基于光纖通信的汽車照明及信號控制系統

摘要：光照和信號的時延差異，使汽車照明及信號控制系統無法對兩種不同的光源進行同步控制，而利用光纖通信技術可以極大地改善系統的可靠性，并有效地降低成本。光纖通信利用光的產生、傳播、接收、解調等特點，可以改善光的傳送性能，實現對數據的轉換。據此，對汽車照明及信號控制系統進行了概述，并分析了光纖通信的優勢，介紹了其在汽車照明信號控制中的應用。

關鍵詞：光纖通信；汽車照明；信號控制

中圖分類號：U463" 收稿日期：2022-11-02

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.014

1 前言

汽車照明、信號控制系統擔負著汽車照明、信號燈、電動喇叭、倒車、剎車等控制功能。傳統的汽車照明和信號控制系統采用開關、繼電器、特殊的電子振蕩器等控制方式，控制信號是由專用線束控制，沒有自我診斷的能力。車輛在行駛中，如果轉向燈等關鍵控制信號發生故障，很難被司機發現，從而易導致交通事故發生。

2 系統概述

2.1 OTU的基本結構及功能

OTU是一種微型的光通信接口處理器，其主要功能可分成兩種：a.用光電接頭與車載控制箱相連接的單獨的電子控制模塊；b.采用先進的光電界面處理器（OEM），可以直接將OTU與車內的其他設備相連，也可以將OTU與其他傳感器或交通工具系統直接相連。

2.2 光纖通信模塊的設計特點

由于光纖通信模塊采用單光子（SFP）方式，所以其能量傳輸的速度最小。在該系統中，OTU采用了兩種光學模塊，即調制激光器、光電二極管和RF。在OTU的硬件設計中，由于OTU的性能差異，各有各的優缺點[1]。為了達到最大的發射速度和最小的衰減，在使用調制激光技術時，必須實時地控制光子發射，但當使用光纖傳送技術時，這兩個性能都能得到體現：

a.采用載波轉換技術和光調制技術來進行單光子的傳輸；b.利用光電二極管技術來達到最大的傳輸率和最小的衰減；c.利用光電二極管技術來測量信號的高精度。這些特點對提高OTU硬件性能，保證系統的安全性，提高OTU的可靠性，具有十分重要的意義。

2.3 光學檢測器件

OTU的光學探測裝置是經OTU加工后的光學元件，它可以偵測到來自激光光源的脈沖（OTU能夠識別它們的不同種類，從而控制它們的工作），并且將這些脈沖信號傳送給OTU，使OTU能夠精確地顯示駕駛的車速和地點，OTU的OTID特性這一特點使得OTU能夠監測、識別和維持與整個照明系統的同步。另外，OTU可以對傳感器附近的異常狀況進行自動識別，并能快速、可靠、準確地傳輸信號，從而達到對汽車的自動控制。

2.4 ADC及信號控制模塊的配置要求

目前，光纖通信中常用的光纖接口主要有LVDS/UDP單接口和基于Zigbee的SIPS接口。由于車內信號處理系統的輸入是光學信號，所以在傳輸過程中需要有很高的速率和抗干擾性。在此，通信速率的需求與車輛所使用的光纖通信速率有關：通常ADC模組可以以較高的帶寬與車輛相連，并且必須使用功率較低的半導體元件，如Power Semiconductor；而低帶寬是一種高性能、小體積、低功耗的光纖通信系統的理想選擇[2]。

3 光纖通信的優勢與應用

3.1 抗電磁干擾

光纖通信具有很強的抗干擾性能。在信號處理系統中，由于沒有電感，所以不會受到電磁干擾。即便是受到了電磁干擾，它也能通過發送和接收來完成。在車輛的燈光與信號控制系統中，對電磁感應的要求較低。相反，很多電子裝置（例如電動車和移動電話）的噪音會對它們的信號進行探測。這樣的干擾會消除某些無線信號，使其在光纖通信不能工作。

3.2 低成本

采用光纖作為數據傳送媒介，使光信號能夠直接傳送到交通工具中，不需附加輔助裝置，因此不需進行其他的結構和設計。同時，在汽車使用 OSIS的時候，它可以把一個輸入的光信號變換成另外一個輸出，這樣就可以把該車的內部信息傳輸到其他的車輛。當使用光纖通信方式時，傳統的信息傳送可以被轉化成數字的信息傳送，因此降低了系統的發展費用和安裝數目[3]。

3.3 低功耗

由于傳統的無線通信系統采用單一的點對點頻率傳輸，因此會增加接收器的功耗。而光纖通信技術可以在全車的燈光傳送中進行多點的點到點的數據傳送，所以它的功耗也相對較低。另外，光纖通信技術可以在很短的時間內完成與交通工具有關的數據傳送，這對于汽車的應用是非常有利的[4]。

4 系統硬件平臺與工作原理

本系統采用3個單片機組成的多機控制系統，實現了汽車的照明和信號控制。該系統的主電子控制裝置 ECU（ECU）對全部的輸入控制信號進行集中編碼，并以串行的方式經由光纖傳送至前ECU（安裝于車輛前部）和后ECU（裝配于車輛的尾部）。前后ECU的平行輸出口由光電隔離器輸出控制信號，分別控制車輛前端（尾部）的照明和信號設備，以及前后車燈和信號設備。當ECU發生故障時，ECU會立即將錯誤代碼發送給ECU，ECU會發出警報，并將錯誤代碼顯示出來。在圖1中顯示了系統的硬件平臺。

4.1 電子控制單元

本系統主要ECU為AT89C51，AT89C2051為主要 ECU，前ECU為后ECU。AT89C51內置4 KB可編程FlashE2PROM、128字節RAM、16比特計時/計數器、串口1個、中斷電源6個、I/O引腳32個、3級程序內存、24 MHz的靜態操作頻率。AT89C2051內置2 KB可編程FlashE2PROM、128字節RAM、16比特計時/計數器、芯片內模擬比較器1個、串行通信端口1個、中斷電源6個、I/O引腳15個[5]。

4.2 光纖發射/接收器

HFBR-1414/2416是光纖發送/接收設備。HFBR-1414/2416具有820 nm的波長、155 MBd的最大傳輸距離、4 km的最大傳輸距離、-40～+85 ℃的工作溫度、50/125 Hm、62.5/125/m、200/mHCS光纖、ST、SC、SMA、FC4種不同的接頭。HFBR-1414纖維發射機包含一種高效率的光激發的鋁砷化物發光發射機，它能以60 mA的DC電流激發，將820 nm的波長（12 dBm）的光功率提供給光纖[6]。HFBR-2416型光纖接收機是一種高效率的 HN型光電二極管，是低噪音的交叉阻型前置放大器，通過光電二極管將光信號變換為模擬電信號，放大后再通過射極輸出裝置進行緩沖，其動態范圍可達到23 dB，頻率響應范圍從DC到125 MHR不等。

4.3 工作原理

主要ECU使用兩個具有同樣存儲格式的控制字來編碼和存儲全部的輸入控制信號，如圖2所示。

在1 ms的時間內，主要ECUTo定時中斷，并生成一個3 ms周期的方波信號來控制喇叭。在To中斷的情況下，進行250次的軟件計算，生成一個周期性的方波信號，其頻率為每分鐘80次。

在輸入切換信號改變時，或計時時間到達，或軟計數達到時，將第一個對應的控制字設置為對應的比特，或使比特反向。在主要ECU的時間為1.5 ms對兩個控制字進行比較，在兩個控制字之間存在差異時，主要ECU會利用串行接口來發送一個更新信號，第二個控制字由第一個控制字進行更新[7]。

當接收到來自主要ECU的控制信號時，前后ECU將其與已有的控制信號相比較。如果是不同的，則對輸出控制信號進行更新。控制信號存儲格式如表1所示。

5 基于光纖通信的汽車照明信號控制應用

5.1 光學天線陣列提供多種光纖連接方式

光譜技術對實現光纖通信的高速發展具有重要的意義。光纖通信裝置采用兩種不同的單線傳輸速率，不需要特殊的電路，因為它不需要考慮到光信號的復雜解調，也不需要在光的處理和傳送中使用軟件編碼。這種方法是以單一光檢測器與一組具有一定傳送帶寬及效能的光天線組合為基礎。光纖通信因其帶寬高、價格低廉等優點，在高速數據傳送中得到了廣泛應用[8]。為適應高速光學收發機的發展，需要一種高性能的單片機設備，如DSP，能夠接收、解調、傳輸海量的信息，以及諸如 ASIC之類的高速光學收發機。所以，單光子發射機、雙光子發射機以及基于光纖的超寬頻帶光學收發機（OFDM）就成了一個很好的解決辦法。但是，這些方案要求系統的穩定性、帶寬和成本都非常高。

5.2 多模光纖接收增強車載LED光效，減少成本

與傳統的汽車照明方案比較，采用多模式的光纖通信技術可以節約車輛的總造價20%。此外，采用多模光纖通信技術將其與計算機相連，可節省60%的電路板空間。在采用多模式光纖通信的情況下，由于可以通過一條光纜進行通信，所以車輛的照明設計就不再是一個重要的問題。為了保證每個光纖中的信號格式都是一樣的，必須進行大量的預處理。盡管這種方法的造價較高，但是在大多數的車輛燈光系統中都是可行的。這種方法還可以用于將多模式光纖替換為離散的器件（可以減少成本）。因為單根纖維和光纖線上的所有纖維是一樣的，所以可以從不同的角度進行傳送[9]。采用多幀調制技術實現光學信號的傳輸是一種有效的方法。通過編碼器對每個幀進行控制，有效地降低了使用離散器件所造成的成本和質量損失。通過在相同的線路上建立多個信號，光纖通信可以簡化應用程序。在多模式光纖接收裝置到多模式LED/UV變換系統中，多個信號的產生和傳輸數據的時間是1 ms。

5.3 采用多模光纖技術，降低光纖通信信號延遲

多模光纖是光纖通信技術的一大優點，但也有許多不足之處。因為每個光信號都是一個模式，而光信道中存在多個信道，所以，光纖通信必須為每一信道選擇不同的數據傳送協議和光纖通信協議。這是汽車系統的一個重要問題。大量的交通燈采用了諸如WDM-A之類的高速光學傳送協議。

光纖通信協議采用了許多不同的光纖協議。在傳統的光纖協議中，一般都采用WDM方式來實現單模信號的傳輸和協議的功能，但在雙模方式下，利用多模方式傳送單模信號，并利用多路復用接線實現對不同數據鏈路的控制。多模光纖的數目越多，傳送的結果就越好，所以在光纖通信協議中引入多種雙模方式，既可以增加傳送速度，又可以減少延遲，也可以改善性能，減少成本。多模方式能夠在多個波段、多信道上進行傳輸。

利用光電耦合器、光學時鐘等各種不同的光信道傳輸協議，可以進行發送、接收、解調，從而達到更好的傳輸效果。這種光纖通信方式也可以應用到更多的光學信道數據采集和控制算法中，從而改善光纖通信的性能。

5.4 多模光纖傳輸距離遠，達到100%傳輸速率

隨著車輛的電氣化、智能化不斷升級，需要更多的車內儲存和信息交流。這些要求為光纖通信帶來了廣闊的市場機遇。在同一車輛中采用多模光纖可以實現100%的數據傳輸，但同時也要考慮系統的設計、成本、安全性和可靠性[10]。利用LC波導多模光纖收發信機及組件會使整個系統的組件和裝置的大小得到很大的改善。另外，在車載監測系統中，采用LC波導模塊，可以將其與其他系統如車載控制IC、HUD等進行集成，從而大大降低了設計費用，縮短了裝配周期。

6 結語

基于光纖通信技術的優越性，相對于傳統的車輛照明和信號控制，該系統不但可以達到較遠的傳輸距離，還可以降低車輛周邊地區的能耗，同時也可以方便司機使用，能夠減少諸如轉發器之類的信號接收機和諸如電路板之類的處理單元的數目。此外，即便是使用常規的網絡，其距離也要比使用光貓時縮短一個量級，如兩輛汽車之間的間隔100 m。與傳統的網絡相比，該系統在性能上也有明顯的優越性。

參考文獻：

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[9]陳恩策，黃瑩，唐厚君基于LIN總線的汽車照明系統軟硬件開發[J]電氣自動化，2013，35（4）：22-24

[10]彭威，鄭曉婷基于以太網通信的智能照明控制系統設計[J]裝備制造技術，2020（7）：46-49

作者簡介：

秦航，男，1987年生，講師，研究方向為汽車檢測與維修、職業技術教育。