基于以太網技術的光電信號檢測系統

摘 要 針對光信號檢測傳輸速率低、傳輸距離短及檢測成本高等問題，結合EP4CE115F29C7N型芯片，設計基于以太網的光電信號檢測系統。該系統將光電信號采集模塊采集到的信號通過AD7606采樣并進行預處理后存儲到片外SDRAM，同時在UDP/IP協議基礎上設計以太網通信模塊，將數據通過數據包的方式發送到上位機，并基于LabVIEW設計光信號采集監控系統，實現對上傳數據的濾波和實時檢測。通過對比輸入信號和LabVIEW監控系統顯示信號的一致性，驗證了系統的正確性。實驗結果表明：該系統可以減少光檢測信號遠距離傳輸的數據損耗，提高光電信號的檢測效率，有較好的實時性和可讀性，且程序移植靈活，節約并縮短了光電檢測成本和系統開發時間。

關鍵詞 光電檢測 FPGA 以太網 UDP/IP LabVIEW

中圖分類號 TN29；TN919 " 文獻標志碼 A " 文章編號 1000-3932（2024）04-0671-10

光電檢測技術作為一門新興的檢測技術，通過光電探測器將光信號轉換為電信號，再經過后續的處理電路對光信號進行檢測，具有精度高、選擇性好、數字化等特點［1，2］。但是部分光信號在傳播過程中會發生衰減，且光信號的信號幅值低，易受噪聲干擾，輸出的光電信號噪聲過大，信號易失真［3］。在接收到光信號后，還需要對信號做進一步處理，檢測效率低。因此，優化光電信號檢測，增加檢測的可靠性、準確性和實時性顯得尤為重要［4～6］。

國內外優化光電檢測信號的方式可大致分為兩類：增加光電器件在實際應用中的穩定性；優化光電檢測系統。前者通常可以通過無水無氧封裝、表面保護及鈍化等外部加工來實現高穩定性［7，8］，后者則需要根據具體使用條件對光電檢測系統進行具體設計。除此之外，光電信號的檢測還在食品、醫療、國防和工業中應用廣泛［9］。常用的光電檢測方式主要包括直接檢測和相干檢測兩種［10］。直接檢測技術利用光源的光強攜帶信息，通過包絡檢波的方式獲取接收信號的幅值信息等。根據不同需求，光電信號有不同的檢測方法，文獻［11］運用自動增益控制電路對信號進行放大，并采用多次濾波的方式抑制背景噪聲，從而達到對反射光干涉信號進行檢測的目的，該方法可以自動調節增益，根據不同需求對信號進行放大，但系統硬件結構復雜，而且與上位機的實時交互性較差；文獻［12］利用平衡偏振法實現微弱信號的檢測，由于該方法對環境的依賴較大，導致檢測效果不穩定；文獻［13］通過優化硬件電路，增加噪聲補償功能，但是成本和工藝難度也有所上升。

本研究主要通過優化光電檢測系統來提升光電檢測過程的穩定性和實時性，用直接檢測技術，以FPGA為數字主控核心，結合光電轉換模塊、信號調理模塊和模數轉換模塊對接收的光信號進行檢測，并通過以太網UDP通信技術進行數據存儲和傳輸，最后利用LabVIEW在PC端設計實時顯示系統，從而實現光信號的實時采集功能。

1 設計方案

針對光信號檢測中檢測設備復雜、檢測過程冗長及檢測成本高等問題，設計基于FPGA的光電信號采集與檢測系統，方案如圖1所示，包含光電轉換模塊、模數轉換模塊、數據存儲模塊、數字主控模塊、以太網通信模塊和上位機顯示模塊。

系統選用的是PN硅光電二極管，具有速度快、成本低、靈敏度高等優點。信號調理模塊運用AD825系列運算放大器將微小的光電流信號進行放大，并對放大后的信號進行濾波等操作。系統選用的AD7606模數轉換芯片，具有二階抗混疊模擬濾波器，可實現8路16位200 kSPS同步采樣。數據存儲模塊和以太網通信模塊分別選用的是IS42S16320D型SDRAM和88E1111的PHY芯片［14］。數字主控模塊選用的是Cyclone IV E系列EP4CE115F29C7N型芯片。數據通過PHY芯片傳輸到上位機后，基于LabVIEW軟件設計無線光通信信號采集監控系統，實現信號的實時檢測功能。

2 硬件設計

光信號通過硅光電二極管，將光信號轉換為電信號，并傳入信號調理模塊進行放大。本研究選用AD825作為一級放大器，AD825能在不同負載條件下維持穩定的增益，具有高速、低成本、直流參數優化出色等優點。考慮到溫度偏移對微弱信號檢測的影響，圖2a中增加了T型反饋網絡結構，T型反饋網絡可以在減小溫漂誤差的同時獲得較大的放大倍數和較高的輸入電阻。AD825采用±5 V雙電源供電，便于處理PN硅光電二極管輸出信號為負電流的情況。圖2b所示的二級放大電路使用的是LF353運算放大器，并實現增益100倍可調節，以適應不同強度的電信號。

3 程序設計

光電轉換模塊將光信號轉換為電信號傳入A/D轉換器，數字主控模塊下的A/D轉換控制單元對AD7606芯片初始化并配置連接口和采樣倍數，配置完成后在AD7606芯片內部進行模數轉換并發送數據到SDRAM模塊進行存儲。SDRAM控制單元將接收到的數據通過FIFO接口存入片外SDRAM，在接收到以太網通信模塊請求數據指令后，SDRAM控制單元控制FIFO從片外SDRAM中讀出數據并傳入以太網通信模塊進行數據打包。UDP控制模塊將打包好的數據根據UDP傳輸協議傳輸到PHY芯片，PHY芯片負責與上位機進行交互信息。根據以上流程設計的程序方案如圖3所示。

3.1 模數轉換模塊

AD7606是高速低功耗的16位8通道同步采樣模數轉換芯片，采用單電源工作方式，最高采樣速率可達200 kSPS，內置了模擬輸入鉗位保護、二階抗混疊模擬濾波器、采樣保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近模數轉換器（ADC）［15］。

本系統使用并行接口模式對采集的模擬信號進行模數轉換。圖4為并行接口模式轉換時序圖，圖5為并行接口模式通道讀取時序圖。AD7606按照圖4時序完成模擬信號到數字信號的轉換，隨后將片選信號拉低進入圖5所示的8通道數據讀取模式。

系統用Quartus Ⅱ設計A/D初始化和驅動程序，Modelsim對模數轉換驅動程序的仿真結果如圖6所示。為與整體系統配合，A/D轉換模塊的時鐘采用25 MHz；ad_data為設置的輸入數據，片選信號CS拉低后通道1～8依次讀取16位數據。程序實現了AD7606的模數轉換和8通道數據采集功能。

3.2 數據存儲模塊

SDRAM是有一個同步接口的動態隨機存取內存，具有同步、動態、隨機等特點。SDRAM通過同步時鐘實現指令與數據的同步操作，通過電容充放電特性實現對數據的不斷刷新，提高數據存儲的可靠性。本系統SDRAM選用的是IS42S16320型芯片，芯片的行列地址輸入分別為13、10 bit，數據總線16 bit，邏輯Bank地址線BA0、BA1，總容量64 MB，滿足系統的數據存儲上限［16］。SDRAM控制單元是SDRAM存儲模塊的核心，如圖7所示，SDRAM控制單元主要分3部分：SDRAM狀態控制、SDRAM讀寫控制和SDRAM命令控制。由于SDRAM的初始化過程是一個順序的過程，因此使用狀態機對初始化過程進行描述，初始化狀態機根據初始化的不同狀態，使SDRAM命令控制模塊發送不同的指令。為保證數據的可靠性，存儲數據的電容需定時刷新，設置一個刷新計數器對工作狀態機進行定時刷新。由于SDRAM的讀寫涉及行激活、列讀寫、延時等，因此也用狀態機實現不同狀態間的跳轉。工作狀態機處理外部寫請求信號和讀請求信號，且寫請求信號優先級高于讀請求信號。工作狀態機會根據不同狀態輸出對應的工作請求，工作狀態大致可分為讀寫控制和命令控制兩部分，讀寫控制部分控制數據線，命令控制部分控制地址線、片選、使能等控制信號線。

SDRAM讀寫時序復雜，為增加程序的復用性，將SDRAM控制單元用兩個FIFO接口封裝，分別用于信號采集數據的寫入以及以太網通信模塊數據的讀出。用PLL鎖相環產生各模塊所需要的時鐘信號，由于SDRAM芯片的工作時鐘較快，并對時序要求較高，因此給SDRAM驅動模塊一個100 MHz的時鐘信號，同時考慮到FPGA內部走線延時和PCB板走線延時，需要輸出給SDRAM時鐘一個-75°的相位偏移。SDRAM控制模塊控制FIFO寫模塊將信號采集模塊傳入的數據存儲到片外SDRAM；在以太網通信模塊數據打包請求數據時SDRAM控制模塊控制FIFO讀模塊在片外SDRAM讀出相應數據并傳遞到以太網通信模塊進行打包。

3.3 以太網通信模塊

以太網是互聯網技術的一種，也是目前應用最普遍的通信技術之一，與控制局域網絡總線（CAN）和基金會現場總線（FF）等技術相比，具有傳輸帶寬高、拓撲結構多、傳輸距離遠等優點［17］。實現以太網接口可以使用硬件方式直接使用專用網絡處理芯片或采用軟件方式使用高檔嵌入式處理器，但是這兩種方法成本高昂。

本系統采用軟、硬件結合的方式，用FPGA和PHY芯片組成硬件平臺，用Verilog編程語言在FPGA中實現TCP/IP網絡協議和PHY芯片的控制。以太網芯片選用88E1111型芯片，PHY芯片不斷發送脈沖信號檢測設備，以自動協商的方式確定最快發送速度，再將FPGA中發送的并行數據轉換為串行數據流發送到PC端。根據IEEE 802.3定義的以太網行業標準，使用MII（介質無關接口）連接以太網MAC層和PHY芯片，如圖8所示，完成PHY層工作速率、接口選擇和工作模式的配置［18］。

IEEE 802.3標準規定的以太網幀格式包括7 Byte前導碼（Preamble）、1 Byte幀起始界定符（SFD）、6 Byte目的MAC地址、6 Byte源MAC地址、2 Byte長度/類型、46～1 500 Byte數據、4 Byte幀校驗（FCS）［19］，圖9為以太網數據包一幀的幀格式，其中前導碼為7 Byte的0x55，幀起始界定符SFD為1 Byte的0xD5［20］。

TCP/IP采用4層體系結構：應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層（圖10）。發送數據時應用層獲得的數據在傳輸層和網絡層中依次加上UDP首部和IP首部，并在MAC層封裝為以太網包，最后以比特流的形式在信道中傳輸。

本系統中，以太網通信模塊負責與上位機通信，將采集到的光信號從SDRAM讀出并打包后傳輸到UDP控制模塊。UDP控制包含以太網收發模塊和CRC校驗模塊，以太網收發模塊負責將接收到的打包數據加上前導碼、SFD、以太網幀頭等封裝為以太網數據包幀格式進行發送；用CRC-32校驗以太網發送數據，若校驗錯誤電腦網卡會直接丟棄該幀進入空閑狀態，只有在CRC校驗正確時數據幀才能正常發送到上位機。當以太網通信模塊從PC端接收到數據，則根據協議解析數據包，由于以太網單次接收數據量大且發送和接收時鐘存在相位偏差，因此加入FIFO以達到緩存數據和同步時鐘的作用，以太網通信流程如圖11所示。

4 實驗測試

本系統硬件部分主要由光電轉換模塊、模數轉換模塊、SDRAM存儲芯片、以太網PHY芯片和數字主控芯片組成，開發板通過網口和RJ45網線與PC端相連，實現數據通信。

為了便于檢驗光接收模塊的正確性，設計信號發射模塊，可輸入已知信號，通過驅動20 mW的LED，將輸入信號轉換為光信號（圖12）。光電接收模塊通過PN光電二極管接收信號并放大輸出，傳入下位機信號檢測系統（圖13），與上位機進行信息交互。

為驗證下位機信號監測系統是否滿足設計需求，將各部分硬件正確連接后把編寫的程序下載到下位機系統。使電腦端的IP地址和程序中的目的IP地址保持一致，并綁定下位機系統的MAC地址和IP地址，如圖14所示，目的IP地址192.168.1.102、源IP地址192.168.1.123，開發板的MAC地址00-11-22-33-44-55，綁定完成后上位機就可以與下位機進行數據收發了。

筆者用UDP協議實現以太網通信，用Wireshark抓包驗證UDP傳輸數據的正確性，由抓包結果可知，目的IP地址和源IP地址都與設定地址相符，幀長度60、單次發送數據4 Byte且數據符合UDP協議（圖15）。為查看網口數據的收發狀況，使用網絡調試助手顯示網口收發的數據，并在程

序中設定每次發送的第1個字節作為通道序號，如圖16所示。

為了增加系統的實時性，用LabVIEW設計光信號實時監控系統，實現上位機實時監控下位機光信號采集的功能。光信號采集監控系統的程序如圖17所示，程序使用LabVIEW中的UDP函數通過端口匹配和IP地址進行開發板和電腦端的通信連接，并以波形圖表實時刷新接收數據進行顯示。

AD7606對光信號接收模塊接收到的數據進行采樣，并將采樣點傳給上位機顯示，圖18中的點為接收的采樣點，通過對采樣點的擬合顯示實時波形，將得到的波形與信號發射模塊的輸入信號做對比，可見LabVIEW上位機系統能夠正確采集下位機數據并以波形的形式實時顯示。證明本系統可以完成對光信號的采集、濾波、放大、存儲、以太網通信以及上位機LabVIEW的實時監控，達到了預期效果。

5 結束語

基于以太網技術的光電信號檢測系統實現了對光電信號的采集，同時結合LabVIEW設計了無線光通信信號采集監控系統。測試結果表明本系統穩定可靠且以太網傳輸速率高、丟包率低，提高了光信號的采集效率，并具有系統硬件設計簡單、開發周期短、傳輸精度高、傳輸速度快及程序移植性高等優點。

本設計完全用硬件語言描述設計UDP/IP協議，占用資源少、縮短了開發流程且可靈活使用，降低了實驗成本。并在上位機結合LabVIEW設計數據采集監控系統，增強了系統的實時性和可讀性，可為需要快速采集并讀取光信號的環境提供幫助。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-07-10，修回日期：2023-08-09）

Photoelectric Signal Detection System Based on Ethernet Technology

YU Bo， SHEN Jia-yi， ZHAN Qiang， LV Xiu-li

（School of Physics and Electronic Engineering， Northeast Petroleum University）

Abstract " Aiming at the low transmission rate， short transmission distance and high detection cost of the optical signals， a photoelectric signal detection system based on Ethernet was designed based on Altera EP4CE115F29C7N chip. In this system， the signals collected by the photoelectric signal acquisition module was sampled and preprocessed by AD7606 and stored in the off-chip SDRAM. Meanwhile， based on the UDP/IP protocol， Ethernet communication module was designed and the data was sent to the upper computer via the data packet， including having LabVIEW based to design optical signal acquisition and monitoring system to realize uploaded data filtering and real-time detection. Through comparing the consistency between input signal and display signal of the LabVIEW monitoring system， the correctness of the system was verified. The experimental results show that， the system can reduce the data loss of optical detection signals in long-distance transmission， improve detection efficiency of the photoelectric signals， have good real-time performance and readability and the program can be flexibly transplanted and it can save and shorten optical detection cost and system development time.

Key words " photoelectric detection， FPGA， Ethernet， UDP/IP， LabVIEW

基金項目：黑龍江省教育科學規劃重點課題（批準號：GJB1421131）資助的課題；黑龍江省高等教育教學改革研究項目（批準號：SJGY20210110）資助的課題。

作者簡介：于波（1968-），教授，從事信號處理、振動故障診斷技術等的研究。

通訊作者：沈佳怡（1998-），碩士研究生，從事光電檢測、光通信等的研究，1317529175@qq.com。

引用本文：于波，沈佳怡，戰強，等.基于以太網技術的光電信號檢測系統［J］.化工自動化及儀表，2024，51（4）：671-680.