CN109474337A - 一种基于led可见光的光传输数据综合器 - Google Patents

Abstract

一种基于LED可见光的光传输数据综合器，是利用LED可见光实现多通道异构类型数据高速、可靠、无缆化综合传输系统，主要用于航天运载器等对电磁环境有特殊要求的场景。针对航天运载器等特殊应用场景中，有线线缆传输存在布线复杂、线缆沉重、通信不灵活、甚至带来可靠性风险等系列问题，首次提出应用LED可见光实现多通道异构通信接口数据的无缆化综合传输，设计了光传输数据综合器，在航天运载器级间分离面及其它不适合有线线缆通信的领域具有很强的应用优势。

Description

一种基于LED可见光的光传输数据综合器

技术领域

本发明涉及一种光传输数据综合器。

背景技术

当前在运载火箭通信系统设计中，普遍采用铜芯电缆作为设备间电信号传输途径，存在线缆沉重、昂贵、布线困难等问题，在分离面的通信应用还可能带来可靠性风险，如航天运载器级间分离时，有线线缆连接器受冲击可能造成的异常解锁、热分离斜拉分离过程容易造成分插破坏回锁等问题，可能导致分插不能可靠解锁、插座结构局部破损导致内部短路、产生多余物，可能造成分插分离不成功，且分插分离过程电缆分离插头的高动态摆动，存在打到发动机喷管的风险，给飞行试验带来安全隐患；航天运载器射前箭地通信也存在类似问题，迫切需要一种安全可靠的多通道无缆化通信技术。

采用传统射频无线通信进行改进设计，存在电磁兼容问题，可能对航天运载器上其他电子设备的正常工作带来干扰，且信号传输范围不受控，存在一定的信息安全隐患；激光通信可以避免电磁兼容问题和信息安全保密问题，但是激光通信对准性要求非常高，航天运载器在飞行过程中，弹体振动及冲击较大，无法保证激光通信的对准性要求，此外激光通信的光学部分体积较大，难以实现小型化，若为保证高对准性而增加伺服机构，则占用的空间会更大，无法满足实际应用对小型化的要求。因此，采用传统的射频无线通信及激光通信进行运载火箭分离面无缆化通信设计是不现实的。

LED可见光通信作为一种新型无缆化通信技术，具备通信速率高，功率低，设备体积小，与现有通信设备不存在电磁兼容问题，信号传输范围受控，通信安全保密性好，具备一定广角性，对准性要求不高等一系列优势。由于通信系统一般具有通信通道数较多且较为集中，各通道实际通信速率较低等特点，可见光通信速率较高，直接为每个通道设计可见光通信转换一方面通信资源浪费，另一方面，LED可见光通信虽然体积小，但狭小空间内若布局多路通信，则可能会引入通道间的干扰，给应用带来困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对航天运载器，如运载火箭级间/箭地通信接口等分离面、对无线电磁信号敏感的特殊场景，以及有线通信布线困难等众多应用场景，本发明提供一种基于LED可见光的光传输数据综合器，将多通道、低速的异构有线数据，通过融合汇聚后再通过LED可见光实现空间高速无缆化双向传输，提升运载火箭级间分离可靠性、助力无人值守任务，提供灵活可靠的无缆化通信方式，为各行业通信提供创新应用模式。

本发明所采用的技术方案是：一种基于LED可见光的光传输数据综合器，包括多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块、主控模块、可见光通信传输模块；

主控模块通过串口线与多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块进行相连，对多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块进行管理，完成配置参数下发和状态信息收集与处理；

多通道异构接口适配模块连接多路有线通信接口，接收多路有线数据转换成统一的格式传送给数据综合分发模块，并将数据综合分发模块发送的数据，转换成对应的有线接口数据形式，再发送给各路有线信道；

数据综合分发模块接收多通道接口适配模块的数据，将设定的时间周期内的多路低速数据进行合包，转换成高速数据，发送至可见光传输模块；同时也接收可见光传输模块的高速数据，对高速数据解包后，还原出多路低速数据并发送至多通道异构接口适配模块；

可见光传输模块通过以太网口，以UDP协议接收来自数据综合分发模块发送的数据，同时向数据综合分发模块发送另一光传输数据综合器发送的数据。

所述可见光传输模块包括可见光发送模块和可见光接收模块，实现LED可见光通信数据的接收和发送。

所述可见光发送模块接收数据综合分发模块发送的数据，进行编码和调制后，通过模拟电路实现模拟均衡、光源适配和功率放大处理，进而驱动LED灯闪烁发出光信号，将电信号转换为光信号，实现电光转换，将信号通过可见光进行无线发送。

所述可见光接收模块通过PIN将可见光信号转换成电信号，实现光电转换，经过模拟电路的差分放大、后均衡和时钟提取处理后，进行解调和译码，再将数据发送给数据综合分发模块。

所述可见光通信传输模块与另一个光传输数据综合器的可见光通信传输模块之间的LED可见光通信链路采用直射链路，通过在发送模块和接收模块均配置透镜，保证光信号聚焦，发送端与对端的接收端对齐构成直射链路。

所述LED可见光通信链路为双向的，采用不同波段的可见光进行信息传输。

所述多通道异构接口适配模块连接的有线通信接口包含以太网口，1553B接口，RS485接口，RS422接口和RS232接口，并依据实际需要进行通信接口数目及接口类型扩展。

所述多通道异构接口适配模块将接收到的多路有线数据转化为通道标识码数据段的格式，以统一的信息字格式发送给数据综合分发模块。

所述主控模块接收多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块发送工作电压、电流数据以及所处理的数据的速率大小，对多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块的状态进行监控；主控模块控制多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块之间的数据传输通道，对数据传输通道的优先级进行调整。

所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，还包括电源模块，电源模块通过供电接口与外部电源连接，接收外部直流供电输入，进行电压转换处理后，为多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块、主控模块、可见光通信传输模块供电。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明可以实现以太网口、1553B接口、RS485接口、RS422接口、RS232等异构通信接口数据利用LED可见光实现无缆化传输；有线异构接口类型及通道数可根据实际需要进行扩展，支持扩展通道数可达50路；可见光链路的通信速率可达120Mbps；通信距离可达3m，并可通过透镜的更改和光功率的调节，可以适应不同距离、不同通信速率的通信应用需求；

(2)本发明可以将多路低速有线数据汇聚成较高速率的数据，并以较低的时延高可靠无线传输；可见光通信具有高速、设备体积小、与现有设备不存在电磁兼容问题等优点，可为航天运载火箭级间/箭地通信接口等分离面通信、对无线电磁信号敏感的特殊军用场景、有线通信布线困难等众多应用场景提供无缆化通信模式。

附图说明

图1为本发明的光传输数据综合器的组成示意图。

图2为本发明的光传输数据综合器原理示意图。

图3为多通道异构数据接口适配图。

图4为数据合包处理流程。

图5为数据解包处理流程。

具体实施方式

结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，基于LED可见光的光传输数据综合器，包括多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块、电源模块、主控模块、可见光通信传输模块，各模块有外壳整体封装；

电源模块通过供电接口与外部电源连接，接收外部24V直流供电输入，进行电压转换处理后，为多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块、主控模块提供12V稳压供电，为可见光通信传输模块提供5V稳压供电。

主控模块对外提供一路RS232串口和1路10/100M/1000M自适应以太网口，作为调试口，用于对设备进行整体调试及策略更改；采用PHY口和SPI口与接口适配模块的FPGA进行通信，对各模块进行管理，完成配置参数下发和状态信息收集与处理；主控模块接收多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块发送工作电压、电流数据以及所处理的数据的速率大小，对多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块的状态进行监控；主控模块控制多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块之间的数据传输通道，对数据传输通道的优先级进行调整。

多通道异构接口适配模块连接多路有线接口，负责接收多路有线数据转换成统一的格式传送给数据综合分发模块，并将数据综合分发模块发送的数据，转换成对应的有线接口数据形式，再发送给各路有线信道，示意图如图2所示；

如图3所示，多通道异构接口适配模块通过接口芯片，与以太网口、1553B接口，RS485接口，RS422接口和RS232接口等有线接口进行信号适配，可依据实际需要进行通信接口数目及接口类型扩展；

以太网口连接视频数据，RS485接口用于传输测量系统的测试数据、RS422接口用于传输音频数据、RS232接口用于传输温湿度传感器数据，155B接口用于传输专用设备交互数据，不同接口传输不同类型数据，用于演示多业务异构数据传输；

多通道异构接口适配模块的FPGA通过各接口芯片获取各类异构数据后，统一规整为如下信息帧格式后，发送给数据综合分发模块进行处理。

表1信息帧基本格式

顺序	1	2	3	…	n
						字段	信息头	信息字1	信息字2	…	信息字n

表2信息头定义

数据综合分发模块接收多通道接口适配模块的数据，将一定时间周期内的多路低速数据(除以太网口外，低速数据指速率在10M以内的数据)进行合包，转换成高速数据(高速数据指速率在10到120M的数据)，发送至可见光传输模块；同时也接收可见光传输模块的高速数据，数据解包后，还原出多路低速数据并发送至各有线通道。

数据发送之前需要进行合包，合包流程如下，如图4所示：

1)主控模块开启10ms定时器，开启接收不同类型数据；

2)不同接口及不同类型数据经过缓存后，统一进行数据合包处理，将其打包成以太网数据包；

3)对打包好的以太网数据包进行CRC校验，校验通过后发送给可见光传输模块；

接收端接收数据后，进行数据解包处理，处理流程如图5所示，简述如下：

1)从LED可见光通信模块接收到以太网数据后，对数据进行校验，实现有效性判断；

2)按照通道标志字节对数据进行区分处理，实现数据包分解，获得低速数据；

3)根据低速数据中的通道标识码确定目的通道将不同数据包发送给不同通信接口。

可见光传输模块通过以太网口，以UDP协议接收来自数据综合分发模块发送的数据，同时也向数据综合分发模块发送对端发送的数据，包含可见光发送和接收模块，可以实现可见光双向通信，实施的关键要点如下：

可见光发送模块接收到UDP数据包后，首先进行拆包处理，对数据段部分进行RS编码，然后进行Manchester线路编码，并添加同步头，用于在波形失真的情况下寻找最佳采样点和数据开始位置；

编码后的数据进行数模转换，变成模拟量，进一步进行模拟均衡、光源适配和功率放大处理，产生可以驱动LED的调制信号；

驱动LED等进行闪烁，发出可见光信号，将电信号转换为光信号，实现电光转换，将信号通过可见光进行无线发送；

为了保证通信对准性，采用折射-全反射复合曲面旋转对称透镜进行准直，保证光信号聚焦，发送端与对端的接收端大致对齐构成直线链路；

接收模块首先通过PIN将可见光信号转换成电信号，实现光电转换，获得模拟电信号，然后经过模拟电路的差分放大、后均衡和时钟提取处理后，进行模数转换获得数字信号，然后进行线路译码和RS译码获得有效数据，再将有效数据段以UDP协议通过以太网口发送给数据综合分发模块进行处理；

可见光传输模块包含可见光发送电路和可见光接收电路，其中通信两端发送电路的LED芯片采用不同芯片或滤光片，发出不同波长的可见光，避免双向通信间产生干扰。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于，包括多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块、主控模块、可见光通信传输模块；

主控模块通过串口线与多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块进行相连，对多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块进行管理，完成配置参数下发和状态信息收集与处理；

多通道异构接口适配模块连接多路有线通信接口，接收多路有线数据转换成统一的格式传送给数据综合分发模块，并将数据综合分发模块发送的数据，转换成对应的有线接口数据形式，再发送给各路有线信道；

数据综合分发模块接收多通道接口适配模块的数据，将设定的时间周期内的多路低速数据进行合包，转换成高速数据，发送至可见光传输模块；同时也接收可见光传输模块的高速数据，对高速数据解包后，还原出多路低速数据并发送至多通道异构接口适配模块；

可见光传输模块通过以太网口，以UDP协议接收来自数据综合分发模块发送的数据，同时向数据综合分发模块发送另一光传输数据综合器发送的数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：所述可见光传输模块包括可见光发送模块和可见光接收模块，实现LED可见光通信数据的接收和发送。

3.根据权利要求2所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：所述可见光发送模块接收数据综合分发模块发送的数据，进行编码和调制后，通过模拟电路实现模拟均衡、光源适配和功率放大处理，进而驱动LED灯闪烁发出光信号，将电信号转换为光信号，实现电光转换，将信号通过可见光进行无线发送。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：所述可见光接收模块通过PIN将可见光信号转换成电信号，实现光电转换，经过模拟电路的差分放大、后均衡和时钟提取处理后，进行解调和译码，再将数据发送给数据综合分发模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：所述可见光通信传输模块与另一个光传输数据综合器的可见光通信传输模块之间的LED可见光通信链路采用直射链路，通过在发送模块和接收模块均配置透镜，保证光信号聚焦，发送端与对端的接收端对齐构成直射链路。

6.根据权利要求4所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：所述LED可见光通信链路为双向的，采用不同波段的可见光进行信息传输。

7.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：所述多通道异构接口适配模块连接的有线通信接口包含以太网口，1553B接口，RS485接口，RS422接口和RS232接口，并依据实际需要进行通信接口数目及接口类型扩展。

8.根据权利要求7所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：所述多通道异构接口适配模块将接收到的多路有线数据转化为通道标识码数据段的格式，以统一的信息字格式发送给数据综合分发模块。

9.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：所述主控模块接收多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块发送工作电压、电流数据以及所处理的数据的速率大小，对多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块和可见光通信传输模块的状态进行监控；主控模块控制多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块之间的数据传输通道，对数据传输通道的优先级进行调整。

10.根据权利要求1所述的一种基于LED可见光的光传输数据综合器，其特征在于：还包括电源模块，电源模块通过供电接口与外部电源连接，接收外部直流供电输入，进行电压转换处理后，为多通道异构接口适配模块、数据综合分发模块、主控模块、可见光通信传输模块供电。