光纤识别的理论研究与检测系统设计

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3.0 高德中 2024-11-19 5 4 1.62MB 96 页 15积分
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摘要
光纤通信技术的飞速发展带动了光纤测试设备的发展。作为光纤通信系统中
传输部分的测量仪器—光纤识别器属于近几年刚兴起的一项技术和设备，目前世
界上很多公司都在相继研发该项技术，但由于很多因素的限制使得它仍然不能满
足人们在各个领域对它的应用需求。
本文对光纤识别器测量的发展现状进行了综述，根据课题实际应用背景，提
出了以单片机为核心的智能型光纤识别器的设计方案，并从硬件及软件两个方面
进行实现。
硬件方面，是根据实际测量需要，为仪器设计两级信号放大并实现其硬件电
路，该电路选择低噪声、高稳定度的武汉昱升公司的YSPD718光纤探测器作为传
感器，这款探测器适用于1100nm-1700nm范围波长光波的测量，保证了接收光纤中
传输光的可靠性；在数据采样转换方面采用了MSP430单片机片内A/D模块，在保
证测量精度的前提下也降低了生产成本，同时选用MSP430单片机还能保证数值计
算的速度，它有一个最大的特点是低功耗，这对手持便携式仪表来讲非常可靠有
用。
软件方面，利用C语言进行仪器软件的设计，实现了单片机控制A/D转换器对
数据进行采集、数模转换，单片机的数据处理、对两级运放的自动切换以及对被
测光方向及频率判别等功能。并且经过了大量的实验选取了一个比较合适的判断
裕度既保证了测量精度又降低了误判的几率。
关键词：光通信 光纤识别器 MSP430 滤波电路
ABSTRACT
With the increasing development of optical fiber communication, the optical fiber
testing equipment is progressing rapidly. Optical fiber identifier, as a measurement
instrument for transmission part of optical fiber communication, is a new technology
and equipment which rise recently. Now more and more companies are researching this
technology, However, it still can't meet the requirements of measuring in different fields
because of many factors.
This thesis summarized the development and current state of optical fiber identifier.
The aim of this thesis is to develop an intelligent optical fiber identifier to meet the
requirements of practical application, in which single chip is the core. It is realized from
tow hands- hardware and software.
Two amplifiers are designed for the instrument and realized in hardware. To
ensure the reliability of receiving power from fiber, YSPD718 of Yusheng company is
selected. This detector is applied on 1100nm-1700nm laser, which satisfy the accuracy
of measurement, 12 bits A/D module embedded in MSP430 is used to sample the signal,
which ensures the accuracy and reduce the cost. To meet the requirement of real-time
data collection and real-time data processing, MSP430 single chip was employed, of
which low power consumption is the significant feature, making portable instrument
reliable and useful.
System software written by C language accomplished several functions including
embedded controlling A/D converter to collect data, A/D conversion, data processing,
switching automatically between two ranges of amplifier and detecting the direction and
tone of the laser transmitted in the optical fiber. Finally designing a gate value for
detecting through many tests, which makes the measurement reliable and ensures the
accuracy.
Key Words: optical fiber communication,optical fiber identifier,MSP430,
filter circuit
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................................... 1
§1.1 引言 ..................................................................................................................................... 1
§1.2 课题的来源及意义 .............................................................................................................1
§1.3 国内外光纤识别器的发展、研究现状及分析 ................................................................ 2
§1.4 本课题的主要研究内容及方案 .........................................................................................3
§1.5 主要关键技术 .....................................................................................................................3
第二章 系统测量原理及硬件设计 ....................................................................................................5
§2.1 光纤识别器测量系统概述 .................................................................................................5
§2.1.1 理论分析 ..................................................................................................................5
§2.1.2 实验报告 ..................................................................................................................6
§2.2 光纤识别器的电路设计 .....................................................................................................8
§2.2.1 光电转换 ..................................................................................................................9
§2.2.2 模拟信号处理 ........................................................................................................ 11
§2.2.3 稳零反馈电路 ........................................................................................................15
§2.2.4 测频电路 ................................................................................................................18
§2.2.5 模数转换 ................................................................................................................19
§2.2.6 单片机控制 ............................................................................................................20
§2.2.7 电源系统 ................................................................................................................21
§2.3 本章小结 ........................................................................................................................... 23
第三章 系统软件设计 ........................................................................................................................24
§3.1 系统软件设计概述 .............................................................................................................24
§3.2 对各部件的初始化 .............................................................................................................25
§3.3 A/D 的初始化 ...................................................................................................................... 25
§3.4 稳零反馈部分的软件设计 .................................................................................................27
§3.4.1 D/A 的软件控制 .......................................................................................................27
§3.4.2 调节过程 ..................................................................................................................28
§3.4.3 PID 算法控制 ........................................................................................................... 31
§3.5 方向识别 ............................................................................................................................. 32
§3.6 频率识别 ............................................................................................................................. 37
§3.7 本章小结 ............................................................................................................................. 42
第四章 电路板调试及操作说明 ........................................................................................................43
§4.1 电路板调试 .........................................................................................................................43
§4.2 光纤识别器操作说明 .........................................................................................................45
第五章 总结与展望 ............................................................................................................................ 49
§5.1 光纤识别网络化 .................................................................................................................49
§5.2 系统总体方案设计 .............................................................................................................51
§5.2.1 任务及功能分析 ......................................................................................................51
§5.2.2 总体设计 ..................................................................................................................54
§5.3 总结 ..................................................................................................................................... 55
参考文献 .............................................................................................................................................. 56
附录 1原理图与 PCB ......................................................................................................................... 58
附录 2系统软件 .................................................................................................................................. 60
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................................................. 93
致谢 ...................................................................................................................................................... 94
错误！未定义样式。
1
第一章 绪 论
§1.1 引言
光纤通信技术在过去20年里有了飞速的发展，其发展速度之快，使得当今所
有的通信技术领域都受到了它的冲击。随着互联网技术的日益普及，光纤已开始
进人千家万户。目前全世界已铺设光纤数亿公里，从我国情况来看，“十·五”计
划末我国光缆总长度将达到2.5×106km。近两年，我国平均每年铺设光缆3×105km
左右。光纤信号的无损检测技术对于保证光纤通信的正常进行是不可缺少的，随
着光纤通信的飞速发展也带动着光纤测试仪器发展[1, 2]。
随着光纤在通信领域的广泛应用，电信业务的快速发展，光缆网络的规模迅
速扩大。对光缆网络运营商而言，如何提高网络运营效益就显得尤为重要。一方
面需要及时掌握网络的运营状况，在发生劣化或故障时，能够准确定位，缩短障
碍历时；另一方面，一条光缆从设计、施工到维护，积累了大量的文档资料，需
要先进的手段对这些数据进行保存和处理；此外，随着维护体制的改革和网络维
护水平的提高，实现业务流程管理的自动化，己成为网络管理更高层次的要求和
趋势。因此，对光纤测试产品的要求也正趋于微机化、智能化。光纤通信有着无
比的优越性，发展速度己经超出了人们以前的想象。随着光纤在通信领域的广泛
应用，必须面对的问题就是光纤设备和线路技术指标的测试和故障的检测。
§1.2 课题的来源及意义
随着我国光缆数量的增加以及早期铺设的光缆使用年限的增加，光缆线路的
故障次数也在增加，光缆的维护与管理问题日渐突出。传统的故障维修都是被动
式的，故障(如断线)发生后，才派人维护，且故障很难找，耗时耗力。我国多次发
生通信光缆被挖断的事故，严重的影响了通信，给国家和人民造成很大的损失。
光缆监测系统就是要保证光缆的完好，发现问题及时解决，这样才可以预防了一
些事故的发生。
因此，实施对光缆线路的实时监测与管理、动态观察光缆线路传输性能的劣
化情况、及时发现和预报光缆隐患，以降低光缆阻断的发生率、压缩光缆的故障
历时，显得至关重要。
光纤识别的理论研究与检测系统设计
2
光纤识别器正是在这种环境下应运而生的，在避免了中断业务和不需截断光
纤的情况下，可以识别光纤中光传输的方向。它是一种利用光纤弯曲理论而研制
的仪器。当将一根光纤弯曲时，有些光会从光纤中辐射出来，这些光就会被光纤
识别器检测到，在不切断光纤和不中断通信的条件下，光纤识别器根据这些泄漏
光可以判别该光纤中是否有光信号以及光信号的方向和频率[3~10]。
§1.3 国内外光纤识别器的发展、研究现状及分析
在光通信产业尚未兴起前，光纤测试仪表的主要应用领域是在科学研究领域。
但随着光通信产业的蓬勃发展，光纤测试仪表便成为该领域中的中要仪器，并可
称为光纤识别器（Optical Fiber Identifier,OFI）。它在光纤技术中有广泛的应用，它
不但能测光的传输方向，频率，还能测光的功率。通过测量发射端机或光网络的
绝对功率，它能够评价光纤链路的连接损耗，检验连续性，并帮助评估光纤链路
的传输质量。其中最重要的是，它是测试光学元器件（光纤，连接器，耦合器，
衰减器等）的性能指标的关键仪表，可以说它在光纤系统的各项测试中都要被用
到。
目前，国内市场能见到的国外生产的光纤测试设备中，主要有美国的EXTECH
光纤测试仪、FIBERTEK和TRACETEK高级光纤测试仪;罗意斯公司生产的光纤测
试仪、福禄克(Fluke)光纤测试仪、美国理想(IDEAL)光纤测试仪等，另外也有日本
生产的光纤测试仪，比如滕仓，安立，横河等。其共同特点是价格昂贵，每套价
格均在十几万甚至几十万以上。
与光纤通信事业迅猛发展形成鲜明对比的是，国内光纤测试设备生产厂家却
不多。能生产自主知识产权的光纤测试设备的厂家很少，大多都是代理国外厂家
的设备。在网上可查到的有上海光维，上海嘉慧、深圳兴星、珠海华普、上海科
旭、南京吉隆等几家公司。其设备多数是功能单一，即只能测光功率或只具备光
话机功能。只有南京吉隆光纤通信有限公司生产的光线测试仪具备测试光功率和
数字、语音双重功能，但技术指标又较低，数字信息可靠传输的光功率范围在
-30dBm。一般单模光纤要求测试距离范围是100km，功率衰减要超过-40dBm,因此
现有的设备满足不了使用要求。针对以上情况开发一种多功能、低价位、高技术
指标的光纤识别器是十分必要的。
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3
§1.4 本课题的主要研究内容及方案
研究内容：
作者从2006年10月至今一直进行该课题的研究。在此期间对实验室现有光纤
通信设备的特性、各项指标及系统的整体参数进行了大量实验，了解了系统对该
仪器的测量要求，阅读了大量国内外相关参考文献，学习了所要用到的工具软件，
为课题的完成奠定了基础。
本课题所设计的光纤识别器完成光纤识别的基本测量任务，为它的其它多种
功能建立了一个工作的平台。本课题包括以下几部分内容:
(1)通过基础性实验完成夹具部分的设计。
(2)设计光电转换电路。
(3)设计信号放大及滤波电路。
(4)单片机内置A/D转换器进行数据采集、模数转换。
(5)单片机对数据的处理及通过LED作结果显示。
(6)设计电源管理系统。
实施方案：
信号采集部分：需要先选择最适合该课题的光电探测器，要求它必须对特定
波长光线响应度高，而对其他波长光线响应不明显，并且其噪声要相当小。在选
择完之后，需要搭建一个放大电路，并用辅助仪表进行配合来确定检测夹具部分
的曲线。这需要大量的试验数据方能完成[11~13]。
信号处理部分：选择一款高性能的放大器对信号进行放大，但是在放大信号
的同时也将噪声放大了，因此还需要设计滤波电路对噪声进行虑除。简单的RC滤
波电路都不太理想，考虑使用放大器搭建二阶低通滤波电路，虽然成本会上去，
但是后面会比较好处理些。
信号分析部分：在该课题中，考虑使用MSP430单片机来对信号进行分析，选
用这款单片机的主要原因是因为它是超低功耗的，由于本课题最终是一款手持式
仪表，因此要求它要非常省电，故而选择了MSP430。这款单片机内嵌A/D模块，
因此无需在外部添加A/D转换器了[14~18]。
§1.5 主要关键技术
夹具的设计：
由于光纤识别器是利用光在传输介质的弯曲处由于不满足全反射条件而泄漏
光纤识别的理论研究与检测系统设计
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光来进行检测，因此夹具弯曲的弧度是十分重要的，它既要满足光纤不会被夹断，
又要满足光泄漏最多。并且它还需要有解决阻止外部光进入夹具从而干扰光纤内
部的光的作用，因为探测头一般都不会做得很理想，外界光也能使探测头产生光
致电流，因此夹具这部分的设计是非常有难度的。
模拟电路的设计：
从探测头出来的电流信号会通过转换变成电压信号，但这个信号是非常微弱
的，通常只有几个微伏，因此需要将信号从噪声中提取出来就显得十分困难。通
常的处理方法是用一个有高放大倍数的放大器，和后面的一系列滤波电路来解决
这个问题。
频率识别：
一般光纤里面的光有连续光，270HZ,1KHZ,2KHZ的调制光，本课题不但要解
决光的传输方向，而且还要能识别光的频率。如果用硬件来解决的话会增加产品
的体积和成本，如果用软件来解决，又不太可靠。因此需要想出一个周全的办法。
MSP430 的应用：
MSP430 最显著的特点就是超低功耗，因此如何去配置时钟源来达到降低系统
功耗也是本课题的关键技术之一。
错误！未定义样式。
5
第二章 系统测量原理及硬件设计
§2.1 光纤识别器测量系统概述
光纤弯曲时将使原来在光纤中传播的光因为不满足全反射条件而产生泄漏，
而对于泄露出光纤的光线，其特性不会改变，可以利用它来对光纤中的信号进行
检测。即通过测量泄漏光的有无和大小，可以在不中断通信的条件下判别光纤中
有无光信号通过以及通过光信号的方向。本文设计的光纤识别器就是利用光纤弯
曲时的泄漏光来判别光纤信号的一种仪器。
光纤识别器的用途是在不影响光纤正常通信的情况下，判别被检测光纤中是
否有光信号通过，判别光信号的传输方向和光信号的调制频率（如果是调制光信
号的话），从而判别光纤是否在正常工作，把断掉的光纤检测出来。这是维护光纤
通信网络，保证正常通信的重要仪器。
图 2.1 光纤识别器工作原理
§2.1.1 理论分析
光纤识别器工作原理如图2.1所示,InGaAs1和InGaAs2为两个光敏传感器，分别
放置在成一个角度的两个平面上，被检测的光纤通过一个机械装置被顶在InGaAsl
和InGaAs2的两个平面的光敏传感器上，根据理论分析和实验结果，当光信号方向
如图所示时，InGaAs2检测到的泄漏光电信号比InGaAsl要强，通过放大器把光敏
传感器检测到的光电信号放大，送到检测系统的A/D转换器转换成数字信号，CPU
判别这两个数字信号的大小就可以判别出光纤中是否有信号通过，信号传输的方
光纤识别的理论研究与检测系统设计
6
向，在该检测系统中还有带通滤波器电路，可以对光信号的频率进行识别。
在光纤识别器设计的过程中，首先要设计的是夹具，夹具设计主要解决的问
题是：既要保证仪器有一定的灵敏度，又不能产生过大的插人损耗，破坏光纤，
从而影响被测光纤的正常通讯。
根据Jeunhomme原理，光纤弯曲产生的插入损耗
和光纤弯曲半径R有关，其
关系近似如下式：
1
× ×exp( )A UR
R
 
2-1
2
3
1 u
×
2 aW
AW
 （ ）（ ）
2-2
3
2
4W
3aV n
U
2-3
式中:a和n分别是纤芯半径和纤芯包层的折射率差，u,W，和V分别为径向归一
化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率，A和U为光学参数。
由以上公式可以求出最大插入损耗时光纤弯曲突起高度或弯曲半径。从而确
定被测光纤与光敏器件光敏面的接触方式和参数。根据光纤的传输要求，选择小
于最大插人损耗的弯曲半径，即不影响光纤的正常通信并能满足光检测器灵敏度
的弯曲半径.这样就能为两个光检测器设计出合适的夹角，通过对两个光检测器检
测到的弯曲光纤泄漏的光信号的对比，可以判别出光纤中的光的方向。这就是光
纤在线识别技术的基本原理[19]。
§2.1.2 实验报告
找出光纤在一定的弯折下（本实验根据以往的设计经验，初定以140°夹角加半
径为7mm的圆弧做为实验的模型），探测头能测到最多泄漏光的位置。注意光纤要
尽量贴近模型的形状，否则严重影响实验结果。经过前后三次的实验，最后选定
了一个最终模型方案，如图2.2所示，图中圆面直径为7mm，包在它外面的两直线
夹角为140°。
摘要：

摘要光纤通信技术的飞速发展带动了光纤测试设备的发展。作为光纤通信系统中传输部分的测量仪器—光纤识别器属于近几年刚兴起的一项技术和设备，目前世界上很多公司都在相继研发该项技术，但由于很多因素的限制使得它仍然不能满足人们在各个领域对它的应用需求。本文对光纤识别器测量的发展现状进行了综述，根据课题实际应用背景，提出了以单片机为核心的智能型光纤识别器的设计方案，并从硬件及软件两个方面进行实现。硬件方面，是根据实际测量需要，为仪器设计两级信号放大并实现其硬件电路，该电路选择低噪声、高稳定度的武汉昱升公司的YSPD718光纤探测器作为传感器，这款探测器适用于1100nm-1700nm范围波长光波的测量，保...

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