基于光纖傳輸的工業傳感器網絡設計

趙飛 雒帥 陳敬豪

摘要：光纖作為一種新型的數據傳輸媒介，已在通信領域中得到了認可和廣泛的應用。為解決工業領域中分布式傳感器數據采集和傳輸易受電磁干擾和效率低下的問題，設計了一種基于光纖傳輸的工業傳感器網絡方案。采用光纖將各數據采集節點首尾相接，組成環型網絡，并利用FPGA片內豐富的邏輯資源，實現數據采集和光電編解碼功能，有效克服數據在傳輸線路中易受到電磁干擾的問題。實驗測試結果表明系統數據傳輸穩定、誤碼率低，為進一步在工程中應用提供了設計經驗和依據。

關鍵詞：光纖傳輸；數據采集；傳感器網絡；FPGA

中圖分類號：TP212文獻標志碼：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

在工業現場中會遇到一些大型設備的頻繁開關，不可避免地產生大量的電磁干擾[1-3]，而在傳感器數據采集和傳輸方面，數據傳輸的速率和準確性直接影響整個工業控制系統的可靠性。在對數據傳輸具有嚴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，并需嚴格地按照布線規范合理布線才能減弱周圍環境對傳輸線路的干擾[4-6]，對于需要較長距離數據傳輸的場合，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、線路損耗小、傳輸速率高及帶寬高等優點，已經在通信領域廣泛使用[7]，光纖通信技術的發展給惡劣環境中數據信號傳輸提供了新的解決方案。

1總體設計

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據傳遞。在遵循這一特點的條件下，光纖也可構成線型、環型、星型和總線型的4種基本拓撲結構的光纖網絡，并可在其基礎上疊加和擴展。文獻[8]中詳細地分析了這4種基本光纖拓撲結構的可靠性，并結合實際需求設計了光纖傳輸的工業傳感器網絡。

設計主要包括單節點多傳感器數據采集和多節點光纖組網2個部分。①單節點多傳感器數據采集主要的任務是對多個傳感器數據的實時采集、串并轉換、信號編解碼、光電轉換以及光信號的發送和接收。其中傳感器信號分為模擬量信號和數字量信號。單節點主控芯片采用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、光電轉換電路和光纖接口電路。②多節點組網部分主要的任務是光纖組網方案設計，環型的傳感器光纖組網方案如圖1所示。

2單節點的硬件設計

為了滿足對數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送功能的設計需要，節點設計主要分為傳感器數據采集和光纖數據傳輸2個部分進行。①傳感器數據采集部分由數字量傳感器數據采集和模擬量傳感器數據采集組成，數字量傳感器數據采集部分有多種數字量傳感器接口電路，包括RS232，RS485和SPI接口，并預留有IO接口；模擬量傳感器部分主要由信號調理電路和4通道的模數轉換電路組成。②光纖數據傳輸部分為了能夠組建環型網絡，設計了2對光纖收發接口電路模塊，單節點的硬件設計如圖2所示。

①FPGA芯片選用Altera公司的颶風二代系列芯片EP2C8T144C8，內部邏輯單元多達8千余個，RAM總量有16萬余個，有182個I/O引腳，滿足設計需要與升級拓展，并配套采用EPCS4外部程序存儲配置芯片。

②模數轉換器選擇的是TI公司的ADS7950，是串行逐次逼近12位4通道的轉換芯片，采樣速率能夠達到1 MHz。

③光纖收發器選用Agilent公司的HFBR系列，具體的發送器為HRBR1414，接收器為HFBR2416，二者配套使用，數據傳輸速率可高達160 Mbps。

3 FPGA內部邏輯架構設計

FPGA內部系統邏輯設計采用硬件編程語言Verilog開發，主要實現對傳感器和光纖數據的處理。除連接上位機的節點需要與上位機數據交互模塊外，其他節點的功能一致，因此采用統一的模塊化設計，便于系統的程序修改和維護。單節點的內部邏輯電路架構設計如圖3所示。

多路傳感器數據采集通道將采集到的數據傳遞到數據處理模塊，在數據處理模塊中，給每一路數據添加地址進行數據打包。數據發送控制模塊內部設計有狀態機，使光纖1接收端的下游數據和本節點采集到的數據可以依次地進入到光纖1發送模塊的預發送寄存器中，經CMI編碼后，通過光纖1發送到上游的光纖1的接收端。光纖1的接收端接收到下游節點的數據后，經過CMI解碼和數據處理后，將數據傳遞到光纖1的數據接收寄存器，并將其數據的地址傳遞到發送控制模塊內部，判斷數據是否可繼續向上游發送。

待發送控制模塊使能光纖1接收端數據可繼續向上游發送后，光纖1的數據接收寄存器的數據傳遞到光纖1的數據發送寄存器中進行數據發送。光纖1的數據傳輸在沒有上位機的特定請求時，按照發送控制模塊依次將各節點數據傳遞到上位機。若上位機有控制請求，則通過光纖2將控制信號傳遞到對應節點。接收控制模塊根據控制請求中的地址判斷控制請求信號是否是對本節點的控制請求信號，若是對本節點的控制信號，則本節點響應控制請求；反之，則通過光纖2的發送模塊傳遞到下游節點。

4關鍵技術

4.1光纖數據傳輸數據編解碼

在數字光纖數據傳輸中，因為使用的信號源是光源，傳輸介質是光導纖維。光源不能發射負的光脈沖，因此只能采用“0”和“1”二電平碼。為了方便提取定時信號，應避免信碼流中出現長“0”和長“1”碼，并進行不中斷業務的誤碼監測，此外還應盡量減少信碼中直流分量的起伏。

在光纖通信系統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碼等，設計中采用CMI碼作為數據在光纖中數據傳輸碼，CMI碼是傳號反轉碼的簡稱，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。

4.2數據傳輸協議設計

采用光纖將數據采集節點首位相連，每一節點上又設計有數字量和模擬量的傳感器接口，采集到的大量的傳感器數據需要準確地傳輸到上位機。因此，數據的傳輸協議是系統的關鍵技術。本設計中充分利用FPGA設計的靈活性，對各系統接口分配唯一的數據地址，使數據在傳輸過程中能準確傳輸。地址設計采取分級式設計，各數據采集節點分配第一級地址，節點中的數據接口分配第二級地址，一幀數據包由8位的一級地址、8位的二級地址、16位的數據位和8位檢驗位構成。

5系統功能驗證

5.1系統功能仿真

軟件仿真采用Modelsim軟件對使用Verilog硬件描述語言設計的FPGA內部邏輯電路進行功能性仿真，仿真主要涉及光纖數據的處理，其中包括光纖的發送和接收、串并轉換、CMI編解碼和對發送控制的邏輯仿真驗證。

圖4中主要驗證的是CMI的編碼，待編碼數據通過并串轉換后由cmi_init輸出，經CMI編碼后數據寄存在cmi_reg中，并串轉換后經光纖1發送引腳sadd將其輸出。

5.2系統功能實現

在強電磁干擾環境下進行實驗，通過采用SignalTap II軟件進行軟硬件聯調和板級調試，實現了對多數據采集節點的數據讀取，組建的環型光纖網絡能夠準確收發數據。板卡1在接收到網絡中其他板卡中經光纖傳輸的CMI碼的解碼波形圖，沒有出現誤碼情況，如圖5所示。

采用一串口調試助手，將3個板卡組網連接，如圖6所示。依次循環讀取3塊板卡中預設的數據（其中板1中數據為11，板2中數據為22，板3中數據為33），如圖7所示，串口助手可準確讀取到預設數據。

6結束語

結合光纖和FPGA的優勢設計了基于光纖傳輸的工業傳感器網絡方案，旨在通過用光信號代替電信號進行數據傳輸，提高數據采集傳輸的穩定性，并在有電磁干擾環境中驗證了方案所設計的光纖網絡數據傳輸的可靠性，為進一步在工程中應用提供了設計經驗和依據。

參考文獻

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