CN110113100A - 一种用于以太网数据传输的可见光通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于以太网数据传输的可见光通信装置及方法，包括发送模块和接收模块；所述发送模块包括第一PHY芯片、第一网口收发模块、有效数据分离模块、存储器、数据分段打包校验模块、第一OOK调制模块、第一OOK解调模块、请求数据包判决模块、错误重传判决模块、第一LED发送模块、第一光电探测器；所述接收模块包括第二PHY芯片、第二OOK解调模块、第二OOK调制模块、数据校验模块、第二网口收发模块、第二光电探测器、第二LED发送模块。本发明解决了现有以太网接口的可见光通信装置无法在高误码的无线信道中稳定、可靠传输数据的问题，本发明的装置及方法抗误码能力强，可以实现在高误码的无线信道中稳定、可靠的传输数据。

Description

一种用于以太网数据传输的可见光通信装置及方法

技术领域

本发明涉及数据传输技术领域，具体为一种用于以太网数据传输的可见光通信装置及方法。

背景技术

可见光无线通信技术是用可见光来实现无线通信，即利用电信号控制发光二极管(LED)发出的肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息。可见光通信与传统技术相比，具有可利用频带宽、安全性高，无电磁干扰，不需频段许可授权等优点。

随着科技的发展，利用以太网传输信息已经越来越普遍，很多仪器设备都具有以太网接口，如能将可见光通信装置直接传输来自以太网络数据，将非常有利于可见光通信应用推广。2013年，由王永进等人发明的一种利用可见光通信装置实现网络接入的通信模块及系统(专利申请号为201310221924.X)，该发明通过硬件电路直接实现将网络信号转为能够驱动LED器件的信号，从而实现利用可见光通信装置直接传输以太网数据。一方面该方法只能用于10M以太网，因为100M和1000M以太网线信号频带非常高，现有的LED驱动技术很难实现这么高频带的调制。另一方面由于网络数据包在无线信道传输过程中，只要其中1bit的信息出错，整个数据包将会出错，导致数据包丢失，所以在高误码率情况下传输大容量数据时，会导致传输的数据频繁出错，严重时会出现链路中断，无法进行正常的数据传输。

发明内容

本发明针对上述背景技术中存在的问题，提出一种用于以太网数据传输的可见光通信装置及方法，通过在发送模块中将网络数据包分段打包校验，组成新的分段数据包，依次通过无线信道传输，接收模块将数据校验模块校验的结果通过无线信道反馈回发送模块，可以实现错误重传的功能，可以保证在高误码情况下的无线信道中传输数据的可靠性，提高了传输数据的效率。

为实现上述目的，本发明实施方式的一方面提供一种用于以太网数据传输的可见光通信装置，包括发送模块和接收模块。

所述发送模块包括第一PHY芯片、第一网口收发模块、有效数据分离模块、存储器、数据分段打包校验模块、第一OOK调制模块、第一OOK解调模块、请求数据包判决模块、错误重传判决模块、第一LED发送模块、第一光电探测器。

所述第一网口收发模块的输出端与有效数据分离模块的输入端相连；所述有效数据分离模块的输出端与存储器的输入端相连；所述存储器的输出端与数据分段打包校验模块的输入端相连；所述数据分段打包校验模块的输出端与第一OOK调制模块的输入端相连；所述第一OOK调制模块的输出端与第一LED发送模块的输入端相连；所述第一光电探测器的输出端与第一OOK解调模块的输入端相连；所述第一OOK解调模块的输出端分别与请求数据包判决模块、错误重传判决模块的输入端相连；所述请求数据包判决模块的输出端与第一网口收发模块的输入端相连；所述错误重传判决模块的输出端与数据分段打包校验模块的输入端相连。

所述接收模块包括第二PHY芯片、第二OOK解调模块、第二OOK调制模块、数据校验模块、第二网口收发模块、第二光电探测器、第二LED发送模块。

所述第二光电探测器的输出端与第二OOK解调模块的输入端相连；所述第二OOK解调模块的输出端与数据校验模块的输入端相连；所述数据校验模块的一个输出端与第二OOK调制模块的输入端相连，另一个输出端与第二网口收发模块的输入端相连；所述第二OOK调制模块的输出端与第二LED发送模块的输入端相连。

进一步的，所述发送模块和接收模块均是基于FPGA开发板为核心平台实现的。

进一步的，所述第一网口收发模块与第一PHY芯片相互连接，所述第二网口收发模块与第二PHY芯片相互连接，实现FPGA与网络接入设备之间的相互通信。

进一步的，所述存储器为随机存储器。

进一步的，所述数据分段打包校验模块用于校验数据、分段打包，并存储分段打包的数据。

进一步的，所述数据校验模块用于输出请求下一个数据包和错误重传两种不同状态的信号，并送入第二OOK调制模块；所述数据校验模块还用于校验数据、分段解包、反馈校验结果，并存储分段解包后的数据。

为实现上述目的，本发明实施方式的另一方面还提供一种用于以太网数据传输的可见光通信方法，包括以下步骤：

(1)第一网口收发模块接收来自网络接入设备发送端送入的网络数据包，并将完整的数据包送入有效数据分离模块，有效数据分离模块将数据包中的有效数据分离出来，送入存储器中。

(2)数据分段打包校验模块分段读取存储器中的数据，依次进行如下处理：

(2.1)有效数据分离模块将一个完整的数据包中的有效数据分离出来，并送入存储器中时，数据分段打包校验模块开始启动读取存储器中的数据。

(2.2)根据有效数据包的长度大小设定读取存储器数据的次数，分段读取存储器中的数据。

(2.3)数据分段打包校验模块读取完成存储器中的数据时，停止对存储器的读操作。

(3)数据分段打包校验模块将每个分段读取的数据进行打包校验，依次进行如下处理：

(3.1)数据分段打包校验模块对每个分段数据进行CRC校验。

(3.2)按照分段数据到来的先后顺序在分段数据前加入序列号，序列号的顺序依次增加，分段数据后加入CRC校验码，进行数据打包，形成新的分段数据包，并依次存储。

(4)第一OOK调制模块依次从数据分段打包校验模块中读取数据，每次读取数据的大小为新的分段数据包的大小，然后加载至第一LED发送模块，以光信号形式发出。

(5)第二光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，并把电信号送入第二OOK解调模块。

(6)第二OOK解调模块对电信号进行解调，将解调信号送入数据校验模块。

(7)数据校验模块对接收到的分段数据包进行校验，依次进行如下处理：

(7.1)数据校验模块会校验数据包的序列号以及CRC码，判断数据是否正确。

(7.2)校验未出现任何错误时，数据校验模块不输出任何有效信号送入第二OOK调制模块，并将接收到的分段数据包进行解包，去掉序列号与CRC校验码，并依次存储，数据分段打包校验模块将下一个分段数据包送入第一OOK调制模块中。

(7.3)校验出现错误时，数据校验模块会丢弃此次接收的分段数据包，同时数据校验模块发送一个固定数字信号送入第二OOK调制模块，该数字信号可以作为错误重传判决模块的激励信号，使得错误重传判决模块输出一个高电平脉冲信号送入数据分段打包校验模块中，数据分段打包校验模块将当前传输错误的分段数据包再次送入第一OOK调制模块。

(7.4)所有分段数据包通过校验时，第二网口收发模块从数据校验模块中读取一个完整的数据包，并经由第二PHY芯片将完整的数据包送入网络接入设备接收端中，当完整的数据包全部送入网络接入设备接收端后，数据校验模块一端输出另外一个固定数字信号送入第二OOK调制模块，经由无线信道传输，该信号最终送入请求数据包判决模块，该数字信号作为请求数据包判决模块的激励信号，请求数据包判决模块输出一个高电平脉冲信号送入第一网口收发模块，第一网口收发模块则输出请求下一个网络数据包的信号，并经由第一PHY芯片送入网络接入设备发送端。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)抗误码能力强。现有的技术将可见光接入以太网是通过硬件电路将网络信号转换为能够直接驱动LED器件的信号，然后通过可见光传输。因为网络数据包比较大，通过无线信道传输一个网络数据包只要其中1bit的信息出错，整个数据包将会出错，所以在传输过程中出错概率会很大。本发明通过将网络数据包分段打包的方法，将一个大的网络数据包分割为多个小的数据包，分段通过无线信道传输，分段的数据包含有的数据少，可以减少在无线信道中传输错误的可能性，抗误码能力强。

(2)能够可靠传输数据。本发明的网络接入设备与收发模块之间可以通过TCP/IP协议保证传输数据的可靠性，通过在系统中加入了数据校验模块的反馈机制，当有分段数据包传输发生错误时，数据校验模块会反馈错误重传的状态信号，使得发送模块重传当前的分段数据包，保证了无线信道传输数据的可靠性，从而系统整体可以可靠的传输数据。

(3)可适配100M和1000M以太网。本发明的发送端不是直接将100M和1000M以太网信号加载在LED驱动电路，而是利用现有的PHY芯片读取以太网数据包，数据包可以来自于10M以太网，也可以来自100M和1000M以太网，数据包读取后可以比较低的可见光通信速率发送，发送完一个包再请求另一个包。接收端可以通过PHY芯片来发送100M和1000M以太网数据包。因此可适配100M和1000M以太网。

附图说明

图1为本发明装置的系统整体框图；

图2为本发明分段打包校验流程图；

图3为本发明数据校验模块工作流程图；

图4为本发明错误重传判决模块工作流程图；

图5为本发明请求数据包判决模块工作流程图；

图6为本发明网络数据包拆分以及还原变化流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。

本发明提出了一种用于以太网数据传输的可见光通信装置及方法，如图1所示，包括发送模块和接收模块。发送模块包括第一PHY芯片、第一网口收发模块、有效数据分离模块、存储器、数据分段打包校验模块、第一OOK调制模块、第一OOK解调模块、请求数据包判决模块、错误重传判决模块、第一LED发送模块、第一光电探测器；接收模块包括第二PHY芯片、第二OOK解调模块、第二OOK调制模块、数据校验模块、第二网口收发模块、第二光电探测器、第二LED发送模块。

网络接入设备发送端通过上位机向发送模块发送网络数据包，网络数据包经由第一PHY芯片送入有效数据分离模块，有效数据分离模块将去除网络数据包的冗余数据，只留下有效数据部分；有效数据分离模块将保留的有效数据送入存储器中，按照数据的先后顺序依次存放；当所有有效数据全部存入存储器后，数据分段打包校验模块开始读取存储器中的数据。因为网络数据包比较大，通过无线信道传输一个网络数据包只要其中1bit的信息出错，整个数据包将会出错，所以在传输过程中出错概率会很大，造成传输效率低下，而将数据包分段传输可以很好的减小出错的可能，若出错也只需重传本次出错的分段数据包，可以很好的提高传输数据的效率，所以数据分段打包校验模块会分段读取存储器中的数据，将原有的一段数据分割为多个小的分段数据，数据分段打包校验模块会对每个分段数据进行CRC校验，最终在每个分段数据前加入序列号，分段数据后加入CRC校验码，构成新的分段数据包，并将这些新的分段数据包按序存储。

数据分段打包校验模块分段打包校验完成后，第一OOK调制模块开始读取第一个分段数据包，经由OOK调制后，加载到第一LED发送模块上，通过无线信道传输数据。

第二光电探测器接收到光信号后，将光信号转为电信号送入第二OOK解调模块，第二OOK解调模块将接收到的数据送入数据校验模块中，所述数据校验模块会对接收的分段数据包进行校验，再次得到一个CRC校验码，并与接收到的分段数据包中的CRC码对比。

如图3所示，数据校验模块检验到两个CRC校验码一致，数据校验模块会先判断这个分段的数据包是否为最后一个包，若不为最后一个包，并且数据校验模块判定传输的分段数据包正确，则进行分段解包，将分段数据包中的序列号和CRC校验码丢弃，将剩下的数据按序存储，数据校验模块不输出任何有效数据送入第二OOK调制模块；若为最后一个包，并且数据校验模块判定传输的分段数据包正确，数据校验模块开始读出数据送入第二网口收发模块，经由第二PHY芯片将一个完整的网络数据包送入网络接入设备接收端的上位机中，同时数据校验模块将会输出0x76一个字节的状态信号至第二OOK调制模块。

当两个CRC校验码不一致，则将分段数据包丢弃，数据校验模块将会输出0x97一个字节的状态信号至第二OOK调制模块。

数据校验模块将输出的状态信号送入第二OOK调制模块，然后加载到第二LED发送模块上，通过无线信道传输，第二光电探测器将接收到的光信号转为电信号，分别送入请求数据包判决模块和错误重传判决模块。

如图4所示，错误重传判决模块会将接收到的数据与0x97进行对比，当对比结果一致时，说明当前传输的分段数据包出现错误；错误重传判决模块会产生一个高电平脉冲信号送入数据分段打包校验模块，数据分段打包校验模块会重新将当前的分段数据包再次送入第一OOK调制模块中，重新经由无线信道传输，达到错误重传的功能，可以保证传输数据的可靠性；当对比结果不一致时，说明传输的分段数据包未出现错误，数据分段打包校验模块将下一个分段数据包送入第一OOK调制模块。

如图5所示，请求数据包判决模块将接收到的数据与0x76进行对比，当对比结果一致时，说明一个完整的数据传输完成；请求数据包判决模块会产生一个高电平脉冲信号送入第一网口收发模块，第一网口收发模块检测到一个高电平脉冲信号时，会产生请求下一个网络数据包的网络信号，经由第一PHY芯片送入网络接入设备发送端，网络接入设备发送端的上位机将会响应该信号，开始发送下一个网络数据包。

通过上述步骤，该系统可以持续在高误码的无线信道中稳定、可靠的传输以太网数据。

以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种用于以太网数据传输的可见光通信装置，包括发送模块和接收模块；其特征在于：

所述发送模块包括第一PHY芯片、第一网口收发模块、有效数据分离模块、存储器、数据分段打包校验模块、第一OOK调制模块、第一OOK解调模块、请求数据包判决模块、错误重传判决模块、第一LED发送模块、第一光电探测器；

所述第一网口收发模块的输出端与有效数据分离模块的输入端相连；所述有效数据分离模块的输出端与存储器的输入端相连；所述存储器的输出端与数据分段打包校验模块的输入端相连；所述数据分段打包校验模块的输出端与第一OOK调制模块的输入端相连；所述第一OOK调制模块的输出端与第一LED发送模块的输入端相连；所述第一光电探测器的输出端与第一OOK解调模块的输入端相连；所述第一OOK解调模块的输出端分别与请求数据包判决模块、错误重传判决模块的输入端相连；所述请求数据包判决模块的输出端与第一网口收发模块的输入端相连；所述错误重传判决模块的输出端与数据分段打包校验模块的输入端相连；

所述接收模块包括第二PHY芯片、第二OOK解调模块、第二OOK调制模块、数据校验模块、第二网口收发模块、第二光电探测器、第二LED发送模块；

所述第二光电探测器的输出端与第二OOK解调模块的输入端相连；所述第二OOK解调模块的输出端与数据校验模块的输入端相连；所述数据校验模块的一个输出端与第二OOK调制模块的输入端相连，另一个输出端与第二网口收发模块的输入端相连；所述第二OOK调制模块的输出端与第二LED发送模块的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于以太网数据传输的可见光通信装置，其特征在于：所述发送模块和接收模块均是基于FPGA开发板为核心平台实现的。

3.根据权利要求1所述的一种用于以太网数据传输的可见光通信装置，其特征在于：所述第一网口收发模块与第一PHY芯片相互连接，所述第二网口收发模块与第二PHY芯片相互连接，实现FPGA与网络接入设备之间的相互通信。

4.根据权利要求1所述的一种用于以太网数据传输的可见光通信装置，其特征在于：所述存储器为随机存储器。

5.根据权利要求1所述的一种用于以太网数据传输的可见光通信装置，其特征在于：所述数据分段打包校验模块用于校验数据、分段打包，并存储分段打包的数据。

6.根据权利要求1所述的一种用于以太网数据传输的可见光通信装置，其特征在于：所述数据校验模块用于输出请求下一个数据包和错误重传两种不同状态的信号，并送入第二OOK调制模块；所述数据校验模块还用于校验数据、分段解包、反馈校验结果，并存储分段解包后的数据。

7.一种用于以太网数据传输的可见光通信方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)第一网口收发模块接收来自网络接入设备发送端送入的网络数据包，并将完整的数据包送入有效数据分离模块，有效数据分离模块将数据包中的有效数据分离出来，送入存储器中；

(2)数据分段打包校验模块分段读取存储器中的数据，依次进行如下处理：

(2.1)有效数据分离模块将一个完整的数据包中的有效数据分离出来，并送入存储器中时，数据分段打包校验模块开始启动读取存储器中的数据；

(2.2)根据有效数据包的长度大小设定读取存储器数据的次数，分段读取存储器中的数据；

(2.3)数据分段打包校验模块读取完成存储器中的数据时，停止对存储器的读操作；

(3)数据分段打包校验模块将每个分段读取的数据进行打包校验，依次进行如下处理：

(3.1)数据分段打包校验模块对每个分段数据进行CRC校验；

(3.2)按照分段数据到来的先后顺序在分段数据前加入序列号，序列号的顺序依次增加，分段数据后加入CRC校验码，进行数据打包，形成新的分段数据包，并依次存储；

(4)第一OOK调制模块依次从数据分段打包校验模块中读取数据，每次读取数据的大小为新的分段数据包的大小，然后加载至第一LED发送模块，以光信号形式发出；

(5)第二光电探测器将接收到的光信号转化为电信号，并把电信号送入第二OOK解调模块；

(6)第二OOK解调模块对电信号进行解调，将解调信号送入数据校验模块；

(7)数据校验模块对接收到的分段数据包进行校验，依次进行如下处理：

(7.1)数据校验模块会校验数据包的序列号以及CRC码，判断数据是否正确；

(7.2)校验未出现任何错误时，数据校验模块不输出任何有效信号送入第二OOK调制模块，并将接收到的分段数据包进行解包，去掉序列号与CRC校验码，并依次存储，数据分段打包校验模块将下一个分段数据包送入第一OOK调制模块中；

(7.3)校验出现错误时，数据校验模块会丢弃此次接收的分段数据包，同时数据校验模块发送一个固定数字信号送入第二OOK调制模块，该数字信号可以作为错误重传判决模块的激励信号，使得错误重传判决模块输出一个高电平脉冲信号送入数据分段打包校验模块中，数据分段打包校验模块将当前传输错误的分段数据包再次送入第一OOK调制模块；

(7.4)所有分段数据包通过校验时，第二网口收发模块从数据校验模块中读取一个完整的数据包，并经由第二PHY芯片将完整的数据包送入网络接入设备接收端中，当完整的数据包全部送入网络接入设备接收端后，数据校验模块一端输出另外一个固定数字信号送入第二OOK调制模块，经由无线信道传输，该信号最终送入请求数据包判决模块，该数字信号作为请求数据包判决模块的激励信号，请求数据包判决模块输出一个高电平脉冲信号送入第一网口收发模块，第一网口收发模块则输出请求下一个网络数据包的信号，并经由第一PHY芯片送入网络接入设备发送端。