光纖以太網(wǎng)技術(shù)在水下拖曳系統(tǒng)中的應(yīng)用

海軍駐昆明七五〇試驗(yàn)場(chǎng)軍事代表室 郭 勍 孫現(xiàn)有

七五〇試驗(yàn)場(chǎng) 朱 強(qiáng)

光纖以太網(wǎng)技術(shù)在水下拖曳系統(tǒng)中的應(yīng)用

海軍駐昆明七五〇試驗(yàn)場(chǎng)軍事代表室 郭 勍 孫現(xiàn)有

七五〇試驗(yàn)場(chǎng) 朱 強(qiáng)

介紹了基于新型水下拖曳系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的光纖通信系統(tǒng)方案，著重解決多節(jié)點(diǎn)串行、大數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。其中重點(diǎn)闡述了通信系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，光纖以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，全面有效的通信協(xié)議設(shè)計(jì)。在實(shí)際的水下拖曳系統(tǒng)中檢驗(yàn)了通信方案的有效性。

光纖以太網(wǎng)；拖曳系統(tǒng)；FPGA

0 引言

水下拖曳系統(tǒng)作為一種有效的探測(cè)平臺(tái),廣泛應(yīng)用于海洋資源勘探、地球物理學(xué)測(cè)量、海洋研究與監(jiān)測(cè)及軍事等諸多領(lǐng)域，并隨著海洋開(kāi)發(fā)的日益深人，其發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要。它在海洋環(huán)境與海洋資源調(diào)查以及國(guó)防建設(shè)中有著特殊的用途。水下拖曳系統(tǒng)通常由拖曳電纜、拖曳體、專用絞車及干端控制設(shè)備組成,拖曳體內(nèi)可根據(jù)不同的用途搭載溫、鹽、壓、營(yíng)養(yǎng)鹽及聲納等各種海洋化學(xué)元素探測(cè)傳感器或聲、光等物理探測(cè)傳感器。拖曳船上的操作者可以通過(guò)一定的控制方式實(shí)施對(duì)拖曳體的軌跡與姿態(tài)控制來(lái)達(dá)到執(zhí)行不同水下探測(cè)任務(wù)的目的。

光纖通信作為一種全新的信息傳輸技術(shù)，自誕生之日起便受到人們的廣泛關(guān)注和重視，時(shí)至今日，光纖通信技術(shù)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域和行業(yè)中應(yīng)用，成為提升通信質(zhì)量和效率的重要手段。光纖通信技術(shù)依靠光纖作為主要的信息載體，以光波的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這使得光纖通信速度比電信通信技術(shù)要更加快捷。光纖通信因其具有的大容量通信、遠(yuǎn)距離傳輸、信號(hào)串?dāng)_小、保密性能好、抗電磁干擾、傳輸質(zhì)量佳、尺寸小、重量輕、難于竊聽(tīng)、光纜適應(yīng)性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)，備受業(yè)內(nèi)人士青睞，發(fā)展非常迅速。

因此，基于水下拖曳系統(tǒng)的特殊需要以及光纖通信技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，將光纖以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到水下拖曳系統(tǒng)中，將能夠解決水下拖曳系統(tǒng)的通信問(wèn)題。

1 光纖通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

拖曳系統(tǒng)由干端設(shè)備和濕端設(shè)備組成。干端設(shè)備安裝在拖船船艙內(nèi)，由主控中心和收放裝置組成，完成拖曳系統(tǒng)控制、監(jiān)控、顯示，以及水下拖曳系統(tǒng)的收放。水下拖曳系統(tǒng)由拖曳光纜、拖曳陣及拖曳體組成，完成海洋環(huán)境下的探測(cè)與檢測(cè)。

如圖1所示，光纖通信系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)和水下各節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)光纜形成串行環(huán)路，基于光纖以太網(wǎng)技術(shù)形成光纖通信局域網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到3Gbps。本通信系統(tǒng)只需兩路光纖即可完成，即數(shù)據(jù)下行通路和數(shù)據(jù)上行通路。因此這可大大減小拖曳光纜的纜徑，滿足拖曳系統(tǒng)對(duì)纜徑的需求。

圖1 通信系統(tǒng)方案框圖

2 光纖以太網(wǎng)技術(shù)

以太網(wǎng)技術(shù)指的是由Xerox公司創(chuàng)建并由Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范。傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD（載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)技術(shù)）技術(shù)，并以10M/100M/s的速率運(yùn)行在多種類型的電纜上。以太網(wǎng)不是一種具體的網(wǎng)絡(luò)，是一種技術(shù)規(guī)范，在IEEE 802.3中定義了以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。光纖以太網(wǎng)技術(shù)可以借助以太網(wǎng)設(shè)備采用以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式實(shí)現(xiàn)WAN通信業(yè)務(wù)。該技術(shù)可以適用于任何光傳輸網(wǎng)絡(luò)——光纖直接傳輸、SDH以及DWDM網(wǎng)絡(luò)傳輸。目前，光纖以太網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)10Mbps、100Mbps以及1Gbps等標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)速度。

在嵌入式環(huán)境下，符合IEEE 802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)是比較合適的鏈接方式，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率高，數(shù)傳距離遠(yuǎn)，擴(kuò)展性強(qiáng)。在本系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通信電路均采用ALTERA公司的FPGA芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，ALTERA公司提供了Triple speed Ethernet的IP核。該IP核主要功能特點(diǎn)如下：

（1）兼容IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)；

（2）支持千兆媒體獨(dú)立接口（GMII），支持千兆速率操作；

（3）提供ALTERA支持的、在VHDL和Verilog HDL仿真器的功能仿真模型。

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議（communications protocol）是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式，信息單元應(yīng)該包含的信息與含義，連接方式，信息發(fā)送和接收的時(shí)序，從而確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利地傳送到確定的地方。

本通信系統(tǒng)包括多種通信設(shè)備、十幾個(gè)通信節(jié)點(diǎn)，根據(jù)功能需求整個(gè)通信需具有多種控制命令格式和數(shù)據(jù)格式，因此設(shè)計(jì)一個(gè)全面、有效、規(guī)范的通信協(xié)議，是保障整個(gè)系統(tǒng)可靠、有效通信的最重要、最基本的任務(wù)。

3.1 數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)

本文依據(jù)硬件平臺(tái)條件、功能需求，設(shè)計(jì)了能夠滿足整個(gè)通信系統(tǒng)可靠、安全、有效通信的數(shù)據(jù)格式。本數(shù)據(jù)通信格式為通用數(shù)據(jù)格式，不管是控制命令，還是參數(shù)、數(shù)據(jù)命令，均按此數(shù)據(jù)格式編碼。本數(shù)據(jù)通信格式如表1所示，由目標(biāo)地址、源地址、命令類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)組成。

表1 數(shù)據(jù)格式

3.2 節(jié)點(diǎn)地址（ID）設(shè)計(jì)

ID是英文IDentity的縮寫，身份標(biāo)識(shí)號(hào)碼的意思，是系統(tǒng)中唯一的編碼。在本系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定ID地址，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行分類，即把同類的節(jié)點(diǎn)分配同一個(gè)地址，便于對(duì)同一類型節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一操作。本系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)地址（ID）詳見(jiàn)表2。

表2 各節(jié)點(diǎn)地址（ID）分配表

3.3 命令設(shè)計(jì)

為了滿足整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，把整個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信命令進(jìn)行了分類，共十幾種類型。在通信中各軟件可以根據(jù)命令類型及ID地址進(jìn)行判斷、識(shí)別，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。其中，開(kāi)始/停止工作命令、自檢命令等命令如下所示：

（1）全部節(jié)點(diǎn)自檢命令：FFA1 1001 XXXXH；

（2）深度采集電路1節(jié)點(diǎn)開(kāi)始工作命令：C1A1 3001 XXXXH；

（3）全部聲吶電路開(kāi)始工作命令：EEA1 3001 XXXXH。

圖2 光纖通信系統(tǒng)軟件工作流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都基于自身的硬件環(huán)境開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的軟件。軟件體系結(jié)構(gòu)采用主從模式，由上位機(jī)的控制計(jì)算機(jī)軟件作為主控制端，進(jìn)行控制命令的發(fā)送和各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)的采集、顯示等；水下各節(jié)點(diǎn)軟件通過(guò)接收、解析控制計(jì)算機(jī)軟件發(fā)送的控制命令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，并把工作信息上傳到控制計(jì)算機(jī)上。每個(gè)節(jié)點(diǎn)只接收與自己相關(guān)的命令信息，并對(duì)與自己無(wú)關(guān)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)損轉(zhuǎn)發(fā)。

整個(gè)系統(tǒng)軟件的控制流程如圖2所示。

5 結(jié)論

本文提出的光纖通信系統(tǒng)方案已成功應(yīng)用于新型水下拖曳系統(tǒng)中，該通信系統(tǒng)能夠滿足高實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性的性能要求，通信速率達(dá)到1.25Gbps，能保證數(shù)據(jù)高效傳輸。同時(shí)，通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有很好的擴(kuò)充性特點(diǎn)，能夠在現(xiàn)有通信系統(tǒng)上進(jìn)行通信節(jié)點(diǎn)的刪減和擴(kuò)充。綜上所述，該通信系統(tǒng)方案解決了水下拖曳系統(tǒng)中需要解決的多點(diǎn)串行、數(shù)據(jù)高效傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

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