基于STM32的光功率實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

 光功率檢測儀主要是對光纖中光的強度進行實時監(jiān)測，是光纜自動檢測和光路切換系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的好壞直接影響系統(tǒng)功能的可靠性和穩(wěn)定性。在各種光纖線路的監(jiān)控維護系統(tǒng)中，光功率監(jiān)測是最簡單、成熟，應(yīng)用廣泛的方法，通過對通信光纖中分出的3%～5%的光功率進行實時監(jiān)測，就能實時地掌握光纖通信線路的狀況，為光纖通信線路的維護管理提供依據(jù)。傳統(tǒng)的光功率監(jiān)測系統(tǒng)首先是光進入PIN光電二極管后，產(chǎn)生了電流信號，且此信號與輸入光功率呈線性關(guān)系，最后經(jīng)程控放大電路和I/V變換放大到所需電壓。該方案的不足是動態(tài)范圍有限，一般僅為70 dB，且要求使用高阻值的精密電阻作為增益放大，軟硬件復雜，不適合多路監(jiān)測，此外，傳統(tǒng)的光學儀表測試效率較低。設(shè)計是基于ST公司Cortex—M3內(nèi)核的32位ARM產(chǎn)品，以STM32F103ZET6為主芯片設(shè)計的一款光功率檢測系統(tǒng)。通過建立TCP鏈接，實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)的傳輸，做到了隨時隨地進行實時監(jiān)測。同時，系統(tǒng)設(shè)計是基于CAN總線的嵌入式功率實時監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能夠智能地監(jiān)測多個通道的光纖網(wǎng)絡(luò)，還具備了其系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。除此之外，由于處理信號采用AD8304設(shè)計的對數(shù)放大器，保證了系統(tǒng)的高精度。

1 系統(tǒng)的工作原理及框圖

光功率檢測儀由光耦合器、光電探測電路、對數(shù)轉(zhuǎn)換放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、CAN總線電路、主控電路、GPRS通信電路組成。圖1為給出的工作原理框圖。

一般在實際光纖系統(tǒng)中，都有兩套光纖，一是正在通信的主用光纖，主用光纖末端安裝一個97/3的無源光耦合器(PLC)，97%的光接到光端接收機用于通信，剩余3%用于光監(jiān)測，還有一套是備用光纖，作為應(yīng)急處理，一旦主用光纖出現(xiàn)問題不能正常通信，此時啟用備用光纖。監(jiān)測光經(jīng)過光電探測模塊，對數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，再由A/D轉(zhuǎn)換模塊進行轉(zhuǎn)換由模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號發(fā)給CAN總線，并由主控單元對數(shù)據(jù)進行通信、存儲或是無線發(fā)送。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路與信號處理部分

2.1.1 光電轉(zhuǎn)換電路部分

將光耦合器(PLC)分出的3%入射光轉(zhuǎn)化為電流或是電壓的形式，并以光子一電子的量子轉(zhuǎn)換形式完成光電探測的目的，是光電探測電路的基本原理。常見的光電二極管主要有APD光電二極管和PIN光電二極管。在光信號調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中，一般選擇PIN光電二極管，因為其暗電流較小。InGaAs材料的PIN光電二極管在1 300～1 600 nm范圍內(nèi)具有良好的響應(yīng)速率、低噪聲特性和靈敏度等特點，適合光纖通信。因此，選擇該材料作為PIN光電二極管。PIN光電二極管的伏安特性如下

I=Is[1-exp(qV/kT)]+IL (1)

式中，q是電子電荷;Is是無光照時的反向飽和電流;V是二極管的端電壓;k是波爾茲曼常數(shù);T是結(jié)溫;IL是與光照時的光功率成正比的再無偏壓狀態(tài)下光照時的短路電流。如式(1)所示，若反向飽和電流Is=0時，二極管的端電壓V=0，光照功率與輸出電流呈一定的正比關(guān)系

IPD=ρPOPT (2)

其中，ρ為光電二極管的響應(yīng)度;IPD為光電流;POPT為光功率。

2.1.2 信號處理部分

設(shè)計采用對數(shù)放大器AD8304作為對數(shù)轉(zhuǎn)換電路，處理動態(tài)范圍寬達80 dB的光信號，最大對數(shù)線性度誤差0.1 dB，且測量時無換擋誤差。此外，設(shè)計有光電二極管接口及溫度補償電路，是光功率測量的最佳選擇，尤其適合光纜在線監(jiān)測。對數(shù)放大器的輸出電壓值和被測功率P有簡單的線性對應(yīng)關(guān)系，其對應(yīng)的輸入和輸出關(guān)系推導如下

P=K2VOUT+C2 (3)

式中，P=10lgPPD，K2=10/K1，C2=10lg[IPD/ρ]-10C1/K1。其中，VOUT是輸出電壓;P是被測光功率值;K1和C1是由芯片外接電阻網(wǎng)絡(luò)決定的常數(shù);PPD是輸入的光功率值。由式(3)可知，被測光功率P與AD8304的輸出電壓VOUT存在線性關(guān)系，不用進行復雜繁瑣的對數(shù)計算，對后續(xù)的軟硬件處理進行了簡化。對數(shù)放大電路如圖2所示。

2.2 主控單元電路和A/D轉(zhuǎn)換電路

該部分是整個系統(tǒng)的核心，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和通信顯示功能?？紤]到設(shè)計要求以及系統(tǒng)的小型化、低功耗和可靠性要求，選擇盡可能的將必需的接口集成到MCU中，而不是另外的搭建外圍電路。綜合考慮，選擇ST公司Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM產(chǎn)品STM32F103ZET6，其性能參數(shù)如表1所示。

目前采用一種A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是逐次逼近型，因為其兼顧轉(zhuǎn)換速度和精度要求。STM32F103ZET包含3個ADC，是一種12位的逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。其有8個通道可測量16個外部和2個內(nèi)部信號源，最大轉(zhuǎn)換速率為1 MHz，轉(zhuǎn)換時間為1μs，該轉(zhuǎn)換器能滿足電路的需求。采用芯片內(nèi)部的A/D，不僅可滿足電路的需求，且對電路的設(shè)計以及軟件程序的編寫帶來簡化和方便，真正做到了系統(tǒng)的小型化、低功耗和可靠性要求。

需要說明的是，U1即是STM32F103ZET6，其中的JTAG是P8，是用于燒寫程序和對程序的調(diào)試。主控板的工作電壓為3.3 V，如圖3所示，為對數(shù)字電路和模擬電路的隔離。采用了電感L1和一個電容值為0.1μF的電容，另外為方便對程序的調(diào)試，設(shè)置了一些LED。

2.3 GPRS通信電路

作為2.5代移動通信技術(shù)的Gerenal Packet Radio(GPRS)，是以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，提供端到端的以及廣域的無線Service。設(shè)計采用的Gerenal Packet Radio模塊是華為公司生產(chǎn)的一款雙頻段的GSM/GPRS無線模塊(GTM900C無線模塊)。采用GPRS通信電路，更方便查看光功率數(shù)據(jù)，隨時監(jiān)測系統(tǒng)工作，提高了系統(tǒng)的智能。GTM900C模塊電路分為電源電路、串行通信電路、SIM卡外圍電路及外圍電路。在其外圍電路的設(shè)計中，包括了電源接口、串行口接口、SIM卡接口以及各種復位按鍵等。通過這些端口的引出，可方便與不同MCU進行通信的選擇。給出Cerenal Packet Radio模塊的外圍電路圖。

其中需說明的是，LED2的工作模式完全類同于同步信號，顯示為GTM900C的工作狀態(tài)。當LED2不亮時，此時可能是GTM900C電源關(guān)閉，或處于報警、休眠以及單純的充電模式。若燈閃亮(600 ms亮/600 ms滅)，有以下幾種原因：(1)未插入SIM卡。(2)網(wǎng)絡(luò)注冊正在進行中。(3)正在進行用戶身份鑒定。(4)網(wǎng)絡(luò)正在搜尋中。(5)個人身份未登記/已注銷。若LED2燈75 ms亮，3 s滅，說明網(wǎng)絡(luò)注冊成功，沒有來電。若LED2燈一直亮，此時的說明通過數(shù)據(jù)呼叫或聲音呼叫，正在建立或者完畢時的狀態(tài)顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

硬件電路實現(xiàn)了對數(shù)轉(zhuǎn)換功能，因此軟件設(shè)計簡單。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖5所示。

根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖，主控板應(yīng)用程序在初始化完畢后，分別進行CAN總線配置、串口配置、RS232/USB配置。進入下一步的ADC采集初始化，根據(jù)采集到的指令，判斷A/D采樣是否完成，在接收到規(guī)定數(shù)量的數(shù)據(jù)后根據(jù)滑動平均法對數(shù)據(jù)進行處理，之后根據(jù)信號處理部分給出的公式對數(shù)據(jù)進行換算出光功率數(shù)值，最終通過GPRS傳輸至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。數(shù)據(jù)可通過PC機或是手機上網(wǎng)進行實時監(jiān)測。

4 結(jié)束語

基于STM32的光功率實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計，前段采用光電轉(zhuǎn)換模塊和對數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，量程范圍可到80 dB，精度為0.01 dBm，具有智能化、可靠性高、方便擴展等優(yōu)點，可用于光纖領(lǐng)域。為驗證設(shè)計的測試精度和范圍，通過光衰減器進行調(diào)節(jié)，測量數(shù)據(jù)與Agilent公司生產(chǎn)的N7745A光功率計測量結(jié)果進行對比，對比數(shù)據(jù)如表2所示。

由測量數(shù)據(jù)對比結(jié)果顯示，系統(tǒng)可應(yīng)用于光纖信號的無人監(jiān)控中，實踐證明，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，對于保證光纜可靠運行起到重要作用。該測試系統(tǒng)能滿足主要技術(shù)指標：工作波長為1 310 nm、1 550 nm;測量范圍為-70～+10 dB;分辨率為0.001 dB;準確度為±0.13 dB(3%，一級)。