基于近距离无线激光传输的移动存储器

2016-07-19莫海涛何晓垒马建军

中国电子科学研究院学报 2016年3期

关键词：扇区传输速率存储器

刘　学，莫海涛，何晓垒，申　永，马建军

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林　541004)

工程与应用

基于近距离无线激光传输的移动存储器

刘学，莫海涛，何晓垒，申永，马建军

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林541004)

摘要：提出了一种基于近距离无线激光传输的移动存储器实现方法，介绍了该方法的具体设计方案。该方法可以在不借助第三方辅助设备(如手机或计算机)的情况下实现两个移动存储器之间的数据保密传输，同时该存储器还提供5V输出接口，可给大部分便携式设备充电。

关键词：近距离; 无线激光传输; 移动存储器; 保密传输中图分类号：TN929.1

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)03-268-04

0引言

随着大容量数据通信业务的飞速发展，各种功能强大的电子产品已成为人们生活中不可缺少的工具，如台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，人们需要对大量的数据进行无线交换存储。目前，蓝牙、Wi-Fi(Wireless-Fidelity)、NFC(Near Field Communication)等无线技术存在传输速率低、安全保密性差、容易受到电磁干扰等缺点[1]；Intel公司于2011年发布了一种基于光纤传输的移动交换存储技术即Light Peak技术，并将其命名为雷电接口(Thunderbolt)，可以实现10Gbps的双向传输速率，同时苹果宣布其笔记本电脑将采用该接口，Aja，Apogee，Avid，Blackmagic,LaCie，Promise和西部数据等存储器厂商也表示将推出包含雷电接口的产品，但是该接口需要使用专用的光纤进行连接，很不方便[2]。2012年，哈斯团队最新发明了一种专利技术(LiFi，可见光无线通信)，利用闪烁的灯光来传输数字信息；2013年10月，复旦大学表示该技术在实验室成功实现，利用一盏1W的LED灯珠可实现峰值3.25G bps，平均150 Mbps的上网速率；2015年11月26日，Li-Fi已通过实验室检测，其传输速率可达到1 Gbps。但是目前LiFi技术主要集中在实验室阶段，且LiFi设备的成本较为昂贵，以上海宽带中心与复旦大学研究的LiFi来看，仅一套设备就需要3～5万元，短期内无法商用[3]。而近距离无线激光传输技术的传输速率可以达到2.5 Gbps，且成本能控制到数百元。其激光发射光束发散角很小，可以将数据传输限定在很小的范围内，不会因为电磁辐射造成传输数据的泄露，且不易受到外部电磁干扰；该技术采用大气作为传输信道，使用时无需使用数据线或光缆进行连接；同时，该存储器内部设计有大容量锂电池，可供使用者在不方便接入第三方设备(如手机或计算机)的情况下实现存储器之间方便、快速的数据交换，也可为其所携带的便携式电子设备充电。

1无线激光传输移动存储器的设计

无线激光传输移动存储器(以下简称存储器)主要分为电源模块、人机交互模块、数据读写模块和数据传输处理模块等几部分。设备采用锂电池供电，电源模块主要完成锂电池的充电、保护和存储器其他模块的电源管理功能；人机交互模块负责液晶屏显示及接受触摸屏输入的控制命令，并与数据读写模块通过串口、SPI口进行指令和数据交互；数据读写模块负责从内部存储介质读取扇区数据，并将信息上报到人机交互模块，同时负责底层高速通信数据收发；数据传输处理模块完成光电变换、电光转换和时钟提取等功能。存储器工作原理框图如图1所示。后续设计中考虑加入OTG(On-The-Go)电路，这样可通过OTG线缆实现存储器与现有的移动存储设备之间的数据交换。

图1　存储器工作原理

1.1电源模块

存储器采用锂电池供电、低功耗和小型化设计是便携式电子产品的基本要求。为此，在考虑电源转换效率和体积要求的基础上存储器的电源设计采用了DC-DC和LDO级联的方式。

图2　电源模块原理框图

存储器电源模块主要包括电源管理电路、DC-DC 模块、LDO(线性稳压模块)等几个部分。其中电源管理电路完成存储器的电源管理，包括锂电池充电、放电、保护、电量显示等功能；DC-DC模块实现三个方面的功能，将锂电池电压升压到5 V给外部设备充电，升压到150 V给光电探测器提供偏置电压，降压到3 V给存储器的其他数据功能模块供电；线性稳压模块主要给存储器内部功耗较低、但是对电源质量(比如低纹波和高的响应速度)要求较高的模块(比如光电探测部分)提供稳定的电源输出。

1.2人机交互、数据读写模块设计

人机交互模块、数据读写模块由嵌入式微处理器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)协同完成[4]。主要包括液晶界面显示功能，人机交互界面响应模块、触摸屏驱动、用于与FPGA通信进行扇区数据读取的SPI驱动，用于与FPGA进行指令信息交互的串口驱动，液晶显示字库和图库驱动，对内部存储介质的FAT32文件系统中文件信息进行搜索、读写。FPGA传输控制软件首先依据MCU的指令完成文件系统信息检索，MCU将检测信息依据FAT32文件系统进行解析，并通过液晶屏人机界面以友好的界面形式进行文件信息显示，当人机界面输入开始传输文件指令后，MCU计算文件所在的扇区信息并传输到FPGA，发送端FPGA根据MCU传输扇区需求对内部存储介质的扇区进行检测，并将存储介质上指定的扇区数据通过高速通信接口传输到对端，对端FPGA接收解码后，将接收到的数据和扇区信息写入到本端存储器文件系统中空白扇区中，传输完毕后通知MCU刷新文件系统信息并显示到液晶界面文件列表框。FPGA通信传输配置有出错重传机制，能够确保数据准确无误的传输。存储器外部配置开机按键，FPGA在极低功耗条件下检测开机按键长按事件后，开启其他模块(如MCU、发射驱动、控制电路、人机交互屏)。存储器不开机的情况，通过普通数据线连接电脑，可直接对存储器的数据进行操作。原理框图3所示。

图3　人机交互、数据读取原理框图

1.3数据传输处理模块

数据传输处理模块由电光变换、自动增益、温度补偿和电光变换及相对应的数据信号处理模块组成。数据传输处理系统如图4所示。

现阶段用于通信的激光器主要为波长为800 nm 和1550 nm左右，而用于近距离无线激光通信中主要选择波长为800 nm左右的激光器，相对于1550 nm波段激光器，800 nm波段激光在工作阈值电流、耦合效率、功耗和成本有很大的优势；同时在相同响应速率的情况下，Si-Apd探测器(峰值响应波长800 nm左右)的光探测面积(面积越大可接收光信号角度越大)和成本较InGaAs-Apd探测器(峰值响应波长为1500 nm左右)也具有相当大的优势。为此我们采用了OPTEK公司生产的波长为850 nm、功率为1.5 mW 的VCSEL多模激光器，光束发散全角约为24°，可以实现2.5 Gb/s的调制速率，其驱动电路采用恒流驱动，可实现输出光功率调节、预偏置电压温度补偿，同时为了降低系统功耗，我们还设计了关断功能，在进行文件浏览时可完全关闭激光器驱动电路，关断时静态电流小于100 uA。

图4　数据传输处理系统框图

光电探测器采用德国Pacific Silicon Sensor公司生产的APD探测器，其光敏面达到500 um，3 dB带宽超过2 GHz，光电探测器将接收到的光信号转换成微弱的电信号，后端前放电路和时钟恢复模块将微弱的电流信号转换成后续处理电路所需要的数据和时钟信号，从而完成两个存储器之间的数据传输。

存储器的有效传输距离为10～400 mm，激光器的发散角度达到了24°，通过软件仿真(由于工作距离较近，不需要考虑激光传输的大气损耗)可以得出，在10 mm处接收到光信号强度是400 mm处接收的光信号强度的3000倍左右，为了保证存储器的正常传输，这就要求存储器光接收模块要具有较高的接收灵敏度和很宽的动态范围。在电路设计中我们引入了自动增益控制技术，通过采样TIA(跨阻放大器)的输出电压，实时调节光电探测器的反向偏置电压和激光器的输出功率，使得TIA的输出信号始终保持在信噪比最高的范围内，这样可使得光电探测保证了较高的灵敏度和动态范围，以适应设备不同的工作距离。

为了提高存储器的接收角度，设计中我们采用了大光敏面具有较高增益的雪崩光电二极管。由于光电探测器的增益随工作温度的升高而降低、随温度的降低而升高，这时就需要我们根据工作温度的变化来实时调节探测器的反向偏置电压[5]。通过读取安装于光电探测器侧面的温度传感器的数据，实时调节高压电源(光电探测器偏置电源)的输出电压，从而实现光电探测器温度补偿，使得光电探测器的输出信号在较宽的温度范围内保持最高的信噪比，以保证设备可工作较宽的温度范围(-40°～+85°)。

2存储器数据测试

图5　存储器传输速率测试

为了检测存储器的实际使用性能，通过传输一固定大小的文件，测试了不同传输距离、不同偏离轴向距离和不同角度偏离的情况下两个模块之间的传输速率，测试结果如图5。当传输距离在10 mm～400 mm范围时，其传输速率稳定在160 Mbps左右；当传输距离从400 mm增加到600 mm时，其传输速率基本稳定在100 Mbps左右；当进一步增加传输距离时，其传输速率成线性下降；随着传输距离的增加，存储器之间允许最大离轴距离相应减小，但角度偏离基本不变。因此，在实际使用时，要求两个存储器之间的离轴偏差、角度偏差以及偏离轴向在最佳匹配的范围内，以此保证双向发射与接收之间的对准，减小探测器接收信号光功率的损耗，最大程度的保证数据传输速率和稳定性。

存储器内置10 000 mAH聚合物锂电池，设备可连续传输数据时间超过15 h，对外提供5 V/1.5 A的电源输出接口，实际测试是可给容量为3 000 mAH 的手机充电大约2次，与设计保持一致。

图6　存储器实物图

目前近距离无线激光传输手段可实现双向稳定传输速率大约为2.5 Gbps，由于存储器内部读写存储介质的速度限制，现阶段存储器之间可实现160 Mbps 的最高数据传输速率，后续通过升级内部处理器可实现超过1 Gbps的传输速率。现阶段存储器样机设计全部采用工业级器件，可正常工作范围为-40°～+85°，存储容量为64 G时，成本大概500元。若批量生产时，可考虑采用商业级(工作温度范围为0°～+70°)器件，整个存储器成本可控制到220元(批量结构件成本会降低很多)左右。下一步正在考虑实现数据收发模块完全芯片化，从而可将这一技术集成到手机、平板电脑等便携式电子设备内部(使用闪光灯作为光源，使用手机CPU和存储介质)，这样就可以实现两个便携式电子设备之间方便、快速、安全的数据交换，而其成本不过增加几十元而已。

3结语

设计了一种基于近距离无线激光传输的移动存储器，通过测试与验证，当两个存储器在距离10～400 mm，偏离轴向距离±10 mm，角度偏离±20°时，可实现两个存储器之间大约160 Mb/s的双向数据传输。这为下一代电子设备之间的数据传输提出了一种安全、快速、简便、新型的解决方案。

参考文献：

[1]张毅.NFC能取代蓝牙和WIFI? NFC实际速度体验. 电脑迷，2013(24).

[2]埃利亚. 雷电接口：Intel的新野心.现代计算机，2011(5).[3]盛雪锋. 点灯上网:可见光通信技术展望.上海信息化，2014(11) .

[4]张云等. 基于ARM的嵌入式文件系统研究与设计[J].计算机系统应用，2010,19(3).

[5]张良等.基于ADL5317和LM35的APD偏压温度补偿电路设计[J].光通信技术，2014,38(12).

Mobile Memory Based on Short-Distance Wireless Laser Transmission

LIU Xue, MO Hai-tao，HE Xiao-lei，SHEN Yong，MA Jian-jun

(The 34thInstitute of China Electronics and Technology Group Corporation，Guilin Guangxi 541004，China)

Abstract:A new mobile memory based on short-distance wireless laser transmission is presented in this paper, and then design scheme is described. This method enables data confidential transmission between two mobile memory without the use of third party auxiliary equipment(such as mobile phone or computer),as well as the memory also provides 5v out interface to charge most portable devices.

Key words:short distance; wireless laser transmission; mobile memory; confidential transmission

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.03.010

收稿日期：2016-03-21

修订日期：2016-04-29

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