李言武

(安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，安徽 淮南　232007)

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基于FPGA和單片機(jī)的多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李言武

(安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，安徽 淮南232007)

摘要：基于FPGA和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了模擬數(shù)據(jù)的高精度采集和通信信號(hào)的雙向傳輸，利用FPGA實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)雜信號(hào)的處理與傳輸;實(shí)驗(yàn)證明：該系統(tǒng)不僅能傳輸多路模擬與數(shù)字信號(hào)，以及低速數(shù)字信號(hào)與高速脈沖信號(hào)，還能實(shí)現(xiàn)雙向CAN通信;與現(xiàn)有光纖傳輸系統(tǒng)相比，多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)雜信號(hào)的采集，而且使用一根光纖實(shí)現(xiàn)了大容量多數(shù)據(jù)的雙向傳輸，一方面減小了產(chǎn)品體積，另一方面降低了產(chǎn)品成本。

關(guān)鍵詞：FPGA；單片機(jī)；多路信號(hào)； 光纖傳輸

0引言

圖1　多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)工作原理框圖

光纖通信是以光纖為傳輸介質(zhì)、光波為信息載體，用光來傳輸信息的一種通信方式[1-3]，與傳統(tǒng)的電通信相比具有通信容量大、傳輸損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、保密性好、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前，在產(chǎn)品研制和工程實(shí)踐中經(jīng)常需要處理和傳輸不同的信號(hào)，如多路模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，低速數(shù)字信號(hào)與高速脈沖信號(hào)等，此外還會(huì)涉及到遠(yuǎn)距離高速通信和組網(wǎng)信號(hào)傳輸，若采用傳統(tǒng)的電通信方式，則存在傳輸系統(tǒng)龐大、信號(hào)互相干擾、通信距離受限等不足[4-6]。多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)是基于FPGA和單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的、使用一根光纖實(shí)現(xiàn)了大容量多數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)亩嗦窂?fù)雜信號(hào)傳輸系統(tǒng)，采用一種高效的、實(shí)用的光纖傳輸方法，能夠傳輸多路模擬與數(shù)字信號(hào)，以及低速數(shù)字信號(hào)與高速脈沖信號(hào)。與現(xiàn)有光纖傳輸系統(tǒng)相比，多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了多路復(fù)雜信號(hào)的采集，而且使用一根光纖實(shí)現(xiàn)了大容量多數(shù)據(jù)的雙向傳輸，既減小了產(chǎn)品體積，又降低了產(chǎn)品成本，易于組網(wǎng)與通信。[7-8]

1系統(tǒng)工作原理

多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)主要由信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊與傳輸介質(zhì)光纖三部分構(gòu)成，其工作原理如圖1所示。其中，信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊之間依靠光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，而且二者分別通過CAN方式實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)與遠(yuǎn)距離高速通信。

在圖1中，信號(hào)采集模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)4路模擬信號(hào)的采集、16路數(shù)子信號(hào)的發(fā)送、2路脈沖信號(hào)的接收、16路數(shù)子信號(hào)的接收；數(shù)據(jù)處理控制模塊主要功能是負(fù)責(zé)4路模擬信號(hào)電壓、16路數(shù)子信號(hào)的接收、2路脈沖信號(hào)和16路數(shù)子信號(hào)的發(fā)射。

2硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)

2.1硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖2所示，主要由穩(wěn)壓電路、輸入輸出接口電路、電平轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)外圍電路、FPGA外圍電路、串化/解串器電路和光模塊電路組成。

圖2　多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

整個(gè)硬件系統(tǒng)接入5 V電源，通過LDO穩(wěn)壓芯片，轉(zhuǎn)換成3.3 V、2.6 V、1.5 V電壓為相應(yīng)單元電路供電。輸入輸出數(shù)字信號(hào)和脈沖信號(hào)的電平均為5 V TTL，而FPGA采用的是3.3 V供電，因此，輸入輸出的數(shù)字、脈沖信號(hào)與FPGA之間需要相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。信號(hào)采集端AD采樣后的電壓信號(hào)通過SPI接口與數(shù)據(jù)處理控制端的FPGA進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)處理控制端的FPGA通過SPI接口將電壓信號(hào)輸出給DA。CAN總線信號(hào)通過單片機(jī)的SCI接口與FPGA進(jìn)行了通信。在光模塊與FPGA之間采用了串化/解串器(SERDES)，匹配光模塊與FPGA的傳輸速率，實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)和高速串行數(shù)據(jù)之間的串并/并串轉(zhuǎn)換。

2.2程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序與FPGA程序設(shè)計(jì)兩部分，單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)4路模擬電壓的采集和CAN雙向通信，F(xiàn)PGA主要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換、編碼和校驗(yàn)。

1)多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖

在圖3中，主程序主要完成外設(shè)的初始化和通過SPI發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA。采用定時(shí)器2定時(shí)觸發(fā)AD采樣，AD采樣完成后，進(jìn)入中斷對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，默認(rèn)開始采樣第一路，當(dāng)?shù)谝宦凡蓸咏Y(jié)束，對(duì)ADC0結(jié)果寄存器的值進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)存入8位AD0_H和AD0_L寄存器中。然后依次將轉(zhuǎn)換通道切換成通道2、3、4，當(dāng)?shù)?路采樣結(jié)束后就完成了4路模擬信號(hào)的一次采集，再切換至第一路進(jìn)行采樣，依次循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)了4路模擬信號(hào)的分時(shí)采樣；AD采樣完成后需要將采樣值發(fā)送給FPGA，單片機(jī)與FPGA之間采用SPI通信， SPI的的波特率為1M。在主程序中，判斷發(fā)送命令Send_Command是否為1，當(dāng)發(fā)送命令為1時(shí)，將使能信號(hào)NSS置0，告之FPGA，在此期間接受到的數(shù)據(jù)有效，然后依次發(fā)送高字節(jié)和低字節(jié)數(shù)據(jù)，最后一個(gè)發(fā)送完成時(shí)，將發(fā)送命令Send_Command置0。每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后，等待SPI發(fā)送完成標(biāo)志Send_Over，若SPI沒發(fā)送完成，等待，若發(fā)送完成，發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。

2)多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的FPGA程序設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4　多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)FPGA程序設(shè)計(jì)

FPGA處理的數(shù)據(jù)碼流中的長(zhǎng)連0和長(zhǎng)連1不利于時(shí)鐘的提取和判別，為了減少長(zhǎng)連0和長(zhǎng)連1，多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)采用了8B/10B編碼方式，以此減少了低頻分量的影響。要想實(shí)現(xiàn)用一根光纖傳輸2位脈沖信號(hào)(單向)、16位數(shù)字信號(hào)(雙向)、4路模擬信號(hào)(單向)、1路CAN總線信號(hào)(雙向)的傳輸，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用了對(duì)數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換。在程序調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)串化/解串器的輸入輸出發(fā)生了移位現(xiàn)象，而且移位是隨機(jī)的。為了解決該問題，在程序設(shè)計(jì)中加入了移位檢測(cè)部分，每隔1 s(10^6個(gè)時(shí)鐘周期)，連續(xù)發(fā)送3個(gè)時(shí)鐘周期的移位檢測(cè)序列，移位檢測(cè)序列采用8B/10B編碼中的K28.5；在接收端檢測(cè)移位的位數(shù)，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，以此解決了移位現(xiàn)象造成的誤傳輸。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1)脈沖信號(hào)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5　脈沖信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖5中，采集端輸入5 V 1MHz、脈沖寬度100 ns、上升沿和下降沿均為3 ns的TTL脈沖信號(hào)，測(cè)得輸出脈沖信號(hào)前后沿抖動(dòng)小于15 ns，上升沿和下降沿小于5 ns，輸入輸出延時(shí)小于180 ns。

2)數(shù)字信號(hào)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　數(shù)字信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在圖6中，在信號(hào)采集端和數(shù)據(jù)處理控制端依次用信號(hào)發(fā)生器輸入16路5 V、1 kHz、占空比50%的數(shù)字信號(hào)，測(cè)得16路數(shù)字信號(hào)輸出頻率為1 kHz、高電平約為5 V，輸入輸出延時(shí)小于700 ns。

3)模擬信號(hào)測(cè)試

結(jié)果如圖7所示。

在圖7中，在信號(hào)采集端輸入0.5～4.5 V的模擬信號(hào)，選取不同的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，由測(cè)試結(jié)果可知，在0.5～4.5 V的輸入電壓范圍內(nèi)，輸出電壓最大誤差為18 mV，精度不低于0.6%。

圖7　模擬電壓測(cè)試結(jié)果

4結(jié)論

多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)基于單片機(jī)和FPGA聯(lián)合開發(fā)技術(shù)，使用一根光纖實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的雙向傳輸，不僅實(shí)現(xiàn)了多路模擬與數(shù)字信號(hào)的采集和傳輸，還實(shí)現(xiàn)了高速脈沖信號(hào)和低速數(shù)字信號(hào)的傳輸，一方面減小了產(chǎn)品的體積，另一方面降低了產(chǎn)品成本，使用方便、便于工程維護(hù)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多路信號(hào)光纖傳輸系統(tǒng)的正確性，其設(shè)計(jì)原理、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)為其他多路信號(hào)的采集、控制、傳輸提供了設(shè)計(jì)參考，具有重要的指導(dǎo)意義。

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Multi-channel Signal Optical Fiber Transmission System Based on FPGA and MCU

Li Yanwu

(Electrical and Electronic Engineering Department，Occupation’s Technology Institute of Anhui Industry and Commerce Huainan232007,China)

Abstract：Based on FPGA and MCU technology, a multi-channel signal optical fiber transmission system is designed, which makes use of MCU for high-precision analog data acquisition and bidirectional transmission of a communication signal；FPGA for processing and transmission of multi-channel complex signals. Experiments show that: the system not only can transmit multi-channel analog and digital signals, low-speed digital signal and high-speed pulse signal, but also can realize the bidirectional CAN communication. Compared with the existing optical fiber transmission system, the multi-channel signal optical fiber transmission system realizes data acquisition of multi-channel complex signals, also realizes bi-directional transmission of multiple high-capacity data with a fiber. On the one hand reduces the volume of the product, on the other hand to reduce the product cost.

Keywords：FPGA; MCU; multi-channel signal; fiber optic transmission

文章編號(hào)：1671-4598(2016)02-0222-03

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.061

中圖分類號(hào)：TN929.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李言武(1974-)，男，碩士研究生，副教授，副主任，主要從事電子、通訊及自動(dòng)化控制技術(shù)方向的研究。

收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-09-22。