CN107846253A - 一种基于fpga和otn的数据采集与传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，包括数据采集模块，所述数据采集模块连接有FPGA模块，所述FPGA模块依次连接通信模块和上位机，所述数据采集模块包括光模块和信号处理模块，所述光模块包括与光纤连接的光纤连接器，光纤连接器连接有发射端光组件和接收端光组件，所述光模块还包括控制电路，所述控制电路包括用于控制所述发射端光组件温度的自动温度控制单元和用于控制发射端光组件输出功率的自动功率控制单元。本发明中的光模块设置有自动温度控制单元和自动功率控制单元，用于稳定发射端光组件的温度和输出功率，避免因温度和发射功率变化导致误码率以及数据传输率降低的问题，提高光传送网的通信质量。

Description

一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统

技术领域

本发明涉及数据采集与数据处理领域，具体的说，是一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统。

背景技术

在数据通信领域，由于光纤通信具有传输率高，传输频带宽，通信容量大，光纤衰减小，传输距离远，抗干扰等优点，越来越多的采用光纤通信系统来进行数据传输，由于光通信技术的发展，现在光信号的传输率越来越高，而对光信号的处理同样需要能够处理高速数据信号的处理器，而现场可编程门阵列FPGA具有更快的处理速度，因此越来越多的FPGA与光模块连接，用作处理光信号。而现有技术中，光模块与FPGA的连接一般为了实现FPGA对光模块的发射、接收控制并对从光模块中接收的数据进行处理，本身对光模块接收数据的数据未改善接收条件，并没有考虑光信号与光纤联结处光路与光传输效率的问题，不能解决因光模块发生的温度、功率变化导致的数据传输率降低的问题，导致影响光通信效果和传输距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，用于解决现有技术中FPGA无法解决光模块因温度和发射功率变化导致数据传输率降低的问题。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，包括用于采集光信号并进行光电转换的数据采集模块，所述数据采集模块连接有FPGA模块，所述FPGA模块依次连接通信模块和上位机，所述数据采集模块包括光模块和信号处理模块，所述光模块包括与光纤连接的光纤连接器，所述光纤连接器连接有发射端光组件和接收端光组件，所述光模块还包括与所述发射端光组件、所述接收端光组件连接的控制电路，所述控制电路包括用于控制所述发射端光组件温度的自动温度控制单元和用于控制发射端光组件输出功率的自动功率控制单元。

工作原理：

数据采集模块通过光纤连接器与光传送网OTN上的光纤连接，与光纤的通信包括接收数据和发送数据，接收数据的步骤为：光纤上传送的光信号经过光模块的接收端组件进行光电转换，将光信号转换为电信号，然后输入与光模块连接的信号处理模块，所述电信号在信号处理模块经过放大、模数转换后输入FPGA模块，FPGA模块通过通信模块将处理后的高速信号以高速率传输给上位机；发送数据的步骤为：上位机通过通信模块发送控制指令给FPGA模块，FPGA模块按照上位机的指令，对FPGA模块内的组件产生控制命令，产生高速数据信号，经过信号处理模块经过数模转换后传输至光模块的发射端光组件，发射端光组件将电信号转换为光信号，通过与光纤连接器连接的光纤将光信号发射出去。FPGA模块控制发射过程中发射端光组件的控制电路，使控制电路中的自动温度控制单元以及自动功率控制单元，对发射端光组件的温度、输出功率进行检测和调整，使发射端光组件的温度保持在参考温度范围内，使发射端光组件的输出功率稳定，不因为温度的变化，以及硬件设备的老化降低输出功率，避免了误码率以及通信质量的降低。

进一步地，所述自动温度控制单元包括用于检测所述发射端光组件温度的温度传感器电路，所述温度传感器电路连接有信号放大电路，所述信号放大电路的输出端连接第一处理器，所述第一处理器驱动连接有制冷器。

工作原理：

自动温度控制单元中的温度传感器电路，用于检测发射端光组件的温度，温度传感器采用热敏电阻，发射端光组件温度的变换通过热敏电阻的阻值变化来体现，热敏电阻阻值的变化引起温度传感器电路中电流大小的变化，因此根据温度传感器电路的电流变化，第一处理器可以计算得出当前发射端光组件的温度值，因为温度传感器电路检测的电流变化较小，因此需要将此检测到的电流值进一步的放大处理后输入第一处理器。第一处理器根据计算得出的温度值与发射端光组件的参考温度做比较，如果当前温度高于参考温度，则输出控制信号，驱动制冷器工作，降低发射端光组件的温度，如果当前温度低于参考温度，则第一处理器不做任何动作。

进一步地，所述自动功率控制单元包括用于检测所述发射端光组件光功率的输出功率检测电路，所述输出功率检测电路连接有功率偏差检测电路，所述功率偏差电路连接有比较放大电路，所述比较放大电路连接有用于控制发射端光组件的偏置电流跟踪电流阈值的偏置电流驱动电路，所述偏置电流驱动电路与所述输出功率检测电路连接。

工作原理：

自动功率控制单元包括输出功率检测电路，用于检测发射端光组件的输出功率，通常采用封装在光模块中的光检测器，进行背光检测，来得出线性的输出光功率变化的光功率，然后经过光电转换成电信号，输入至功率偏差检测电路，功率偏差检测电路将电信号放大，并根据变化的输出光功率，计算出平均功率，然后输入比较放大电路，与输入的参考功率电平进行比较，这里的比较放大电路采用比较积分放大器，比较积分放大器的输出端连接偏置电流驱动电路中的控制发射端光组件的偏置电流控制晶体管的基极，从而控制发射端光组件的偏置电流的大小。比较放大电路采用负反馈控制，功率偏差电路的输出端连接比较放大电路中比较积分放大器的反向输入端，当发射端光组件的输出功率减小，功率偏差电路检测到的电信号减小，比较积分放大器正向输入端输入的参考功率电平不变，因此比较积分放大器的输出端电信号变大，因此控制发射端光组件的偏置电流控制晶体管的基极电流增大，从而增加发射端光组件的偏置电流，使发射端光组件的输出功率上；当发射端光逐渐的输出功率增大，功率偏差检测电路输出的电信号增大，比较积分放大器的反相输入端输入电平增加，而正向输入端输入的参考功率电平不变，因此比较积分放大器的输出端电平降低，因此控制发射端光组件的偏置电流控制晶体管的基极电流减小，从而降低发射端光组件的偏置电流。因此通过比较放大电路中的负反馈电路，可以使发射端光组件的输出功率稳定在参考功率即输出功率阈值，因此可以自动调整输出功率，避免了因为输出功率不稳导致误码率较高以及通信质量降低的问题。

进一步地，所述信号处理模块包括与所述发射端光组件连接的信号调理模块1和与所述接收端光组件连接的信号调理模块2，所述信号调理模块1连接用于数模转换的DAC，所述信号调理模块2连接用于模数转换的ADC，所述DAC与所述ADC均连接FPGA模块。

工作原理：

信号调理模块1和信号调理模块2分别用于放大输入发射端光组件的电信号以及从接收端光组件接收的电信号，然后分别经过DAC进行数模转换、ADC进行模数转换后输入FPGA模块进行信号处理。

进一步地，所述FPGA模块包括与所述信号处理模块和所述通信模块连接的FPGA，所述FPGA连接有DDR3内存和闪存芯片FLASH。

工作原理：

FPGA模块包括FPGA，FPGA连接有DDR3内存，具有更高的运行效能，因此可以配合FPGA处理高速信号，与FPGA连接的FLASH ，可以存储FPGA的程序代码，用于在FPGA下电后重新上电时加载逻辑代码，FLASH可以为多个，不同的FLASH可以存储用于不同功能的数据处理，根据数据处理需求的不同，采用加载不同FLASH中的代码，因此，这样的FPGA模块的功能更加强大，可以根据上位机的不同控制指令来进行数据处理。

进一步地，所述通信模块为连接所述FPGA与所述上位机的PCI-E总线、以及与FPGA连接的高速数据接口。

FPGA模块与上位机的通信采用PCI-E总线，FPGA模块还设置有高速数据接口，可以用于与其他扩展模块连接，保证了数据接收和传输的高速率。

进一步地，所述发射端光组件采用半导体激光器。

半导体激光器体积小，重量轻，功耗低，使用寿命长，并且采用低电压恒流供电方式，电源故障率低，使用安全，维修成本低。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明中的光模块设置有自动温度控制单元和自动功率控制单元，用于稳定发射端光组件的温度和输出功率，避免因温度和发射功率变化导致误码率以及数据传输率降低的问题，提高光传送网的通信质量。

（2）采用FPGA模块将从光模块接收的数据通过PCI-E接口、高速数据接口传输给上位机和其他接口模块，提高了数据处理和传输的速率。采用光传送网与FPGA的结合，解决了高速数据处理的问题，使光纤的高速数据传输、FPGA的高速数据处理以及FPGA与上位机的高速率传输结合在一起，使整个通信网络数据传输率提高。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图；

图2为自动温度控制单元的原理框图；

图3为自动功率控制单元的原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1所示，一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，包括用于采集光信号并进行光电转换的数据采集模块，所述数据采集模块连接有FPGA模块，所述FPGA模块依次连接通信模块和上位机，所述数据采集模块包括光模块和信号处理模块，所述光模块包括与光纤连接的光纤连接器，所述光纤连接器连接有发射端光组件和接收端光组件，所述光模块还包括与所述发射端光组件、所述接收端光组件连接的控制电路，所述控制电路包括用于控制所述发射端光组件温度的自动温度控制单元和用于控制发射端光组件输出功率的自动功率控制单元。

工作原理：

数据采集模块通过光纤连接器与光传送网OTN上的光纤连接，与光纤的通信包括接收数据和发送数据，接收数据的步骤为：光纤上传送的光信号经过光模块的接收端组件进行光电转换，将光信号转换为电信号，然后输入与光模块连接的信号处理模块，所述电信号在信号处理模块经过放大、模数转换后输入FPGA模块，FPGA模块通过通信模块将处理后的高速信号以高速率传输给上位机；发送数据的步骤为：上位机通过通信模块发送控制指令给FPGA模块，FPGA模块按照上位机的指令，对FPGA模块内的组件产生控制命令，产生高速数据信号，经过信号处理模块经过数模转换后传输至光模块的发射端光组件，发射端光组件将电信号转换为光信号，通过与光纤连接器连接的光纤将光信号发射出去。FPGA模块控制发射过程中发射端光组件的控制电路，使控制电路中的自动温度控制单元以及自动功率控制单元，对发射端光组件的温度、输出功率进行检测和调整，使发射端光组件的温度保持在参考温度范围内，使发射端光组件的输出功率稳定，不因为温度的变化，以及硬件设备的老化降低输出功率，避免了误码率以及通信质量的降低。

实施例2：

在实施例1的基础上，结合附图1-2所示，所述自动温度控制单元包括用于检测所述发射端光组件温度的温度传感器电路，所述温度传感器电路连接有信号放大电路，所述信号放大电路的输出端连接第一处理器，所述第一处理器驱动连接有制冷器。

工作原理：

自动温度控制单元中的温度传感器电路，用于检测发射端光组件的温度，温度传感器采用热敏电阻，发射端光组件温度的变换通过热敏电阻的阻值变化来体现，热敏电阻阻值的变化引起温度传感器电路中电流大小的变化，因此根据温度传感器电路的电流变化，第一处理器可以计算得出当前发射端光组件的温度值，因为温度传感器电路检测的电流变化较小，因此需要将此检测到的电流值进一步的放大处理后输入第一处理器。第一处理器根据计算得出的温度值与发射端光组件的参考温度做比较，如果当前温度高于参考温度，则输出控制信号，驱动制冷器工作，降低发射端光组件的温度，如果当前温度低于参考温度，则第一处理器不做任何动作。

实施例3：

在实施例2的基础上，结合附图1-3所示，所述自动功率控制单元包括用于检测所述发射端光组件光功率的输出功率检测电路，所述输出功率检测电路连接有功率偏差检测电路，所述功率偏差电路连接有比较放大电路，所述比较放大电路连接有用于控制发射端光组件的偏置电流跟踪电流阈值的偏置电流驱动电路，所述偏置电流驱动电路与所述输出功率检测电路连接。

工作原理：

自动功率控制单元包括输出功率检测电路，用于检测发射端光组件的输出功率，通常采用封装在光模块中的光检测器，进行背光检测，来得出线性的输出光功率变化的光功率，然后经过光电转换成电信号，输入至功率偏差检测电路，功率偏差检测电路将电信号放大，并根据变化的输出光功率，计算出平均功率，然后输入比较放大电路，与输入的参考功率电平进行比较，这里的比较放大电路采用比较积分放大器，比较积分放大器的输出端连接偏置电流驱动电路中的控制发射端光组件的偏置电流控制晶体管的基极，从而控制发射端光组件的偏置电流的大小。比较放大电路采用负反馈控制，功率偏差电路的输出端连接比较放大电路中比较积分放大器的反向输入端，当发射端光组件的输出功率减小，功率偏差电路检测到的电信号减小，比较积分放大器正向输入端输入的参考功率电平不变，因此比较积分放大器的输出端电信号变大，因此控制发射端光组件的偏置电流控制晶体管的基极电流增大，从而增加发射端光组件的偏置电流，使发射端光组件的输出功率上；当发射端光逐渐的输出功率增大，功率偏差检测电路输出的电信号增大，比较积分放大器的反相输入端输入电平增加，而正向输入端输入的参考功率电平不变，因此比较积分放大器的输出端电平降低，因此控制发射端光组件的偏置电流控制晶体管的基极电流减小，从而降低发射端光组件的偏置电流。因此通过比较放大电路中的负反馈电路，可以使发射端光组件的输出功率稳定在参考功率即输出功率阈值，因此可以自动调整输出功率，避免了因为输出功率不稳导致误码率较高以及通信质量降低的问题。

实施例4：

在实施例3的基础上，结合附图1-3所示，所述信号处理模块包括与所述发射端光组件连接的信号调理模块1和与所述接收端光组件连接的信号调理模块2，所述信号调理模块1连接用于数模转换的DAC，所述信号调理模块2连接用于模数转换的ADC，所述DAC与所述ADC均连接FPGA模块。

工作原理：

信号调理模块1和信号调理模块2分别用于放大输入发射端光组件的电信号以及从接收端光组件接收的电信号，然后分别经过DAC进行数模转换、ADC进行模数转换后输入FPGA模块进行信号处理。

实施例5：

在实施例4的基础上，结合附图1-3所示，所述FPGA模块包括与所述信号处理模块和所述通信模块连接的FPGA，所述FPGA连接有DDR3内存和闪存芯片FLASH。

工作原理：

FPGA模块包括FPGA，FPGA连接有DDR3内存，具有更高的运行效能，因此可以配合FPGA处理高速信号，与FPGA连接的闪存芯片FLASH ，可以存储FPGA的程序代码，用于在FPGA下电后重新上电时加载逻辑代码，闪存芯片FLASH可以为多个，不同的闪存芯片FLASH可以存储用于不同功能的数据处理，根据数据处理需求的不同，采用加载不同闪存芯片FLASH中的代码，因此，这样的FPGA模块的功能更加强大，可以根据上位机的不同控制指令来进行数据处理。

进一步地，所述通信模块为连接所述FPGA与所述上位机的PCI-E总线、以及与FPGA连接的高速数据接口。

FPGA模块与上位机的通信采用PCI-E总线，FPGA模块还设置有高速数据接口，可以用于与其他扩展模块连接，保证了数据接收和传输的高速率。

进一步地，所述发射端光组件采用半导体激光器。

半导体激光器体积小，重量轻，功耗低，使用寿命长，并且采用低电压恒流供电方式，电源故障率低，使用安全，维修成本低。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，包括用于采集光信号并进行光电转换的数据采集模块，所述数据采集模块连接有FPGA模块，所述FPGA模块依次连接通信模块和上位机，其特征在于：所述数据采集模块包括光模块和信号处理模块，所述光模块包括与光纤连接的光纤连接器，所述光纤连接器连接有发射端光组件和接收端光组件，所述光模块还包括与所述发射端光组件、所述接收端光组件连接的控制电路，所述控制电路包括用于控制所述发射端光组件温度的自动温度控制单元和用于控制发射端光组件输出功率的自动功率控制单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，其特征在于，所述自动温度控制单元包括用于检测所述发射端光组件温度的温度传感器电路，所述温度传感器电路连接有信号放大电路，所述信号放大电路的输出端连接第一处理器，所述第一处理器驱动连接有制冷器。

3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，其特征在于，所述自动功率控制单元包括用于检测所述发射端光组件光功率的输出功率检测电路，所述输出功率检测电路连接有功率偏差检测电路，所述功率偏差电路连接有比较放大电路，所述比较放大电路连接有用于控制发射端光组件的偏置电流跟踪电流阈值的偏置电流驱动电路，所述偏置电流驱动电路与所述输出功率检测电路连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，其特征在于，所述信号处理模块包括与所述发射端光组件连接的信号调理模块1和与所述接收端光组件连接的信号调理模块2，所述信号调理模块1连接用于数模转换的DAC，所述信号调理模块2连接用于模数转换的ADC，所述DAC与所述ADC均连接FPGA模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，其特征在于，所述FPGA模块包括与所述信号处理模块和所述通信模块连接的FPGA，所述FPGA连接有DDR3内存和闪存芯片FLASH。

6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，其特征在于，所述通信模块为连接所述FPGA与所述上位机的PCI-E总线、以及与FPGA连接的高速数据接口。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种基于FPGA和OTN的数据采集与传输系统，其特征在于，所述发射端光组件采用半导体激光器。