Page 25 - 网络电信2016第18期

光通信

1.总控中心的硬件设计 图3 测控节点的硬件框图
总控中心的硬件设计主要包含RS-485通信模块和VLC发射与
接收模块，其框图如图2所示。 VLC接收、发射与检测模块：从图3可知，VLC接收发射和检
◆PC机：安装有用Visual Basic 6.0开发的客户端软件， 测模块的硬件设计与总控中心的VLC发射和接收模块的硬件设计
显示、存储发送的控制命令和接收的数据。 相同，不再赘述。
◆RS-485通信模块：采用MAX3485和南京沁恒公司的CH341
实现USB与RS-485通信协议之间的转换，作为中间桥梁连接PC 传感器电路模块与开关量控制模块：在某些特殊场合需要
机与FPGA 芯片，实现PC机与VLC 发射与接收模块数据的交换。 对现场设备、环境等各种物理参数进行采集和相应的控制，例
◆VLC发射、接收模块的控制与处理中心：选用Altera 如：在高压电场和强磁场复合诱导繁育药用植物种苗的项目中
公司的Cyclone VI系列中的EP4CE22F17C8N芯片，采用自顶向 采集空气、土壤的温湿度、CO2的浓度等环境参数，并进行适当
下的设计方法[6]，利用Qsys构建32位NiosII软核处理器作为 的控制。由于存在强的磁电场、多个数据采集点和土壤潮湿等
微控制器，用Verilog HDL来描述系统所需的逻辑电路，用 因素，不易采用有线通信和无线射频通信进行数据或命令的传
QuartusII13.1和NiosII13.1集成开发环境完成系统的编译、综 输。此时，利用SOPC技术具有软硬件可进行裁减的特点，增加
合及仿真。发送数据的调制和编码、接收数据的解调和译码、 相应的传感器电路模块和开关量控制模块，并利用VLC系统，通
以及A/D 和D/A的驱动程序等都将在一块FPGA芯片上完成。 过PC机发送命令对各项环境参数进行采集与控制，然后将采集
◆D/A模块：采用Analog Devices公司的12位高速数模转换 的参数回传至PC机进行显示。
芯片AD9762将经过编码、调制等处理后的数字信号转换为对应
的模拟信号。 四、系统软件组成
◆发射调理电路：发射调理电路由低通滤波器和差分放大
电路组成。选用运放AD8009 芯片来实现，主要用来滤除D/A转 系统的软件组成包含PC机客户端软件、总控中心软件和测
换产生的寄生高频干扰，并对信号进行适当放大。 控节点软件。
◆LED驱动电路：采用恒压电源来为LED提供稳定的电流
[7]，以确保白光LED的照明亮度，达到光能量与通信复用的目 1.PC机客户端软件组成
的。 PC机客户端软件采用Visual Basic 6.0开发，可以根据用
◆信号耦合模块：采用由低失真、大电流反馈型运放组成 户需要发送、存储控制命令，记录各个测控节点的检测数据和
的加法电路，将携带有发送数据或命令的调制信号和驱动白光 检测的时间，并利用PC机的软硬件对检测的数据进行分析、处
LED照明的直流信号进行叠加，共同驱动白光LED。 理和存储，然后发出相应的控制命令。PC机客户端软件框图如
◆白光LED：选用LUMILEDS公司的1W白光LED灯[8]，并加上 图4所示。
透镜来改变发光的角度。
◆光电二极管：常用的光电二极管有雪崩光电二极管和PIN 图4 PC机客户端软件框图
光电二极管。PIN 光电二极管与雪崩光电二极管相比，具有成
本低、光电转换线性度好及响应速度快等优点，因此选用PIN 2.总控中心、测控节点软件组成
光电二极管S1087[9]。同时，为光电二极管安装透镜，用来提高 总控中心软件部分由VLC发射/接收程序和RS-485通信驱动
光信号的接收质量。 程序组成。VLC发射/接收程序分为用C语言编写的Nios II软核
◆接收调理电路：选用运放AD8009芯片来实现，主要将PIN 处理器程序和用Verilog HDL描述的电路模块。用Verilog HDL
光电二极管产生的电流信号转换为电压信号，并进行放大和滤
波，抑制背景光噪声和电路噪声，使噪声的幅值远小于信号的
幅值，提高信噪比。
◆程控增益调整模块：选用可控增益放大器VCA810和运放
OPA690来实现，将经过接收调理电路处理的信号进行适当的调
整，使输出的信号幅度满足A/D模块的采集范围。
◆A/D模块：选用Analog Devices公司的12位模数转换器
AD9226和运放AD8065来实现。为了提高电路的抗干扰能力和信
噪比，由运放AD8065和阻容器件实现将程控增益调整模块输出
的单端信号转换为差分信号，然后送给采用差分输入模式的
AD9226芯片进行采集。
2.测控节点的硬件设计
测控节点的硬件设计主要包含传感器电路模块、开关量控
制模块和VLC接收、发射与检测模块，其硬件设计框图如图3所
示。

32 网络电信 二零一六年十月