基于STM32F103的多通道光测试系统的设计*

2020-09-22严建平

广东通信技术 2020年9期

［严建平］

1 引言

随着光通信技术高速发展，光通信领域也发生相应改变，并在光通信数据领域开始形成各种类型测试系统。多通道光测试系统是针对光通信设备、光器件生产和工程应用的需要而开发的一种多通道光信号测试系统。它是集成了偏振控制器、光功率采集仪、回波损耗测试仪、多通道光源为一体的综合性测试系统。系统采用精确的数据采集技术和软件校准技术，结合友好的控制界面软件，可方便快捷的测试器件的光偏振相关损耗（PDL）、光插入损耗（IL）、光回波损耗（RL），并输出1 270、1 310、1 490、1 550、1 625 nm五个波长的光源。系统的测试数据具有高精确性特点，非常适应于光信号测试和光通信技术领域的使用和推广。

2 硬件设计与实现

多通道光测试系统通过STM32F103微处理器管理与控制着偏振控制模块、光功率采集模块、光回波损耗测试模块、多通道光源模块、以太网接口及界面软件，每个模块都具有相应的功能，系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2.1 STM32F103微处理器

STM32F103系列微处理器是第一款基于ARMv7-M结构体系的32位标准精简指令集（RISC）处理器。具有极高的代码效率，在常用8位和16位系统的存储空间上极大发挥了ARM内核的高性能特点。该系列微处理器内置高达128 K字节的Flash存储器和20 K字节的SRAM，工作频率为72 MHz，具有丰富的通用I／O端口。作为最新一代的嵌入式ARM处理器，它为实现微控制单元（MCU）的需要缩减引脚的数目降低了功耗，提供了低成本的平台、卓越的计算性能及先进的中断响应系统。STM32F103微处理器外围电路原理图如图2所示。

图2 STM32F103微处理器外围电路原理图

STM32F103微处理器主要特点如下：

（1）2个12位模数转换器，1μs转换时间（多达16个输入通道），转换范围为O～3.6 V，具有双采样和保持功能，内部嵌入有温度传感器。

（2）多达51个快速I／O端口，所有I／O口均可以映像到16个外部中断，几乎所有端口都允许5 V信号输入。

（3）串行单线调试（SWD）和JTAG接口。

（4）具有2个DMA控制器，共12个DMA通道，其中DMA1有7个通道，DMA2有5个通道，它支持的外设包括定时器、SPI、ADC、USART和L2C。

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

（6）具有7个定时器。

STM32F103微处理器是意法半导体公司生产的单片机，该单片机性能稳定、可靠性高，在工业控制领域拥有出色的表现。STM32F103微处理器初始化代码如下：

2.2 偏振控制技术方案

描述偏振态的主要方法有两种：琼斯复矢量法、斯托克斯矢量法。正如一个矢量矢径描述以及几何描述一样，琼斯复矢量法相当于利用复矢量对偏振进行矩阵描述，而斯托克斯矢量法则是利用邦加球对偏振进行几何描述。

R．C．Jones在1941年提出的一种偏振态表示方法称为琼斯矩阵法。假定非圆非正规光波导只有横向分量，所以它们可用只有两个分量的矩阵表述，称之为琼斯矢量，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年引入一组参量来描述偏振光，以它们作为元素的四维矢量称之为斯托克斯（Stokes）矢量。定义Stocks矢量S如图3所示。

图3 邦加球上偏振态的Stokes矢量表图

偏振控制器应用莱特索斯公司生产的光纤挤压型偏振控制器，主要由4个光纤挤压器组成偏振态调整器件。启动后，光纤挤压器快速变化，挤压光纤，当光纤在某一方向受压时，被挤压段产生双折射现象，通过弹光效应来产生相位延迟。各通道的控制电压与相位变化均呈线性关系，对四个光纤挤压器输入-9～+9 V之间的三角波或正弦波信号，偏振控制器可以将任意输入偏振态改变为所需的输出偏振态。启动偏振控制器后，在起偏时间内记录好通道路的最小光功率值与最大光功率值，两者相对比，对数值为偏振相关损耗PDL。

2.3 光功率采集技术方案

光功率采集部分最大能由64通道光功率集成采集板组成，可对64个被测光通道进行监测。工作原理如下：输入光进入光探测器PD后转换为电流，由程控运放将电流信号转换成电压信号，实现I/V转换与放大。I/V转换电路图如图4所示。

图4 I／V转换电路图

电压信号放大后，由程控滤波器滤去干扰信号，再送至A／D转换器，变成数字信号，最终由STM32F103微处理器进行数据处理。STM32F103微处理器可根据光功率的大小自动设置量程和滤波器状态，完成光功率的采集。

2.4 光回波损耗测试方案

回波损耗是指光束在光纤内传输时大多数的光束从光纤的输出端输出，而有一小部分的光束沿输人端反射回去。回波损耗就是衡量这些反射光功率大小的参量。

RL=-10lg（P'/P1）

其中，P1是光纤输入端功率，P’为沿一端返回的光功率，输出的回光功率(Return Beam Power)越大，回波损耗越小。对于光纤而言回波损耗越大,光学性能越优良。

系统采用缠绕方式进行回波损耗测试。对校准件的回波损耗测试如下：将标准光跳线的一端插入设备的测试接口，另一端在缠绕棒缠绕5圈以上，此时可得到反射光功率P’，将该值作为基准值，该操作也是对设备自校准，目的是消除分光比误差、自身插入损耗和系统其它非理想状态对测量结果造成的影响。在标准线上接人被测光器件可测试出该器件的反射光功率，有了这两个值便可得出器件的回波损耗。

2.5 多通道光源输出技术方案

系统配置了1 270、1 310、1 490、1 550、1 625 nm等五个常用波长光源（波长可以任意配选）。激光器为半导体DFB封装，DFB封装激光器具有调制速率高、发散角较小、光谱窄，特别适用于长距离通信等优点。电路应用多个LM358双运算放大器芯片及三极管组成五路并列稳定电压及电流回路，单路驱动电路设计如图5所示。

图5 单路驱动电路设计图

LM358为塑封8引线双列贴片式，具有特性如下：内部频率补偿，差模输入电压范围宽,输出电压摆幅大（0至Vcc～1.5 V），等于电源电压范围，共模输入电压范围宽、包括接地，直流电压增益高（约100 dB）,单位增益频带宽（约1 MHz），电源电压范围宽、单电源（3～30 V）、双电源（±1.5～±15 V），低输入失调电压和失调电流，低功耗电流，低输入偏流。单路驱动电路设计图中L1-和D1-分别接上DFB激光器的LD和PD引脚。驱动电路设计保证了5通道光源具有高稳定性输出。

图6 HR601680的电路图

2.6 以太网接口方案

STM32F103微处理器、以太网芯片KSZ8721BLI、网络变压器HR601680的电路连接图如图6所示。STM32F103微处理器与网络水晶接头连接的时候，需把HR601680中心抽头接到了3.3 V电源上。

在发送信号时，HR601680将STM32F103发送的数据通过耦合滤波，并通过转换电路转换成与所在网络相符的电平，最后通过网口水晶接头的TX发送出去；接收信号时，网络信号通过HR601680差模耦合电路和电磁感应原理把来自信号电平转换成能被芯片所识别的电平。图中的TXP2、TXM2、RXP2、RXM2分别接到 STM32F103微处理器的以太网模块对应管脚，RX+、RX-、TX+、TX-分别接到RJ45对应管脚。