多路光功率监测系统的设计

高淑芝， 徐林涛

(沈阳化工大学 信息工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

光纤网络在日常生活和国民经济中占有重要地位.由于网络安全性越来越倍受重视，技术人员对其管理与维护提出了更高的要求与限制，以满足人们对网络的安全性以及智能化的要求[1-2].对光纤传输网进行远程实时监控重要方法之一就是对光功率的远程实时监测，从而达到对光纤传输的实时监测，即通过对光缆中光的强度的变化进行实时监测.通过对光的强度的变化趋势做出相应的反应，报告传输故障.同时，一旦传输时发生故障它就会在第一时间做出反应，从而能够快速而准确地了解故障所在[3-4].

本文多通道光功率自动监测系统的设计主要是用来监测通信中光纤网络状态，采集光信号经过PIC支离出的一小部分光功率进行检测并分析，在连续光通信的状况下，达到实时监测与控制工作光纤线路光功率变化的目的.此系统的设计指标最多可以实现对16路的光功率进行实时监测，解决了多路分支器和多芯光纤件在环境试验和机械试验时的光功率自动监测问题，同时该系统还具备温度实时显示和双波长实时切换功能[5].光纤测试设备必须有较高的可靠度和稳定性，保证光纤链路损耗能进行实时监测.

1 光功率监测系统

光功率实时监测系统通常是将光功率监测和OTDR监测两种方式结合使用.光功率监测系统用于发现哪里有故障，而OTDR系统则是进行故障的分析.OTDC监测结合了光功率计价格低、使用时间较长、能够及时及地地采取样本的优点.多数情况下每个光功率监测通道的数量都可以人为设定，一旦被监测光纤出现工作光功率下降、或光功率下降到某一阈值时，光功率监测报警系统能够及时报警[6-7].光功率的远程实时监测通过对光纤发生的故障及其本身性能的倒退起到监控作用，其不仅实时性好、准确性高，而且成本低.

1.1 光功率监测设备的工作原理

光功率监测仪主要由光电探测电路、光电转换器、光耦合器、对数放大电路、CAN总线电路、A/D转换、主控电路和GPRS通信电路组成.多路光监测设备的工作原理如图1所示.

图1 多路光监测设备工作原理

在实际应用的光纤系统中，一般有两套光纤：一套是正在进行通信的主干路用光纤,主干路用光纤尾端安装了一个97/3的光耦合器(PLC)，3 %用于光监测，97 %的光被接收到光端接收机用于通信；另一套是备用光纤作为应急处理光纤，如果出现主干路用光纤发生故障而不能正常通信的问题时，则启用备用光纤[8-12].监测光通过光电探测模块，对数转换模块，再经A/D转换模块进行转变从而使模拟信号转换为数字信号再传给CAN总线，并且通过主控单元对数据进行通信、存储或是无线发送.

1.2 光功率远程监测

光功率远程实时监测有备用光纤监测方式和业务光纤监测方式，两种监测方式各有其自身的优缺点，可依据光纤网络的实际情况选择所需要的监测方式[13-14].备用光纤通常被用来监测整条光缆的运行情况，但有一点需注意其需要光缆中有剩余光纤，如果没有剩余光纤，则无法进行监测；备用光纤监测时，会从线路的一端发射激光信号，而另一端通过光功率计监测信号，预警通常会在远程计算机中实现.备用光纤监测原理如图2所示.

图2 备用光纤监测原理

业务光纤监测一般用于光缆中没有其他多余的备用光纤来监测整条光缆.在业务光纤监测中，通常是通过分时器将业务光纤中的光信号提取出一部分，并输入到光功率计，从而实现对该光纤通信的监控.每个光功率监测通道的数量可以根据实际情况进行设定，如果被监测光纤出现断掉或者工作中的光功率下降到某一限值，或出现较大的衰减时，会及时产生报警.业务光纤监测原理如图3所示.

图3 业务光纤监测原理

2 系统硬件设计

2.1 多路光功率自动监测系统组成

多路光功率自动监测系统组成如图4所示.

图4 多路光功率自动监测系统组成

将两个来自不同波长光源的光分别输入到光开关，通过光开关可以实现对双波长光源的切换，从而实现对不同波长运行光纤进行实时监测.为了能在测试过程中快速稳定地实现双波长的监测，在测试中选取开关的反应速度为Ps级.温度传感器(AD590)模块的用途主要是将温度信号转换为电流信号，再经I/V转换器转化成电压信号，最后经计算校准处理得到所需温度数据，从而使系统能够实现温度的实时显示.

多路光电二极管模块主要用于光电转换，光电二极管的光电探测器采用InGaAs.PIN管具有较高的分辨率、灵敏度和较快的响应速度等，以此保证光电二极管工作运行的可靠度和效率.单片机数据处理模块的主要作用是将模数转换后的数字信号进行滤波处理，且通过对浮点和对数的运算，使每一路实时采集到的温度、光功率和参考光路光功率数据经RS232或USB接口传输到计算机进行转换处理后能够实时显示出来.

2.2 STM32F103ZE

STM32的CPU频率为72 MHz，处理器反应时间很快.STM32单片机含有多个特性接口并皆有兼容5 V的特性，同时能使很多5 V的模块被STM32单片机所支配，这些接口还有多个外部中断，而且其内总线有2个A/D转换装置，拥有可以保存和重复采集数据的能力.

2.3 光电转换电路

光照射到光电二极管，其即会产生一个小电流，并与光照强度成正比.光电二级管工作模式有2种：第1种是在反偏的光导模式下运行；第2种是在正偏的光伏模式下运行.具体工作模式如图5所示.光导模式下的光电二极管虽能实现较高切换速度，但在成本上有较大的损失；与此同时，光导模式下运行的光电二极管虽在一定条件下产生一个极小的暗电流，但这种电流有很大的概率会影响整体电路稳定运行状态[15].在光伏模式下运行时，光电二极管可以非常精准且可靠地进行线性工作，所以一般选用此模式.光电二极管分为PIN和APD两种.在处理光信号时，PIN一般作为首选，其主要优点是能通过它的暗电流比较小.光电压模式比较适合对微弱信号进行检测，检测电路如图6所示.其中：R1为反馈电阻；Uo=-R1×Ig，Ig为光电流，随着光信号频率逐渐升高；电容C1在电路中起到减少噪声作用.由两个运算放大器A1和A2组合成的放大电路，可以减少光电转换电路输出电信号中混杂的噪声和带宽，提高信噪比.

图5 光电二极管的工作模式

图6 光电转换与前置放大电路

2.4 对数放大电路

利用上述电路输出的电信号输入到对数放大电路中，设计采用对数放大器AD8304.采用对数放大电路处理80 dB光信号，测量中没有移位误差，最大对数线性误差为0.1 dB.此外，光电二极管接口和温度补偿电路的设计特别适用于光缆的在线和实时监测.测量光功率与运放输出电压UO的线性关系为

P=K2UO+C2.

(3)

其中：P=10lgPPD，PPD是输入光功率；K2=10/K1，C2=10lg(IPD/ρ)-10C1/K1，K1和C1由芯片外阻抗网络决定.公式(3)表明AD8304(对数放大器的开放型数字光功率计)的输出电压UO与光功率P存在线性关系，在一定程度上使运算的复杂程度得到简化.加入此对数放大电路，可使监测系统的量程范围增大到70 dB，具体电路如图7所示.

图7 对数放大电路

2.5 A/D转换

A/D转换器是组成现代数字系统的重要部件，STM32F103ZET6单片机包含12位的模数转换器(ADC).转换器的转换时间为1 μs，最大转换频率为1 MHz，测量8个外部通道和2个内部信号源的通道有16个.STM32F103ZET6性能参数如表1所示.这里需要说明的是U1是STM32F103ZET6主控制面板的工作电压为3.3 V，为了分离数字电路和模拟电路，使用了0.1 μF的电容和一个电感.

表1 STM32F103ZET6的性能参数

3 光功率监测系统软件设计

硬件电路设计在整体系统设计上起到至关重要的作用，在此基础上设计软件电路比较方便、简单.系统流程如图8所示.

图8 光功率监测系统数据流程

3.1 系统初始化

根据图8所示系统的数据流程，首先在主板进行初始化(接通电源使单片机上电，之后STM32单片机对监测系统进行初始化)，然后实现CAN总线、串口和RS232/USB三种配置，实时关注采集指令确定采集数据情况，接收完相应数据后，再将此数据导入到公式(3)计算光功率，最终，通过GPRS传输到网关中并通过PC机或移动互联网进行实时监测数据.

系统软件设计流程如图9所示.

图9 系统软件设计流程

根据系统软件设计流程先将系统进行初始化，通过光电转换电路将接收到的光信号转换为电信号，再通过对数放大电路将电信号进行扩大，再经STM32内部中的A/D转换电路将所得到的模拟量信号转化为数字量信号；将数字量信号传输到CAN总线，其中CAN总线是目前应用最广泛的串行总线系统，在设计中主要用来维持光纤通信网络与RS232串行口之间的连接，从而保证信号传输的稳定性，不受外界干扰；通过USB和RS232接口将数字量信号通过串口协议进行初始化，并将所有的模拟量转化为数字量信号，将最终所得到的数字量信号传送到PC机上进行数据分析处理，再通过公式计算出相应光功率.

3.2 监测系统稳定性的控制

根据国标要求严格监测光学器件在一些异常环境中的损耗变化.IEC有关规定：在某种特定环境和指标下，才能判断其无明显变化.多通道光功率自动监测系统的稳定性如下：短时间内(15 min)稳定性应优于0.01 dB，长时间(>8 h)稳定性应优于0.02 dB.在调节系统稳定性的过程中，由图10和图11可以看出：短时间内系统所测得的数据与真实数据之间的差异不是很明显；长时间内系统所测的数据会在一定的范围内略有波动，出现波动的原因是长时间工作的过程中由自身产生的温度变化所致.

图10 短时间系统实测曲线

图11 长时间系统实测曲线

4 仿真分析

为验证设计范围和测试精度，采用光衰减器对实际的测量数据进行调整.将系统测量数据与利用安捷伦公司生产的N775A高敏度多通道光功率计监测的数据进行比较，结果如表2所示.结果表明:该系统不仅适用于光纤信号的自动实时监控，而且具有良好的稳定性，对光纤通信网络的安全运行起到关键作用.此监测系统的工作波长为1 310～1 550 nm，测量范围可达-70～10 dB，分辨率为0.001 dB.从表2数据可以看出：在特定的测量区间段内，光功率监测系统的性能相对于N775A光功率计的测量性能更好.绝对误差曲线如图12所示.

表2 测量数据与监测数据对比结果

图12 绝对误差曲线

5 结 论

设计了一种基于STM32的光功率计实时监测系统，该监测系统的前端可用于硬件电路中的光电转换、前置放大、模数转换、对数转换等.根据设计要求，光功率计的测距精度可达75 dBm[dBm=10log(mW)]，具有高精度、鲁棒性强的优势.该监测系统在实际调试与使用当中也实现了设计要求，并能实现对光的运行实时监测以及监测到光的损耗程度.