SOPC技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用

易 藝，郝建衛(wèi)，于新業(yè)

(桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西桂林541004)

SOPC技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用

易 藝，郝建衛(wèi)，于新業(yè)

(桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西桂林541004)

針對(duì)傳統(tǒng)有線通信布線鋪設(shè)難、成本高、設(shè)備移動(dòng)不便以及無線射頻通信頻譜資源緊張、存在電磁輻射等問題，提出了一種基于可編程片上系統(tǒng)技術(shù)（Syst emon a Program m abl e C hi p，SO PC)，利用可見光作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行無線光通信傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用方案。介紹了該方案的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可行，且能夠達(dá)到光能量與通信復(fù)用的目的。

N i os I I軟核；可見光通信；FPG A；白光LED；SO PC

0 引言

SOPC技術(shù)是在可編程邏輯器件上實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子系統(tǒng)的技術(shù)，它具有集成度高、功耗低、軟硬件可根據(jù)需要進(jìn)行裁減等優(yōu)點(diǎn)[1]，已成為半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)主流[2]。隨著綠色照明LED光源的逐漸普及，可見光通信（Visible Light Communication，VLC）技術(shù)將成為無線光通信領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向[3]，它與傳統(tǒng)有線通信和無線射頻通信相比具有性價(jià)比高、保密性好、可靠性高、無電磁干擾及無需頻譜認(rèn)證等優(yōu)點(diǎn)，可在智能照明、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域里交叉融合[4]。對(duì)于這些復(fù)雜的系統(tǒng)，在保證體積小、成本低、可靠性高的前提下，既要實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的通信，又要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)電路參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與控制等功能，僅用單片機(jī)或FPGA的邏輯硬件去協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作已顯得捉襟見肘。為此，我們提出了一種基于SOPC技術(shù)，利用可見光作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行無線光通信傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用方案。用SOPC技術(shù)構(gòu)造由Nios II軟核處理器和硬件數(shù)字邏輯組成的系統(tǒng)，并集成到一片F(xiàn)PGA芯片上，軟硬件協(xié)同工作，以減少系統(tǒng)的功耗、降低成本、提升系統(tǒng)的處理速度和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能[5]。

1 系統(tǒng)的組成和原理

可見光通信系統(tǒng)由測(cè)控節(jié)點(diǎn)和總控中心組成，其組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)的原理為：第一，總控中心向測(cè)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送任務(wù)命令。用戶根據(jù)需要在總控中心的PC機(jī)輸入命令，命令數(shù)據(jù)通過USB接口經(jīng)RS-485通信模塊送給VLC發(fā)射與接收模塊進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)制，然后經(jīng)過白光LED發(fā)射出調(diào)制的光信號(hào)。測(cè)控節(jié)點(diǎn)的VLC接收、發(fā)射與檢測(cè)模塊將光電二極管接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和解調(diào)，得到總控中心的任務(wù)命令。第二，測(cè)控節(jié)點(diǎn)向總控中心發(fā)送用戶需要的任務(wù)數(shù)據(jù)。測(cè)控節(jié)點(diǎn)的VLC接收、發(fā)射與檢測(cè)模塊根據(jù)接收到的任務(wù)命令，進(jìn)行相應(yīng)的工作，并將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)制，然后經(jīng)白光LED發(fā)射出調(diào)制的光信號(hào)?？偪刂行牡腣LC發(fā)射與接收模塊將光電二極管接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和解調(diào)，然后將解調(diào)出來的數(shù)據(jù)經(jīng)RS-485通信模塊送給PC機(jī)進(jìn)行顯示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

VLC系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括總控中心的硬件設(shè)計(jì)和測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 總控中心的硬件設(shè)計(jì)

總控中心的硬件設(shè)計(jì)主要包含RS-485通信模塊和VLC發(fā)射與接收模塊，其框圖如圖2所示。

圖2 總控中心的硬件框圖

◆PC機(jī)：安裝有用Visual Basic 6.0開發(fā)的客戶端軟件，顯示、存儲(chǔ)發(fā)送的控制命令和接收的數(shù)據(jù)。

◆RS-485通信模塊：采用MAX3485和南京沁恒公司的CH341實(shí)現(xiàn)USB與RS-485通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，作為中間橋梁連接PC機(jī)與FPGA芯片，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與VLC發(fā)射與接收模塊數(shù)據(jù)的交換。

◆VLC發(fā)射、接收模塊的控制與處理中心：選用Altera公司的Cyclone VI系列中的EP4CE22F17C8N芯片，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法[6]，利用Qsys構(gòu)建32位NiosII軟核處理器作為微控制器，用Verilog HDL來描述系統(tǒng)所需的邏輯電路，用 QuartusII13.1和NiosII13.1集成開發(fā)環(huán)境完成系統(tǒng)的編譯、綜合及仿真。發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制和編碼、接收數(shù)據(jù)的解調(diào)和譯碼、以及A/D和D/A的驅(qū)動(dòng)程序等都將在一塊FPGA芯片上完成。

◆D/A模塊：采用Analog Devices公司的12位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD9762將經(jīng)過編碼、調(diào)制等處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)。

◆發(fā)射調(diào)理電路：發(fā)射調(diào)理電路由低通濾波器和差分放大電路組成。選用運(yùn)放AD8009芯片來實(shí)現(xiàn)，主要用來濾除D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的寄生高頻干擾，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大。

◆LED驅(qū)動(dòng)電路：采用恒壓電源來為LED提供穩(wěn)定的電流[7]，以確保白光LED的照明亮度，達(dá)到光能量與通信復(fù)用的目的。

◆信號(hào)耦合模塊：采用由低失真、大電流反饋型運(yùn)放組成的加法電路，將攜帶有發(fā)送數(shù)據(jù)或命令的調(diào)制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)白光LED照明的直流信號(hào)進(jìn)行疊加，共同驅(qū)動(dòng)白光LED。

◆白光LED：選用LUMILEDS公司的1W白光LED燈[8]，并加上透鏡來改變發(fā)光的角度。

◆光電二極管：常用的光電二極管有雪崩光電二極管和PIN光電二極管。PIN光電二極管與雪崩光電二極管相比，具有成本低、光電轉(zhuǎn)換線性度好及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此選用PIN光電二極管S1087[9]。同時(shí)，為光電二極管安裝透鏡，用來提高光信號(hào)的接收質(zhì)量。

◆接收調(diào)理電路：選用運(yùn)放AD8009芯片來實(shí)現(xiàn)，主要將PIN光電二極管產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并進(jìn)行放大和濾波，抑制背景光噪聲和電路噪聲，使噪聲的幅值遠(yuǎn)小于信號(hào)的幅值，提高信噪比。

◆程控增益調(diào)整模塊：選用可控增益放大器VCA810和運(yùn)放OPA690來實(shí)現(xiàn)，將經(jīng)過接收調(diào)理電路處理的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使輸出的信號(hào)幅度滿足A/D模塊的采集范圍。

◆A/D模塊：選用Analog Devices公司的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9226和運(yùn)放AD8065來實(shí)現(xiàn)。為了提高電路的抗干擾能力和信噪比，由運(yùn)放AD8065和阻容器件實(shí)現(xiàn)將程控增益調(diào)整模塊輸出的單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，然后送給采用差分輸入模式的AD9226芯片進(jìn)行采集。

2.2 測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要包含傳感器電路模塊、開關(guān)量控制模塊和VLC接收、發(fā)射與檢測(cè)模塊，其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件框圖

VLC接收、發(fā)射與檢測(cè)模塊：從圖3可知，VLC接收發(fā)射和檢測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì)與總控中心的VLC發(fā)射和接收模塊的硬件設(shè)計(jì)相同，不再贅述。

傳感器電路模塊與開關(guān)量控制模塊：在某些特殊場(chǎng)合需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、環(huán)境等各種物理參數(shù)進(jìn)行采集和相應(yīng)的控制，例如：在高壓電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合誘導(dǎo)繁育藥用植物種苗的項(xiàng)目中采集空氣、土壤的溫濕度、CO2的濃度等環(huán)境參數(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。由于存在?qiáng)的磁電場(chǎng)、多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)和土壤潮濕等因素，不易采用有線通信和無線射頻通信進(jìn)行數(shù)據(jù)或命令的傳輸。此時(shí)，利用SOPC技術(shù)具有軟硬件可進(jìn)行裁減的特點(diǎn)，增加相應(yīng)的傳感器電路模塊和開關(guān)量控制模塊，并利用VLC系統(tǒng)，通過PC機(jī)發(fā)送命令對(duì)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集與控制，然后將采集的參數(shù)回傳至PC機(jī)進(jìn)行顯示。

3 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)的軟件組成包含PC機(jī)客戶端軟件、總控中心軟件和測(cè)控節(jié)點(diǎn)軟件。

3.1 PC機(jī)客戶端軟件組成

PC機(jī)客戶端軟件采用Visual Basic 6.0開發(fā)，可以根據(jù)用戶需要發(fā)送、存儲(chǔ)控制命令，記錄各個(gè)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和檢測(cè)的時(shí)間，并利用PC機(jī)的軟硬件對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)，然后發(fā)出相應(yīng)的控制命令。PC機(jī)客戶端軟件框圖如圖4所示。

圖4 PC機(jī)客戶端軟件框圖

3.2 總控中心、測(cè)控節(jié)點(diǎn)軟件組成

總控中心軟件部分由VLC發(fā)射/接收程序和RS-485通信驅(qū)動(dòng)程序組成。VLC發(fā)射/接收程序分為用C語言編寫的Nios II軟核處理器程序和用Verilog HDL描述的電路模塊。用Verilog HDL描述的電路模塊包括串/并轉(zhuǎn)換模塊、并/串轉(zhuǎn)換模塊、編碼調(diào)制/解碼調(diào)制映射模塊和添加/刪除循環(huán)前綴碼模塊[10，11]。Nios II軟核處理器是整個(gè)系統(tǒng)控制的核心，承擔(dān)協(xié)調(diào)各個(gè)用Verilog HDL描述的電路模塊之間的相互工作，并完成發(fā)射/接收程序中IFFT、FFT算法實(shí)現(xiàn)和RS-485通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)等任務(wù)?？偪刂行牡闹鞒绦蛄鞒虉D如圖5所示。系統(tǒng)的簡(jiǎn)要工作流程為：系統(tǒng)開始工作后，Nios II軟核處理器對(duì)其內(nèi)部資源、各個(gè)用Verilog HDL描述的電路模塊、RS-485通信模塊以及系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行初始化，然后等待PC機(jī)的命令，根據(jù)PC機(jī)的命令進(jìn)行發(fā)射、接收和其它各項(xiàng)工作。

圖5 總控中心的主程序流程圖

測(cè)控節(jié)點(diǎn)軟件部分由VLC接收和發(fā)射程序、傳感器驅(qū)動(dòng)程序和開關(guān)量控制程序組成。VLC接收與發(fā)射程序和總控中心的VLC發(fā)射與接收程序相同，不再贅述。只要在總控中心的主程序流程圖基礎(chǔ)上加入傳感器驅(qū)動(dòng)程序和開關(guān)量控制程序的調(diào)用、分析和處理函數(shù)，屏蔽RS-485函數(shù)的調(diào)用，即可實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)測(cè)試驗(yàn)證

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)按照?qǐng)D1的系統(tǒng)組成框圖搭建測(cè)試電路，并將其應(yīng)用于植物種苗磁電場(chǎng)復(fù)合誘導(dǎo)繁育項(xiàng)目的控制系統(tǒng)中，該系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間的試運(yùn)行，性能穩(wěn)定可靠，可在PC機(jī)客戶端軟件上查看植物種苗繁育裝置中的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，并可對(duì)裝置中各項(xiàng)開關(guān)量進(jìn)行控制。將查看的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器DT-321S空氣溫濕度測(cè)量?jī)x、Takeme土壤溫度水分測(cè)定儀測(cè)得的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，得到的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 環(huán)境參數(shù)測(cè)量結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，基于SOPC技術(shù)的可見光通信應(yīng)用方案?jìng)鬏敂?shù)據(jù)是穩(wěn)定可靠的，由于基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電子系統(tǒng)具有軟硬件可根據(jù)需要進(jìn)行裁減的特點(diǎn)，因此使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)、維護(hù)和升級(jí)難度大大減少。

5 結(jié)束語

本文提出的基于SOPC技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用方案，將電路的數(shù)字邏輯部分和微處理器置于一塊FPGA芯片內(nèi)，大大降低了電路的復(fù)雜程度，縮短了開發(fā)周期，減小了系統(tǒng)體積。具有功耗低、軟硬件升級(jí)及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了采用SOPC技術(shù)方案的優(yōu)越性。本方案適用于對(duì)電磁干擾有嚴(yán)格限制、鋪設(shè)通信線難的場(chǎng)所，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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Application of SOPC technology in visible light communication

YI Yi,HAO Jian-wei,YU Xin-ye
(Institute of Information Technology,Guilin University of Electronic Technology,Guilin Guangxi 541004,China)

The traditional cable communication has shortages such as difficult routing,high cost,poor equipment mobility,strained wireless radio frequency spectrum resource,electromagnetic radiation and so on.To solve these problems,an application scheme of wireless light communication is proposed,which is based on SOPC(System on a Programmable Chip),with visible light as the transmission medium.The design principle and realization method are introduced,and the experimental results show that it is feasible,and achieve the purpose of multiplexing of optical energy and communication.

Nios II soft core,visible light communication,FPGA,white LED,SOPC

TP273；TN929.1

A

1002-5561（2016）02-0029-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.009

2015-10-21。

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（桂科轉(zhuǎn)1599004-27）資助；桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（科技攻關(guān)20150102-10）資助；廣西高校專利倍增計(jì)劃項(xiàng)目（KY2015ZL154）資助。

易藝（1983-），男，講師/實(shí)驗(yàn)師，主要從事EDA技術(shù)、通信技術(shù)、測(cè)控技術(shù)及儀器方面的教學(xué)和科研工作。