基于嵌入式技术的通讯光缆监测系统研究

王莲萍 怀向芳

【摘 要】随着计算机技术的发展，网络通讯已经成为生活交流中的主要方式，衣食住行没有一样能够离开网络通讯。在进行远距离空旷无障碍或者近距离传输信号时，无限电磁波和光缆传输都是可选择的。在建筑物密集的城市，利用通讯光缆传输信号是最优选项。由于城市结构的复杂性，时时不间断对通讯光缆进行损坏度监测是保证信号稳定、持续、高质量特性的一个必要手段。

【关键词】通讯光缆;损坏度检测

光纤通讯利用激光的高方向、高相干、高单色的性质进行玻璃纤维中信号的传输，其具有信道容量大、抗干扰能力强、信号衰减系数低、成本低等特征。但是由于玻璃纤维的易碎性和城市人为活动频繁等原因。在城市施工的过程中很容易就会不小心挖断通讯光缆，其产生的经济损失和发现问题的速度成一定的比例关系，对通讯光缆损坏度的监控就成为保质保量的关键点。可是通讯光缆的检查和维护是一个高频和任务量大的工作，采取人工检查是无法快速高效的完成，随着信号处理技术的发展，基于嵌入式技术的通讯监控系统成为目前研究和采用的主要方法。其可以不间断的对光缆进行监控、反馈和有损报警。

嵌入式系统可以称之为一个小型的微型专用计算机，这类系统是基于某些特定任务而开发的，具有数据处理快、体积小、结构紧凑等特性，被广泛运用于智能家电、人工智能、特殊行业的自动化控制。随着硬件技术的发展，嵌入式系统的成本也将逐渐趋于可接受化。本文旨在对其中一种模式的光缆监控系统进行一定的研究。

一、系统的结构和功能

光缆检测系统对光缆中的备用光缆进行监测，利用损坏前和损坏后的光计数率的差异进行判断光缆是否发生损坏。通过采用OTDR判定光纤的具体质量。光缆监测系统建立在信息的采集、处理、分析和得出结论的基础上。信息的采集是将光纤当前的隐形物理状态转化为另外一种可识别的信号，处理是将采集的信号进行转化为可使用的数据，分析处理后的数据根据一定量的理论原理，来判断当前光纤的状态[1]。

光缆监测系统是由监测点、信号处理系统、监测控制、总监测控制室组成。其中监测点主要是由激光发生器、光探测器、外围电路组成。信号处理和控制主要对信号转换设备传输过来的信号进行处理、分析。监测控制点1是由PC机和系统的软件两部分组成，控制软件对传输过来的信号进行数学处理。

1）监测点主要由激光发生器、被监测光缆、光探测器和外围电路组成。激光发生器发射特定波长的稳定激光，为了保证其使用寿命和质量，周围的外围电路包括恒压或者恒流电源，温度控制系统。激光发生器和光探测器位于被监测光缆的两侧，对备用光缆接收信号强度和发出信号的强度进行比较，判断其差值是否已经超出正常光缆的损耗阈值，进行定性分析光缆是否发生损坏。

光探测器是将光信号转换为电信号的元器件，光信号进入探测器，在探测器内发生能量沉淀，这个过程中根据接收到光信号的强度形成不同的大小电流（此处的电流是微电流）。为了保障光探测器的稳定性，光探测器周围配置了稳压电路。从光探测输出端输出的的电流信号经过I/V转换电路，进一步将电流的大小转换为电压的大小值[2]。信号通过放大电器后，进一步对信号值进行放大，输入模数转换设备，将连续的电压信号，转化为数字量信号，这是后续进行数据处理的重要前提。

2）信号处理和控制是整套系统的核心部件，其就相当于整个系统的大脑。上位机设置命令经过此处的转换将其输送至系统的各个部分，经过信号变换系统的数字化信号被送至此处。信号处理和控制主要由ARM、FPGA和外围电路电路等构成。FPGA主要是对信号转换后的信号进行一定处理，其优点是速度快，信号处理量大。ARM主要是是控制、计数、信号传输的作用。FPGA出来的信号输入ARM，ARM将其输送至上位机。

3）上位机和硬件部分的通讯采用的是CAN通讯，CAN通讯具有高稳定性、高通信速率、适用范围广、易于二次开发的通讯优点，被广泛运用于当下的自动化通讯领域。

4）软件是利用C++语言开发，其特点是适用范围广、易于学习，只要有过C语言基础，就可以很快的入手C++，软件适用的系统环境为windows10。软件部分主要是对硬件部分传输的信号进行一定的整合和分析，对接收数据进行一定理论数学计算，定性判断出光缆是否发生损坏。在软件部分也可以对硬件部分适用的状态进行一定的控制，包括光电发生器的波长大小、放大器的放大倍数、信号处理选择的类型和OTDR参数设置等。

5）OTDR主要是通过发射方脉冲和接收经过纤维各处的瑞利散射、菲涅尔反射后的光功率，形成一定的曲线，通过对曲线的分析来判断光纤的质量。

6）通过网络传输，可以将不同位置的判别结果传输至总控制室，以此达到一点总览全局的效果。

二、光缆监控系统性能的的影响因素

任何一套系统都不是万能的，其运行的好坏受环境因素和系统优化程度的影响。

环境因素包括此时系统所处的湿度、温度、磁场强度等。当环境湿度过大时，空气中的水分积累在元器件的焊点周围，可能会导致元器件在通电的瞬间发生短路损坏。当温度过高或者过低时，硬件芯片會出现输出异常，所以在进行系统运行时，进行一定的时间的预热达到芯片运行的最佳效果。变化的磁场会形成一个电场，产生的电场会对整套系统传输的信号产生干扰。

系统的优化程度包括电压源的选择、电路的设计、芯片的选择、光探测器和激光发生器的选择、ARM和FPGA内嵌程序的优化性、电路板的焊接工艺、软件操作的方便性和人机互动性。每个芯片的供电电路越稳定，其输出的结果越稳定。芯片选择的等级高低是影响结果的一个因素，但实际运用中对芯片的选择是建立在结果和成本上的双向原则。激光发生器的稳定性决定整个系统的源数据是否稳定。如果激光发生器的输出结果都不稳定的，那么无论后续结构多么完善，接收的结果也是不符合真实情况的。软件除了其功能的完善性，还应该具备界面整洁、可理解、易于操作、人机互动感强等特性。

三、结语

未来的光纤性能肯定会得到提高，但是对光缆损坏的监测是永远都需要的，随着由城市到农村网路的普及程度，光缆监测系统的性能和应用范围都会得出很大的提升。

【参考文献】

[1] 黄业宏.“在通讯传输中光缆监测系统应用浅析.”科技与企业 .04 （2013）：94.

[2] 陈珏忠，施雄杰，张然.“光缆离线监测系统.”农村电气化 .05 （2008）：26-28.

[3] 刘毅娟，何旸，雷鸣，李杰.“光缆监测系统的应用探索.”数字技术与应用 .05 （2015）：238.