通信光缆阻断维护系统的设计与实现

2011-03-11杨剑

电信科学 2011年3期

杨剑

（西安通信学院电子信息工程系西安 710106）

1 概述

当前，多数通信光缆采用传统人工维护方式，即当通信光缆发生阻断时，传输机房执勤维护人员首先查看设备告警，判断告警类型，若为“LOS”收无光告警，则在设备光接收点和光配线架（ODF架）上的光接收点分别测试接收光功率，当排除单板故障和传输机房内的尾纤故障后，再通过光时域反射仪（OTDR）对阻断光缆的故障位置进行测试，并将测试结果上报光缆抢修中心，外线维护人员根据光缆维护资料，将OTDR测得的光纤长度转化为光缆长度、标石信息和地理位置，并组织人员现场进行抢修。

在上述阻断抢修过程中，告警判决、断点测试、仪表设置、光缆定位等多个人为操作环节引入的时延较大，制约了光缆恢复时间指标的提升。本文基于嵌入式硬件平台，提出一种通信光缆阻断维护系统的设计方案，并给出了具体的实现方法，实验表明该系统减少了人为操作环节的时延，明显缩短了光缆阻断的恢复时间。

2 系统的组成及特点

通信光缆阻断维护系统的结构示意如图1所示，包括维护平台、OTDR和本地服务器，维护平台与ODF架相连，平时监控光缆线路的光功率，当发生光缆阻断时，通过光开关将测试仪表倒换到光缆线路上，并通过维护总线（GPIB、RS232等）控制OTDR进行定位测试。读取测试结果后，结合系统中的光缆线路定位功能，将测试的光纤长度转化为光缆长度、标石信息和地理位置，并通过有线网络上报传输机房值班维护的本地服务器，同时通过无线网络上报抢修维护中心。

维护系统的主要特点包括以下几点。

·系统接入损耗小，不影响原有通信光缆线路的光功率指标。

·阻断反应时间快，通过维护平台可实现光缆阻断的自动监控，并控制OTDR自动进行故障位置定位，减少了人为判断、测试的反应时间。

图1 通信光缆阻断维护系统结构示意

·定位信息可靠上报，维护平台根据OTDR的测试结果，计算故障点的光缆长度、标石信息、地理位置等信息，可通过网络上传至本地服务器，并结合可视化软件显示故障位置，还可通过GSM网络上传至抢修维护中心，或直接通知抢修维护人员，保障了定位信息的多渠道上报。

3 维护平台的设计与实现

目前，《传输维护规程》要求传输维护人员应在20 min内发现系统故障并判明故障位置，传统维护方式需要维护人员24 h值守，基于设备或网管的LOS告警发现光缆阻断故障，人为分析故障原因后再通过OTDR测试故障位置。

为将人为因素对判决时间的影响降到最低，本文通过维护平台的设计，可实现无人值守状态下光缆阻断的快速判决。维护平台设计的关键包括通过光监控功能自动判决光缆阻断，通过GPIB总线自动控制OTDR测试，通过嵌入式系统软件自动计算故障位置，减少光缆阻断恢复对传输机房24 h值守的依赖。

3.1 维护平台的硬件设计

维护平台是光缆阻断维护系统的核心，可实现光缆阻断的自动检测，并通过维护总线控制OTDR，实现故障点的自动定位，维护平台由基于嵌入式系统的硬件平台和光监控模块两部分组成，维护平台的功能结构如图2所示。

图2 维护平台的功能结构

光开关电路在ARM核心处理模块的控制下，平时导通光路1和光路2，完成对光缆线路光功率的监测，发生阻断时导通光路1和光路3，完成对光缆阻断位置的测试；分光采集器完成对光缆线路上光信号的采集和光电转换，并将转换结果送嵌入式硬件平台的AD接口；OTDR通信模块可在ARM模块的控制下，通过维护总线（GPIB、RS232）控制OTDR开启自动测试，并读取测试结果送至ARM模块；光缆信息模块存储了光缆施工的具体信息，并通过与ARM模块的交互，辅助ARM模块完成光纤长度到故障位置的转换；GSM通信模块可在ARM模块的控制下，完成故障位置的短信上报；在ARM模块的控制下，可通过网络通信接口上报故障位置到本地服务器显示，也可通过本地服务器下载光缆维护信息；ARM模块是整个硬件平台的核心，通过实时监测AD接口的电压变化，判断光缆阻断的发生，并同时完成控制光开关倒换、OTDR自动测试、测试结果自动转换、转换结果多渠道上报等功能；输入、输出模块包括液晶屏、指示灯、蜂鸣器、按键等，通过按键可实现基本参数的本地设置，当发生阻断告警时还可通过液晶屏、指示灯、蜂鸣器完成本地告警上报。

3.2 维护平台的硬件实现

为实现无人值守条件下的光缆阻断判决、测试及上报，维护平台硬件部分的关键是光监测模块、OTDR通信模块、GSM通信模块以及ARM核心模块，下面分别给出各个模块的实现方法。

（1）光监测模块的实现

分光采集器是光监测模块的核心，实现光缆线路光功率的监测，进而实现光缆阻断的快速判决。由于要在实际通信光路中加入该器件，因此要求该器件的插入损耗小、分光转换效率高。光讯科技公司的OPDM分光探测器具有小插入损耗（小于 0.5 dB），小分光比（99∶1），高响应度（大于8 μA/mW）的特点，并且集成了分光耦合器和高灵敏度的光电二极管，灵敏度可达0.8 mA/mW，同时具有宽波长范围（1510～1610 nm），可满足光纤通信传输波长的要求。

光开关电路完成光功率监测到故障定位的转换，也需要接入实际光路中同样要求低接入损耗，光讯科技公司的OSW光开关，插入损耗可小于0.8 dB，满足测试需求。需要说明的是，目前光缆线路中多数情况下存在空余的备用光纤，光缆阻断的前提下，通过备用光纤的断点测试，也可以找到故障点的位置，此时则不需要光开关电路，直接将OTDR测试端口与备用光纤相连即可，既节省了维护系统中光开关的成本，也减少了光开关插入损耗对原有光纤通信系统的影响。

（2）OTDR通信模块的实现

目前，OTDR的厂家种类很多，大都提供远程控制接口，通过该类接口，OTDR通信模块可控制OTDR实现自动测试。远程控制接口中GPIB接口较为通用，GPIB是用于连接可编程仪器的公共总线，采用异步通信方式，满足IEEE 488.1标准[1]。具体实现可采用NI公司的GPIB-RS232作为维护平台扩展GPIB接口，ARM模块通过串口操作即可控制OTDR完成自动测试，但GPIB接口扩展设备成本较高，对于含RS232接口的OTDR而言（如EXFO公司的FTB_400），可直接通过硬件平台的串口实现远程操作。

无论是GPIB接口还是RS232接口，均使用SCPI指令实现对仪表的自动控制。SCPI是针对可编程测试仪表的通用操作语言，如发送“*IDN?”查询设备标识信息，FTB_400会返回 “EXFO E.O.Engineering,FTB-400,125-2A55,1.0.1.97”，表明厂家、设备类型和序号等信息[2]。

（3）GSM通信模块的实现

GSM通信模块为故障定位信息提供了无线网络上报方式，嵌入式硬件平台通过GSM通信模块向指定的GSM网络号码发送短消息，上报硬件平台的ID号，故障点的光缆长度、标石信息和地理位置等参数，传输机房执勤维护人员可通过本地服务器设置多个GSM号码，如指定抢修维护中心负责人、外线分队值班员的GSM手机号码，便于将故障位置同时上报到抢修维护中心和外线分队。

实现GSM通信功能的模块较多，这里采用成本相对较低的CENTEL公司提供的PIML-900/1800模块，该模块提供标准的AT命令接口，可实现GSM语音、短消息和GPRS等功能，维护系统主要使用该模块的短消息功能，实现告警上报。PIML-900/1800模块提供了功能完备的系统接口，主要包括外部电源、RS 232串口、SIM接口和音频接口等，这里主要通过该模块的RS 232口与ARM核心处理模块通信，实现AT指令的传送。

（4）ARM模块的实现[3]

ARM核心处理模块采用广州致远电子有限公司的M22A系列嵌入式工控模块，该模块基于ARM LPC2220工业级微控制器，支持工业级10 Mbit/s以太网，内嵌了网络通信协议，便于实现维护平台与本地服务器的网络通信；具有4路10 bit A/D转换器接口，不需要其他扩展电路，便可对分光采集器送来的电信号直接进行高精度采集；具有2路UART通信接口，便于控制GSM通信模块，同时为用户初始化设置提供了调试串口；工控模块还提供了I2C接口的外部存储功能，可通过I2C总线存储维护平台的相关参数（如节点ID、判决参数等）；另外，M22A系列嵌入式工控模块通过板上Flash扩展了存储空间，为维护平台扩展提供了本地电子盘，通过本地服务器，可将光缆施工、路由信息下载到本地电子盘中，灵活快捷，便于后续信息的维护与更新，核心处理器通过与电子盘中光缆信息的交互，最终完成故障位置的计算。

图3 本地服务器系统软件主界面

3.3 维护平台的软件设计与实现

光缆阻断维护系统的系统软件分为两部分：一部分运行于嵌入式硬件平台的ARM芯片上，是在嵌入式操作系统框架下实现的系统应用程序；另一部分运行于本地服务器上，是基于可视化编程工具开发的PC端应用程序。两者通过TCP网络协议进行通信，实现数据指令的交互。

（1）嵌入式硬件平台系统软件的开发

运行于硬件平台ARM芯片的系统软件，是在嵌入式操作系统框架下实现的。这里采用的嵌入式系统为μC/OS-II实时操作系统，该系统提供多任务方式，可实现任务调度与管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良等特点。

根据硬件平台的工作要求，系统软件主要设置了3个基本任务，任务1主要完成AD采集器的实时信号采集，根据AD采集的电压变化，判断光缆的阻断情况；任务2主要完成串口通信，一方面解析用户的调试信息，一方面控制GSM模块实现短信发送，如采用RS232作为OTDR的控制接口，也在该任务内实现控制指令下发和测试结果读取；任务3主要完成网络通信，解析本地服务器的控制指令，设置硬件平台ID号、GSM号码、光缆施工信息等内容，并将测试的故障位置上传到本地服务器。嵌入式系统软件开发的关键是进行多任务的管理，由于采用了μC/OS-II嵌入式系统，通过任务优先级机制，可有效地避免不同任务间的冲突，同时为避免任务执行失败造成的系统异常（如因SIM卡或网络原因造成的GSM短信发送失败），需要通过硬件定时器编程对网络运行状态进行定时监测，对短信发送状态进行定时查询。

（2）本地服务器系统软件的开发

运行于本地服务器上的系统软件，是基于可视化编程工具（Delphi）开发的PC端应用程序。Delphi是一种面向对象语言，提供大量简洁的开发控件和强大的数据库引擎支持，通过 TCP、GPIB和RS232等功能的相关控件，可快速实现与维护平台、OTDR的通信，提高软件开发效率，通过数据库功能可对庞杂的路由信息进行便捷管理，本地服务器系统软件的主程序界面如图3所示。本地服务器系统软件可通过维护平台对多条光缆线路进行监控，查看光缆线路的拓扑结构和当前光功率信息；通过系统软件可以下载光缆施工、路由信息到维护平台，并通过与维护平台的网络信息交互，实现故障位置的图形化显示。

本文设计的光缆阻断维护系统在环校光缆作业网上的实际测试表明，在无人干预的前提下，可将从光缆阻断到故障位置信息上报的时延缩短到5 min以内，且主要时延取决于OTDR的测试时延和GSM网络的传输时延。