基于STM32的光功率實(shí)時(shí)監測系統設計

光功率檢測儀主要是對光纖中光的強度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，是光纜自動(dòng)檢測和光路切換系統中的關(guān)鍵設備，其性能的好壞直接影響系統功能的可靠性和穩定性。在各種光纖線(xiàn)路的監控維護系統中，光功率監測是最簡(jiǎn)單、成熟，應用廣泛的方法，通過(guò)對通信光纖中分出的3%～5%的光功率進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，就能實(shí)時(shí)地掌握光纖通信線(xiàn)路的狀況，為光纖通信線(xiàn)路的維護管理提供依據。傳統的光功率監測系統首先是光進(jìn)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(xiàn)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(dòng)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，不適合多路監測，此外，傳統的光學(xué)儀表測試效率較低。設計是基于ST公司Cortex—M3內核的32位ARM產(chǎn)品，以STM32F103ZET6為主芯片設計的一款光功率檢測系統。通過(guò)建立TCP鏈接，實(shí)現GPRS數據的傳輸，做到了隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。同時(shí)，系統設計是基于CAN總線(xiàn)的嵌入式功率實(shí)時(shí)監測系統，不僅能夠智能地監測多個(gè)通道的光纖網(wǎng)絡(luò )，還具備了其系統的抗干擾性和可靠性。除此之外，由于處理信號采用AD8304設計的對數放大器，保證了系統的高精度。

1 系統的工作原理及框圖

光功率檢測儀由光耦合器、光電探測電路、對數轉換放大電路、A/D轉換電路、CAN總線(xiàn)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(shí)際光纖系統中，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(gè)97/3的無(wú)源光耦合器(PLC)，97%的光接到光端接收機用于通信，剩余3%用于光監測，還有一套是備用光纖，作為應急處理，一旦主用光纖出現問(wèn)題不能正常通信，此時(shí)啟用備用光纖。監測光經(jīng)過(guò)光電探測模塊，對數轉換模塊，再由A/D轉換模塊進(jìn)行轉換由模擬信號轉變?yōu)閿底中盘柊l(fā)給CAN總線(xiàn)，并由主控單元對數據進(jìn)行通信、存儲或是無(wú)線(xiàn)發(fā)送。

2 系統硬件設計

2.1 光電轉換電路與信號處理部分

2.1.1 光電轉換電路部分

將光耦合器(PLC)分出的3%入射光轉化為電流或是電壓的形式，并以光子一電子的量子轉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(jiàn)的光電二極管主要有APD光電二極管和PIN光電二極管。在光信號調制解調系統中，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范圍內具有良好的響應速率、低噪聲特性和靈敏度等特點(diǎn)，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(wú)光照時(shí)的反向飽和電流;V是二極管的端電壓;k是波爾茲曼常數;T是結溫;IL是與光照時(shí)的光功率成正比的再無(wú)偏壓狀態(tài)下光照時(shí)的短路電流。如式(1)所示，若反向飽和電流Is=0時(shí)，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度;IPD為光電流;POPT為光功率。

2.1.2 信號處理部分

設計采用對數放大器AD8304作為對數轉換電路，處理動(dòng)態(tài)范圍寬達80 dB的光信號，最大對數線(xiàn)性度誤差0.1 dB，且測量時(shí)無(wú)換擋誤差。此外，設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(xiàn)監測。對數放大器的輸出電壓值和被測功率P有簡(jiǎn)單的線(xiàn)性對應關(guān)系，其對應的輸入和輸出關(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;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(xiàn)性關(guān)系，不用進(jìn)行復雜繁瑣的對數計算，對后續的軟硬件處理進(jìn)行了簡(jiǎn)化。對數放大電路如圖2所示。

2.2 主控單元電路和A/D轉換電路

該部分是整個(gè)系統的核心，完成數據的采集、處理、存儲和通信顯示功能?？紤]到設計要求以及系統的小型化、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內核的32位ARM產(chǎn)品STM32F103ZET6，其性能參數如表1所示。

目前采用一種A/D轉換結構是逐次逼近型，因為其兼顧轉換速度和精度要求。STM32F103ZET包含3個(gè)ADC，是一種12位的逐次逼近型的模擬數字轉換器。其有8個(gè)通道可測量16個(gè)外部和2個(gè)內部信號源，最大轉換速率為1 MHz，轉換時(shí)間為1μs，該轉換器能滿(mǎn)足電路的需求。采用芯片內部的A/D，不僅可滿(mǎn)足電路的需求，且對電路的設計以及軟件程序的編寫(xiě)帶來(lái)簡(jiǎn)化和方便，真正做到了系統的小型化、低功耗和可靠性要求。

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

2.3 GPRS通信電路

作為2.5代移動(dòng)通信技術(shù)的Gerenal Packet Radio(GPRS)，是以GSM網(wǎng)絡(luò )為基礎，提供端到端的以及廣域的無(wú)線(xiàn)Service。設計采用的Gerenal Packet Radio模塊是華為公司生產(chǎn)的一款雙頻段的GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)模塊(GTM900C無(wú)線(xiàn)模塊)。采用GPRS通信電路，更方便查看光功率數據，隨時(shí)監測系統工作，提高了系統的智能。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(guò)這些端口的引出，可方便與不同MCU進(jìn)行通信的選擇。給出Cerenal Packet Radio模塊的外圍電路圖。

其中需說(shuō)明的是，LED2的工作模式完全類(lèi)同于同步信號，顯示為GTM900C的工作狀態(tài)。當LED2不亮時(shí)，此時(shí)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(jìn)行中。(3)正在進(jìn)行用戶(hù)身份鑒定。(4)網(wǎng)絡(luò )正在搜尋中。(5)個(gè)人身份未登記/已注銷(xiāo)。若LED2燈75 ms亮，3 s滅，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )注冊成功，沒(méi)有來(lái)電。若LED2燈一直亮，此時(shí)的說(shuō)明通過(guò)數據呼叫或聲音呼叫，正在建立或者完畢時(shí)的狀態(tài)顯示。

3 系統軟件設計

硬件電路實(shí)現了對數轉換功能，因此軟件設計簡(jiǎn)單。系統數據流程如圖5所示。

根據系統數據流程圖，主控板應用程序在初始化完畢后，分別進(jìn)行CAN總線(xiàn)配置、串口配置、RS232/USB配置。進(jìn)入下一步的ADC采集初始化，根據采集到的指令，判斷A/D采樣是否完成，在接收到規定數量的數據后根據滑動(dòng)平均法對數據進(jìn)行處理，之后根據信號處理部分給出的公式對數據進(jìn)行換算出光功率數值，最終通過(guò)GPRS傳輸至網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器。數據可通過(guò)PC機或是手機上網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。

4 結束語(yǔ)

基于STM32的光功率實(shí)時(shí)監測系統設計，前段采用光電轉換模塊和對數轉換模塊，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(diǎn)，可用于光纖領(lǐng)域。為驗證設計的測試精度和范圍，通過(guò)光衰減器進(jìn)行調節，測量數據與Agilent公司生產(chǎn)的N7745A光功率計測量結果進(jìn)行對比，對比數據如表2所示。

由測量數據對比結果顯示，系統可應用于光纖信號的無(wú)人監控中，實(shí)踐證明，系統穩定性良好，對于保證光纜可靠運行起到重要作用。該測試系統能滿(mǎn)足主要技術(shù)指標：工作波長(cháng)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)。