基于STM32F103的多通道光測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

［嚴(yán)建平］

1 引言

隨著光通信技術(shù)高速發(fā)展，光通信領(lǐng)域也發(fā)生相應(yīng)改變，并在光通信數(shù)據(jù)領(lǐng)域開始形成各種類型測(cè)試系統(tǒng)。多通道光測(cè)試系統(tǒng)是針對(duì)光通信設(shè)備、光器件生產(chǎn)和工程應(yīng)用的需要而開發(fā)的一種多通道光信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。它是集成了偏振控制器、光功率采集儀、回波損耗測(cè)試儀、多通道光源為一體的綜合性測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用精確的數(shù)據(jù)采集技術(shù)和軟件校準(zhǔn)技術(shù)，結(jié)合友好的控制界面軟件，可方便快捷的測(cè)試器件的光偏振相關(guān)損耗（PDL）、光插入損耗（IL）、光回波損耗（RL），并輸出1 270、1 310、1 490、1 550、1 625 nm五個(gè)波長的光源。系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)具有高精確性特點(diǎn)，非常適應(yīng)于光信號(hào)測(cè)試和光通信技術(shù)領(lǐng)域的使用和推廣。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

多通道光測(cè)試系統(tǒng)通過STM32F103微處理器管理與控制著偏振控制模塊、光功率采集模塊、光回波損耗測(cè)試模塊、多通道光源模塊、以太網(wǎng)接口及界面軟件，每個(gè)模塊都具有相應(yīng)的功能，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 STM32F103微處理器

STM32F103系列微處理器是第一款基于ARMv7-M結(jié)構(gòu)體系的32位標(biāo)準(zhǔn)精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器。具有極高的代碼效率，在常用8位和16位系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間上極大發(fā)揮了ARM內(nèi)核的高性能特點(diǎn)。該系列微處理器內(nèi)置高達(dá)128 K字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器和20 K字節(jié)的SRAM，工作頻率為72 MHz，具有豐富的通用I／O端口。作為最新一代的嵌入式ARM處理器，它為實(shí)現(xiàn)微控制單元（MCU）的需要縮減引腳的數(shù)目降低了功耗，提供了低成本的平臺(tái)、卓越的計(jì)算性能及先進(jìn)的中斷響應(yīng)系統(tǒng)。STM32F103微處理器外圍電路原理圖如圖2所示。

圖2 STM32F103微處理器外圍電路原理圖

STM32F103微處理器主要特點(diǎn)如下：

（1）2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)16個(gè)輸入通道），轉(zhuǎn)換范圍為O～3.6 V，具有雙采樣和保持功能，內(nèi)部嵌入有溫度傳感器。

（2）多達(dá)51個(gè)快速I／O端口，所有I／O口均可以映像到16個(gè)外部中斷，幾乎所有端口都允許5 V信號(hào)輸入。

（3）串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口。

（4）具有2個(gè)DMA控制器，共12個(gè)DMA通道，其中DMA1有7個(gè)通道，DMA2有5個(gè)通道，它支持的外設(shè)包括定時(shí)器、SPI、ADC、USART和L2C。

（5）具有多方式通信接口：USB、12C、SPI、CAN、USART異步串行接口。

（6）具有7個(gè)定時(shí)器。

STM32F103微處理器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單片機(jī)，該單片機(jī)性能穩(wěn)定、可靠性高，在工業(yè)控制領(lǐng)域擁有出色的表現(xiàn)。STM32F103微處理器初始化代碼如下：

2.2 偏振控制技術(shù)方案

描述偏振態(tài)的主要方法有兩種：瓊斯復(fù)矢量法、斯托克斯矢量法。正如一個(gè)矢量矢徑描述以及幾何描述一樣，瓊斯復(fù)矢量法相當(dāng)于利用復(fù)矢量對(duì)偏振進(jìn)行矩陣描述，而斯托克斯矢量法則是利用邦加球?qū)ζ襁M(jìn)行幾何描述。

R．C．Jones在1941年提出的一種偏振態(tài)表示方法稱為瓊斯矩陣法。假定非圓非正規(guī)光波導(dǎo)只有橫向分量，所以它們可用只有兩個(gè)分量的矩陣表述，稱之為瓊斯矢量，即：

由于Jones矢量不能描述非偏振光和部分偏振光，因此Stokes在1852年引入一組參量來描述偏振光，以它們作為元素的四維矢量稱之為斯托克斯（Stokes）矢量。定義Stocks矢量S如圖3所示。

圖3 邦加球上偏振態(tài)的Stokes矢量表圖

偏振控制器應(yīng)用萊特索斯公司生產(chǎn)的光纖擠壓型偏振控制器，主要由4個(gè)光纖擠壓器組成偏振態(tài)調(diào)整器件。啟動(dòng)后，光纖擠壓器快速變化，擠壓光纖，當(dāng)光纖在某一方向受壓時(shí)，被擠壓段產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，通過彈光效應(yīng)來產(chǎn)生相位延遲。各通道的控制電壓與相位變化均呈線性關(guān)系，對(duì)四個(gè)光纖擠壓器輸入-9～+9 V之間的三角波或正弦波信號(hào)，偏振控制器可以將任意輸入偏振態(tài)改變?yōu)樗璧妮敵銎駪B(tài)。啟動(dòng)偏振控制器后，在起偏時(shí)間內(nèi)記錄好通道路的最小光功率值與最大光功率值，兩者相對(duì)比，對(duì)數(shù)值為偏振相關(guān)損耗PDL。

2.3 光功率采集技術(shù)方案

光功率采集部分最大能由64通道光功率集成采集板組成，可對(duì)64個(gè)被測(cè)光通道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。工作原理如下：輸入光進(jìn)入光探測(cè)器PD后轉(zhuǎn)換為電流，由程控運(yùn)放將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換與放大。I/V轉(zhuǎn)換電路圖如圖4所示。

圖4 I／V轉(zhuǎn)換電路圖

電壓信號(hào)放大后，由程控濾波器濾去干擾信號(hào)，再送至A／D轉(zhuǎn)換器，變成數(shù)字信號(hào)，最終由STM32F103微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。STM32F103微處理器可根據(jù)光功率的大小自動(dòng)設(shè)置量程和濾波器狀態(tài)，完成光功率的采集。

2.4 光回波損耗測(cè)試方案

回波損耗是指光束在光纖內(nèi)傳輸時(shí)大多數(shù)的光束從光纖的輸出端輸出，而有一小部分的光束沿輸人端反射回去。回波損耗就是衡量這些反射光功率大小的參量。

RL=-10lg（P'/P1）

其中，P1是光纖輸入端功率，P’為沿一端返回的光功率，輸出的回光功率(Return Beam Power)越大，回波損耗越小。對(duì)于光纖而言回波損耗越大,光學(xué)性能越優(yōu)良。

系統(tǒng)采用纏繞方式進(jìn)行回波損耗測(cè)試。對(duì)校準(zhǔn)件的回波損耗測(cè)試如下：將標(biāo)準(zhǔn)光跳線的一端插入設(shè)備的測(cè)試接口，另一端在纏繞棒纏繞5圈以上，此時(shí)可得到反射光功率P’，將該值作為基準(zhǔn)值，該操作也是對(duì)設(shè)備自校準(zhǔn)，目的是消除分光比誤差、自身插入損耗和系統(tǒng)其它非理想狀態(tài)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。在標(biāo)準(zhǔn)線上接人被測(cè)光器件可測(cè)試出該器件的反射光功率，有了這兩個(gè)值便可得出器件的回波損耗。

2.5 多通道光源輸出技術(shù)方案

系統(tǒng)配置了1 270、1 310、1 490、1 550、1 625 nm等五個(gè)常用波長光源（波長可以任意配選）。激光器為半導(dǎo)體DFB封裝，DFB封裝激光器具有調(diào)制速率高、發(fā)散角較小、光譜窄，特別適用于長距離通信等優(yōu)點(diǎn)。電路應(yīng)用多個(gè)LM358雙運(yùn)算放大器芯片及三極管組成五路并列穩(wěn)定電壓及電流回路，單路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 單路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

LM358為塑封8引線雙列貼片式，具有特性如下：內(nèi)部頻率補(bǔ)償，差模輸入電壓范圍寬,輸出電壓擺幅大（0至Vcc～1.5 V），等于電源電壓范圍，共模輸入電壓范圍寬、包括接地，直流電壓增益高（約100 dB）,單位增益頻帶寬（約1 MHz），電源電壓范圍寬、單電源（3～30 V）、雙電源（±1.5～±15 V），低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流，低功耗電流，低輸入偏流。單路驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖中L1-和D1-分別接上DFB激光器的LD和PD引腳。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)保證了5通道光源具有高穩(wěn)定性輸出。

圖6 HR601680的電路圖

2.6 以太網(wǎng)接口方案

STM32F103微處理器、以太網(wǎng)芯片KSZ8721BLI、網(wǎng)絡(luò)變壓器HR601680的電路連接圖如圖6所示。STM32F103微處理器與網(wǎng)絡(luò)水晶接頭連接的時(shí)候，需把HR601680中心抽頭接到了3.3 V電源上。

在發(fā)送信號(hào)時(shí)，HR601680將STM32F103發(fā)送的數(shù)據(jù)通過耦合濾波，并通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成與所在網(wǎng)絡(luò)相符的電平，最后通過網(wǎng)口水晶接頭的TX發(fā)送出去；接收信號(hào)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過HR601680差模耦合電路和電磁感應(yīng)原理把來自信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成能被芯片所識(shí)別的電平。圖中的TXP2、TXM2、RXP2、RXM2分 別接 到 STM32F103微處理器的以太網(wǎng)模塊對(duì)應(yīng)管腳，RX+、RX-、TX+、TX-分別接到RJ45對(duì)應(yīng)管腳。

3 系統(tǒng)控制界面軟件實(shí)現(xiàn)

按照多通道光測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試辦法接上設(shè)備，連接上電腦后通過系統(tǒng)軟件對(duì)里面相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行配置及操作，界面軟件啟動(dòng)后運(yùn)行如圖7所示。

圖7 界面軟件圖

界面軟件由VC編寫，界面友好，操作易懂，能同時(shí)進(jìn)行多通道光功率、回波損耗、偏振采集測(cè)試。界面軟件測(cè)試結(jié)束后，將自動(dòng)儲(chǔ)存測(cè)試設(shè)備的型號(hào)及編號(hào)、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試數(shù)據(jù)等信息。測(cè)試過程中隨時(shí)通過點(diǎn)擊數(shù)據(jù)管理按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)查看及打印輸出，數(shù)據(jù)管理圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)管理圖

4 技術(shù)指標(biāo)

測(cè)試系統(tǒng)是集光源、光功率采集、回波測(cè)試儀和偏振控器為一體的綜合測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

5 應(yīng)用情況

系統(tǒng)里面采用模塊化設(shè)計(jì)，具有更高的光源穩(wěn)定度，更精確的回波損耗、插入損耗、偏振損耗，以及更為豐富的測(cè)試模式和軟件應(yīng)用功能。多通道光測(cè)試系統(tǒng)補(bǔ)充了國內(nèi)市場(chǎng)和多功能一體化測(cè)試模式技術(shù)方面的空白，極大的提高了光學(xué)測(cè)試指標(biāo)的測(cè)試效率，同時(shí)針對(duì)一些需求多功能指標(biāo)測(cè)試給出了良好的解決方案。

表1 技術(shù)指標(biāo)

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)最大64通道的光測(cè)試系統(tǒng)，能高穩(wěn)定輸出5通道光源及快速測(cè)試偏振相關(guān)損耗、回波損耗、插入損耗，具有測(cè)試效率高、測(cè)試數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、操作易懂等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于光通信測(cè)試中，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。