基于嵌入式技術(shù)的通訊光纜監(jiān)測系統(tǒng)研究

王蓮萍 懷向芳

【摘 要】隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通訊已經(jīng)成為生活交流中的主要方式，衣食住行沒有一樣能夠離開網(wǎng)絡(luò)通訊。在進行遠距離空曠無障礙或者近距離傳輸信號時，無限電磁波和光纜傳輸都是可選擇的。在建筑物密集的城市，利用通訊光纜傳輸信號是最優(yōu)選項。由于城市結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，時時不間斷對通訊光纜進行損壞度監(jiān)測是保證信號穩(wěn)定、持續(xù)、高質(zhì)量特性的一個必要手段。

【關(guān)鍵詞】通訊光纜;損壞度檢測

光纖通訊利用激光的高方向、高相干、高單色的性質(zhì)進行玻璃纖維中信號的傳輸，其具有信道容量大、抗干擾能力強、信號衰減系數(shù)低、成本低等特征。但是由于玻璃纖維的易碎性和城市人為活動頻繁等原因。在城市施工的過程中很容易就會不小心挖斷通訊光纜，其產(chǎn)生的經(jīng)濟損失和發(fā)現(xiàn)問題的速度成一定的比例關(guān)系，對通訊光纜損壞度的監(jiān)控就成為保質(zhì)保量的關(guān)鍵點?？墒峭ㄓ嵐饫|的檢查和維護是一個高頻和任務(wù)量大的工作，采取人工檢查是無法快速高效的完成，隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，基于嵌入式技術(shù)的通訊監(jiān)控系統(tǒng)成為目前研究和采用的主要方法。其可以不間斷的對光纜進行監(jiān)控、反饋和有損報警。

嵌入式系統(tǒng)可以稱之為一個小型的微型專用計算機，這類系統(tǒng)是基于某些特定任務(wù)而開發(fā)的，具有數(shù)據(jù)處理快、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等特性，被廣泛運用于智能家電、人工智能、特殊行業(yè)的自動化控制。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的成本也將逐漸趨于可接受化。本文旨在對其中一種模式的光纜監(jiān)控系統(tǒng)進行一定的研究。

一、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能

光纜檢測系統(tǒng)對光纜中的備用光纜進行監(jiān)測，利用損壞前和損壞后的光計數(shù)率的差異進行判斷光纜是否發(fā)生損壞。通過采用OTDR判定光纖的具體質(zhì)量。光纜監(jiān)測系統(tǒng)建立在信息的采集、處理、分析和得出結(jié)論的基礎(chǔ)上。信息的采集是將光纖當(dāng)前的隱形物理狀態(tài)轉(zhuǎn)化為另外一種可識別的信號，處理是將采集的信號進行轉(zhuǎn)化為可使用的數(shù)據(jù)，分析處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)一定量的理論原理，來判斷當(dāng)前光纖的狀態(tài)[1]。

光纜監(jiān)測系統(tǒng)是由監(jiān)測點、信號處理系統(tǒng)、監(jiān)測控制、總監(jiān)測控制室組成。其中監(jiān)測點主要是由激光發(fā)生器、光探測器、外圍電路組成。信號處理和控制主要對信號轉(zhuǎn)換設(shè)備傳輸過來的信號進行處理、分析。監(jiān)測控制點1是由PC機和系統(tǒng)的軟件兩部分組成，控制軟件對傳輸過來的信號進行數(shù)學(xué)處理。

1）監(jiān)測點主要由激光發(fā)生器、被監(jiān)測光纜、光探測器和外圍電路組成。激光發(fā)生器發(fā)射特定波長的穩(wěn)定激光，為了保證其使用壽命和質(zhì)量，周圍的外圍電路包括恒壓或者恒流電源，溫度控制系統(tǒng)。激光發(fā)生器和光探測器位于被監(jiān)測光纜的兩側(cè)，對備用光纜接收信號強度和發(fā)出信號的強度進行比較，判斷其差值是否已經(jīng)超出正常光纜的損耗閾值，進行定性分析光纜是否發(fā)生損壞。

光探測器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的元器件，光信號進入探測器，在探測器內(nèi)發(fā)生能量沉淀，這個過程中根據(jù)接收到光信號的強度形成不同的大小電流（此處的電流是微電流）。為了保障光探測器的穩(wěn)定性，光探測器周圍配置了穩(wěn)壓電路。從光探測輸出端輸出的的電流信號經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路，進一步將電流的大小轉(zhuǎn)換為電壓的大小值[2]。信號通過放大電器后，進一步對信號值進行放大，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，將連續(xù)的電壓信號，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，這是后續(xù)進行數(shù)據(jù)處理的重要前提。

2）信號處理和控制是整套系統(tǒng)的核心部件，其就相當(dāng)于整個系統(tǒng)的大腦。上位機設(shè)置命令經(jīng)過此處的轉(zhuǎn)換將其輸送至系統(tǒng)的各個部分，經(jīng)過信號變換系統(tǒng)的數(shù)字化信號被送至此處。信號處理和控制主要由ARM、FPGA和外圍電路電路等構(gòu)成。FPGA主要是對信號轉(zhuǎn)換后的信號進行一定處理，其優(yōu)點是速度快，信號處理量大。ARM主要是是控制、計數(shù)、信號傳輸?shù)淖饔?。FPGA出來的信號輸入ARM，ARM將其輸送至上位機。

3）上位機和硬件部分的通訊采用的是CAN通訊，CAN通訊具有高穩(wěn)定性、高通信速率、適用范圍廣、易于二次開發(fā)的通訊優(yōu)點，被廣泛運用于當(dāng)下的自動化通訊領(lǐng)域。

4）軟件是利用C++語言開發(fā)，其特點是適用范圍廣、易于學(xué)習(xí)，只要有過C語言基礎(chǔ)，就可以很快的入手C++，軟件適用的系統(tǒng)環(huán)境為windows10。軟件部分主要是對硬件部分傳輸?shù)男盘栠M行一定的整合和分析，對接收數(shù)據(jù)進行一定理論數(shù)學(xué)計算，定性判斷出光纜是否發(fā)生損壞。在軟件部分也可以對硬件部分適用的狀態(tài)進行一定的控制，包括光電發(fā)生器的波長大小、放大器的放大倍數(shù)、信號處理選擇的類型和OTDR參數(shù)設(shè)置等。

5）OTDR主要是通過發(fā)射方脈沖和接收經(jīng)過纖維各處的瑞利散射、菲涅爾反射后的光功率，形成一定的曲線，通過對曲線的分析來判斷光纖的質(zhì)量。

6）通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以將不同位置的判別結(jié)果傳輸至總控制室，以此達到一點總覽全局的效果。

二、光纜監(jiān)控系統(tǒng)性能的的影響因素

任何一套系統(tǒng)都不是萬能的，其運行的好壞受環(huán)境因素和系統(tǒng)優(yōu)化程度的影響。

環(huán)境因素包括此時系統(tǒng)所處的濕度、溫度、磁場強度等。當(dāng)環(huán)境濕度過大時，空氣中的水分積累在元器件的焊點周圍，可能會導(dǎo)致元器件在通電的瞬間發(fā)生短路損壞。當(dāng)溫度過高或者過低時，硬件芯片會出現(xiàn)輸出異常，所以在進行系統(tǒng)運行時，進行一定的時間的預(yù)熱達到芯片運行的最佳效果。變化的磁場會形成一個電場，產(chǎn)生的電場會對整套系統(tǒng)傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生干擾。

系統(tǒng)的優(yōu)化程度包括電壓源的選擇、電路的設(shè)計、芯片的選擇、光探測器和激光發(fā)生器的選擇、ARM和FPGA內(nèi)嵌程序的優(yōu)化性、電路板的焊接工藝、軟件操作的方便性和人機互動性。每個芯片的供電電路越穩(wěn)定，其輸出的結(jié)果越穩(wěn)定。芯片選擇的等級高低是影響結(jié)果的一個因素，但實際運用中對芯片的選擇是建立在結(jié)果和成本上的雙向原則。激光發(fā)生器的穩(wěn)定性決定整個系統(tǒng)的源數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。如果激光發(fā)生器的輸出結(jié)果都不穩(wěn)定的，那么無論后續(xù)結(jié)構(gòu)多么完善，接收的結(jié)果也是不符合真實情況的。軟件除了其功能的完善性，還應(yīng)該具備界面整潔、可理解、易于操作、人機互動感強等特性。

三、結(jié)語

未來的光纖性能肯定會得到提高，但是對光纜損壞的監(jiān)測是永遠都需要的，隨著由城市到農(nóng)村網(wǎng)路的普及程度，光纜監(jiān)測系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍都會得出很大的提升。

【參考文獻】

[1] 黃業(yè)宏.“在通訊傳輸中光纜監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用淺析.”科技與企業(yè) .04 （2013）：94.

[2] 陳玨忠，施雄杰，張然.“光纜離線監(jiān)測系統(tǒng).”農(nóng)村電氣化 .05 （2008）：26-28.

[3] 劉毅娟，何旸，雷鳴，李杰.“光纜監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用探索.”數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用 .05 （2015）：238.