基于OTDR的光路監測終端設計

楊 帆，危志遠

（1.武漢工程大學 電氣信息學院，武漢430073；2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術研究中心，武漢430073）

傳統的光線路監測方法主要是光纖線路出現故障后，光端機發出無光告警，值班人員電話通知光纜維修單位，維護人員到達故障局機房后先通過手提式光時域反射儀測量故障點距離，再到故障點進行搶修[1-3]。這種方法從發現故障到故障排除的過程都受到人為因素的制約，大大降低了線路恢復的效率[4-6]。OTDR 是光時域反射儀的簡稱，其利用瑞利散射和菲涅爾反射可以準確探測到光纖線路中的損耗較大的點與對應距離[7-9]。利用可集成的OTDR、OPM 等模塊， 本文設計了一種可對光纖線路進行24 h 遠程監控的光路監測終端。

1 光路監測終端總體設計

該測量裝置采用STM32 系列的STM32F407 嵌入式微處理器作為核心，這款芯片需要電源、時鐘、復位等外圍電路才能正常工作[10]。在系統中，首先由監測模塊中的OPM 對光纖中的各頻段光信號功率進行24 h 實時監控，將獲取到的數據通過FSMC 并口發送給數據處理模塊， 當光功率低于告警閾值時， 數據處理模塊產生告警并啟動監測模塊中的OTDR 對光纖線路進行檢測， 通過串口獲取節點損耗與對應長度數據，將產生告警的站點與光纖故障點的距離數據通過人機交互模塊中的GPRS 模塊發送短信給維護人員，并在OLED 上顯示告警。光路監測終端的系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖Fig.1 System block diagram

1.1 光路監測模塊設計

光路監測模塊的核心由OTDR 和OPM 組成。OTDR 模塊發出一個光信號， 通過光信號在光纖中傳輸所產生的瑞利散射和菲涅爾來獲取傳輸衰減及衰減點與發送端距離。本文OTDR 選用TFNMOTOOTDR 模塊，該模塊可無縫、輕載式接入傳送網絡的業務光纜，在不影響各種業務信號的情況下進行檢測，檢測范圍超過200 km。模塊中OTDR_TXD和OTDR_RXD 分別連接STM32 芯片USART1 的RXD 和TXD 引腳用于串口通信，VCC 外接5 V 電源信號用于給模塊供電。OTDR 與數據處理模塊連接電路如圖2所示。

圖2 OTDR 連接電路圖Fig.2 OTDR connection circuit diagram

OPM 是光性能監控模塊，通過預先配置好的頻率柵格可獲取到對應各頻段光的波長及功率。本文選用ACCELINKOPM-CN 模塊進行光路監控。該模塊具有較大的功率探測范圍，其范圍超過40 dB，且支持靈活的可配置頻率柵格， 可以對C 波段1528 nm～1568 nm 信號進行實時監控。由于需監控頻率柵格多、數據量大，模塊采用FSMC 并口方式通信，可提高傳輸效率與實時性。其16 根地址線及11 根數據線分別與STM32 芯片FSMC 地址線及數據線管腳相連用于并口通信。OPM 與數據處理模塊連接電路如圖3所示。

圖3 OPM 連接電路圖Fig.3 OPM connection circuit diagram

1.2 數據處理模塊設計

數據處理模塊是由32 位Cortex-M4 微控制器及其子系統組成，子系統包括時鐘電路與復位電路。設計中采用8 M 無源晶振為STM32 提供處理時鐘，時鐘電路設計如圖4所示。復位電路則采用操作簡單的阻容復位電路。復位電路設計如圖5所示[10]。

圖4 時鐘電路設計圖Fig.4 Clock circuit design

圖5 復位電路設計圖Fig.5 Reset circuit design

1.3 人機交互模塊設計

該裝置采用液晶模塊和GPRS 模塊實現人機交互。GPRS 選用華為EM310 模塊，該模塊內置協議棧，一次可發送2 kB，且對工作環境要求較低。本裝置液晶模塊選用ATK-0.96’ OLED， 該模塊價格便宜、運行速度快、功耗低。

1.4 電源模塊設計

由于裝置內各模塊需工作在5 V、3.3 V 等直流電壓， 所以電源模塊需將220 V 交流電轉化為5 V/3.3 V 直流電。首先220 V 交流電通過開關電源模塊轉化為12 V 直流電壓。12 V 電壓分別通過DC/DC的降壓芯片OKX-T16-D12PJ-C 和TPS54620 轉化為5 V 和3.3 V 電壓供給光路監測終端各模塊。電源模塊電壓轉換電路設計如圖6所示。

圖6 電壓轉換電路設計圖Fig.6 Design of voltage conversion circuit

2 軟件設計

軟件部分設計包括各模塊驅動程序設計、監測控制程序設計及告警的防抖程序設計。由于篇幅原因，此處僅介紹監測控制程序設計和告警防抖程序設計。

為了提高監測的穩定性， 程序采用輪詢的方式。各模塊初始化后程序進入主循環，首先判斷是否產生中斷。當沒有告警產生時，中斷不觸發，此時CPU 通過并口向OPM 模塊發送掃描光路命令，由于模塊掃描完所有頻率柵格耗時在500 ms～1 s 之間，所以需判斷掃描完成標志以便于及時獲取數據提高實時性， 當掃描完成時讀取所有光性能數據，并將每個頻率柵格的實際功率值與告警閾值比較，若實際值低于閾值則在OLED 上顯示告警并觸發中斷。在中斷中CPU 通過串口向OTDR 模塊發送檢測命令， 讀取模塊返回的故障點距離并控制GPSR模塊將告警信息及故障點距離通過短信發送給值班維護人員。監測控制程序流程設計如圖7所示。

圖7 監測控制程序設計Fig.7 Design of monitoring and control flow chart

檢測到的實際值與告警閾值比較時，由于實際值可能在閾值附近極小范圍內抖動而產生誤告警，本文設計了一種利用告警回滯的方法避免誤告警的產生。

告警回滯即可允許的功率跳變范圍。在獲取到線路實際功率后，當實際值低于告警閾值時，將閾值與實際值作差。若差的絕對值大于告警回滯則判定觸發告警中斷，反之則判定為功率抖動，不上報告警。告警防抖程序流程設計如圖8所示。

圖8 告警防抖程序設計Fig.8 Anti-shake design of alarm

3 系統測試

本文設計的系統平臺如圖9所示。將光纖一端接光模塊的輸出端，另一端接監測終端。通過插拔光模塊一端的光纖來模擬光纖線路故障。本文選用了8 km 長的光纖進行測試，實際長度為7983 m。測試共進行了5 次，將監測終端上報的故障點距離與光纖實際長度進行對比得出誤差，并記錄從產生故障到收到告警短信的延時。測試數據統計結果如表1所示。

圖9 系統平臺Fig.9 System platform

表1 監測測試數據統計Tab.1 Area measurement data statistics

通過上表數據可知，監測終端上報的檢測值存在一定誤差，但誤差均是微小誤差，可忽略不計。告警信息發送延時均在3 s 左右。可見該監測終端可以完成對光纖線路的實時監控。

4 結語

本文針對傳統的光纜監測人力成本高、故障反應時間長、排查耗時等問題，提出了基于OTDR 的光路監測終端設計方案，著重討論了裝置的硬件設計和監測控制程序。本文設計的監測終端功耗小、實時性強，經過測試后的數據可以得出，檢測故障誤差在0.1%以下，且告警反應迅速，可以廣泛應用于光纖線路監測。