Как проверить ethernet осциллографом

Обновлено: 04.07.2024

В нашей работе осциллограф понадобился когда возникли задачи по анализу качества электроэнергии. Так как анализаторы стоят в разы дороже, чем осциллографы первой идеей было воспользоваться именно осциллографом и посмотреть, что будет получаться, а что нет.

Мы использовали осциллограф для проверки формы тока в нагрузках и анализа формы напряжения. При обследовании одного достаточно крупного объекта были обнаружены интересные особенности.

При несинусоидальных токах простые токовые клещи могут давать неверные измерения и увидеть ошибку можно либо с помощью достаточно редких токовых клещей с анализом гармоник, либо осциллографом.

Форма тока неверно измеряемая простыми токовыми клещами Форма тока неверно измеряемая простыми токовыми клещами

На рисунке выше представлена форма тока, неверно измеряемая токовыми клещами. Это график тока частотного привода системы вентиляции. Возможно настроенного неверно, либо не вполне исправного. Увидеть такие особенности можно только осциллографом или Анализатором Качества Электроэнергии.

Какой осциллограф выбрать?

Для силовой электрики (не путайте с электроникой), я выбрал двухканальный осциллограф для однофазной сети, чтобы видеть ток и напряжение одновременно.

Для мобильной работы и быстрых перемещений по объекту модель должна быть портативной и иметь встроенный источник питания.

При наличии дополнительных функций (сложение, вычитание, умножение) можно вывести произведение тока на напряжение и получить представление о графике мощности.

Желательно иметь функцию Быстрого Преобразования Фурье для получения данных по гармоникам.

Функция сохранения экрана или записи видео с экрана бывают полезны при составлении отчетов.

Вариант сохранения отрезка видео - черный фон не удобен для отчетов, но делает луч хорошо различимым на экране и экономит заряд батареи Вариант сохранения отрезка видео - черный фон не удобен для отчетов, но делает луч хорошо различимым на экране и экономит заряд батареи Копия экрана удобна для отчетов, но имеет более низкое разрешение Копия экрана удобна для отчетов, но имеет более низкое разрешение

Достоинства и недостатки осциллографа UTD1062C

Понравилось:

Большой цветной экран - лучи отлично видно даже при плохом освещении
Высокая скорость работы всех функций, быстрая реакция нажатие клавиш
Сохранение результатов - либо фото экрана, либо небольшое видео
Гальваническая развязка входов и обрезиненный корпус - создает ощущение того, что прибор можно подключать в щит и вас за это не ударит током

Не понравилось:

Сложность сохранения данных на флэш-накопитель - если вы неверно выбрали имя файла вида 00001, 00002, 00003 - старые данные затрутся новыми
Необходимость вынимать флэш-накопитель при каждой перезагрузке, так как прибор считает, что если флэш вставлена при включении, значит надо искать прошивку, а ее нет и он ругается
Сложность внесения имен файлов - правильный подход в данном случае это делать запись того что мы измеряем и какое имя файла в отдельном месте, например, блокноте
Необходимость часто поправлять взаимное положение спектра сигнала и осциллограммы. Нет возможности зафиксировать спектр внизу так, чтобы он не перемещался

Что не может осциллограф

Осциллограф UTD1062C имеет возможность наблюдать уровень напряжения в графическом виде. То есть мы можем включить его на 10 минут и смотреть как меняется напряжение.

Для того чтобы сделать аналогичный график по току - нужно уже провести некоторые "танцы с бубном", подбирая правильные токовые клещи и пересчитывая множитель.

Практически писать что-то более 30 минут на UTD1062C у меня не получилось. Возможно срабатывала встроенная функция Power-OFF. Но изучить длинный тренд не представлялось возможным.

Для таких задач подойдет Анализатор Качества Электроэнергии. Эти приборы специально созданы для задач длительных записей трендов и позволяют производить вычисления электрических величин гораздо удобнее.

Осциллограф работает так: есть "Канал А" - мы его рисуем, есть "Канал B" - мы его рисуем. А что там на входе и выходе - пусть пользователь думает сам. То есть осциллограф "мыслит клетками" - а пользователь эти клетки пересчитывает в Вольты или Амперы.

Трехфазный Анализатор Качества Электроэнергии FLUKE 435-2 Трехфазный Анализатор Качества Электроэнергии FLUKE 435-2

В то время как Анализатор Качества Энергии - имеет вход по напряжению, где работает свой канал встроенного осциллографа, и имеет канал входа по току, где работает свой канал встроенного осциллографа. И анализатор выдает пользователю готовую информацию - сколько Вольт, Ампер, Ватт и ВАР он измерил. А также может записывать все это с нужными интервалами и заданное время.

Пример данных с Анализатора Качества Электроэнергии FLUKE 435-2 Пример данных с Анализатора Качества Электроэнергии FLUKE 435-2

На рисунке выше мы зафиксировали снижение потребляемого тока в момент автоматического отключения освещения. По разнице "до" и "после" можно вычислить примерное значение энергопотребления системы освещения.

Заключение

Если вам нужно провести обследование электроустановки без записи трендов - достаточно воспользоваться осциллографом. Он покажет несинусоидальность и, следовательно, наличие гармоник.

В случае, если вам нужно проанализировать длительные изменения тока или напряжения в течении, например, суток или недели, то следует воспользоваться Анализатором Качества Электроэнергии. Так как осциллограф скорее всего не будет иметь достаточного функционала для таких длительных задач.

Для проведения обследований вашего электрооборудования и электрохозяйства - обращайтесь к нам , мы работаем по всей России, при необходимости можем выехать в соседние страны. Имеем большой опыт обследований и решения сложных задач проверке и выявлению неисправностей в электросетях.

Следующий после осциллографа прибор - Анализатор Качества Электроэнергии - подробнее о них вы можете прочитать в нашей статье!

Практически в любой книге по компьютерным сетям вы без труда найдете описание Ethernet-пакетов, ровно как и пакетов IP, TCP, UDP и прочих. Но в тех источниках, что мне встречались, описание это было довольно высокоуровневым, в терминах байтов, которые как-то передаются по витой паре. Но как конкретно единички и нолики представляются при помощи напряжения или тока? Давайте выясним!

Разобраться в происходящем нам поможет, конечно же, осциллограф. В рамках этой заметки мы будем рассматривать исключительно 10-и мегабитный Ethernet, или 10baseT. Более высокоскоростные стандарты 100baseT и 1000baseT работают схожим образом. Однако для их анализа нужен осциллограф с широкой полосой пропускания, которым, как правило, простые радиолюбители вроде нас с вами не обладают.

Если я просто возьму ноутбук и соединю его витой парой со моим роутером, то устройства договорятся использовать стандарт 100baseT, как наиболее быстрый из понимаемых и тем, и другим. Поэтому нужно прямо указать, что интерфейсу следует использовать 10baseT. В Linux это можно сделать, сказав:

Проверить, на какой скорости работает интерфейс, можно командой:

Далее нам нужно как-то увидеть передаваемый сигнал на осциллографе. Для этого я снял изоляцию с витой пары, нашел в ней оранжевый и бело-оранжевый провод, и снял изоляцию с них. Провода оказались многожильными. Чтобы в таком виде витая пара прослужила дольше, провода были залужены.

Теперь к ним можно подключиться щупом осциллографа:

Неудобство при работе с дифференциальными сигналами заключается в том, что подключив щуп осциллографа, как изображено на фото, мы сможем посмотреть сигнал только на одной паре проводов. Связано это с тем, что земля на всех каналах осциллографа общая. Подключив второй щуп, мы соединим через общую землю две несвязанные между собой пары проводов, и тем самым превратим сигнал в тыкву. Для решения этой проблемы существуют специальные устройства, дифференциальные пробы. Самый дешевый дифференциальный проб, который мне удалось найти, называется Micsig DP10013 и продается на eBay примерно за 130$. При этом для каждого канала нужен свой дифференциальный проб. Может оказаться дешевле купить второй осциллограф.

Итак, если все было сделано правильно, на осциллографе мы начнем видеть Ethernet-фреймы:

Пакеты большие, поэтому рассматривать их в осциллографе не очень удобно. К счастью, все данные можно сохранить на флешку в формате CSV, перекинуть на компьютер, и затем импортировать в Audacity. Единственная сложность заключается в том, что осциллограф пишет напряжение в вольтах, а Audacity при импорте нужны относительные значения от -1 до 1. Но эта проблема решается в сорок строк на Python. Код скрипта вы найдете в исходниках к посту, в файле rigol_to_audacity.py.

Здесь используется манчестерское кодирование. В отличие от всяких SPI, I2C и UART, кодирующих единички и нолики высоким и низким напряжением, в манчестерском кодировании используется не напряжение, а восходящие и нисходящие фронты сигнала. Помимо прочего, такой подход интересен тем, что он не нуждается в отдельном проводе для передачи тактового сигнала. Все, что нужно для синхронизации передающей и принимающей стороны, содержится в самом сигнале.

Тот же скриншот, только с единичками и ноликами:

Примечание: Поскольку существует ровно два способа подключить проб осциллографа к двум проводам, у вас сигнал может получиться либо точно таким же, либо перевернутым.

Обратите внимание, что единички и нолики передаются с фиксированной скоростью (расстояние между всеми стрелочками на изображении одинаковое). Таким образом, если передающей стороне для передачи следующего бита нужно предварительно повысить или понизить напряжение, она может спокойно это сделать между передачей двух битов. Принимающей стороной такой переход будет проигнорирован.

Поскольку искать единички и нолики в Audacity довольно утомительно, был написан еще один скрипт, делающий за нас эту рутинную работу. Его вы найдете в исходниках к этой заметке под именем ethernet_decode.py. Благодаря скрипту мы можем увидеть весь Ethernet-фрейм в бинарном виде:

Контрольная сумма является самым обыкновенным CRC32 и вычисляется от всего фрейма за исключением преамбулы и, понятно, самой контрольной суммы. Скрипт ethernet_decode.py сохраняет соответствующие данные в отдельном бинарном файле, благодаря чему контрольную сумму очень легко проверить:

$ sudo pacman -S perl-archive-zip
. пропущено .
$ crc32 frame.dat
e0946588

Как видите, контрольная сумма сходится, только порядок байт в Ethernet используется обратный.

Также скрипт сохраняет в отдельном файле полезную нагрузку фрейма. Его при желании можно открыть в Wireshark. Для этого полезную нагрузку нужно перевести из бинарного формата в текстовый:

Итак, теперь мы знаем, как именно единички и нолики передаются по витой паре! Если вам хочется пойти дальше, и узнать о форматах IP, TCP, UDP и прочих пакетов, по этой теме можно найти информацию в Википедии. Кроме того, можно порекомендовать книгу «Компьютерные сети: принципы, технологии, протоколы» за авторством Виктора и Натальи Олифер. Из инструментов вам пригодятся уже упомянутый Wireshark, а также tcpdump и libpcap.

Все исходники к этой заметке вы найдете в этом репозитории на GitHub. Как всегда, буду рад вашим вопросам и дополнениям.

Delovar » 22 фев 2010, 16:31

Есть задача - два компьютера соединены в сеть Fast Ethernet. Надо сопоставить данные в бинарном виде (канальный уровень-захватываются анализатором трафика) с электрическим сигналом на выходе сетевой карты или в витой паре. Пытался осциллографом посмотреть для стандарта 100Base-T на ничего толком не увидел. один шум. Подскажите, пожалуйста , свои мысли что и как делать.

Designer » 23 фев 2010, 13:33

Не совсем понятно, в чём суть вопроса - если 2 компа соеденены в сеть и видят друг друга, а вопрос только насчёт протокола, то нужно найти стандарт на протокол Ethernet и там всё будет расписано. Если же сеть не работает, то нужно просто проверить соединение на целостность а так же все драйвера и установки. А осциллографом вы ничего не увидите - даже в отсутствие данных там пилят сигналы синхронизации и служебные, а как таковые Ноль и Единицу вы не увидите - они передаются разным соотношением перепадов, и выглядят совсем одинаково, а определяются только программно.
По этому, если вы действительно хотите выловить этот поток бинарных данных, нужно сочинить какую то программку. Не трогайте мокрыми руками оголённые провода - они могут заржаветь.

Delovar » 23 фев 2010, 19:21

Поясню: требуется записать на осциллограф все электрические сигналы, которые передавались от момента 1 до момента 2, потом сопоставить данные, которые передавались (мы их захватим анализатором протоколов) от момента 1 до момента 2 с этими электрическими сигналами.
А понимаю, что в сетевой карте бинарный поток преобразуется несколько раз в совсем непонятный электрический сигнал. Но как его расшифровать? в обратную сторону? Как сопоставить?

Delovar » 23 фев 2010, 19:31

Поясню: подсоединившись осциллографом к витой паре я вижу электрические сигналы. Действительно они непонятные. Я скачал спецификацию 100Base-T где расписано что и как преобразуется в сетевой карте. Но как мне дешифровать электр. сигнал записанный самописцем.
Задача стоит в том чтобы сопоставить данные которые подавались в сетевую карту и которые были на выходе из нее.

UrfinJ » 24 фев 2010, 22:11

А зачем это надо? Как-то непонятно описано.
Может лучше программно разобраться?
Цель какая разобраться в сигналах?

Delovar » 24 фев 2010, 22:35

Программно не получится.Нало сопоставить электрические импульсы бинарному представлению информации на канальном уровне.

ASD » 24 фев 2010, 23:43

Информация передается кодом Манчестер II. Длительность тактового интервала (время передачи одного бита) - величина, обратная скорости передачи. Например, 10 Мбит/с соответствует 0,1 мкс. Нарастающий перепад в середине тактового интервала - 1, спадающий - 0. Если смежные биты одинаковы(00 или 11)- между ними добавляется перепад противоположного знака, если разные (01 или 10), перепада на границе тактов нет. Для синхронизации пакет начинается с длинной последовательность нулей, затем передается синхробайт (обычно E6), далее идет информация сплошным битовым потоком - никаких разделов между байтами нет.

Подробности поищите в Google или Yandex по ключевым словам IEEE 802.3

Один из вариантов аппаратного приемника кода Манчестер II Вы можете найти в статье А. Долгого "Преобразователь интерфейса" - "Радио, 1990, № 6, с 32-38.

Delovar » 25 фев 2010, 00:44

Ответ мне понравился. Обязательно статью найду. Но меня интересует передача на скоростях 100 и 1000 Мб/с
Там в сетевой карте помимо манчестера еще кодируется NRZ и 4B/5B для 100Мб/с а для 1000 по другому. Есть ли подобные материалы для вышеописанных скоростей?

ASD » 25 фев 2010, 09:46

Я рад. Но лучше все-таки сразу спрашивать о том, что конкретно Вас интересует, тогда и получите конкретный ответ. А лучше - поищите его сами. В различных стандартах и спецификациях все описано. Я думаю, и специализированные микросхемы можно найти. На гигабитную скорость вряд ли стоит городить самоделку.

Кто сейчас на конференции

Компания Роде и Шварц расширила область применения осциллографов R&S RTO, что позволяет использовать их для проверки интерфейсов Ethernet. Новые приборы для контроля соответствия техническим требованиям Ethernet R&S RTO-K22 и R&S RTO-K23 позволяют пользователям выполнять автоматизированные тесты на соответствие стандартам интерфейсов Ethernet 10/100/1000BASE-T и 10GBASE-T. Все проверки отвечают техническим требованиям к испытаниям Ethernet спецификаций IEEE и ANSI.

Осциллографы Роде и Шварц идеально подходят для проведения таких испытаний. R&S RTO охватывает диапазон изменения динамических характеристик в пределах более чем семи полезных битов (ENOB), и представляет достоверные результаты даже при стандартном тесте на интерференцию. Пользователи могут контролировать точное соответствие своих продуктов техническим требованиям Ethernet во время типовых испытаний и в процессе производства. Например, можно проверить качество сигнала устройств Ethernet с помощью индикаторной диаграммы, позволяющей оценить уровень и характеристики сигнала телеграмм Ethernet. Это возможно благодаря аппаратно-ускоренной проверке маски предельных значений, при которой выполняется 600,000 тестов в секунду.

В состав данного решения входит простой в использовании стенд для испытаний на соответствие техническим требованиям Ethernet R&S RT-ZF2, который содержит различные порты Ethernet для подключения испытуемых устройств (DUT). Это единственное устройство на рынке, которое поддерживает как 10/100/1000BASE-T, так и 10GBASE-T соединения Ethernet. При проверке джиттера гигабитного интерфейса Ethernet, R&S RT-ZF2C, возможно использование специального кабеля длиной 103 метра с участками различного импеданса. Это позволяет смоделировать поврежденный кабель проверяемого устройства.

Программное обеспечение приборов для испытаний на соответствие техническим требованиям Ethernet R&S RTO-K22 и R&S RTO-K23 может работать как непосредственно на R&S RTO, так и на управляющем компьютере. С его помощью выполняется управление осциллографом и проверяемым устройством. Для установки связи с таким устройством используется дифференциальный датчик, например, R&S ZT-ZD10. Оснащенный графическим интерфейсом «мастер» помогает пользователю пошагово выполнять измерения. Автоматические последовательности тестов позволяют сократить продолжительность испытаний. Более квалифицированная отладка, индивидуальные тесты могут выполняться отдельно. На экран выводится отчет о результатах измерений, содержащий подробную информацию об измерениях и измерительную кривую. Этот отчет генерируется автоматически и может настраиваться.

Программное обеспечение приборов для испытаний на соответствие техническим требованиям Ethernet R&S RTO-K22 10/100/1000BASE-T и R&S RTO-K23 10GBASE-T, стенд для испытаний на соответствие техническим требованиям Ethernet R&S RT-ZF2 и кабель для проверки джиттера гигабитного интерфейса Ethernet R&S RT-ZF2C поставляются компанией Роде и Шварц.

Осциллограф Hantek DSO5ххх: добавляем Ethernet

Сегодня займемся добавлением сети в осциллограф. А то место под разъем есть, а сети нет. Не порядок!

Для этого нам понадобятся:

DM9000AEP в корпусе QFP48
Кварц 25МГц в усеченном корпусе HC-49S
Конденсаторы 12pF в корпусе 0603, 2шт
H1102NL в корпусе SOP-16
RJ-45 на плату, со светодиодами. Например такой.
Паяльная станция
Прямые руки и острый глаз.

Приступим. Разбираем прибор до основания.

Для этого снимаем заднюю крышку

Откручиваем и снимаем экранирующий кожух

Отключаем на основной плате 2 разъема от блока питания, шлейфы экрана и клавиатуры.

Откручиваем 5 саморезов и аккуратно снимаем лицевую панель. Следите чтоб модуль экрана не вывалился, он ничем не закреплен.

Откручиваем 4 винта крепления основной платы и 3 гайки на BNC разъемах.

Аккуратно достаем плату из шасси.

Теперь что и куда надо поставить. Это верх.

Запаяли. Еще раз внимательно (лучше под микроскопом) проверяем качество пайки и отсутствие соплей. Все очень мелкое. Перемычку я решил на всякий случай сохранить, поэтому припаял одной стороной.

С железом все. Теперь займемся софтом.

Сперва надо разрешить системе использовать сеть. Для этого втыкаем флешку и через консоль даем команду: cp i2c.log mnt/udisk она копирует отчет о разрешениях на флешку. Открываем этот файл любым безопасным редактором, который не портит структуру файла. Я пользуюсь Notepad++

Тут нас интересует секция [net]. Если там 1, то все хорошо. Если же 0, то будем исправлять.
Для этого кладем на флешку файл HDVersion.set и отрываем его тем же редактором. Крайне внимательно заполняем все секции своими значениями из i2c.log. Ставим 1 в [net]. И можно еще что нибудь поменять, если знаете что делаете!

Втыкаем флешку в прибор и даем команду cp mnt/udisk/HDVersion.set /
Затем reboot

Ждем загрузки и применения изменений. Настройки оформления GUI обычно тут сбрасываются. Ок, теперь нам надо отредактировать 2 файла с помощью встроенного редактора vi. Как с ним общаться, я писал там.

vi etc/init.d/rcS

vi etc/resolv.conf

Тут мы вписываем IP адреса DNS серверов. Можно вписать сервера вашего провайдера или гугловские, как у меня.
Сохраняем, выходим. Теперь можно воткнуть ethernet шнурок и перегрузить.

reboot

В качестве завершения, прорезал отверстие к SD слоту. Пущай будет.

Читайте также: