（光学工程专业论文）光供电及光操控传感系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文设计及架构了一套远程光供电及光操控传感系统，论文讨论及分析 了系统的绝大部分设计。该系统是在德国卡尔斯鲁厄大学高频及量子电子所架 构的。由于时间限制，这套系统还没完成，剩下的工作将会由接手这个项目的 同事完成。但是，我们提出了世界第一套多功能双向传输光供电系统，并且这 个系统架构吸引了宝马、a r e v a 等世界知名公司注意。 这套系统包括控制基站、光纤链接部分和远端单元三部分。系统的主要原 理：控制基站调制激光二极管产生调制光，调制光通过光纤实现远端单元的供 电和操控。而远端单元调制v c s e l 二极管传输传感数据或图片数据回控制基站。 系统具有易于操控的液晶屏& 遥控界面，用户可通过基于m s p 4 3 0 和n o k i a 6 6 1 0 液晶屏的图像控制菜单控制整套系统。专门设计的可调节激光驱动电路板 完全兼容于液晶屏& 摇杆开发板，开发板可以直接控制激光驱动的各个模块。激 光驱动可以输出i 0 0m a 到4a 的连续电流，也可以输出i 0 0m a 到6 0 0m a 的调 制电流，并且调制电流和连续电流可以随意组合成不同调制形式的输出电流。 输出电流最高可被调制至4 0 0m l z 。8 1 0n m 的高功率激光二极管作为控制基站 的光发射机。数据信号作为交流分量叠加在直流分量上，然后传输到光供电远 端实现双向传输。在远端单元部分，多节光伏电池取代单节光伏电池完成光电 转换。信号提取电路分离光伏电池产生的交流分量和直流分量，交流分量是控 制基站控制远端单元的信号，直流分量供电远端单元。m s p 4 3 0 微处理器进行数 据采集，数据处理以及数据传输。处理后的数据传输到简易的v c s e l 驱动电路， 驱动电路直接驱动v c s e l 二极管传输数据回控制基站。光电二极管和跨阻放大 器组成控制基站的光接收机接收来自远端单元的数据。在控制基站微处理器数 据处理之后，远端收集的数据将显示在n o k i a6 6 1 0 液晶屏显示屏上。 关键词：光供电技术，控制基站，远端单元，m s p 4 3 0 ，双向传输 浙江大学硕十学位论文 a bs t r a c t ，n l i st h e s i sp r e s e n t sar e m o t e - o p t i c a l l yp o w e r e da n dc o n t r o l l e ds e n s o rp l a t f o r m ， a n di ta l s od i s c u s s e sa n da n a l y s e sm o s to fd e s i g n si nt h es y s t e m t h i ss y s t e mi s d e s i g n e di nt h ei n s t i t u t eo fh i g h f r e q u e n c ya n dq u a n t u m e l e c t r o n i c s ( i h q ) o f u n i v e r s i t yo f k a r l s r u h e d u et ot i m el i m i t ，t h es y s t e mh a sn o tb e e nc o m p l e t e d t h e u n f i n i s h e dw o r kw i l lb ef i n i s h e db ym yc o l l e a g u ew h ow i l lt a k eo v e rt h i sp r o j e c t h o w e v e r ，w eh a v ep r o p o s e dt h ef i r s tm u l t i f u n c t i o n a lb i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o n s y s t e mb a s e do np o w e ro v e rf i b e rt e c h n o l o g y , a n dt h i ss t r u c t u r eh a sa t t r a c t e ds o m e f a m o u sc o m p a n i e ss u c ha sb m w ，a r e v aa n ds oo n t t l i ss y s t e mi sm a d eu po fb a s es t a t i o n ，f i b e rl i n ka n dr e m o t eu n i t t h eb a s e s t a t i o np o w e r sa n dc o n t r o l st h er e m o t eu n i to v e rf i b e rb ym o d u l a t i n gh i g hp o w e r l a s e l d i o d e ，a n dt h er e m o t eu n i ts e n d sa l ls e n s o rd a t aa n dv i d e od a t ab a c kt ot h eb a s e s t a t i o nb ym o d u l a t i n gv c s e ld i o d e t h es y s t e mh a sal c d & j o y s t i c ki n t e r f a c e af r i e n d l yg r a p h i c a lc o n t r o lm e n u f o rm s p 4 3 0a n dn o k i a6 610l c dh a sb e e nd e v e l o p e df o ru s e r st oc o n t r o lt h e r e m o t eu n i tb yj o y s t i c k a na d j u s t a b l el a s e rd r i v e rh a sa l s ob e e nd e v e l o p e d ，w h i c h c a ne m i tf r o m1 0 0m at o4ac ：wc u r r e n ta n df r o m1 0 0m at o6 0 0m am o d u l a t e d c u r r e n t t h eo u t p u tc u r r e n tc a nb em o d u l a t e du pt o4 0 0m h z ac h e a ph i g hp o w e r l a s e rd i o d ei su s e dt op o w e ra n dc o n t r o lt h er e m o t eu n i tv i a810 姗w a v e l e n g t h t h e c o n t r o ls i g n a li st r a n s m i t t e da sa na cc o m p o n e n ti m p o s e do np o w e rs i g n a l ，w h i c h r e a l i z e st h e b i d i r e c t i o n a lt r a n s m i s s i o n i nt h er e m o t e u n i t ， am u l t i s e g m e n t p h o t o v o l t a i c c e l li su s e df o r o p t i c a l t oe l e c t r i c a lc o n v e r s i o ni n s t e a do fa s i n g l e s e g m e n tp h o t o v o l t a i cc e l l as p e c i a lc i r c u i ti sd e s i g n e dt os e p a r a t et h e a c c o m p o n e n tf r o mt h ee l e c t r i c a lp o w e ra n ds t a b i l i z et h ed c - c o m p o n e n ta f t e rt h e a c c o m p o n e n ts e p a r a t i o n ，t h ed c c o m p o n e n ti su s e df o rp o w e r i n gt h er e m o t eu n i t a n dt h es e p a r a t e da c c o m p o n e n ti sf o rc o n t r o l l i n gt h er e m o t eu n i t t h em s p 4 3 0 m i c r o c o n t r o l l e ri nr e m o t eu n i tt a k e sc h a r g eo fd a t a - a c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n d t r a n s m i s s i o n t h es e n s o rd a t aa n dv i d e od a t aa c q u i r e da n dp r o c e s s e do nt h er e m o t e u n i ta r ed i r e c t l ym o d u l a t e db yt h em i c r o c o n t r o l l e r ，a n dt h e nt h e ya r es e n tt oas i m p l e v c s e ld r i v e rc i r c u i t f i n a l l y ，t h ev c s e ld r i v e rc i r c u i td r i v e st h ev c s e ld i o d et o t r a n s m i tt h ed a t a ap h o t o d i o d ea n dat r a n s - i m p e n d e n c ea m p l i f i e r ( t i a ) a r eu s e dt o r e c e i v et h eo p t i c a ls i g n a lf r o mr e m o t eu n i t a f t e rd a t ap r o c e s s i n g ，t h ed a t aa c q u i r e d w i l lb es h o w no nt h en o k i a6 610l c d d i s p l a y k e y w o r d s ：p o w e ro v e rf i b e r , b a s es t a t i o n ，r e m o t eu n i t ，m s p 4 3 0 ，b i d i r e c t i o n a l t r a n s m i s s i o n l l 浙江大学硕七学位论文 缩写列表 缩写全称 一 a c a l t e r n a t i n gc u r r e n t a d c a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r a r ca n t i - r e f l e c t i o nc o a t i n g a ma c t i v em o d e b sb a s es t a t i o n c p l d c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e c wc o n t i n u o u sw a v e c m o s c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d e s e m i c o n d u c t o r d cd i r e c tc u r r e n t e d l ce l e c t r i cd o u b l el a y e rc a p a c i t o r e m i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e f p g a f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y h p l d h i g hp o w e r l a s e rd i o d e 1 2 c i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t 口e gj o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p l a nl o e a la r e an e t w o r k l c d l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y l p m l o wp o w e rm o d e l v d s l o w v o l t a g ed i f f e r e n t i a ls i g n a l i n g m c u m i c r o c o n t r o l l e r n 岍m u l t i m o d ef i b e r 姗 m a g n e t i cr e s o n a n c et m a g i n g p c bp r i n t e dc i r c u i tb o a r d p o f p l a s t i co p t i c a lf i b e r p v cp h o t o v o l t a i cc e l l 一7 1 浙江人学硕士学位论文 。 缩写全称 p w m p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n q f nq u a df l a tn ol e a d s r f r a d i of r e q u e n c y r ur e m o t eu 1 1 i t r x r e c e i v e t s e gs e g m e n t s p is e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c eb u s s p i c es i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s s ds u r f a c em o u n td e v i c e s m t s u r f a c em o u n tt c c l m o l o g y t c p t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r a c tp r o t o c o l 刀洒 t r a n s i m p e n d e n c ea m p l i f i e r t x t r a n s m i t t e r 蚴ru n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r i x c m i c r o c o n t r o l l e r u s bu m v e r s a ls e r i a lb u s v c s e l v e r t i c a l - c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r v g av i d e o g r a p h i c sa r r a y 一7 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 光供电技术 第一章介绍 在许多应用中，远端的传感器、变频器和其他通讯设备经常会受到高频噪 声( r f ) 、电磁干扰( e m i ) 、磁场或高电压的影响。这些环境会严重影响电子设 备的运行及性能。光供电技术能成功解决这些问题。所谓的光供电，就是通过 光纤给予远端的电子器件供电的一种技术。由于光纤的使用，基于这种技术的 系统具备电磁干扰免疫、耐腐蚀及对高频信号和闪电影响不敏感等性质。此外， 光纤的体积远小于铜电缆，因此光供电技术适宜长距离传输及操作。 在电荷敏感的环境中，任何电缆断裂导致的火花都是极其危险的。光纤并 不产生任何火花，因此光供电技术特别适合应用于这些特殊的环境。 一般来说，光供电系统包括控制基站( b a s es t a t i o n ) 、光纤链接部分和远 端单元( r e m o t eu n i t ) 三部分。当然，实际的系统会根据不同的应用而改变。 图1 一l ：光供电系统 控制基站的高功率激光二极管产生的激光通过光纤传输到远端单元，远端单元的光伏电池转换 光能为电能 第一套光供电系统 1 是由贝尔实验室的d e l o a c h 和他的同事建立的。他们 架构了一套远程光供电声音警报系统。在光供电领域中，具有里程碑意义的工 一1 一 浙江大学硕士学位论文 作 2 由贝尔实验室m i l l e r 等人在1 9 7 9 年完成。那是一套控制基站和光供电远 端之间的双向语音传输系统，系统传输距离达到1 1 公里。那套双向语音通信 系统使用脉冲调制技术传输，传输延迟为1 1 5 微秒。数据信号作为交流部分叠 加在直流部分上，然后传输到光供电远端实现双向传输。系统的光探测器进行 数据检测和光电转换。本项目架构的系统也采用了这种数据信号作为交流部分 叠加在直流部分上传输的方法以实现光供电系统的双向传输。 由于系统只有数毫瓦可用光功率，早期光供电系统只能处理非常低速度的 模拟或数字光信号。在2 0 世纪8 0 年代末，一套基于光供电技术的波分复用单 向光互连系统 4 被实现。在这套系统中，供电光能和数据光信号分别运行在不 同波长上，它们在基站被复用到一根光纤上，且在远端被解复用。远端接收机 在传输速度为2 2 5 m b p s 时的功耗只有2 6m w ，供电光能与数据光信号之间几 乎没有光串扰。后来，在单模光纤上也实现了同时光供电和光信号传输 5 ，该 论文还阐述了受激布里渊散射( s b s ) 导致的光功率限制和长距离高速通信的功 率限制。光接入网也采用了光供电技术以实现完全电隔离的系统 6 。最近，一 套具有3 0 万像素和l o o m b p s 传输速度的远程光供电实时视频传感系统成功被德 国卡尔斯鲁厄大学高频及量子电子所实现 7 。上述成就使“光供电技术( p o w e r o v e rf i b e r ) 框图更具吸引力。但是，光供电系统的性能仍然不够强大。不过， 随着光伏电池性能的改进以及更好的电子器件的出现，更强大的光供电系统会 陆续出现。 一2 一 * 学颉l 位m 女 1 2 应用领域 随着j d s u 公司( s a nj o s e ，c a ) 于2 0 0 5 年6 月成功收购光供电企业p h o t o n i c p o w e rs y s t e m s 不少光通信著名企业也开始发展光供电技术，这一领域越来越 具有吸引力。从j d s u 提供的数据来看，现时全世界有超过一万套产品使用在 5 0 多个应用领域中。德国卡尔斯鲁厄大学高频及量子电子所研旋的光供电传感 摄像系统也吸引了不少宝马( b m w ) ，a r e v a 等世界著名公司的注意。上述种种 都表明光供电技术由于它的完全电隔离特性正不断地广泛应用于一些特殊行业 中。 圉1 2 ：光供电系统应用于高压电流传感领域( 右图) 及核磁共振成像( m r i ) 领域( 左 曰) 8 石英光纤不受高频噪声和激增电压诱导的闪电的影响，这个性质十分有利 于光纤应用于危险环境，如石油开采和采矿作业。在9 0 年代后期，光供电系统 成功应用于高电压电流传感巾。最近，光供电系统不断应用于强磁场及强高频 噪声环境中，以克服这些环境带来的干扰。例如：j d s u 在核磁共振成像( m r i ) 领域中采用了光供电技术。 8 在飞机的控制中心和远端单元之自j 采用光纤传输能大大减轻传输介质重量 和体积。这是由丁光纤具有非常小直径的导波纤芯( 6 2 5um ) ，并且它的重量 远轻于普通铜导线。而且，断裂光纤不产生火花这个特点也消除了发动机和燃 料箱监控爆炸的危险，这些特性都使光纤成为飞机机内通信及供电的理想传输 一 浙江大学硕上学位论文 介质。 在光纤到户系统应用中，光供电光接入网络系统已被提出 6 】。这套系统是 完全无源，并且性能可靠。方案也明显降低了系统成本。随着不断降价的高功 率激光二极管及相关光学元件，光供电技术可能更大规模地应用于光纤到户领 域。 在1 9 9 8 年，基于光供电技术的植入式医疗系统 9 就被成功开发。在那套 系统当中，医疗器件、普通电池以及光伏电池都被植入病人体内，普通电池对 医疗器件供电。额外激光源借助对身体友好的光纤给身体内部的光伏电池提供 光能，光伏电池进行光电转换给普通电池充电。这种光学充电方法避免了电池 的频繁更换。实际上，光供电技术的高频噪声免疫和电磁干扰免疫的特性也使 它在医疗系统中有广阔的前景。 光供电技术融合了光子学，电子学和太阳能三个不同领域的技术。专家们 估计现在光供电技术的市场达到1 5 0 0 万美金。随着更便宜的光学器件的出现以 及光伏电池转换效率的提高，这个技术具有不可估量的应用市场。 一4 一 浙江大学硕十学位论文 1 3 光供电技术在ih q 的研发状况 1 3 1 光供电实时摄像传感系统 在2 0 0 7 年，一套光供电实时摄像传感系统被i h q ( 德国卡尔斯鲁厄大学高 频及量子电子所) 、i t i v ( 卡尔斯鲁厄大学信息技术所) 和f r a u n h o f e ri s e ( 弗朗和 费太阳能所) 联合开发成功。供电光能和数据光信号同时传输于一根6 2 5 9 m 多 模光纤中。当有足够的光能量照射光纤时，无压缩的6 4 0x4 8 0 像素视频流就以 1 0 0 m b p s 向控制基站( b a s es t a t i o n ) 传输。由于电池的容量和寿命限制，远端 单元并没有任何能量存储器件。此套系统使用相对廉价的光纤光学器件和低功 率电子器件实现了功率大于1 0 0m w 的远端供电。这是一条真正的控制基站与 远端单元完全电隔离的光学链接【7 】。 b a s es t a t i o nr e m o t eu n i t p s ：电源 h p l d ：高功率二极管 p v c ：光伏电池 d c - d c ：电压升压器 i i c ：微处理器 t x ：光发射机 r x ：光接收机 v i v f f 多模光纤 图1 3 ：光供电实时摄像传感系统的原理图 7 如图卜3 所示，高功率激光二极管产生连续稳定的激光光能，这激光光 能供电远端单元。连续光能通过光纤传输到光伏电池上，光伏电池转换光能为 电能用以远端单元供电。由于光伏电池的输出电压不稳定且电压不足以运行一 般电子器件，因此系统采用电压升压器稳定电压及提升电压到远端单元的工作 电压水平。远端单元的1 0 0 m h zc p l d 处理及编码来自c m o s 摄像头的数据， 1 6 位微处理器用以初始化传输路径。在c p l d 完成数据处理之后，光发射机发 送所有的视频数据到控制基站。控制基站的2g h zf p g a 处理所有光接收机接 收到的远端数据。在f p g a 数据处理之后，控制基站的液晶显示屏将会显示1 5 帧每秒的v g a 全色彩视频流。 一5 一 如图1 _ 4 所示。这套光供电实时摄像传感系统传输1 0 0 m b p s 视频流。系统 传输距离为2 0 0 米，视频流为8 位1 25 m h z ，等价于1 5 帧每秒的6 4 0 x 4 8 0 像 素v g a 全色彩数据流。单根渐变折射率多模光纤连接着控制基站和远端蚺元。 供电光能采用8 1 0r a n 波长传输，而远端数据信号使用1 3 1 0n m 传输，这两个方 向的光都在同一多模光纤中传输。单节光伏电池( s i n g l e s e g m e n tp h o i o v o l t a i c c e l l ) 和电压升压器组成电源模块转换4 0 0 m w 的入射光能为1 0 0 m w 的供电电 能。这是第一套基于光供电技术的实时摄像系统【7 。 圈1 4 ( 幻具有c m o s 摄像头，光伏电池，光学元件和电子器忭的远端单元；( b ) 接收到 的1 0 0 8 b p s 的信号的眠及视频目像。 7 13 2 光供电音频技术( a u d i oo v e rf i b e r ) 圈1 5 ：简易的光供l u 音频系统的示意图 门设计的激光驱动器转换信号发生器产生的音频信号为调制电流信号， 然后调制电流信号作为交流分量叠加在供电驱动电流上最后所有的电流驱动 6 * 江太 十学位论i 激光- 极管产! t 调制光能。调制光能通过光纤传输到远端单元。在远端单兀e ， 光伏电池转换光能为电能。远端单元用电容分离交流分量，此交流分量即为音 频信号。低通滤波屯路平滑和分离直流分量，此直流分量完成远端单元供电。 这个简易的甲台实现了单向光供电音频系统。 图1 6 ：光供电音频系统的原理 1 3 本质上，光供电音频技术是光供电模拟技术的一种。对比音频信号在普通 电缆中传输，光供电音频技术具有高频噪声免疫和在长距离传输下的低失真等 特忖：。 圈1 7 ：由c h r is t o p hh e i n e 设计的紧密激光驱动电路 13 上图所示的紧密激光驱动电路是由c h r i s t o p hh e i n e 在他的学生项目中设 计的。通过其论文描述 1 3 ，这个电路支持5 0 0m a 的输出电流和25 ( ；b p s 的 传输速率。但是由于远端单元的接收电路过于简单，系统的传输速率限制在1 0 0 k h z 。可以预计，改善此套远端单元的接收电路能实现更高的传输速率。 浙江大学硕十学位论文 1 4 系统的初始方案 德国卡尔斯鲁厄大学高频及量子电子所的上一代光供电实时摄像传感系统 虽然已经实现了l o o m b p s 传输速率 7 。但是，那套系统是单向传输的，控制基 站无法控制远端单元激活更多功能成为了它最大的缺点。并且，那套系统控制 基站的功耗太大也限制了它的大规模产品化。因此，第二代系统的目标是降低 系统成本以及增强系统性能。新一代系统将会由廉价的光学元件和电子器件组 成，并且它更多功能化以及更具兼容性。 d c d c ：电压升压器 m o d h p l d ：可调高功率激光二极管 r x ：光学接收机 图1 8 ：新一代系统初始方案的设计图 图1 - 8 是本论文初始方案的设计图。在初始方案里，控制基站有三个控制 界面让用户控制远端单元。如图1 - 9 所示，这三个控制界面分别是液晶屏摇杆 ( j o y s t i c k ) 界面，t c p i p 界面和u s b 界面，所有的控制界面都是使用m s p 4 3 0 微处理器进行数据处理。在初始构想中，用户可以使用液晶屏& 摇杆界面控制 远端单元的摄像头拍摄，并且可以选择所拍摄图片的关键区域显示在控制基站 的显示屏上。远端单元根据控制基站传输的命令选择关键区域数据传输到控制 基站。t c p i p 界面采用o l i m e x 公司的e a s y w e b 开发板，这种开发板是根据德 一8 一 州仪器( t e x a si n s t i l t n l e n tl i d ) 的应用笔记设计的。尽管e a s y w e b 开发板可以 提供t c p i p 界面。但是它的速度及功能都受m s p 4 3 0 微处理器的性能和存储容 量限制，因此系统只有少数功能可以通过网络界面激活。由于u s b 端口在个人 电脑中的流行u s b 控制方式也被提议加上。 圜由 田i 一9 ：三种控制界面：液晶屏摊杆( j o y s t i c k ) 界面，t c p i p 界面和g s b 界面 在初始方案中，新一代系统将是单光纤双向传输系统。多模光纤将为系统 的传输介质，由于1 3 1 0 h m 在多模光纤中的低损耗，这个波长被选为远端单元到 控制基站的工作波长。8 1 0r i 1 1 为廉价高功率激光二极管的工作波长，因此它被 选为控制基站到远端单元的工作波长。光耦合器和光环行器复用和解复用来自 两个方向的光。在远端单元中，光伏电池转换光能为电能。信号提取电路提取 光伏电池产生的电能中的调制信号，此调制信号实现控制基站对远端单元的控 制。控制单元的m s p 4 3 0 微处理器负责传感数据获取以及数据处理，并且它控制 远端单元的低功率激光二极管传输视频流和传感信号到控制基站。这就是项目 的初始方案的基本原理。 精 圜 浙江大学硕上学位论文 第二章远程光供电及光操控传感系统 2 1 系统介绍 此项目的实际方案是双光纤双向传输光供电系统，系统包括控制基站部 分、光纤链接部分和远端单元部分三部分。 本论文介绍一套远程光供电及光操控传感系统，并且会讨论及分析系统的 大部分设计。由于时间限制，这套系统还没有被完成，剩下的工作将会由接手 这个项目的同事来完成。德州仪器高性能的m s p 4 3 0 微处理器出色的功率控制大 大降低了系统的功耗，让该系统更易于商业化。法拉电容或高性能电池构成的 电源缓冲突破了一般设计的功率限制，这使更多电子器件可以运行在远端单元 e 。 控制基站 $ 1 0 m - nf o rd a m 8 1 0 r i mf o rp o w e r _ - i _ - - l _ _ _ 6 7 0 r a mf o rd a m _ - _ - _ 。 e c ：m s p 微处理器 d c - d c ：电压升压器 m o d h p l d ：可调制的高功 r x ：光学接收机 图2 1 ：远程光供电及光操控传感系统 控制基站通过高功率激光二极管传输调制光能，调制光能通过光纤供电及 操控远端单元。远端单元通过调制v c s e l ( v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e e m i t t i n g l a s e r ) 传输传感数据或图片数据回控制基站。 一l o 浙江大学硕士学位论文 在控制基站，由于m s p 4 3 0 微处理器的存储容量限制，使用的t c p i p 协议 过于精简。这个基于m s p 4 3 0 的t c p i p 协议的速度受限制，因此控制界面只能 完成一些简单的功能，并不足以应付系统全部要求。但是，它提供了一种基于 m s p 4 3 0 的互联网控制光供电系统的方案。由于时间限制，u s b 控制方式并没有 被深入研究，但是由于市面上可购买到基于m s p 4 3 0 的u s b 开发板，因此并不难 实现u s b 控制光供电系统。至今，系统只具有易于操控的液晶屏遥控操控界面。 液晶屏采用n o k i a6 6 1 0 手机液晶屏，m s p 4 3 0 通过s p i 端口与液晶屏通信。作 者成功开发了基于m s p 4 3 0 和n o k i a6 6 1 0 液晶屏的图像控制菜单用户界面，用 户通过摇杆和菜单用户界面控制整套系统。专门设计的可调节激光驱动电路板 完全兼容液晶屏摇杆开发板，开发板可以直接控制激光驱动的各个模块。激光 驱动电路可以输出i 0 0m a 到4a 的连续电流，也可以输出1 0 0m a 到6 0 0m a 的 调制电流，并且调制电流和连续电流可以随意组合成不同调制形式的输出电流。 输出电流最高可被调制至4 0 0m h z 。8 1 0n m 的高功率激光二极管作为控制基站 的光发射机。光电二极管( p h o t o d i o d e ) 和跨阻放大器( t r a n s - i m p e n d e n c e a m p l i f i e r ) 组成光接收机接收来自远端单元的数据。在数据处理之后，远端获 取的数据将被显示在n o k i a6 6 1 0 液晶屏上。 控制基站液晶屏& 摇杆开发板的u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 接收端口接收来自光接收机的数据。由于u a r t 协议在 光领域上非常容易实现，因此系统的双向传输链路基于u a r t 协议传输。因为 u a r t 接收端口至少需要三个周期来判断逻辑高低，并且系统的m s p 4 3 0 微处理 器的最高频率为8m t t z ，所以这限制了这套传输系统的速度低于2b t b p s 。 在光学链接部分，由于8 1 0 n m 的高功率激光二极管价格相对低廉和g a a s 基 底的光伏电池在这个波长上具有高转化效率，因此这个波长被选为从控制基站 到远端单元的传输载波。由于6 7 0n m 的v c s e l 二极管价格低廉以及6 7 0n l l l 在 塑料光纤中具有较低的传输损耗，所以6 7 0n m 被选为从远端单元到控制基站的 传输载波。不同于初始方案，实际方案采用了两根光纤传输供电光能和远端数 据简化成本。由于塑料光纤的低光密度、较低的安装成本和较低的耦合损耗， 塑料光纤取代多模光纤作为这套系统的传输介质。在塑料光纤中，9 6 的截面是 允许光传输的纤芯，纤芯面积是多模光纤的1 0 0 倍。因此，它具备很低的光密 一11 度以及易于耦台。但是。它的损耗非常高。不过，这套系统的目的是为了实现 光供电的双向传输链接，所以我们不在乎光纤引入的损耗。 在远端单元部分，多节光伏电池( m u l t is e g m e n tp h o t o v o l t a i cc e l l ) 取 代单节光伏电池完成光电转换。对比单节光伏电池，多节光伏电池的输出电压 更高因此电压升压器可以更高效率地提升光伏电池的输出电压到远端单元工 作电压的水平。供电单元中的信号提取电路分离光伏电池产生的交流分量和直 流分量，交流分量是控制基站控制远端单元的信号，直流分量实现远端单元供 电。供电单元还可以稳定远端单元的工作电压。在一些情况下，供电单元还作 为电源缓冲器提供脉冲功率给一些特殊应用。远端单元的h t s p 4 3 0 微处理器负责 数据收集，数据处理以及数据传输。数据处理后的传感数据或图片数据被m s p 4 3 0 编码，然后传输到倚易激光驱动电路。最后，这个激光驱动电路驱动v c s e l 二极 围2 2 ：多竹光伏电池是连接多个单节光伏电池( 左闰) ：绝缘沟道置丁活动区域被腐 蚀进绝缘基底上( 右圈) 1 0 管传输数据回控制基站。当传输速率达到3m b p s ，激光驱动电路的输出信号仍 然保持相当好的质量。如果继续增加传输速率，输出信号将会越来越差。多个 传感器安装在远端单元这是为了证明此套光供电系统的多功能性。这套系统 同时也是套廉价及低功耗的光供电系统。 浙江大学硕士学位论文 2 2 控制基站的介绍 2 2 。1 控制基站简要介绍 图2 3 ：控制基站的示意图 在实际的设计中，只有液晶屏摇杆控制界面被完成。控制基站的用户通 过这个控制界面控制整套光供电系统。网络控制界面( t c p d 界面) 已经被分 析，但是时间限制阻止了它的实现。u s b 控制界面仅仅是一个让系统更具兼容 性更易操控的想法，但是现有的技术并不难实现u s b 控制。m s p 4 3 0 负责数据 处理，控制控制基站的所有电子器件以及控制远端单元。特别设计的激光驱动 完全兼容于液晶屏& 摇杆控制板，它可以输出1 0 0m h 到4a 的稳定电流，也可 以输出1 0 0m a 到6 0 0m a 调制电流，调制电流和稳定电流可以随意组合形成不 同调制形式的输出电流。这个输出电流最高可被调制至4 0 0m h z 控制信号作为 交流分量叠加在作为直流分量的供电光能上，系统光传输是基于u a r t 协议。交 流分量控制远端单元，而直流分量供给能量予远端单元上所有的电子器件及光 学元件。跨阻放大器和光电二极管组成光接收机用以接收来自远端单元的信号。 一1 3 新太￥坝i 学位论立 22 2 液晶屏摇杆控制开发板 一 图2 4 ：0 l i m e x 的h s p 4 3 0 f g 4 6 1 9 开发扳具有彩色液晶屏、加速传感器、s d ) 珊cp 橹和 摇杆左图为其顶面，右图为其背面。 1 1 图2 4 所示的液晶屏摇杆控制开发板是o l i m e x 公司的产品，它包括一 块具有背光的1 2 8 1 2 8 像素1 2 位r g b 色彩的n o k i a6 6 1 0 液晶屏、摇杆、s d m m c 卡槽、删a 7 6 2 03 轴加速传感器和红外接收发射嚣。系统只使用了液晶屏、摇 杆和加速传感器。o l i m e x 公司 1 1 提供了演示代码激活这块电路板的所有功能。 j i ml y n c h 先生专门为n o k i a8 6 1 0 液晶屏写了开源的驱动代码。尽管这个系统 的控制代码架构与他们的代码完全不一样，但是不少模块来自于这两个代码。 为了让用户更简易地使用这套光供电系统，我们设计了基于该系统的控制 菜单。在控制菜单中，用户可以用摇杆来选择菜单中的选项激活相应功能。控 制开发板有两个按键，其中一个按键是用来选择选项另外一个按键是用于退 出所选择的选项。 如图2 - 5 所示，控铝4 菜单提供了一个友好的用户控制界面。用户可以通过 这个菜单激活整套系统的所有功能。这个控制菜单分四级菜单，由于图片面积 限制，国25 只显示了二级菜单。第一级菜单展现了控制基站和远端单元的所 有功能。在用户选择了一缴菜单的选项之后，液晶屏将会显示第二级菜单。如 果用户所选的选项只需激活一个器件，那么控制基站将会立即发送控制信号到 远端单元激活相关功能。最后，二级菜单会显示远端单元返回的数据。如果所 选的选项需激活超过1 个器件，那么二级菜单会显示。些新选项让用户来选择。 其他级菜单具有相同的原理。简而占之，无论选择哪个选项，那么这个选项的 最后一级菜单只有一个器件需要激活。 控制基站的代码大概有5 0 0 0 行，它包括控制菜单代码、液晶屏驱动代码、 激光驱动控制代码还有一些激活控制开发板的其他功能的代码。 图2 5 ：挣制基站的控制菜单。汁意：7 u ：远端单元；n s ：控制摹站m m ：三轴加速传 感器；t e m p es e n s o r ：温度传感器。 淅 学俩1 哔位t 史 2 2 3 网络控制( t c p i p ) 界面 圈2 6 ：基于a n d r e a sd a n n e n b e r g 先生编写的e a s e bt c p i p 代码的哪4 3 0 f 1 4 9 开发 板 1 1 这块t c p i p 控制开发板是根据德州仪器的应用笔记 1 5 而设计的，它是 o l i m e x 公司的产品。这块控制开发板包括t c s 8 9 0 0 网络控制器、网络变换器和 r j 4 5 网络端口。c s 9 8 0 0 以太网网络控制器提供了物理连接到互联网上。a n d r e a s d a n n e n b e r g 先生编写的精简版t c p i p 协议堆栈运行在这块开发板上，它的功能被 一个简单实用的应用编程界面( a p i ) 所实现。用户可以通过这个应用编程界面 轻松地添加和修改新的功能。 这个e a s y w e b t c p i p 代码体积非常小，因此它非常适合应用于m s p 4 3 0 上。但 是叉由于它的代码过于精简，所以这个协议堆栈有以下的限制： 每次只能单一连接 没有i p 检查帧 不支持u d p 这个代码并不能准确定义它的最大传输速度，因为它的传输速度很大程度上 依赖其他t c p 。一般来说，这个完全符合协议规范的t c p 是有能力同时接收和缓冲 超过段数据。如德州仪器的应用笔记描述 1 5 ，2k b p s 到几十k b p s 传输速度都 曾被测到。这个精简的协议不够强大并且传输速率太低，因此只支持少量的功能。 a d a md u n k e l 先生开发的开源u l p 1 6 t c p i p 堆栈是一种解决上述问题的方案。 这个协议提供了更高的传输速度，但是它要求更大的存储容量。随着内存容量更 一1 6 浙江大学硕士学位论文 大的m s p 4 3 0 芯片的出现，移植u i p 至u m s p 4 3 0 上并不是一件困难的工作。 2 2 。4 激光驱动电路板 图2 7 ：激光驱动电路板的原理图 激光驱动电路板完全兼容于液晶屏& 摇杆控制开发板，控制开发板可以直 接控制激光驱动电路板驱动激光二极管。在初始设计中，所有激光驱动电路板 的元件都在一块电路板上，但是由于免费版本的p c b 开发软件e a g l e 的可设计 面积限制在1 0 0 8 0m m 。因此，初始激光驱动电路板不得不被分成三块电路板。 这三块电路板分别被命名为主激光驱动板、快速激光驱动板和兼容驱动板。这 个激光驱动具有两种不同激光驱动芯片，并且支持四个外置激光驱动电路板。 激光驱动电路板具有两个3 4 - 6 1 脚的连接器，这两个连接器完全兼容于液晶屏& 一1 7 一 浙江大学硕士学位论文 摇杆控制开发板上的引脚连接器，因此液晶屏摇杆控制开发板可以直接控制激 光