光電搜索跟蹤設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方法研究

作者/丁玲、胡媛媛、劉楨、王世明、張超、胡冠華，北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所

光電搜索跟蹤設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方法研究

作者/丁玲、胡媛媛、劉楨、王世明、張超、胡冠華，北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所

設(shè)計(jì)了一種低成本，低延遲，高速全雙工的光電搜索跟蹤設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。包括發(fā)送端編碼，發(fā)送端并串轉(zhuǎn)換，發(fā)送端電光轉(zhuǎn)換，接收端光電轉(zhuǎn)換，接收端串并轉(zhuǎn)換，發(fā)送端解碼等軟硬件模塊。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用高性價(jià)比器件，實(shí)現(xiàn)了光電搜索設(shè)備高速數(shù)據(jù)流的收發(fā)一體化。在全雙工工作模式下，數(shù)據(jù)傳輸率優(yōu)于1.25Gbps,數(shù)據(jù)傳輸延遲優(yōu)于250ns，連續(xù)工作24小時(shí)誤碼率優(yōu)于10—9。

光電搜索設(shè)備；高速傳輸；光纖通信；編碼

引言

隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代的來臨，光電搜索跟蹤系統(tǒng)由于其高精度、抗干擾、全天候動(dòng)態(tài)獲取目標(biāo)信息等特點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)識(shí)別和跟蹤，為作戰(zhàn)指揮、武器控制與火力打擊分配提供及時(shí)準(zhǔn)確的依據(jù)，從而保證了武器系統(tǒng)的快速?zèng)Q策和精確打擊能力。光電搜索跟蹤是建立在高精度伺服控制技術(shù)和高速圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，可見光CCD、紅外熱像儀、激光測(cè)距機(jī)等傳感器數(shù)據(jù)需要經(jīng)過滑環(huán)實(shí)時(shí)的傳輸給監(jiān)視器或轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)，海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速高精度搜索跟蹤的關(guān)鍵技術(shù)之一。

光電搜索跟蹤系統(tǒng)一般采用光纖傳輸技術(shù)，物理層的8 B/10 B編碼、準(zhǔn)確的時(shí)鐘恢復(fù)保證了光纖通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)、無誤地傳輸傳感器信息和各個(gè)傳感器控制信息[1]。國(guó)內(nèi)中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所，兵器工業(yè)集團(tuán)計(jì)算所等單位在此方面進(jìn)行了充分的研究[2][3]，在傳輸速度上達(dá)到1Gbps以上，在傳輸誤碼率方面優(yōu)于10—9，普遍采用雙光纖單向傳輸，為達(dá)到后向兼容性和通用性，采用復(fù)雜的傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)總線的組網(wǎng)，加大了數(shù)據(jù)開銷和時(shí)間延遲。本系統(tǒng)通過單光纖雙向傳輸、高速數(shù)據(jù)時(shí)分復(fù)用等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息和控制信息的同鏈路傳輸，實(shí)現(xiàn)了光電搜索跟蹤大數(shù)據(jù)量的低延遲、低誤碼率的高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)傳輸。

1. 光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原理

圖1 光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸原理圖

圖1為光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)原理圖，CCD、熱像儀、雷達(dá)、激光測(cè)距機(jī)等傳感器在通過光纖傳輸來的控制指令下，發(fā)出數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)融合單元將數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)傳輸單元，數(shù)據(jù)傳輸單元接收到數(shù)據(jù)后發(fā)送給數(shù)據(jù)采集板，傳感器的綜合控制，數(shù)據(jù)傳輸流的控制，命令接收譯碼和傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送構(gòu)成綜合控制采集板，光纖接收單元和高速采集單元接收光纖傳輸來的數(shù)據(jù)，輸送給顯示終端或識(shí)別和跟蹤單元。整個(gè)光電搜索跟蹤設(shè)備中，傳感器平臺(tái)和伺服轉(zhuǎn)臺(tái)通過滑環(huán)連接，CCD、熱像儀、雷達(dá)、激光測(cè)距機(jī)等傳感器中CCD和熱像儀傳輸數(shù)據(jù)量較大。對(duì)于高機(jī)動(dòng)穩(wěn)定跟蹤或快速周視偵查，CCD幀頻在數(shù)百幀以上，傳統(tǒng)總線如LVDS、以太網(wǎng)、USB、1394等串行總線速度不夠，而并行總線由于轉(zhuǎn)臺(tái)控制精度和滑環(huán)體積等受到限制，只能采用光纖傳輸。在本設(shè)計(jì)所采用的滑環(huán)中只有單芯光纖和供電線路，有效的減小了滑環(huán)體積和實(shí)現(xiàn)了光電隔離，減少了電磁干擾。

2. 光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 分時(shí)復(fù)用采集結(jié)構(gòu)

圖2 分時(shí)復(fù)用采集結(jié)構(gòu)原理圖

圖2為分時(shí)復(fù)用采集結(jié)構(gòu)原理圖。CCD和熱像儀的幀緩存采用FIFO(先進(jìn)先出堆棧)。數(shù)據(jù)流總裁和控制單元接收來自上位機(jī)的控制命令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流控制，8B/10B編碼模塊采用同步設(shè)計(jì)，通過K28.5碼實(shí)現(xiàn)命令同步，編碼后的數(shù)據(jù)通過并行串行變換給光電耦合模塊，通過單模光纖傳輸給數(shù)據(jù)采集板。

2.2 數(shù)據(jù)信息和控制信息的同鏈路傳輸

圖3 單芯單模光纖雙向傳輸原理圖

單芯單模光纖雙向傳輸原理圖，如圖3所示。數(shù)據(jù)鏈路通過1550nm激光器調(diào)制后由1550nm探測(cè)器接收，控制鏈路通過1310nm激光器調(diào)制后由1310nm探測(cè)器接收，在單模光纖中有效的利用了波分復(fù)用和解波分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息和控制信息的同鏈路傳輸。

2.3 軟硬件實(shí)現(xiàn)

圖4 發(fā)送端硬件原理框圖

光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸硬件原理圖，如圖4所示。其中傳感器接口分別為Camera link接口，紅外差分接口，串口，F(xiàn)IFO采用512KB的AL440B,FPGA采用EP3C25F324I，并行和串行轉(zhuǎn)化芯片為TLK1221。

圖5 發(fā)送端軟件原理框圖

光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送端軟件原理圖，如圖5所示，在接收到光耦發(fā)送來的啟動(dòng)命令后，打開傳感器并且設(shè)置傳感器參數(shù)，數(shù)據(jù)打包單元等待FIFO標(biāo)志位，當(dāng)FIFO標(biāo)志位有效后將數(shù)據(jù)打包，通過8B/10B編碼后，通過光耦發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接收端采用對(duì)應(yīng)的光模塊，采用PCI接口與計(jì)算機(jī)接口。

3. 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

圖6 光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試板實(shí)物圖

圖6為光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試板實(shí)物圖，分別為兩塊既能發(fā)送數(shù)據(jù)又能接收收據(jù)的電路板，電路板之間采用FC接頭的3米通信光纖。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)

圖7為光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)圖，F(xiàn)PGA中采集的硬件實(shí)際運(yùn)行示波器圖。REFCLK為輸入并行數(shù)據(jù)時(shí)鐘，頻率為125MHz,其中testin為發(fā)送的0—255線性變化的數(shù)據(jù)，testout為接收端通過8B/10B解碼后輸出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中的尖峰為插入的同步K28.5碼。經(jīng)測(cè)試連續(xù)工作24小時(shí)誤碼率優(yōu)于10—9。由于采用的并行時(shí)鐘為125MHz,故整個(gè)傳輸速率為1.25Gbps。

圖8 數(shù)據(jù)延遲測(cè)試圖

為光電搜索跟蹤設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)延遲測(cè)試，如圖8所示，F(xiàn)PGA中采集的硬件實(shí)際運(yùn)行示波器圖。 其中testin為輸入數(shù)據(jù)，testout為輸出數(shù)據(jù)，通過多次測(cè)量傳輸延遲在30個(gè)REFCLK時(shí)鐘周期內(nèi)，即是傳輸延遲優(yōu)于250ns。

4. 結(jié)論

本文通過對(duì)光電跟蹤搜索設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸方法的研究，提出用于光電跟蹤搜索設(shè)備的光纖單芯雙向波分復(fù)用數(shù)據(jù)傳輸方案，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸流程，并通過硬件電路進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明，在全雙工工作模式下，數(shù)據(jù)傳輸率優(yōu)于1.25Gbps,傳輸延遲優(yōu)于250ns，連續(xù)工作24小時(shí)誤碼率優(yōu)于10—9。

＊ [1] 李 增，高世杰，吳志勇. 高速視頻數(shù)據(jù)光纖傳輸系統(tǒng)的物理層實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程,VOL（35），NO(11),266—268,2009

＊ [2] Fukaishi M. A 2.125 Gb/s BiCMOS Fiber Channel Transmitter for Seril Data Communications [J]. IEEE Journal of Solid—state Circuits, 1999, 34(9): 1325—1330.

＊ [3] 毛繼志,李建周,許家棟.基于FPGA的高速數(shù)傳系統(tǒng)研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2005,22(11):104—107.

＊ [4] 劉愛雄, 高有行. 光纖通信系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)恢復(fù)[J]. 光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù), 2003, 2(1): 18—21.

＊ [5]戴居豐，賀傳峰，毛陸虹．一種新的光纖通信 8B/10B 編解碼實(shí)現(xiàn)方法研究[J]．電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2005，4(2)：31—34