（电磁场与微波技术专业论文）光收发模块监测系统的设计与实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位 本人签名 处，本人承担一切相关责任。 日期： 乏竖z 望：星： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：墨! 么竺z ：厶 日期：j 夕，坠尘上 4 。 - 、- _ - ， p 一 光收发模块监测系统的设计与实现 摘要 光纤通信己经成为现代信息网络的主要传输方式之一，随着通信 容量不断提高和通信网络越来越大，对于光收发模块的要求越来越 高。光收发模块和光纤通信网络的技术发展是相辅相成的，这就迫切 希望光收发模块具有智能化功能。光收发模块的数字诊断功能就提供 了这样一种低成本的性能监测手段。通过光收发模块的数字诊断功 能，技术人员可以实时监测光收发模块的温度、供电电压、激光器偏 置电流以及发射光功率和接收光功率等重要工作参数。这些参数的测 量，有助于技术人员对于系统进行故障预测和故障定位以及兼容性验 证。通过故障预测，技术人员可以提前替换可能产生故障的单元，减 少由光收发模块损坏造成的损失；通过故障定位，技术人员可以迅速 找出故障位置，缩短故障修复时间，从而最大限度保障系统运行：通 过兼容性验证，工作人员可以分析光模块的工作环境是否符合数据手 册或者与相关的标准兼容，从而可以为光模块提供适宜工作条件，保 证其运行可靠性。因此带数字诊断功能光模块的应用大大简化了系统 维护工作，提高了系统的可靠性。 本文在此背景下，对带数字诊断监控功能的小型封装可热插拔 ( s f p ) 光收发模块展开研究。深入研究了光收发模块的原理、数字诊 断的原理、1 2 c 总线协议、s f f 一8 4 7 2m s a 协议，给出了一种实用的 光模块监测系统的设计方式，实现了光模块监测系统硬件设计和软件 设计。 本文在光模块监测系统控制部分的设计中，采用微控制器实现实 时监控功能，与传统的控制方案相比，该方案具有可扩展性好、性价 比高等优点；在五个主要监测参数( 工作电压、模块温度、偏置电流、 发射光功率、接收光功率) 的实时显示方案设计中，采用中文液晶模 块实时显示，实现方案更加直观简便，易于操作；在与计算机的实时 通信过程设计中，采用了目前较为通用的u s b 接口，使该光模块监 测系统应用范围更广，适应性更强。 光模块监测系统经测试，满足s f 卜8 4 7 2m s a 协议的要求，可 以实现对于光模块主要工作参数的实时监测，具备较高的实用价值。 关键词：光收发模块；数字诊断；s f f 一8 4 7 2m s a 协议；双线串行 接口；s f p ；1 2 c d e s i g n i n ga n dr e a l i z a t i o no ft h em o n i t o r i n g s y s t e mf o ro p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e a b s t r a c t f i b e ro p t i c a lc o m m u n i c a t i o nb e c o m eo n e i m p o r t a n tm e t h o df o r i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n a tt h es a m et i m ew i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t ya n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h ed e m a n d i n gf o r t h eo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h em u t u a lr e i n f o r c e m e n to ft h et e c h n i c a l d e v e l o p m e n tb e t w e e nt h e o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ea n dt h ef i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a s h a s t e n e dt h ei n t e l l i g e n c ef u n c t i o n o ft h eo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e d i g i t a ld i a g n o s i sf u n c t i o no fo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ep r o v i d e do n el o w c o s t p e r f o r m a n c em o n i t o rm e t h o d b yd i g i t a ld i a g n o s i sf u n c t i o no f o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e ，p e o p l ec o u l dm o n i t o rr e a l t i m ep a r a m e t e r so f o p t i c a l t r a n s c e i v e rm o d u l e ，s u c ha s t e m p e r a t u r e ，p o w e rv o l t a g e ，b i a s c u r r e n t ，o p t i c a lp o w e r o fe a c hs i d e t h e s ep a r a m e t e r sc o u l dh e l pt e c h n i c a l s t a f ff o r e c a s tt h ef a u l t ，f i n dt h ef a u l t p o s i t i o no fo p t i c a ll i n ka n d c o m p a t i b i l i t yv e r i f i c a t i o n b yf o r e c a s t i n gt h ef a i l u r e ，t e c h n i c a ls t a fc a n d i s p l a c et h eu n i tt h a tm a yb ea ni n v a l i d a t i o n ，t h ee x p e n s eo fi n v a l i d a t i o n i sl e s s b ym a l f u n c t i o no r i e n t a t i o n ，t h ew o r k e r sc a nf i n dt h ef a u l tp o s i t i o n o fo p t i c a ll i n ki nas h o r tt i m e ，t h et i m eo fr e p a i r i n gb e c o m e ss h o r t e r b y c o m p a t i b i l i t yv e r i f i c a t i o n ，w ec a na n a l y s i st h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to f m o d u l ea c c o r d i n gt ot h ed a t as h e e to rt h er e l e v a n ts t a n d a f d i no r d e rt o s u p p l y t h e o p t i c a l t r a n s c e i v e rm o d u l ef o r a p p r o p r i a t ew o r k i n g e n v i r o n m e n t i ti sc l e a rt h a tt h eu s eo f d i g i t a ld i a g n o s i sf u n c t i o n s i m p l i f i e s t h em a i n t e n a n c ew o r ka n de n h a n c e s t h e r e l i a b i l i t y o f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m o nb a s i so ft h ea b o v e ，t h i sp a p e rm a k e sas t u d yi nt h es m a l lf o r m p l u g g a b l e ( s f p ) o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ew i t ht h ed i g i t a ld i a g n o s i s m o n i t o rf u n c t i o n ，a n dd o e sad e e ps t u d yo fo p t i c a lm o d u l ep r i n c i p l e ， d i g i t a ld i a g n o s i sp r i n c i p l e ，1 2 c b u s p r i n c i p l e ，s f f 一8 4 7 2 m s a a g r e e m e n t ，i m p l e m e n t st h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e m o n i t o r i n gs y s t e mf o ro p t i c a lm o d u l e ，g i v i n gac o m m o nm o n i t o r i n g d e s i g nm e a no ft h es f po p t i c a lm o d u l ew i t ht h ed i g i t a l d i a g n o s t i c f u n c t i o n i nt h ec o n t r o l l i n gp a r to ft h ed e s i g no ft h em o n i t o r i n gs y s t e mf o r o p t i c a l t r a n s c e i v e rm o d u l e ，t h ep a p e r a d o p t s m i c r oc o n t r o lu n i t ( a t m e g a l 2 8 l ) w i t hag o o df l e x i b i l i t ya n dc o s t e f f e c t i v e ，s u b s t i t u t i n gf o r t r a d i t i o n a lc o n t r o lc h i pw i t ht h ed i g i t a ld i a g n o s i sf u n c t i o n t h ef i v em a i n p a r a m e t e r si n c l u d e st h et e m p e r a t u r e , p o w e rs u p p l y ，b i a sc u r r e n t ，t r a n s m i t p o w e ra n dr e c e i v ep o w e ro fo p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l ec a nb ed i s p l a i e d t h r o u g ht h el c d c o n t r o l l i n gp a r t ，s ot h a tt h ep a r a m e t e r sc a nb ed i s p l a y e d i nr e a lt i m e ，t h er e s u l t sa r ei n t u i t i v e ，e a s yt ou n d e r s t a n d i nt h ed e s i g no f r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h ec o m p u t e r , al o to fn o t e b o o kc o m p u t e r s d on o th a v es e r i a lp o r t ，s oi nt h em o n i t o r i n gs y s t e mi t i m p l e m e n t su s b i n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o n ，m a k e st h es y s t e maw i d e r r a n g eo fa p p l i c a t i o n s 一 v e r i t i a b l ee x p e r i m e n t ss h o w st h a to p t i c a lm o n i t o r i n gs y s t e mm e e t s t h er e q u i r e m e n t so fs f f i _ _ 8 4 7 2m s a c r i t e r i a i th a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e a n dc o u l db e u s e df o rf i e l da p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：o p t i c a lt r a n s c e i v e rm o d u l e ；d i g i t a ld i a g n o s i sf u n c t i o n ； s f f l _ - 8 4 7 2m s a ；1 2 c ；s f p 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究现状。1 1 3 课题的研究：f 作和论文主要内容2 第二章带数字诊断功能s f p 光模块工作原理4 2 1 本章综述4 2 2s f p 光模块结构概述4 2 3 数字诊断功能原理5 2 4s f l 乙培4 7 2m s a 协议6 2 5 数字诊断监测主要监测参数介绍7 2 5 1 温度参数7 2 5 2 电压参数7 2 5 3 偏置电流参数。7 2 5 4 输出与输入光功率冈素8 2 6 数字诊断功能的用途8 2 6 1 模块寿命预测8 2 6 2 故障定位9 2 6 3 兼容性验证9 第三章双线串行接口总线。1 0 3 1 本章综述。l o 3 2 双线串行总线的概念。l o 3 3 位传输。1 2 3 3 1 位传输。1 2 3 3 2 起始和停止条件。1 2 3 4 传输数据。1 3 3 4 1 字节格式1 3 3 4 2 响j i 晓1 z i 3 4 3 数据传输格式1 5 3 5 双线串行总线的电气特性和电气连接。1 6 3 5 1 电气特性1 6 3 5 2 电气连接1 7 3 6 双线串行总线的读写操作。1 8 第四章光模块监测系统设计方案1 9 4 1 本章综述。1 9 4 2 总体设计概述。1 9 4 3 光模块监测系统母板的硬件设计。2 0 4 3 1 母板的硬件功能需求2 0 4 3 2 电源部分设计2 0 4 3 3s f p 光模块工作环境部分设计2 1 4 3 4c d r 部分设计2 3 4 3 51 2 c 部分设计2 5 4 3 6 接口部分设计。2 6 4 4 液品显示控制部分硬件设计2 6 4 4 1 液晶显示控制部分硬件功能需求2 6 4 4 2 相关接口和按键的设计2 7 4 4 3 电源部分的设计2 9 4 4 4 主控芯片的选择与电路设计3 0 4 4 5j t a g 部分设计3 2 4 4 6 液晶模块部分设计3 2 4 4 7u s b 接口a 口设计3 3 4 4 81 2 c 总线接口设计3 4 4 5 监测系统软件设计3 4 4 5 1 对软件环境的要求3 4 4 5 2 双线串行总线程序设计3 6 4 5 3 液晶显示控制部分程序设计3 9 第五章光模块监测系统功能测试4 3 5 1 本章综述。4 3 5 2 光收发模块能测试。4 3 5 2 1 误码率测试4 4 5 2 2 灵敏度测试4 5 5 2 3 发射端光眼图测试。4 6 5 2 4 码型测试：4 6 5 3 主要监控参数显示测试4 8 第入章总结与展望5 1 6 1i 绩论! ；l 6 2 展望! ；1 1 改谢! ；3 攻读硕士期间发表论文目录5 5 参考文献5 6 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 近年来，光纤通信网取得了飞速发展，光收发模块作为光纤通信网的关键器 件被广泛应用在各种光通信系统中。各种网络中所需要的光收发模块种类越来越 多，功能要求也越来越高。为了满足各种日益增长的需求，光模块正不断走向复 杂化和高速化，多样性，并向智能化，快速和高密度互连方向发展。智能光模块 将成为新一代光收发一体模块中的佼佼者。小型封装可插拔光模块简称s f p ( s m a l lf o r mp l u g g a b l e ) 模块，采用先进的精密光学及电路集成工艺制作，尺寸 只有普通双工s c ( i x 9 ) 型光收发模块的一半，在同样空间可以增加一倍的光端口 数，从而增加线路端口密度，降低每端口成本。因此，s f p 光模块越来越受到厂 商的青睐，是各厂商技术升级换代的标志性产品。 智能s f p 模块，即采用数字诊断功能的s f p 光模块，通过光模块的数字诊 断功能，网络管理单元可以实时监测收发模块的温度，供电电压，激光偏置电流 以及发射和接收的光功率。通过对这些参数的测量和分析，管理单元能够迅速找 出光纤链路中发生错误的具体位置，简化维护工作，提高系统的可靠性。同时 s f f _ 8 4 7 2m s a 协议( s m a l lf o r mf a c t o r - - 8 4 7 2m u l t i s o u r c ea g r e e m e n t ，小型封装 一8 4 7 2 多源协议) 标准中定义了可由厂家和用户使用的内部存储器空间，用户可 以用它实现许多特殊功能，如加入用户最终识别代码，或设置模块故障警告f 了限 垡i l l 寸。 随着光收发器在技术成本方面不断地取得进展，加上短距离城域，接入网络， 光纤信道以及s a n 等网络的飞速发展，对光收发器的需求必将出现大幅增加的 趋势，供应商在该市场的竞争将更加激烈。智能s f p 模块将成为新一代光收发 一体模块的主流。 1 2 国内外研究现状 控制器通过外部链路管理接口获取器件参数信息和故障信息，并且对器件的 相关参数进行监测已非新技术。从上世纪8 0 年代以来，高可靠性电信应用就使 用了能监测各项参数的分立方式的光发射机和接收机，这些参数基本上都是为了 评估光模块的可靠性。上世纪9 0 年代初，集成光收发模块也提供了类似的功能。 参数监测最早出现在1 9 9 8 年推出的s f f ( s m a l lf o r mf a c t o r ，小型封装) 模块 中，分别用5 个管脚的相关监测情况来探测激光器的偏置电流，激光器发射光功 率和接收到的光功率。这些管脚提供了与器件相应参数成j 下比的输出电压。由于 这些管脚给出的是模拟输出信号，系统设计人员就需要对这些输出值进行数字化 以便进行相应的处理【2 1 。2 0 0 2 年8 月，将2 x s f f 和标准s f pm s a 功能合成在一 起的s f f - - 8 4 7 2m s a 协议宣告完成后，各个厂商又先后推出具有监控发射信号 和接收信号状态的关键信息，能实现模块寿命预测、故障定位以及兼容性验证功 能的智能化s f p 光模块。在智能化光收发模块发展领域，国外一直处于领先地 位。 光模块供应商e 2 0 于2 0 0 3 年推出4 g b p s 光纤通道收发模块。该模块采用s f p 或者s f f 封装，8 5 0 m n 波长，内置数字诊断功能，最高速率可以达到4 2 5 g b p s 。 支持1 x ，2 x 和4 x 的光纤通道速率，方便用户选择。 英飞凌i n f i n e o n 技术公司2 0 0 3 年9 月推出4 g b p s 速率的带数字诊断功能的 设计并实现一种光模块实时监测系统，通过该系统可以实时监测s f p 光收发模 块的温度、供电电压、激光器偏置电流以及发射光功率和接收光功率等参量。这 些参数的测量，可以帮助技术人员进行故障预测和故障定位。通过故障预测，技 术人员可以提前替换可能产生故障的单元，减少损失；通过故障定位技术人员可 以迅速找出故障位置，缩短故障修复时间。该系统的应用简化了系统维护工作， 提高了系统的可靠性。 课题前期阶段主要对光模块数字诊断的原理、s f f 一8 4 7 2m s a 协议、主要 监测参数及作用、双线串行接口总线等原理性内容进行研究；中期阶段主要阅读 大量的芯片数据资料手册，构思光模块监测系统的基本框架，并完成硬件设计和 测试；后期阶段主要进行程序编写与参数测试，完善整个光模块监测系统的设计， 并构思新的扩展内容。 论文全文共分为六章，各章的内容具体安排如下： 第一章是绪论，介绍了光收发模块的研究背景以及国内外的研究现状，并概 括了论文的主要内容和研究工作。 第二章是s f p 光模块概述，分析了光模块数字诊断的原理，s f f 一8 4 7 2m s a 协议概述以及主要监测参数及作用等。 第三章是双线串行接口总线的原理，包括双线串行总线的概念，位传输，数 据传输，双线串行总线的电气特性和电气连接等。 ? 第四章是光模块监测系统设计方案，主要包括光模块监测系统母板的硬件设 计，液晶显示部分硬件设计，软件系统设计等。 第五章是相关的系统测试，主要包括光模块工作参数测试，主要监测参数显 示等。 第六章是总结与展望，总结本文的主要工作内容、研究成果及存在的不足， 并对下一步工作提出了建议和设想。 3 第二章带数字诊断功能s f p 光模块工作原理 2 1 本章综述 本章主要分析带数字诊断功能s f p 光模块的理基本原理。首先对s f p 光模 块的结构予以概述，然后介绍了数字诊断功能的原理和实际应用，接着介绍了 s f 卜8 4 7 2m s a 协议的相关情况，最后对光模块温度、电压、电流、输入输出 光功率等相关参数进行分析。 2 2s f p 光模块结构概述 s f p 模块由光发射器与光接收器组成，其主要功能是进行电光与光电信号 的相互转换。光发射器的功能是将电信号转换成光信号，通过电端机进行相应处 理，转换为数字n r z ( n o nr e t u r nz e r o ) 码信号，此信号加入激光器驱动电路， 并由驱动电路输出偏置电流与调制电流，以直接调制的方式驱动激光器产生相应 的光信号。光接收器的功能是将光信号转换为电信号，它由探测器、跨阻放大器 与限幅放大器组成。其中探测器的作用是将收到的光信号转换成微小的电流信 号，再通过跨阻放大器将微小的电流信号转化成一定幅度的电压信号，最后通过 限幅放大器产生相应限制信号电平，输出给接收机。s f p 光模块原理结构框图如 图2 1 所示，实物照片如图2 2 所示： v c c l dr z ) 数据 ：ip e c l 输, x 二爿激光调制器i 么m d数据 发射机部分 ， 温度补偿电路激光嚣驱动嚣及a p c 电路 p df e t i 一i 卜 数据 p d 叫卜i ? 叫溅l l 萍； l r 数据 接收机部分 信号检测电路 h 兰多叫箍茹 图2 1s f p 光模块原理结构框图 4 丽 图2 2s f p 光模块实物照片( 下方分别为连接器与底座) 2 3 数字诊断功能原理 s f p 光收发模块的数字诊断监测功能主要是对光收发模块的工作电压、模块 温度、偏置电流、发射光功率、接收光功率等5 个模拟参量实时采集和对各种监 控信号实时监测和数字化，并对数字化测量结果进行简单分析、处理和存储。光 模块可支持热插拔，整个数字诊断过程必须满足s f f 一8 4 7 2m s a 协议。 s f f 一8 4 7 2m s a 协议规范了数字诊断功能的详细内容。在光模块内部的电 路板上监测和数字化各种参数信号，提供经过标定的结果或数字化的测量结果及 标定参量。这些信息被存储在标准的闪存芯片中，以便外部主机通过双线串行接 口读取。 s f 卜8 4 7 2m s a 协议保留了原来s f p g b i c 在a o h 存储单元的地址映射， 并新增了一个2 5 6 字节的a 2 h 存储单元。这个新存储单元除了提供参数监测信 息外，还定义了警告、告警的条件和标志位，各个管脚的状态镜像，有限的数字 控制能力和用户可写的存储空间。 5 o ， 一 p 一 ， ，h 器妒 i ： *#： 一， ； 、一 ； 一， o 。 ： _ 却 0 节 2 4s f f 一8 4 7 2m s a 协议 s f f 一8 4 7 2m s a 协议规定了模块的e e p r o m 中划分一个2 5 6 字节的存储单 元a o h ，用于存储s f p g b i c 模块的一些特定信息，如模块的类型、序列号、生 产日期、波长、传输距离以及模块生产厂家的特定信息等。通过双线接口访问 a o h 地址段内容，得到模块自身的相关信息，有助于大型网络中对元件的库存 管理。 s f f 一8 4 7 2m s a 协议保留了原来s f p g b i c 在地址a o h 处的地址映射，新 增了一个2 5 6 字节的存储单元作为a 2 h 地址。在模块内部的电路板上侦测模块 的电压，温度，发射功率，接收功率，偏置电流5 个参数信号。然后对这5 个参 数信号进行标定校准后，得到数字化的测量结果及相应的校准常数。这个实时的 测量结果保存在a 2 h 地址的9 卜1 1 9 字节中。除了提供参数侦测信息外，还定 义了警告标志或告警条件，各个管脚的状态镜像，有限的数字控制能力和用户可 写的存储单元。这些信息都被存贮在标准的内存单元a 2 h 中，通过双线接口进 行访问。s f f - - 8 4 7 2m s a 协议结构如图2 3 所示。 o 9 5 12 7 2 5 5 a o h 单元 s f pm s a 的串行i d 定义 9 6 字节 供应商详细说明 3 2 字节 保留，s f f 8 0 7 9 1 2 8 字节 o 5 5 9 5 1 1 9 12 7 2 4 7 2 5 5 a 2 h 单元 报警告警阈值 5 6 字节 校准参数，4 0 字节 实时诊断接e l ，2 4 字节 供应商说明，8 字节 用户可写e e p r o m 1 2 0 字节 供应商说明，8 字节 图2 3s f f - - 8 4 7 2 m s a 协议结构 6 识别s f p 是否符合s f f 一8 4 7 2m s a 协议，用户必须访问基本内存，去看是 否包含了数字诊断功能，一旦确认是符合的，便可正确分析实时监测结果，实现 实时监测功能。对多数器件，只需将每个s f p 实时结果乘一个s f f 一8 4 7 2m s a 协议定义的常数即可。另外几个比特则用于标识在s f p 里面使用了哪种软控制 和镜像功能，每个比特会表明是否支持某种功能。 2 5 数字诊断监测主要监测参数介绍 2 5 1 温度参数 由于s f p 能够应用在高速率的系统中且具有很小的外形，它们的布局通常 都很紧凑，这样就影响了气流的冷却效率，可能导致模块工作温度的升高。在高 密度的应用中，监测每个模块的温度可以进行系统热性能评估。现在，可以通过 安装在内部p c b 板上的传感电路方便地得到s f p 的测量温度，测量值可以用来 观察系统工作温度是否发生漂移，从而可以来判断是否是由于系统热环境失效而 造成的温度波动。 2 5 2 电压参数 由于s f p 模块的热插拔特性使的收发模块内部工作电压变的不稳定，再加 上在供电滤波器网络的电压降，收发模块内部的电压将会比供电电压低1 0 0 m v 甚至更多，从而造成模块的工作电压不符合规定电压值范围。同样，模块的工 作电压可以通过内部p c b 板上安装的传感电路来进行测量。这些测量值也可以 用来观察工作电压的漂移，从而来判断是否是因为系统供电环境失效而造成的 电压波动。 2 5 3 偏置电流参数 一直以来，在对收发模块进行可靠性预测时，最有效的参数就是激光器偏置 电流。通常，s f p 模块内部通过一个闭环反馈电路来控制激光器的偏置电流从而 稳定激光器的输出光功率，使其工作在恒定的光输出功率模式。由于激光器的光 电转换效率和阈值都会随温度而改变，因此，需要改变激光器的偏置电流从而稳 定激光器的输出光功率。如果激光器偏置电流的变化不是因为温度或工作电压变 化而引起的，那就表明激光器存在潜在的稳定性问题。当然，要区分是正常的偏 7 置电流变化还是激光器稳定性问题造成的电流变化还需要一些深入分析。在温度 和电压条件都恒定的情况下，激光器偏置电流是不应该有波动的。 对每种特定的器件，各个厂家都会提供偏置电流的最大和最小值。把实际的 偏置电流与这些极限值进行比较，从而发现引起激光器毁坏性后果的问题。为了 进行更精确的可靠性预测，在进行比较的时候就必须考虑到s f p 的工作条件。 在相同的温度条件下，偏置电流的升高就意味着激光器的劣化，激光器老化导致 阈值上升、电光转换斜率下降。 2 5 4 输出与输入光功率因素 激光器的输出功率很容易受到温度和激光器老化的影响，为了获得稳定的光 功率，自动功率控制是必不可少的。在s f p 模块激光器同一基片旁边都有一个 背向的光电探测器( 即光电二极管) 用来监测激光器的输出光功率，通过它的光反 馈自动调节偏置电流，从而保证光输出功率稳定。光电二极管的电流也用来对平 均发射光功率进行实时监控。正常的s f p 模块都工作在恒定功率模式，其发射 光功率很少会发生波动，如果一旦发现模块发射光功率有很大变化，s f p 可能无 法正常工作。 对于接收光功率，s f p 规范为厂家提供了灵活的选择，既可以监测平均光功 率也可以监测光调制幅度。千兆以太网的8 0 2 3 协议和s o n e l m 玎mo c - 一4 8 规 范则使用平均光功率作为接口规范。1 g b p s 和2 g b p s 光纤信道协议f c - 一p l 使用 光调制幅度作为输入光接口规范。光调制幅度给出了输入光信号的峰峰幅度信 息。系统安装工程师可以用手持式的光功率计方便的测出平均光功率，如果是通 过监测光调制幅度来得到接收光功率的信息，就为系统安装和调试工程师提供附 加的判断标准，从而可以更容易判断链路( 包括链路和远端光发射机) 是否符合规 范。 2 6 数字诊断功能的用途 光纤收发模块中的数字诊断功能为系统提供一种性能监测手段，可以帮助系 统管理员预测收发模块的寿命、隔离系统故障并在现场安装中验证模块的兼容 性。 2 6 1 模块寿命预测 通过对收发模块内部的工作电压和温度进行实时监测，可以让系统管理员发 8 现一些潜在的问题：电压过高，会带来c m o s 器件的击穿；电压过低，激光器 不能正常工作；接收功率过高，会损坏模块；温度过高，会加速器件的老化等。 另外，功率的控制是通过调节激光器的偏置电流( t x b i a s ) 来实现的。因此，我们 可以通过监测激光的偏置电流来预测激光器的寿命。这种方法可粗略的估计激光 器的使用寿命是否接近终了。通过对模块工作状态的分析来预测模块的寿命，对 光模块进行故障预测，使网络管理人员在系统性能受到影响之前找到潜在的链路 故障。通过故障预告，系统管理员可以将业务切换到备份链路上或者替换可疑器 件，从而在不问断业务的情况下修复系统。 2 6 2 故障定位 在光纤链路中，对故障发生的器件准确定位至关重要。利用数字诊断功能， 系统管理员对模块的发射功率，接收功率，温度，电压，偏置电流的警告和告警 状态进行综合分析，可以评定本地收发模块的工作状态，来判断模块是否发生故 障，从而快速定位链路故障的位置：是在模块内还是在线路上；是在本地模块还 是在远端模块。通过快速定位故障，减少了系统的故障修复时间。 2 6 3 兼容性验证 数字诊断的另一个功能是模块的兼容性验证。兼容性验证就是分析模块的工 作环境是否符合数据手册或者与相关的标准兼容。比如电压是否超出规定的范 围；接收光功率是否过载，或者低于接收机的灵敏度；温度是否超出规定的温度 范围等等。模块的性能只有在这种兼容的工作环境下才能得到保证。在有些情况 下，由于环境参数超出数据手册或相关的标准，将造成模块性能下降，从而出现 传输误码1 6 j 。 9 3 1 本章综述 本章主要介绍双线串行总线的相关理论知识，主要包括双线串行总线的概 念、位传输以及数据传输的格式、双线串行总线的电气特性和电气连接，最后介 绍了双线串行总线的读写操作。 3 2 双线串行总线的概念 1 2 c ( i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 总线是一种由p h i l i p s 公司开发的两线式总线， 用于连接微控制器及其外围设备。1 2 c 总线产生于在8 0 年代，最初为和视频设 备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管 理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源 和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统 的安全性，方便了管理。 1 2 c 总线最主要的优点是其简单性和有效性。同时1 2 c 总线占用的空间非常 小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高 达2 5 英尺，并且能够以l o k b p s 的最大传输速率支持4 0 个组件。1 2 c 总线的另 一个优点是，它支持多主控( m u l t i m a s t e r i n g ) ，其中任何能够进行发送和接收的设 备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率，在任何时间点 上只能有一个主控。 双线包括数据线( s d a ) 和时钟线( s c l ) ，通过一个电流源或上拉电阻连接到 正的电源电压。当总线空闲时，这两条线路都是高电平。连接到总线的器件输出 级必须是漏级开路或集电极开路才能执行线与的功能。各种被控制电路均并联在 表3 1 双线串行总线的相关术语及描述 术语描述 发送器发送数据到总线的器件 接收器从总线接收数据的器件 主机初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件 从机被主机寻址的器件 多主机同时有多于一个主机尝试控制总线但不破坏报文 是一个在有多个主机同时尝试控制总线但只允许其中一个控制总线 仲裁 并使报文不被破坏的过程 同步两个或多个器件同步时钟信号的过程 主机通常是微控制器，假设以下是数据在两个连接到1 2 c 总线的微控制器之 间传输的情况，如图3 一l 所示。这突出了双线的主机一从机和接收器一发送器 的关系。应当注意的是：这些关系不是持久的，只由当时数据传输的方向决定。 传输数据的过程如下： ( 1 ) 假设微控制器a 要发送信息到微控制器b ： 微控制器a ( 主机) 寻址微控制器b ( 从机) ； 微控制器a ( 主机一发送器) 发送数据到微控制器b ( 从机一接收器) ； 微控制器a 终止传输。 ( 2 ) 如果微控制器a 想从微控制器b 接收信息： ( 3 ) 微控制器a ( 主机) 寻址微控制器b ( 从机) ； 微控制器a ( 主机一接收器) 从微控制器b ( 从机一发送器) 接收数据； 微控制器a 终止传输。 3 3 位传输 由于连接到1 2 c 总线的器件有不同种类的工艺( c m o s 、n m o s 、双极性) 逻辑0 ( 低) 和1 ( 高) 的电平不是固定的它由v d d 的相关电平决定。每传输一 个数据位就产生一个时钟脉冲。 3 3 1 位传输 s d a 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定数据线的高或低电平状 态只有在s c l 线的时钟信号是低电平时才能改变，如图3 2 所示： s d a s c l 3 3 2 起始和停止条件 图3 2 总线的位传输 一一l 在1 2 c 总线中唯一出现的是被定义为起始( s ) 和停止( p ) 条件，如图3 3 的情况其中一种情况是在s c l 线是高电平时s d a 线从高电平向低电平切 换这个情况表示起始条件当s c l 是高电平时s d a 线由低电平向高电平切换表 示停止条件起始和停止条件一般由主