关于可见光、光源、光功率计维护仪表功能集中实现的方法设计
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关于可见光、光源、光功率计维护仪表功能集中实现的方法设计
王德民
二〇一二年三月二十二日
论文摘要：
本文首先从工作中常用到的仪表，光源、光功率计等仪表的原理和实现方式进行分析。然后结合当前通信技术在集成化、标准化方面提供的有利条件，利用单片机、显示模块、光模块等模块式的组件，通过国际标准化的接口参数实现不同仪表功能的集合。本文重点分析了利用可见光光源和SFP光模块元件的组合实现可见光发送、1310nm波长、1550nm波长的发光功率和接收光功率的测量的方法。
关键词：光源、光功率、光模块、SFP模块
引言：
在客户电路网络故障排查和设备维护过程中，常常需要用到可见光、光源、光功率计。由于上述各仪表功能单一，对于维护人员携带不方便，而且仪表携带容易遗忘。因此设计一种能够完成上述所有功能的方法将会很好的为维护人员提供方便。
一、通信行业光源的种类和特点
当前通信行业应用的光源主要是激光光源，常用的波长主要是可见光（主要应用的是650nm波长） 、以及以1310nm、1550nm波长为中心点的光波。由于激光具有以下亮度高、方向性好、单色性好、相干性好等特点，因而在通信行业得到广泛应用。
二、通信行业光模块的种类和接口标准
我们在通信行业中经常会用到光模块（optical module）。 它是由光电子器件、功能电路和光接口等组成，其中光电子器件包括发射和接收两部分。其功能简单的说，光模块的作用就是光电转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号 。在通信行业中用到的光模块主要分为
以下几种：
1、根据光模块功能分类
包括光接收模块，光发送模块，光收发一体模块，光转发模块等。 常见的有：SFP、SFF、SFP+、GBIC、XFP 、1x9等。
2、根据光模块主要参数分类
可插拔性：热插拔和非热插拔
封装形式：SFP、GBIC、XFP、Xenpak、X2、1X9、SFF、200/3000pin、XPAK
传输速率：低速率、百兆、千兆、2.5G、4.25G,4.9G,6G,8G,10G和40G。
3、根据光模块封装来分类
1.XFP（10 Gigabit Small Form Factor Pluggable）是一种可热交换的，独立于通信协议的光学收发器，用于10G bps的以太网，SONET/SDH，光纤通道。
2.小型可插拔收发光模块(SFP),目前应用最广阔。
3.GigacBiDi系列单纤双向光模块利用的是WDM技术实现一根光纤传输双向信息号(点到点的传输。尤其是光纤资源不足，需要1根光纤传双向信号)。GigacBiDi包括SFP单纤双向（BiDi），GBIC单纤双向（BiDi），SFP+单纤双向（BiDi），XFP单纤双向（BiDi），SFF单纤双向（BiDi）等等。
4、1X9单模光收发一体模块
产品性能:
1X9封装单模模块
单电源+3.3V或+5V 供电
LVPECL/PECL/TTL 数据接口，DC耦合
符合ITU-TG957/958规范要求
Class 1规范产品，符合IEC 60825-1要求
符合GR-468-CORE 要求
5、1X9多模光收发一体模块
850nm VCSEL或1310nm FP-LD
1X9封装多模模块, 双SC/ST光接口
单电源+3.3V或+5V供电
LVPECL/PECL数据接口,DC耦合
完全符合ITU-TG957/958规范要求
符合Telcordia（Bellcore）GR-468-CORE要求
低成本、低功耗
可供应符合RoHS规范要求的产品
6、GBIC光收发一体模块
单电源+3.3V 或+5V 供电, 热插拔功能双SC接口
850nm/1310nm/1550nm VCSEL/FP/DFB, 单模或多模
基于千兆以太网1000基础-SX/LX/XD/ZX
Class1规范产品，符合IEC60825-1要求
符合Telcordia (Bellcore) GR-468-CORE要求
符合IEEE-802.3要求, 符合ANSI 规范要求
符合千兆接口转换规范Rev.5.5(1)要求
可供应无铅产品
7、SFF光收发一体模块
2X5小型化SFF封装
双LC光接口，单模或多模模块
单电源+3.3V 供电, LV-PECL数据接口
Class1规范产品，符合IEC60825-1要求
工作温度：- 40℃~ +85℃
符合MSA要求
符合Telcordia (Bellcore) GR-468-CORE要求
可供应无铅产品
8、SFP光收发一体模块
单电源+3.3V 供电, LV-PECL数据接口
Class1规范产品，符合IEC60825-1要求
工作温度：-40℃~ +85℃
符合Telcordia (Bellcore) GR-468-CORE要求
三、光功率的计量方法
光功率就是光在单位时间内所做的功。由于光功率太小以至于大家为了更方便表示它的测量大小，通常采用毫瓦(mw)和分贝(db)来表示。其中两者的关系为:1mw=0db。而小于1mw光的功率的分贝要用负值来表示。由于光通信光功率比较小，通常采用dBm来表示光功率大小，dBm意即分贝毫瓦。
功率单位 与P（瓦特）换算公式：
1dBm=30+10lgP (P:瓦 )
四、常用仪表光源、光功率计的测量方法
1、一般光功率仪表的仪表主要包括三部分组成：⑴、电源部分（通常采用9V干电池或2节1.5伏5号电池），通过稳压芯片将电源电压稳定在一个合理的电位，满足集成电路芯片的供电需求和显示模块的用电需求。⑵、显示部分（通常采用集成式液晶屏），完成测量仪表的显示功能。⑶、数据处理部分（包括单片机处理芯片、放大电路、AD转换电路）。具体的流程图如下：
图1
如图 1 所示，数字光功率计的基本工作原理如下：它首先把传输过来的光信号投射在光器件光敏面上以将其转变为电流，再经过 电信号放大电路的信号放大得到一个合理的放大区间的放大信号。以便得到与功率值相对应的直流电压，再将该信号经 A
／ D 转换，得到表示功率大小的数字量，最后通过数字信号处理
系统完成数据转换，并将数据送显示模块。
从上面的处理过程来看，影响光功率测量的因素很多，光功率测量的电路设计也计较复杂，从而造成仪表的价格比较高。并且单个仪表只能完成发光功率的测试或收光功率的测试，而不能同时完成两种功能。
五、单片机、可见光、SFP模块器件实现光纤分拣、发送光功率和接收光功率数据的测量方法
本次设计采用650nm波长红光源模块、SFP光模块、12864显示屏模块、STC89S52芯片等模块化组件完成光信号的功率测量（见功能示意图），并且能够同时完成发光功率和收光功率的数据显示，同时可以通过增加可见光元器件实现激光笔的功能。
功能示意图
由于目前大多数SFP光模块（见图2）都具有支持SFF-8472(工业标准多边协议)的接口，而根据该协议，各类型的SFP收发器必
须满足支持数字诊断监测（DDM, Digital Diagnostic Monitor）功能，该功能能够使用户实时检测SFP参数，例如基本的5大监控数据：温度（Temperature）、收发器供电电压（Vcc）、激光偏置电流（TX Current）、光输出功率（TX Power）、输入功率（RX Power）。
图2
由于可见光只用于分拣尾纤，不进行光功率测试，本设计只做功能增加，不单独说明。因此在电路设计过程中，只需利用单片机STC89S52芯片通过I²C总线读取SFP光模块内的DDM内有关光输出功率（TX Power）、输入功率（RX Power）的数据，再通过单片机的运算处理，将所得数据送显示屏显示即可（见原理图）。
此设计省去光电转换电路、放大电路以及AD转换电路等外围电路设计，并减少程序设计内容，从而降低设备制造成本，更利于网络维护设备的采购和普及，从而在日常的维护工作中提高工作效率。
原理图
补充：关于数据读取方式，由于SFP MSA 在EEPROM定义了256字节的内存映射图，标准接口、制造商和其他信息，可以通过I²C接口在8位地址10100000X (A0h)访问。其具体信息对应内容可参考SFP模块厂家的参数信息完成数据转换工作。
六、结束语
光通信技术的飞速发展促使了智能化、集成化、标准化的器件向着功能更全、体积更小、速度更快的方向飞速发展。本文从现有的测试仪表的设计流程和实现方式入手，通过对现代的SFP光通信模块的功能分析，从而利于单片机（微处理器）和SFP光通信模块的结合，给出了这种全新的数字光功率计的设计方法。该光功率计具有成本低、维护简单、模块资源丰富等诸多优点，
使用前期条件是SFP光模块符合设计标准要求，并且未老化。具有广阔的市场应用前景和参考价值。
参考文献
1、《基于STC89C516 单片机的数字光功率计设计 》2011-05-14 14:52:55 作者：耿涛，赵光，陶志勇
2、维基百科网站，自由的百科全书
3、互动百科网站
附录
