（电磁场与微波技术专业论文）嵌入式系统在光纤测量中的应用研究.pdf

中文摘要 随着信息时代的到来，传统的通过电缆传递信息的方式已不能满足需要。光 纤损耗低、带宽宽、容量大、原材料丰富，从各方面讲都是替代传统电缆的最好 选择，所以国内对光纤检测仪器的需求很大。目前，光纤检测仪，即光时域反射 仪，主要依赖于进口，这非常不利于我国知识产权的自主化，所以亟需开发一种 低成本、测量准确、适合工程应用的光时域反射仪。 本论文首先介绍了光纤测量技术的现状并给出了光时域反射仪的基本光学 原理和基本工作原理，在此基础上提出使用嵌入式系统是实现此功能的最好选 择；接下来详细介绍了我所搭建的数字平台，从功能、开发难度和成本几方面综 合考虑最终确立了以d s p 为中心主控芯片，f l a s h 、s d r a m 和c p l d 为外围 功能模块的总体方案；而后介绍如何根据b o x c a r 原理编写程序完成系统功能， 最后给出系统调试方法，包括硬件调试和软件调试以及在实际应用中积累的一些 经验。 文章深入探讨了a d i 公司的a d s p b f 5 3 l 的功能和开发过程，同时提出一 种在功能和速度上都能很好满足系统需要的一种算法：b o x c a r 算法，并给出算 法框图。a d s p b f 5 3 1 是a d i 公司新一代1 6 位高速d s p 产品，这一新产品是专 为通信和互联网应用而设计的通用d s p 芯片，能处理广泛用于互联网的大量图 像、声音、文本和数据流，适用于电信和各种互联网设备。b o x c a r 算法是基于 硬件b o x c a r 提出的一种改良算法，克服了硬件实现时离散性大，设备复杂等缺 点，它的核心概念是积累平均。 经过实际验证，证明该系统能够根据国际标准完成对光纤的衰减和长度等指 标的检测且测量准确迅速，可以达到国外先进水平。 关键词：光时域反射仪d s p 数字系统b o x c a r a bs t r a c t n o w a d a y s ，o u rc o u n t r y si n f o r m a t i o ni n d u s t r yi sd e v e l o p i n ga tap h e n o m e n a l r a t e t h r o u g ht h et r a d i t i o n a lm e d i at bt r a n s f e rt h ei n f o r m a t i o nh a v ef a i l e dt om e e tt h e i n c r e a s e dn e e d s t h eo p t i c a lf i b e ra san e wc a r r i e rh a sm a n ym e r i t s ，s u c ha st h el o w e r s p o i l a g e ，b r o a d e rb a n dw i d t h ，l a r g e rc a p a c i t ya n dt h ee n o u g hm a t e r i a l ，s oi ti st h eb e s t c h o i c et o r e p l a c et h et r a d i t i o n a lc a r r i e r a tp r e s e n t ，t h em a i nd e v i c et od e t e c tt h e o p t i c a lf i b e ri so p t i c a lt i m ed o m a i nr e f l e c t o r b e c a u s ei nt h ep r o je c ti ti se s s e n t i a l ， s ot h ed e m a n di sv e r yb i gi no u rc o r n t r y , b u tt h em a j o r i t yo fi n s t r u m e n t sr e l yo ni n i m p o r t s oi ti sn o ta d v a n t a g e o u st ot h ei n d e p e n d e n c eo fo u rc o u n t r y si n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s t h e r e f o r ew em u s td e v e l o po n ek i n do fl o wc o s t ，s u i t a b l ep r o j e c t a p p l i c a t i o no t d r f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h eo p t i c a lf i b e re x a m i n a t i o n t e c h n o l o g ya n dt h eb a s i co p t i c sp r i n c i p l ea n db a s i cp r i n c i p l eo fw o r k , i nt h i s f o u n d a t i o n ，p r o p o s i n gt h ee m b e d d e ds y s t e mi st h eb e s tc h o i c et or e a l i z et h i sf u n c t i o n t h ee m b e d d e ds y s t e mi sap o p u l a rr e s e a r c ha r e a ，i tw i d e l ya p p l i e si nt h ee l e c t r o n ，t h e m e d i c a ls e r v i c e ，t h ea v i a t i o na n dt h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y n e s tii n t r o d u c et h ed i g i t a l p l a t f o r m ，o nt h i sb a s i s ，ir a i s e dt h em a i nc h i pi sa d s p - b f 5 31 ，a n dt h ep e r i p h e r a l c h i p sa r ef l a s h 、s d r a ma n dc p l d a f t e rt h a t ，ii n t r o d u c e dh o wt op r o g r a m a c c o r d i n gt o t h eb o x c a rp r i n c i p l e l a s t ，ii n t r o d u c e dt h em e t h o d so fs y s t e m d e b u g g i n g m a i n l y , ie m p h a s i z e dt h ef u n c t i o no fm a i nc h i pa d s p - b f 5 31a n dt h em a i n a l g o r i t h m ：b o x c a ra l g o r i t h m a d s p - b f 5 3ii sa d ic o r p o r a t i o n sn e wg e n e r a t i o no f h i g hs p e e dd s pp r o d u c t ，t h i sn e wp r o d u c ti sd e s i g n e df o rt h ec o m m u n i c a t i o na n d i n t e r n e ta p p l i c a t i o n s ，a n di tc a np r o c e s st h em a s s i v ei m a g e s ，t h es o u n d ，t h et e x ta n d d a t as t r e a m t h eb o x c a ra l g o r i t h mi sak i n do f i m p r o v e m e n ta l g o r i t h m ，w h i c hb a s e d o nt h eb o x c a rd e v i c e ，i to v e r c o m eal o to f s h o r t c o m i n go ft h ed e v i c e t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h i ss y s t e mc a nt e s tt h ea r e n u a t i o na n dt h el e n g t ho f t h eo p t i c a lf i b e ra c c u r a t e l ya c c o r d i n gt ot h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d k e y w o r d s ：o t d r ，d s p , d i g i t a ls y s t e m ，b o x c a r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彦火苊签字日期：膨7 年月上7 日学位论文作者签名：矽火危签字日期：膨年月上7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 签字日期：渺7 年f 月圳f t 导师签名： 签字日期：搠年，月同 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。从当前信息技术发展 的潮流来看，数据化、宽带化、综合化已成趋势，传输与交换融合，电路交换向 分组交换演进，网络向更加宽带化、智能化、集成化、兼容性、灵活性和高可靠 性的方向发展已成必然。传统的电缆带宽窄、体积大已经无法负荷巨大的信息量， 而光纤的可用带宽达3 0 t h z ，其中单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级 和扩容等优点已作为一种大容量的信息载体越来越多地应用在信息网络之上。近 十年来，随着网络的不断演进和巨大的信息传输需求，人们对光纤通信提出了更 高的要求，同时也促进了光纤通信技术的发展。仅以波分复用技术( w d m ) 为 例，由于w d m 具有大容量、透明性、可重构性、易扩容性等优异性能，近年来 得到了极大的重视和飞速的发展，与其相关的光器件、光系统、光网络等方面的 发展代表了光通信技术的发展方向，己成为国际和国内在光纤通信领域内的研究 重点和应用热点。光网络的飞速发展，同时带动了相关产业的发展，如光纤、光 缆制造业，光纤网测量业等。2 0 0 6 年p t v 和f t r h ( 光纤到户) 已经开始逐渐得 到推广，持续性的拉动了对光纤、光缆的需求。今年还有可能是3 g 的开局年， 一旦3 g 市场正式启动，上千亿元的投资规模无疑会给光纤光缆企业带来一个更 加广阔的市场。光纤光缆的大规模应用，对测量技术也提出了新的要求。传统测 量仪器多采用模拟方式，在测量精度、速度和准确性上都己不能满足新的要求， 必须利用数字芯片、数字化新技术等实现数据的采集和分析，这就是我们面临和 需要解决的问题。 1 2 光纤测量系统现状 随着光纤网范围的不断扩展，其复杂程度也远远超出了人们的想象。在施工 的过程中为杜绝隐患，施工人员必须随时了解每段光纤、每个局域网络的具体情 况，如光纤损耗以及光纤是否畅通等，若损耗过大( 包括熔接点损耗和光纤损耗) ， 则信号在传输过程中将被噪声污染，到达客户端时发生劣化，甚至不可使用；在 日常维护中，必须保证网络的畅通，如有断点必须马上诊断出断点位置并修复， 第一章绪论 否则会造成重大损失。所以如何快速、准确的查找网络中存在的问题就成了摆在 人们面前的一个严峻问题。 对于光纤损耗的测量，目前主要有两种方法：剪断法和后向散射法。剪断法 是基本测量方法，使用仪器简单，测量精度高，但具有破坏性，在现场施工中无 法使用；而后向散射法则可在不破坏光纤的前提下迅速准确地测得待测光纤的整 体损耗，但这一方法必须使用专门的仪器。对于光纤断点位置的测量主要使用的 是反射法。后向散射法和反射法统称为光的时域反射原理。光时域反射原理是目 前光纤测量的主流测试方法，也是本系统所采用的测量方法。它测试过程简单易 操作，测量准确，但系统构成复杂、信号处理难度大，国内方面只有极少的厂家 可以生产。但目前市场需求巨大，国外仪器又过于昂贵，基于这一需求，本论文 的研究方向是研究和开发一种低成本、易于实现的基于光时域反射的光纤测量系 统。 1 3 本论文结构 第二章光传输特性以及光纤测量所依据的基本光学原理。 第三章嵌入式系统概述。主要介绍当前嵌入式系统特点、构成及设计原则。 第四章系统的硬件组成。主要介绍本系统数字电路的组成及各部分主要芯 片的选择和所实现的主要功能。 第五章详细介绍b o x c a r 算法硬件模型、基本原理，比较几种具体算法的 优缺点，最后介绍本系统所采用的算法。 第六章详细介绍如何对整个系统进行软、硬件调试，以及系统调试所要遵 循的主要原则。 在课题进行当中，本人所做的主要工作和创新主要包括： 1 对光信号的特点进行研究，独立完成系统软硬件方案的确定和器件的选型。 2 搭建数字平台。 3 对基于b o x c a r 的算法进行深入研究，探讨出一套适合本系统的算法。 4 使用汇编语言和c 语言混合编程，完成系统的主要功能。 5 研究高速率数据采集系统，并根据所需接收信号的特点制定软硬件方案。 对软硬件进行综合调试，；馘系统功能。 第二章光时域反射的基本原理 2 1 光纤传输性质 第二章光时域反射的基本原理 分析光纤中光的传输，可以用两种理论t 射线光学( 即几何光学) 理论和波 动光学理论。射线光学是忽略波长五的光学，是用光射线去代表光能量传输路线 的方法。波动光学是把光纤中的光作为经典电磁场来处理。因此，光场必须服从 麦克斯韦方程组以及全部边界条件。从波动方程和电磁场的边界条件出发，可以 得到全面、正确的解析或数字结果，给出波导中容许的场结构形式( 即模式) ， 从而给出光纤中完善的场的描述。 光纤的传输特性主要是损耗和色散。 2 1 1 光纤的损耗 所谓光纤损耗，是指光纤每单位长度上的衰减，单位为d b k m 。光纤的传输 损耗是很重要的一个参数，它在很大程度上决定着传输系统的中继距离，对传输 损耗的准确测量可以及时发现可能的故障点。损耗的降低依赖于工艺的提高和对 石英材料的研究。无论是哪种类型的石英光纤，损耗产生都是由以下因素造成的： 纤芯和包层物质的吸收损耗，包括石英材料的本征吸收和杂质吸收。 纤芯和包层材料的散射损耗，包括瑞利散射损耗以及光纤在强光场作用下诱 发的受激喇曼散射和受激布里渊散射。 由于光纤表面的随机畸变或粗糙所产生的波导散射损耗。 光纤弯曲所产生的辐射损耗。 这些损耗机理又可以分为两种不同的情况：一是石英光纤的固有损耗机理， 像石英材料的本征吸收和瑞利散射，这些机理限制了光纤所能达到的最小损耗； 二是由于材料和工艺所引起的非固有损耗机理，它可以通过提纯材料或改善工艺 而减小甚至于消除其影响，如杂质的吸收、波导的散射等。 0 8 5 帅、l3 岫和1 5 5 t j m 左右是光纤通信中常用的低损耗窗口。0 8 5 p l f n 的 窗口是最早开发的，因为首先研制成功的半导体激光器( g a a l a s ) 的发射波长刚 好在这一区域。随着对光纤损耗机理的深入研究，人们发现长波长( 1 3 啪和 1 5 5 m ) 光纤的传输损耗更小。因此，长波长光纤通信受到重视并得到非常迅速 的发展。1 3 1 0 n m 窗口的衰减值在0 3 - 0 4 d b k m ，1 5 5 0 n m 窗1 ：3 的衰减值在 第二章光时域反射的基本原理 0 1 9 - 0 2 5 d b k m 。光纤的损耗频谱如图2 1 所示： d b l 2 1 2 光纤的色散 图2 1 光纤损耗频谱图 光纤的色散是指由于光纤中光信号中具有不同频率成分或不同模式，在光纤 中传输速度不同，使得光信号中的不同频率成分或不同模式到达光纤终端有先有 后，从而对直接检波的光通信系统产生波形畸变的一种现象。由于色散的存在， 光脉冲在传输过程中将被展宽，这是4 0 6 b s 高速光纤通讯的主要技术难点之一。 光纤的色散引起传输信号的畸变，使通信质量下降，从而限制了通信容量和通信 距离。在光纤的损耗已大为降低的今天，色散对高速光纤通信的影响就显得更为 突出。从机理上说，色散可分为模式色散、材料色散以及波导色散。 从波动光学的理论来分析，多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速 度，因而形成模式色散。 材料色散是石英的折射率随波长而变所引起。在长度为l 的光纤中，因材料 色散引起的群时延展宽为 f 。= ( l c ) 2 , 觑( d 2 n l d , ；1 2 ) ( 2 1 ) 式中：c 为真空中的光速；1 1 为折射率：觑为l e 点光源的谱线宽度。 波导色散是模式本身的色散，对光纤的某个模式，在不同的频率下，由于群 速不同，故引起色散。 在多模光纤中，模式色散的影响是主要的，而对于目前大量使用的单模光纤， 主要存在材料色散、波导色散和偏振模色散。 第二章光时域反射的基本原理 2 2 光纤测量中所依据的主要光学原理 在目前的光纤测量中，主要是要测量光纤的损耗和断点。光纤损耗的测量所 依据的主要是瑞利散射原理；光纤断点的测量所依据的主要原理是菲涅尔反射。 2 2 1 瑞利散射 瑞利，十九世纪最著名的物理学家之一，1 8 4 2 年1 1 月1 2 日出生于英国的 莫尔登。瑞利对物理学曾做出了很大的贡献，他在声学、波的理论、光学、光的 散射、电力学、电磁学、水力学、液体流动理论方面都做出了不可磨灭的贡献。 1 9 0 4 年，他因和拉姆塞同时发现了惰性元素氩( a r ) 而荣获了该年度的诺贝尔 物理学奖。18 7 1 年，瑞利在经过反复研究，反复计算的基础上，提出了著名的 瑞利散射公式，当光线入射到不均匀的介质中，如乳状液、胶体溶液等，介质就 因折射率不均匀而产生散射光。瑞利研究表明，即使均匀介质，由于介质中分子 质点不停的热运动，破坏了分子间固定的位置关系，从而也产生一种分子散射， 这就是瑞利散射。瑞利经过计算认为，分子散射光的强度与入射光的频率( 或波 长) 有关，即四次幂的瑞利定律。下式为著名的瑞利散射公式。 卜筹( 箸蔫) ( 1 阳氓 ( 2 - 2 ) 光纤在加热制造过程中，热骚动使原子产生压缩性的不均匀，造成材料密度 不均匀，进一步造成折射率的不均匀。这种不均匀在冷却过程中固定下来，引起 瑞利散射，这种散射向四面八方，其中总有一部分会进入光纤的数值孔径角，沿 光纤轴反向传输到输入端。光时域反射仪的光接收部分将这些散射信号接收、放 大，并根据它的强度计算出斜率，并最终得出损耗值。 2 2 2 菲涅尔反射 菲涅耳于1 7 8 8 年出生在法国诺曼底省的布罗格利，他提出了完整的偏振光 理论，被称为“物理光学的缔造者”。如图2 2 所示的菲涅尔反射就是大家平常 所理解的光反射，是离散的反射，它由光纤的个别点产生，光纤的几何缺陷或断 裂面( 活连接点和冷接点) 会使折射率突变，产生菲涅尔反射。菲涅尔反射光功 率远大于后向瑞利散射光功率，下面详细论述菲涅尔反射公式。 第二章光时域反射的基本原理 弋 h 1 特 图2 2 菲涅尔反射示意图 利用边界条件，可求出在两种各向同性、均匀介质的分界面上，电磁波的反 射和折射定律。坐标选择如图2 2 所示。若入射波为一平面谐波，则其反射波和 折射波也是平面波。通过推倒可得反射定律和折射定律： 入射波、反射波与折射波均在同一平面。 入射角等于反射角。 n ，s i n 鼠= 胛，s i n 幺。 反射定律与折射定律只给出了入射波、反射波和折射波传播方向之间的关 系，菲涅尔公式可以求反射光和折射光的强度及其相位变化等。为此就要考虑e 和日两矢量的取向。由于任一偏振态的光可分解为两个相互垂直的分量，一般 是把它分解成在入射面内的分量和垂直于入射面的分量。而平面电磁波在反射和 折射时这两个分量是相互独立的，即平行分量在反射、折射时只产生平行分量， 垂直分量在反射、折射时只产生垂直分量。通过推倒可得到著名的菲涅尔公式： f 2 1 尉銎 可釜 e 薄 耳华 耳釜 e j 釜 。e o ( o 平 e 揖 。哇2 2 r 2 2 42 s i i l ( g 一岛) 一刀lc o s 0 , 一，z 2c o s 8 2 一。_ _ - _ 一= = - _ _ - _ 。- - - _ _ _ _ 。_ _ _ - - _ i - _ - - _ _ _ _ _ _ _ 一 s i n ( o l + 岛) 以ic o s o i + n 2c o s 0 2 t a n ( 0 1 一幺) 一n 2c o s 0 1 一n 1c o s 0 2一_ 。_ _ 一= - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 t a n ( 0 , + 岛) 门2c o s 0 1 + ，2 lc o s 0 2 2 c o s 鼠s i n 只2 n ，c o s 鼠 。一= ：。_ _ - _ _ 。- _ 。_ _ _ _ - _ _ - _ - - 一 s i n ( 0 1 + 0 2 )聆lc o s 0 1 + n 2c o s 0 2 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ：f 。： 垫! 刍! ! 里竺 ： 三! ! ! 竺! 刍 ( z 一- b 一) 2 f = _ 二- 一= 二l 一 l j s i n ( 0 1 + 0 2 ) c o s ( a 1 一幺)刀2c o s o l 十，z lc o s 0 2 2 3 光时域反射仪的基本工作原理 上面两节介绍了光纤传输特性和光纤测量中所用到的主要光学原理，下面介 第二章光时域反射的基本原理 绍o t d r 是如何利用以上原理对光纤进行测量的。 o t d r ，即光时域反射仪，他的英文全称为：o p t i c a lt i m ed o m a i n r e f l e c t o m e t e r 。它用到的光学理论就是上文所说的瑞利散射和菲涅尔反射。这种 测量方法是由m b a m o s k i m 和m j e n s e n 在1 9 7 6 年发明的。 o t d r 类似一个光雷达，它先对光纤发出一个测试激光脉冲，然后观察从光 纤上各点返回( 包括瑞利散射和菲涅尔反射) 的激光的功率大小情况，这个过程 重复的进行，然后将这些结果根据需要进行平均，并以轨迹图的形式显示出来， 这个轨迹图就描述了整段光纤的情况。 图2 3 就是一个典型的o t d r 轨迹图： t = m ，n t e o n 一i 。c o n 肭k i r 1 ； v - t i m , l柚 b e n d - - - - - 1 1 一l 、 | c m c k 1 j k 二篇腰i o l 。 i k 产j i s p l i o e l n o i s e ii，_ ， ， 枞懈 山 盘- r 七_ 蜊_ r 一一 t 。 _ 05 01 0 0 1 5 02 0 o2 5 ooi c m3 5 o 图2 3 典型o t d r 轨迹图 从图中可以得到如下信息： 被测光纤长度：图中第一个尖峰为起始反射脉冲，最后一个为终端反射 脉冲，二者之间的差值为光纤长度。 接头位置：轨迹图中的较弱尖峰标明了接头位置，光纤接头分为f c p c 和f c a p c 两种类型。 光纤衰减情况：根据轨迹斜率可得出光纤衰减情况。 它的工作原理如下： 一个功率为p ( o ) ，脉冲宽度为t ( o ) 的光脉冲射入光纤后，经过距离l 后， 光功率p ( l ) 为： 尸( ) = p ( 0 ) 卞1 0 一( 吐 ( 2 - 7 ) 其中a 为衰减系数，由于瑞利散射的作用，在l 点有一部分光射回到光纤的 凹 钔 伽 伽 黜 踟 蜘 - 第二章光时域反射的基本原理 输入端，则l 点的背向散射功率为： 兄( 上) = p ( l ) y ( l ) i o 一吐7 1 0 = p ( o ) r ( l ) i o 。2 吐7 1 ( 2 8 ) 其中y ( l ) 表示l 处的背向散射系数，定义r ( l ) 为： y ( l ) = ( v t 2 ) a 胄s ( 2 - 9 ) v 表示光在纤芯中的群速率，口。为瑞利散射系数，s 表示背向散射功率与瑞利散 射总功率之比。设l 处的背向散射系数光功率为： 气( 0 ) = p ( o ) r ( o ) ( 2 1 0 ) 得到0 - _ l 之间平均衰减系数为： 口= 却。g 器山g 怒， 睁 假设光纤是均匀的，r ( o ) = r ( l ) ，则o - l 之间平均衰减系数为： 口= 却。g 器， 蚴 这时可以从背向散射曲线得到实际的衰减系数。 图2 4 是一个o t d r 设备的结构简图： d i m c t i o n a i i a a e rd i o d e c o u p l e r p u l s e g e n e m t o r 图2 4o t d r 结构简图 从总体上讲可分为两大部分：信号收发部分和数据处理部分。 信号收发部分用于首先将脉冲发射入光纤，而后将散射和反射信号接收、放 大，最后通过a d 转换器将数字信号送入信号处理器。 信号处理部分通常是一个嵌入式系统，它负责数据接收、数据处理、数据显 示等一系列工作。首先，由它发出一个光脉冲，通过发光二极管、分路器、光纤 连接器注入到光纤中，在此脉冲信号传输的过程中，产生背向散射信号和反射信 第二章光时域反射的基本原理 号，这些信号通过光分路器的另一路作用于光敏二极管，之后放大器将这一微弱 信号放大，最后送入a d 转换器，a d 转换器将变换后的数字信号交由中央处理器 进行处理。我所开发研究的就是信号处理部分的嵌入式系统。 下面简要介绍0 t d r 的主要参数： ( 1 ) 测量距离：由于光纤制造完成之后其折射率基本不变，这样光在光纤中 的传播速度就不变，这样测试距离和时间就是一致的，实际上测试距离就是光在 光纤中的传播速度乘上传播时间，对测试距离的选取就是对测试采样起始和终止 时间的选取。测量时选取适当的测试距离可以生成比较全面的轨迹图，对有效的 分析光纤的特性有很好的帮助，通常根据经验，选取整条光路长度的1 5 2 倍 之间最为合适。 首先确定从发射脉冲到接收到反射脉冲所用的时间，再确定光在光纤中的传 播速度，就可以计算出距离。以下公式说明o t d r 如何测量距离： d = ( c t ) 2 u o g ) ( 2 1 3 ) c ：光在真空中的传播速度。 t ：光脉冲从发出到接收的总时间。 i o r ：光纤的折射率。 ( 2 ) 脉冲宽度：可以用时间表示，也可以用长度表示，很明显，在光功率大 小恒定的情况下，脉冲宽度的大小直接影响着光的能量的大小，光脉冲越宽光的 能量就越大。同时脉冲宽度的大小也直接影响着测试盲区的大小，也就决定了两 个可辨别事件之间的最短距离，即分辨率。显然，脉冲宽度越小，分辨率越高， 脉冲宽度越大分辨率越低。 ( 3 ) 折射率：就是待测光纤的实际折射率，这个数值是由待测光纤的生产厂 家提供的。单模石英光纤的折射率大约在1 4 1 6 之间。越精确的折射率对提高 距离测量的精度越有利。这个问题对光路的配置也有实际意义。实际上，在配置 光路时应尽量选用折射率相同或相近的光纤进行配置，应尽量减少将折射率相差 很大的光纤连接在一起形成光路。 ( 4 ) 测试光波长：就是指o t d r 激光器发射的激光的波长，波长越短，瑞利 散射的光功率就越强，在o t d r 的接收段产生的轨迹图就越高，所以1 3 1 0 的脉 冲产生的瑞利散射的轨迹图样就要比1 5 5 0 r i m 产生的图样要高。但是在长距离测 试时，由于1 3 1 0 n m 衰耗较大，激光器发出的激光脉冲在待测光纤的末端会变得 很微弱，这样受噪声影响较大，形成的轨迹图就不理想，宜采用1 5 5 0 r i m 作为测 试波长。在高波长区( 1 5 0 0 n m 以上) ，瑞利散射会持续减少，但是一个红外线衰 减( 或吸收) 就会产生，因此1 5 5 0 n m 就是一个衰减最低的波长，因此适合长距 离通信。所以在长距离测试的时候适合选取1 5 5 0 n m 作为测试波长，而普通的短 第二章光时域反射的基本原理 距离测试选取1 3 l o n m 为宜，视具体情况而定。 ( 5 ) 动态范围：动态范围的定义是测量开始三分钟后，光纤起始点处的后向 散射电平与噪声电平的差值。它决定了o t d r 所能测得的最长光纤距离。如果 o t d r 的动态范围较小，而待测光纤具有较高的损耗，则远端可能会消失在噪声 中。 ( 6 ) 盲区：盲区的产生是由于反射淹没散射并且使得接收器饱和引起，通常 分为衰减盲区和事件盲区两种情况。 1 衰减盲区：从反射点开始到接收点回复到后向散射电平约0 5 d b 范围内的 这段距离，这是o t d r 能够再次测试衰减和损耗的点。 2 事件盲区：从o t d r 接收到的反射点开始到o t d r 恢复的最高反射点1 5 d b 一下的这段距离，这里可以看到是否存在第二个反射点，但是不能测试衰减和损 耗。 以上几点是光时域反射仪的几项主要参数。其中动态范围和盲区是o t d r 最 重要的两个指标，越大的动态范围可以测量越长的距离，而盲区标志了o t d r 的 最小分辨率，即0 t d r 所能测量的两个事件的最小距离。同时动态范围和盲区又 是两个矛盾的指标，为了能够提高仪器测量的最长距离就必须扩大动态范围，动 态范围的扩大可以通过使用宽度大的光脉冲和提高放大器增益来实现，而这两种 方法都会造成盲区的增大。如何在增大动态范围的前提下同时减小盲区是所有 o t d r 的技术难点。 第三章嵌入式系统概述 第三章嵌入式系统概述 近年来嵌入式系统的应用掀起了热潮。所谓嵌入式系统，i e e 定义为：“嵌 入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备。简单说就 是面向特定应用设计的专用计算机系统。有别于全局计算机系统，嵌入式系统的 外形尺寸、功耗、外部适配器等各种特征必须满足应用的要求和限制。他的操作 系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系 统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方式。具有软件代码小，高度自动化，响 应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。 虽然嵌入式系统是最近几年才风靡起来的，但从2 0 世纪7 0 年代单片机的出 现到今天各式各样嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有 了近3 0 年的发展历史。 嵌入式系统的出现最初是基于单片机的，所以有人理解嵌入式的计算机就是 单片机，这样的理解是不全面的。嵌入式的概念是一种应用方式上的定义，虽 然它可能也涉及一些特定的结构，但它本身并不是结构上的定义。2 0 世纪7 0 年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品 可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能，更容易使用，更快，更便宜。这 些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只使用8 位的芯片， 执行一些单线程的程序。从2 0 世纪8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员开始 用商业级的“操作系统”编写嵌入式应用软件，这使得可以获取更短的开发周期、 更低的开发资金和更高的开发效率，“嵌入式系统 真正出现了。 3 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统主要有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术及电子技术与各个行业 的具体应用相结合的产物，是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的 知识集成系统。 ( 2 ) 嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的、嵌入式系统 的c p u 与通用c p u 的最大不同是前者大多工作在为特定用户群设计的系统中。嵌 入式系统c p u 都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多 第三章嵌入式系统概述 板卡完成的任务集成在芯片内部，使整个系统设计趋于小型化。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，升级换代也是和具体产品同 步进行的。嵌入式系统的专用性很强，其中软件系统和硬件的结合非常紧密，一 般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据 系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进 行较大更改，程序的下载编译要和系统相结合。 ( 4 ) 具有较高的可靠性、合理的成本、低的耗电量、有效利用处理能力、有 效利用存储器和适当的执行时间。高实时性的系统软件是嵌入式软件的基本要 求，而且软件要求固态存储，以提高速度，软件代码要求高质量和高可靠性。 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自主开发能力，即 使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工 具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般基于通用计算机上的软硬件设备 以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念， 主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 3 2 嵌入式系统的组成 相对台式计算机而言，嵌入式系统的框架可以分成4 个部分：处理器、存储 器、输入输出( f o ) 和软件。其中软件是应用软件和操作系统的紧密结合体。 较小的嵌入式系统选择微控制器作为处理器，优点在于处理器可以将很多计 算机功能包含在一个芯片上。最小微处理器包含一个c p u 、一个小容量的内部 存储器及作为子系统的i o 模块。许多微控制器也有模拟输入，对传感器进行采 样。一台嵌入式计算机通过传感器可以用来测量光强、温度、震动、湿度等。这 些微控制器也有串口，通过串口可以和一台主机、另外的嵌入式系统或者一个简 单的网络进行连接。这些串口允许外部设备和微处理器连接起来，如外存储器、 外部模拟输入与输出、语音芯片等，如图3 1 所示。 丌t ，i 童 丑电l i i 盏掌；尝口 机 确啦恤 络 l 蚪蟾3 l 儿) 诤m 输，、 ；缸 a w 【：p u”l 一 ! i 输 j r “，l 椰 r m1 1 ( 。 。 申 ， - n ， k m 汁州器 ! l l i u r t 忿线摆 ： 。 l o 图3 1 嵌入式处理器的结构与接口 实时操作系统是嵌入式系统目前最主要的组成部分。根据操作系统的工作特 性、实时是指物理进程的真实时间。实时操作系统具有实时性，是能从硬件方面 支持实时控制系统工作的操作系统。其中实时性是第一要求，需要调度一切可利 用的资源完成实时控制任务，其次才着眼于提高计算机系统得使用效率。 3 3 嵌入式系统总体设计原则 嵌入式系统的设计可以分成三个阶段：分析、设计和实现。分析阶段是确定 要解决的问题及需要完成的目标，也常常被称为“需求阶段”；设计阶段主要解 决如何在给定的约束条件下完成用户的要求；实现阶段主要解决如何在所选择的 硬件和软件的基础上进行整个软、硬件系统的协调实现。在分析阶段结束后，通 常开发者面临一个棘手的问题，就是硬件平台和软件平台的选择，因为他的好坏 直接影响着实现阶段的任务完成。硬件和软件的选择包括：处理器、硬件部件、 操作系统、编程语言、软件开发工具、硬件调试工具、软件组件等。在上述选择 中，通常处理器是最重要的，同时操作系统和编程语言也是非常关键的。处理器 的选择往往同时会限制操作系统的选择，操作系统的选择又会限制开发工具的选 择。 3 3 1 处理器的选择 嵌入式系统的核心部件是各种典型的嵌入式处理器，嵌入式处理器的品种总 量已经超过1 0 0 0 多种，设计者在选择处理器时要考虑的主要因素有：处理性能、 第三章嵌入式系统概述 技术指标、功耗、软件支持工具、是否内置调试工具、供应商是否提供评估板等。 一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率、内部寄存器的大小、指 令是否对等处理所有的寄存器等。对于许多需用处理器的嵌入式系统设计来说， 目标不是在于挑选速度最快的处理器，而在于选取能够完成作业的处理器和i o 子系统。 当前，许多嵌入式处理器都集成了外围设备的功能，减少了芯片的数量，降 低了整个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一些硬件能否 无需过多的逻辑就可以连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片， 如d m a 控制器、内存管理器、中断控制器、串行设备和时钟等的配置。 嵌入式微处理器最大并且增长最快的市场是手持设备、电子记事本、p d a 、 手机、g p s 导航器等消费类电子产品。这些产品中选购的微处理器，典型的特点 是要求高性能、低功耗。 3 3 2 软件平台的选择 硬件方案确定之后，操作系统的选择就相对轻松了。硬件的不同，会影响操 作系统得选择。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统很多，但关键是如何选择 一个适合开发项目的操作系统。可以从以下几点进行考虑： 一 操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统只支持该系统供应商的开发工 具，因此，还必须向操作系统供应商获取编译器、调试器等；而有些操作系统使 用广泛，且有第三方工具可用，因此，选择的余地比较大。 操作系统向硬件接e l 移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要的问题， 是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此，要选择那些可移植性好 的操作系统，避免操作系统难以向硬件移植而带来的种种困难，从而加速系统的 开发进度。 操作系统的内存要求。均衡考虑是否需要额外花钱去购买r a m 或e e p r o m 来满足操作系统对内存的较大要求。 开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的a p i ：操作系统是否提供硬件的驱 动程序，如网卡等；操作系统的可剪裁性，有些操作系统具有较强的可剪裁性， 如嵌入式l i n u x 、t o m a d o v x w o r k s 等；操作系统的实时性。 3 3 3 编程语言的选择 编程语言的选择主要考虑以下因素： 通用性 不同种类的微处理器都有自己专用的汇编语言。这就为系统开发者设置了一 第三章嵌入式系统概述 个巨大的障碍，使得系统编程更加困难，软件重用无法实现。而高级语言一般和 具体机器的硬件结构联系较小，多数处理器都有良好的支持，通用性好。 可移植性程度 汇编语言和具体的微处理器密切相关，为某个微处理器设计的程序不能直接 移植到另一个不同种类的微处理器上使用，可移植性差；而高级语言对所有微处 理器都是通用的，程序可以在不同的微处理器上运行，可移植性较好。 执行效率 一般来说，越是高级的语言，其编译器和开销就越大，应用程序也就越大、 越慢；单纯依靠低级语言，如用汇编语言来进行应用程序的开发，带来的问题是 编程复杂，开发周期长。因此，存在一个开发时间和运行性能间的权衡问题。 可维护性 低级语言如汇编语言，可维护性不高。高级语言程序往往是模块化设计，各 个模块之间的接口是固定的。当系统出现问题时，可以很快地将问题定位到某个 模块内，并尽快得到解决。另外，模块化设计也便于系统功能的扩充和升级。 3 3 4 集成开发环境 集成开发环境i d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) 应考虑以下因素： i d e 支持的库函数，许多开发系统提供大量使用的库函数和模板代码，如大家比 较熟悉的c + + 编译器就带有标准的模板库，他提供了一套用于定义各种有用的存 储、搜寻、排序对象。 3 4 本系统的嵌入式设计 结合光信号的特点，本方案采用基于d s p 的嵌入式系统设计方法。这主要是 考虑到使用d s p 具有如下优势： 极高的性价比。 与f l a s h 、s d r a m 、s r a m 、双端口等外设采用无缝连接。 可同时使用汇编语言和c 语言，兼顾了软件的通用性和实时性。 开发环境功能强大，可进行在线仿真。 对于整个系统的具体构成，留待下章详细介绍。 第四章系统数字电路设计 第四章系统数字电路设计 4 1 传统数据处理系统 4 1 1 基本原理框图 数据的采集与处理是信号处理的基础，在瞬态信号测量，图像处理等一些高 速、高精度的测量中，都需要进行高速数据采集与处理。它的关键技术是高速 a d c 技术、数据存储与传输技术和抗干扰技术。一个标准的数据采集系统通常是 由a d 转换器( a d c ) 、数据缓存和中央处理器组成的。 传统数据采集系统中，由于芯片技术的欠缺，核心处理器多采用5 l 单片机， 同时为了实现实时的功能，数据缓存部分多利用先进先出( f i f o ) 存储器，如图 4 1 所示： 图4 1 传统数据采集系统 这样一个构建主要是基于实时性的考虑。5 1