（物理电子学专业论文）基于arm的射频光模块监测系统的设计与实现.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 随着移动通信的飞速发展，人们对网络质量的要求越来越高。判断网络质 量的基本依据是网络的信号强度和信号覆盖范围，目前无线通信的覆盖区域都 会产生盲区和弱信号区。建设直放站是解决信号覆盖问题的一个经济又有效的 选择，因此作为光纤直放站核心部件的射频光模块的需求在大量增加。射频光 模块在原有的光模块基础上实现模块带有的数字诊断功能，集成了光功率检测， 射频功率检测，偏置电流等诸多功能，提供了一种有效的性能监测手段，实现 了一个模块集成多种功能，增加了它的集成度和多功能化程度，而且实现了非 接触的自动检测，方便员工对光模块的现场操作，使光纤直放站的复杂度降低 了。 本文在充分研究了目前应用于光纤直放站的射频光模块基础上，概述了其 工作原理，分析了其监测系统的监测参数和功能需求，研究了通信协议和数据 的透明传输，提出了射频光模块监测系统的整体方案设计，并对方案的重要部 分进行了详细的分析。方案把监测系统的设计划分为数字诊断子系统设计和自 动测试子系统设计两大部分，这两大部分由其相应的硬件和软件组成。数字诊 断子系统选用了飞利浦公司基于a r m 7 t d m i s 核的芯片l p c 2 1 3 4 作为监测系 统的控制单元；选择了数传芯片c c l 0 0 0 来实现f s k 信号的调制与解调，因为 c c l 0 0 0 可以对射频功率，数据格式和接收发送模式等进行软件编程，实现了 f s k 通信的可控性：运用异步串行接口实现数据的收发；使用嵌入式技术实现 对数字诊断参数的采集，光模块之间的通信，光通信链路衰减的可调等；采用 了在应用编程( i a p ) 技术，在上位机的控制下实现f l a s h 数据的读取，修改 和保存；同时为了抑制噪声和干扰，使用了软件抗干扰措施。自动测试子系统 通过g p i b 接口将其硬件搭建起来，在软件中采用虚拟仪器技术开发光模块电气 参数( a t t 测试，三阶互调测试，增益测试，底部噪声测试，隔离度测试和频 点测试) 的测试和可程控测量仪器的控制命令，这样就减少了测试时间，提高 了测试效率，降低了人为的误差，使复杂测试过程简单化。 经过光模块监测系统功能的测试，结果表明了此监测系统运行良好，可以 有效工作，满足了性能设计要求，同时证明了该系统设计的可行性，优越性和 实用性。 关键词：监测系统，光模块，数字诊断，自动测试，a r m 武汉理1 二大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , p e o p l ep u tf o r w a r d h i g h e ra n dh i g h e rr e q u i r e m e n t so nt h eq u a l i t yo ft h en e t w o r k t h ef u n d a m e n t a lb a s i s t oj u d g en e t w o r kq u a l i t yi ss i g n a ls t r e n g t ha n di t sc o v e r a g e ，b u tt h e r e ss t i l lb l i n ds p o t a n dw e a ks i g n a la r e ai nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc o v e r a g e t h u s ，a ne c o n o m i c a la n d e f f e c t i v ew a yt os o l v et h i sp r o b l e mi st oc o n s t r u c tar e p e a t e r , a n da st h ec o r e c o m p o n e n to ft h ef i b e ro p t i cr e p e a t e r , t h er a d i of r e q u e n c yo p t i c a lm o d u l eh a sa s i g n i f i c a n ti n c r e a s eo nd e m a n d r a d i of r e q u e n c yo p t i c a lm o d u l eo w n sm a n yn e w f u n c t i o n so nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a l ，s u c ha sd i g i t a ld i a g n o s i sf u n c t i o n ，o p t i c a lp o w e r d e t e c t i o n , r a d i of r e q u e n c yp o w e rd e t e c t i o n , b i a sc u r r e n ta n ds oo n , w h i c hp r o v i d e sa n e f f e c t i v em e a n sf o r t h ep e r f o r m a n c em o n i t o r i n g ，r e a l i z i n gm u l t i f u n c t i o n si na m o d u l ea n di n c r e a s i n gi t si n t e g r a t i o na n dm u t i f u n c t i o n ，a n di ta l s o r e a l i z e st h e n o n - c o n t a c ta u t o m a t i cd e t e c t i o n , m a k i n ge m p l o y e e sm o r ec o n v e n i e n tt oo p e r a t et h e o p t i c a lm o d u l ea n dr e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yo fo p t i c a lr e p e a t e r s o nt h eb a s i so fa d e q u a t es t u d yo fo p t i c a lm o d u l e sa p p l i e di nt h ef i b e ro p t i c a l r e p e a t e r , t h i sp a p e rs u m m a r i z e si t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，a n a l y s e st h em o n i t o r i n g p a r a m e t e r sa n df u n c t i o nd e m a n do fm o n i t o r i n gs y s t e m ，s t u d i e st h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n dt h et r a n s p a r e n tt r a n s m i s s i o no ft h ed a t a , a n dp u t sf o r w a r dt h eg e n e r a l d e s i g no fm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h er a d i of r e q u e n c yo p t i c a lm o d u l ew i t hd e t a i l e d a n a l y s i so ni m p o r t a n tp a r t s i nt h es o l u t i o n ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sd i v i d e di n t ot w o p a r t s ，d i g i t a ld i a g n o s t i cs u b s y s t e ma n da u t o m a t i ct e s t i n gs u b s y s t e m ，w h i c ha r e c o m p r i s e do fc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ea n ds o r w a r e d i g i t a ld i a g n o s t i cs u b s y s t e m u s e sl p c 2 1 3 4a st h ec o n t r o lu n i to fm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hb e l o n g st op h i l i p s c o m p a n yc h i pb a s i n go nc o r eo fa r m 7 t d m i s ，a n ds e l e c t st h ed a t at r a n s m i s s i o n c h i pc c i0 0 0t or e a l i z et h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no ft h ef s k s i g n a l ，b e c a u s e c ci0 0 0c a nb eu s e dt od os o f t w a r ep r o g r a m m i n go nt h er a d i of r e q u e n c yp o w e r , d a t af o r m a ta n dr e c e i v i n g t r a n s m i t t i n gm o d e lt oa c h i e v et h ef s kc o m m u n i c a t i o n c o n t r o l ；u s e sa s y n c h r o n o u ss e r i a li n t e r f a c et os e n da n dr e c e i v ed a t a ；a d o p t st h e e m b e d d e dt e c h n o l o g yt or e a l i z ea c q u i s i t i o no fd i g i t a ld i a g n o s t i cp a r a m e t e r s ，o p t i c a l c o m m u n i c a t i o n a m o n g t h e m o d u l e s ，a d j u s t a b l eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n l i n k i i a t t 锄m t i o n 抓ds o0 n ；a c h i e v e sr e a d i n g ，m o d i f y i n g a n ds a v i n gf l a s hd a t au n d e r 戗l e c o n t r o lo ft h ec o m p u t e rb yu s i n gt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g m o d e w h a t sm o r e ，m o r d e rt 0s u p p r c s sn o i s ea n do t h e ri n t e r f e r e n c e s ，i ta d o p t st h em e a s u r e o fs 0 1 t w a r e 抓t i i n t e r f e r e 】e a u t o m a t i ct e s t i n gs u b s y s t e m u s e sg p i bi n t e r f a c et ob u i l du pi t s h 砌躺，h o w e v e r ，i nt h i ss o f h v a r e ，a p p l y i n g t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y d e v e l o p st h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e rt e s t ( a a ”rt e s t ，t h r e eo r d e ri n t e r - m o d u l a n o n t e s t ， g a 缸t e s t ，b o t t o mn o i s et e s t , i s o l a t i o nd e g r e et e s t a n df r e q u e n c yp o i n tt e s t ) o fo p t l c a l m o d u l ea n dc o r i b r 0 1c 0 玎 1 i n a i l d so fp r o g r a m m a b l em e a s u r i n g i n s t r u m e n t s i nt h i sw a y , i tr e d u c e sm et e s t 吨缸e a n dt h ea r t i f i c i a le r r o r s ，i m p r o v e st h et e s t i n ge 伍c 1 铋c y a n d m a k e st h ec o m p l e xt e s tp r o c e s ss i m p 慨 一 t h et e 妇gr e s u l t o fo p t i c a lm o d u l em o n i t o r i n gs y s t e m s i l o w st h a t t h e m 0 i l i t o r h l gs y s t 锄r b n sw e l l ，w o r k s e f f e c t i v e l y a n dm e e t st h ep e r f o m l m c e r e q u i r 伽1 e n t ；m e a n w h i l e ，i ti l l u s t r a t e st h ef e a s i b i l i t y , t h ea d v a n t a g e s 觚dp 眦t i c a l l t y o ft h cd e s i g no f 妣s y s t e m k e y w 。r d s ：m 砸t 砸n gs y s t e m ，o p t i c a l m o d u l e ，d i g i t a ld i a g n o s t i c s ，a u t o m a t i ct e 妇g ， a r m 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的与意义 伴随移动通讯事业的快速发展，其用户量越来越多，导致蜂窝的规划越来 越小和基站的位置越来越低：同时，在城市建设中高层建筑正大规模地出现， 因为在无线传播中存在着阴影效应，所以高层建筑的中间或背后经常会产生移 动通讯信号的盲区。另一方面，因为面对电磁波建筑物等会有屏蔽效应，所以 在一些如娱乐场所、地铁、停车场等封闭的建筑物内移动通讯信号是不能正常 收到的，这样的情况下，建设直放站是快速提高网络质量和扩大网络覆盖的有 效手段之一【。依照传输的方式不同，直放站划分为光纤直放站和无线直放站。 光纤直放站以传输距离远，覆盖效果好，干扰少和工作稳定等优点在提高网络 质量和网络覆盖中得到了广泛的应用。 光模块作为光纤直放站核心组成部分，这就需要光模块具有高集成，多功 能化，高可靠性等优点。因此，光模块将会沿着高集成与多功能化方向发展， 研究适合3 g 网络配套的光纤直放站中的光模块将具有重要的市场价值和科研意 义 2 j 。射频光模块与前两代的光模块相比较，能够通过软件自动检测发光收光 告警和调节射频增益，而且增加了数字诊断功能，包括激光器偏置电流检测、 光功率检测、射频功率检测、模块工作温度检测等功能，而且提供了人机界面， 从而使测试和现场操作更加灵活，直放站的管理和维护更加方便。 为了保证产品的质量需要对出厂前的光模块进行大量参数的测试。但是， 现在国内企业主要依靠人工操作来进行通信产品的参数测试，而且测试仪器之 间是相互独立地。人工操作方式是通过手动来调节测试仪器面板上的旋钮和按 钮，在测试中利用人眼来观测仪器上出现的波形或数据，最后人工将测试结果 记录下来。人工操作过程不仅使测试操作复杂和较易出错，而且使测试效率比 较低，导致大批量生产具有很大的压力。所以，实现光通信设备测试的自动化 是降低成本，提高效率和企业市场竞争力的关键因素之一。 虚拟仪器是计算机技术与传统仪器相互结合的产物，其组成主要包括计算 机、软件包和仪器硬件。为了自动测试系统相互之间能够兼容，可以通过虚拟 仪器软件技术来解决，使软件和硬件可以共享。采用常用的硬件模块能够搭建 武汉理i t 大学硕士学位论文 各种自动测试系统，然后通过计算机本身的强大功能对信号进行分析，数据进 行处理、传输、显示和存储等。通过虚拟仪器技术搭建的光模块自动测试系统 减少了开发周期，降低了成本，而且增强了兼容信和扩展性，减少了光模块电 气参数测试时间、实现了测试过程简单化和自动化【3 1 。 1 2 课题研究现状与动态 在移动通信快速发展的时代，考虑到技术和成本要素，射频光模块发展可 以细分为三个阶段： 第一阶段为基本型：它仅具有射频信号和光信号相互转换的功能，而且这 项功能需要两个单独的模块来完成。第一代直放站中采用的基本型光模块如图 1 1 所示： 近 远囊 图1 - 1 第一代直放站中基本型光模块 第二阶段为模拟控制型：在基本型光模块基础上增加了数据传输功能实现 直放站监控信号的传输，由于f s k 易于实现调制解调方式，抗突发干扰和随机 干扰能力强，在数据传输通信系统中得到广泛的使用。增加了f s k ，使系统组 成部分的独立模块减少了一个，方便了直放站在线安装维护。其组成如图1 2 所 示： ( c p u ) i 影 模 ： 1 1 人各类 块 i 。i 测试仪器 增益控制 x ji l 。，。；。l 卅 卜i n ri i 一- j 图2 4 系统整体方案设计 p c 上位机采用串口给c p u 发送命令，利用中断的方式c p u 接受上位机发 送的命令并且对命令做出处理，最后向p c 返回经过c p u 处理命令后的数据和 应答。同时通过人机交互界面可以完成光模块数字诊断功能和电气参数的自动 测试功能。 c p u 下位机主要做的工作：下位机与p c 上位机建立通信及与远端模块建 立f s k 通信都是通过u a r t 接口来实现的，实现信号的数据传输；实现数字 诊断检测参数的a d 数据采集而且采集的数据进行处理，把它转化为带有实际 意义的参量；利用数模转化调节模块的发光功率；为了实现射频链路中的 增益可以控制，采用i c 芯片进行数控衰减。 自动测试子系统包括射频光模块，p c 上位机，测试仪表和测试用具四大部 分；光模块与p c 上位机通过串口连接，通过在p c 机主机箱内安装g p i b 接口 卡利用i e e e l 3 9 4 电缆将测试仪表和p c 上位机连接起来，最后采用测试用具将 1 2 武汉理t 大学硕士学位论文 光模块与测试仪表相连，构成了个闭合的测试环路，利用软件自动测试射频 光模块的各种电气参数。 从图2 4 中可以看出，光模块监测系统包括数字诊断功能和自动测试功能两 大部分。监测系统的实现主要由界面设计和操作控制软件设计两大部分组成， 气 参 数 测 试 自 动 测 试 功 能 射频光模块 图2 5 系统功能框图 数字诊断功能可以继续划分为故障监视，光功率调节，参量监视，增益调 节，配置存取和f s k 数据传输，它由p c 上位机和射频光模块共同实现。光模 块的数字诊断功能运用于光纤直放站的远程监控。 自动测试功能是通过p c 上位机与虚拟仪器技术结合实现对模块的各种电气 参数进行自动测试。本系统中自动测试软件设计的核心部分是参照光模块的电 气参数测试方法将测试步骤进行正确的分解，从而设计出合理的测试流程。自 动测试功能广泛的运用在射频光模块的流水线生产中。 2 6 本章小结 本章主要研究了光模块的工作原理，分析了系统的监测参数，该参数可以 实时的反应光模块的工作状态，并且光模块监测系统实际应用中所需要的功能 做了详细的分析，这些在系统设计时是必须要考虑的因素。为了确保上下位机 数据交互的可靠性，在h d l c 协议的基础上设计了对应的异步串行通信协议， 采用转义字符填充法实现数据的透明传输。在本章最后提出了光模块监测系统 的总体方案的设计。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章数字诊断子系统的设计 数字诊断子系统要求能够实时监测输入输出光功率，光模块的温度，激光 器的偏置电流和模块的射频功率等参数和实现远程监控，这就需要软件和硬件 的相互配合。一个系统的硬件设计和软件设计是两个核心的部分，本章重点分 析数字诊断功能用途，数字诊断子系统的硬件设计和软件设计。 3 1 数字诊断功能的用途分析 在光模块中，数字诊断功能是系统性能监测方式中重要的一种i l3 1 。其用途 的分析具体如下：系统管理员通过数字诊断功能和分析环境需求来调节光模 块性能，这里的性能包括发光功率和光收发告警门限等。功率，电压，温度 过高等因素都会导致光模块损坏，系统管理员根据数字诊断功能中监测参量的 状态来估算光模块的使用期限。综合分析光模块状态，从而判断光模块发生 故障的位置；利用数字诊断功能迅速找出故障发生的位置，降低系统修复时问。 根据数字诊断功能可以验证光模块的兼容性，依照光模块的环境参数是否与 相关标准或者数据手册相兼容从而判断光模块的性能是否得到保证。 3 2 数字诊断子系统的硬件设计 数字诊断子系统的硬件结构框图见图3 1 ，硬件电路主要由以下四部分组成： 射频功率检测电路。射频信号到电压信号的转换，通过m c u 进行数据采 集完成射频功率的检测。 数据通信电路。包括接口电路与f s k 数据传输电路，主要实现上位机与 微处理器，微处理器与f s k 调制解调芯片之间的通信。 光功率检测电路。利用放大电路和微处理器m c u 的a d c 采集激光器和 光电二极管的电压。 射频增益控制电路。微处理器通过射频功率检测电路检测到的射频功率 大小来调节射频链路的增益。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 射频输出 射频输出功率卜一。_ j 一增益j 垒里卜一 模块工作温度 _ 一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ j 收光功 收光功率 - 一 上位机 1 a d 匝 匝 测 4a d 微处理器 a d i o a d a d d a f s k 数据传输 射频输入功率检测 。j 。- _ 。一 一一射频输入功率 & 控制一 叫竖! _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一偏置电流 i 一 芝光功率检测l 叫发光功率 图3 - 1 数字诊断子系统硬件结构框图 3 2 1 处理器的选择方案 微处理器是实现数字诊断功能的不可缺少的一部分，此处理器需要完成的 工作包括：控制a d 功能部件实现监控参量的数据采集，并对采集得到的数据 进行转换处理，转变成具有实际意义的参考值；通过d a c 控制射频光模块的光 功率；控制数控可调衰减芯片对射频信号进行衰减，实现射频链路增益在一定 的范围内可调，通过两个串口实现数据通信，一个为p c 机和光近端机之间的通 信，另一个实现与远端模块f s k 的通信，完成控制信号和查询信号的发送以及 对远方发送来的信号的接收。 光收发模块的6 个诊断参量( 射频输入功率，射频输出功率，偏置电流，模 块工作温度，发光功率，收光功率) 分别由接收部分和激光驱动器相关器件产 生，这些光模块的状态都是模拟电压信号，要达到数字诊断功能，需要将这些 模拟信号通过模数转换器转换为数字信号。这就对处理器的a d c 转换速度和精 度有很高的要求。 综合考虑系统电路的成本和稳定性，减少外围电路的复杂性，选择使用基 于a r m 7 核的l p c 2 1 3 4 。l p c 2 1 3 4 是p h i l i p 公司提供的基于a r m 7 t d m i - s 内核的 嵌入式微处理器，由于此款芯片具有较小的封装和很低的功耗优点，因此它在 访问控制和p o s 机等小型装置中得到广泛应用。它内置了2 个工业标准u a r t ，2 个高速i i c 总线，s p i 和s s p ，拥有1 6 k b 的片内s r a m ，1 2 8 k b 片内f l a s h ，这些 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 优势在通信网关、协议转换器、软件m o d e m 、语音识别和低端成像中得到广泛 的应用，同时为这些应用带来很大的缓冲区和很强的处理功能。同时因为这款 芯片带有多个3 2 位定时器、1 个或2 个1 0 位8 路的a d c 、l o 位d a c 、p w m 通道、4 7 个g p i o 以及多达9 个边沿或电平触发的外部中断等功能，所以它在工业控制和医 疗系统中得到广泛应用i 。 3 2 2 数据通信电路的设计 数据通信电路是保证数据能够在有效的通道上进行可靠的传输，分为接口 电路的设计和f s k 数据传输电路的设计。 3 2 2 1 接口电路的设计 数字诊断子系统对光模块的控制是采用上位机发送命令给下位机的方式来 实现的。上位机与下位机的数据传送通常有串行通讯和并行通讯两种方式。因 为串行通讯在远程传输时所表现出的线路少和成本低的优势，所以它被广泛的 采用。由于是在不同设备间进行通讯，因此双方在串行通讯时都必须通过一个 标准接口来建立连接。本系统中使用r s 4 8 5 标准，r s 4 8 5 标准满足系统中远传 输距离和高传送率的需求【l5 1 。同时，r s - 4 8 5 标准具有多站能力，它可以在总线 上连接高于1 2 8 个收发器，实现了光纤直放站一拖多的功能。 因为在r s 4 8 5 中逻辑状态是用正负电压来表示，而u a r t 接口中t t l 是用 高低电平的，所以为了使u 6 姻接口与r s 4 8 5 接口的设备实现通信，需要在 r s 4 8 5 与t t l 电路之间进行逻辑与电平的转换，在该系统中通过m a x l 4 8 7 芯片 来实现电平的转换，外围电路原理图如图3 2 所示。 m 4 8 7 图3 - 2m a x l 4 8 7 外围电路原理图 在图3 2 中，m a x l 4 8 7 采用差分平衡系统，是一种抗干扰能力强，高速，低 功耗和方便控制的异步通讯接口芯片。m a x l 4 8 7 的供电电源是+ 5 v ，如果供电 电流是5 0 0 u a 时，其传输速率可以达到2 5 m b p s ，非常适合半双工通信。芯片 主要管脚的说明如下：r x d 为接收输出t x d 为发送输入 e n 为收发使能， 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 低电平代表收有效，高电平代表发有效。 3 2 2 2f s k 数据传输电路的设计 f s k ( 频移键控) 的英文全称是 f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g 。2 f s k 也就是二进 制的频移键控，它是数据通信较早使用的通信方式之一。因为它具有简单易实 现的调制解调，较强的抗噪声和抗衰减性等优点，所以它被广泛应用在中低速 数据传输通信系统中。在传输速率小于1 2 0 0 波特的情况下，根据国际电报和电 话咨询委员会( 1 t u - t ) 的建议设备通常使用f s k 方式传输数据【1 6 1 。 f s k 调制信号实质是数字消息通过载波的频率变化来传送的。在2 f s k 中载 波频率是跟随调制信号1 和o 的变化，1 对应频率f ，0 对应另一种频率厶即： 广1r 一 1 是脚= l g ( t - n t ) l c o s w z t + l 口。g ( t - n t 。) i c o s w 2 t ( 3 - 1 ) l jlnj 其中：= 2 7 r ，：，w 2 = 2 7 r f 2 。 系统中采用无线收发芯片，通过光纤进行f s k 数据的传输【1 丌。那是由于光 纤传输的光损耗小，传输距离比无线传输距离要远得多，而且稳定，受外界影 响小。在设计中考虑到无线数据传输芯片的数据是否需要进行曼切斯特编码， 所需外围元件的数量，发射功率，功耗，收发芯片的封装和管脚数，发射功率 的大小是否允许设置等因素，选用了c h i p c o n 公司提供的单片可编程射频收发芯 片c c l 0 0 0 ，用其来实现f s k 数据传输【1 8 】。c c l 0 0 0 原理图如图3 3 所示： 图3 3c c l 0 0 0 外围电路原理图 在图3 3 中，c 2 1 3 和l 2 0 1 电路是作用在f s k 接收输入电路里。而c 2 1 4 ， 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 c 2 1 5 ，l 2 0 2 用于匹配5 0 欧姆的f s k 发射电路。c c l 0 0 0 的编程是通过3 总线串 行接口( p d a t a ，p c l k ，p a l e ) 来设置完成的，而收发信号是通过d i o 和 d c l k 来实现的，这些端口与微控制器相连。r s s i 信号引脚代表输出电流，为 了使输出电流转换到系统采集需要的电压，外接一个电阻在r s s i 引脚输出端， 同时为了采集到更稳定的电压，还需要在r s s i 信号引脚外接一个1 0 0 0 p f 的滤 波电容，使其与2 7 k 欧姆电阻并联，可以达到低通滤波的作用。c c l 0 0 0 与微处 理器l p c 2 1 3 4 硬件接口电路如图3 4 所示： p d a t a l p c 2 1 3 4 p c l k p a l e d i ot x d c c l 0 0 0 d c l k r x d c h po u t r s s i i fa d c 图3 - 4c c l 0 0 0 与l p c 2 1 3 4 接口电路图 本设计中c c l 0 0 0 采用异步传输模式，在发送模式下d i o 与l p c 2 1 3 4 串口 t x d 连接，用于数据输入，该数据未经同步时钟或译码在r f 口上；在接收模 式下，送入输出口的信号是来自于解调器上的原始数据信号，d c l k 与l p c 2 1 3 4 串口r x d 连接，用于数据输出。 3 2 3 监控电路的设计 由于数字诊断功能中的主要参数是由激光驱动器和接收部分相关器件产生 的，所以光模块中的监控电路设计是核心部分，基本电路包括射频功率及增益 控制电路和光收发功率控制电路两部分。 3 2 3 1 射频功率及增益控制电路设计 在该系统中检测与采样射频信号时通过射频功率检测i c 来完成的，因为射 频功率检测i c 具有良好的检测线性电路优点，所以能够使软件在检测和控制上 变得更加容易。射频链路增益是通过数控方式来控制的，在射频输出功率没有 被锁定的情况下，可以利用监控管理界面来任意改变模块链路增益，但是在采 用软件锁定射频输出功率后，微处理器能够依据检测到的输出功率来调节射频 增益，使输出功率保持恒定。射频功率与增益控制电路结构图如图3 5 所示。其 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 检测过程是：通过耦合器在光模块近端的射频输入输出口耦合进射频能量，其 能量通过射频功率检测电路放大，然后完成功率到电压的转变，最后利用a d 转 换，射频输入输出相对应的实际功率值是通过软件中查表的方法得出的。射频 链路中的衰减值是通过微处理器参照检测到的射频功率值进行调节。在本系统 中，链路的衰减器是利用微处理器的g p i o 口的输出电平来进行控制的，实现通 过微处理器对增益的控制。 图3 5 射频功率与增益控制电路结构框图 射频功率检测中采用的芯片是美国国家半导体公司的l m v 2 2 5 ，由于它能够 提供0 d b m 至w j - 4 0 d b m 的范围内的分贝图线性的检测。 本设计中使用了数字控制衰减器p e 4 3 0 2 来实现射频链路a t t 的可控性。 p e 4 3 0 2 的衰减精度是0 5 d b ，可调的衰减范围为0 5 d b 3 1 5 d b ；提供串行和并 行两种工作模式，可对芯片衰减值进行初始化设置，有很高的精确度，良好的 线性关系，有较低的插入损耗和功率。由于并行工作模式需要较多的i o 口，为 了节省资源，采取了串行工作模式。 3 2 3 2 光收发功率控制电路设计 激光器是光模块中的核心器件之一，一般都采用1 3 1 0 1 5 5 0 n m 波长的高线 性d f b 激光器，该激光器采用t o 4 6 管芯封装。因为光功率一旦变化了必定会 使接收端的通信质量受到影响，所以光接收端只有在稳定的激光器光功率的前 提下才能获得稳定的射频信号。在光发射过程中，偏置电路起着重要的作用， 它保证了激光器正常工作的合适的驱动电流。在一定的范围内，激光器发光功 率随着偏置电流变化，一旦偏置电流变的过大时，底噪性能和交调性能跟随着 激光器线性恶化而恶化。但是过小的偏置电流，在信号源的激励下削波效应是 极易发生的【1 9 1 。在实际的工程运用过程中，光收发功率极易受到温度的变化， 人员的错误操作，激光器的老化，光纤中尾纤出现大量的跳接，法兰盘的损坏 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 等因素影响。因此通过检测发光收光功率和偏嚣电流的大小，可以迅速地找出 问题和排除故障。在监测系统中通过界面得知这些模块状态的参数，与正常情 况下的参数进行对比，比较后发现模块状态不正常，通过灯的亮灭来发出告警。 光发射检测电路结构图如图3 - 6 所示： v c c 图3 - 6 光发射检测电路结构示意图 由图3 - 6 可知，光发射检测电路是通过检测激光器背光的大小来实现对发光 功率和偏置电流的检测。一旦功率值高出所设定范围时，由于电流与电压呈线 性关系，所以通过调节d a 输出电压来改变偏置电路中的输出电流以保持发光功 率在一定范围内。因为光器件本身的特性，光功率与电压之间不是线性关系， 所以在放大电路设计中必须是高精度的，而且在确保电压放大后还在a d 采集范 围内的前提下选择合适的电压放大倍数。由于该模块在出厂前已将光功率表下 载到存储器中，所以偏置电流能够通过其与电压成线性关系计算得到。 3 3 数字诊断子系统的软件设计 在分析和设计了与数字诊断子系统相关的硬件电路后，还必须结合上位机 和下位机的软件工作，才能完成光模块的数字诊断功能。 3 3 1 数字诊断子系统下位机的软件设计 下位机主要用来监测和执行上位机的操作指令，而本系统中下位机主要是 对a r m 7 核的l p c 2 1 3 4 编程。由于在国内针对a r m 处理器核的c 语言编译器运用 较多的是a d s 、s d t 和g c c 。a d s 与s d t 在功能和适用性上相比，a d s 有很大的 提高，是一款较易掌握和功能强大的开发工具( 2 0 1 。尽管g c c 支持很多语言，但 是与a d s 相比，g c c 编译效率较低，对于充分发挥芯片性能是不够好的，因此 选择a d s 编译器编写系统的下位机程序。 考虑到系统所要实现的功能，下位机一旦上电了，控制程序就要开始运行， 武汉理工大学硕十学位论文 进行一些参量的监视也就是实现数字诊断功能。下位机软件设计流程图如下图 3 7 所示： 图3 7 下位机软件设计流程框图 由图中可以看出，控制程序首先开始初始化，初始化是一项十分重要的工 作，需要分别对系统和c c l 0 0 0 两个进行初始化。系统初始化包括微处理器的 g p i o 接口，u a r t 接口，a d c 通道，d a c 通道，e e p r o m ，全局变量，看门 狗定时器等初始化。c c l 0 0 0 初始化主要实现对其内部寄存器进行配置，初始化 过程如下：复位c c l 0 0 0 内部寄存器设置等待时间除m a i n 寄存器外对 所有寄存器编程校准v c o 和p l l 寄存器的值设置功率输出为0 。初始化 程序完成后，开始运行控制程序的主循环。 3 3 1 1u a r t 接口的软件设计 本系统中下位机与上位机的数据通信是基于r s 4 8 5 串口通信来实现的。因 此必须配置u a r t 接口。l p c 2 1 3 4 微处理器具有u a r t 0 ，u a r t l 两个串口， 分别用于光模块和p c 机之间监测数据的收发接口，另一个用于f s k 数据传输 接口。这两个串口除了外设基地址不同之外，其他的都是相同的。串口包括接 2 l 武汉理工大学硕士学位论文 收器模块，发送器模块，波特率发生器模块，中断接口寄存器，状态信息和控 制信息。它的功能主要是靠上面这些模块协调工作实现的f 2 。串口的基本操作 步骤如下：设置i o 复用为u a r t 功能设置串口的波特率( u x d l m ，u x d l l ) 设置串口工作模式( u x l c r ，u x f c r ) 发送或接收数据( u x t h r ，u x i 国r ) 检查串口状态字( u 】【l s r ) 或者等待串口中断( u x 瓜) 。 串口可以用查询方式和中断方式进行通信实验，由于查询方式需要微处理 器不断的查询相应的标志位，将会占用微处理器的很大一部分时间，效率很低。 而采用中断方式能够避免这些问题。基于以上的考虑，在本系统中用中断方式 进行串口通信来提高效率。 3 3 1 2f s k 数据通信的软件设计 f s k 数据通信主要是为实现模块的远程光纤通信而设计。f s k 数据通信也 就是实现数据以f s k 方式进行发送和接收。 f s k 数据的发送和接收框图如图3 8 所示：在近端，通过串口0 ，m c u 把 上位机的数据进行存储和组帧，数据组完帧后通过串口l 把组帧后的数据传给 c c l 0 0 0 ，再采用发射机把数据发送出去；在远端，通过串口l ，m c u 接收数据， 并且对数据进行对应的处理，而且重新组帧，最后把组好帧的数据通过串口0 传给近端的上位机。 7 串1 ：3 0串口1串口1串i ：l o 巨p e 锢 o 图3 - 8f s k 数据的收发示意图 为了实现数据的透明传输和可靠性，区别噪声，设计中传输的数据帧采用以 下格式，如表3 1 所示： 。 表3 1 数据帧格式 同步码：连续的高低电平互相交替，为0 x 5 5 。 前导码：持续的高电平即0 x f f 。 有效数据：需要传送的监控数据。 结束码：持续的高电平即0 x f f 。 武汉理工大学硕七学位论文 发送数据后，要经过c c l 0 0 0 解调和m c u 对数据解包，格式如表3 - 1 所示， 只有符合帧格式的数据，单片机才会进行接收，接收的数据都是为符合帧格式 要求的有效数据，确保了接收数据的精确性和达到减少传输发生误码的目的。 在f s k 通信过程中，c c l 0 0 0 起到很关键的作用。c c l 0 0 0 有3 种状态：i d l e ( 空闲) ，t x ( 发送数据) ，r x ( 接收数据) 。这是个具有3 种状态的状态机模 型，为了防止数据在同时收发过程中出现堵死情况，该设计将严格控制收发数 据的时间延时以达到收发数据不冲突，即r x 与t x 两状态要互斥，c c l 0 0 0 三 种状态相互转换如图3 - 9 所示。 图3 - 9c c l 0 0 0 状态图 所有的数据都是通过中断方式来发送和接收。数据的接收过程是串口0 收 到数据后触发串口l 接收中断并将接收的数据缓存到缓冲区b u f f e r l ，参照同步 码，前导码和结束码串口1 对有效数据进行判断和缓存，流程图如图3 1 0 所示。 图3 1 0 数据接收流程图 武汉理工大学硕士学位论文 在图3 1 0 中，串口l 接收端中只有接收到5 个同步码0 x 5 5 之后，接收数据 才会被保存到缓冲区，而且为了避免突发的乱码，在接收端收到大于数据里的 长度，就认为该帧数据是无效的。 数据的发送分为两部分：向上位机发送数据和c c l 0 0 0 发送数据。c c l 0 0 0 接收和发送之间互斥的状态以及前导码和结束码的发送时间是c c l 0 0 0 发送数 据过程中需要考虑的因素。c c l 0 0 0 发送数据流程图见图3 1 l 所示。由于在程序 中每次都必须发送前导码和结束码，所以在向上位机发送数据的过程中应该把 缓冲区中剩下的前导码和结束码给删掉，实现数据的透明传输。f s k 数据发送 具体代码见附录b 所示。 图3 1 1c c l 0 0 0 发送数据流程图 在接收和发送的下位机软件设计中，缓冲区的数据处理是很重要的部分， 如果处理不好，会导致存储空间溢出，在本设计中用到数据队列来解决这个问 题。数据队列中用到“环形数组”的技术，用环形数组实现队列，如图3 - 1 2 所示。 由于把数组想象成一个环形，如果队列中的记录项被添加或删除，队首就会沿 着环形数组追随到队尾，所以能够在一个限定的环内无限制的向前移动。在使 用环形数组的过程中，除非数组被占满了，否则就不必担忧会超过它