一種光纖熔端機(jī)的設(shè)計

關(guān)鍵詞：光纖熔端機(jī)；端接；PAS；高壓電弧

中圖分類號：TN253；TH89 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著國家5G、“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國”和“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列發(fā)展政策不斷推出，我國光通信發(fā)展持續(xù)而強(qiáng)勁。5G 通信更加依賴光網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化導(dǎo)致回傳、前傳帶寬大幅攀升，高頻段（Sub 6 GHz 頻段和毫米波頻段）決定了小基站特征和2 ～ 5 倍的基站數(shù)量、密度。未來，在新網(wǎng)絡(luò)、新終端和新應(yīng)用的帶寬驅(qū)動下，移動網(wǎng)絡(luò)將會越來越依賴光網(wǎng)絡(luò)，從而對光纖資源和帶寬產(chǎn)生極大需求。光纖熔接機(jī)主要應(yīng)用在光纖斷點(diǎn)的熔接及保護(hù)，但光纖和光纖分路器或者交換機(jī)等的連接主要采用端接方式。目前裝維人員針對光纖端接的方法主要有兩種[1]：一是把定制的跳線剪斷，用熔接機(jī)將其與接入線進(jìn)行熔接，然后將另一端定制的跳線自帶端子直接插入分路器或交換機(jī)中。該方法相當(dāng)于在線路中直接增加了一個熔接點(diǎn)，這將會影響系統(tǒng)損耗，進(jìn)而降低通信質(zhì)量。二是裝維人員利用光纖切割刀來切割光纖，直接進(jìn)行現(xiàn)場成端，該方法不對光纖端面做任何處理，且不能直接觀測光纖端面，因此光學(xué)性無法得到保障。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種光纖熔端機(jī)方案，該方案產(chǎn)品采用先進(jìn)的輪廓對準(zhǔn)系統(tǒng)（profilealignment system，PAS），利用高壓電弧現(xiàn)場拋光光纖端面，再配合熔端型連接器直接完成線路中交換機(jī)等的端接，其能夠清晰地觀測光纖端面質(zhì)量，消除光纖端面因切割損傷帶來的不利影響，提高光纖接續(xù)的光學(xué)性能，簡化端接操作過程。該方案產(chǎn)品主要目標(biāo)市場是光通信系統(tǒng)中的接入層和末梢終端層，即光纖到戶的現(xiàn)場成端和數(shù)據(jù)機(jī)房，其具有方便、快速、穩(wěn)定等特點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)場成端需求。

1 光纖熔端機(jī)

本方案使用的光纖熔端機(jī)是一種光纖端面熱熔拋光處理設(shè)備，其具有放大光纖端面和利用高溫電弧現(xiàn)場拋光光纖端面的功能，可以清晰地觀測光纖端面質(zhì)量[2]，通過電弧熱熔消除光纖端面的切割損傷，并將光纖端面熔融成球面，提高光纖接續(xù)的光學(xué)性能。該光纖熔端機(jī)主要應(yīng)用于光通信系統(tǒng)中末梢終端的光纖端面處理，配合熔端型現(xiàn)場快速連接器，實(shí)現(xiàn)光纜終端的端接。此外，隨著光纜需求的不斷增加，機(jī)房整合和光纖配線架（opticaldistribution frame，ODF）跳纖整治也是目前各運(yùn)營商亟須解決的問題之一，該方案能夠根據(jù)工程現(xiàn)場具體情況以及需要長度進(jìn)行快速成端，適用于機(jī)房建設(shè)領(lǐng)域。與光纖熔接機(jī)方案相比，光纖熔端機(jī)方案對裝維人員的要求更低，操作流程更簡便，無須復(fù)雜的對準(zhǔn)、熱縮保護(hù)等操作，同時其結(jié)構(gòu)更簡單、外形尺寸更小巧，易攜帶。

2 主要功能指標(biāo)

本方案產(chǎn)品的主要功能：①自動熔端功能；②多功能夾具功能；③節(jié)電功能；④光纖端面質(zhì)量判斷功能；⑤維護(hù)提醒功能；⑥環(huán)境自動補(bǔ)償功能；⑦熔端存儲功能。

本方案產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）適用光纖：蝶形光纜（2 mm×3 mm）、圓形軟光纜（直徑分別為2.0 mm 和3.0 mm）、隱形光纜（直徑為0.9 mm）。

（2）平均插入損耗：≤ 0.3 dB。

（3）平均回波損耗：≥ 50 dB。

（4）平均熔端時間：≤ 3 s。

本方案產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)如下。

（1） 供電方式： 電池電壓為7.4 V、容量 ≥3 000 mA·h；外接適配器交流輸入為100 ～ 240 V、

50/60 Hz。

（2）鋰電池充電時間：≤ 3 h。

（3）環(huán)境適應(yīng)性：符合GJB3947A—2009 中規(guī)定的2 級設(shè)備環(huán)境級別。

（4）工作條件：溫度為-10 ～ 50℃、濕度為0 ～ 95% RH（無結(jié)露）、海拔為0 ～ 5 000 m。

（5）存儲條件：溫度為-40 ～ 80℃（無電池）、濕度為0 ～ 95% RH（無結(jié)露）。

（6） 可靠性： 平均無故障時間（mean time between failures，MTBF）（θ0）≥ 5 000 h。

（7）接口：USB。

（8）主機(jī)重量：≤ 0.8 kg。

（9）主機(jī)最大外形尺寸（長× 寬× 高）：185 mm×95 mm×70 mm。

3 硬件設(shè)計方案

本方案的硬件架構(gòu)主要包含主板、按鍵板和攝像板3 個關(guān)鍵部分。在這些硬件組件中，主板承載了多種關(guān)鍵電路模塊，包括電源管理、圖像捕捉、高壓放電控制、電機(jī)控制、限位信號感知、發(fā)光二極管（LED）照明控制以及液晶顯示等功能模塊。硬件電路原理框圖如圖1 所示。

作為系統(tǒng)的核心，主板負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)光纖圖像的獲取、電機(jī)的精準(zhǔn)控制、高壓放電操作以及清晰的液晶屏顯示等關(guān)鍵功能。本方案選擇了STM32F407型號的中央處理器（central processing unit，CPU）芯片，該芯片不僅具有高性能和低成本的特點(diǎn)，同時擁有低能耗和可定制的特性。此外，STM32F407的技術(shù)穩(wěn)定性和較長的市場生命周期使其符合本方案的產(chǎn)品設(shè)計要求。

4 軟件設(shè)計方案

本方案的軟件平臺選擇使用微控制器操作系統(tǒng)版本Ⅱ（μC/OS-Ⅱ [3]，一種為微控制器設(shè)計的操作系統(tǒng)），采用C 語言進(jìn)行編程。該系統(tǒng)基于只讀存儲器（read-only memory，ROM）運(yùn)行，具備可裁剪性、搶占式特性的實(shí)時多任務(wù)核心，具有高度的可移植性，可以應(yīng)用于微處理器和微控制器。其核心功能包括任務(wù)調(diào)度與管理、時間管理、任務(wù)間的同步與通信、信號量處理、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等，同時具有良好的擴(kuò)展能力和開源特性。軟件方案總體框圖如圖2 所示。

整個軟件系統(tǒng)由啟動程序、升級程序以及控制程序等多個部分組成[4]。在系統(tǒng)啟動時，啟動程序首先被執(zhí)行，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化工作，判斷是否需要進(jìn)行軟件更新，并將控制程序傳輸至單片機(jī)的內(nèi)部隨機(jī)存取存儲器（random access memory，RAM）中以待執(zhí)行；升級程序在單片機(jī)的RAM 中運(yùn)行，對系統(tǒng)地址執(zhí)行重新映射操作，從U 盤讀取更新數(shù)據(jù)（新的控制程序），并將其寫入CPU 的程序存儲區(qū)中相應(yīng)位置；控制程序是軟件的“大腦”，它在單片機(jī)RAM 中運(yùn)行，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個硬件設(shè)備的運(yùn)作，接收并處理用戶輸入，實(shí)現(xiàn)圖像顯示、熔端等功能；在馬達(dá)移動過程中，如果觸發(fā)限位開關(guān)，系統(tǒng)能夠自動處理這類情況，使馬達(dá)返回到安全位置。

在本方案中，控制程序建立在μC/OS-Ⅱ系統(tǒng)上，創(chuàng)建了多個子任務(wù)，包括主菜單處理任務(wù)、充電顯示任務(wù)、時間顯示任務(wù)、限位處理任務(wù)、按鍵掃描任務(wù)、防風(fēng)蓋任務(wù)、復(fù)位任務(wù)、熔端任務(wù)等。這些任務(wù)根據(jù)用戶的按鍵指令來執(zhí)行。軟件通過中斷服務(wù)子程序向相關(guān)任務(wù)發(fā)送信號量，接收到信號量的任務(wù)隨即開始執(zhí)行。當(dāng)檢測到馬達(dá)限位或進(jìn)行正常的防風(fēng)罩操作時，系統(tǒng)會發(fā)出相應(yīng)的信號量進(jìn)行處理。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)布局上，為了滿足手持式儀器的要求，采用前后模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于生產(chǎn)裝配、調(diào)試和維修等。操作區(qū)域（按鍵）位于儀器中部，顯示區(qū)域位于儀器前部，儀器中后部配置光纖夾持、推進(jìn)等模塊。整個儀器包含了光纖夾持模塊、光纖推進(jìn)模塊、顯微鏡成像模塊和電極放電模塊等。光纖夾持模塊為了適應(yīng)不同種類光纖的夾持要求，采用了多合一夾具設(shè)計結(jié)構(gòu)；光纖推進(jìn)模塊采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。為了降低成本，整機(jī)外殼、多合一夾具、推進(jìn)結(jié)構(gòu)等均采用模具開模。光纖熔端機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

6 結(jié)語

本文深入闡述了一款光纖熔端機(jī)的整體設(shè)計。該設(shè)計方案不僅創(chuàng)新性強(qiáng)，在硬件、軟件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，還全面考量了主流核心組件的集成和傳統(tǒng)材料的運(yùn)用，確保了方案的經(jīng)濟(jì)合理性和良好的可制造性。該設(shè)計方案的產(chǎn)品一旦開發(fā)完成，將主要解決光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的連接問題，并且通過與光纖熔接機(jī)的協(xié)同作用，可完善光纖通信系統(tǒng)在接續(xù)方面的需求。該產(chǎn)品可為客戶提供更多的優(yōu)質(zhì)選擇，滿足不同客戶需求。