0 引言

    水聲技術(shù)是目前最為成熟的水下通信技術(shù)之一，但聲波在水中的傳輸速率極低，不及光速的二十分之一，而且功耗較大，很難搭載在水下機器人上進行水下數(shù)據(jù)通信。光學通信技術(shù)可以克服水下聲學通信帶寬窄、受環(huán)境影響大、可適用載波頻率低和傳輸時延大等不足，因此在一些應用場景中，水下光學通信可以替代水下聲學通信，以應對高傳輸速率、高帶寬、中短距離通信的需求。水下光通信可分為LED光通信與激光通信，LED作為光源存在發(fā)散角度大、傳輸距離近等缺點^[1]，因此激光更適合作為水下光通信光源。而且，為水下傳感器組網(wǎng)提供可靠的通信方式也成為光通信的一種應用場景。在中短距離范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點，水下光通信可以為節(jié)點間通信提供一種高速率、低硬件開銷、高穩(wěn)定性的通信方式。水聲通信可以作為長距離范圍的節(jié)點間通信方式，作為節(jié)點間通信方式的一種補充，從而更好地實現(xiàn)水下多傳感器的無線組網(wǎng)^[1]。

1 系統(tǒng)工作原理

    本文提出了一種基于激光通信的水下中短距離無線通信方案，總體設計框架如圖1所示，主要由電源、控制單元、發(fā)射機、接收機構(gòu)成。其中控制單元主要用于對外圍模塊的控制以及與外接的PC等設備進行基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互；發(fā)射機主要用于將激勵信號加載至激光器產(chǎn)生對應的光信號；接收機主要實現(xiàn)了將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并對信號進行相應的處理，同時實現(xiàn)增益的自動控制，降低光信號強弱變化對電路的影響。

    針對水下傳感器組網(wǎng)的應用場景，本文提出了一種基于激光通信的水下傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)，如圖2所示。每一個激光通信終端與傳感器網(wǎng)絡上的各種類型傳感器通過RS-232總線相連。每一片區(qū)域所有的激光通信終端都通過POE(Power Over Ethernet)^[3]連接至次接駁盒交換機上，POE供電最大功率達到12.95 W。此外，管理多片區(qū)域的次接駁盒交換機由一個主接駁盒交換機所管控，主接駁盒交換機通過光纖模塊將網(wǎng)絡信號轉(zhuǎn)換為光纖信號，傳送至岸基站。除此之外，通過配備光通信系統(tǒng)的AUV在水下的運動過程去收集所需要區(qū)域傳感器所連接的激光通信終端設備發(fā)送來的傳感器數(shù)據(jù)。隨后，AUV通過多種通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給海面上的浮標中轉(zhuǎn)，通過衛(wèi)星通信將數(shù)據(jù)傳送給岸基站。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 發(fā)射電路設計

    激光器是一種敏感的光源器件，輸入電流的穩(wěn)定性直接影響激光器的工作壽命，紋波大或者毛刺大的電流將直接導致器件的安全使用甚至損壞器件。而電壓源驅(qū)動電路無法提供一個穩(wěn)定的電流，因此激光驅(qū)動電路應選用電流源驅(qū)動模式。本系統(tǒng)選用ADI公司的AD9660芯片作為激光驅(qū)動芯片。AD9660具有最大120 mA的偏置電流、180 mA的調(diào)制電流、1.5 ns/2 ns的超低上升/下降時間、最高達200 MHz的調(diào)制頻率和高效的光功率控制環(huán)等特點。AD9660驅(qū)動電路原理如圖3所示。

2.2 接收電路設計

    接收電路主要包含光電轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器電路、自動增益控制電路。光電轉(zhuǎn)換電路負責將光電二極管的微弱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，低通濾波器電路在將微弱電壓信號放大的同時將干擾噪聲過濾掉，自動增益控制電路將過濾后的信號控制在可控的幅值。

2.2.1 光電轉(zhuǎn)換電路

    光電二極管的輸出信號是電流信號，電流-電壓變換使用互阻抗放大器電路來實現(xiàn)。激光驅(qū)動芯片的光功率監(jiān)測可獲取光的強度，因此對于互阻抗放大器的選擇要求較高，主要要求包括高輸入阻抗、帶寬大、高壓擺率、低噪聲、頻率響應優(yōu)秀等特點。本系統(tǒng)選用TI OPA657跨導放大器作為光電轉(zhuǎn)換電路的核心器件，互阻抗放大器電路如圖4所示。

2.2.2 光電轉(zhuǎn)換電路

    自動增益控制電路的核心由壓控放大器VCA810、運算放大器OPA820以及單片機的D/A輸出組成。VCA810是一款寬帶的壓控放大器，支持單端和差分輸入，增益控制在-40 dB～40 dB的范圍內(nèi)線性變化。OPA820是一款單位增益穩(wěn)定低噪聲電壓反饋運算放大器。自動增益控制電路原理如圖5所示，通過對D/A輸出的控制，將自動增益電路的輸出控制在Vpp為1 V左右。

2.3 解調(diào)電路設計

    解調(diào)電路的核心由高速并行A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS830E與FIFO芯片IDT7204構(gòu)成，其原理如圖6所示。A/D芯片的采樣時鐘由30 MHz有源晶振提供，晶振產(chǎn)生的波形經(jīng)過74HC08構(gòu)成的門電路進行整形，得到穩(wěn)定的時鐘信號。ADS830E芯片的輸入模擬電壓范圍為1.5 V～3.5 V，因此需要將輸入的電壓偏置至2 V，由ADS830E的REFT與REFB通過電阻分壓得到。同時輸入信號由自動增益控制電路將峰峰值控制在1.5 V以內(nèi)，以免超出安全輸入范圍，導致A/D芯片損壞。ADS830E的輸入信號即為OPA691構(gòu)成的電壓跟隨器的輸出信號。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件總體設計

    系統(tǒng)嵌入式軟件部分包括主程序，主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、LwIP協(xié)議棧、各類外設模塊初始化以及控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作；激光驅(qū)動控制程序主要驅(qū)動激光驅(qū)動芯片，將調(diào)制信號加載至激光器上，實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換；自動增益控制程序主要通過反饋環(huán)路動態(tài)調(diào)節(jié)電路增益，實現(xiàn)自適應功能；解調(diào)數(shù)據(jù)讀取程序主要實現(xiàn)定時讀取FIFO緩存器IDT7204中保存的解調(diào)電路輸出的數(shù)據(jù)，同時需要保證數(shù)據(jù)不丟失不覆蓋；網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸程序主要實現(xiàn)以太網(wǎng)服務器端與水下系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

3.2 軟件設計

    激光驅(qū)動代碼主要依賴于對微控制器I/O根據(jù)AD9660操作時序?qū)π酒M行的控制，從而實現(xiàn)激光驅(qū)動以及自動功率控制等功能。AD9660的驅(qū)動代碼主要涉及到單片機對應GPIO口的初始化、配置環(huán)路的建立、寫電流環(huán)路的建立等。

    具體操作流程如下：

    (1)使能AD9660芯片，即將DISABLLE引腳置為“0”；

    (2)打開并建立偏置環(huán)路，即將BIAS CAL引腳置為“1”后再置為“0”；

    (3)打開并建立調(diào)制環(huán)路，即將WRITE CAL與WRITE PULSE引腳置為“1”；

    (4)將調(diào)制信號加載到激光二極管上，即將調(diào)制信號對應的高低電平對應置WRITE CAL與WRITE CAL引腳“1”或“0”；

    (5)定期重新建立偏置環(huán)路；

    (6)當不使用時失能AD9660，即將DISABLE引腳置為“1”。

3.3 以太網(wǎng)軟件設計

    以太網(wǎng)協(xié)議LwIP協(xié)議棧^[4]針對PHY芯片的配置修改底層代碼，使其支持DP83848的相關配置操作。然后開啟控制器以太網(wǎng)DMA數(shù)據(jù)接收中斷，使得微控制器能夠保存接收到的臨時數(shù)據(jù)。在硬件驅(qū)動都配置完畢后，開始初始化LwIP內(nèi)核，隨后運行應用程序的相關函數(shù)進行數(shù)據(jù)收發(fā)工作。程序流程如圖7所示。

3.4 組網(wǎng)協(xié)議設計

    本文設計的報文類型主要包括數(shù)據(jù)報文、控制報文、狀態(tài)報文。報文主要由主節(jié)點序號、次節(jié)點序號、報文類型、數(shù)據(jù)段等字段組成。

    序號主要為區(qū)分不同節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，協(xié)議為在水下的每個傳感器節(jié)點分配了一個唯一的節(jié)點號，節(jié)點號由主節(jié)點號與次節(jié)點號構(gòu)成。主節(jié)點號代表了傳感器區(qū)域，以一個次接駁盒交換機為一個區(qū)域，主節(jié)點序號從1開始，每增加一個次接駁盒交換機，主節(jié)點序號累加1。而次節(jié)點號代表了一個次接駁盒交換機下所連接的傳感器，次節(jié)點號從1開始，每增加一個傳感器，次節(jié)點號累加1，AUV發(fā)送至光通信終端的主次節(jié)點序號均為0。這種主次節(jié)點序號的分配方式，可以更好地對數(shù)據(jù)進行分類，優(yōu)先檢索主序列號，再根據(jù)主序列號檢索次序列號?；谏鲜鼋M網(wǎng)協(xié)議，AUV與傳感器節(jié)點所連接的光通信終端的連接流程如圖8所示。

4 綜合調(diào)試

    通信測試包含陸地測試與水下測試，通信從1 m～40 m，每隔2 mm測試一次傳輸誤碼率。誤碼率與接收距離的關系曲線如圖9所示，其中實曲線代表陸地環(huán)境，虛曲線代表水下環(huán)境。橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，同種環(huán)境下，隨著傳輸距離的增長，誤碼率同樣也在增加；縱向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境相同距離下，陸地環(huán)境的誤碼率要優(yōu)于水下環(huán)境；同一環(huán)境相同距離下，隨著傳輸速率的增高，誤碼率也在增加。

5 總結(jié)

    本文設計并研制了一套水下高速藍綠激光通信系統(tǒng)，同時為水下傳感器觀測網(wǎng)提供了一種組網(wǎng)解決方案。提出了系統(tǒng)軟硬件設計及其實現(xiàn)方式，最終研制出一套體積較小、功耗較低、高速率的激光通信系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)聲學通信的缺陷，為水下傳感器觀測網(wǎng)絡提供了一種有效的組網(wǎng)方式。

參考文獻

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作者信息：

張  軍，蔡文郁，溫端強

（杭州電子科技大學 電子信息學院，浙江 杭州310018）