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1、光缆识别仪,深圳市长龙铁路电子工程有限公司,设备介绍,内 容,引言,1,2,系统组成,3,4,4,系统软件平台,5,系统硬件平台,总体性能指标,7,关键特点,6,技术总结,7,1,引 言,引 言,根据中长期铁路规划，我国铁路营运里程已经达到12万公里以上，多数铁路沿线，均铺设有芯数不等的光缆。巨大的光缆使用基数，带来了繁重的光缆维护工作。为了方便工程人员的操作，节省人工，特研制基于光纤传感技术的光缆识别仪。,引 言,光缆识别仪根据光学干涉原理，通过光电转换将敲击光缆产生的震动信号重现为幅度信号和声音信号，从而用于准确查找和识别铺设于人井、架空等多种环境下的目标光缆。光缆识别仪可广泛应用于光缆的
2、故障检测、抢修维护、线路改造等领域。,光纤通信的出现及高速发展为未来宽带传输网搭建了良好的传输平台。光纤通信系统的最大优点就是通信容量大，一旦通信光缆因发生故障而中断，势必会给企业带来难以估量的损失，但是现阶段的光缆监测技术及日常管理仍存在许多问题，这主要表现在以下几方面：（1）光缆监测量大 以中移动为例，移动公司作为中国规模最大的移动通信运营商，在其公司“光缆线路维护规程”中规定：主用光缆的监测按需进行，备用光缆的监测每年进行一次。但是中移动的光缆全部的维护人员只有约百人，光缆出现故障后，他们不但要对光缆进行抢修，还要完成光缆日常维护测试，工作量之大可见一斑。,引言,所以目前很少有哪家通信公
3、司在做光缆的日常维护时去靠人工，但这带来的后果是一旦光缆出现故障只能是被动处理，而这一点与现实要求的不断提高光缆网络运行质量产生了矛盾。（2）检测出故障光缆的时间长 传统光缆的监测方法是技术人员根据光缆的档案记录先从光纤分配架上找到将要进行测试的光缆，接着用OTDR对其开始进行测试，最后根据测试的记录结果由人工汇总和分析后方可得出结论。因此，通信光缆一旦出现故障，需要从光缆传输链路上先进行检查判断，把故障段落锁定到某一根光缆上，然后再安排测试的人员和仪器进行核准与故障的定位，这样，势必就增加了排查出故障光缆的时间，并延误了故障缆抢修。,引言,（3）不能精确定位光缆故障点 在实际的光缆布放施工过
4、程中，光缆的布放本身是有弯曲的，而且对于井埋光缆和架空光缆来说，还要预留出一段光缆作为盘纤的长度，因此，人工使用OTDR对故障光缆进行测试时，虽然也能够对于故障点进行定位，但是这种定位的精度是不够的，从而影响了光缆的抢修速度。（4）不能以预防为主，防患于未然 由于自然灾害的突发，光缆自身材料的渐变老化，光缆的质量下降是个逐渐变化的过程，这种过程通过传统的光缆监测技术是发现不出来的，不能够在光缆质量退化到一定程度时给以提前预警，所以并不能提前采取一些相应的有力措施，对即将出现故障的光缆,引言,加以防患。（5）需不断升级光缆资源管理系统 光纤通信系统阶段性的迅猛发展，使得光缆不断得以大规模铺设；光
5、缆制造工艺的提高，使得光缆的容量不断增长；光缆建设时期不同，光缆自身的差异性很大；光缆生产厂商的不同，使得生产出的光缆的质量与光缆芯数差异巨大；同时，不同的地域，光缆的施工方式也具有较大差异；最后，光缆的使用用户的不断多样化，光缆维护人员对光缆档案数据的反复更新变化等都要求光缆的资源管理系统要随着光缆的发展而不断的更新、升级，为后期的光缆维护创造便利。,引言,正是以上5个方面的存在，一旦光缆线路发生故障，便会给故障的查找，及光缆的维修工作带来相当大的困难。所以，研究与开发一款能够在施工现场迅速识别光缆，且操作简单的光缆识别仪器不仅具有理论意义，更具有实际的应用价值。工程人员在使用光缆识别仪时，
6、只需要轻轻敲击光缆，即可轻松识别出所需要寻找的目标光缆，完全取代了以往拖拽、切割、弯折、冷冻等光缆识别方法，是全新的不损伤光缆的检测技术，其强大的应用功能可以大大减少光缆抢修维护时间，降低工程建设和管理的成本，极大的提高工作效率。,引言,系统组成及结构,2,光缆识别仪系统主要由光缆识别仪、光缆、手机终端等组成，通过3G无线网络，光缆识别仪和手机终端之间实现语音通信，如下图所示。,系统组成及结构,光缆识别仪结构外观如下图所示。,系统组成及结构,3,系统硬件平台,光缆识别仪系统的硬件平台包括FPGA平台、ARM嵌入式平台及其功能模块，ARM嵌入式平台与FPGA平台分别通过RS232接口和音频通道进
7、行数据通信和音频信号的传输。系统硬件平台原理如下图所示。,系统硬件平台,3.1、FPGA平台 FPGA平台是一个以FPGA芯片为核心，包含电源转换模块、A/D模块、音频电路模块、MAX232电平转换模块、时钟模块、数字电位器模块等的数模混合系统。FPGA芯片采用ALTERA 公司的Cyclone II系列EP2C8Q208C8，该芯片功耗低，性价比高，大量的IO 为硬件平台的设计提供了良好的扩展性和灵活性。平台相应的外设接口包括：A/D输入接口、RS232串行接口、音频立体声输入与输出接口、JTAG接口、数字电位器阻值输出接口等。FPGA硬件平台主要工作过程为：FPGA通过数字电位器控制激光器
8、的发光功率；接收来自A/D转换之后输出的音频信号，经过处理并编码输出到MAX232电平转换芯片，通过串口与嵌入式核心板进行通信；通过输出高低电平控制电位器ATX201，从而控制光开光的通路。,系统硬件平台,3.1、FPGA平台 FPGA平台组成结构如下图所示。,系统硬件平台,3.2、ARM嵌入式平台 ARM作为一款高性能、低功耗、低成本的嵌入式系统处理器，将其选作核心处理器可全面提高性能。同时，ARM可加载操作系统，便于系统功能裁剪或扩展，使应用更加灵活。另外，硬件电路采用核心板+底板组合的设计方式，简化了硬件设计，方便了调试。ARM嵌入式平台的核心板是嵌入式系统的主要部分，它是整个嵌入式系统
9、的“大脑”，负责数据的运算、处理，并控制几乎所有的外围芯片（包括底板的接口电路），主要由ARM处理器、动态存储器（内存）、闪存组成。ARM处理器选用Samsung公司的ARM Cortex-A9四核架构系列芯片Exynos4412，运行主频最高可达1.6GHz，工作温度范围-40+85，用于完成对FPGA硬件平台的音频信号和采样数据的接收，并以波形实时显示在液晶屏上。,系统硬件平台,3.2、ARM嵌入式平台标配1GB 双通道64bit DDR3内存、4GB高性能eMMC4.5闪存。ARM嵌入式平台的底板为核心板提供电源、两路USB 接口电路、两路RS-232接口电路、TF卡接口、液晶屏驱动接口
10、电路、音频接口电路（耳机和喇叭）、按键接口电路和指示灯驱动接口电路。ARM嵌入式平台主要工作过程为：ARM核心板通过串口与FPGA平台进行通信，控制FPGA平台进入自检和测试等工作状态，并将音频数据以波形的方式通过液晶屏直观动态显示出来，同时经由音频芯片将声音输出至耳机或者扬声器播放出来；通过USB口与3G模块进行无线通信数据的交互，并控制人机通话模块自动,系统硬件平台,3.2、ARM嵌入式平台接听来电，回传光缆敲击声至手机终端，从而实现只需要一个维护人员就能完成光缆识别工作的目的，另外还可通过3G无线网络上网，使系统APP应用软件升级更加快捷简便；通过ADC检测电池电量使用情况，并通过点亮红
11、绿双色LED给出电池电量提示；为了节省耗电，对液晶屏电源进行PWM动态控制；另外通过按键面膜对外提供5个按键，方便用户对音频信号的波形显示进行操作。同时还设计了核心板与计算机进行通信的RS232串口和USB OTG接口以及外扩的TF卡存储接口，方便ARM嵌入式系统的开发调试及软件升级。,系统硬件平台,3.2、ARM嵌入式平台 ARM嵌入式平台组成结构如下图所示。,系统硬件平台,3.3、系统功能模块 基于Sagnac光纤干涉的基本结构，结合光纤传感系统基本组成，可以得出光缆识别仪的功能模块组成，如下图所示。,系统硬件平台,1、电源模块 采用220V电源适配器或者锂电池12V为系统供电，由于激光器
12、、运算放大器、FPGA、ARM Cortex-A9、3G等模块需要的供电电源不一致，所以要求电源模块要具有提供多种电压输出的能力，电源管理芯片分别选择OKL-T/6-W12N（12V转5V和3.8V）、OKL_T/3_W5N（5V转3.3V和1.8V）、TPS7325Q（5V转2.5V）。,系统硬件平台,2、光单元模块 光单元模块构成了光缆识别仪的实现主体，对其进行细分，可划分为光发射模块、Sagnac光纤环路模块、光接收模块等。光发射模块主要由激光器及其外部控制电路组成。对于光纤传感应用来说，要求光源发出的光具有良好的相干性，因此一般采用半导体激光器(LD)。对LD来说，最主要的参数是P-I
13、特性。LD 的P-I特性对温度很敏感，随着温度的升高，会导致激光器的阈值电流增大，发光功率降低。为了保证LD有稳定的输出特性，通常采用制冷器进行自动温度控制。同时，在光缆识别仪的实际应用中，要求激光器的发光功率可调，因此还需要设计外部的功率控制电路。光接收模块的主要功能是实现光信号的光电转换以及电信号的放大，主要由两部分组成，一部分是光电探测器，另一部分是由多级运放组成的放大电路。,系统硬件平台,3、音频采集模块 主要是指光纤传感头，负责对敲击信号的前端采集，具体电路如下图所示。,系统硬件平台,4、信号处理模块 实现光电转换后的信号采样、解调等功能，具体电路如下图所示。,系统硬件平台,5.音频
14、输出模块 音频输出模块根据解调出来的信号，进行敲击声音的还原与输出。具体电路包括音频控制电路、功率放大电路和音频播放设备（耳机和扬声器），为了提高音频播放质量，功放电路和扬声器均采用了隔离电源，具体电路如图所示。,系统硬件平台,6、显示模块 显示模块采用奇美7寸液晶屏G070Y2-L01，液晶屏驱动电路的主芯片为THC63LVD827，另外为了动态控制液晶屏电源，增加了电源PWM控制接口硬件电路，两者分别通过信号控制接口和PWM控制接口与嵌入式核心板相连，具体电路原理如图所示。,系统硬件平台,7、人机通话模块 常规的光缆识别仪必须要保证机器端和敲击端都要有人值守，为了减少人力成本，本光缆识别仪
15、只需一名维护人员便能完成光缆识别工作。无线网络的大面积覆盖给了这种要求实现的可能性，通过选用并设计一个能自动接听的语音通信模块来实现这个要求。这里我们选用华为MU509-B WCDMA 通讯模块3G模块，MU509系列在车载后装、跟踪、移动支付、工业路由器、安防监控、工业平板等行业拥有广泛应用。,系统硬件平台,7、人机通话模块 MU509系列是双频WCDMA工业级无线模块，支持3.6Mbps下行速率；提供高质量的语音、短信功能，FOTA功能，内置TCP/IP协议栈，支持标准AT命令指令集和华为扩展AT命令集。MCU采用单3.8V供电，正常工作温度:-20+70，扩展工作温度:-30+75。MU
16、509系列Pin-To-Pin兼容，且与下一代HSPA+、LTE产品兼容，可以平滑切换。硬件结构如图所示。,系统硬件平台,7、人机通话模块支持的网络模式：HSDPA、UMTS、EDGE、GPRS、GSM。支持的业务功能：HSDPA/UMTS 2100/900EDGE/GPRS/GSM 1900/1800/900/850 MHz、最高速率为3.6Mbit/s的HSDPA 分组数据业务、最高速率为384kbit/s的UMTS分组数据业务、最高速率为236.8kbit/s的EDGE分组数据业务、最高速率为 85.6kbit/s的GPRS分组数据业务、基于UMTS和GSM的电路域（CS）数据业务、基于
17、WCDMA/GSM短消息业务（SMS）、USSD业务、WCDMA/GSM PCM Voice语音业务。支持的操作系统：Windows 2000/XP/Vista和Linux 及以上版本。,系统硬件平台,4,系统软件平台,根据光缆识别仪的总体结构设计，它存在两种线路状态，即光开关上支路状态和光开关下支路状态。这两个状态分别实现不同功能。上支路状态用来检测线路衰耗，下支路状态用来实现光缆检测，把这两种状态分别称为自检状态和工作状态。软件流程主要按照这两个状态展开，如下图所示。,系统软件平台,系统软件流程图,系统软件平台,基于软件流程图，光缆识别仪软件处理的过程为：开机之后，设备首先进行自检(设备自
18、检需要区别于下面提到的自检工作状态)，判断系统软硬件功能是否正常，检查项包括液晶显示、3G模块、插件、用户I/O接口等；然后，系统开始进行实时的工作状态判别，包括自检状态和工作状态两种。在仪表启动之初，仪表首先处于自检状态，FPGA控制数字电位器使激光器发出固定强度的光，AD芯片通道0采集OUT2信号，判断接收光功率，计算光纤线路衰耗；之后仪表返回到工作状态，按照测定的线路衰耗值调整数字电位器，完成激光器发光功率的自适应；OUT1端口此时将输,系统软件平台,出传感信号，将其送入AD芯片的通道1，进行数据采样，并进行传感信号的软件解调，同时将解调信号送给ARM嵌入式平台的音频处理模块和LCD显示
19、模块进行相应的信号输出。,系统软件平台,5,总 体 性 能 指 标,总体性能指标,6,关 键 特 点,手持式设备小巧轻便，操作简便。强大的现场应用能力，满足广大用户需求。数十公里远距离传感光缆的机械振动。在复杂环境下通过音频或可视信号定位目标光缆。自动优化设备参数，适用于不同长度的线路测试。无损检测，识别准确度高。,关键特点,7,技 术 总 结,使用光缆识别仪时，工程人员只需要轻轻敲击光缆，即可轻松识别出所需要寻找的目标光缆，完全取代了以往拖拽、切割、弯折、冷冻等光缆识别方法，是全新的不损伤光缆的检测技术；设备小巧，智能便携；探测灵敏度高，提升了光缆识别的准确度；采用液晶显示屏，区别于常规的L
20、ED显示，动态显示敲击波形，交互界面更加良好；具有人机通话模块，仪表输出的声音信号通过3G无线网络实时传输到现场操作人员处，同时通过网络下载APP，方便光缆识别仪的软件更新升级。,技术总结,8,结 束 语,光缆识别仪，通过3G无线网络，实现检测点的测试人员与处于机房的识别仪之间通话，将识别仪输出的敲击光缆声音信号实时传回测试人员的手机，实现了只需要一个维护人员就能完成光缆识别工作的目的。光缆识别仪的开发应用必将成为维护人员非常便捷的检测工具，为光缆维护提供了便携手段。目前这种基于无线通信的光缆识别仪在全路是首次，紧密切合现场的实际使用，可大大减少光缆抢修维护时间，降低工程建设和管理的成本，极大地提高工作效率。本系统具有广阔的开发和技术推广空间。,光缆识别仪推广前景,用创新的技术 为铁路安全生产服务!,Thank You!,光缆识别仪推广前景,
