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(jī)器人上進(jìn)行水下數(shù)據(jù)通信。光學(xué)通信技術(shù)可以克服水下聲學(xué)通信帶寬窄,、受環(huán)境影響大,、可適用載波頻率低和傳輸時(shí)延大等不足，因此在一些應(yīng)用場(chǎng)景中,，水下光學(xué)通信可以替代水下聲學(xué)通信,，以應(yīng)對(duì)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L(zhǎng)ED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(diǎn)^[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(yīng)用場(chǎng)景,。在中短距離范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn),，水下光通信可以為節(jié)點(diǎn)間通信提供一種高速率、低硬件開(kāi)銷,、高穩(wěn)定性的通信方式,。水聲通信可以作為長(zhǎng)距離范圍的節(jié)點(diǎn)間通信方式，作為節(jié)點(diǎn)間通信方式的一種補(bǔ)充,，從而更好地實(shí)現(xiàn)水下多傳感器的無(wú)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(wú)線通信方案，總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示,，主要由電源,、控制單元、發(fā)射機(jī),、接收機(jī)構(gòu)成,。其中控制單元主要用于對(duì)外圍模塊的控制以及與外接的PC等設(shè)備進(jìn)行基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互；發(fā)射機(jī)主要用于將激勵(lì)信號(hào)加載至激光器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的光信號(hào),；接收機(jī)主要實(shí)現(xiàn)了將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)控制,，降低光信號(hào)強(qiáng)弱變化對(duì)電路的影響,。

    針對(duì)水下傳感器組網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)激光通信終端與傳感器網(wǎng)絡(luò)上的各種類型傳感器通過(guò)RS-232總線相連。每一片區(qū)域所有的激光通信終端都通過(guò)POE(Power Over Ethernet)^[3]連接至次接駁盒交換機(jī)上,，POE供電最大功率達(dá)到12.95 W,。此外,，管理多片區(qū)域的次接駁盒交換機(jī)由一個(gè)主接駁盒交換機(jī)所管控,，主接駁盒交換機(jī)通過(guò)光纖模塊將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖信號(hào)，傳送至岸基站,。除此之外,，通過(guò)配備光通信系統(tǒng)的AUV在水下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程去收集所需要區(qū)域傳感器所連接的激光通信終端設(shè)備發(fā)送來(lái)的傳感器數(shù)據(jù),。隨后，AUV通過(guò)多種通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給海面上的浮標(biāo)中轉(zhuǎn),，通過(guò)衛(wèi)星通信將數(shù)據(jù)傳送給岸基站,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

    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(dǎo)致器件的安全使用甚至損壞器件,。而電壓源驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法提供一個(gè)穩(wěn)定的電流，因此激光驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)選用電流源驅(qū)動(dòng)模式,。本系統(tǒng)選用ADI公司的AD9660芯片作為激光驅(qū)動(dòng)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(shí)間,、最高達(dá)200 MHz的調(diào)制頻率和高效的光功率控制環(huán)等特點(diǎn)。AD9660驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示,。

2.2 接收電路設(shè)計(jì)

    接收電路主要包含光電轉(zhuǎn)換電路,、低通濾波器電路、自動(dòng)增益控制電路,。光電轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將光電二極管的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),，低通濾波器電路在將微弱電壓信號(hào)放大的同時(shí)將干擾噪聲過(guò)濾掉，自動(dòng)增益控制電路將過(guò)濾后的信號(hào)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(hào)是電流信號(hào),，電流-電壓變換使用互阻抗放大器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。激光驅(qū)動(dòng)芯片的光功率監(jiān)測(cè)可獲取光的強(qiáng)度,，因此對(duì)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(yīng)優(yōu)秀等特點(diǎn),。本系統(tǒng)選用TI OPA657跨導(dǎo)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(dòng)增益控制電路的核心由壓控放大器VCA810,、運(yùn)算放大器OPA820以及單片機(jī)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(yùn)算放大器。自動(dòng)增益控制電路原理如圖5所示,，通過(guò)對(duì)D/A輸出的控制,，將自動(dòng)增益電路的輸出控制在Vpp為1 V左右。

2.3 解調(diào)電路設(shè)計(jì)

    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(shí)鐘由30 MHz有源晶振提供，晶振產(chǎn)生的波形經(jīng)過(guò)74HC08構(gòu)成的門(mén)電路進(jìn)行整形,，得到穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào),。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(guò)電阻分壓得到,。同時(shí)輸入信號(hào)由自動(dòng)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(dǎo)致A/D芯片損壞,。ADS830E的輸入信號(hào)即為OPA691構(gòu)成的電壓跟隨器的輸出信號(hào)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)嵌入式軟件部分包括主程序,，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化,、LwIP協(xié)議棧、各類外設(shè)模塊初始化以及控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作,；激光驅(qū)動(dòng)控制程序主要驅(qū)動(dòng)激光驅(qū)動(dòng)芯片,，將調(diào)制信號(hào)加載至激光器上，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換,；自動(dòng)增益控制程序主要通過(guò)反饋環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電路增益,，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能；解調(diào)數(shù)據(jù)讀取程序主要實(shí)現(xiàn)定時(shí)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(shí)需要保證數(shù)據(jù)不丟失不覆蓋,；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序主要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)服務(wù)器端與水下系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

    激光驅(qū)動(dòng)代碼主要依賴于對(duì)微控制器I/O根據(jù)AD9660操作時(shí)序?qū)π酒M(jìn)行的控制,，從而實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)以及自動(dòng)功率控制等功能,。AD9660的驅(qū)動(dòng)代碼主要涉及到單片機(jī)對(duì)應(yīng)GPIO口的初始化、配置環(huán)路的建立,、寫(xiě)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(kāi)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(kāi)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(hào)加載到激光二極管上,，即將調(diào)制信號(hào)對(duì)應(yīng)的高低電平對(duì)應(yīng)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(dāng)不使用時(shí)失能AD9660，即將DISABLE引腳置為“1”,。

3.3 以太網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)

    以太網(wǎng)協(xié)議LwIP協(xié)議棧^[4]針對(duì)PHY芯片的配置修改底層代碼,，使其支持DP83848的相關(guān)配置操作。然后開(kāi)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(shí)數(shù)據(jù),。在硬件驅(qū)動(dòng)都配置完畢后，開(kāi)始初始化LwIP內(nèi)核,，隨后運(yùn)行應(yīng)用程序的相關(guān)函數(shù)進(jìn)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(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的報(bào)文類型主要包括數(shù)據(jù)報(bào)文,、控制報(bào)文,、狀態(tài)報(bào)文。報(bào)文主要由主節(jié)點(diǎn)序號(hào),、次節(jié)點(diǎn)序號(hào),、報(bào)文類型、數(shù)據(jù)段等字段組成,。

    序號(hào)主要為區(qū)分不同節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),，協(xié)議為在水下的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn)號(hào)，節(jié)點(diǎn)號(hào)由主節(jié)點(diǎn)號(hào)與次節(jié)點(diǎn)號(hào)構(gòu)成,。主節(jié)點(diǎn)號(hào)代表了傳感器區(qū)域,，以一個(gè)次接駁盒交換機(jī)為一個(gè)區(qū)域，主節(jié)點(diǎn)序號(hào)從1開(kāi)始,，每增加一個(gè)次接駁盒交換機(jī),，主節(jié)點(diǎn)序號(hào)累加1。而次節(jié)點(diǎn)號(hào)代表了一個(gè)次接駁盒交換機(jī)下所連接的傳感器,，次節(jié)點(diǎn)號(hào)從1開(kāi)始,，每增加一個(gè)傳感器，次節(jié)點(diǎn)號(hào)累加1,，AUV發(fā)送至光通信終端的主次節(jié)點(diǎn)序號(hào)均為0,。這種主次節(jié)點(diǎn)序號(hào)的分配方式，可以更好地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,，優(yōu)先檢索主序列號(hào),，再根據(jù)主序列號(hào)檢索次序列號(hào)?；谏鲜鼋M網(wǎng)協(xié)議,，AUV與傳感器節(jié)點(diǎn)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(cè)試包含陸地測(cè)試與水下測(cè)試，通信從1 m～40 m,，每隔2 mm測(cè)試一次傳輸誤碼率,。誤碼率與接收距離的關(guān)系曲線如圖9所示，其中實(shí)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(zhǎng),，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(shè)計(jì)并研制了一套水下高速藍(lán)綠激光通信系統(tǒng),，同時(shí)為水下傳感器觀測(cè)網(wǎng)提供了一種組網(wǎng)解決方案,。提出了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)及其實(shí)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(xué)通信的缺陷,，為水下傳感器觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供了一種有效的組網(wǎng)方式,。

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作者信息：

張  軍,，蔡文郁,，溫端強(qiáng)

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州310018）