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2018年4月26日星期四
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光功率测试单元系统设计
The Design of System for Optical Power Test Unit
■哈尔滨理工大学机电学院 刘琳哈尔滨工业大学虚拟仪器公司 赵长有
摘要: 本文主要介绍哈尔滨虚拟仪器公司开发的光缆监测系统中光功率测试单元系统的构成及系统的工作方法,同时介绍通信中继板的工作原理、电路设计原理框图以及单片机程序设计特点。

信息技术和信息产业的发展,都必须依靠有线或无线传输网络。光纤通信以大容量、传输距离远、抗干扰性强、抗腐蚀能力强、保密性好等特点,特别是近乎无限的带宽资源,非常适合信息社会对高速网络的需求,是现有几种通信方式中最有潜力的技术。从光纤自动监测系统诞生起,由于其完善的自动测试、自动判断技术,可以及时准确地发现故障,进行抢修,减少损失,已得到了广泛的应用。
HIT-RFTS(Remote Fiber Test System,远程光纤测试系统)光纤监测管理系统是TMN网络中的一个重要组成部分。可以对光纤线路中的光纤运营状况进行监测管理,对每条故障光缆都能够及时发现,大大提高了光缆网络的稳定性,改善了维护质量,最大限度地减少用户的实际损失。
本文详细阐述了光功率测试单元的硬件系统设计及通信中继板与上、下位机通信的处理情况。

光功率测试单元系统组成


光纤光功率计测试单元完成对传输光纤中光的采集和光功率的计算,通过光功率计板完成对光的采集和光功率的计算,通过中继板与光功率计板的通信将采集到的光的光功率值上传到中继板,由中继板与计算机通信完成由最低层到计算机上层的通信过程。

利用联结在光纤末端的光功率计,一个连接在光纤始端的已知功率或功率相对稳定的光源,对经过光纤传输后的激光光功率进行不断检测和对比,可以直观而且迅速觉察到绝大部分影响光纤正常通信的突发事件。它不但可以独立组成监控网络,构成光纤故障检测系统,更重要的是可以与RTU联合组网,形成完备的光纤监测定位系统。光功率测试单元有灵活的组成结构,根据监测站的具体情况可以按照需要组网。光功率测试单元系统组成框图如图1。


OPM 光功率采集模块


测量范围:0 70dBm;
内置分光器,提供3%、5%、7%、10%分光比;
液晶显示,可以本地设置报警参数;
方便的总线接插结构;
在线光纤(Active Fiber)检测:在光传输网络中,利用安全可靠的无源光学器件 分光器,在接收光端机前端分取3 10%收光功率,送至计算机分析处理,与预置阀值进行比较判断,实现收光功率动态变化的预警和告警监测。如图2。

●备用光纤(Dark Fiber)检测:因被测备用光纤无光传输,所以需要在远端局站的OPTU配置光源模块(SO)并选定合适的光源输出功率以配合测试,在备用光纤的一端发送监测光,另一端进行光功率检测。如图2。


SO稳定光源模块


1310nm、1550nm两种波长,适用于不同的光纤系统;

5dBm、 10dBm、 20dBm、 30dBm、 40dBm五种光输出功率进行选择。


ALRM报警触发模块


每个模块可同时接16个干触点电平隔离输入信号;
可以设置常开或常闭报警输入类型。

远程通信模块

有三种远程通信模块供选择:
PM:公共电话通信模块(PSTN Module),用于通过公共电话网的远程网络联接和数据传送;

OM:光通信模块(Optical Module),单纤双向通信模块,用于直接利用光纤网络进行远程数据传送的网络联接,仅占用一根光纤,也可以配置成简单的单纤单向通信模块,使用两根光纤进行通信;

EM:局域网通信模块(Ethernet Module),可以根据设置的IP地址实现在局域网上的远程检测,也可以实现通过其他的网络设备实现更复杂的网络联接。

MCU通信中继模块

是OPTU与本地或远程监控主机间的数据枢纽;

能自动检测OPTU已配置的各功能模块的工作状态信息,以满足实时监控的需求;

带有本地数据接口,可以实现各种数据专线的网络联接。

POB电源模块

供给本机内部各模块电源,并带有多机级联接口,以方便系统无限制扩展。

MCU通信中继模块设计

MCU上通过高速单片机AT89C55 CPU完成对五个串口的操作即本身单片机串口、光MODERM接口、网卡、电话MODERM、本地口。单片机本身串口是用来与下位机(OPU,ALU)通信的,其它的四个口是为了与上位机通信的。同时MCU还提供系统的工作时间。

MCU负责对下面光功率等设备的数据采集,以及对下设备通信采集参数的设置。同时,MCU还负责对上通信,同时又有主动告警的功能,完成通信系统的实时采集,实时发送告警的功能。MCU即光功率测试单元的总调度。每个局站的光功率监测系统只安装一块,负责光功率数据、报警信号的采集、存储、同远程上位机交换数据信息以及板卡查询搜索等功能。 MCU通信中继模块的原理框图如图3。

单片机数据处理程序特点

通信中继模块的程序主要完成对下采集光功率和开关板的数据,对上将经过处理的数据上传给上位计算机,并且有当由功率计传来的数据经中继板分析后上传主动告警的功能。程序主要由通信程序组成,分主程序、中断处理程序、协议处理程序、数据存储处理程序、校验处理程序等几部分。

通信中继模块单片机软件程序采用C语言实现,由于系统电路硬件设计要求一个通信中继模块要采集360路运行光纤的数据,通信中继的单片机程序处理要保证系统的实时性是一个难点。主要从三个方面考虑解决:

提高通信速率

一般单片机系统的通信速率是2400bps,这里在保证稳定可靠的前提下光功率测试单元采用9600bps通信速率,这样提高了数据传送的速度。

硬件提高晶振的主振频率

一般单片机系统采用的晶振频率是12MHz,这里采用高精度24MHz晶振,使单片机每条指令执行的时间减少。

采用多线程的软件编程方法

CPU要完成对下位机的数据采集与告警判断,同时要与上位机通过几种通信方式将数据上传或对上主动告警。这里采用对下采集数据与采集告警并行工作。与上位计算机通信采用主动与被动并行通信,即当采集到告警时,将告警信息根据协议主动发出,只有当上位机主动与通信中继模块通信时,通信中继模块才能给予数据。

根据以上三个方法的整体考虑,对于确保通信中继模块的实时性起到十分有效的作用。


结论


光功率测试单元主要特点如下:

1.0 70dBm全范围检测通信网络的光功率变化,可配置稳定光源和报警接口模块;

2.模块式结构,对等总线设计,可以在一个机箱内任意组合配置各功能模块;

3.每个机箱可以安装10个功能模块并可以实现无限级联,达到系统无限扩展;

4.可以单独组网形成独立的光功率检测系统,也可以和RTU联合组网使用;

5.完备的通信接口方式,应用以太网、PSTN、DCN或光纤进行远程通信。

光功率测试单元能够与远程测试单元RTU配合系统进行光缆实时故障监测与故障定位,这样对于保证光缆可靠运行起到十分重要的作用。

         
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