通信光纜阻斷維護系統的設計與實現

楊 劍

（西安通信學院電子信息工程系 西安 710106）

1 概述

當前，多數通信光纜采用傳統人工維護方式，即當通信光纜發生阻斷時，傳輸機房執勤維護人員首先查看設備告警，判斷告警類型，若為“LOS”收無光告警，則在設備光接收點和光配線架（ODF架）上的光接收點分別測試接收光功率，當排除單板故障和傳輸機房內的尾纖故障后，再通過光時域反射儀（OTDR）對阻斷光纜的故障位置進行測試，并將測試結果上報光纜搶修中心，外線維護人員根據光纜維護資料，將OTDR測得的光纖長度轉化為光纜長度、標石信息和地理位置，并組織人員現場進行搶修。

在上述阻斷搶修過程中，告警判決、斷點測試、儀表設置、光纜定位等多個人為操作環節引入的時延較大，制約了光纜恢復時間指標的提升。本文基于嵌入式硬件平臺，提出一種通信光纜阻斷維護系統的設計方案，并給出了具體的實現方法，實驗表明該系統減少了人為操作環節的時延，明顯縮短了光纜阻斷的恢復時間。

2 系統的組成及特點

通信光纜阻斷維護系統的結構示意如圖1所示，包括維護平臺、OTDR和本地服務器，維護平臺與ODF架相連，平時監控光纜線路的光功率，當發生光纜阻斷時，通過光開關將測試儀表倒換到光纜線路上，并通過維護總線（GPIB、RS232等）控制OTDR進行定位測試。讀取測試結果后，結合系統中的光纜線路定位功能，將測試的光纖長度轉化為光纜長度、標石信息和地理位置，并通過有線網絡上報傳輸機房值班維護的本地服務器，同時通過無線網絡上報搶修維護中心。

維護系統的主要特點包括以下幾點。

·系統接入損耗小，不影響原有通信光纜線路的光功率指標。

·阻斷反應時間快，通過維護平臺可實現光纜阻斷的自動監控，并控制OTDR自動進行故障位置定位，減少了人為判斷、測試的反應時間。

圖1 通信光纜阻斷維護系統結構示意

·定位信息可靠上報，維護平臺根據OTDR的測試結果，計算故障點的光纜長度、標石信息、地理位置等信息，可通過網絡上傳至本地服務器，并結合可視化軟件顯示故障位置，還可通過GSM網絡上傳至搶修維護中心，或直接通知搶修維護人員，保障了定位信息的多渠道上報。

3 維護平臺的設計與實現

目前，《傳輸維護規程》要求傳輸維護人員應在20 min內發現系統故障并判明故障位置，傳統維護方式需要維護人員24 h值守，基于設備或網管的LOS告警發現光纜阻斷故障，人為分析故障原因后再通過OTDR測試故障位置。

為將人為因素對判決時間的影響降到最低，本文通過維護平臺的設計，可實現無人值守狀態下光纜阻斷的快速判決。維護平臺設計的關鍵包括通過光監控功能自動判決光纜阻斷，通過GPIB總線自動控制OTDR測試，通過嵌入式系統軟件自動計算故障位置，減少光纜阻斷恢復對傳輸機房24 h值守的依賴。

3.1 維護平臺的硬件設計

維護平臺是光纜阻斷維護系統的核心，可實現光纜阻斷的自動檢測，并通過維護總線控制OTDR，實現故障點的自動定位，維護平臺由基于嵌入式系統的硬件平臺和光監控模塊兩部分組成，維護平臺的功能結構如圖2所示。

圖2 維護平臺的功能結構

光開關電路在ARM核心處理模塊的控制下，平時導通光路1和光路2，完成對光纜線路光功率的監測，發生阻斷時導通光路1和光路3，完成對光纜阻斷位置的測試；分光采集器完成對光纜線路上光信號的采集和光電轉換，并將轉換結果送嵌入式硬件平臺的AD接口；OTDR通信模塊可在ARM模塊的控制下，通過維護總線（GPIB、RS232）控制OTDR開啟自動測試，并讀取測試結果送至ARM模塊；光纜信息模塊存儲了光纜施工的具體信息，并通過與ARM模塊的交互，輔助ARM模塊完成光纖長度到故障位置的轉換；GSM通信模塊可在ARM模塊的控制下，完成故障位置的短信上報；在ARM模塊的控制下，可通過網絡通信接口上報故障位置到本地服務器顯示，也可通過本地服務器下載光纜維護信息；ARM模塊是整個硬件平臺的核心，通過實時監測AD接口的電壓變化，判斷光纜阻斷的發生，并同時完成控制光開關倒換、OTDR自動測試、測試結果自動轉換、轉換結果多渠道上報等功能；輸入、輸出模塊包括液晶屏、指示燈、蜂鳴器、按鍵等，通過按鍵可實現基本參數的本地設置，當發生阻斷告警時還可通過液晶屏、指示燈、蜂鳴器完成本地告警上報。

3.2 維護平臺的硬件實現

為實現無人值守條件下的光纜阻斷判決、測試及上報，維護平臺硬件部分的關鍵是光監測模塊、OTDR通信模塊、GSM通信模塊以及ARM核心模塊，下面分別給出各個模塊的實現方法。

（1）光監測模塊的實現

分光采集器是光監測模塊的核心，實現光纜線路光功率的監測，進而實現光纜阻斷的快速判決。由于要在實際通信光路中加入該器件，因此要求該器件的插入損耗小、分光轉換效率高。光訊科技公司的OPDM分光探測器具有小插入損耗（小于 0.5 dB），小分光比（99∶1），高響應度（大于8 μA/mW）的特點，并且集成了分光耦合器和高靈敏度的光電二極管，靈敏度可達0.8 mA/mW，同時具有寬波長范圍（1510～1610 nm），可滿足光纖通信傳輸波長的要求。

光開關電路完成光功率監測到故障定位的轉換，也需要接入實際光路中同樣要求低接入損耗，光訊科技公司的OSW光開關，插入損耗可小于0.8 dB，滿足測試需求。需要說明的是，目前光纜線路中多數情況下存在空余的備用光纖，光纜阻斷的前提下，通過備用光纖的斷點測試，也可以找到故障點的位置，此時則不需要光開關電路，直接將OTDR測試端口與備用光纖相連即可，既節省了維護系統中光開關的成本，也減少了光開關插入損耗對原有光纖通信系統的影響。

（2）OTDR通信模塊的實現

目前，OTDR的廠家種類很多，大都提供遠程控制接口，通過該類接口，OTDR通信模塊可控制OTDR實現自動測試。遠程控制接口中GPIB接口較為通用，GPIB是用于連接可編程儀器的公共總線，采用異步通信方式，滿足IEEE 488.1標準[1]。具體實現可采用NI公司的GPIB-RS232作為維護平臺擴展GPIB接口，ARM模塊通過串口操作即可控制OTDR完成自動測試，但GPIB接口擴展設備成本較高，對于含RS232接口的OTDR而言（如EXFO公司的FTB_400），可直接通過硬件平臺的串口實現遠程操作。

無論是GPIB接口還是RS232接口，均使用SCPI指令實現對儀表的自動控制。SCPI是針對可編程測試儀表的通用操作語言，如發送“*IDN?”查詢設備標識信息，FTB_400會 返 回 “EXFO E.O.Engineering,FTB-400,125-2A55,1.0.1.97”，表明廠家、設備類型和序號等信息[2]。

（3）GSM通信模塊的實現

GSM通信模塊為故障定位信息提供了無線網絡上報方式，嵌入式硬件平臺通過GSM通信模塊向指定的GSM網絡號碼發送短消息，上報硬件平臺的ID號，故障點的光纜長度、標石信息和地理位置等參數，傳輸機房執勤維護人員可通過本地服務器設置多個GSM號碼，如指定搶修維護中心負責人、外線分隊值班員的GSM手機號碼，便于將故障位置同時上報到搶修維護中心和外線分隊。

實現GSM通信功能的模塊較多，這里采用成本相對較低的CENTEL公司提供的PIML-900/1800模塊，該模塊提供標準的AT命令接口，可實現GSM語音、短消息和GPRS等功能，維護系統主要使用該模塊的短消息功能，實現告警上報。PIML-900/1800模塊提供了功能完備的系統接口，主要包括外部電源、RS 232串口、SIM接口和音頻接口等，這里主要通過該模塊的RS 232口與ARM核心處理模塊通信，實現AT指令的傳送。

（4）ARM模塊的實現[3]

ARM核心處理模塊采用廣州致遠電子有限公司的M22A系列嵌入式工控模塊，該模塊基于ARM LPC2220工業級微控制器，支持工業級10 Mbit/s以太網，內嵌了網絡通信協議，便于實現維護平臺與本地服務器的網絡通信；具有4路10 bit A/D轉換器接口，不需要其他擴展電路，便可對分光采集器送來的電信號直接進行高精度采集；具有2路UART通信接口，便于控制GSM通信模塊，同時為用戶初始化設置提供了調試串口；工控模塊還提供了I2C接口的外部存儲功能，可通過I2C總線存儲維護平臺的相關參數（如節點ID、判決參數等）；另外，M22A系列嵌入式工控模塊通過板上Flash擴展了存儲空間，為維護平臺擴展提供了本地電子盤，通過本地服務器，可將光纜施工、路由信息下載到本地電子盤中，靈活快捷，便于后續信息的維護與更新，核心處理器通過與電子盤中光纜信息的交互，最終完成故障位置的計算。

圖3 本地服務器系統軟件主界面

3.3 維護平臺的軟件設計與實現

光纜阻斷維護系統的系統軟件分為兩部分：一部分運行于嵌入式硬件平臺的ARM芯片上，是在嵌入式操作系統框架下實現的系統應用程序；另一部分運行于本地服務器上，是基于可視化編程工具開發的PC端應用程序。兩者通過TCP網絡協議進行通信，實現數據指令的交互。

（1）嵌入式硬件平臺系統軟件的開發

運行于硬件平臺ARM芯片的系統軟件，是在嵌入式操作系統框架下實現的。這里采用的嵌入式系統為μC/OS-II實時操作系統，該系統提供多任務方式，可實現任務調度與管理、任務間同步與通信、內存管理和中斷服務等功能，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良等特點。

根據硬件平臺的工作要求，系統軟件主要設置了3個基本任務，任務1主要完成AD采集器的實時信號采集，根據AD采集的電壓變化，判斷光纜的阻斷情況；任務2主要完成串口通信，一方面解析用戶的調試信息，一方面控制GSM模塊實現短信發送，如采用RS232作為OTDR的控制接口，也在該任務內實現控制指令下發和測試結果讀取；任務3主要完成網絡通信，解析本地服務器的控制指令，設置硬件平臺ID號、GSM號碼、光纜施工信息等內容，并將測試的故障位置上傳到本地服務器。嵌入式系統軟件開發的關鍵是進行多任務的管理，由于采用了μC/OS-II嵌入式系統，通過任務優先級機制，可有效地避免不同任務間的沖突，同時為避免任務執行失敗造成的系統異常（如因SIM卡或網絡原因造成的GSM短信發送失敗），需要通過硬件定時器編程對網絡運行狀態進行定時監測，對短信發送狀態進行定時查詢。

（2）本地服務器系統軟件的開發

運行于本地服務器上的系統軟件，是基于可視化編程工具（Delphi）開發的PC端應用程序。Delphi是一種面向對象語言，提供大量簡潔的開發控件和強大的數據庫引擎支持，通過 TCP、GPIB和RS232等功能的相關控件，可快速實現與維護平臺、OTDR的通信，提高軟件開發效率，通過數據庫功能可對龐雜的路由信息進行便捷管理，本地服務器系統軟件的主程序界面如圖3所示。本地服務器系統軟件可通過維護平臺對多條光纜線路進行監控，查看光纜線路的拓撲結構和當前光功率信息；通過系統軟件可以下載光纜施工、路由信息到維護平臺，并通過與維護平臺的網絡信息交互，實現故障位置的圖形化顯示。

本文設計的光纜阻斷維護系統在環校光纜作業網上的實際測試表明，在無人干預的前提下，可將從光纜阻斷到故障位置信息上報的時延縮短到5 min以內，且主要時延取決于OTDR的測試時延和GSM網絡的傳輸時延。

4 結束語

本文基于嵌入式硬件平臺提出了一種通信光纜阻斷維護系統的設計和實現方案，實驗表明，該系統減少了人為操作環節的時延，明顯縮短了光纜阻斷的恢復時間。

1 NI Corporation.GPIB user manual for Win32，http://www.natinst.com，1998

2 EXFO Corporation.Universal Test system FTB-400 user guide，http://www.exfo.com，2003

3 廣州致遠電子有限公司.M22A-F/N/U20產品用戶手冊，http://www.embedtools.com，2008