通信光纜阻斷維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 劍

（西安通信學(xué)院電子信息工程系 西安 710106）

1 概述

當(dāng)前，多數(shù)通信光纜采用傳統(tǒng)人工維護(hù)方式，即當(dāng)通信光纜發(fā)生阻斷時(shí)，傳輸機(jī)房執(zhí)勤維護(hù)人員首先查看設(shè)備告警，判斷告警類型，若為“LOS”收無光告警，則在設(shè)備光接收點(diǎn)和光配線架（ODF架）上的光接收點(diǎn)分別測試接收光功率，當(dāng)排除單板故障和傳輸機(jī)房內(nèi)的尾纖故障后，再通過光時(shí)域反射儀（OTDR）對(duì)阻斷光纜的故障位置進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果上報(bào)光纜搶修中心，外線維護(hù)人員根據(jù)光纜維護(hù)資料，將OTDR測得的光纖長度轉(zhuǎn)化為光纜長度、標(biāo)石信息和地理位置，并組織人員現(xiàn)場進(jìn)行搶修。

在上述阻斷搶修過程中，告警判決、斷點(diǎn)測試、儀表設(shè)置、光纜定位等多個(gè)人為操作環(huán)節(jié)引入的時(shí)延較大，制約了光纜恢復(fù)時(shí)間指標(biāo)的提升。本文基于嵌入式硬件平臺(tái)，提出一種通信光纜阻斷維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)減少了人為操作環(huán)節(jié)的時(shí)延，明顯縮短了光纜阻斷的恢復(fù)時(shí)間。

2 系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

通信光纜阻斷維護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，包括維護(hù)平臺(tái)、OTDR和本地服務(wù)器，維護(hù)平臺(tái)與ODF架相連，平時(shí)監(jiān)控光纜線路的光功率，當(dāng)發(fā)生光纜阻斷時(shí)，通過光開關(guān)將測試儀表倒換到光纜線路上，并通過維護(hù)總線（GPIB、RS232等）控制OTDR進(jìn)行定位測試。讀取測試結(jié)果后，結(jié)合系統(tǒng)中的光纜線路定位功能，將測試的光纖長度轉(zhuǎn)化為光纜長度、標(biāo)石信息和地理位置，并通過有線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)傳輸機(jī)房值班維護(hù)的本地服務(wù)器，同時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)搶修維護(hù)中心。

維護(hù)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)。

·系統(tǒng)接入損耗小，不影響原有通信光纜線路的光功率指標(biāo)。

·阻斷反應(yīng)時(shí)間快，通過維護(hù)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)光纜阻斷的自動(dòng)監(jiān)控，并控制OTDR自動(dòng)進(jìn)行故障位置定位，減少了人為判斷、測試的反應(yīng)時(shí)間。

圖1 通信光纜阻斷維護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

·定位信息可靠上報(bào)，維護(hù)平臺(tái)根據(jù)OTDR的測試結(jié)果，計(jì)算故障點(diǎn)的光纜長度、標(biāo)石信息、地理位置等信息，可通過網(wǎng)絡(luò)上傳至本地服務(wù)器，并結(jié)合可視化軟件顯示故障位置，還可通過GSM網(wǎng)絡(luò)上傳至搶修維護(hù)中心，或直接通知搶修維護(hù)人員，保障了定位信息的多渠道上報(bào)。

3 維護(hù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

目前，《傳輸維護(hù)規(guī)程》要求傳輸維護(hù)人員應(yīng)在20 min內(nèi)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障并判明故障位置，傳統(tǒng)維護(hù)方式需要維護(hù)人員24 h值守，基于設(shè)備或網(wǎng)管的LOS告警發(fā)現(xiàn)光纜阻斷故障，人為分析故障原因后再通過OTDR測試故障位置。

為將人為因素對(duì)判決時(shí)間的影響降到最低，本文通過維護(hù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)無人值守狀態(tài)下光纜阻斷的快速判決。維護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵包括通過光監(jiān)控功能自動(dòng)判決光纜阻斷，通過GPIB總線自動(dòng)控制OTDR測試，通過嵌入式系統(tǒng)軟件自動(dòng)計(jì)算故障位置，減少光纜阻斷恢復(fù)對(duì)傳輸機(jī)房24 h值守的依賴。

3.1 維護(hù)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

維護(hù)平臺(tái)是光纜阻斷維護(hù)系統(tǒng)的核心，可實(shí)現(xiàn)光纜阻斷的自動(dòng)檢測，并通過維護(hù)總線控制OTDR，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的自動(dòng)定位，維護(hù)平臺(tái)由基于嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和光監(jiān)控模塊兩部分組成，維護(hù)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 維護(hù)平臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)

光開關(guān)電路在ARM核心處理模塊的控制下，平時(shí)導(dǎo)通光路1和光路2，完成對(duì)光纜線路光功率的監(jiān)測，發(fā)生阻斷時(shí)導(dǎo)通光路1和光路3，完成對(duì)光纜阻斷位置的測試；分光采集器完成對(duì)光纜線路上光信號(hào)的采集和光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果送嵌入式硬件平臺(tái)的AD接口；OTDR通信模塊可在ARM模塊的控制下，通過維護(hù)總線（GPIB、RS232）控制OTDR開啟自動(dòng)測試，并讀取測試結(jié)果送至ARM模塊；光纜信息模塊存儲(chǔ)了光纜施工的具體信息，并通過與ARM模塊的交互，輔助ARM模塊完成光纖長度到故障位置的轉(zhuǎn)換；GSM通信模塊可在ARM模塊的控制下，完成故障位置的短信上報(bào)；在ARM模塊的控制下，可通過網(wǎng)絡(luò)通信接口上報(bào)故障位置到本地服務(wù)器顯示，也可通過本地服務(wù)器下載光纜維護(hù)信息；ARM模塊是整個(gè)硬件平臺(tái)的核心，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測AD接口的電壓變化，判斷光纜阻斷的發(fā)生，并同時(shí)完成控制光開關(guān)倒換、OTDR自動(dòng)測試、測試結(jié)果自動(dòng)轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)果多渠道上報(bào)等功能；輸入、輸出模塊包括液晶屏、指示燈、蜂鳴器、按鍵等，通過按鍵可實(shí)現(xiàn)基本參數(shù)的本地設(shè)置，當(dāng)發(fā)生阻斷告警時(shí)還可通過液晶屏、指示燈、蜂鳴器完成本地告警上報(bào)。

3.2 維護(hù)平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)無人值守條件下的光纜阻斷判決、測試及上報(bào)，維護(hù)平臺(tái)硬件部分的關(guān)鍵是光監(jiān)測模塊、OTDR通信模塊、GSM通信模塊以及ARM核心模塊，下面分別給出各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法。

（1）光監(jiān)測模塊的實(shí)現(xiàn)

分光采集器是光監(jiān)測模塊的核心，實(shí)現(xiàn)光纜線路光功率的監(jiān)測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光纜阻斷的快速判決。由于要在實(shí)際通信光路中加入該器件，因此要求該器件的插入損耗小、分光轉(zhuǎn)換效率高。光訊科技公司的OPDM分光探測器具有小插入損耗（小于 0.5 dB），小分光比（99∶1），高響應(yīng)度（大于8 μA/mW）的特點(diǎn)，并且集成了分光耦合器和高靈敏度的光電二極管，靈敏度可達(dá)0.8 mA/mW，同時(shí)具有寬波長范圍（1510～1610 nm），可滿足光纖通信傳輸波長的要求。

光開關(guān)電路完成光功率監(jiān)測到故障定位的轉(zhuǎn)換，也需要接入實(shí)際光路中同樣要求低接入損耗，光訊科技公司的OSW光開關(guān)，插入損耗可小于0.8 dB，滿足測試需求。需要說明的是，目前光纜線路中多數(shù)情況下存在空余的備用光纖，光纜阻斷的前提下，通過備用光纖的斷點(diǎn)測試，也可以找到故障點(diǎn)的位置，此時(shí)則不需要光開關(guān)電路，直接將OTDR測試端口與備用光纖相連即可，既節(jié)省了維護(hù)系統(tǒng)中光開關(guān)的成本，也減少了光開關(guān)插入損耗對(duì)原有光纖通信系統(tǒng)的影響。

（2）OTDR通信模塊的實(shí)現(xiàn)

目前，OTDR的廠家種類很多，大都提供遠(yuǎn)程控制接口，通過該類接口，OTDR通信模塊可控制OTDR實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試。遠(yuǎn)程控制接口中GPIB接口較為通用，GPIB是用于連接可編程儀器的公共總線，采用異步通信方式，滿足IEEE 488.1標(biāo)準(zhǔn)[1]。具體實(shí)現(xiàn)可采用NI公司的GPIB-RS232作為維護(hù)平臺(tái)擴(kuò)展GPIB接口，ARM模塊通過串口操作即可控制OTDR完成自動(dòng)測試，但GPIB接口擴(kuò)展設(shè)備成本較高，對(duì)于含RS232接口的OTDR而言（如EXFO公司的FTB_400），可直接通過硬件平臺(tái)的串口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。

無論是GPIB接口還是RS232接口，均使用SCPI指令實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的自動(dòng)控制。SCPI是針對(duì)可編程測試儀表的通用操作語言，如發(fā)送“*IDN?”查詢設(shè)備標(biāo)識(shí)信息，F(xiàn)TB_400會(huì) 返 回 “EXFO E.O.Engineering,FTB-400,125-2A55,1.0.1.97”，表明廠家、設(shè)備類型和序號(hào)等信息[2]。

（3）GSM通信模塊的實(shí)現(xiàn)

GSM通信模塊為故障定位信息提供了無線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)方式，嵌入式硬件平臺(tái)通過GSM通信模塊向指定的GSM網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼發(fā)送短消息，上報(bào)硬件平臺(tái)的ID號(hào)，故障點(diǎn)的光纜長度、標(biāo)石信息和地理位置等參數(shù)，傳輸機(jī)房執(zhí)勤維護(hù)人員可通過本地服務(wù)器設(shè)置多個(gè)GSM號(hào)碼，如指定搶修維護(hù)中心負(fù)責(zé)人、外線分隊(duì)值班員的GSM手機(jī)號(hào)碼，便于將故障位置同時(shí)上報(bào)到搶修維護(hù)中心和外線分隊(duì)。

實(shí)現(xiàn)GSM通信功能的模塊較多，這里采用成本相對(duì)較低的CENTEL公司提供的PIML-900/1800模塊，該模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，可實(shí)現(xiàn)GSM語音、短消息和GPRS等功能，維護(hù)系統(tǒng)主要使用該模塊的短消息功能，實(shí)現(xiàn)告警上報(bào)。PIML-900/1800模塊提供了功能完備的系統(tǒng)接口，主要包括外部電源、RS 232串口、SIM接口和音頻接口等，這里主要通過該模塊的RS 232口與ARM核心處理模塊通信，實(shí)現(xiàn)AT指令的傳送。

（4）ARM模塊的實(shí)現(xiàn)[3]

ARM核心處理模塊采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的M22A系列嵌入式工控模塊，該模塊基于ARM LPC2220工業(yè)級(jí)微控制器，支持工業(yè)級(jí)10 Mbit/s以太網(wǎng)，內(nèi)嵌了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，便于實(shí)現(xiàn)維護(hù)平臺(tái)與本地服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信；具有4路10 bit A/D轉(zhuǎn)換器接口，不需要其他擴(kuò)展電路，便可對(duì)分光采集器送來的電信號(hào)直接進(jìn)行高精度采集；具有2路UART通信接口，便于控制GSM通信模塊，同時(shí)為用戶初始化設(shè)置提供了調(diào)試串口；工控模塊還提供了I2C接口的外部存儲(chǔ)功能，可通過I2C總線存儲(chǔ)維護(hù)平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)（如節(jié)點(diǎn)ID、判決參數(shù)等）；另外，M22A系列嵌入式工控模塊通過板上Flash擴(kuò)展了存儲(chǔ)空間，為維護(hù)平臺(tái)擴(kuò)展提供了本地電子盤，通過本地服務(wù)器，可將光纜施工、路由信息下載到本地電子盤中，靈活快捷，便于后續(xù)信息的維護(hù)與更新，核心處理器通過與電子盤中光纜信息的交互，最終完成故障位置的計(jì)算。

圖3 本地服務(wù)器系統(tǒng)軟件主界面

3.3 維護(hù)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

光纜阻斷維護(hù)系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件分為兩部分：一部分運(yùn)行于嵌入式硬件平臺(tái)的ARM芯片上，是在嵌入式操作系統(tǒng)框架下實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)應(yīng)用程序；另一部分運(yùn)行于本地服務(wù)器上，是基于可視化編程工具開發(fā)的PC端應(yīng)用程序。兩者通過TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)指令的交互。

（1）嵌入式硬件平臺(tái)系統(tǒng)軟件的開發(fā)

運(yùn)行于硬件平臺(tái)ARM芯片的系統(tǒng)軟件，是在嵌入式操作系統(tǒng)框架下實(shí)現(xiàn)的。這里采用的嵌入式系統(tǒng)為μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供多任務(wù)方式，可實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度與管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。

根據(jù)硬件平臺(tái)的工作要求，系統(tǒng)軟件主要設(shè)置了3個(gè)基本任務(wù)，任務(wù)1主要完成AD采集器的實(shí)時(shí)信號(hào)采集，根據(jù)AD采集的電壓變化，判斷光纜的阻斷情況；任務(wù)2主要完成串口通信，一方面解析用戶的調(diào)試信息，一方面控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送，如采用RS232作為OTDR的控制接口，也在該任務(wù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制指令下發(fā)和測試結(jié)果讀??；任務(wù)3主要完成網(wǎng)絡(luò)通信，解析本地服務(wù)器的控制指令，設(shè)置硬件平臺(tái)ID號(hào)、GSM號(hào)碼、光纜施工信息等內(nèi)容，并將測試的故障位置上傳到本地服務(wù)器。嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的關(guān)鍵是進(jìn)行多任務(wù)的管理，由于采用了μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)，通過任務(wù)優(yōu)先級(jí)機(jī)制，可有效地避免不同任務(wù)間的沖突，同時(shí)為避免任務(wù)執(zhí)行失敗造成的系統(tǒng)異常（如因SIM卡或網(wǎng)絡(luò)原因造成的GSM短信發(fā)送失?。枰ㄟ^硬件定時(shí)器編程對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測，對(duì)短信發(fā)送狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)查詢。

（2）本地服務(wù)器系統(tǒng)軟件的開發(fā)

運(yùn)行于本地服務(wù)器上的系統(tǒng)軟件，是基于可視化編程工具（Delphi）開發(fā)的PC端應(yīng)用程序。Delphi是一種面向?qū)ο笳Z言，提供大量簡潔的開發(fā)控件和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫引擎支持，通過 TCP、GPIB和RS232等功能的相關(guān)控件，可快速實(shí)現(xiàn)與維護(hù)平臺(tái)、OTDR的通信，提高軟件開發(fā)效率，通過數(shù)據(jù)庫功能可對(duì)龐雜的路由信息進(jìn)行便捷管理，本地服務(wù)器系統(tǒng)軟件的主程序界面如圖3所示。本地服務(wù)器系統(tǒng)軟件可通過維護(hù)平臺(tái)對(duì)多條光纜線路進(jìn)行監(jiān)控，查看光纜線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和當(dāng)前光功率信息；通過系統(tǒng)軟件可以下載光纜施工、路由信息到維護(hù)平臺(tái)，并通過與維護(hù)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)信息交互，實(shí)現(xiàn)故障位置的圖形化顯示。

本文設(shè)計(jì)的光纜阻斷維護(hù)系統(tǒng)在環(huán)校光纜作業(yè)網(wǎng)上的實(shí)際測試表明，在無人干預(yù)的前提下，可將從光纜阻斷到故障位置信息上報(bào)的時(shí)延縮短到5 min以內(nèi)，且主要時(shí)延取決于OTDR的測試時(shí)延和GSM網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延。

4 結(jié)束語

本文基于嵌入式硬件平臺(tái)提出了一種通信光纜阻斷維護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)減少了人為操作環(huán)節(jié)的時(shí)延，明顯縮短了光纜阻斷的恢復(fù)時(shí)間。

1 NI Corporation.GPIB user manual for Win32，http://www.natinst.com，1998

2 EXFO Corporation.Universal Test system FTB-400 user guide，http://www.exfo.com，2003

3 廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.M22A-F/N/U20產(chǎn)品用戶手冊，http://www.embedtools.com，2008