基于光纤传输的工业传感器网络设计

2018-09-10赵飞雒帅陈敬豪

计算机与网络 2018年17期

赵飞雒帅陈敬豪

摘要：光纤作为一种新型的数据传输媒介，已在通信领域中得到了认可和广泛的应用。为解决工业领域中分布式传感器数据采集和传输易受电磁干扰和效率低下的问题，设计了一种基于光纤传输的工业传感器网络方案。采用光纤将各数据采集节点首尾相接，组成环型网络，并利用FPGA片内丰富的逻辑资源，实现数据采集和光电编解码功能，有效克服数据在传输线路中易受到电磁干扰的问题。实验测试结果表明系统数据传输稳定、误码率低，为进一步在工程中应用提供了设计经验和依据。

关键词：光纤传输；数据采集；传感器网络；FPGA

中图分类号：TP212文献标志码：A文章编号：1008-1739（2018）17-63-3

Design of Industrial Sensor Networks Based on Fiber Transmission

ZHAO Fei，LUO Shuai，CHEN Jinghao（School of Mechanical and Materials Engineering， North China University of Technology， Beijing 100144， China）

0引言

在工业现场中会遇到一些大型设备的频繁开关，不可避免地产生大量的电磁干扰[1-3]，而在传感器数据采集和传输方面，数据传输的速率和准确性直接影响整个工业控制系统的可靠性。在对数据传输具有严格可靠性要求的场合，通常采用具有屏蔽层的双绞线作为传输介质，并需严格地按照布线规范合理布线才能减弱周围环境对传输线路的干扰[4-6]，对于需要较长距离数据传输的场合，屏蔽双绞线的传输性能就会大大降低。光纤具有抗电磁干扰能力强、线路损耗小、传输速率高及带宽高等优点，已经在通信领域广泛使用[7]，光纤通信技术的发展给恶劣环境中数据信号传输提供了新的解决方案。

1总体设计

光的传播具有方向性，因此光信号在光纤中传输是单向的信号传输，最适合点对点的单向数据传递。在遵循这一特点的条件下，光纤也可构成线型、环型、星型和总线型的4种基本拓扑结构的光纤网络，并可在其基础上叠加和扩展。文献[8]中详细地分析了这4种基本光纤拓扑结构的可靠性，并结合实际需求设计了光纤传输的工业传感器网络。

设计主要包括单节点多传感器数据采集和多节点光纤组网2个部分。①单节点多传感器数据采集主要的任务是对多个传感器数据的实时采集、串并转换、信号编解码、光电转换以及光信号的发送和接收。其中传感器信号分为模拟量信号和数字量信号。单节点主控芯片采用FPGA芯片，并搭建外围硬件电路，其中外围电路包括传感器接口电路、通用接口电路、光电转换电路和光纤接口电路。②多节点组网部分主要的任务是光纤组网方案设计，环型的传感器光纤组网方案如图1所示。

2单节点的硬件设计

为了满足对数字量与模拟量的多传感器信号的接收及光纤信号的接收与发送功能的设计需要，节点设计主要分为传感器数据采集和光纤数据传输2个部分进行。①传感器数据采集部分由数字量传感器数据采集和模拟量传感器数据采集组成，数字量传感器数据采集部分有多種数字量传感器接口电路，包括RS232，RS485和SPI接口，并预留有IO接口；模拟量传感器部分主要由信号调理电路和4通道的模数转换电路组成。②光纤数据传输部分为了能够组建环型网络，设计了2对光纤收发接口电路模块，单节点的硬件设计如图2所示。

①FPGA芯片选用Altera公司的飓风二代系列芯片EP2C8T144C8，内部逻辑单元多达8千余个，RAM总量有16万余个，有182个I/O引脚，满足设计需要与升级拓展，并配套采用EPCS4外部程序存储配置芯片。

②模数转换器选择的是TI公司的ADS7950，是串行逐次逼近12位4通道的转换芯片，采样速率能够达到1 MHz。

③光纤收发器选用Agilent公司的HFBR系列，具体的发送器为HRBR1414，接收器为HFBR2416，二者配套使用，数据传输速率可高达160 Mbps。

3 FPGA内部逻辑架构设计

FPGA内部系统逻辑设计采用硬件编程语言Verilog开发，主要实现对传感器和光纤数据的处理。除连接上位机的节点需要与上位机数据交互模块外，其他节点的功能一致，因此采用统一的模块化设计，便于系统的程序修改和维护。单节点的内部逻辑电路架构设计如图3所示。

多路传感器数据采集通道将采集到的数据传递到数据处理模块，在数据处理模块中，给每一路数据添加地址进行数据打包。数据发送控制模块内部设计有状态机，使光纤1接收端的下游数据和本节点采集到的数据可以依次地进入到光纤1发送模块的预发送寄存器中，经CMI编码后，通过光纤1发送到上游的光纤1的接收端。光纤1的接收端接收到下游节点的数据后，经过CMI解码和数据处理后，将数据传递到光纤1的数据接收寄存器，并将其数据的地址传递到发送控制模块内部，判断数据是否可继续向上游发送。

待发送控制模块使能光纤1接收端数据可继续向上游发送后，光纤1的数据接收寄存器的数据传递到光纤1的数据发送寄存器中进行数据发送。光纤1的数据传输在没有上位机的特定请求时，按照发送控制模块依次将各节点数据传递到上位机。若上位机有控制请求，则通过光纤2将控制信号传递到对应节点。接收控制模块根据控制请求中的地址判断控制请求信号是否是对本节点的控制请求信号，若是对本节点的控制信号，则本节点响应控制请求；反之，则通过光纤2的发送模块传递到下游节点。

4关键技术

4.1光纤数据传输数据编解码

在数字光纤数据传输中，因为使用的信号源是光源，传输介质是光导纤维。光源不能发射负的光脉冲，因此只能采用“0”和“1”二电平码。为了方便提取定时信号，应避免信码流中出现长“0”和长“1”码，并进行不中断业务的误码监测，此外还应尽量减少信码中直流分量的起伏。

在光纤通信系统中有多种码型可以使用，常用的有伪双极性码、mBnB码、插入比特码和加入二进码等，设计中采用CMI码作为数据在光纤中数据传输码，CMI码是传号反转码的简称，源码字“0”变换为CMI码的“01”码，源码字“1”变换为“00”或“11”码交替出现。

4.2数据传输协议设计

采用光纤将数据采集节点首位相连，每一节点上又设计有数字量和模拟量的传感器接口，采集到的大量的传感器数据需要准确地传输到上位机。因此，数据的传输协议是系统的关键技术。本设计中充分利用FPGA设计的灵活性，对各系统接口分配唯一的数据地址，使数据在传输过程中能准确传输。地址设计采取分级式设计，各数据采集节点分配第一级地址，节点中的数据接口分配第二级地址，一帧数据包由8位的一级地址、8位的二级地址、16位的数据位和8位检验位构成。

5系统功能验证

5.1系统功能仿真

软件仿真采用Modelsim软件对使用Verilog硬件描述语言设计的FPGA内部逻辑电路进行功能性仿真，仿真主要涉及光纤数据的处理，其中包括光纤的发送和接收、串并转换、CMI编解码和对发送控制的逻辑仿真验证。

图4中主要验证的是CMI的编码，待编码数据通过并串转换后由cmi_init输出，經CMI编码后数据寄存在cmi_reg中，并串转换后经光纤1发送引脚sadd将其输出。