基于嵌入式技術的通訊光纜監測系統研究

王蓮萍 懷向芳

【摘 要】隨著計算機技術的發展，網絡通訊已經成為生活交流中的主要方式，衣食住行沒有一樣能夠離開網絡通訊。在進行遠距離空曠無障礙或者近距離傳輸信號時，無限電磁波和光纜傳輸都是可選擇的。在建筑物密集的城市，利用通訊光纜傳輸信號是最優選項。由于城市結構的復雜性，時時不間斷對通訊光纜進行損壞度監測是保證信號穩定、持續、高質量特性的一個必要手段。

【關鍵詞】通訊光纜;損壞度檢測

光纖通訊利用激光的高方向、高相干、高單色的性質進行玻璃纖維中信號的傳輸，其具有信道容量大、抗干擾能力強、信號衰減系數低、成本低等特征。但是由于玻璃纖維的易碎性和城市人為活動頻繁等原因。在城市施工的過程中很容易就會不小心挖斷通訊光纜，其產生的經濟損失和發現問題的速度成一定的比例關系，對通訊光纜損壞度的監控就成為保質保量的關鍵點。可是通訊光纜的檢查和維護是一個高頻和任務量大的工作，采取人工檢查是無法快速高效的完成，隨著信號處理技術的發展，基于嵌入式技術的通訊監控系統成為目前研究和采用的主要方法。其可以不間斷的對光纜進行監控、反饋和有損報警。

嵌入式系統可以稱之為一個小型的微型專用計算機，這類系統是基于某些特定任務而開發的，具有數據處理快、體積小、結構緊湊等特性，被廣泛運用于智能家電、人工智能、特殊行業的自動化控制。隨著硬件技術的發展，嵌入式系統的成本也將逐漸趨于可接受化。本文旨在對其中一種模式的光纜監控系統進行一定的研究。

一、系統的結構和功能

光纜檢測系統對光纜中的備用光纜進行監測，利用損壞前和損壞后的光計數率的差異進行判斷光纜是否發生損壞。通過采用OTDR判定光纖的具體質量。光纜監測系統建立在信息的采集、處理、分析和得出結論的基礎上。信息的采集是將光纖當前的隱形物理狀態轉化為另外一種可識別的信號，處理是將采集的信號進行轉化為可使用的數據，分析處理后的數據根據一定量的理論原理，來判斷當前光纖的狀態[1]。

光纜監測系統是由監測點、信號處理系統、監測控制、總監測控制室組成。其中監測點主要是由激光發生器、光探測器、外圍電路組成。信號處理和控制主要對信號轉換設備傳輸過來的信號進行處理、分析。監測控制點1是由PC機和系統的軟件兩部分組成，控制軟件對傳輸過來的信號進行數學處理。

1）監測點主要由激光發生器、被監測光纜、光探測器和外圍電路組成。激光發生器發射特定波長的穩定激光，為了保證其使用壽命和質量，周圍的外圍電路包括恒壓或者恒流電源，溫度控制系統。激光發生器和光探測器位于被監測光纜的兩側，對備用光纜接收信號強度和發出信號的強度進行比較，判斷其差值是否已經超出正常光纜的損耗閾值，進行定性分析光纜是否發生損壞。

光探測器是將光信號轉換為電信號的元器件，光信號進入探測器，在探測器內發生能量沉淀，這個過程中根據接收到光信號的強度形成不同的大小電流（此處的電流是微電流）。為了保障光探測器的穩定性，光探測器周圍配置了穩壓電路。從光探測輸出端輸出的的電流信號經過I/V轉換電路，進一步將電流的大小轉換為電壓的大小值[2]。信號通過放大電器后，進一步對信號值進行放大，輸入模數轉換設備，將連續的電壓信號，轉化為數字量信號，這是后續進行數據處理的重要前提。

2）信號處理和控制是整套系統的核心部件，其就相當于整個系統的大腦。上位機設置命令經過此處的轉換將其輸送至系統的各個部分，經過信號變換系統的數字化信號被送至此處。信號處理和控制主要由ARM、FPGA和外圍電路電路等構成。FPGA主要是對信號轉換后的信號進行一定處理，其優點是速度快，信號處理量大。ARM主要是是控制、計數、信號傳輸的作用。FPGA出來的信號輸入ARM，ARM將其輸送至上位機。

3）上位機和硬件部分的通訊采用的是CAN通訊，CAN通訊具有高穩定性、高通信速率、適用范圍廣、易于二次開發的通訊優點，被廣泛運用于當下的自動化通訊領域。

4）軟件是利用C++語言開發，其特點是適用范圍廣、易于學習，只要有過C語言基礎，就可以很快的入手C++，軟件適用的系統環境為windows10。軟件部分主要是對硬件部分傳輸的信號進行一定的整合和分析，對接收數據進行一定理論數學計算，定性判斷出光纜是否發生損壞。在軟件部分也可以對硬件部分適用的狀態進行一定的控制，包括光電發生器的波長大小、放大器的放大倍數、信號處理選擇的類型和OTDR參數設置等。

5）OTDR主要是通過發射方脈沖和接收經過纖維各處的瑞利散射、菲涅爾反射后的光功率，形成一定的曲線，通過對曲線的分析來判斷光纖的質量。

6）通過網絡傳輸，可以將不同位置的判別結果傳輸至總控制室，以此達到一點總覽全局的效果。

二、光纜監控系統性能的的影響因素

任何一套系統都不是萬能的，其運行的好壞受環境因素和系統優化程度的影響。

環境因素包括此時系統所處的濕度、溫度、磁場強度等。當環境濕度過大時，空氣中的水分積累在元器件的焊點周圍，可能會導致元器件在通電的瞬間發生短路損壞。當溫度過高或者過低時，硬件芯片會出現輸出異常，所以在進行系統運行時，進行一定的時間的預熱達到芯片運行的最佳效果。變化的磁場會形成一個電場，產生的電場會對整套系統傳輸的信號產生干擾。

系統的優化程度包括電壓源的選擇、電路的設計、芯片的選擇、光探測器和激光發生器的選擇、ARM和FPGA內嵌程序的優化性、電路板的焊接工藝、軟件操作的方便性和人機互動性。每個芯片的供電電路越穩定，其輸出的結果越穩定。芯片選擇的等級高低是影響結果的一個因素，但實際運用中對芯片的選擇是建立在結果和成本上的雙向原則。激光發生器的穩定性決定整個系統的源數據是否穩定。如果激光發生器的輸出結果都不穩定的，那么無論后續結構多么完善，接收的結果也是不符合真實情況的。軟件除了其功能的完善性，還應該具備界面整潔、可理解、易于操作、人機互動感強等特性。

三、結語

未來的光纖性能肯定會得到提高，但是對光纜損壞的監測是永遠都需要的，隨著由城市到農村網路的普及程度，光纜監測系統的性能和應用范圍都會得出很大的提升。

【參考文獻】

[1] 黃業宏.“在通訊傳輸中光纜監測系統應用淺析.”科技與企業 .04 （2013）：94.

[2] 陳玨忠，施雄杰，張然.“光纜離線監測系統.”農村電氣化 .05 （2008）：26-28.

[3] 劉毅娟，何旸，雷鳴，李杰.“光纜監測系統的應用探索.”數字技術與應用 .05 （2015）：238.