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基于STM32的光功率实时监测系统设计

发布日期: 2020-04-16 15:30
 

  检测仪主要是对光纤中光的强度进行实时监测,是光缆自动检测和光路切换系统中的关键设备,其性能的好坏直接影响系统功能的可靠性和稳定性。在各种光纤线路的监控维护系统中,监测是最简单、成熟,应用广泛的方法,通过对通信光纤中分出的3%~5%的进行实时监测,就能实时地掌握光纤通信线路的状况,为光纤通信线路的维护管理提供依据。传统的光功率首先是光进入PIN光电二极管后,产生了电流信号,且此信号与输入光功率呈线性关系,最后经程控放大电路和I/V变换放大到所需电压。该方案的不足是动态范围有限,一般仅为70 dB,且要求使用高阻值的精密电阻作为增益放大,软硬件复杂,不适合多路监测,此外,传统的光学仪表测试效率较低。设计是基于ST公司CortexM3内核的32位ARM产品,以STM32F103ZET6为主芯片设计的一款光功率检测系统。通过建立TCP链接,实现数据的传输,做到了随时随地进行实时监测。同时,系统设计是基于CAN总线的嵌入式功率实时,不仅能够智能地监测多个通道的光纤网络,还具备了其系统的抗干扰性和可靠性。除此之外,由于处理信号采用AD8304设计的对数放大器,保证了系统的高精度。

  光功率检测仪由光耦合器、光电探测电路、对数转换放大电路、A/D转换电路、CAN总线电路、主控电路、GPRS通信电路组成。图1为给出的工作原理框图。

  一般在实际光纤系统中,都有两套光纤,一是正在通信的主用光纤,主用光纤末端安装一个97/3的无源光耦合器(PLC),97%的光接到光端接收机用于通信,剩余3%用于光监测,还有一套是备用光纤,作为应急处理,一旦主用光纤出现问题不能正常通信,此时启用备用光纤。监测光经过光电探测模块,对数转换模块,再由A/D转换模块进行转换由模拟信号转变为数字信号发给CAN总线,并由主控单元对数据进行通信、存储或是无线 光电转换电路与信号处理部分

  将光耦合器(PLC)分出的3%入射光转化为电流或是电压的形式,并以光子一电子的量子转换形式完成光电探测的目的,是光电探测电路的基本原理。常见的光电二极管主要有APD光电二极管和PIN光电二极管。在光信号调制解调系统中,一般选择PIN光电二极管,因为其暗电流较小。InGaAs材料的PIN光电二极管在1 300~1 600 nm范围内具有良好的响应速率、低噪声特性和灵敏度等特点,适合光纤通信。因此,选择该材料作为PIN光电二极管。PIN光电二极管的伏安特性如下

  式中,q是电子电荷;Is是无光照时的反向饱和电流;V是二极管的端电压;k是波尔兹曼常数;T是结温;IL是与光照时的光功率成正比的再无偏压状态下光照时的短路电流。如式(1)所示,若反向饱和电流Is=0时,二极管的端电压V=0,光照功率与输出电流呈一定的正比关系

  其中,为光电二极管的响应度;IPD为光电流;POPT为光功率。

  设计采用对数放大器AD8304作为对数转换电路,处理动态范围宽达80 dB的光信号,最大对数线 dB,且测量时无换挡误差。此外,设计有光电二极管接口及温度补偿电路,是光功率测量的最佳选择,尤其适合光缆在线监测。对数放大器的输出电压值和被测功率P有简单的线性对应关系,其对应的输入和输出关系推导如下

  式中,P=10lgPPD,K2=10/K1,C2=10lg[IPD/]-10C1/K1。其中,VOUT是输出电压;P是被测光功率值;K1和C1是由芯片外接电阻网络决定的常数;PPD是输入的光功率值。由式(3)可知,被测光功率P与AD8304的输出电压VOUT存在线性关系,不用进行复杂繁琐的对数计算,对后续的软硬件处理进行了简化。对数放大电路如图2所示。

  该部分是整个系统的核心,完成数据的采集、处理、存储和通信显示功能。考虑到设计要求以及系统的小型化、低功耗和可靠性要求,选择尽可能的将必需的接口集成到MCU中,而不是另外的搭建外围电路。综合考虑,选择ST公司Cortex-M3内核的32位ARM产品STM32F103ZET6,其性能参数如表1所示。

  目前采用一种A/D转换结构是逐次逼近型,因为其兼顾转换速度和精度要求。STM32F103ZET包含3个ADC,是一种12位的逐次逼近型的模拟数字转换器。其有8个通道可测量16个外部和2个内部信号源,最大转换速率为1 MHz,转换时间为1s,该转换器能满足电路的需求。采用芯片内部的A/D,不仅可满足电路的需求,且对电路的设计以及软件程序的编写带来简化和方便,真正做到了系统的小型化、低功耗和可靠性要求。

  作为2.5代移动通信技术的Gerenal Packet Radio(GPRS),是以GSM网络为基础,提供端到端的以及广域的无线Service。设计采用的Gerenal Packet Radio模块是华为公司生产的一款双频段的GSM/GPRS无线C无线模块)。采用GPRS通信电路,更方便查看光功率数据,随时监测系统工作,提高了系统的智能。GTM900C模块电路分为电源电路、串行通信电路、SIM卡外围电路及外围电路。在其外围电路的设计中,包括了电源接口、串行口接口、SIM卡接口以及各种复位按键等。通过这些端口的引出,可方便与不同MCU进行通信的选择。给出Cerenal Packet Radio模块的外围电路图。

  其中需说明的是,LED2的工作模式完全类同于同步信号,显示为GTM900C的工作状态。当LED2不亮时,此时可能是GTM900C电源关闭,或处于报警、休眠以及单纯的充电模式。若灯闪亮(600 ms亮/600 ms灭),有以下几种原因:(1)未插入SIM卡。(2)网络注册正在进行中。(3)正在进行用户身份鉴定。(4)网络正在搜寻中。(5)个人身份未登记/已注销。若LED2灯75 ms亮,3 s灭,说明网络注册成功,没有来电。若LED2灯一直亮,此时的说明通过数据呼叫或声音呼叫,正在建立或者完毕时的状态显示。

  根据系统数据流程图,主控板应用程序在初始化完毕后,分别进行CAN总线/USB配置。进入下一步的ADC采集初始化,根据采集到的指令,判断A/D采样是否完成,在接收到规定数量的数据后根据滑动平均法对数据进行处理,之后根据信号处理部分给出的公式对数据进行换算出光功率数值,最终通过GPRS传输至网络服务器。数据可通过PC机或是手机上网进行实时监测。

  基于STM32的光功率实时监测系统设计,前段采用光电转换模块和对数转换模块,量程范围可到80 dB,精度为0.01 dBm,具有智能化、可靠性高、方便扩展等优点,可用于光纤领域。为验证设计的测试精度和范围,通过光衰减器进行调节,测量数据与Agilent公司生产的N7745A光功率计测量结果进行对比,对比数据如表2所示。

  由测量数据对比结果显示,系统可应用于光纤信号的无人监控中,实践证明,系统稳定性良好,对于保证光缆可靠运行起到重要作用。该测试系统能满足主要技术指标:工作波长为1 310 nm、1 550 nm;测量范围为-70~+10 dB;分辨率为0.001 dB;准确度为0.13 dB(3%,一级)。

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