基于光纖傳輸?shù)墓I(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

趙飛 雒帥 陳敬豪

摘要：光纖作為一種新型的數(shù)據(jù)傳輸媒介，已在通信領(lǐng)域中得到了認(rèn)可和廣泛的應(yīng)用。為解決工業(yè)領(lǐng)域中分布式傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸易受電磁干擾和效率低下的問題，設(shè)計了一種基于光纖傳輸?shù)墓I(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)方案。采用光纖將各數(shù)據(jù)采集節(jié)點首尾相接，組成環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，并利用FPGA片內(nèi)豐富的邏輯資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和光電編解碼功能，有效克服數(shù)據(jù)在傳輸線路中易受到電磁干擾的問題。實驗測試結(jié)果表明系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、誤碼率低，為進(jìn)一步在工程中應(yīng)用提供了設(shè)計經(jīng)驗和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：光纖傳輸；數(shù)據(jù)采集；傳感器網(wǎng)絡(luò)；FPGA

中圖分類號：TP212文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2018）17-63-3

Design of Industrial Sensor Networks Based on Fiber Transmission

ZHAO Fei，LUO Shuai，CHEN Jinghao（School of Mechanical and Materials Engineering， North China University of Technology， Beijing 100144， China）

0引言

在工業(yè)現(xiàn)場中會遇到一些大型設(shè)備的頻繁開關(guān)，不可避免地產(chǎn)生大量的電磁干擾[1-3]，而在傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸方面，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎蜏?zhǔn)確性直接影響整個工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性。在對數(shù)據(jù)傳輸具有嚴(yán)格可靠性要求的場合，通常采用具有屏蔽層的雙絞線作為傳輸介質(zhì)，并需嚴(yán)格地按照布線規(guī)范合理布線才能減弱周圍環(huán)境對傳輸線路的干擾[4-6]，對于需要較長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊?，屏蔽雙絞線的傳輸性能就會大大降低。光纖具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、線路損耗小、傳輸速率高及帶寬高等優(yōu)點，已經(jīng)在通信領(lǐng)域廣泛使用[7]，光纖通信技術(shù)的發(fā)展給惡劣環(huán)境中數(shù)據(jù)信號傳輸提供了新的解決方案。

1總體設(shè)計

光的傳播具有方向性，因此光信號在光纖中傳輸是單向的信號傳輸，最適合點對點的單向數(shù)據(jù)傳遞。在遵循這一特點的條件下，光纖也可構(gòu)成線型、環(huán)型、星型和總線型的4種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光纖網(wǎng)絡(luò)，并可在其基礎(chǔ)上疊加和擴(kuò)展。文獻(xiàn)[8]中詳細(xì)地分析了這4種基本光纖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可靠性，并結(jié)合實際需求設(shè)計了光纖傳輸?shù)墓I(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)計主要包括單節(jié)點多傳感器數(shù)據(jù)采集和多節(jié)點光纖組網(wǎng)2個部分。①單節(jié)點多傳感器數(shù)據(jù)采集主要的任務(wù)是對多個傳感器數(shù)據(jù)的實時采集、串并轉(zhuǎn)換、信號編解碼、光電轉(zhuǎn)換以及光信號的發(fā)送和接收。其中傳感器信號分為模擬量信號和數(shù)字量信號。單節(jié)點主控芯片采用FPGA芯片，并搭建外圍硬件電路，其中外圍電路包括傳感器接口電路、通用接口電路、光電轉(zhuǎn)換電路和光纖接口電路。②多節(jié)點組網(wǎng)部分主要的任務(wù)是光纖組網(wǎng)方案設(shè)計，環(huán)型的傳感器光纖組網(wǎng)方案如圖1所示。

2單節(jié)點的硬件設(shè)計

為了滿足對數(shù)字量與模擬量的多傳感器信號的接收及光纖信號的接收與發(fā)送功能的設(shè)計需要，節(jié)點設(shè)計主要分為傳感器數(shù)據(jù)采集和光纖數(shù)據(jù)傳輸2個部分進(jìn)行。①傳感器數(shù)據(jù)采集部分由數(shù)字量傳感器數(shù)據(jù)采集和模擬量傳感器數(shù)據(jù)采集組成，數(shù)字量傳感器數(shù)據(jù)采集部分有多種數(shù)字量傳感器接口電路，包括RS232，RS485和SPI接口，并預(yù)留有IO接口；模擬量傳感器部分主要由信號調(diào)理電路和4通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。②光纖數(shù)據(jù)傳輸部分為了能夠組建環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了2對光纖收發(fā)接口電路模塊，單節(jié)點的硬件設(shè)計如圖2所示。

①FPGA芯片選用Altera公司的颶風(fēng)二代系列芯片EP2C8T144C8，內(nèi)部邏輯單元多達(dá)8千余個，RAM總量有16萬余個，有182個I/O引腳，滿足設(shè)計需要與升級拓展，并配套采用EPCS4外部程序存儲配置芯片。

②模數(shù)轉(zhuǎn)換器選擇的是TI公司的ADS7950，是串行逐次逼近12位4通道的轉(zhuǎn)換芯片，采樣速率能夠達(dá)到1 MHz。

③光纖收發(fā)器選用Agilent公司的HFBR系列，具體的發(fā)送器為HRBR1414，接收器為HFBR2416，二者配套使用，數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)160 Mbps。

3 FPGA內(nèi)部邏輯架構(gòu)設(shè)計

FPGA內(nèi)部系統(tǒng)邏輯設(shè)計采用硬件編程語言Verilog開發(fā)，主要實現(xiàn)對傳感器和光纖數(shù)據(jù)的處理。除連接上位機(jī)的節(jié)點需要與上位機(jī)數(shù)據(jù)交互模塊外，其他節(jié)點的功能一致，因此采用統(tǒng)一的模塊化設(shè)計，便于系統(tǒng)的程序修改和維護(hù)。單節(jié)點的內(nèi)部邏輯電路架構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

多路傳感器數(shù)據(jù)采集通道將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)處理模塊，在數(shù)據(jù)處理模塊中，給每一路數(shù)據(jù)添加地址進(jìn)行數(shù)據(jù)打包。數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊內(nèi)部設(shè)計有狀態(tài)機(jī)，使光纖1接收端的下游數(shù)據(jù)和本節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)可以依次地進(jìn)入到光纖1發(fā)送模塊的預(yù)發(fā)送寄存器中，經(jīng)CMI編碼后，通過光纖1發(fā)送到上游的光纖1的接收端。光纖1的接收端接收到下游節(jié)點的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過CMI解碼和數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)傳遞到光纖1的數(shù)據(jù)接收寄存器，并將其數(shù)據(jù)的地址傳遞到發(fā)送控制模塊內(nèi)部，判斷數(shù)據(jù)是否可繼續(xù)向上游發(fā)送。

待發(fā)送控制模塊使能光纖1接收端數(shù)據(jù)可繼續(xù)向上游發(fā)送后，光纖1的數(shù)據(jù)接收寄存器的數(shù)據(jù)傳遞到光纖1的數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器中進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。光纖1的數(shù)據(jù)傳輸在沒有上位機(jī)的特定請求時，按照發(fā)送控制模塊依次將各節(jié)點數(shù)據(jù)傳遞到上位機(jī)。若上位機(jī)有控制請求，則通過光纖2將控制信號傳遞到對應(yīng)節(jié)點。接收控制模塊根據(jù)控制請求中的地址判斷控制請求信號是否是對本節(jié)點的控制請求信號，若是對本節(jié)點的控制信號，則本節(jié)點響應(yīng)控制請求；反之，則通過光纖2的發(fā)送模塊傳遞到下游節(jié)點。

4關(guān)鍵技術(shù)

4.1光纖數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)編解碼

在數(shù)字光纖數(shù)據(jù)傳輸中，因為使用的信號源是光源，傳輸介質(zhì)是光導(dǎo)纖維。光源不能發(fā)射負(fù)的光脈沖，因此只能采用“0”和“1”二電平碼。為了方便提取定時信號，應(yīng)避免信碼流中出現(xiàn)長“0”和長“1”碼，并進(jìn)行不中斷業(yè)務(wù)的誤碼監(jiān)測，此外還應(yīng)盡量減少信碼中直流分量的起伏。

在光纖通信系統(tǒng)中有多種碼型可以使用，常用的有偽雙極性碼、mBnB碼、插入比特碼和加入二進(jìn)碼等，設(shè)計中采用CMI碼作為數(shù)據(jù)在光纖中數(shù)據(jù)傳輸碼，CMI碼是傳號反轉(zhuǎn)碼的簡稱，源碼字“0”變換為CMI碼的“01”碼，源碼字“1”變換為“00”或“11”碼交替出現(xiàn)。

4.2數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計

采用光纖將數(shù)據(jù)采集節(jié)點首位相連，每一節(jié)點上又設(shè)計有數(shù)字量和模擬量的傳感器接口，采集到的大量的傳感器數(shù)據(jù)需要準(zhǔn)確地傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。因此，數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本設(shè)計中充分利用FPGA設(shè)計的靈活性，對各系統(tǒng)接口分配唯一的數(shù)據(jù)地址，使數(shù)據(jù)在傳輸過程中能準(zhǔn)確傳輸。地址設(shè)計采取分級式設(shè)計，各數(shù)據(jù)采集節(jié)點分配第一級地址，節(jié)點中的數(shù)據(jù)接口分配第二級地址，一幀數(shù)據(jù)包由8位的一級地址、8位的二級地址、16位的數(shù)據(jù)位和8位檢驗位構(gòu)成。

5系統(tǒng)功能驗證

5.1系統(tǒng)功能仿真

軟件仿真采用Modelsim軟件對使用Verilog硬件描述語言設(shè)計的FPGA內(nèi)部邏輯電路進(jìn)行功能性仿真，仿真主要涉及光纖數(shù)據(jù)的處理，其中包括光纖的發(fā)送和接收、串并轉(zhuǎn)換、CMI編解碼和對發(fā)送控制的邏輯仿真驗證。

圖4中主要驗證的是CMI的編碼，待編碼數(shù)據(jù)通過并串轉(zhuǎn)換后由cmi_init輸出，經(jīng)CMI編碼后數(shù)據(jù)寄存在cmi_reg中，并串轉(zhuǎn)換后經(jīng)光纖1發(fā)送引腳sadd將其輸出。

5.2系統(tǒng)功能實現(xiàn)

在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下進(jìn)行實驗，通過采用SignalTap II軟件進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)和板級調(diào)試，實現(xiàn)了對多數(shù)據(jù)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)讀取，組建的環(huán)型光纖網(wǎng)絡(luò)能夠準(zhǔn)確收發(fā)數(shù)據(jù)。板卡1在接收到網(wǎng)絡(luò)中其他板卡中經(jīng)光纖傳輸?shù)腃MI碼的解碼波形圖，沒有出現(xiàn)誤碼情況，如圖5所示。

采用一串口調(diào)試助手，將3個板卡組網(wǎng)連接，如圖6所示。依次循環(huán)讀取3塊板卡中預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)（其中板1中數(shù)據(jù)為11，板2中數(shù)據(jù)為22，板3中數(shù)據(jù)為33），如圖7所示，串口助手可準(zhǔn)確讀取到預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)。

6結(jié)束語

結(jié)合光纖和FPGA的優(yōu)勢設(shè)計了基于光纖傳輸?shù)墓I(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)方案，旨在通過用光信號代替電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)姆€(wěn)定性，并在有電磁干擾環(huán)境中驗證了方案所設(shè)計的光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，為進(jìn)一步在工程中應(yīng)用提供了設(shè)計經(jīng)驗和依據(jù)。

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