基于STM32的光功率实时监测系统设计

  光功率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，光功率监测是最简单、成熟，应用广泛的方法，通过对通信光纤中分出的3%～5%的光功率进行实时监测，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。传统的光功率监测系统首先是光进入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Cortex—M3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GPRS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监测系统，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。

1 系统的工作原理及框图

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、存储或是无线发送。

2 系统硬件设计

2.1 光电转换电路与信号处理部分

2.1.1 光电转换电路部分

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

I=Is[1-exp(qV/kT)]+IL (1)

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

IPD=ρPOPT (2)

其中，ρ为光电二极管的响应度;IPD为光电流;POPT为光功率。

2.1.2 信号处理部分

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，最大对数线性度误差0.1 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

P=K2VOUT+C2 (3)

式中，P=10lgPPD，K2=10/K1，C2=10lg[IPD/ρ]-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。

2.2 主控单元电路和A/D转换电路

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1μs，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。

需要说明的是，U1即是STM32F103ZET6，其中的JTAG是P8，是用于烧写程序和对程序的调试。主控板的工作电压为3.3 V，如图3所示，为对数字电路和模拟电路的隔离。采用了电感L1和一个电容值为0.1μF的电容，另外为方便对程序的调试，设置了一些LED。

2.3 GPRS通信电路

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无线模块(GTM900C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。

3 系统软件设计

硬件电路实现了对数转换功能，因此软件设计简单。系统数据流程如图5所示。

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总线配置、串口配置、RS232/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。

4 结束语

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)。