光纖以太網技術在水下拖曳系統中的應用

海軍駐昆明七五〇試驗場軍事代表室 郭 勍 孫現有

七五〇試驗場 朱 強

光纖以太網技術在水下拖曳系統中的應用

海軍駐昆明七五〇試驗場軍事代表室 郭 勍 孫現有

七五〇試驗場 朱 強

介紹了基于新型水下拖曳系統的技術特點設計的光纖通信系統方案，著重解決多節點串行、大數據高速傳輸等關鍵技術問題。其中重點闡述了通信系統的架構設計，光纖以太網技術的應用，全面有效的通信協議設計。在實際的水下拖曳系統中檢驗了通信方案的有效性。

光纖以太網；拖曳系統；FPGA

0 引言

水下拖曳系統作為一種有效的探測平臺,廣泛應用于海洋資源勘探、地球物理學測量、海洋研究與監測及軍事等諸多領域，并隨著海洋開發的日益深人，其發揮的作用也越來越重要。它在海洋環境與海洋資源調查以及國防建設中有著特殊的用途。水下拖曳系統通常由拖曳電纜、拖曳體、專用絞車及干端控制設備組成,拖曳體內可根據不同的用途搭載溫、鹽、壓、營養鹽及聲納等各種海洋化學元素探測傳感器或聲、光等物理探測傳感器。拖曳船上的操作者可以通過一定的控制方式實施對拖曳體的軌跡與姿態控制來達到執行不同水下探測任務的目的。

光纖通信作為一種全新的信息傳輸技術，自誕生之日起便受到人們的廣泛關注和重視，時至今日，光纖通信技術已經在諸多領域和行業中應用，成為提升通信質量和效率的重要手段。光纖通信技術依靠光纖作為主要的信息載體，以光波的形式進行數據的傳輸，這使得光纖通信速度比電信通信技術要更加快捷。光纖通信因其具有的大容量通信、遠距離傳輸、信號串擾小、保密性能好、抗電磁干擾、傳輸質量佳、尺寸小、重量輕、難于竊聽、光纜適應性強、壽命長，備受業內人士青睞，發展非常迅速。

因此，基于水下拖曳系統的特殊需要以及光纖通信技術的技術特點，將光纖以太網技術應用到水下拖曳系統中，將能夠解決水下拖曳系統的通信問題。

1 光纖通信系統設計

拖曳系統由干端設備和濕端設備組成。干端設備安裝在拖船船艙內，由主控中心和收放裝置組成，完成拖曳系統控制、監控、顯示，以及水下拖曳系統的收放。水下拖曳系統由拖曳光纜、拖曳陣及拖曳體組成，完成海洋環境下的探測與檢測。

如圖1所示，光纖通信系統由主控計算機和水下各節點設備通過光纜形成串行環路，基于光纖以太網技術形成光纖通信局域網，數據傳輸速度可以達到3Gbps。本通信系統只需兩路光纖即可完成，即數據下行通路和數據上行通路。因此這可大大減小拖曳光纜的纜徑，滿足拖曳系統對纜徑的需求。

圖1 通信系統方案框圖

2 光纖以太網技術

以太網技術指的是由Xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶局域網規范。傳統以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測技術）技術，并以10M/100M/s的速率運行在多種類型的電纜上。以太網不是一種具體的網絡，是一種技術規范，在IEEE 802.3中定義了以太網的標準協議。光纖以太網技術可以借助以太網設備采用以太網數據包格式實現WAN通信業務。該技術可以適用于任何光傳輸網絡——光纖直接傳輸、SDH以及DWDM網絡傳輸。目前，光纖以太網可以實現10Mbps、100Mbps以及1Gbps等標準以太網速度。

在嵌入式環境下，符合IEEE 802.3協議標準的以太網是比較合適的鏈接方式，以太網的數據傳輸速率高，數傳距離遠，擴展性強。在本系統中，每個節點通信電路均采用ALTERA公司的FPGA芯片為核心進行設計，ALTERA公司提供了Triple speed Ethernet的IP核。該IP核主要功能特點如下：

（1）兼容IEEE 802.3標準；

（2）支持千兆媒體獨立接口（GMII），支持千兆速率操作；

（3）提供ALTERA支持的、在VHDL和Verilog HDL仿真器的功能仿真模型。

3 通信協議設計

通信協議（communications protocol）是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。協議定義了數據單元使用的格式，信息單元應該包含的信息與含義，連接方式，信息發送和接收的時序，從而確保網絡中數據順利地傳送到確定的地方。

本通信系統包括多種通信設備、十幾個通信節點，根據功能需求整個通信需具有多種控制命令格式和數據格式，因此設計一個全面、有效、規范的通信協議，是保障整個系統可靠、有效通信的最重要、最基本的任務。

3.1 數據格式設計

本文依據硬件平臺條件、功能需求，設計了能夠滿足整個通信系統可靠、安全、有效通信的數據格式。本數據通信格式為通用數據格式，不管是控制命令，還是參數、數據命令，均按此數據格式編碼。本數據通信格式如表1所示，由目標地址、源地址、命令類型、數據長度和數據組成。

表1 數據格式

3.2 節點地址（ID）設計

ID是英文IDentity的縮寫，身份標識號碼的意思，是系統中唯一的編碼。在本系統中，每個節點都有一個固定ID地址，并根據節點類型進行分類，即把同類的節點分配同一個地址，便于對同一類型節點統一操作。本系統的各個節點地址（ID）詳見表2。

表2 各節點地址（ID）分配表

3.3 命令設計

為了滿足整個系統的正常工作，把整個光纖網絡中的數據通信命令進行了分類，共十幾種類型。在通信中各軟件可以根據命令類型及ID地址進行判斷、識別，并進行相應的處理。其中，開始/停止工作命令、自檢命令等命令如下所示：

（1）全部節點自檢命令：FFA1 1001 XXXXH；

（2）深度采集電路1節點開始工作命令：C1A1 3001 XXXXH；

（3）全部聲吶電路開始工作命令：EEA1 3001 XXXXH。

圖2 光纖通信系統軟件工作流程圖

4 軟件設計

整個系統中的每個節點都基于自身的硬件環境開發了相應的軟件。軟件體系結構采用主從模式，由上位機的控制計算機軟件作為主控制端，進行控制命令的發送和各節點的數據、狀態的采集、顯示等；水下各節點軟件通過接收、解析控制計算機軟件發送的控制命令，進行相應的操作，并把工作信息上傳到控制計算機上。每個節點只接收與自己相關的命令信息，并對與自己無關的信息進行實時無損轉發。

整個系統軟件的控制流程如圖2所示。

5 結論

本文提出的光纖通信系統方案已成功應用于新型水下拖曳系統中，該通信系統能夠滿足高實時性、高穩定性的性能要求，通信速率達到1.25Gbps，能保證數據高效傳輸。同時，通信系統結構具有很好的擴充性特點，能夠在現有通信系統上進行通信節點的刪減和擴充。綜上所述，該通信系統方案解決了水下拖曳系統中需要解決的多點串行、數據高效傳輸的關鍵技術問題。

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