基于無(wú)源光通信的單燈檢測(cè)與控制模塊設(shè)計(jì)

（中國(guó)民用航空總局第二研究所 科研開(kāi)發(fā)中心，成都 610041）

機(jī)場(chǎng)助航燈光系統(tǒng)是保障機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，是飛機(jī)在夜間和復(fù)雜天氣條件下順利起飛、著陸和滑行的必要目視助航設(shè)備[1]。隨著航空業(yè)務(wù)量的不斷攀升，機(jī)場(chǎng)吞吐量的日益增加以及對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)成本的控制，現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)助航燈光及其控制系統(tǒng)均難以滿足現(xiàn)代航空業(yè)助航和引導(dǎo)的新需求。近期昆明機(jī)場(chǎng)和深圳機(jī)場(chǎng)對(duì)ADB公司基于電力載波數(shù)據(jù)傳輸方式的應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)故障較多、檢測(cè)誤報(bào)率高，國(guó)內(nèi)外也有基于CAN總線的機(jī)場(chǎng)跑道燈控制系統(tǒng)的研究[2]，但受傳輸距離、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸可靠性和帶寬等問(wèn)題的制約，其推廣和應(yīng)用難度較大。

基于無(wú)源光通信技術(shù)的助航燈具單燈監(jiān)控系統(tǒng)，具有可靠的檢測(cè)與控制功能，可以有效地解決系統(tǒng)故障多、檢測(cè)誤報(bào)率高等問(wèn)題，提高助航燈光控制系統(tǒng)的可靠性，從而保證機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)行。

1 總體設(shè)計(jì)

助航燈單燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)控制軟件、局端OLT（optical line terminal）和單燈檢測(cè)與控制模塊組成。上位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)助航燈具的總體路由規(guī)劃與地址分配、接收燈具的狀態(tài)信息和發(fā)送開(kāi)關(guān)燈控制命令。局端OLT設(shè)備提供無(wú)源光纖網(wǎng)絡(luò)的光纖接口，一端連接上層網(wǎng)絡(luò)，完成無(wú)源光通信網(wǎng)絡(luò)的上行數(shù)據(jù)接入；另一端連接助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)助航燈具的控制、管理等功能。助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具工作狀態(tài)的檢測(cè)和控制，總體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)原理Fig.1 General design schematic diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

助航燈檢測(cè)與控制模塊主要由處理單元、通信單元、燈具工作狀態(tài)檢測(cè)單元、燈具控制單元和電源單元組成。燈具工作狀態(tài)檢測(cè)單元提取燈具的溫度、濕度、電流及電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后送到處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果經(jīng)通信單元進(jìn)行電光轉(zhuǎn)換，通過(guò)光纖鏈路發(fā)送到遠(yuǎn)程控制主機(jī)。通信單元接收來(lái)自遠(yuǎn)程控制主機(jī)下發(fā)的控制命令，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后送處理單元進(jìn)行協(xié)議解析，觸發(fā)燈具控制單元實(shí)現(xiàn)燈具的開(kāi)、關(guān)、閃爍等操作。電源單元主要為助航燈檢測(cè)與控制模塊上各單元提供工作電源。

2.1 通信單元

通信單元的設(shè)計(jì)選用市面上較為成熟的帶無(wú)源光通信技術(shù)協(xié)議的光電轉(zhuǎn)換模塊，完成數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的編碼和解碼以及光電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。

無(wú)源光通信技術(shù)協(xié)議的光電轉(zhuǎn)換模塊都為1000 M的數(shù)據(jù)傳輸速率，要實(shí)現(xiàn)與其互連通信，一種是直接選用支持1000 M MAC的處理器，但這種處理器價(jià)格較為昂貴；為了降低成本，本設(shè)計(jì)采用另一種方案，即選用帶低速M(fèi)AC的MCU，在MCU與無(wú)源光通信技術(shù)協(xié)議的光電轉(zhuǎn)換模塊之間加入速率轉(zhuǎn)換單元，完成不同數(shù)據(jù)速率間的匹配。

速率轉(zhuǎn)換單元選用工業(yè)級(jí)的Marvell交換芯片88E6046，它集成了2個(gè)GE口和4個(gè)FE口，能很好地滿足設(shè)計(jì)需求，將其中一個(gè)GE端口屬性設(shè)置為支持1000-Base-X Fiber SEDERS接口，通過(guò)耦合電容與光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行連接，PCB走線阻抗控制在100 Ω；另一個(gè)GE端口屬性設(shè)置為支持100 M 的MII接口，與MCU的MAC相連，從而實(shí)現(xiàn)1000 M與100 M數(shù)據(jù)速率之間的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)MCU通過(guò)串行數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)對(duì)交換芯片內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)操作，其原理如圖2所示。

圖2 通信單元原理Fig.2 Communication unit schematic diagram

2.2 處理單元

處理單元是助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊的核心控制部分，其核心芯片選用帶有Cortex-M3內(nèi)核的32位互連型處理器STM32F107，內(nèi)部集成256 KB的Flash和高達(dá)64 KB的SRAM，同時(shí)還包含10/100 M MII接口、16個(gè)12 bit的ADC采集通道、I2C接口、GPIO接口、UART接口等，最高主頻可達(dá)72 MHz[3]。在本設(shè)計(jì)中，MII接口用于連接通信單元，以實(shí)現(xiàn)控制器與遠(yuǎn)程控制服務(wù)器的通信；ADC的2個(gè)通道分別連接至電壓和電流檢測(cè)電路，以實(shí)現(xiàn)助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊對(duì)燈具電流電壓值的檢測(cè)；I2C接口用于連接溫濕度采集電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具內(nèi)部溫濕度值的檢測(cè)；GPIO接口連接到燈具控制單元，響應(yīng)遠(yuǎn)程控制命令，控制助航燈具的開(kāi)或關(guān)。處理單元利用固件控制芯片各個(gè)接口，實(shí)現(xiàn)助航燈檢測(cè)與控制模塊的檢測(cè)與控制功能。

2.3 燈具工作狀態(tài)檢測(cè)單元

為保證助航燈光系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)助航燈具的電壓和電流來(lái)判斷燈具的工作狀態(tài)。助航燈具采用有效值為2.8 A～6.6 A的五級(jí)恒流源供電，因此要在寬輸入動(dòng)態(tài)范圍下保證系統(tǒng)的采集精度，充分利用ADC的采集有效位數(shù)，需要設(shè)計(jì)合理的信號(hào)調(diào)理電路，將傳感器上的電壓和電流信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、衰減調(diào)理至適合ADC的轉(zhuǎn)換范圍，MCU定時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過(guò)真有效值計(jì)算后，得到燈具實(shí)際的電流電壓值，從而判斷出助航燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及工作的光級(jí)，并保存記錄等待上傳。

溫濕度的檢測(cè)采用高精度低功耗數(shù)字型溫濕度傳感器，通過(guò)I2C接口與MCU相連，保證MCU能實(shí)時(shí)獲取燈具內(nèi)部的溫濕度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具內(nèi)部溫濕度參數(shù)的監(jiān)測(cè)。燈具檢測(cè)單元原理如圖3所示。

圖3 燈具檢測(cè)單元原理Fig.3 Light detection unit schematic diagram

2.4 燈具控制單元

助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊接收來(lái)自遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并依據(jù)解析出的命令控制燈具控制單元響應(yīng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)燈操作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的控制。處理單元通過(guò)GPIO端口連接驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路與繼電器控制線圈相連，繼電器的觸點(diǎn)與燈具并聯(lián)。當(dāng)MCU響應(yīng)控制命令時(shí)，在控制引腳上輸出高電平或低電平，控制繼電器的閉合或斷開(kāi)，同時(shí)回讀繼電器的工作狀態(tài)，以保證控制命令的準(zhǔn)確執(zhí)行。燈具控制單元原理如圖4所示。

2.5 電源單元

電源單元主要包括二級(jí)變壓器、輸入保護(hù)電路、整流電路、恒流穩(wěn)壓電路。電源單元將輸入的恒流源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的恒壓源，為助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊上各單元供電。電源單元原理如圖5所示。

圖4 燈具控制單元原理Fig.4 Light controlling unit schematic diagram

圖5 電源單元原理Fig.5 Power supply unit schematic diagram

3 軟件設(shè)計(jì)

助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊的軟件設(shè)計(jì)建立在UCOS II操作系統(tǒng)上，它具有可裁減、搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)的特點(diǎn)，同時(shí)在內(nèi)核中運(yùn)行LWIP協(xié)議棧[4]，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)基于TCP/IP的通信連接，完成對(duì)助航燈具的檢測(cè)與控制。

3.1 通信協(xié)議

為保證助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊和遠(yuǎn)程控制軟件的正常通信，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上建立標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，通信協(xié)議格式為“包頭+數(shù)據(jù)+校驗(yàn)+包尾”，每個(gè)數(shù)據(jù)包的包頭均以EB90開(kāi)始，以00AA結(jié)束，如圖6所示。如果控制器收到無(wú)效的數(shù)據(jù)包，將做丟包處理，只有滿足協(xié)議的有效數(shù)據(jù)包才被解碼。

圖6 通信協(xié)議Fig.6 Communication protocol

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序采用模塊化設(shè)計(jì)的方式，系統(tǒng)程序主要包含初始化模塊、電壓電流采集模塊、溫濕度采集模塊、通信模塊、燈具控制模塊等。助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊上電后，首先完成對(duì)時(shí)鐘、中斷、外設(shè)等硬件和LWIP協(xié)議棧的初始化，然后判斷網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)，待與遠(yuǎn)程控制軟件成功連接后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集子函數(shù)采集溫度、濕度、電壓和電流值，并調(diào)用TCP函數(shù)周期性地向遠(yuǎn)程控制軟件發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。利用中斷方式實(shí)時(shí)響應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)出的開(kāi)關(guān)燈命令，程序流程如圖7所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.7 Software design flow chart

4 測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和單燈檢測(cè)與控制模塊的功能，對(duì)模塊進(jìn)行了系統(tǒng)性的測(cè)試。測(cè)試環(huán)境主要包括1臺(tái)PC機(jī)、1臺(tái)交換機(jī)、1臺(tái)OLT、1個(gè)分光器、3個(gè)單燈檢測(cè)與控制模塊、3個(gè)助航燈具等，PC機(jī)與交換機(jī)相連，交換機(jī)通過(guò)雙絞線連接到OLT，OLT設(shè)備通過(guò)光纖連接到分光器上，分光器分出的支路連接到3個(gè)單燈檢測(cè)與控制模塊。在測(cè)試環(huán)境搭建完成后，分別測(cè)試模塊在上行與下行方向的性能，以驗(yàn)證單燈檢測(cè)與控制模塊的檢測(cè)與控制功能。

在下行方向，遠(yuǎn)程控制軟件下發(fā)控制指令，當(dāng)單燈檢測(cè)與控制模塊接收到來(lái)自遠(yuǎn)程控制軟件的命令后，響應(yīng)該命令控制繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)燈具的開(kāi)或關(guān)的操作。試驗(yàn)測(cè)試500次遠(yuǎn)程控制任意燈具，單燈檢測(cè)與控制模塊均正確響應(yīng)控制指令。

在上行方向，單燈檢測(cè)與控制模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)燈具工作狀態(tài)，同時(shí)將狀態(tài)參數(shù)周期性地發(fā)送到遠(yuǎn)程控制軟件，在解析數(shù)據(jù)包后，遠(yuǎn)程控制軟件實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前燈具狀態(tài)信息。試驗(yàn)通過(guò)遠(yuǎn)程控制軟件連續(xù)接收并記錄燈具狀態(tài)信息，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為24 h，再用記錄的采集數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)相比較，判斷測(cè)試結(jié)果是否正確。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試后，試驗(yàn)結(jié)果均正確，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖8與圖9所示。

圖8 燈具狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)與傳輸結(jié)果Fig.8 Light state parameter detection and transmission test result

圖9 實(shí)時(shí)燈具狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Real-time light state detection result

通過(guò)以上試驗(yàn)，測(cè)試了助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊在上行和下行方向的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，驗(yàn)證了助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊的檢測(cè)與控制功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都在預(yù)期設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，證明了基于無(wú)源光通信接入網(wǎng)技術(shù)的助航燈單燈檢測(cè)與控制模塊方案的可實(shí)現(xiàn)性和系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

將無(wú)源光通信接入網(wǎng)技術(shù)引入到民用機(jī)場(chǎng)助航燈光控制系統(tǒng)，解決了復(fù)雜電磁環(huán)境下信號(hào)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)可靠傳輸問(wèn)題。設(shè)計(jì)中選用大功率的控制繼電器，不僅適用于新型的LED助航燈具，也適用于傳統(tǒng)的鹵素?zé)艟摺Ｍㄟ^(guò)系統(tǒng)軟硬件的聯(lián)調(diào)驗(yàn)證，取得了較為理想的效果，為國(guó)內(nèi)先進(jìn)的機(jī)場(chǎng)場(chǎng)面活動(dòng)引導(dǎo)與控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

[1]李青云.民用機(jī)場(chǎng)助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探究[J].價(jià)值工程，2010，29（20）：149.

[2]王莉，徐華中.基于CAN總線分布式機(jī)場(chǎng)跑道燈控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2004.12（3）：249-263.

[3]STMicroelectronics.RM0008 Reference Manual[EB/OL].http：//www.st.com/content/st_com/en/products/microcontrollers/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32f1-series/stm32f105-107/stm32f107vc.html.

[4]Kieran Mansle.lwIP-A Lightweight TCP/IP stack-Summary[EB/OL].https：//savannah.Nongnu.org/projects/lwip.