基于Zynq的雙工可見光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈云飛

（北方工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，北京100144）

可見光通信（Visible Light Communication，VLC）是一種新型的無線通信方式，由于使用波長(zhǎng)范圍在400nm 到700nm的可見光作為媒介載體進(jìn)行通信，其具有低功耗、高帶寬、防電磁干擾等優(yōu)勢(shì)[1]，在水下通信、礦井檢測(cè)或者軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

當(dāng)前對(duì)于可見光通信的研究多集中于信道仿真或者離線測(cè)試，實(shí)際工程應(yīng)用的可見光傳輸系統(tǒng)還很少見。本文基于高性能Zynq 7000 系列芯片設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)雙工可見光通信系統(tǒng)，在Zynq 單芯片PS（ARM）+PL（FPGA）的架構(gòu)下，該系統(tǒng)擴(kuò)展性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，可通過網(wǎng)線連接便攜設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案框圖如圖1 所示，Zynq 數(shù)控平臺(tái)通過以太網(wǎng)口與上層設(shè)備相連。在光發(fā)射鏈路中采用場(chǎng)效應(yīng)管的OOK 調(diào)制方案驅(qū)動(dòng)白光LED 完成電光轉(zhuǎn)化，光接收鏈路使用大面積PIN-PD 采集光強(qiáng)信息，通過放大電路恢復(fù)原始電信號(hào)，完成光電轉(zhuǎn)化[3]。

圖1 雙工可見光通信系統(tǒng)方案框圖

視頻回放模塊負(fù)責(zé)從硬盤讀取之前存儲(chǔ)的視頻文件，把視頻數(shù)據(jù)送到VDEC 模塊，由VDEC 模塊進(jìn)行解碼后通過VO 模塊輸出顯示。

2 Zynq 數(shù)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

Zynq 芯片的特色是其內(nèi)部集成了ARM處理器和FPGA 邏輯運(yùn)算單元，從而構(gòu)成了PS（Processing System）+PL（Programmable Logic）的單芯片SoC 解決方案。PS與PL 間利用AXI4 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，具有低功耗，處理能力強(qiáng)的特點(diǎn),可以突破底層硬件與嵌入式處理器、操作系統(tǒng)之間的速率瓶頸[4]。

本系統(tǒng)選用Zynq-XC7Z020 開發(fā)板作為數(shù)控平臺(tái)，如圖2所示為數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)。在Zynq 芯片的PS 側(cè)移植了Linux 操作系統(tǒng)，利用多線程技術(shù)和TCP 協(xié)議與上層設(shè)備進(jìn)行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，并采用了基于AXI-DMA的方案實(shí)現(xiàn)內(nèi)部PS與PL的高速數(shù)據(jù)互聯(lián)。AXI-DMA IP 核利用直接存儲(chǔ)控制技術(shù)，在讀寫DDR 內(nèi)存數(shù)據(jù)的過程中不需要CPU的參與且支持突發(fā)性傳輸，具有速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)[5]。

圖2 Zynq 平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)

在工作時(shí)，AXI-DMA 控制器通過AXI4 接口讀寫DDR 內(nèi)存數(shù)據(jù)并完成與AXI-Stream 接口的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)將AXI-DMA的讀數(shù)據(jù)通道MM2S 和寫數(shù)據(jù)通道S2MM獨(dú)立設(shè)計(jì)，并在PL 側(cè)分別完成對(duì)數(shù)據(jù)流的組幀與解幀，串口協(xié)議的發(fā)送與接收功能。其中數(shù)據(jù)傳輸幀由13（1111100110101）巴克碼、11（11100010010）巴克碼和4（1110）巴克碼共32 位作為幀頭和幀尾，之間插入AXI-DMA 啟動(dòng)一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位組成，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸幀格式

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 系統(tǒng)樣機(jī)

系統(tǒng)樣機(jī)如圖4 所示，使用了直徑20mm、焦距50mm的菲涅爾透鏡，起到聚光和對(duì)準(zhǔn)的作用。

圖4 系統(tǒng)樣機(jī)

3.2 測(cè)試結(jié)果

如圖5 所示，在室內(nèi)照明環(huán)境中的10m 傳輸距離下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤碼率測(cè)試。從圖中可以看出在3Mbps 速率下，系統(tǒng)的傳輸誤碼率低于10-6。另外，使用筆記本電腦模擬上位機(jī)通過網(wǎng)線連接至系統(tǒng)樣機(jī)，發(fā)送文件數(shù)據(jù)包，在另一側(cè)接收并進(jìn)行對(duì)比，表1 所示為測(cè)試結(jié)果。

圖5 10m 傳輸距離系統(tǒng)誤碼率測(cè)試

表1 文件發(fā)送測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)在全雙工方式下傳輸數(shù)據(jù)無丟包現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)雙工可見光通信系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)在10m，3Mbps 速率下誤碼率結(jié)果低于10-6，并且在全雙工方式下傳輸文件數(shù)據(jù)包無丟包現(xiàn)象，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為可見光通信的工程應(yīng)用提供了新的思路。