基于電力通信維護(hù)的光纖識(shí)別儀

萬(wàn) 琪，趙 晨，李夢(mèng)婷，萬(wàn) 軍

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，蒙自 661100）

該線纜識(shí)別裝置通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在機(jī)房與測(cè)試人員進(jìn)行通信，鑒別器輸出的出線纜的聲音信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綔y(cè)試人員的手機(jī)上，僅需一名維修人員。能達(dá)到光纖識(shí)別的目的。光纖識(shí)別儀器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將成為維修人員非常方便的檢測(cè)工具，為光纖維修提供方便的手段。目前，基于無(wú)線通信光纖識(shí)別設(shè)備在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中是第一次，并密切結(jié)合實(shí)際使用，可以大大減少光纖的維護(hù)和維修時(shí)間，降低工程造價(jià)的建設(shè)和管理，極大地提高工作效率。該系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展空間和技術(shù)推廣。

1 光纖識(shí)別儀的工作原理

光纖鑒別器的目的是確定是否檢測(cè)到光信號(hào)通過(guò)光纖光纖在不影響正常通信，和區(qū)分的光信號(hào)傳輸方向光信號(hào)和調(diào)制頻率（如果調(diào)制光信號(hào)），以便區(qū)分光纖。不管光纖是否正常工作，都會(huì)檢測(cè)到斷裂的光纖。它是維護(hù)光纖通信網(wǎng)絡(luò)、保證正常通信的重要工具。

光纖識(shí)別器的工作原理如圖1所示。In1和In2是兩個(gè)光學(xué)傳感器，以一定角度放置在兩個(gè)平面上。通過(guò)機(jī)械裝置將檢測(cè)到的光纖放置在In 1和In 2的兩個(gè)平面上。根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)光信號(hào)的方向如圖所示時(shí)，In 2中檢測(cè)到的漏光信號(hào)比1強(qiáng)，光敏傳感器檢測(cè)到的光信號(hào)被放大，被嵌入。系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，CPU識(shí)別兩個(gè)數(shù)字信號(hào)的大小，判斷信號(hào)是否通過(guò)光纖。信號(hào)傳輸方向在嵌入式系統(tǒng)中有一個(gè)鑒別器，用于分辨光纖中信號(hào)的調(diào)制頻率。

圖1 檢測(cè)示意圖

2 光纖識(shí)別儀的應(yīng)用

光通信測(cè)量技術(shù)作為一種電磁波，給人們的生活帶來(lái)了極大的便利。光通信光波是短波。波長(zhǎng)為微米，頻率為1014。頻率是普通微波范圍的100倍以上，通信能力是微波通信的100倍以上。事實(shí)上，許多研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直試圖利用光信號(hào)來(lái)傳輸聲音。

2.1 光纖識(shí)別儀的測(cè)試原理

光學(xué)鑒頻器的原理非常簡(jiǎn)單。它將兩個(gè)光學(xué)探測(cè)器封裝在一個(gè)固定的傳感器底座中。這兩個(gè)傳感器之間有一定的角度。以3M9000系列光纖識(shí)別器為例，角度為169度。當(dāng)光來(lái)自光時(shí)，探測(cè)到的光纖被光電探測(cè)器以某種方式固定。在傳輸光纖側(cè)，兩個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)光電信號(hào)，放大信號(hào)并將其發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器。光電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。兩個(gè)數(shù)字信號(hào)之間的差異可以通過(guò)內(nèi)置的CPU和相應(yīng)的程序來(lái)確定。傳輸方向是否有信號(hào)傳輸。絕對(duì)光功率或相對(duì)光功率損耗由一段光纖測(cè)量。在光纖系統(tǒng)中，光功率的測(cè)量是最基本的。像電子測(cè)功機(jī)一樣，光功率計(jì)通常用于光纖中的重載測(cè)量。光纖技術(shù)人員需要幫助。通過(guò)測(cè)量發(fā)射機(jī)或光網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)功率，光功率計(jì)可以用來(lái)測(cè)量光終端設(shè)備的性能。光功率計(jì)和穩(wěn)定光源的結(jié)合可以用來(lái)測(cè)量鏈路損耗、檢查連續(xù)性以及幫助估計(jì)光鏈路的傳輸質(zhì)量。已知的功率和波被傳輸?shù)焦鈱W(xué)系統(tǒng)。光纖系統(tǒng)的光損耗可以通過(guò)將穩(wěn)定的光源與光功率計(jì)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于現(xiàn)有的光纖系統(tǒng)，發(fā)射機(jī)可以用作穩(wěn)定的光源。如果終端不工作或沒(méi)有終端，則需要單獨(dú)的穩(wěn)定光源。穩(wěn)定器的波長(zhǎng)應(yīng)與系統(tǒng)終端的波長(zhǎng)相同。通常在系統(tǒng)安裝后測(cè)量端到端損耗，以確定連接損耗是否滿足設(shè)計(jì)要求，如連接器損耗、結(jié)損耗和光纖損耗。技術(shù)人員可以在兩端成功地使用經(jīng)濟(jì)的組合光度計(jì)，一端是穩(wěn)定的光源，另一端是光功率計(jì)。

2.2 光纖彎曲損耗的基本原理

光纖本身就是一條通信線路。通信線路靈活靈活，是理想的通信選擇。由于這種特性，光的傳播路徑發(fā)生了很大的變化，允許光從芯部穿透到包層。光纖軸向傳輸常數(shù)P滿足n2k0＜β＜n1ko。當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光在光纖的彎曲部分中傳播。如果將相同相位的電場(chǎng)和磁場(chǎng)保持在同一平面上，則外側(cè)的傳輸速度將快于內(nèi)側(cè)的傳輸速度。在一些彎曲點(diǎn)，速度將超過(guò)光速，這意味著光纖的傳輸模式將改變。輻射模式。光纖傳輸功率是光束損耗的一部分，光纖損耗是光纖彎曲損耗的主要原因。

3 設(shè)計(jì)要求及實(shí)現(xiàn)方法

為了快速準(zhǔn)確地識(shí)別光纖線路而不中斷通信，為了確定是否存在通過(guò)光纖的光信號(hào)和光信號(hào)的方向，以及識(shí)別模塊，我們提出了以下設(shè)計(jì)要求信號(hào)。在1550 nm處的靈敏度大于-50 dBm。它由9V堿性電池供電長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)。它將自動(dòng)關(guān)閉，而不運(yùn)行5分鐘。系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)，體積小，處理速度快。響應(yīng)時(shí)間短，功耗低。兩個(gè)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，通過(guò)放大電路放大并轉(zhuǎn)換為電壓，然后發(fā)送給ADC，并將ADC的輸出信號(hào)發(fā)送給MCU進(jìn)行比較。頻率采集電路用于檢測(cè)頻率，然后由顯示輸出單元輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CPU微控制器是系統(tǒng)的核心。主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的模式選擇、數(shù)據(jù)采集、處理、輸出等工作。采用PHILIPS P87LPC764單片機(jī)，節(jié)省外部資源，低功耗。高可靠性單片機(jī)采用80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，指令速度是80C51標(biāo)準(zhǔn)CPU的兩倍。P87LPC764是一個(gè)20引腳封裝的微控制器，提供內(nèi)部EPROM、內(nèi)部復(fù)位電路、內(nèi)部電源故障檢測(cè)、內(nèi)部看門(mén)狗、內(nèi)部比較器和鍵盤(pán)中斷。高低速晶體振蕩器和RC模式，可編程，寬工作電壓范圍，可編程I/O線輸出模式選擇，可選施密特觸發(fā)器輸入，LED輸出，全雙工通用異步收發(fā)器和I2C通信接口。它適用于許多需要高集成度和低成本的應(yīng)用。由于EPROM的功耗檢測(cè)，看門(mén)狗和比較器以及功耗都很大。錯(cuò)誤處理增加了電路的功耗，而P87LPC764通過(guò)設(shè)置EIVM寄存器來(lái)減少微控制器時(shí)鐘，從而允許微控制器降低頻率以節(jié)省功率。添加一些中斷源以喚醒芯片到適當(dāng)?shù)臄嚯娔Ｊ焦饫w標(biāo)識(shí)符主語(yǔ)句。P8LPC764引腳配置：

P 0：解碼器解碼信號(hào)輸出；

P 0.1：DAC芯片選擇信號(hào)；

P 0.2：DAC和ADC時(shí)鐘信號(hào)；

P 0.3：ADC芯片選擇信號(hào)；

P 0.4：ADC輸出和DAC輸入；

P 0.5，IT1：電源管理信號(hào)；

P 0.6、P 1.6：CD4051通道選擇；

T1：電池報(bào)警；

SCL，SDA：PCF857控制；

P1.6，P1.7：揚(yáng)聲器控制。

系統(tǒng)的輸入由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，光的檢測(cè)由光電子量子轉(zhuǎn)換完成。光電探測(cè)器的平均電流和入射光的平均值由給定波長(zhǎng)的光照射。這個(gè)比率稱為響應(yīng)性或響應(yīng)性。它是由輸入光功率以A/W或uA/uW為單位產(chǎn)生的平均輸出電流。由不同材料制成的光電探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)有不同的響應(yīng)。用硅（Si）材料制成的光電探測(cè)器適合于探測(cè)短波長(zhǎng)光，而用鍺和銦鎵砷（InGaAs）材料制成的光電探測(cè)器對(duì)長(zhǎng)波光有很好的響應(yīng)。目前，用于通信的光的波長(zhǎng)是1550nm和1330nm，系統(tǒng)使用InGaAs PIN光電二極管。

由于光纖的泄漏非常微弱，只有nA電平，必須采用高性能運(yùn)算放大器來(lái)形成負(fù)反饋微信號(hào)放大器。該系統(tǒng)采用三級(jí)放大電路。在第一級(jí)I/V轉(zhuǎn)換器的放大器電路之后，信號(hào)被放大到mV電平，然后被電路的最后兩個(gè)級(jí)放大，輸入信號(hào)被轉(zhuǎn)換到0到5V的標(biāo)準(zhǔn)電平，然后AD執(zhí)行轉(zhuǎn)換。為了防止設(shè)備在強(qiáng)光下因光電流過(guò)大而燒壞。該系統(tǒng)采取多種措施。首先，在第一級(jí)放大器電路的反饋電阻上與反饋電阻并聯(lián)形成二極管。另外，整個(gè)放大器電路的輸出信號(hào)被用作負(fù)反饋電壓。整個(gè)放大器電路的開(kāi)環(huán)截止頻率約為2.5kHz，低于2kHz的信號(hào)增益范圍可以從十分之一英里到超過(guò)一英里的百分之一。另外，為了減小噪聲干擾和溫度漂移的影響，偏置放大器電路采用D/A輸出。

高精度小信號(hào)測(cè)量，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路ADC，選用LT公司的高精度12位順序快速AD轉(zhuǎn)換器LT1293。LT1293使用LTCMOS開(kāi)關(guān)電容技術(shù)來(lái)執(zhí)行12位單極轉(zhuǎn)換和11位符號(hào)轉(zhuǎn)換。芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)12μg。ADC將放大電路的放大信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)進(jìn)行處理，為單片機(jī)提供內(nèi)部參考電壓。LT1293可以工作在節(jié)電模式，是電池供電系統(tǒng)應(yīng)用的理想選擇。采用高性能鎖相技術(shù)形成微弱信號(hào)頻率檢測(cè)器，檢測(cè)調(diào)制信號(hào)。頻率采集電路由解碼芯片和模擬通道CD4051組成。單片機(jī)控制頻率采集電路選擇頻率，與輸入信號(hào)進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

DAC電路的主要功能是將兩個(gè)模擬輸出發(fā)送到兩組放大器電路，以消除噪聲和減少噪聲干擾。電源管理尤其重要，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是電池供電的手持系統(tǒng)。這是一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的電源管理電路和電源監(jiān)控電路，用于管理電力，節(jié)約用電，監(jiān)控供電。該電路包括D觸發(fā)器電路、MAXIM穩(wěn)壓器芯片和P溝道MOSFET IRFD9120等芯片。該穩(wěn)壓芯片可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的5V電壓并監(jiān)測(cè)電路的電壓。當(dāng)電壓低于期望值時(shí)，產(chǎn)生警報(bào)。電源在運(yùn)行過(guò)程中由單片機(jī)控制。不操作，請(qǐng)關(guān)掉電源，省電。

4 光纖識(shí)別系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的性能

設(shè)計(jì)了一種250 mm的ODSMF光纖。光纖識(shí)別器工作在1550nm，最大彎曲損耗為1.5db，光纖波長(zhǎng)為1310nm，最大彎曲損耗為0.5db。對(duì)于位移m 900的ODSMF光纖，最大彎曲損耗在1550nm處為2.5dB，在1310nm處為0.8dB。對(duì)于3 mm ODSMF光纖，1550 nm處的最大彎曲損耗為3.5。在dB，最大彎曲損耗為1 dB，在1310 nm。光纖工作溫度在0～40℃之間的在線測(cè)量不會(huì)影響正常的光纖通信。實(shí)際檢測(cè)靈敏度如表1所示。損耗值完全滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，330Hz、270Hz、1kHz和2kHz調(diào)制頻率的檢測(cè)靈敏度在-24dbm以上。

表1 光纖識(shí)別儀檢測(cè)靈敏度表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在總結(jié)現(xiàn)有光纖識(shí)別研究成果的基礎(chǔ)上，基于光干擾理論和光纖傳感技術(shù)，建立了一套完整可行的基于效果的光纖識(shí)別儀設(shè)計(jì)方案，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的模塊進(jìn)行了比較。綜合的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，為光纖識(shí)別設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了簡(jiǎn)單、方便、低功耗、高可靠性、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等方面的理論和實(shí)踐參考。識(shí)別放在遠(yuǎn)端光纖通信光纖，通過(guò)光纖環(huán)遠(yuǎn)程操作員手動(dòng)方法用于檢測(cè)和識(shí)別目標(biāo)光纖，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，光纖沒(méi)有損傷，良好的應(yīng)用前景。