CN110324084A - 一种光纤供能系统的带内通信系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤供能系统的带内通信系统及方法，包括含激光器电流调制模块、激光器电流驱动模块、光电池状态采集模块，根据实时采集光电池侧电压解调信号的特征，闭环调节激光器电流调制深度。本发明在提高系统可靠性的同时实现了不同工况下，较高速率、较大容量POF带内数据的可靠传输。本发明方法对POF系统正常供能效率影响小，核心LD器件一直处于通态工作区，不受开关冲击及开关损耗，大大增加了系统可靠性及寿命。

Description

一种光纤供能系统的带内通信系统及方法
技术领域
本发明涉及光纤供能系统中的通信技术，尤其涉及一种光纤供能系统的带内通信系统及方法。
背景技术
分布式采集系统是工业领域常用的采样系统，一般由中控单元、分布式采集器、供电及信号传输通道组成。
在高压输电、医疗、矿产采集传感、无线电监测、航空等中控单元需与采集器电气隔离的采样系统中，无法采用传统输电线或其他取能方式实现采集器的长期、可靠供电。采用电气绝缘的光纤供能(POF)系统可为此类采集器提供工作电源，作为供能介质的光纤绝缘成本低，安全性高，是目前该类系统的主要供能方式之一。为满足电气隔离的需求，在该类系统中信号传输也一般采用光纤介质。
在采用POF方式供能的系统中，中控单元与采集器的数据交互分为上行通道(数据由中控单元发送至采集器)与下行通道(数据由采集器发送至中控单元)，下行一般采用独立通信光纤，上行通道目前主要存在两种方式：
(1)采用独立上行光纤通信方式；
(2)POF光纤传输信号方式；受限于器件特性，激光器(LD)电流与光电池(PPC)电压成非线性关系，且与工况密切相关，因此无法直接通过调制激光器电流的方式实现信号的调制与解调，目前POF光纤传输信号一般通过开关激光器方式实现。
在采集器与本地中控单元上行通信实现上，如采取增加独立上行光纤方式，不仅增加采集器功耗，而且光纤布线数量的增加意味着增加现场光纤施工的复杂程度和风险点，降低系统可靠性，因此该方式实际应用较少。
通过开关激光器实现POF光纤传输信号的方式应用较为广泛，虽然该方式可传输较少的数据或同步信号，但存在以下缺点：
(1)该方法需根据所传输的信号频率及占空比，频繁开关POF系统中的核心激光器器件，激光器所受开关冲击及损耗大，极大降低了激光器的工作寿命及POF系统的可靠性；
(2)当传输较高速率的信号或较长数据时，激光器关闭时间长，影响POF系统的供能效率，严重时影响POF系统供能可靠性，因此该方式无法满足高速、大容量数据传输需求。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种光纤供能系统的带内通信系统及方法，对光纤供能系统正常供能效率影响小，核心激光器器件一直处于通态工作区，不受开关冲击及开关损耗，增加了系统可靠性及寿命。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种光纤供能系统的带内通信系统，包括编码模块、激光器电流调制模块、激光器电流驱动模块、激光器、光纤、光电池、解调模块、译码模块、光电池状态采集模块；编码模块根据编码规则对传输数据进行编码产生编码信号，激光器电流调制模块根据编码信号和光电池状态采集模块反馈的光电池实时电压解调信号特征计算得到激光器电流控制值，激光器电流驱动模块根据激光器电流控制值调制激光器驱动电流，激光器供能并通过光纤发送光功率，光电池接收光功率产生电压，解调模块根据变化的光电池电压解调出编码信号，译码模块根据译码规则对编码信号进行译码得到传输数据。
进一步地，所述激光器电流调制模块包括位宽计算模块、差值模块和控制器；所述位宽计算模块输入光电池实时电压对应的数字采样码值，与设定的门槛电压值相比较得到高低电平，并通过时钟计数得到当前的信号位宽；所述差值模块计算得到信号位宽与给定的信号位宽参考值的差值，控制器根据差值采用PI算法计算得到当前的激光器电流控制值。
进一步地，当数字采样码值Mvppc小于设定的门槛电压值Mg时，判断为低电平0，反之为高电平1。
一种光纤供能系统的带内通信方法，包括步骤：
(1)编码模块将待传输数据根据编码规则进行编码产生编码信号；
(2)激光器电流调制模块根据编码信号和当前光电池状态采集模块反馈的光电池实时电压解调信号特征计算得到当前激光器电流控制值；
(3)激光器电流驱动模块根据激光器电流控制值调制激光器驱动电流，进而调制激光器供能发送光功率；
(4)解调模块根据跟随接收光功率变化的光电池电压解调出编码信号；
(5)译码模块根据译码规则对编码信号进行译码得到传输数据。
进一步地，所述激光器电流调制模块的实现步骤为：
(1)输入光电池实时电压对应的数字采样码值Mvppc，与设定的门槛电压值Mg相比较，当Mvppc＜Mg时，判断为低电平0，反之为高电平1；
(2)通过时钟计数得到当前的信号位宽Tf；
(3)计算信号位宽Tf与给定的信号位宽参考值Tg的差值ΔT；
(4)采用PI算法计算得到当前的激光器电流控制值，计算公式为：
Mmod(k)＝Mmod(k-1)+kp(ΔT(N)-ΔT(N-1))+kiΔT(N)
其中，kp为比例系数，ki为积分系数，取值时根据实际驱动电路参数特性整定。
进一步地，当待调制信号为1时，输出正常供能电流值；当待调制信号为0时，输出电流值。
有益效果：本发明的技术优势如下：(1)该方法通过对调制过程进行闭环控制的方式，可实现不同工况下，POF带内较长数据、较高速率的可靠传输；(2)该方法采用调制方式传输数据，LD无开关损耗，工作压力低，POF系统可靠性大大提高；(3)该方法传输数据时LD电流变化远小于开关方式，POF系统供能效率高；(4)采用编码信号传输时，信号链路包含充分的位变化信息，便于本发明的闭环调制模块迅速提取位宽信息，系统趋稳时间缩短。
附图说明
图1是本发明所述的光纤供能系统的带内通信系统结构示意图；
图2是激光器电流调制模块结构示意图；
图3是工况变化时，电流调制深度变化调节过程示意图；
图4是高压直流测量系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示，本发明所述的光纤供能系统的带内通信系统，实时采集光电池侧电压解调信号的特征，闭环调节激光器电流调制深度，实现不同工况下，较大容量光纤供能带内数据的可靠传输。
光纤供能系统的带内通信系统中首先编码模块根据编码规则对传输数据进行编码产生编码信号，激光器电流调制模块根据编码信号和光电池状态采集模块反馈的光电池实时电压解调信号特征计算得到激光器电流控制值，激光器电流驱动模块根据激光器电流控制值调制激光器驱动电流，激光器供能并通过光纤发送光功率，光电池接收光功率产生电压，解调模块根据变化的光电池电压解调出编码信号，译码模块根据译码规则对编码信号进行译码得到传输数据。
其中，激光器电流调制模块为核心模块，激光器电流调制模块包括位宽计算模块、差值模块和控制器；位宽计算模块输入光电池实时电压对应的数字采样码值，与设定的门槛电压值相比较，当数字采样码值Mvppc小于设定的门槛电压值Mg时，判断为低电平0，反之为高电平1，并通过时钟计数得到当前的信号位宽；差值模块计算得到信号位宽与给定的信号位宽参考值的差值，控制器根据差值采用PI算法计算得到当前的激光器电流控制值。
光纤供能系统的带内通信方法的具体调制解调过程为：
(1)将待传输数据根据编码规则产生编码信号；
(2)激光器电流调制模块根据编码信号及当前光电池电压解调信号特征计算激光器电流调制深度，产生当前激光器电流控制值；
(3)激光器电流驱动模块根据激光器电流控制值调制激光器电流，进而调制激光器供能发送光功率；
(4)解调模块通过解析跟随接收光功率变化的光电池电压解调出编码信号。
(5)对编码信号按照译码规则进行译码获取当前所通信的数据。
如图2所示，激光器电流调制模块的设计实现步骤为：
(1)输入为远端模块侧的实时电压信息对应的数字采样码值Mvppc，将Mvppc与设定的门槛电压值Mg相比较，当Mvppc＜Mg时，判断为低电平0，反之为高电平1，
(2)通过时钟计数得到当前的信号位宽Tf；
(3)计算Tf与给定的信号位宽参考值Tg差值ΔT，控制算法采用PI算法调节产生当前的激光器电流控制值Mmod，计算公式为：
Mmod(k)＝Mmod(k-1)+kp(ΔT(N)-ΔT(N-1))+kiΔT(N)
其中，kp为比例系数，ki为积分系数，取值时根据实际驱动电路参数特性整定。
当待调制信号为1时，输出正常供能电流控制值Mpower，激光器发送功率为供能功率，此时远端模块电压大于阈值电压，解码信号为1。当待调制信号为0时，输出调制电流控制值Mmod。此时激光器发送功率为调制功率，小于供能功率，对应远端模块电压小于阈值电压，解码信号为0。
(4)输出激光器电流控制值，通过数模转换DAC芯片控制激光器电流驱动模块调制激光器发送光功率。
由LD的元件特性曲线可知，LD为电流型器件，不同工况下，POF系统取能效率不同，相同的LD电流对应的取能侧PPC电压不同。如图3所示，开环调制时，调制信号的位宽会跟随工况发生变化。当位宽偏差过大时，会导致信号无法解码。采用本方法的POF系统中，当工况变化导致解调模块输出的信号位宽与设定值出现偏差时，控制模块会实时计算待调制信号的位宽与解调信号位宽的差值，以此调节LD电流调制深度，LD发送光功率改变，进而调节PPC电压变化特征，使得解调信号的位宽跟随给定，实现带内通信信号的正常传输。
下面结合应用本发明方法的一种高压分布式采样系统示例对本发明进一步说明。
如图4所示为实施例的硬件平台示意图，该硬件平台可适用于高压直流测量系统中，包含一个用于采集高压侧模拟信号的远端模块，及一个用于采样结果接收、处理及包含POF系统的合并单元；合并单元与远端模块之间有通信光纤及供能光纤，供能光纤同时传递同步报文及实时配置信息。PPC输出电压通过DC/DC模块后作为远端模块的工作电源。低功耗处理器控制ADC芯片实时采集PPC输出的电压信息后对数据进行解调获取当前所传输的报文，同时通过下行光纤将PPC电压采样值、模拟信号采样值传送至POF系统的主控处理器内。主控处理器根据需要调制激光器电流，供能的同时实现数据传输。上行报文类型分为配置信息及同步信息两种。
具体的带内通信过程为：合并单元主控处理器收到当前PPC的电压信息后，通过电平判断门槛值将信号二值化处理，然后通过40M高速时钟计数得到当前“0”电平位宽Tvl，同时根据所设定的1kbps波特率可计算得到当前给定“0”电平位宽为1us，计算两者差值，通过一定算法计算得到当前电流调制深度码值Mmod。信号调制模块在编码信号为1时输出供能电流对应的控制码值Mpos，当编码后的信号为0时输出调制电流对应的控制码值Mmod。由于该平台实现采用潜入时处理器，控制算法选择了工程应用较为普遍的增量式PI算法。
控制器输出的控制码值通过DAC及LD电流驱动模块调制LD器件发射光功率，通过供能光纤传递至PPC侧进行解码。
在应用该方法的上述POF系统中，远端模块功耗约为150mW，激光器最大发送光功率为2W，正常供能电流约为1A左右，激光器发光电流门槛值约为0.3A，设计通信报文发送波特率为1Mbps，上行串行报文长度为16字节，发送频率为1kHz。常温25℃下激光器调制电流值约为0.6A左右，高温75℃时调制电流值约为0.8A左右，低温-40℃时调制电流值约为0.4A左右，在不同的工况下，系统可自动调节激光器电流调制深度。经验证，全温度范围内，PPC侧解调模块输出的信号正负脉冲宽度在1±0.01us内，POF带内通信误码率为0。根据所选择的LD特性，计算可得LD供能功率为0.85W，LD调制功率为0.5W。在测试通信模式下，闭环数字调制通信实现时的最大供能损失约为10％，而开关通信实现时的最大损失约为26％。
本方法达到的效果以所设计的高压分布式采样系统为例，在50kbps采样速率下，采用开关方式的POF系统仅可提供采样脉冲同步功能，而采用该方法的合并单元可实现：
(1)在线对远端模块进行采样率配置、校准及在线升级等功能；
(2)在50kbps采样速率下，采用该方法的POF系统供能效率较开关方式提升约16％，且LD无任何开关冲击及损耗，可靠性大大提高。

Claims (6)

1.一种光纤供能系统的带内通信系统，其特征在于，包括编码模块、激光器电流调制模块、激光器电流驱动模块、激光器、光纤、光电池、解调模块、译码模块、光电池状态采集模块；编码模块根据编码规则对传输数据进行编码产生编码信号，激光器电流调制模块根据编码信号和光电池状态采集模块反馈的光电池实时电压解调信号特征计算得到激光器电流控制值，激光器电流驱动模块根据激光器电流控制值调制激光器驱动电流，激光器供能并通过光纤发送光功率，光电池接收光功率产生电压，解调模块根据变化的光电池电压解调出编码信号，译码模块根据译码规则对编码信号进行译码得到传输数据。
2.根据权利要求1所述的光纤供能系统的带内通信系统，其特征在于，所述激光器电流调制模块包括位宽计算模块、差值模块和控制器；所述位宽计算模块输入光电池实时电压对应的数字采样码值，与设定的门槛电压值相比较得到高低电平，并通过时钟计数得到当前的信号位宽；所述差值模块计算得到信号位宽与给定的信号位宽参考值的差值，控制器根据差值采用PI算法计算得到当前的激光器电流控制值。
3.根据权利要求2所述的光纤供能系统的带内通信系统，其特征在于，当数字采样码值Mvppc小于设定的门槛电压值Mg时，判断为低电平0，反之为高电平1。
4.一种光纤供能系统的带内通信方法，其特征在于，包括步骤：
(1)编码模块将待传输数据根据编码规则进行编码产生编码信号；
(2)激光器电流调制模块根据编码信号和当前光电池状态采集模块反馈的光电池实时电压解调信号特征计算得到当前激光器电流控制值；
(3)激光器电流驱动模块根据激光器电流控制值调制激光器驱动电流，进而调制激光器供能发送光功率；
(4)解调模块根据跟随接收光功率变化的光电池电压解调出编码信号；
(5)译码模块根据译码规则对编码信号进行译码得到传输数据。
5.根据权利要求4所述的光纤供能系统的带内通信方法，其特征在于，所述激光器电流调制模块的实现步骤为：
(1)输入光电池实时电压对应的数字采样码值Mvppc，与设定的门槛电压值Mg相比较，当Mvppc＜Mg时，判断为低电平0，反之为高电平1；
(2)通过时钟计数得到当前的信号位宽Tf；
(3)计算信号位宽Tf与给定的信号位宽参考值Tg的差值ΔT；
(4)采用PI算法计算得到当前的激光器电流控制值，计算公式为：
Mmod(k)＝Mmod(k-1)+kp(ΔT(N)-ΔT(N-1))+kiΔT(N)
其中，kp为比例系数，ki为积分系数。
6.根据权利要求4所述的光纤供能系统的带内通信方法，其特征在于，当待调制信号为1时，输出正常供能电流值；当待调制信号为0时，输出电流值。
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Wang et al. A Design Method of In-band Communication Link in Power-Over-Fiber Application System

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