FPGA下的紫外光字符通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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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(shí)現(xiàn)非直視通信，同時(shí)具有保密性高的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)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(guò)I/O口輸出，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路點(diǎn)亮LED，接收端通過(guò)光電倍增管和信號(hào)放大電路接收信源信息和實(shí)現(xiàn)接口協(xié)議電平，最后回傳給FPGA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在外界光線不影響的條件下，該裝置可以實(shí)現(xiàn)50米無(wú)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(dú)特的通信優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[1]。波長(zhǎng)在200-280nm范圍內(nèi)的紫外光是UV通信所采用的波段，這是因?yàn)樵摬ǘ蔚淖贤夤獗淮髿馄搅鲗又械某粞跛?，?dǎo)致到達(dá)地球表面的太陽(yáng)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(diǎn)是大氣散射性強(qiáng)。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(zhǎng)短，UV光子在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)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(hào)能夠繞障傳播，實(shí)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(gè)很重要的條件，常見(jiàn)的信源消息包括文字、語(yǔ)音、圖片、視頻。因此為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式的通信方式，本文設(shè)計(jì)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(guò)ASCII編碼協(xié)議驅(qū)動(dòng)紫外LED燈發(fā)送到空間大氣中，通過(guò)接收端得到發(fā)送的ASCII碼值回傳給電腦。在上位機(jī)上顯示發(fā)送消息。
1紫外光LED通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(hào)產(chǎn)生，收端主要完成信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)USB接口數(shù)據(jù)線輸入FPGA，通過(guò)FPGA程序接收處理和光源驅(qū)動(dòng)電路，之后電信號(hào)點(diǎn)亮紫外LED燈，通過(guò)LED燈發(fā)送出去。接收端通過(guò)濾光片和光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路把信號(hào)給了FPGA，F(xiàn)PGA程序接收信號(hào)解調(diào)之后在回傳給上位機(jī)。
1.2FPGA程序設(shè)計(jì)
在FPGA開發(fā)板設(shè)計(jì)中，UART用來(lái)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(lái)傳輸。消息幀從一個(gè)低位起始位開始，后面是7個(gè)或8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)可用的奇偶位和一個(gè)或幾個(gè)高位停止位。UART傳輸時(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(guò)頂層文件將上述的2個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)例化，以參數(shù)化的方式來(lái)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘和波特率方便之后對(duì)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(guò)I/O口輸出用來(lái)點(diǎn)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(guò)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(guò)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(duì)uart_rxd端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理，通過(guò)協(xié)議的起始信號(hào)來(lái)得到了一個(gè)接收數(shù)據(jù)標(biāo)志，根據(jù)頂層模塊的參數(shù)設(shè)置來(lái)控制計(jì)數(shù)器，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，當(dāng)接收到8位的ASCII碼時(shí)生成uart_done信號(hào)。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(guò)uart_done信號(hào)產(chǎn)生了一個(gè)發(fā)送使能信信號(hào)，同樣會(huì)在系統(tǒng)時(shí)鐘控制的計(jì)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(jì)
對(duì)發(fā)送端而言要滿足紫外LED的額定工作條件，本文設(shè)計(jì)如圖4所示的驅(qū)動(dòng)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(gè)設(shè)定閾值的比較電路。當(dāng)信號(hào)的電壓大于設(shè)定值是LED不亮，當(dāng)信號(hào)的電壓小于設(shè)定的閾值是LED亮，從而實(shí)現(xiàn)以O(shè)OK的調(diào)制方式將信號(hào)發(fā)送出去。對(duì)接收端而言，光電倍增管接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)電流信號(hào)，需要外界電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(hào)的電壓幅值。使得滿足FPGA的接口電平標(biāo)準(zhǔn)LVTTL3.3。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
2.1實(shí)驗(yàn)硬件
通過(guò)對(duì)系統(tǒng)設(shè)備關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)，最終的系統(tǒng)發(fā)送端和接收端實(shí)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(guò)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(guò)USB線，驅(qū)動(dòng)電路板來(lái)點(diǎn)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(duì)于本次實(shí)驗(yàn)串口助手設(shè)置波特率為9600bps，沒(méi)有校驗(yàn)位，停止位的時(shí)間為1個(gè)比特周期。本文為了分析有關(guān)串口通信的協(xié)議，因此實(shí)驗(yàn)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(duì)于接收端的波形圖如圖8所示。圖8中對(duì)應(yīng)的信息為00001001010101001101000110110100011011010111101101其中加粗部分對(duì)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(jì)，給出了整體的實(shí)驗(yàn)方案，驅(qū)動(dòng)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(jì)，實(shí)際的測(cè)試結(jié)果良好。通過(guò)示波器觀測(cè)UART協(xié)議表明信號(hào)質(zhì)量符合解調(diào)要求，最終可以無(wú)誤碼的觀測(cè)到上位機(jī)信息，同時(shí)在非直視的條件下也可以做到字符通信，提高了實(shí)際的紫外光通信系統(tǒng)的實(shí)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。
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作者：楊永坤 白曉晨 單位：西安工程大學(xué)