CN105068243A

CN105068243A - 一种可调光衰减器

Info

Publication number: CN105068243A
Application number: CN201510550799.6A
Authority: CN
Inventors: 宋刚; 李晓辉; 杜建卫; 张志谦; 刘庆方; 申莉华; 兰明蛟; 张丽彬
Original assignee: Communications Training Base China Pla General Political Department
Current assignee: Communications Training Base China Pla General Political Department
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2015-11-18

Abstract

一种可调光衰减器，其硬件结构包括机械装置主体、机罩，所述机械装置主体包括核心控制模块、机械控制模块、电源驱动模块、输入输出模块。所述可调光衰减器的设计合理，可有效辅助部队官兵对于光端设备教学和训练，切实解决光纤通信链路传输衰减难以实现人工干预的实际问题，使光端设备战斗力生成训练的方法、手段更丰富。

Description

一种可调光衰减器

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种可调光衰减器。

背景技术

光纤通信是用光作为信息的载体，以光纤作为传输介质的一种通信方式。由于其比传统的其他通信方式有着巨大的优势，随着信息技术的不断发展和信息化进程的加快，光纤及其光器件的使用范围越来越广，如光纤通信系统、光纤数据网、光纤CATV等。光纤通信是现代光通信的重要形式，具有保密性强、通信容量大、抗干扰性能强等诸多优点，因此在部队的信息化建设中得到长足发展。

随着全球通信业务量的飞速增长，业务形式的多样化，高速大容量的宽带综合业务数字网(IntegratedServicesDigitalNetwork，ISDN)已成为现在通信网络发展的必然趋势。目前，光/电和电/光转换电子瓶颈的制约限制了信息的快速传递，电+光的通信网络已不能满足高速率、大容量、长距离的信息传送要求。不断开发光网络领域新技术，充分挖掘光通信技术潜力，是满足信息网络互连的必然需求。

光网络的最基本的特性是可调，在多个光信号传输通道上必须进行增益平坦化或信道功率均衡，在光接收器端要进行动态饱和的控制，光网络中也还需要对其它信号进行控制，这些都使得可调节光衰减器成为其中不可或缺的关键器件。可调节光衰减器(VariableOpticalAttenuator，VOA)是在外部激励（机械、电力、磁力）作用下，实现光学元件运动，或光学状态改变，从而改变光的传输效率，达到输出光功率相对于输入光功率可连续或间断地衰减的器件，在光通信中具有广泛的应用，其主要功能是用来减低或控制光信号。

目前，部队在实战演练过程中存在光纤通信链路传输衰减难以实现人工干预的现实问题。为了有效辅助部队官兵对于光端设备教学和训练，进一步提高光端设备训练的科学性和实用性，切实解决光纤通信链路传输衰减难以实现人工干预等题。本申请研发了一套通用型可调光衰减系统，其利用实装光端设备搭建的模拟训练环境中对光链路的衰减量进行实时监控、随机导调、集中控制，提高参训人员应对光链路衰减变化的故障排查能力，从而使参训人员熟练掌握光功率计、光时域分析仪、误码测试仪等相关仪器仪表的使用方法，灵活处理多种光端设备的业务分配和调度。

发明内容

针对现有技术和产品的不足，本发明提供如下可调光衰减器：

一种可调光衰减器，其硬件结构包括机械装置主体和机罩，其特征在于：所述机械装置主体包括核心控制模块、机械控制模块、电源驱动模块、输入输出模块；所述核心控制模块采用ATM32处理器，并配置RJ45接口、USB接口、串口、485接口；所述机械控制模块包括双向步进制电机、驱动轴、滑块、滑轨、接近开关、活动连接器；通过所述双向步进制电机的纵向旋转运动带动驱动轴旋转，从而使驱动轴上的滑块纵向平移；滑轨的两侧安装有接近开关，接近开关产生中断消息控制滑块的移动范围，同时接近开关可控制衰减量初始值；光纤的一个端面通过活动连接器固定在滑轨的远端，光纤的另一个端面通过活动连接器固定住滑块上，滑块的双向平移使得光纤两个端面相对距离产生变化从而影响衰减量的变化；所述电源驱动模块采用双路输出方式；所述输入输出模块包括远程控制、现场控制两种方式；其中输入包括硬件复位功能；所述机罩加盖在机械装置主体上，其上设置LCD显示屏、LED指示灯、复位开关、电源开关、过流保护器件；所述机罩起到密闭、电磁屏蔽和固定尾纤的作用。

进一步的，所述可调光衰减器的电路设计包括：网络通信控制电路、步进制电机驱动及控制电路、衰减量和工作状态显示电路，其特征在于：

所述网络通信控制电路包括上位机、嵌入式控制器、以太网交换机、以太网通信驱动电路、以太网接口；所述上位机可以控制多个可调光衰减器，完成一对多的通信控制；

所述步进制电机驱动及控制电路由ARM嵌入式处理器、步进制电机驱动器、步进制电机套件及与上位机通信的网络接口电路组成；ARM嵌入式处理器主要由单片机及外围电路组成，所述单片机采用ATM32单片机，所述网络接口电路采用MAX232芯片；所述上位机下发控制命令，通过步进制电机驱动及控制电路驱动步进制电机的运动，调节光纤活动连接器的距离，调节完毕后通过以太网接口将完成调整信息上报至上位机。

所述衰减量和工作状态显示电路由嵌入式处理器、液晶显示模块、LED显示模块以及网络通信电路组成；当进行衰减量调整时，由上位机发送调整信息给嵌入式处理器，此时LED显示模块指示可调光衰减器处于调整衰减量工作状态，待调整完毕后嵌入式处理器发送给上位机调整完毕消息；上位机收到调整完毕消息后，发送命令字对应的衰减量信息给液晶显示模块，显示当前衰减量的具体值。

进一步的，所述可调光衰减器的软件结构包括：综合控制模块、网络控制模块、机电控制模块、数据仿真模块、数据存储模块、输入响应模块；其中，所述综合控制模块包括时钟单元、中断处理单元、外设初始化和控制单元，可实现各模块的调度、协调、响应和控制；所述网络控制模块可实现网络连接的初始化、网络通信以及参数修改；网络连接的初始化工作包括自身IP地址的读取、端口号的读取、硬件MAC地址的读取、上位机IP地址的读取以及UDP连接的建立；网络通信包括命令的接收和响应信息的回传；参数修改包括对服务器IP地址、端口号、自身IP地址的修改，修改完成后设备重新上电启用修改后的参数；所述机电控制模块可实现对步进制电机的驱动；采用TIM3的通道产生脉宽调制信号，复位、使能、方向控制采用GPIO的输出控制完成；所述数据仿真模块利用数学建模技术，建立衰减量与电机转动距离量之间的数学模型，可精确调整可调光衰减器的衰减量；所述数据存储模块可将网络配置参数和衰减量参数实时的存储，并提供掉电保护；所述输入响应模块可完成通信接口的命令响应以及硬件中断的响应。

本发明专利的有益效果为：

（1）实现了光链路衰减量的连续可调功能。可调光衰减器具备衰减量连续可调的功能，可调命令的响应采用通信方式的命令字接收响应。本申请的通信方式为UDP通信，可依托以太网交换机在局域网中实现集中控制。衰减量的调节精度在0.2dB内，可调范围在-10dB～-50dB。衰减量的调节通过嵌入式软件移植算法实现，输入的衰减量调节值计算根据数学模型计算得到步进制电机的移动距离，然后嵌入式处理器控制步进制电机运动到响应位置，实现衰减量的精确调节。

（2）具有衰减量的稳定保持和实时观测功能。该项功能是可调光衰减器在完成衰减量调节的动作后，稳定保持当前状态，即使设备出现掉电的情况，重新上电后仍然可以恢复最后一次的衰减量。衰减量的实时观测提供两种途径，一种是设备机壳上的LCD显示屏提供现场的观测衰减量，一种是通信方式上报上位机该设备目前的衰减量。

（3）具有二次开发功能。本申请对硬件和软件都能进行了较好的封装，预留了相应的通信接口。根据不同终端用户的需求可以进行二次开发的拓展功能。如:基于安卓系统下的应用程序开发，只要遵循相应通信协议的命令字，即可完成对该设备的使用控制。这就使得设备的应用环境更加多样，控制手段也更加灵活。

（4）具有参数修改和保存功能。系统处理和应用的参数主要是将网络配置参数和衰减量参数，对上述参数的读取和保存直接关系到系统的稳定可靠工作。该设备具备掉电保护能力，设备掉电也可进行数据的保存。对网络参数的保存主要是在重新上电后以新的网络参数建立网络连接，所以网络参数的修改只有设备掉电重启后才可生效。对衰减量参数的存储主要是记录当前衰减量值，设备掉电重启后仍然能够记录最后一次的衰减量，提供链路状态保护的能力。

（5）可调光衰减器的硬件设计合理，充分压缩了设备的体积，内部的器件在不破坏电磁兼容性的条件下尽可能紧凑。本申请可以有效辅助部队官兵对于光端设备教学和训练，切实解决光纤通信链路传输衰减难以实现人工干预的实际问题，使光端设备战斗力生成训练的方法、手段更丰富。

附图说明

图1为可调光衰减器的软件结构示意图；

图2为通过数学建模分析得到的拟合曲线；

图3为通过数学建模分析得到的拟合曲线模型；

图4为可调光衰减器机罩的前视图；

图5为可调光衰减器机罩的后视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不局限于说明书上的内容。

实施例1：

本申请所述的可调光衰减器采用全封闭的机械结构，硬件主要包括核心控制模块、机械控制模块、电源驱动模块、输入输出模块等四部分。下面分别就组成模块进行分别描述：

核心控制模块采用的核心处理器是ARM系列的ATM32处理器，该处理器具有处理速度快、稳定性好、外围接口丰富、价格低等优势，是能够胜任系统功能要求的性价比较高的一款处理器。在硬件电路设计时考虑到功能拓展的需要，配置了丰富的外围通信接口作为预留，如：RJ45接口、USB接口、串口、485接口等。由于该衰减器将硬件控制与软件算法进行了整合，外围接口只需要相关的命令字即可实现衰减量的控制功能，使得控制终端的类型可以更加丰富，便于实现功能的延伸和扩展。只要控制终端能够实现基本的通信功能即可与该衰减器进行互联，控制终端可以是PC机、嵌入式终端、手持终端、云终端等。

机械控制模块主要完成对光纤端面距离的精确控制。在机械结构上依托于双向步进制电机的纵向旋转运动带动驱动轴的旋转，从而使驱动轴上的滑块纵向平移。滑轨的两侧均安装有接近开关，开关产生中断消息控制滑块的移动范围，同时接近开关的另一个功能就是控制衰减器的衰减量初始值，所以接近开关的灵敏度直接影响衰减量的初始精度。经过反复的测量，衰减量的初始值很稳定，满足系统设计需求。

光纤的一个端面通过活动连接器固定在滑轨的远端，光纤的另一个端面通过活动连接器固定住滑块上，滑块的双向平移使得光纤两个端面相对距离产生变化从而影响衰减量的变化。步进制电机的旋转精度应该较高，才能实现精确控制，采用脉宽调制式斩波驱动方式实现，每个脉冲产生1/180周的旋转。脉冲的输出个数决定了步进制电机的移动距离。在实际工作中，采取的是绝对位置+相对距离的控制方法，即选定某些试验中相对稳定的位置作为附近光衰减量的绝对位置，然后变化相对距离调节最后的衰减量，可以有效减小误差的累积效应。

步进制电机的瞬时功率要求较高，所以电压要求在24V，而ARM处理器功率要求只要在5V即可，电源驱动模块需采用双路输出方式。对电压的波动要进行控制，需要具备电压跟随能力保证输出电压的稳定性。该模块设计了电压跟随控制电路。应用模拟软件分析电压控制效果，波动的输入电压经过跟随控制电路的调整后稳定在5V，改善了输入电压的纹波影响。

可调光衰减器的控制方式除远程控制方式外，还提供了现场控制和显示方式。其中输入控制主要是指硬件复位功能，根据实际需要可以在机壳直接按压复位按钮完成硬件复位功能。硬件复位后，嵌入式处理器程序重新启动运行，网络连接重新建立，衰减量恢复到初始化状态。输出显示采用16字符的LCD显示屏。实时显示设备当前状态以及衰减量。主要是提供现场条件下，对设备运行状态的掌握和当前衰减量的掌握。

可控光衰减器的软件结构大致可分为六部分组成，分别是综合控制模块、网络控制模块、机电控制模块、数据仿真模块、数据存储模块、输入响应模块，其相互关系如图1所示。

综合控制模块完成系统各模块的调度、协调、响应和控制等功能，是整个软件的主体。该模块由时钟单元、中断处理单元、外设初始化和控制单元等。

系统时钟好似脉搏，协调处理器的各种处理和响应时间。系统中利用外部晶振的8M时钟，采用9倍频的锁相环输出得到系统主时钟为72M。此时钟是系统可选择的最高频率时钟。系统时钟提供外设、定时器、延时等设备的基础计数单元，主时钟频率提高可以满足响应、处理的速度要求。通用接口外设的时钟采用50M的频率。步进制电机控制采用定时器的PWM输出方式，输出频率1kHz，占空比为50%的脉冲信号。

中断处理是对接近开关的信号、复位键信号等进行相应，以中断方式进行的响应更及时。中断优先级的设定是将接近开关的中断设定为最高优先级，因为该中断直接影响衰减量的初始状态，对衰减的精确控制至关重要。

外设的初始化完成通用输入输出口的初始化，LED灯就是应用GPIO进行的控制。LCD液晶显示屏的初始化主要是完成驱动程序的加载，读、写命令需要控制好命令字之间的延时，否则LCD液晶显示屏无法驱动。

网络控制模块完成网络连接的初始化工作、网络通信以及参数修改。网络连接的初始化包括自身IP地址的读取、端口号的读取、硬件MAC地址的读取和上位机IP地址的读取以及UDP连接的建立。网络通信过程主要是命令字的接收和响应信息的回传，完成设备与上位机的通信功能。网络参数可以在线修改，如服务器IP地址、端口号、自身IP地址等均可进行修改，修改完成后设备重新上电启用修改后的参数。

机电控制模块完成对步进制电机的驱动。步进制电机采用脉宽调制式斩波驱动方式，具有正反转控制功能，带有复位和使能引脚，可选择单时钟输入、输出捕获的工作方式。采用TIM3的通道产生脉宽调制信号，复位、使能、方向控制采用GPIO的输出控制完成。一个脉冲步进制电机转动2°，采用输出捕获的方式可以对脉冲个数进行计数，从而实现对步进制电机运动的精确控制。

数据仿真模块主要是利用前期的数学建模，在嵌入式软件中植入该模型的实现算法，当收到关于需要调整的衰减量后，计算得到步进制电机的转动距离量，从而精确调整可调光衰减器的衰减量。

数据存储模块主要是将网络配置参数和衰减量参数实时的存储，并且提供掉电保护。存储器选用的是EEPROM存储器，属于掉电不失的存储器，设备掉电也可进行数据的保存。对网络参数的保存主要是在重新上电后以新的网络参数建立网络连接，所以网络参数的修改只有设备掉电重启后才可生效。对衰减量参数的存储主要是记录当前衰减量值，设备掉电重启后仍然能够记录最后一次的衰减量，提供链路状态保护的能力。

输入相应模块主要是完成通信接口的命令字响应以及硬件中断的响应。命令字的响应过程就是可调光衰减器受控的过程，当收到协议制定的命令字后，完成响应的响应动作，如：调节衰减量、报告设备自身ID号、修改网络参数等等。硬件中断响应包括硬件复位响应和接近开关信号量响应，前者完成系统程序的重新运行，后者完成衰减量的初始化动作。

可调光衰减器的工作原理如下：

（1）实验环境搭建

可调光衰减器硬件系统制作完成后，在其中注入编制好的测试软件系统，所有控制与显示指令都依赖上位机程序提供。以可调光衰减器原型机为基础，配合上位机控制程序和光功率计组成原型机试验环境，为数据采集、系统优化、衰减模建立与验证等工作的展开提供了保障。

（2）数据采集

可调光衰减器硬件系统与控制软件设计完成后，可搭建实验环境，可调光衰减器从复位点至光纤断开点之间约有0.55毫米行程，在这段区间取200个样点，分别在不同时间和天气条件下的对这200个样值点进行了10次实验，取得2000个样值数据，然后对每组10个样值进行加权平均作为该点的最终样值数据。

（3）数据分析

利用专业的数据分析与建模工具，对得到的200组样值按200个坐标离散点数据进行曲线拟合，通过相关指数、剩余标准误差及节点上最大拟合误差的比对，并综合考虑连续性、光滑性和保型性等要素，找出适合最符合可调光衰减器特性的非线性数学模型。

连续性：拟合曲线不间断，没有间断点。

光滑性：函数在定义区间内具有直到K（≥0）阶倒数，则称之为在定义区间上是K阶光滑的。拟合曲线没有明显的突变，图像光滑圆润，即具有较好的光滑性。

上述性质与数学模型的优劣息息相关，对拟合精度等均有较大影响。调整拟合参数，可以优化拟合曲线，通过多次反复的曲线修正，逐点比对，最终得到优化衰减曲线。

（4）模型建立

通过数学建模分析，得到多组算法模型，拟合曲线如图2所示，拟合公式如表1所示。选取其中匹配精度大于0.9999的12组模型进行多项式展开，得到模型的数学算法，并进行编程实现，逐一验证，最终建立如图3所示拟合曲线模型，该模型中使用了傅立叶多项展开算法，其相关指数为0.9999099220，拟合标准误差为0.000090078，最大拟合误差为0.4024900165%（均取绝对值），参数如表2所示，该模型具有曲线平滑度好、拟合度高、误差小等特点，完全可以满足本光衰减器的技术指标要求。

表1拟合公式列表(部分)

数学表达式：

Y=a+bcos(x)+csin(x)+dcos(2x)+esin(2x)+fcos(3x)+gsin(3x)+hcos(4x)+

isin(4x)+jcos(5x)+ksin(5x)+lcos(6x)+msin(6x)+ncos(7x)+osin(7x)+

pcos(8x)+qsin(8x)+rcos(9x)+ssin(9x)+tcos(10x)+usin(10x)

Claims

1.一种可调光衰减器，其硬件结构包括机械装置主体和机罩，其特征在于：所述机械装置主体包括核心控制模块、机械控制模块、电源驱动模块、输入输出模块；所述核心控制模块配置多种硬件接口；所述机械控制模块包括双向步进制电机、驱动轴、滑块、滑轨、接近开关、活动连接器；所述电源驱动模块采用双路输出方式；所述输入输出模块包括远程控制、现场控制两种方式；其中输入包括硬件复位功能；所述机罩加盖在机械装置主体上，其上设置LCD显示屏、LED指示灯、复位开关、电源开关、过流保护器件；所述机罩起到密闭、电磁屏蔽和固定尾纤的作用。

2.根据权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：所述机械控制模块通过所述双向步进制电机的纵向旋转运动带动驱动轴旋转，从而使驱动轴上的滑块纵向平移；滑轨的两侧安装有接近开关，接近开关产生中断消息控制滑块的移动范围，同时接近开关可控制衰减量初始值；光纤的一个端面通过活动连接器固定在滑轨的远端，光纤的另一个端面通过活动连接器固定住滑块上，滑块的双向平移使得光纤两个端面相对距离产生变化从而影响衰减量的变化。

3.根据权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：所述核心控制模块配置的硬件接口包括RJ45接口、USB接口、串口、485接口。

4.根据权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：所述可调光衰减器包括网络通信控制电路、步进制电机驱动及控制电路、衰减量和工作状态显示电路。

5.根据权利要求4所述的可调光衰减器，其特征在于：所述网络通信控制电路包括上位机、嵌入式控制器、以太网交换机、以太网通信驱动电路、以太网接口；所述上位机可以控制多个可调光衰减器，完成一对多的通信控制。

6.根据权利要求4所述的可调光衰减器，其特征在于：所述步进制电机驱动及控制电路由ARM嵌入式处理器、步进制电机驱动器、步进制电机套件及与上位机通信的网络接口电路组成；ARM嵌入式处理器主要由单片机及外围电路组成，所述单片机采用ATM32单片机，所述网络接口电路采用MAX232芯片；所述上位机下发控制命令，通过步进制电机驱动及控制电路驱动步进制电机的运动，调节光纤活动连接器的距离，调节完毕后通过以太网接口将完成调整信息上报至上位机。

7.根据权利要求4所述的可调光衰减器，其特征在于：所述衰减量和工作状态显示电路由嵌入式处理器、液晶显示模块、LED显示模块以及网络通信电路组成；当进行衰减量调整时，由上位机发送调整信息给嵌入式处理器，此时LED显示模块指示可调光衰减器处于调整衰减量工作状态，待调整完毕后嵌入式处理器发送给上位机调整完毕消息；上位机收到调整完毕消息后，发送命令字对应的衰减量信息给液晶显示模块，显示当前衰减量的具体值。

8.根据权利要求1所述的可调光衰减器，其特征在于：所述可调光衰减器的软件结构包括综合控制模块、网络控制模块、机电控制模块、数据仿真模块、数据存储模块、输入响应模块。

9.根据权利要求8所述的可调光衰减器，其特征在于：所述综合控制模块包括时钟单元、中断处理单元、外设初始化和控制单元，可实现各模块的调度、协调、响应和控制；所述网络控制模块可实现网络连接的初始化、网络通信以及参数修改；所述机电控制模块可实现对步进制电机的驱动；采用TIM3的通道产生脉宽调制信号，复位、使能、方向控制采用GPIO的输出控制完成；所述数据仿真模块利用数学建模技术，建立衰减量与电机转动距离量之间的数学模型，可精确调整可调光衰减器的衰减量；所述数据存储模块可将网络配置参数和衰减量参数实时的存储，并提供掉电保护；所述输入响应模块可完成通信接口的命令响应以及硬件中断的响应。

10.根据权利要求9所述的可调光衰减器，其特征在于：所述网络控制模块中，网络连接的初始化工作包括自身IP地址的读取、端口号的读取、硬件MAC地址的读取、上位机IP地址的读取以及UDP连接的建立；网络通信包括命令的接收和响应信息的回传；参数修改包括对服务器IP地址、端口号、自身IP地址的修改，修改完成后设备重新上电启用修改后的参数。