基于Zynq的双工可见光通信系统设计

沈云飞

（北方工业大学信息学院，北京100144）

可见光通信（Visible Light Communication，VLC）是一种新型的无线通信方式，由于使用波长范围在400nm 到700nm的可见光作为媒介载体进行通信，其具有低功耗、高带宽、防电磁干扰等优势[1]，在水下通信、矿井检测或者军事等领域具有广阔的应用前景[2]。

当前对于可见光通信的研究多集中于信道仿真或者离线测试，实际工程应用的可见光传输系统还很少见。本文基于高性能Zynq 7000 系列芯片设计了实时双工可见光通信系统，在Zynq 单芯片PS（ARM）+PL（FPGA）的架构下，该系统扩展性高、稳定性强，可通过网线连接便携设备传输数据。

1 系统设计方案

系统的设计方案框图如图1 所示，Zynq 数控平台通过以太网口与上层设备相连。在光发射链路中采用场效应管的OOK 调制方案驱动白光LED 完成电光转化，光接收链路使用大面积PIN-PD 采集光强信息，通过放大电路恢复原始电信号，完成光电转化[3]。

图1 双工可见光通信系统方案框图

视频回放模块负责从硬盘读取之前存储的视频文件，把视频数据送到VDEC 模块，由VDEC 模块进行解码后通过VO 模块输出显示。

2 Zynq 数控平台设计

Zynq 芯片的特色是其内部集成了ARM处理器和FPGA 逻辑运算单元，从而构成了PS（Processing System）+PL（Programmable Logic）的单芯片SoC 解决方案。PS与PL 间利用AXI4 协议实现数据交互，具有低功耗，处理能力强的特点,可以突破底层硬件与嵌入式处理器、操作系统之间的速率瓶颈[4]。

本系统选用Zynq-XC7Z020 开发板作为数控平台，如图2所示为数据传输架构。在Zynq 芯片的PS 侧移植了Linux 操作系统，利用多线程技术和TCP 协议与上层设备进行以太网数据通信，并采用了基于AXI-DMA的方案实现内部PS与PL的高速数据互联。AXI-DMA IP 核利用直接存储控制技术，在读写DDR 内存数据的过程中不需要CPU的参与且支持突发性传输，具有速度快、可扩展性强的特点[5]。

图2 Zynq 平台数据传输架构

在工作时，AXI-DMA 控制器通过AXI4 接口读写DDR 内存数据并完成与AXI-Stream 接口的数据流转换。本系统将AXI-DMA的读数据通道MM2S 和写数据通道S2MM独立设计，并在PL 侧分别完成对数据流的组帧与解帧，串口协议的发送与接收功能。其中数据传输帧由13（1111100110101）巴克码、11（11100010010）巴克码和4（1110）巴克码共32 位作为帧头和帧尾，之间插入AXI-DMA 启动一次传输的数据位组成，如图3 所示。

图3 数据传输帧格式

3 测试结果

3.1 系统样机

系统样机如图4 所示，使用了直径20mm、焦距50mm的菲涅尔透镜，起到聚光和对准的作用。

图4 系统样机

3.2 测试结果

如图5 所示，在室内照明环境中的10m 传输距离下对系统进行误码率测试。从图中可以看出在3Mbps 速率下，系统的传输误码率低于10-6。另外，使用笔记本电脑模拟上位机通过网线连接至系统样机，发送文件数据包，在另一侧接收并进行对比，表1 所示为测试结果。

图5 10m 传输距离系统误码率测试

表1 文件发送测试结果

测试结果表明系统在全双工方式下传输数据无丢包现象。

4 结论

本文设计了一种实时双工可见光通信系统。测试结果表明，系统在10m，3Mbps 速率下误码率结果低于10-6，并且在全双工方式下传输文件数据包无丢包现象，运行稳定，达到系统设计指标要求，为可见光通信的工程应用提供了新的思路。