CN110677195A - 一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置 - Google Patents
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Abstract
一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，包括发送模块、传输模块和接收模块；发送模块设有通讯接口和多路光电传感器的数字接口，数字接口连接有图像视频编码模块，通讯接口连接有通讯编码模块，图像视频编码模块与通讯编码模块上的串行信号通过数据融合模块封包后，传输给传输模块；传输模块主要由光纤传输模块和光电滑环组成，用于数据传输；接收模块主要由解码电路组成，用于对接收信号解码。本发明基于光纤的高速串行传输方式以及光电混合滑环的高容量传输能力，通过将通讯数据与多路图像视频数据编码、融合，并通过一个光电混合滑环实现多种设备与主机之间的双向数据的高速传输，节省了占用空间、避免数据线的缠绕、增加数据传输的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及数据传输装置技术领域，尤其是涉及一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置。
背景技术
机载光电吊舱常悬挂于飞行器(如无人机、直升机和固定翼飞机等)载体外部,利用光电传感器实现对目标物的扫描,并将扫描图像及数据信息进行实时反馈,协助飞行员完成目标物的搜索、侦察。机载光电吊舱内的光电稳定平台作为飞行器的“眼睛”，对空中侦察、监视等起着举足轻重的作用，当前光电稳定平台已成为航空航天领域中的重要装备,其研制开发倍受各国的重视。
随着任务多样性的需求，目前光电稳定平台上使用的光电传感器多达十多种，具有多种数据输出类型，例如航空相机的CAMERA－LINK，红外热成像装置的LVDS数字接口、可见光传感器的SDI等多种接口。同时，为了满足系统的通讯控制需求，还需要设计上位机RS422，上位机RS429，伺服通讯和CAN总线等通讯数据接口。
由于各种光电传感器需要通过旋转来搜索、跟踪目标物，为了实现光电稳定平台方位360°自由转动，目前成熟的方案是通过机电滑环实现各接口数据线与主机的旋转连接。由于机载光电吊舱使用的光电传感器多达十多种，还有大量的传输模拟视频、通讯接口，因此，需要通过机电滑环的数据线多达几十根，数据线越多，单个机电滑环的体积就越大，对各数据线造成的扭转力矩也就越大；如果使用多个机电滑环，则易造成各机电滑环之间布局困难，且易造成数据线的缠绕。另外，由于机电滑环为接触式的，存在接触摩擦大、触点易磨损、传输不可靠等问题，在技术上已经落后，已无法满足机载光电吊舱对传输数据高速、可靠的传输要求。
对于机载光电吊舱来说，对空间的占用要求很高、对数据传输的可靠性也很高，以上问题一直没有很好的解决办法。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，其目的在于：
1、基于光纤的高速串行传输方式以及光电混合滑环的高容量传输能力，实现多种设备通过一个单芯光电混合滑环传输数据；
2、以光电混合滑环取代机电滑环，节省占用空间、避免数据线的缠绕、增加数据传输的高速性、可靠性。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，用于吊舱内航空相机、红外热成像设备、可见光传感器等设备与总机的数据传输，包括发送模块、传输模块和接收模块。
所述发送模块主要由图像处理板组成，所述图像处理板设有通讯接口和多路光电传感器的数字接口，其中，数字接口连接有图像视频编码模块，用于将多路图像、视频信号编码成串行信号；通讯接口连接有通讯编码模块，用于将通讯信号编码成串行信号；图像视频编码模块与通讯编码模块上的串行信号通过数据融合模块封包后，传输给传输模块。
所述传输模块主要由光纤传输模块和光电滑环组成，用于发送模块与接收模块之间的信号传输；
所述接收模块主要由解码电路组成，用于对接收信号解码并输出。
进一步地改进技术方案，所述图像视频编码模块将多路图像、视频信号解码后，转换为LVTTL电平信号，在FPGA内嵌NIOS的控制下，在两片DDR内缓存，再以既定帧格式放入发送缓存FIFO中；并将多路图像、视频信号的时钟转换为同一频率的串行信号，再传输给数据融合模块。
进一步地改进技术方案，所述通讯编码模块对上位机RS422，上位机RS429，伺服通讯和CAN总线四种通讯信号进行初步的封包处理，加入帧头等信息后形成通讯数据帧，再经FIFO缓存处理后，以同一频率的串行信号传输给数据融合模块。
进一步地改进技术方案，所述数据融合模块输出的融合数据，采用SRIO(串行Rapidio)协议输出。
进一步地改进技术方案，所述光电滑环为单芯光电组合滑环。
进一步地改进技术方案，所述光纤传输模块包括激光发生器、波分复用器和光纤扭转线。
进一步地改进技术方案，所述激光发生器发射两种不同波长的激光信号。
由于采用上述技术方案，相比背景技术，本发明具有如下有益效果：
本发明基于光纤的高速串行传输方式以及光电混合滑环的高容量传输能力，通过将通讯数据与多路图像视频数据编码、融合，并通过一个光电混合滑环实现多种设备与主机之间的双向数据的高速传输。
本发明以光电滑环取代机电滑环，光电混合滑环具有体积小、占用空间小的优点，且因其光纤传输为无接触传输，因此使用寿命长、可靠性高；光电混合滑环还有很大的容量，一根光纤可以取代几十根数据线，使光电滑环两端的数据线大为减少，避免数据线的缠绕、增加数据传输可靠性；另外，光电混合滑环可实现系统低频电信号与光信号同时传输，使整个数据传输装置只有一个光电滑环，可以进一步地简化空间布局，减少空间占用。
附图说明
图1为本发明的框架示意图。
图2为本发明的组成结构图。
图3为数据采集缓存的流程示意图。
图4为多路图像生成VHF信号的流程示意图。
图5为通讯数据预处理的流程示意图。
图6为图像处理板的数据处理流程示意图。
图7为光纤传输模块中光纤的双向通信示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，用于吊舱内航空相机、红外热成像设备、可见光传感器等设备与总机的数据传输。
图1示出的是本发明的框架示意图。本发明包括电源、发送模块、传输模块和接收模块。其中，发送模块主要由图像处理板组成，发送模块主要由光纤传输模块和光电滑环组成，接收模块主要由解码电路组成。
图2示出的是本发明的组成结构图。图中，图像处理板上设有通讯接口和多路光电传感器的数字接口，其中，数字接口连接有图像视频编码模块，用于将多路图像、视频信号编码成串行信号；通讯接口连接有通讯编码模块，用于将通讯信号编码成串行信号；图像视频编码模块与通讯编码模块上的串行信号通过数据融合模块封包后，传输给传输模块。
所述解码电路与传输模块连接，用于对接收信号解码。光纤传输模块通过滑环分别和图像处理板和解码板连接，实现了图像处理板和解码板之间光纤数据的双向传输功能。解码板和光纤传输模块连接，负责将输入的SRIO信号通过解码板解码后，恢复为原始输入信号。
本实施例中，图像处理板中传感器数据接口主要有三种：可见光视频(1920×1080分辨率、30fps)、红外视频(640×512分辨率、50fps)和数码相机(5120×5120分辨率、1fps)，图像处理板将三种传输信号最终都转换为高速串行号转发并且发送。其中，可见光图像的输出始终为74.25MHz，红外图像的时钟为36MHz，数码相机的时钟为50MHz。而且三个传感器的信号标准和时序也并不一样，可将光为HD-SDI，时序为CEA-861；红外为LVDS，数码相机为CAMERALINK。本发明通过FPGA实现了实时图像场景锁定，具体实现步骤如下：
图3示出的是图像处理板数据采集缓存的流程示意图。图中，所述图像视频编码模块将三路图像、视频信号解码后，转换为LVTTL电平信号，在FPGA内嵌NIOS的控制下，在两片DDR内缓存，最后由输出控制模块以既定帧格式放入发送缓存FIFO中。
图4示出的是多路图像生成VHF信号的流程示意图。图中，图像处理板将三个时钟转换为统一的130MHz，然后根据三路图像的输入时序，生成统一格式的“VHF”信号，以便后端的图像编码处理。
图5示出的是通讯数据预处理的流程示意图。图像处理板根据系统的通讯控制需求，通讯数据主要分为上位机RS422，上位机RS429，伺服通讯和CAN总线四类。通讯数据的特点是数据周期发送，发送数据和接收数据的长度和周期都为通讯协议中规定的固定值。通讯编码的主要流程为：上位机模块完成各通讯协议的解码，将解析出的通讯数据送入“预处理”模块，“预处理”模块将通讯数据先进行初步的封包处理，加入帧头等信息后形成通讯数据帧，再经FIFO缓存处理，并将后端时钟转换为统一的130MHz。
图6示出的是图像处理板的数据处理流程示意图。图中，图像处理板先将视频混合信号和通讯信号进行自定义数据封包处理，单次发送长度设定为256字节。每一帧数据由“协议帧头”、“起始标识”，“数据长度”、“数据类型”、“数据位宽”、“数据帧编号”和“有效数据”组成,如表1所示。
表1：
封包后的数据采用SRIO进行传输，速率为3.125Gbps，模式采用Rapidio-2.1规范中的“SWRITE”，通过表2的计算，混合数据流的有效带宽为：1.66Gbps，设定传输效率为90％，可计算出数据带宽需求为：1.66/0.9＝1.84Gbps。实施例中图像处理板采用StratixV器件中的Rapidio IP实现传输功能，工作模式为×1，传输速率为3.125Gbps,满足混合数据传输的带宽需求，如表2所示。
表2：
图7示出的是光纤传输模块中光纤的双向通信示意图。所述光纤传输模块包括激光发生器、波分复用器和光纤扭转线，所述光纤传输模块的信号发射端为波分复用器的发射端，所述光纤传输模块的信号接收端为波分复用器的接收端，波分复用器的发射端与波分复用器的接收端分别连接在光电滑环的两端。
基于光纤的高速串行传输方式具有百兆以上的传输速率及高可靠性，再利用波分复用技术，在一根光纤上能同时进行多路数据的传输，可用一个光纤滑环取代几十个机电滑环，一根光纤来取代几十根数据线或者双绞线。
光纤传输通道中采用的激光器模块的传输速率为4.25Gbps，封装为SFP，电平标准支持LVPECL电气接口，通过PCB电路板上的差分线对直接和FPGA的Rapidio口联接。
所述激光发生器发射1310nm和1470nm两种波长的激光信号，这两种光信号通过波分复用器(WDM)，在单芯光电混合滑环上实现一根光纤的双向通信功能，使通讯效率大为提高。
解码板将光纤数据进行解码处理，恢复为可见光SDI视频(1920×1080分辨率、30fps)、红外LVDS视频(640×512分辨率、50fps)和数码相机Cameralink(5120×5120分辨率、1fps)的3路数字视频信号、上位机RS422、上位机RS429、伺服通讯和CAN总线4路通讯信号。
经试验证明，本发明能够实现可见光SDI视频、红外LVDS视频和数码相机3路数字视频信号以及上位机RS422、上位机RS429、伺服通讯和CAN总线4路通讯信号稳定、可靠的传输。
所述光电滑环为单芯光电混合滑环，单芯光电混合滑环具有体积小、成本低，性能可靠的优点，广泛应用于光纤通讯领域。单芯光电混合滑环即可以通过光纤传输数据信号，又可以传递系统供电或传输模拟视频、通讯等低频信号，单芯光电混合滑环可实现系统低频电信号与光信号同时传输，使整个数据传输装置只有一个光电滑环，可以进一步地简化空间布局，减少空间占用。
本发明基于光纤的高速串行传输方式以及光电混合滑环的高容量传输能力，通过将通讯数据与多路图像视频数据编码、融合，并通过一个光电混合滑环实现多种设备与主机之间的双向数据的高速传输。
本发明以光电滑环取代机电滑环，光电混合滑环具有体积小、占用空间小的优点，且因其光纤传输为无接触传输，因此使用寿命长、可靠性高；光电混合滑环还有很大的容量，一根光纤可以取代几十根数据线，使光电滑环两端的数据线大为减少，避免数据线的缠绕、增加数据传输可靠性；另外，光电混合滑环可实现系统低频电信号与光信号同时传输，使整个数据传输装置只有一个光电滑环，可以进一步地简化空间布局，减少空间占用。
未详述部分为现有技术。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的保护范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，用于吊舱内航空相机、红外热成像设备、可见光传感器等设备与总机的数据传输，其特征是：包括发送模块、传输模块和接收模块；
所述发送模块主要由图像处理板组成，所述图像处理板设有通讯接口和多路光电传感器的数字接口，其中，数字接口连接有图像视频编码模块，用于将多路图像、视频信号编码成串行信号；通讯接口连接有通讯编码模块，用于将通讯信号编码成串行信号；图像视频编码模块与通讯编码模块上的串行信号通过数据融合模块封包后，传输给传输模块；
所述传输模块主要由光纤传输模块和光电滑环组成，用于发送模块与接收模块之间的信号传输；
所述接收模块主要由解码电路组成，用于对接收信号解码并输出。
2.如权利要求1所述的一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，其特征是：
所述图像视频编码模块将多路图像、视频信号解码后，转换为LVTTL电平信号，在FPGA内嵌NIOS的控制下，在两片DDR内缓存，再以既定帧格式放入发送缓存FIFO中；并将多路图像、视频信号的时钟转换为同一频率的串行信号，再传输给数据融合模块。
3.如权利要求1所述的一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，其特征是：
所述通讯编码模块对上位机RS422，上位机RS429，伺服通讯和CAN总线四种通讯信号进行初步的封包处理，加入帧头等信息后形成通讯数据帧，再经FIFO缓存处理后，以同一频率的串行信号传输给数据融合模块。
4.如权利要求1所述的一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，其特征是：
所述数据融合模块输出的融合数据，采用SRIO(串行Rapidio)协议输出。
5.如权利要求1所述的一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，其特征是：
所述光电滑环为单芯光电组合滑环。
6.如权利要求1所述的一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，其特征是：
所述光纤传输模块包括激光发生器、波分复用器和光纤扭转线。
7.如权利要求6所述的一种适用于机载光电吊舱的数据传输装置，其特征是：
所述激光发生器发射两种不同波长的激光信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200110 |