多路光功率監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

高淑芝， 徐林濤

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

光纖網(wǎng)絡(luò)在日常生活和國民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位.由于網(wǎng)絡(luò)安全性越來越倍受重視，技術(shù)人員對其管理與維護(hù)提出了更高的要求與限制，以滿足人們對網(wǎng)絡(luò)的安全性以及智能化的要求[1-2].對光纖傳輸網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控重要方法之一就是對光功率的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，從而達(dá)到對光纖傳輸?shù)膶?shí)時監(jiān)測，即通過對光纜中光的強(qiáng)度的變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測.通過對光的強(qiáng)度的變化趨勢做出相應(yīng)的反應(yīng)，報告?zhèn)鬏敼收?同時，一旦傳輸時發(fā)生故障它就會在第一時間做出反應(yīng)，從而能夠快速而準(zhǔn)確地了解故障所在[3-4].

本文多通道光功率自動監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計主要是用來監(jiān)測通信中光纖網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，采集光信號經(jīng)過PIC支離出的一小部分光功率進(jìn)行檢測并分析，在連續(xù)光通信的狀況下，達(dá)到實(shí)時監(jiān)測與控制工作光纖線路光功率變化的目的.此系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)最多可以實(shí)現(xiàn)對16路的光功率進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，解決了多路分支器和多芯光纖件在環(huán)境試驗(yàn)和機(jī)械試驗(yàn)時的光功率自動監(jiān)測問題，同時該系統(tǒng)還具備溫度實(shí)時顯示和雙波長實(shí)時切換功能[5].光纖測試設(shè)備必須有較高的可靠度和穩(wěn)定性，保證光纖鏈路損耗能進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測.

1 光功率監(jiān)測系統(tǒng)

光功率實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)通常是將光功率監(jiān)測和OTDR監(jiān)測兩種方式結(jié)合使用.光功率監(jiān)測系統(tǒng)用于發(fā)現(xiàn)哪里有故障，而OTDR系統(tǒng)則是進(jìn)行故障的分析.OTDC監(jiān)測結(jié)合了光功率計價格低、使用時間較長、能夠及時及地地采取樣本的優(yōu)點(diǎn).多數(shù)情況下每個光功率監(jiān)測通道的數(shù)量都可以人為設(shè)定，一旦被監(jiān)測光纖出現(xiàn)工作光功率下降、或光功率下降到某一閾值時，光功率監(jiān)測報警系統(tǒng)能夠及時報警[6-7].光功率的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測通過對光纖發(fā)生的故障及其本身性能的倒退起到監(jiān)控作用，其不僅實(shí)時性好、準(zhǔn)確性高，而且成本低.

1.1 光功率監(jiān)測設(shè)備的工作原理

光功率監(jiān)測儀主要由光電探測電路、光電轉(zhuǎn)換器、光耦合器、對數(shù)放大電路、CAN總線電路、A/D轉(zhuǎn)換、主控電路和GPRS通信電路組成.多路光監(jiān)測設(shè)備的工作原理如圖1所示.

圖1 多路光監(jiān)測設(shè)備工作原理

在實(shí)際應(yīng)用的光纖系統(tǒng)中，一般有兩套光纖：一套是正在進(jìn)行通信的主干路用光纖,主干路用光纖尾端安裝了一個97/3的光耦合器(PLC)，3 %用于光監(jiān)測，97 %的光被接收到光端接收機(jī)用于通信；另一套是備用光纖作為應(yīng)急處理光纖，如果出現(xiàn)主干路用光纖發(fā)生故障而不能正常通信的問題時，則啟用備用光纖[8-12].監(jiān)測光通過光電探測模塊，對數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)變從而使模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號再傳給CAN總線，并且通過主控單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行通信、存儲或是無線發(fā)送.

1.2 光功率遠(yuǎn)程監(jiān)測

光功率遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測有備用光纖監(jiān)測方式和業(yè)務(wù)光纖監(jiān)測方式，兩種監(jiān)測方式各有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，可依據(jù)光纖網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況選擇所需要的監(jiān)測方式[13-14].備用光纖通常被用來監(jiān)測整條光纜的運(yùn)行情況，但有一點(diǎn)需注意其需要光纜中有剩余光纖，如果沒有剩余光纖，則無法進(jìn)行監(jiān)測；備用光纖監(jiān)測時，會從線路的一端發(fā)射激光信號，而另一端通過光功率計監(jiān)測信號，預(yù)警通常會在遠(yuǎn)程計算機(jī)中實(shí)現(xiàn).備用光纖監(jiān)測原理如圖2所示.

圖2 備用光纖監(jiān)測原理

業(yè)務(wù)光纖監(jiān)測一般用于光纜中沒有其他多余的備用光纖來監(jiān)測整條光纜.在業(yè)務(wù)光纖監(jiān)測中，通常是通過分時器將業(yè)務(wù)光纖中的光信號提取出一部分，并輸入到光功率計，從而實(shí)現(xiàn)對該光纖通信的監(jiān)控.每個光功率監(jiān)測通道的數(shù)量可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，如果被監(jiān)測光纖出現(xiàn)斷掉或者工作中的光功率下降到某一限值，或出現(xiàn)較大的衰減時，會及時產(chǎn)生報警.業(yè)務(wù)光纖監(jiān)測原理如圖3所示.

圖3 業(yè)務(wù)光纖監(jiān)測原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 多路光功率自動監(jiān)測系統(tǒng)組成

多路光功率自動監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖4所示.

圖4 多路光功率自動監(jiān)測系統(tǒng)組成

將兩個來自不同波長光源的光分別輸入到光開關(guān)，通過光開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對雙波長光源的切換，從而實(shí)現(xiàn)對不同波長運(yùn)行光纖進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測.為了能在測試過程中快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)雙波長的監(jiān)測，在測試中選取開關(guān)的反應(yīng)速度為Ps級.溫度傳感器(AD590)模塊的用途主要是將溫度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，再經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成電壓信號，最后經(jīng)計算校準(zhǔn)處理得到所需溫度數(shù)據(jù)，從而使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的實(shí)時顯示.

多路光電二極管模塊主要用于光電轉(zhuǎn)換，光電二極管的光電探測器采用InGaAs.PIN管具有較高的分辨率、靈敏度和較快的響應(yīng)速度等，以此保證光電二極管工作運(yùn)行的可靠度和效率.單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊的主要作用是將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行濾波處理，且通過對浮點(diǎn)和對數(shù)的運(yùn)算，使每一路實(shí)時采集到的溫度、光功率和參考光路光功率數(shù)據(jù)經(jīng)RS232或USB接口傳輸?shù)接嬎銠C(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后能夠?qū)崟r顯示出來.

2.2 STM32F103ZE

STM32的CPU頻率為72 MHz，處理器反應(yīng)時間很快.STM32單片機(jī)含有多個特性接口并皆有兼容5 V的特性，同時能使很多5 V的模塊被STM32單片機(jī)所支配，這些接口還有多個外部中斷，而且其內(nèi)總線有2個A/D轉(zhuǎn)換裝置，擁有可以保存和重復(fù)采集數(shù)據(jù)的能力.

2.3 光電轉(zhuǎn)換電路

光照射到光電二極管，其即會產(chǎn)生一個小電流，并與光照強(qiáng)度成正比.光電二級管工作模式有2種：第1種是在反偏的光導(dǎo)模式下運(yùn)行；第2種是在正偏的光伏模式下運(yùn)行.具體工作模式如圖5所示.光導(dǎo)模式下的光電二極管雖能實(shí)現(xiàn)較高切換速度，但在成本上有較大的損失；與此同時，光導(dǎo)模式下運(yùn)行的光電二極管雖在一定條件下產(chǎn)生一個極小的暗電流，但這種電流有很大的概率會影響整體電路穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)[15].在光伏模式下運(yùn)行時，光電二極管可以非常精準(zhǔn)且可靠地進(jìn)行線性工作，所以一般選用此模式.光電二極管分為PIN和APD兩種.在處理光信號時，PIN一般作為首選，其主要優(yōu)點(diǎn)是能通過它的暗電流比較小.光電壓模式比較適合對微弱信號進(jìn)行檢測，檢測電路如圖6所示.其中：R1為反饋電阻；Uo=-R1×Ig，Ig為光電流，隨著光信號頻率逐漸升高；電容C1在電路中起到減少噪聲作用.由兩個運(yùn)算放大器A1和A2組合成的放大電路，可以減少光電轉(zhuǎn)換電路輸出電信號中混雜的噪聲和帶寬，提高信噪比.

圖5 光電二極管的工作模式

圖6 光電轉(zhuǎn)換與前置放大電路

2.4 對數(shù)放大電路

利用上述電路輸出的電信號輸入到對數(shù)放大電路中，設(shè)計采用對數(shù)放大器AD8304.采用對數(shù)放大電路處理80 dB光信號，測量中沒有移位誤差，最大對數(shù)線性誤差為0.1 dB.此外，光電二極管接口和溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計特別適用于光纜的在線和實(shí)時監(jiān)測.測量光功率與運(yùn)放輸出電壓UO的線性關(guān)系為

P=K2UO+C2.

(3)

其中：P=10lgPPD，PPD是輸入光功率；K2=10/K1，C2=10lg(IPD/ρ)-10C1/K1，K1和C1由芯片外阻抗網(wǎng)絡(luò)決定.公式(3)表明AD8304(對數(shù)放大器的開放型數(shù)字光功率計)的輸出電壓UO與光功率P存在線性關(guān)系，在一定程度上使運(yùn)算的復(fù)雜程度得到簡化.加入此對數(shù)放大電路，可使監(jiān)測系統(tǒng)的量程范圍增大到70 dB，具體電路如圖7所示.

圖7 對數(shù)放大電路

2.5 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器是組成現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，STM32F103ZET6單片機(jī)包含12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC).轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間為1 μs，最大轉(zhuǎn)換頻率為1 MHz，測量8個外部通道和2個內(nèi)部信號源的通道有16個.STM32F103ZET6性能參數(shù)如表1所示.這里需要說明的是U1是STM32F103ZET6主控制面板的工作電壓為3.3 V，為了分離數(shù)字電路和模擬電路，使用了0.1 μF的電容和一個電感.

表1 STM32F103ZET6的性能參數(shù)

3 光功率監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件電路設(shè)計在整體系統(tǒng)設(shè)計上起到至關(guān)重要的作用，在此基礎(chǔ)上設(shè)計軟件電路比較方便、簡單.系統(tǒng)流程如圖8所示.

圖8 光功率監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

3.1 系統(tǒng)初始化

根據(jù)圖8所示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程，首先在主板進(jìn)行初始化(接通電源使單片機(jī)上電，之后STM32單片機(jī)對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行初始化)，然后實(shí)現(xiàn)CAN總線、串口和RS232/USB三種配置，實(shí)時關(guān)注采集指令確定采集數(shù)據(jù)情況，接收完相應(yīng)數(shù)據(jù)后，再將此數(shù)據(jù)導(dǎo)入到公式(3)計算光功率，最終，通過GPRS傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中并通過PC機(jī)或移動互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù).

系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

根據(jù)系統(tǒng)軟件設(shè)計流程先將系統(tǒng)進(jìn)行初始化，通過光電轉(zhuǎn)換電路將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過對數(shù)放大電路將電信號進(jìn)行擴(kuò)大，再經(jīng)STM32內(nèi)部中的A/D轉(zhuǎn)換電路將所得到的模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號；將數(shù)字量信號傳輸?shù)紺AN總線，其中CAN總線是目前應(yīng)用最廣泛的串行總線系統(tǒng)，在設(shè)計中主要用來維持光纖通信網(wǎng)絡(luò)與RS232串行口之間的連接，從而保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，不受外界干擾；通過USB和RS232接口將數(shù)字量信號通過串口協(xié)議進(jìn)行初始化，并將所有的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量信號，將最終所得到的數(shù)字量信號傳送到PC機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，再通過公式計算出相應(yīng)光功率.

3.2 監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制

根據(jù)國標(biāo)要求嚴(yán)格監(jiān)測光學(xué)器件在一些異常環(huán)境中的損耗變化.IEC有關(guān)規(guī)定：在某種特定環(huán)境和指標(biāo)下，才能判斷其無明顯變化.多通道光功率自動監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性如下：短時間內(nèi)(15 min)穩(wěn)定性應(yīng)優(yōu)于0.01 dB，長時間(>8 h)穩(wěn)定性應(yīng)優(yōu)于0.02 dB.在調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性的過程中，由圖10和圖11可以看出：短時間內(nèi)系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的差異不是很明顯；長時間內(nèi)系統(tǒng)所測的數(shù)據(jù)會在一定的范圍內(nèi)略有波動，出現(xiàn)波動的原因是長時間工作的過程中由自身產(chǎn)生的溫度變化所致.

圖10 短時間系統(tǒng)實(shí)測曲線

圖11 長時間系統(tǒng)實(shí)測曲線

4 仿真分析

為驗(yàn)證設(shè)計范圍和測試精度，采用光衰減器對實(shí)際的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整.將系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)與利用安捷倫公司生產(chǎn)的N775A高敏度多通道光功率計監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示.結(jié)果表明:該系統(tǒng)不僅適用于光纖信號的自動實(shí)時監(jiān)控，而且具有良好的穩(wěn)定性，對光纖通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行起到關(guān)鍵作用.此監(jiān)測系統(tǒng)的工作波長為1 310～1 550 nm，測量范圍可達(dá)-70～10 dB，分辨率為0.001 dB.從表2數(shù)據(jù)可以看出：在特定的測量區(qū)間段內(nèi)，光功率監(jiān)測系統(tǒng)的性能相對于N775A光功率計的測量性能更好.絕對誤差曲線如圖12所示.

表2 測量數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比結(jié)果

圖12 絕對誤差曲線

5 結(jié) 論

設(shè)計了一種基于STM32的光功率計實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)的前端可用于硬件電路中的光電轉(zhuǎn)換、前置放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、對數(shù)轉(zhuǎn)換等.根據(jù)設(shè)計要求，光功率計的測距精度可達(dá)75 dBm[dBm=10log(mW)]，具有高精度、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)勢.該監(jiān)測系統(tǒng)在實(shí)際調(diào)試與使用當(dāng)中也實(shí)現(xiàn)了設(shè)計要求，并能實(shí)現(xiàn)對光的運(yùn)行實(shí)時監(jiān)測以及監(jiān)測到光的損耗程度.