基于ESP8266的遠(yuǎn)程無線光功率監(jiān)測儀設(shè)計

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(浙江中欣動力測控技術(shù)有限公司，寧波 315010)

引 言

隨著光纖通信技術(shù)的不斷發(fā)展、傳輸速度的不斷提高，光纖通信在通信的各個領(lǐng)域起著越來越重要的作用。然而，在實際應(yīng)用中光纜的管理維護(hù)水平卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于光纜的發(fā)展水平，光纜的故障次數(shù)在不斷增加，每年因通信光纜故障而造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。因此，通過對光纜線路的實時監(jiān)測與管理，降低光纜阻斷的發(fā)生率，縮短故障歷時顯得至關(guān)重要。光功率的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測是光纖傳輸網(wǎng)實時監(jiān)控的重要方法之一，通過對光纜中通信光的功率值的實時監(jiān)控，可根據(jù)光功率的變化趨勢作出預(yù)警，從而及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，并在出現(xiàn)故障時快速報警，配合人工測試，盡快加以修復(fù)[1]。

隨著WiFi技術(shù)的不斷成熟和普及，無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)滲透到諸多領(lǐng)域，給人們的工作和生活帶來了極大的便利。樂鑫信息科技(上海)有限公司的SoC芯片ESP8266，該芯片內(nèi)置Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，集成WiFi MAC/BB/RF/PA/LNA，適應(yīng)各種無線WiFi 環(huán)境[2]。

本文介紹了一種基于ESP8266的光功率無線實時自動監(jiān)測儀，通過ESP8266的WiFi功能實現(xiàn)與遠(yuǎn)程上位機(jī)通信，并利用其內(nèi)置的MCU作為控制器，結(jié)合24位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1246以及外圍電路，實現(xiàn)光功率測量。

1 系統(tǒng)工作原理

實際使用的光纜一般都是多個芯構(gòu)成的，其中某一芯或者幾芯用來傳輸光信號，其他則作為備用光纖。監(jiān)測光纖選取的是正在傳輸光信號的光纖，即在用光纖。在用光纖的末端安裝一個97/3的分光器，3%的通信光作為監(jiān)測設(shè)備的輸入光信號，另外97%的通信光返回到通信光路或通信設(shè)備。無線光功率監(jiān)測儀的系統(tǒng)工作原理如圖1所示。光電轉(zhuǎn)換模塊將檢測到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，?jīng)I/V變換后輸出電壓信號，經(jīng)過程控放大后送入ADS1246進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，ESP8266中的MCU通過判斷和控制選擇合適的量程，再對采集的電壓進(jìn)行軟件濾波，運(yùn)算處理后得到光功率值與設(shè)置的告警閾值相比較，如果超過門限則通過WiFi網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)送告警。

圖1 無線光功率監(jiān)測儀工作原理圖

2 硬件設(shè)計

2.1 光電探測器

光電探測器是光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，用于將光信號轉(zhuǎn)換為電流信號。PIN光電二極管具有高響應(yīng)度、低暗電流、寬動態(tài)范圍、高線性度、重復(fù)性好、價格便宜等優(yōu)點[3]。因此設(shè)計中采用重慶浩鐸光電科技有限公司InGaAs PIN。該器件能響應(yīng)850～1 650 nm波長，暗電流為0.5 nA，響應(yīng)度是0.85 A/W，動態(tài)范圍為-70～+10 dBm。

2.2 I/V轉(zhuǎn)換及程控放大

光纖中光信號通常很弱，從nW級到mW級，這就要求儀表必須有多個量程并且能夠根據(jù)光信號大小范圍自動切換量程。由于輸入信號比較小，其量程切換實際上是放大倍數(shù)的切換。I/V轉(zhuǎn)換及量程切換電路主要由一個8路模擬開關(guān)MAX4638和一個低功耗低噪聲單電源雙路運(yùn)放OPA2344組成，除了第1路是50 Ω，其他每相鄰的兩個通道上的電阻值相差10倍，電阻值從100 Ω到100 MΩ。ESP8266根據(jù)ADS1246采樣值確定信號放大倍數(shù)，通過模擬開關(guān)選擇合適的放大電阻，使電壓信號滿足ADC輸入范圍要求。

2.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計

經(jīng)過放大后的信號送入ADC芯片進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換成可供MCU直接數(shù)據(jù)處理的數(shù)字量?？紤]光纖的入射光功率是穩(wěn)定連續(xù)的，因此對ADC芯片轉(zhuǎn)換速度要求并不高，同時考慮系統(tǒng)設(shè)計的高精度和高動態(tài)范圍要求，選用TI的24位高精度模擬轉(zhuǎn)換器ADS1232。ADS1232采用近年來流行的Σ-Δ積分轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有分辨率高、線性度好、成本低等特點，得到了很廣泛的應(yīng)用。ADS1232的接口電路如圖2所示。

圖2 ADS1232接口電路圖

2.4 ESP8266 WiFi傳輸和系統(tǒng)控制設(shè)計

ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運(yùn)行。ESP8266在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動。內(nèi)置的高速緩沖存儲器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。ESP8266高度片內(nèi)集成，包括天線開關(guān)balun、電源管理轉(zhuǎn)換器，因此僅需極少的外部電路，且包括前端模組在內(nèi)的整個解決方案在設(shè)計時將所占PCB空間降到最小。ESP8266內(nèi)置Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，CPU時鐘速度最高可達(dá)到160 MHz，支持實時操作系統(tǒng)系統(tǒng)，當(dāng)前WiFi協(xié)議棧只用了20%的MIPS，有相當(dāng)富余的資源可以來用做應(yīng)用開發(fā)?？紤]光功率檢測儀的控制和計算要求，MCU和WiFi芯片的價格因數(shù)，ESP8266是目前最具性價比的一個選擇[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ESP8266SDK和Eclipse IDE簡介

ESP8266 SDK：用戶根據(jù)自己的ESP8266型號在樂鑫官網(wǎng)上下載需要的SDK。SDK包含了常用的外設(shè)驅(qū)動，為用戶提供了一個簡單、快速、高效的開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的軟件開發(fā)平臺，雖然其底層代碼對用戶不透明，但都提供了接口函數(shù)，用戶不必關(guān)心底層網(wǎng)絡(luò)，如WiFi、TCP/IP等具體實現(xiàn)，根據(jù)編程手冊就可以直接調(diào)用這些函數(shù)接口[5]。

Eclipse IDE：它是由安可信發(fā)布的一款用于ESP8266二次開發(fā)的軟件平臺，由Eclipse集成了相關(guān)插件，相對于官方開發(fā)環(huán)境配置。Eclipse IDE簡易、方便，最重要的是可以在Windows下直接運(yùn)行，編譯過后能夠直接生成bin文件，通過燒寫工具將bin文件燒入ESP8266即可。

3.2 WiFi通信及自定義傳輸結(jié)構(gòu)

ESP8266 SDK已經(jīng)包含了LWIP協(xié)議棧，Socket可以配置成TCP、UDP等傳輸方式，只需在應(yīng)用層調(diào)用相關(guān)的接口函數(shù)。UDP不需要建立連接就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，比較容易出現(xiàn)信息丟失、反轉(zhuǎn)和覆蓋。但是考慮到UDP傳輸速度比較快并且系統(tǒng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較小，設(shè)計中采用UDP模式，在使用前需初始化WiFi功能：①串口初始化，用來在后臺修改通信參數(shù)；②設(shè)置工作模式為WiFi終端模式；③登錄WiFi路由器；④設(shè)置UDP接收發(fā)送緩沖區(qū)大小、重發(fā)次數(shù)、重發(fā)時間間隔；⑤打開UDP套接字。同時，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性、完整性、有效性，設(shè)計了一種通信幀格式，如下所示:

幀頭源地址目的地址命令碼數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)區(qū)檢驗幀尾0x55SRC_ADRDES_ADRFCLENDATARC0x0D

圖3 光功率數(shù)據(jù)采集流程圖

除了幀頭和幀尾是固定一個字節(jié)，其他部分都是兩個字節(jié)。

3.3 光功率數(shù)據(jù)采集程序流程

光功率數(shù)據(jù)采集流程如圖3所示。采集模塊中量程分為8檔，ESP8266的MCU微控制器根據(jù)采集到的ADC值自動調(diào)整量程，量程穩(wěn)定以后連續(xù)采樣32次取平均，獲得功率值后再和設(shè)定的告警閾值比較，發(fā)現(xiàn)超過閾值就主動向上位機(jī)發(fā)送告警消息。

結(jié) 語

文中引入WiFi和MCU二合一的ESP8266芯片，實

[1] 曹俊忠，鮑振武. 光纜光功率實時監(jiān)測[J]. 光通信研究，2003(2)：34-37.

[2] 樂鑫IOT團(tuán)隊.ESP8266 系統(tǒng)描述[EB/OL]. [2017-09].http://espressif.com/.

[3] 池瑞軍，胡封東，楊芳利，等. 光纜線路自動監(jiān)測及管理系統(tǒng)設(shè)計方案[J]. 繼電器，2004，32(17)：67-69.

[4] 樂鑫IOT團(tuán)隊. Espressif IOT Demo Smart Light/Plug/Sensor[EB/OL].[2017-09]. http://wiki.ai-thinker.com/_media/esp8266/docs/.

[5] 朱浩翔，郭為民，楊寧. 基于ESP8266的充電樁數(shù)據(jù)采集器設(shè)計[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2017，36(9)：92-84.

王旭峰(工程師)，主要研究方向為光纖網(wǎng)絡(luò)嵌入式產(chǎn)品設(shè)計。