基于OTDR的光路監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

楊 帆，危志遠(yuǎn)

（1.武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢430073；2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，武漢430073）

傳統(tǒng)的光線路監(jiān)測(cè)方法主要是光纖線路出現(xiàn)故障后，光端機(jī)發(fā)出無光告警，值班人員電話通知光纜維修單位，維護(hù)人員到達(dá)故障局機(jī)房后先通過手提式光時(shí)域反射儀測(cè)量故障點(diǎn)距離，再到故障點(diǎn)進(jìn)行搶修[1-3]。這種方法從發(fā)現(xiàn)故障到故障排除的過程都受到人為因素的制約，大大降低了線路恢復(fù)的效率[4-6]。OTDR 是光時(shí)域反射儀的簡(jiǎn)稱，其利用瑞利散射和菲涅爾反射可以準(zhǔn)確探測(cè)到光纖線路中的損耗較大的點(diǎn)與對(duì)應(yīng)距離[7-9]。利用可集成的OTDR、OPM 等模塊， 本文設(shè)計(jì)了一種可對(duì)光纖線路進(jìn)行24 h 遠(yuǎn)程監(jiān)控的光路監(jiān)測(cè)終端。

1 光路監(jiān)測(cè)終端總體設(shè)計(jì)

該測(cè)量裝置采用STM32 系列的STM32F407 嵌入式微處理器作為核心，這款芯片需要電源、時(shí)鐘、復(fù)位等外圍電路才能正常工作[10]。在系統(tǒng)中，首先由監(jiān)測(cè)模塊中的OPM 對(duì)光纖中的各頻段光信號(hào)功率進(jìn)行24 h 實(shí)時(shí)監(jiān)控，將獲取到的數(shù)據(jù)通過FSMC 并口發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊， 當(dāng)光功率低于告警閾值時(shí)， 數(shù)據(jù)處理模塊產(chǎn)生告警并啟動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊中的OTDR 對(duì)光纖線路進(jìn)行檢測(cè)， 通過串口獲取節(jié)點(diǎn)損耗與對(duì)應(yīng)長度數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生告警的站點(diǎn)與光纖故障點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)通過人機(jī)交互模塊中的GPRS 模塊發(fā)送短信給維護(hù)人員，并在OLED 上顯示告警。光路監(jiān)測(cè)終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram

1.1 光路監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

光路監(jiān)測(cè)模塊的核心由OTDR 和OPM 組成。OTDR 模塊發(fā)出一個(gè)光信號(hào)， 通過光信號(hào)在光纖中傳輸所產(chǎn)生的瑞利散射和菲涅爾來獲取傳輸衰減及衰減點(diǎn)與發(fā)送端距離。本文OTDR 選用TFNMOTOOTDR 模塊，該模塊可無縫、輕載式接入傳送網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)光纜，在不影響各種業(yè)務(wù)信號(hào)的情況下進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)范圍超過200 km。模塊中OTDR_TXD和OTDR_RXD 分別連接STM32 芯片USART1 的RXD 和TXD 引腳用于串口通信，VCC 外接5 V 電源信號(hào)用于給模塊供電。OTDR 與數(shù)據(jù)處理模塊連接電路如圖2所示。

圖2 OTDR 連接電路圖Fig.2 OTDR connection circuit diagram

OPM 是光性能監(jiān)控模塊，通過預(yù)先配置好的頻率柵格可獲取到對(duì)應(yīng)各頻段光的波長及功率。本文選用ACCELINKOPM-CN 模塊進(jìn)行光路監(jiān)控。該模塊具有較大的功率探測(cè)范圍，其范圍超過40 dB，且支持靈活的可配置頻率柵格， 可以對(duì)C 波段1528 nm～1568 nm 信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于需監(jiān)控頻率柵格多、數(shù)據(jù)量大，模塊采用FSMC 并口方式通信，可提高傳輸效率與實(shí)時(shí)性。其16 根地址線及11 根數(shù)據(jù)線分別與STM32 芯片F(xiàn)SMC 地址線及數(shù)據(jù)線管腳相連用于并口通信。OPM 與數(shù)據(jù)處理模塊連接電路如圖3所示。

圖3 OPM 連接電路圖Fig.3 OPM connection circuit diagram

1.2 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊是由32 位Cortex-M4 微控制器及其子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路與復(fù)位電路。設(shè)計(jì)中采用8 M 無源晶振為STM32 提供處理時(shí)鐘，時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)如圖4所示。復(fù)位電路則采用操作簡(jiǎn)單的阻容復(fù)位電路。復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖5所示[10]。

圖4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)圖Fig.4 Clock circuit design

圖5 復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖Fig.5 Reset circuit design

1.3 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)

該裝置采用液晶模塊和GPRS 模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。GPRS 選用華為EM310 模塊，該模塊內(nèi)置協(xié)議棧，一次可發(fā)送2 kB，且對(duì)工作環(huán)境要求較低。本裝置液晶模塊選用ATK-0.96’ OLED， 該模塊價(jià)格便宜、運(yùn)行速度快、功耗低。

1.4 電源模塊設(shè)計(jì)

由于裝置內(nèi)各模塊需工作在5 V、3.3 V 等直流電壓， 所以電源模塊需將220 V 交流電轉(zhuǎn)化為5 V/3.3 V 直流電。首先220 V 交流電通過開關(guān)電源模塊轉(zhuǎn)化為12 V 直流電壓。12 V 電壓分別通過DC/DC的降壓芯片OKX-T16-D12PJ-C 和TPS54620 轉(zhuǎn)化為5 V 和3.3 V 電壓供給光路監(jiān)測(cè)終端各模塊。電源模塊電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖Fig.6 Design of voltage conversion circuit

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分設(shè)計(jì)包括各模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)控制程序設(shè)計(jì)及告警的防抖程序設(shè)計(jì)。由于篇幅原因，此處僅介紹監(jiān)測(cè)控制程序設(shè)計(jì)和告警防抖程序設(shè)計(jì)。

為了提高監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性， 程序采用輪詢的方式。各模塊初始化后程序進(jìn)入主循環(huán)，首先判斷是否產(chǎn)生中斷。當(dāng)沒有告警產(chǎn)生時(shí)，中斷不觸發(fā)，此時(shí)CPU 通過并口向OPM 模塊發(fā)送掃描光路命令，由于模塊掃描完所有頻率柵格耗時(shí)在500 ms～1 s 之間，所以需判斷掃描完成標(biāo)志以便于及時(shí)獲取數(shù)據(jù)提高實(shí)時(shí)性， 當(dāng)掃描完成時(shí)讀取所有光性能數(shù)據(jù)，并將每個(gè)頻率柵格的實(shí)際功率值與告警閾值比較，若實(shí)際值低于閾值則在OLED 上顯示告警并觸發(fā)中斷。在中斷中CPU 通過串口向OTDR 模塊發(fā)送檢測(cè)命令， 讀取模塊返回的故障點(diǎn)距離并控制GPSR模塊將告警信息及故障點(diǎn)距離通過短信發(fā)送給值班維護(hù)人員。監(jiān)測(cè)控制程序流程設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 監(jiān)測(cè)控制程序設(shè)計(jì)Fig.7 Design of monitoring and control flow chart

檢測(cè)到的實(shí)際值與告警閾值比較時(shí)，由于實(shí)際值可能在閾值附近極小范圍內(nèi)抖動(dòng)而產(chǎn)生誤告警，本文設(shè)計(jì)了一種利用告警回滯的方法避免誤告警的產(chǎn)生。

告警回滯即可允許的功率跳變范圍。在獲取到線路實(shí)際功率后，當(dāng)實(shí)際值低于告警閾值時(shí)，將閾值與實(shí)際值作差。若差的絕對(duì)值大于告警回滯則判定觸發(fā)告警中斷，反之則判定為功率抖動(dòng)，不上報(bào)告警。告警防抖程序流程設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 告警防抖程序設(shè)計(jì)Fig.8 Anti-shake design of alarm

3 系統(tǒng)測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)平臺(tái)如圖9所示。將光纖一端接光模塊的輸出端，另一端接監(jiān)測(cè)終端。通過插拔光模塊一端的光纖來模擬光纖線路故障。本文選用了8 km 長的光纖進(jìn)行測(cè)試，實(shí)際長度為7983 m。測(cè)試共進(jìn)行了5 次，將監(jiān)測(cè)終端上報(bào)的故障點(diǎn)距離與光纖實(shí)際長度進(jìn)行對(duì)比得出誤差，并記錄從產(chǎn)生故障到收到告警短信的延時(shí)。測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

圖9 系統(tǒng)平臺(tái)Fig.9 System platform

表1 監(jiān)測(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Area measurement data statistics

通過上表數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測(cè)終端上報(bào)的檢測(cè)值存在一定誤差，但誤差均是微小誤差，可忽略不計(jì)。告警信息發(fā)送延時(shí)均在3 s 左右。可見該監(jiān)測(cè)終端可以完成對(duì)光纖線路的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)語

本文針對(duì)傳統(tǒng)的光纜監(jiān)測(cè)人力成本高、故障反應(yīng)時(shí)間長、排查耗時(shí)等問題，提出了基于OTDR 的光路監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)方案，著重討論了裝置的硬件設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)控制程序。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)終端功耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，經(jīng)過測(cè)試后的數(shù)據(jù)可以得出，檢測(cè)故障誤差在0.1%以下，且告警反應(yīng)迅速，可以廣泛應(yīng)用于光纖線路監(jiān)測(cè)。