最終版-郭英超董心雨大

1、分類號TN915密級重慶郵電大學(xué)光纖自動切換保護系統(tǒng)的與設(shè)計題目Research and Design of Optical Fiber英文題目Auto Switching Protection System郭英超代少升 教授指導(dǎo)教師信號與信息處理學(xué)科專業(yè)提交日期2013.6.6答辯日期 2013.5.25學(xué)院盲審評閱人教授重慶理工大學(xué)申 敏教授重慶郵電大學(xué)答辯2013 年 6 月6 日獨 創(chuàng) 性本人所呈交的是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的工作及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，中不包含其他或撰寫過的成果，也不包含為獲得 重慶郵電大學(xué) 或其他教育人已經(jīng)機構(gòu)的學(xué)位或而使用過的

2、材料。與我一同工作的對本做的任何貢已在中作了明確的說明并表示謝意。作者簽名：簽字日期：年月日使用書本作者完全了解重慶郵電大學(xué)有關(guān)保留、使用的規(guī)定，保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交的復(fù)印件和磁盤，允許被查閱和借閱。本人重慶郵電大學(xué)可以將的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等保存、匯編學(xué)位論文。(的在后適用本書)作者簽名：導(dǎo)師簽名：簽字日期：年月日簽字日期：年月日摘 要隨著高速互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的全面發(fā)展，通信業(yè)務(wù)對傳輸帶寬的需求不斷提高，光傳輸網(wǎng)絡(luò)的容量以及網(wǎng)絡(luò)中斷對業(yè)務(wù)造成的影響也越來越大。因此如何保證光傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性，提高整個光網(wǎng)絡(luò)的生存能力成為一個愈

3、加重要的課題課題。了光傳輸干線上SDH 自愈環(huán)、光路自動切換等保護方式，分析比較了這些保護方式的優(yōu)缺點。課題在分析了其他保護方式存在保護機制復(fù)雜、不能自動恢復(fù)、恢復(fù)時間長等問題的基礎(chǔ)上，提出了一種基纖自動切換保護技術(shù)的新型設(shè)計方案。該保護方案通過運用實時監(jiān)測光路的光功率，自動控制光開關(guān)切換等技術(shù)，有效地解決了其他保護方式存在的問題。課題在對光纖自動切換保護(OLP)系統(tǒng)進行功能需求分析的基礎(chǔ)上，進行了光纖自動切換保護系統(tǒng)的整體方案設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對光纖自動切換保護系統(tǒng)的軟硬件進行了實現(xiàn)。硬件部分主要采用模塊化設(shè)計，完成 OLP 各個功能模塊的硬件電路設(shè)計，主要包括控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、串口通信和

4、電源等模塊，其中硬件電路設(shè)計是由 ATMEGA128 單片機和 AT91RM9200 微處理器共同實現(xiàn)。軟件部分采用可裁剪可移植的Linux 操作系統(tǒng)，從應(yīng)用層和系統(tǒng)層兩方面對 OLP設(shè)備軟件系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計，其中應(yīng)用層主要完成串口通信協(xié)議和自動切換保護過程的設(shè)計，系統(tǒng)層主要工作包括開發(fā)環(huán)境的搭建、u-boot 的移植、內(nèi)核的定制、文件系統(tǒng)的制作以及最終制作成功的映像文件的燒寫。最后，課題通過搭建軟硬件測試環(huán)境，對 OLP 設(shè)備的功能進行了測試。經(jīng)測試：設(shè)備能很好地進行自動切換保護功能，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，損耗小于1.5dB，切換時間在 15ms 以內(nèi)，與標(biāo)準(zhǔn)時間 50ms 相比，大大縮短了切

5、換時間，光路恢復(fù)速度更快，達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。：光纖，自動切換，ATMEGA128，AT91RM9200，AbstractWith the development of the high-speedernet business and data serviall-round, the demand of transmisbandwidth for the communications businesscontinues to improve, and the impactt capacity of optical transmisnetwork andnetwork outages work

6、on the business is also growing. Therefore, how to ensure thesafety and reliability of the optical transmisnetwork to improve the viability of theentire optical networkes an increasingly important research topic.This transmisswitchingpr researches the protection methods of the trunk of the opticalsu

7、ch as SDH self-healing ring and optical line automatic protection,technology, and makesysis and comparison of the advantages anddisadvantages of these protection methods. Based on theysis of the problem ofothrotection methods, such as the protection mechanisms complexly, non-automaticrecovery and lo

8、ng recovery time, the pr proes a new design basefiber-basedautomatic switching protection technology. The protection programs solve the problemswhich other protection mothods contain by monitoring of the opticaler of theoptical path real-timely, controlling optical switches switch automatically and

9、so on.In this pr, on the basis of theysis of functional requirements, the prmakes the whole design of the automatically switched optical fibrotection systemand implements the hardware and software of the protection system.his design, thepart of hardware mainly use the concept of modular design to co

10、mplete hardware circuitdesign of the various functional modules of OLP, including the modules of controlsystem, management system, serial communication ander supply. The design ofhardware circuit is achieved by the ATMEGA128 microcontroller and AT91RM9200microprosor. The software platform is baseemb

11、edded Linux operating systemwhich can be cut and portable. The software system of OLP device designed inbopplication layer and system layers. The application layer completes the design ofserial communication protocol and automatic switching protection pros. The mainwork of system layer includes the

12、building of development environment, thetransplanionofu-boot,kernelcustomization,filesystemsproductionandprogramming of image fiurning which ultimay created sucsfully.Finally, the pr tests the functionality of the device of OLP through building testenvironment of hardware and software. After testing

13、, the automatic switching protectionfunction of the equipment is good and the operation of system is stable and reliable. Theinsertion loss of system is lessn 1.5dB. The switching time of system is lessn15ms, which grey reducing the switching time compared with the standard time of50ms. The recovery

14、 speed of the optical path is faster, which achieves the desired design goals.Key words: Optical fiber, Auto switching, ATMEGA128, AT91RM9200, Embedded目錄摘 要Abstract插圖 附表 縮略詞第一章I III IX XI XIII1緒論1.11.21.31.4課題 國內(nèi)外主要背景1現(xiàn)狀2內(nèi)容4組織與結(jié)構(gòu)5第二章OLP 系統(tǒng)介紹和設(shè)備總體設(shè)計方案7OLP 系統(tǒng)介紹7OLP 保護方案82.2.1 1+1 保護方案82.2.2 1:1 保護方案92

15、.2.3 兩種保護方案的對比與選擇9OLP 功能結(jié)構(gòu)及需求分析10OLP 功能結(jié)構(gòu)10OLP 系統(tǒng)設(shè)計需求分析11OLP 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵問題132.4.12.4.22.4.3光開關(guān)倒換時長13光路切換的可靠性14系統(tǒng)的反應(yīng)速度14OLP 設(shè)備的總體設(shè)計方案14本章小結(jié)15第三章 OLP 設(shè)備硬件系統(tǒng)設(shè)計173.1 硬件整體設(shè)計方案17控制系統(tǒng)模塊17分光器和光開關(guān)18光電轉(zhuǎn)換與放大電路19A/D 采樣電路193.2.4 通訊模塊193.3 管理系統(tǒng)模塊203.3.13.3.23.3.33.3.43.3.5時鐘電路設(shè)計21復(fù)位電路設(shè)計22電路設(shè)計23以太網(wǎng)接口電路設(shè)計24串行接口電路設(shè)計25串口通

16、信模塊26電源模塊26本章小結(jié)28第四章 OLPOLP軟件設(shè)計軟件系統(tǒng)設(shè)計29軟件整體框架29及開發(fā)流程294.3 串口通信協(xié)議314.3.14.3.24.3.34.3.4描述31數(shù)據(jù)包幀格式31通信協(xié)議參數(shù)設(shè)置32串口收發(fā)流程32自動切換保護過程設(shè)計33切換方式33切換過程34Linux 操作系統(tǒng)移植354.5.14.5.24.5.34.5.4開發(fā)環(huán)境的搭建35加載引導(dǎo)程序Boot Loader37內(nèi)核定制39文件系統(tǒng)制作46燒寫鏡像50本章小結(jié)52第五章 系統(tǒng)測試與驗證535.1 OLP 單板調(diào)試535.2 OLP 系統(tǒng)測試搭建55OLP 系統(tǒng)測試56光功率分辨率測試56光功率精確度測試5

17、75.3.35.3.45.3.5損耗測試58切換時間測試60網(wǎng)絡(luò)管理功能測試615.4 本章小結(jié)62第六章 總結(jié)與展望636.1 全文總結(jié)636.2 展望63致 謝參考文獻6567697173附錄A附錄B附錄C攻讀學(xué)位期間科研成果及部分電路原理圖代碼段的插圖圖 2.1 1+1 保護方案8圖 2.2 1:1 保護方案9圖 2.3 OLP 功能模塊示意圖10圖 2.4圖 3.1圖 3.2圖 3.3圖 3.4圖 3.5圖 3.6圖 3.7圖 3.8項目總體功能模塊圖14系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖17控制系統(tǒng)模塊框圖18光路布線圖18放大電路設(shè)計圖19通訊模塊框圖20管理系統(tǒng)模塊框圖21時鐘電路設(shè)計圖22復(fù)

18、位電路設(shè)計圖22圖 3.9 AT91RM9200部分連接示意圖24圖 3.10圖 3.11圖 3.12以太網(wǎng)接口電路設(shè)計圖25串口電路設(shè)計圖25串口通信電路圖26圖 3.13 5V 轉(zhuǎn) 3.3V 電路圖27圖 3.14 5V 轉(zhuǎn) 2.5V 電路圖27圖 3.15 5V 轉(zhuǎn) 1.8V 電路圖27圖 4.1 OLP 軟件整體結(jié)構(gòu)29圖 4.2圖 4.3圖 4.4圖 4.5圖 4.6系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖30系統(tǒng)軟件開發(fā)流程圖30串口通信收發(fā)流程圖33切換過程流程圖35內(nèi)核配置界面43圖 4.7 System Type 選項44圖 4.8 Networking support 選項44圖 4.9 Devi

19、ce drivers 選項44圖 4.10 File Systems 選項45圖 4.11 內(nèi)核編譯過程46圖 4.12 uImage 內(nèi)核映像文件46圖 4.13 目錄結(jié)構(gòu)圖47圖 4.14 busybox 配置界面48圖 4.15 Flash 地址空間分配示意圖50圖 4.16 SDRAM 地址空間分配示意圖51圖 4.17 程序圖52圖 5.1 OLP 單板實物圖53圖 5.2 U-boot 加載成功界面54圖 5.3圖 5.4圖 5.5圖 5.6圖 5.7圖 5.8圖 5.9圖 5.10圖 5.11圖 5.12鏡像文件加載部分界面55系統(tǒng)測試環(huán)境圖55系統(tǒng)測試設(shè)備連接圖55光功率分辨率

20、測試環(huán)境圖56光功率精確度測試環(huán)境圖57損耗測試環(huán)境圖59切換時間測試環(huán)境圖60主到備切換時間備到主切換時間. 60. 61配置管理信息圖62附表表 1.1 四種保護方式的比較3表 2.1 兩種保護方案的比較10表 2.2 OLP 設(shè)備主要性能參數(shù)要求13表 3.1 光模塊接口部分引腳表20表 3.2 AT91RM9200接口引腳表23表 3.3表 4.1表 4.2調(diào)試單元引腳定義25通信指令格式定義31通信協(xié)議參數(shù)設(shè)置32表 4.3 MTD 分區(qū)表50表 5.1表 5.2表 5.3表 5.4表 5.5電源測試對照表54光功率分辨率光功率精確度損耗切換時間.57.58.59.61縮略詞縮略語

21、OLP WDM SDH DWDM ASON PDH FTTH OSC RISC JTAG SNMPNETSoC MIB英文全稱Optical fiber line auto switch protection中文全稱光纖線路自動切換保護波分多路復(fù)用同步數(shù)字系列 密集波分復(fù)用 自動交換光網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)同步數(shù)字系列光纖到戶Waveleng DiviMultiplexingSynchronous Digital HierarchyDense Waveleng DiviMultiplexingAutomatically Switched Optical Network Plesiochronous Digit

22、al HierarchyFiber To The HomeOptical Supervisory Channel Reduce Instruction Set Computer光信道精簡指令集聯(lián)合測試行動小組簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議net 協(xié)議片上系統(tǒng)管理信息庫JoTest Action GroupSimple Network Management Protocol netSystem on ChipManagement Information Base第一章 緒論1.1 課題背景近年來，隨著光纖和光電器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展以及光通信技術(shù)的不斷完善，光纖通信系統(tǒng)經(jīng)歷了從小容量到大容量，從短距離到長距離

23、，從低水平到高水平，從 PDH 到 SDH、WDM1，再到以自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)2為代表的智能化光網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展過程。由纖通信具有傳輸頻帶寬、通信容量大、損耗低、抗電磁干擾能力強及性好等優(yōu)點，世界上許多國家已經(jīng)停止再建同軸電纜傳輸系統(tǒng)，開始重點建設(shè)基纖的光纖通信系統(tǒng)。在我國，光纖通信市場發(fā)展十分迅速，光纖通信網(wǎng)絡(luò)已具有相當(dāng)大的規(guī)模，光纜傳輸網(wǎng)已成為我國通信網(wǎng)和國民經(jīng)濟信息基礎(chǔ)設(shè)施的主要部分，是公眾的基礎(chǔ)3。網(wǎng)、數(shù)字傳輸網(wǎng)和增值網(wǎng)各種網(wǎng)絡(luò)光纖通信的快速發(fā)展使得光纖網(wǎng)絡(luò)在整個通信網(wǎng)絡(luò)中所占的越來越大。隨著國家進一步實施“三網(wǎng)融合”，“光進銅退”以及光纖到戶(FTTH)等政策，光纖網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)濟社

24、會發(fā)展中扮演越來越重要的角色。但同時，光纖網(wǎng)絡(luò)的和修復(fù)等問題也日漸突出。一旦光纖線路發(fā)生斷裂，光纖中的所有光路都將會被中斷，數(shù)據(jù)丟失十分巨大。而且，光纖通信網(wǎng)絡(luò)中故障處理的時間往往較長，這樣不但影響了傳輸質(zhì)量，給企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟損失，也會給國民經(jīng)濟各行業(yè)帶來不可估量的重要影響。在光纖通信系統(tǒng)中，WDM 網(wǎng)絡(luò)作為各種業(yè)務(wù)網(wǎng)最底層傳輸，系統(tǒng)及波道的保護與恢復(fù)對于整個網(wǎng)絡(luò)的生存能力有著的影響。因此，如何提高 WDM傳輸系統(tǒng)的可靠性是今后傳輸網(wǎng)建設(shè)中重點考慮的問題之一。對于 SDH 環(huán)網(wǎng)和WDM 系統(tǒng)，急需找到一種簡單、經(jīng)濟、實用的保護來提高其生存能力。在影響 WDM 系統(tǒng)安全性的中，光纜線路的影響

25、無疑是最大的。據(jù)統(tǒng)計，每年我國發(fā)生超過 2000 次的光纜阻斷，造成超過 10 億元的巨大直接通信損失。因此，光纜網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞及線路的保護和恢復(fù)問題越來越引起人們的關(guān)注，也成為各大運營商之間在爭奪用戶時重要的競爭焦點4。光纜線路運行狀況不理想和故障產(chǎn)生的原因是多方面的，這包括光纖自身的物理特性以及各種自然和人為等。一方面，光纖質(zhì)地脆弱、機械強度低，在實際應(yīng)用中要求有比較好的切割、連接技術(shù)，而且分路、藕合比較麻煩5。光纖這些物理特性上的缺陷導(dǎo)致其在和施工中經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。另一方面，自然和人為是導(dǎo)致光纜線路故障的重要原因，特別是人為。人為因素主要體現(xiàn)在基建施工、市政、公路施工、捕撈、農(nóng)田修整

26、、挖渠及盜割等方面。最近幾年，國家大力發(fā)展經(jīng)濟，各地的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，與此同時，由基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)給光纜線路所帶來的安全隱患也在急劇增加，加上人們普遍對通信光纜的重要性認識不夠，法律意識淡薄，致使人為破壞光纜線路的事件頻頻發(fā)生。從我國光纜線路干線獲得的數(shù)據(jù)分析可以知道，的發(fā)生竟達到每 100Km每年 0.5 到 1 次的程度，這給光纜線路干線的可靠性造成了極大的威脅6。Bellcore 與電信經(jīng)營公司國外光纜線路發(fā)生故障的情況與國內(nèi)大致相同配合，對運行的光纖通信系統(tǒng)所發(fā)生的進行了全面統(tǒng)計，得到的報告顯示光纖通信系統(tǒng)中導(dǎo)致通信中斷的主要原因是光纜線路礙的 2/3 以上7。，它約占統(tǒng)計障一直以來

27、，各個運營商都把通信網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量作為網(wǎng)絡(luò)運行最關(guān)鍵的性能指標(biāo)。為保證國家干線光纜線路的安全、光網(wǎng)絡(luò)的暢通無阻，各個運營商都投入了巨大的人力物力資源。僅中國電信公司每年就投入 3 萬余名光纜線路專業(yè)人員和數(shù)十億維修費用8。但即使這樣光線路中斷事故還是時常發(fā)生，運營商投入的人力物力顯得明顯不足。從上面的分析可以看出，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的安全性和可靠性還存在著非常突出的問題。因此，為了確保光纖通信高效可持續(xù)運行，降低由光線路中斷造成的損失，設(shè)計開發(fā)完善的光線路保護系統(tǒng)具有十分重要的意義。1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀在光纖通信國動態(tài)多太比特開發(fā)方面，美歐國家一直處于領(lǐng)先地位，先后啟動了包括美光網(wǎng)絡(luò)(CORONET ，

28、 Dynamic Multi-Terabit Core OpticalNetwork)和歐盟構(gòu)建歐洲未來光網(wǎng)絡(luò)(BONE，Building the future Optical Network inEurope)在內(nèi)的多個重點項目。我國也十分重視光纖通信的，光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究是“十二五”的重要合演進技術(shù)與系統(tǒng)內(nèi)容。其中，在 2010 年發(fā)布了“863”計劃“三網(wǎng)融”項目的指南。除了理論和技術(shù)外，還對化實驗做了很多開發(fā)工作。目前，WDM 系統(tǒng)在我國骨干網(wǎng)和省二級骨干傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)上得到了廣泛的應(yīng)用，基于 10Gb/s 和 2.5Gb/s 的 DWDM 系統(tǒng)已經(jīng)成為基本的傳送。無論國外還是國內(nèi)，都把保

29、障光網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，為光網(wǎng)絡(luò)提供快速、有效的網(wǎng)絡(luò)保護和多點故障恢復(fù)作為光網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)中重點考慮的部分。光線路保護系統(tǒng)的主要目的就是提高光網(wǎng)絡(luò)的生存性，確保無中斷通信。光網(wǎng)絡(luò)的生存能力是指光網(wǎng)絡(luò)處理故障對業(yè)務(wù)產(chǎn)生的中斷或干擾的能力。無論是傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)，還是下一代智能光網(wǎng)絡(luò)，生存性一直是一個重要指標(biāo)，它對保障網(wǎng)絡(luò)正常運行、保護和快速恢復(fù)受損業(yè)務(wù)、減少因故障造成的社會影響和經(jīng)濟損失具有重要意義。目前，各大電信運營商采用的光網(wǎng)絡(luò)線路保護方式主要有以下幾種：1、SDH自愈環(huán)保護，2、光路分流保護，3、人工調(diào)度保護，4、光路自動切換保護(OLP)等9。四種不同的保護方式各有優(yōu)劣，表 1.1 是對這四種保護方

30、式的比較。表 1.1 四種保護方式的比較保護方式優(yōu) 點缺 點采用光路分流保護和人工調(diào)度保護方式需要人為干預(yù)，效率較低，對故障的自動處理能力明顯不足，已經(jīng)難以滿足無阻斷通信服務(wù)質(zhì)量的要求，所以這兩種保護方式應(yīng)用的非常少。SDH 自愈環(huán)保護方式保護機制復(fù)雜，受地理環(huán)境限制干線 SDH 自愈保護功能難以實現(xiàn)10，而且 SDH 自愈環(huán)保護方式要求在拓撲結(jié)構(gòu)上都形成環(huán)網(wǎng)，組網(wǎng)和設(shè)備的投資相對較大，對企業(yè)來說負擔(dān)較重，這也成為制約 SDH 自愈保護大規(guī)模使用的一個瓶頸11。經(jīng)過分析可以知道，SDH 自愈環(huán)保護、光路分流保護和人工調(diào)度保護這三種保護方式主要存在保護機制復(fù)雜、不能自動恢復(fù)、恢復(fù)時間長等問題。從

31、現(xiàn)有的工程實踐來看，采用光纖自動倒換保護(OLP)系統(tǒng)是一種有效的解決方案12，可以很好地解決其他保護方式存在的問題。目前，在光纖干線、重要支線傳輸系統(tǒng)中通常采用 1+1 和l:l 保護方案。OLP 系統(tǒng)是一種基纖自動切換保護技術(shù)，集監(jiān)測、保護及管理為一體的SDH 自愈環(huán)保護光路分流保護人工調(diào)度保護光路自動切換保護實時自動恢復(fù)業(yè)務(wù)，無需人為干預(yù)。對業(yè)務(wù)層保護，可以根據(jù)業(yè)務(wù)量的需要靈活切換電路。均衡干線與支線的傳輸壓力。簡便易行，有效防止全阻和大范圍的通信中斷。人為干預(yù)，可以有目的的調(diào)度，組網(wǎng)靈活。分配合理，解決問題徹底。對傳輸層保護，兼容型好，組網(wǎng)方便。自動切換保護，恢復(fù)時間短?？煽啃愿?，成本

32、低。保護機制相對復(fù)雜。要求形成環(huán)網(wǎng)，組網(wǎng)和設(shè)備投資巨大。一、二級干線保護不易實現(xiàn)。不能保證線路 100%暢通。對出現(xiàn)故障的業(yè)務(wù)沒有自動恢復(fù)和保護的能力。需要人為干預(yù)，不能自動恢復(fù)，需要投入大量人力物力。出現(xiàn)故障后，業(yè)務(wù)恢復(fù)時間長。引入分光器造成光功率損失。光開關(guān)同步切換時間難統(tǒng)一。綜合管理應(yīng)用系統(tǒng)4。該系統(tǒng)實現(xiàn)的是對光傳輸層的保護，控制的機制只針對光纖路由，與傳輸設(shè)備關(guān)系較小，不存在兼容問題，容易組成光路保護網(wǎng)絡(luò)10。同時，因為光纖自動切換保護系統(tǒng)是在光纜物理鏈實現(xiàn)，實現(xiàn)機制相對簡單，所以具有傳輸信號獨立透明、安全可靠、成本低、故障恢復(fù)速度快等特點13。由纖自動切換保護系立于通信傳輸系統(tǒng)，不僅

33、能夠?qū)崿F(xiàn)對 SDH 系統(tǒng)、WDM 系統(tǒng)的透明傳輸，還可以有效地提高整個光網(wǎng)絡(luò)的生存能力，因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，在國外，基于無源光器件的光纖自動切換保護系統(tǒng)較早，已經(jīng)形成了一套完整的理論體系，保護機制也比較成熟和完善。在國內(nèi)，科研也進行了長時間的，已經(jīng)有了初步的發(fā)展，其中具有代表性的是和烽火兩家公司，兩者已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了非常寶貴的成果。但是與國外相比，無論從技術(shù)的成熟程度上還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性等方面都存在一定差距，所以，有必要進行深一步的。1.3主要內(nèi)容本主要是針對 OLP 設(shè)備進行相關(guān)，在認真研讀信息頒布的YD/T 1529-2006光纖線路自動切換保護裝置技術(shù)條件和 YD/

34、T 1769-2008光線路保護管理系統(tǒng)技術(shù)要求、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化頒布的 YD/T 1617.1-2007智能化光保護系統(tǒng)等相關(guān)資料和學(xué)術(shù)的基礎(chǔ)下，制定了 OLP 的整體設(shè)計方案，提出了 OLP 的分層設(shè)計，細化了 OLP 的各個功能子模塊。最后設(shè)計出了符合標(biāo)準(zhǔn)的 OLP 設(shè)備。具體工作內(nèi)容包括以下幾個方面： 分析對比了光線的一些保護方式以及存在的問題，并提出了基纖自動切換保護技術(shù)的新型設(shè)計方案； 介紹了 OLP 系統(tǒng)，分析和比較了 1+1 和 1:1 保護方案，確立基于 1:1 的OLP 系統(tǒng)的設(shè)計方案。對 OLP 系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和需求進行了分析，了 OLP系統(tǒng)設(shè)計過程中的關(guān)鍵問題，并在此基礎(chǔ)

35、上，給出了 OLP 設(shè)備的總體設(shè)計方案； 利用模塊化設(shè)計，對 OLP 設(shè)備的硬件電路進行詳細設(shè)計； 設(shè)計實現(xiàn)了串口通信協(xié)議， 完成了自動切換保護過程的設(shè)計。針對AT91RM9200 微處理器，詳細給出了Linux 操作系統(tǒng)移植過程，包括 U-boot移植、內(nèi)核定制和文件系統(tǒng)的制作，并完成了鏡像文件的燒寫； 完成了 OLP 設(shè)備的測試與驗證工作。1.4組織與結(jié)構(gòu)本文主要的內(nèi)容是 OLP 設(shè)備的和設(shè)計。本共分為 6 個章節(jié)，具體的組織結(jié)構(gòu)安排如下：第一章：緒論。介紹了課題的背景和光纖自動切換保護系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀，分析對比了幾種不同的光線路保護方式，最后對本明。的結(jié)構(gòu)安排作了說第二章：OLP 系統(tǒng)介紹

36、和設(shè)備總體設(shè)計方案。本章首先介紹了 OLP 系統(tǒng)，分析和對比了基于 1+1 和 1:1 保護方案的光纖自動切換保護方案，總結(jié)了兩種不同保護方案的優(yōu)缺點，并選取 1:1 保護方案作為本課題的系統(tǒng)功能和需求的基礎(chǔ)上完成總體方案的設(shè)計。方案，最后在分析 OLP第三章：OLP 設(shè)備的硬件系統(tǒng)設(shè)計。該部分采用模塊化設(shè)計，完成了 OLP設(shè)備硬件各個模塊的功能分析、器件的選型以及部分硬件電路原理圖的簡單實現(xiàn)，主要包括控制系統(tǒng)模塊、管理系統(tǒng)模塊、串口通信模塊及電源模塊。第四章：OLP軟件系統(tǒng)設(shè)計。首先給出了 OLP軟件整體框架、軟件設(shè)計及開發(fā)流程，然后設(shè)計實現(xiàn)了 OLP 系統(tǒng)應(yīng)用層的重要協(xié)議即串口通信協(xié)議，完

37、成了自動切換保護過程的設(shè)計，最后詳細給出了針對 OLP 目標(biāo)板的嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的移植過程。第五章：系統(tǒng)測試與驗證。給出了系統(tǒng)的具體測試方法，選取重要性能指標(biāo)進試，并對進行了詳細分析。第六章：總結(jié)與展望。對參加課題以來所做的工作進行總結(jié)，并對未來工作的展望。第二章 OLP 系統(tǒng)介紹和設(shè)備總體設(shè)計方案2.1 OLP 系統(tǒng)介紹光纖自動切換保護系統(tǒng)能自動識別主、備光路信號狀態(tài)，在主用光纖線路損耗增大導(dǎo)致通信質(zhì)量下降或主用光纖線路發(fā)生阻斷時，實時自動地將光路切換到備用線路，保護光纖線路的不間斷運行14。具體說就是通過對光纜線路中的光功率變化進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)故障后，自動將工作光路快速倒換到備用光

38、，在極短的時間內(nèi)恢復(fù)通信，實現(xiàn)光纜線路毫秒(ms)級同步切換保護，完成對光纜線路故障的快速反應(yīng)和恢復(fù)。相對于其他的保護方式，光纖自動切換保護系統(tǒng)具有可靠性高、光路恢復(fù)速度快和保護成本優(yōu)點。OLP 設(shè)備可以實現(xiàn)光功率監(jiān)測、光路自動切換保護以及網(wǎng)絡(luò)管理的功能。OLP設(shè)備主要有以下幾個方面的功能： 自動切換保護功能即對工作光纖和保護光纖的光功率進行實時監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到的光功率滿足切換閾值時系統(tǒng)通過判斷，控制光開關(guān)器件，在毫秒級的時間內(nèi)自動將光信號從故障光纖切換至保護光纖，實現(xiàn)光信號傳輸?shù)目焖倩謴?fù)，保證通信業(yè)務(wù)無阻斷。 主動路由應(yīng)急調(diào)度功能即在工作光纖未中斷的情況下，通過光纖保護設(shè)備本身或由光切換發(fā)出指

39、令進行路由切換調(diào)度4。 主備纖插損監(jiān)測功能中心實時監(jiān)測主用和備用線路的光功率，當(dāng)監(jiān)測到的光功率低于設(shè)定的告警閾值時，發(fā)出告警提示。 掉電、上電保持功能設(shè)備掉電或上電，不影響工作線路狀態(tài)，保證系統(tǒng)工作正常，并具有熱插拔功能15。 網(wǎng)絡(luò)管理控制功能掌握設(shè)備各項性能，并可控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的工作狀態(tài)，對網(wǎng)絡(luò)進行主要包括：管理。1) 故障管理：實現(xiàn)對設(shè)備故障的及時發(fā)現(xiàn)、故障告警、故障分析、故障定位、故障處理和路徑測試功能16。2) 性能管理：完成設(shè)備基本數(shù)據(jù)的控和評測網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。和分析工作，分析線路運行狀況，監(jiān)3) 配置管理：對設(shè)備進行實際物理配置，包括配置設(shè)備運行狀態(tài)，建立和修改網(wǎng)絡(luò)拓撲圖等。4) 安全管理

40、：對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進行控制和保護，保證系統(tǒng)的安全，包括操作級別及權(quán)限劃分、用戶管理、日志管理、操作等。另外，OLP 設(shè)備還有切換模式、工作模式、無光鎖定、告警及工作狀態(tài)指示、供電方式、功耗及散熱等基本功能。在實際應(yīng)用中，主要通過系統(tǒng)對 OLP 設(shè)備進行配置和管理。系統(tǒng)的設(shè)計是基于簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)，需要管理的設(shè)備稱為網(wǎng)元，網(wǎng)元自身有一個內(nèi)嵌的(agent)，管理之間是主/從方式，通過 SNMP 進行通信。設(shè)備需要管理的信息以管理信息庫(MIB)的形式表現(xiàn)出來，管理軟件通過來獲取和配置 MIB 中變量的值。2.2 OLP 保護方案光纖自動切換保護系統(tǒng)對光線路的保護方案一般有1+1 保護方

41、案和1:1 保護方案兩種17。下面分別對這兩種保護方案進行介紹。2.2.1 1+1 保護方案1+1 保護方案在發(fā)送端采用光分路器(Splitter)對光信號進行分離，通常采用50:50 光分路器(在實際應(yīng)用中由于主用光纖和備用光纖路由不同，可以采用不同分光比的光分路器)，分離后的光信號分別在主用光纖和備用光纖傳送(雙發(fā))。在接收端檢測主用光纖和備用光纖的光功率，進而控制光開關(guān)器件對主用光纖和備用光纖的光信號進行選擇接收(選收)。當(dāng)主用光纖發(fā)生故障的時候，接收端自動選擇從備用光纖接收。保護模型如圖 2.1 所示。分光器光開關(guān)T1主用線路R1TxRxT2R2光端機光端機T1R1RxTxT2R2備用

42、線路光開關(guān)分光器圖 2.1 1+1 保護方案2.2.2 1:1 保護方案1:1 保護方案在發(fā)送端采用光開關(guān)器件對發(fā)送光通道進行路由選擇，被保護業(yè)務(wù)光信號只能沿著主用光纖或者備用光纖傳送(選發(fā))。在接收端同樣用光開關(guān)器件對主用光纖和備用光纖的光信號進行選擇接收(選收)，為了保證接收通道和發(fā)送通道保持一致，當(dāng)主用光纖發(fā)生故障的時候，發(fā)送端和接收端相互協(xié)調(diào)，同時倒換到備用光纖。保護模型如圖 2.2 所示。表 2.1 兩種保護方案的比較保護方案優(yōu) 點缺 點1.雙發(fā)選收，發(fā)送光功率一分為二，沿主備光纖同時傳輸。恢復(fù)時間小于 25ms。不需要兩端握手協(xié)調(diào)通信，機制簡單。選發(fā)選收，主用光纖傳輸業(yè)務(wù)信號，備用

43、光纖可傳輸其他信號，可實現(xiàn)備1.發(fā)送端進行 50:50 的分光，會產(chǎn)生額外的 3dB損耗大。適合短距離間保護。損耗，總1+12.3.1.2.1.恢復(fù)時間相對較長， 小于50ms。需要兩端握手協(xié)調(diào)通信，同步方式比較復(fù)雜。適合長途系統(tǒng)保護。纖和同步切換。2.1:12.只有光開關(guān)產(chǎn)生的較低的損耗，總損耗小。3.3.4.實現(xiàn)對主備路由全程優(yōu)化?？煞乐拱l(fā)生誤切換，可靠性高。對于系統(tǒng)功率富裕量較大的線路( 8dB )，一般采用 1+1 保護方案。1+1 保護采用 12 光開關(guān)，間保護等。損耗大，切換速度快，適用于大客戶接入保護和短距離局對于系統(tǒng)功率富裕量較小的線路，一般采用 1:1 保護方案。1:1 保護

44、方案損耗小，也可以實現(xiàn)備纖。實現(xiàn)備纖功能的一般采用 22 光開關(guān)。長途系統(tǒng)優(yōu)先考慮 1:1 方案，波分系統(tǒng)需綜合考慮整個系統(tǒng)的性能優(yōu)化，實現(xiàn)對主備用路由的全程優(yōu)化19。相對于 1+1 保護方案，1:1 保護方案的損耗更小，可靠性更高，而且還可以實現(xiàn)備纖和對主備路由的全程優(yōu)化。因此，在本課題中，選擇 OLP 保護方案中的 1:1 保護方案作為方案。2.3 OLP 功能結(jié)構(gòu)及需求分析2.3.1 OLP 功能結(jié)構(gòu)OLP 系統(tǒng)主要應(yīng)用于點對點的光纖線路保護場合。OLP 功能模塊示意圖如圖2.3 所示。從上圖可知，OLP 功能模塊主要分成三大部分：部分。部分、交互部分與公共部分部分的功能包括：實時功能、

45、管理功能、切換控制功能、對端通信功能等。實時功能：實現(xiàn)對工作線路和備用線路光功率的實時。管理功能：主要是提供一組相關(guān)的函數(shù)接口，實現(xiàn)對設(shè)備信息的，配置。切換控制功能：根據(jù)實時現(xiàn)主備線路切換。的線路光功率與事先設(shè)定的切換閾值比較，實對端通信功能：完成本端 OLP 設(shè)備與對端OLP 設(shè)備通信機制，實現(xiàn)兩端切換的同步。 交互部分該部分主要提供人機交互，便于操作 公共部分對設(shè)備進行實時。該部分主要提供供電功能，為 OLP 提供電源的保障。2.3.2 OLP 系統(tǒng)設(shè)計需求分析本課題研制的OLP 設(shè)備是根據(jù)2006 年6 月信息頒布的YD/T 1529-2006光纖線路自動切換保護裝置技術(shù)條件和 YD/T

46、 1769-2008光線路保護管理系統(tǒng)技術(shù)要求來進行設(shè)計的。通過對相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的仔細研讀和市場上現(xiàn)有 OLP產(chǎn)品的調(diào)研，總結(jié)歸納出了設(shè)計 OLP 設(shè)備要滿足的一些要求20：1)2)設(shè)備基本要求設(shè)備必須滿足高可靠性、開放性、擴展性及適用性要求。設(shè)備必須符合：信息頒布的 YD/T 1529-2006光纖線路自動切換保護裝置技術(shù)條件和 YD/T 1769-2008光線路保護管理系統(tǒng)技術(shù)要求中的要求。須保證產(chǎn)品功能和接口以及軟件協(xié)議的兼容性和可擴展性。光信號傳輸透明性：OLP 設(shè)備應(yīng)該能對符合輸入波長和輸入強度范圍內(nèi)的光信號進行透明傳送，不對上述光信號造成除號波形明顯畸變，相位遷移等。 OLP 設(shè)備主

47、要性能參數(shù)要求211) 工作波長損耗外的模擬量劣化，如光信根據(jù)光纖通信系統(tǒng)設(shè)計考慮的模式噪聲、光纖衰耗和色散所分別規(guī)定的工作波長區(qū)，即為特定應(yīng)用場合和傳輸速率下的系統(tǒng)工作波長范圍。OLP 設(shè)備工作波長范圍通常設(shè)計成傳輸系統(tǒng)常用的 1310 波段范圍和 1550 波段范圍。對于 WDM 系統(tǒng)應(yīng)考慮擴展到 C+L 波段。對于 DWDM 系統(tǒng)，OLP 設(shè)備工作波長范圍要考慮到光 信道(OSC)的透明傳輸22。2) 自動切換時間在每端的 Rx 端，從 OLP 檢測到光纖線路出現(xiàn)故障導(dǎo)致信號異常開始，到經(jīng)光纖線路自動切換系統(tǒng)實現(xiàn)自動切換后使得信號恢復(fù)正常時的時間，定義為該OLP 系統(tǒng)的自動切換時間，是m

48、s。3)損耗損耗是指系統(tǒng)接入光波分復(fù)用器件后所產(chǎn)生的附加功率損耗。對于兩個損耗，是 dB，光通路端口，輸入端口和輸出端口之間的光功率之比即為定義為：特別要注意的是，當(dāng) OLP 介入到 DWDM 等系統(tǒng)后，應(yīng)確保傳輸過程中無誤碼23。如表 2.2 所示，總結(jié)歸納出了OLP 設(shè)備需要滿足的主要性能參數(shù)要求。表 2.2 OLP 設(shè)備主要性能參數(shù)要求指標(biāo)參數(shù)1+11:1nm12601360、14901640工作波長范圍發(fā)：3.8收：1.3發(fā)：1.5收：1.5損耗dBdB dB ps dB dB ms次 dBm dB dB0.10.20.15545偏振相關(guān)損耗波長相關(guān)損耗偏振模色散串?dāng)_回波損耗2550自

49、動切換時間1,000,000Tx/T1/T2 發(fā)送：-30+251)；Rx/R1/R2 接收：-50+102)0.50.1工作光功率范圍光功率精確度光功率分辨率工作溫度-5+50注 1：指 OLP 發(fā)送端的光功率注 2：指 OLP 接收端的光功率2.4 OLP 系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵問題2.4.1 光開關(guān)倒換時長在通信系統(tǒng)中，當(dāng)線路發(fā)生故障后，保護/恢復(fù)時間的長短是衡量通信系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。同時，保護/恢復(fù)時間的長短也反應(yīng)了 OLP 設(shè)備處理故障的能力。目前，長途傳輸網(wǎng)絡(luò)在SDH 層面最主要的組網(wǎng)形式為雙纖雙向復(fù)用護環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，ITU-T G.841 建議規(guī)定該組網(wǎng)方式的故障倒換時間小于 50m

50、s24。由于傳輸干線波分系統(tǒng)是SDH 光路的承載，因此 OLP 系統(tǒng)要想實現(xiàn)對傳輸干線波分系統(tǒng)主光路的保護，就必須第一時間發(fā)現(xiàn)故障、完成倒換，這些動作應(yīng)該在SDH 層面發(fā)生倒換動作之前。所以 OLP 系統(tǒng)的光開關(guān)倒換時間要足夠的短，這是設(shè)計 OLP 系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。2.4.2 光路切換的可靠性在 OLP 系統(tǒng)中，1:1 保護方案包含的基系統(tǒng)的可靠切換25。收發(fā)模塊的內(nèi)部通信模塊可以確保OLP 系統(tǒng)實時的對主用或備用纖芯進行衰耗監(jiān)測，當(dāng)主用線路的光纖中斷或衰耗的降低導(dǎo)致內(nèi)部中斷或告警時，可以通過光功率檢測模塊提前告警，如果線路繼續(xù)，達到切換閾值后，首先要檢測備用線路是否正常，然后再觸發(fā)光開關(guān)進行

51、切換，避免傳輸系統(tǒng)切換到備用線路后工作不正常，防止誤切換的發(fā)生，即切換的發(fā)生須確保備用路由工作正常，切換的恢復(fù)須確保主用路由工作正常。當(dāng)檢測到系統(tǒng)滿足切換條件后，本端的 OLP 設(shè)備通過內(nèi)部通信模塊和備用光纖和對端進行握手，以確保兩端的切換動作在時間上同步。2.4.3系統(tǒng)的反應(yīng)速度在實際應(yīng)用中，客戶主要通過系統(tǒng)和設(shè)備打交道，對系統(tǒng)的管理能力和反應(yīng)速度有著最直接的要求，所以，系統(tǒng)的優(yōu)劣成為客戶最關(guān)心的問題。一套完善的、運行良好的管理系統(tǒng)不僅要能夠滿足對數(shù)據(jù)處理的要求，而且更要有對故障和數(shù)據(jù)做出迅速反應(yīng)的能力，這樣才能更有效的對整個系統(tǒng)進行管理，確保系統(tǒng)高效有序的運行。2.5 OLP 設(shè)備的總體設(shè)

52、計方案本課題主要完成基于 1:1 保護方案的 OLP 設(shè)備的設(shè)計。項目總體設(shè)計方案如圖 2.4 所示。由圖 2.4 知，整個系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分兩部分組成，硬件部分主要完成對輸入光信號的光功率、電/光與光/電轉(zhuǎn)換、串口通信和用戶相關(guān)以太網(wǎng)接口等功能；軟件部分主要完成系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)管理、串口通信協(xié)議處理、告警和異常處理等功能。 硬件部分介紹：硬件部分主要包括：控制系統(tǒng)模塊、管理系統(tǒng)模塊、串口通信模塊和電源模塊等。下面簡要介紹這幾大功能模塊。1) 控制系統(tǒng)模塊：該模塊主要光纖線的有效光信號，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和功率檢測并根據(jù)工作模式選擇是否自動切換?？刂葡到y(tǒng)主要由單片機、分光器、光電轉(zhuǎn)換與放大電路、

53、光開關(guān)和通訊模塊等，它是整個 OLP 硬件部分。該部分采用 ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位系列單片機中最高配置的一款 AVR 單片機ATMEGA128。2) 管理系統(tǒng)模塊：設(shè)計中該模塊采用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的基于ARM9 架構(gòu)的工業(yè)級AT91RM9200。該模塊主要提供網(wǎng)絡(luò)管理功能。3)4)平轉(zhuǎn)換串口通信模塊：負責(zé)控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)之間通信。電源模塊：提供整個設(shè)備的電源供應(yīng)，采用外接電源供電方式，需使用電對外接電源大小進行處理。軟件部分介紹：軟件部分主要包括程序等部分。操作系統(tǒng)、API 接口、初始化程序、串口通信及應(yīng)用1)操作系統(tǒng)：本項目選用 Linux 操作系統(tǒng)進行開發(fā)，完成整個系統(tǒng)

54、的調(diào)度與協(xié)調(diào)工作。2)3)4)5)API 接口：實現(xiàn)操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間的通信。初始化程序：實現(xiàn)系統(tǒng)啟動過程的初始化操作。串口通信：實現(xiàn)管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間的通信。應(yīng)用程序：實現(xiàn)對一些協(xié)議的處理，如net、Snmp 等。2.6 本章小結(jié)本章分四大部分闡述了 OLP 設(shè)備總體設(shè)計方案。第一部分主要介紹了 OLP 系統(tǒng)的原理、功能；分析和對比了基于 1+1 和 1:1保護方案的光纖自動切換保護方案，并選取 1:1 保護方案作為本課題的方案。第二部分主要是 OLP 功能結(jié)構(gòu)以及需求分析，OLP 功能模塊主要由交互部分、部分與公共部分組成；接著對 OLP 的需求進行了分析。第三部分是 OLP 設(shè)備

55、設(shè)計方案關(guān)鍵問題的分析。最后是 OLP 設(shè)備的總體設(shè)計方案，分別從硬件和軟件兩大部分對 OLP 設(shè)備的總體設(shè)計做了簡要描述。第三章 OLP 設(shè)備硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1 硬件整體設(shè)計方案根據(jù)項目需要設(shè)計的 OLP 設(shè)備用于點對點保護場合。硬件設(shè)計以 ATMEL 公司的ATMEGA128 和 AT91RM9200 為基礎(chǔ)來設(shè)計 OLP 終端設(shè)備。從系統(tǒng)框圖3.1 知，整個 OLP 硬件系統(tǒng)分成了如下四部分：控制系統(tǒng)模塊、管理系統(tǒng)模塊、串口通信模塊與電源模塊。圖 3.1 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖3.2 控制系統(tǒng)模塊此模塊是整個 OLP 硬件系統(tǒng)的部分，主要是用來光功率、控制光開光纖光纖對分光器與光開關(guān)UAR

56、T光纖UART5V電源模塊ER1.8V DC/DC1.8V2.5V DC/DC2.5V3.3V DC/DC3.3VSDRAMPHYRJ45Flash時鐘電路串口調(diào)試/通訊端口RJ45復(fù)位電路AT91RM9200watch dog串口通信模塊時鐘電路通訊模塊復(fù)位電路EEPROMUART/JTAGATMEGA128watch dogA/D采樣光電轉(zhuǎn)換與放大關(guān)切換和管理其它相關(guān)模塊?？刂葡到y(tǒng)主要有單片機、分光器、光開關(guān)、光電轉(zhuǎn)換與放大電路、A/D 采樣電路和通訊模塊組成。該模塊的采用的是 ATMEL公司生產(chǎn)的 8 位 AVR 單片機 ATMEGA128。ATMEGA128 單片機具有高性能、低功耗的

57、性能特點，具有先進的 RISC 結(jié)構(gòu)，128k 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG 接口等技術(shù)特點26。另外，控制系統(tǒng)還包括單片機最小化系統(tǒng)電路，這里不對單片機最小化系統(tǒng)進行。控制系統(tǒng)模塊組成框圖如圖 3.2 所示。3.2.2 光電轉(zhuǎn)換與放大電路當(dāng)光纖中的光信號經(jīng)過 3:97 分光器后，將得到 3%的監(jiān)測光信號，為了實現(xiàn)對監(jiān)測光信號的處理，首先要用高敏感度的光電二極管對其進行光電轉(zhuǎn)換，光電轉(zhuǎn)換后的電信號約為-60dBm0dBm，十分微弱，不利于直接 A/D 轉(zhuǎn)換，需要通過低噪聲、高直流精度、寬動態(tài)范圍的對數(shù)放大器放大后再經(jīng)過有源低通濾波器，然后再傳輸給 A/D 采樣模塊27。這里

58、的對數(shù)放大器選用ADI 公司生產(chǎn)的光纖通信系統(tǒng)的光功率測量AD8304。AD8304 是一款單片集成電路的對數(shù)放大器，它有的光電二極管接口，妥善解決了對數(shù)放大器和 PIN 光電二極管的接口問題。它內(nèi)部提供光電二極管的偏置電壓，還集成了溫度補償電路以提高轉(zhuǎn)換精度。它的動態(tài)范圍高達 160dB，可測電流范圍達 100pA10mA，是光纖通信系統(tǒng)中光功率測量非常好的選擇28。放大與濾波電路設(shè)計如圖 3.4 所示。圖 3.4 放大電路設(shè)計圖3.2.3 A/D 采樣電路A/D 采樣是將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。從分光器出來的 3%的光信號通過光電轉(zhuǎn)換及放大后需要進行 A/D 轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的數(shù)字信號

59、。采用TI 公司的 ADS7953SB，該擁有 12 位 16 個通道，采樣速率可達 1MHz，只需很少電路29。的外部器件就可以完整的信號3.2.4 通訊模塊通訊模塊包括光收發(fā)模塊和通信電路組成。光收發(fā)模塊可以自行產(chǎn)生光信號，在備用線路中傳輸，單片機可以通過對信號的檢測判斷備用線路是否工作正常，當(dāng)備用線路中斷或者衰耗降低時會導(dǎo)致內(nèi)部通信中斷或告警，避免傳輸系統(tǒng)切換至備用線路工作不正常，防止誤切換，提高系統(tǒng)的可靠性。另外，在單片機發(fā)出切換指令之后，產(chǎn)生的電信號通過 CPLD 器件 EPM7064 進行編碼，轉(zhuǎn)換成適合于在光線路中遠距離傳輸?shù)拇a型，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換發(fā)送到對端，實現(xiàn)兩端同時切換的機

60、制，確保系統(tǒng)的可靠切換。通訊模塊組成框圖如圖 3.5 所示。SPI 接口和 GPIO 等30。AT91RM9200是一個多用途的通用，擁有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)的接口，具有很高的性價比，特別適合用于工業(yè)控制領(lǐng)域。根據(jù)需要，本文中用到的接口器件主要有：32MB SDRAM 用于程序運行空間，采用兩片 16MB 的ESMT 公司的M12L2561616A-7TG；8MB NOR Flash；一個 10/100M 網(wǎng)絡(luò)控器用于程序，采用EL 公司的JS28F640J3D75制器，通過 RJ45 接口與上位機進行網(wǎng)絡(luò)連接以實現(xiàn)通信；兩個 4 線 RS-232 串行接口，可用于本地調(diào)試和功能擴展接口