FPGA下的紫外光字符通信系統(tǒng)設(shè)計
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摘要：紫外光子可以和大氣中的微粒發(fā)生散射作用從而實現(xiàn)非直視通信，同時具有保密性高的特點。本文設(shè)計以fpga為發(fā)送和接收處理器核心的紫外LED通信設(shè)備。發(fā)射端FPGA使用USB串口線將電腦串口助手的信息通過I/O口輸出，經(jīng)過驅(qū)動電路點亮LED，接收端通過光電倍增管和信號放大電路接收信源信息和實現(xiàn)接口協(xié)議電平，最后回傳給FPGA。實驗結(jié)果表明：在外界光線不影響的條件下，該裝置可以實現(xiàn)50米無誤碼的9600bps通信速率。
紫外光(UV)通信是一種新興的通信方式，因其獨特的通信優(yōu)勢，受到越來越多學(xué)者的關(guān)注[1]。波長在200-280nm范圍內(nèi)的紫外光是UV通信所采用的波段，這是因為該波段的紫外光被大氣平流層中的臭氧所吸收，導(dǎo)致到達(dá)地球表面的太陽輻射幾乎可以忽略，因此該波段被稱作“日盲區(qū)”，也為UV通信創(chuàng)造了接近零背景輻射的條件[2]。UV通信的另一大特點是大氣散射性強。大氣中存在大量的氣體分子、粉塵、氣溶膠等微粒，并且由于UV波長短，UV光子在傳輸?shù)倪^程中會與這些微粒不斷地發(fā)生碰撞而產(chǎn)生散射作用，這種散射特性使得信號能夠繞障傳播，實現(xiàn)非直視的通信[3-4]。在通信系統(tǒng)中系統(tǒng)的信源消息是一個很重要的條件，常見的信源消息包括文字、語音、圖片、視頻。因此為了實現(xiàn)人機交互式的通信方式，本文設(shè)計了以文字信息為發(fā)射信源的紫外光通信系統(tǒng)。以FPGA為核心，系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端構(gòu)成，將文字信息通過ASCII編碼協(xié)議驅(qū)動紫外LED燈發(fā)送到空間大氣中，通過接收端得到發(fā)送的ASCII碼值回傳給電腦。在上位機上顯示發(fā)送消息。
1紫外光LED通信系統(tǒng)設(shè)計
1.1系統(tǒng)框圖
基于紫外光LED通信系統(tǒng)由發(fā)送端和接收端兩部分組成，發(fā)端主要完成光信號產(chǎn)生，收端主要完成信號轉(zhuǎn)換為電信號的接收[5]。紫外光通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。如圖1所示電腦輸入的攜帶字符信息的電信號經(jīng)過USB接口數(shù)據(jù)線輸入FPGA，通過FPGA程序接收處理和光源驅(qū)動電路，之后電信號點亮紫外LED燈，通過LED燈發(fā)送出去。接收端通過濾光片和光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大電路把信號給了FPGA，F(xiàn)PGA程序接收信號解調(diào)之后在回傳給上位機。
1.2FPGA程序設(shè)計
在FPGA開發(fā)板設(shè)計中，UART用來與PC進(jìn)行通信，包括數(shù)據(jù)通信，命令和控制信息的傳輸。UART首先將接收到的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)來傳輸。消息幀從一個低位起始位開始，后面是7個或8個數(shù)據(jù)位，一個可用的奇偶位和一個或幾個高位停止位。UART傳輸時序如圖2所示。為了滿足UART協(xié)議本文基于Vivado2018.3使用VerilogHDL設(shè)計了串口回傳的程序代碼，根據(jù)圖2可以看出，串口屬于異步的傳輸時序，因此發(fā)端FPGA和收端FPGA采用了回環(huán)的串口通信方式。程序設(shè)計包括2部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)接收模塊，通過頂層文件將上述的2個模塊進(jìn)行實例化，以參數(shù)化的方式來設(shè)置系統(tǒng)時鐘和波特率方便之后對于程序的移植。發(fā)端FPGA程序?qū)ART_TX端口設(shè)置在了FPGA的通用I/O口上，使得電腦發(fā)送的串口數(shù)據(jù)可以通過I/O口輸出用來點亮紫外LED燈。接收端FPGA程序?qū)ART_RX端口設(shè)置在了FPGA的通用I/O口上，將通過光電倍增管的接收數(shù)據(jù)輸入FPGA端口，程序就可以再次解調(diào)串口數(shù)據(jù)最終回傳給電腦。經(jīng)過Vivado2018.3分析綜合之后的RTL視圖如圖3所示。圖3中的uart_recv為數(shù)據(jù)的接收模塊，該模塊首先對uart_rxd端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理，通過協(xié)議的起始信號來得到了一個接收數(shù)據(jù)標(biāo)志，根據(jù)頂層模塊的參數(shù)設(shè)置來控制計數(shù)器，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，當(dāng)接收到8位的ASCII碼時生成uart_done信號。uart_send為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，當(dāng)接收模塊接收到了8位數(shù)據(jù)，通過uart_done信號產(chǎn)生了一個發(fā)送使能信信號，同樣會在系統(tǒng)時鐘控制的計數(shù)器下，進(jìn)行數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，最終將數(shù)據(jù)一位一位發(fā)送出去。
1.3硬件設(shè)計
對發(fā)送端而言要滿足紫外LED的額定工作條件，本文設(shè)計如圖4所示的驅(qū)動電路[6]。OPA2613具有輸出電流大，響應(yīng)速度快，共模抑制比高的特性，該電路的工作原理就是一個設(shè)定閾值的比較電路。當(dāng)信號的電壓大于設(shè)定值是LED不亮，當(dāng)信號的電壓小于設(shè)定的閾值是LED亮，從而實現(xiàn)以O(shè)OK的調(diào)制方式將信號發(fā)送出去。對接收端而言，光電倍增管接收到的光信號轉(zhuǎn)換為一個電流信號，需要外界電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并滿足電平標(biāo)準(zhǔn)，所以接收電路如圖5所示，其中圖5所示的R4變阻器用調(diào)節(jié)信號的電壓幅值。使得滿足FPGA的接口電平標(biāo)準(zhǔn)LVTTL3.3。
2實驗結(jié)果分析
2.1實驗硬件
通過對系統(tǒng)設(shè)備關(guān)鍵電路的設(shè)計，最終的系統(tǒng)發(fā)送端和接收端實物如圖6所示。
2.2發(fā)送端和接收端調(diào)試
在連接好發(fā)送端和接收端設(shè)備之后，通過USB串口線連接電腦和開發(fā)板，在串口助手中可以輸入任意的漢字、字母或者數(shù)字，發(fā)送的文本信息通過USB線，驅(qū)動電路板來點亮紫外LED燈。在接收端進(jìn)行相同的連接并設(shè)置電腦串口助手。對于本次實驗串口助手設(shè)置波特率為9600bps，沒有校驗位，停止位的時間為1個比特周期。本文為了分析有關(guān)串口通信的協(xié)議，因此實驗結(jié)果只選取了示波器屏幕可以截取的部分，發(fā)送了Hello的字母消息。其中串口軟件圖如圖7所示，示波器對于接收端的波形圖如圖8所示。圖8中對應(yīng)的信息為00001001010101001101000110110100011011010111101101其中加粗部分對應(yīng)的分別為H、e、l、l、o的ASCII碼。
3結(jié)論
本文詳細(xì)介紹了基于FPGA的紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計，給出了整體的實驗方案，驅(qū)動電路和接收電路，使用FPGA完成了相關(guān)的Verilog串口代碼設(shè)計，實際的測試結(jié)果良好。通過示波器觀測UART協(xié)議表明信號質(zhì)量符合解調(diào)要求，最終可以無誤碼的觀測到上位機信息，同時在非直視的條件下也可以做到字符通信，提高了實際的紫外光通信系統(tǒng)的實用性。下一步可以繼續(xù)研究其他信源信息，如音頻、圖像等，完善紫外光通信裝置。
參考文獻(xiàn)
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作者：楊永坤 白曉晨 單位：西安工程大學(xué)