера, активный уровень — низкий.

Затем осуществляется проверка присоединения пассивной части со светодиодами. Для этого отслеживается напряжение на правом (по схеме) выводе резистора R16, при этом используется встроенный аналоговый компаратор микроконтроллера. Напряжение с правого вывода резистора R16 поступает на вход Р1.1 (выв. 13) порта Р1 микроконтроллера, который в данном случае выступает в качестве инвертирующего входа компаратора. На его неинвертирующий вход Р1.0 (выв. 12) поступает сигнал с делителя напряжения R3R4.

Если напряжение на выходе делителя R3R4 больше, чем на правом выводе резистора R16, выход компаратора (разряд Р3.6 порта Р3 микроконтроллера) устанавливается в лог.1. Когда пассивная часть присоединена, напряжение на правом выводе резистора R16 меньше, чем сигнал с выхода делителя R3R4. Если пассивная часть отсоединена, напряжение на правом выводе резистора R16 будет близко к напряжению питания и превысит уровень с выхода делителя R3R4. При этом выход компаратора установится в лог.0.

Если пассивная часть отсоединена, в регистр R5 микроконтроллера заносится некоторое число, определяющее длительность работы до отключения пробника. При этом в каждом рабочем цикле происходит декремент регистра R5 и, когда его содержимое станет равным нулю (примерно через двадцать минут после отсоединения пассивной части), пробник издает длинный (около 4 с) звуковой сигнал и устанавливает низкий лог. уровень на выходе Р1.5 микроконтроллера.

После этого микроконтроллер переходит в режим «Power Down». Ключ на VT2 закрывается, отключая от общего провода нижний (по схеме) вывод резистора R2. Ключ на VT1 закрывается и отключает питание от остальной части схемы.

Рабочий режим кабельного пробника

В каждом рабочем цикле (как в нормальном режиме, так и в режиме отсчета времени перед отключением) производится запись в разряды Р1.3 (младший разряд), Р1.7, Р3.0, Р3.1, Р3.3 – Р3.5 и Р3.7 (старший разряд) портов Р1 и Р3 таким образом, что получается «бегущая единица» от младшего разряда к старшему.

При этом с целью экономии энергии источника питания лог.1 появляется на очередном выводе на 150 мс, после чего там же на 250 мс появляется лог.0. Затем лог.1 появляется на 150 мс на следующем выводе и снова туда же выводится на 250 мс лог.0. Так происходит со всеми выводами поочередно. Выходы микроконтроллера соединены со входами восьмиразрядного буферного КМОП-регистра DD2 типа 74НС373.

Его выходы через токоограничивающие резисторы R9-R16 (и через тестируемый кабель) управляют светодиодами HL2 – HL9. Лог.1 на выходе DD2 зажигает соответствующий светодиод. Таким образом, длительность одного цикла составляет величину примерно (150+250)*8 = 3200 мс, причем светодиоды светятся меньше, чем половину цикла.

Наличие или отсутствие присоединения пассивной части производится в каждом рабочем цикле — как в нормальном режиме, так и в режиме отсчета времени перед отключением. В режиме отсчета времени пробник издает прерывистый звуковой сигнал (три гудка по 50 мс) примерно 4 раза в минуту. После присоединения пассивной части пробник переходит в нормальный режим.

Выключить пробник можно также кнопкой S1. При ее нажатии нижний (по схеме) вывод резистора R5 через диод VD1 подключается к общему проводу. Потенциал на выводе Р3.2 (входе внешнего прерывания INT0) микроконтроллера понижается и генерируется прерывание. Алгоритм обработки прерывания работает таким образом, что для того, чтобы выключить пробник, надо нажать кнопку S1 два раза.

Параметры цепочки сброса C1R8 и время задержки в подпрограмме обработки прерывания выбраны таким образом, что при включении устройства прерывание не генерируется. Однако варьируя этими параметрами и временем задержки можно добиться того, что при включении будет генерироваться прерывание и для того, чтобы выключить устройство – надо будет нажать кнопку S1 только один раз.

Индикация работы активной части осуществляется посредством светодиода HL1, управление которым производится через разряд Р1.2 (выв.14) порта Р1 микроконтроллера. Причем, опять же с целью экономии энергии, светодиод загорается на 200 мс и на 2000 мс гаснет. Управление разрядом Р1.2 производится с помощью внутреннего прерывания от встроенного таймера Т0 микроконтроллера.

Конструкция пробника

Пассивная часть снабжена двумя разъемами RJ-45 для двух вариантов заделки – 568В (компьютер – концентратор) и 568А (компьютер – компьютер).

Конструктивно активная и пассивная части собраны на печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм размерами соответственно 130х41 и 50х38 мм.

В активной и пассивной частях применены высокоэффективные светодиоды красного цвета диаметром 3 мм с прямым напряжением 1,8-1,9 В и заметным свечением при токе 2 – 3 мА.

Средний потребляемый ток пробника в активном режиме – не более 10 мА, в режиме Power Down – менее 1 мкА. Пробник не боится замыканий жил в кабеле. Для питания пробника используется батарея гальванических элементов 6F22 («Крона») напряжением 9 В.

Перед началом работы следует убедиться в работоспособности пробника, соединив активную и пассивную части patch-cord-ом (гибким и мягким отрезком кабеля с запрессованными на его концах вилками RJ-45).

Скачать архив с принципиальной схемой, топологией печатной платы, расположением деталей, листингом программы на ассемблере и hex-файлом прошивки можно здесь (Гугл драйв) или здесь (Яндекс-диск).

Можно еще почитать:

Что такое кабельный тестер, и зачем он нужен.

Всего наилучшего!