基于無源光通信的單燈檢測與控制模塊設計

（中國民用航空總局第二研究所 科研開發(fā)中心，成都 610041）

機場助航燈光系統(tǒng)是保障機場正常運行的重要環(huán)節(jié)，是飛機在夜間和復雜天氣條件下順利起飛、著陸和滑行的必要目視助航設備[1]。隨著航空業(yè)務量的不斷攀升，機場吞吐量的日益增加以及對機場運營成本的控制，現(xiàn)有機場助航燈光及其控制系統(tǒng)均難以滿足現(xiàn)代航空業(yè)助航和引導的新需求。近期昆明機場和深圳機場對ADB公司基于電力載波數(shù)據(jù)傳輸方式的應用結(jié)果表明，系統(tǒng)故障較多、檢測誤報率高，國內(nèi)外也有基于CAN總線的機場跑道燈控制系統(tǒng)的研究[2]，但受傳輸距離、節(jié)點數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸可靠性和帶寬等問題的制約，其推廣和應用難度較大。

基于無源光通信技術(shù)的助航燈具單燈監(jiān)控系統(tǒng)，具有可靠的檢測與控制功能，可以有效地解決系統(tǒng)故障多、檢測誤報率高等問題，提高助航燈光控制系統(tǒng)的可靠性，從而保證機場正常運行。

1 總體設計

助航燈單燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機控制軟件、局端OLT（optical line terminal）和單燈檢測與控制模塊組成。上位機控制軟件實現(xiàn)對助航燈具的總體路由規(guī)劃與地址分配、接收燈具的狀態(tài)信息和發(fā)送開關燈控制命令。局端OLT設備提供無源光纖網(wǎng)絡的光纖接口，一端連接上層網(wǎng)絡，完成無源光通信網(wǎng)絡的上行數(shù)據(jù)接入；另一端連接助航燈單燈檢測與控制模塊，實現(xiàn)對助航燈具的控制、管理等功能。助航燈單燈檢測與控制模塊實現(xiàn)對燈具工作狀態(tài)的檢測和控制，總體設計原理如圖1所示。

圖1 總體設計原理Fig.1 General design schematic diagram

2 硬件設計

助航燈檢測與控制模塊主要由處理單元、通信單元、燈具工作狀態(tài)檢測單元、燈具控制單元和電源單元組成。燈具工作狀態(tài)檢測單元提取燈具的溫度、濕度、電流及電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路后送到處理單元進行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果經(jīng)通信單元進行電光轉(zhuǎn)換，通過光纖鏈路發(fā)送到遠程控制主機。通信單元接收來自遠程控制主機下發(fā)的控制命令，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后送處理單元進行協(xié)議解析，觸發(fā)燈具控制單元實現(xiàn)燈具的開、關、閃爍等操作。電源單元主要為助航燈檢測與控制模塊上各單元提供工作電源。

2.1 通信單元

通信單元的設計選用市面上較為成熟的帶無源光通信技術(shù)協(xié)議的光電轉(zhuǎn)換模塊，完成數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的編碼和解碼以及光電信號的相互轉(zhuǎn)換。

無源光通信技術(shù)協(xié)議的光電轉(zhuǎn)換模塊都為1000 M的數(shù)據(jù)傳輸速率，要實現(xiàn)與其互連通信，一種是直接選用支持1000 M MAC的處理器，但這種處理器價格較為昂貴；為了降低成本，本設計采用另一種方案，即選用帶低速MAC的MCU，在MCU與無源光通信技術(shù)協(xié)議的光電轉(zhuǎn)換模塊之間加入速率轉(zhuǎn)換單元，完成不同數(shù)據(jù)速率間的匹配。

速率轉(zhuǎn)換單元選用工業(yè)級的Marvell交換芯片88E6046，它集成了2個GE口和4個FE口，能很好地滿足設計需求，將其中一個GE端口屬性設置為支持1000-Base-X Fiber SEDERS接口，通過耦合電容與光電轉(zhuǎn)換模塊進行連接，PCB走線阻抗控制在100 Ω；另一個GE端口屬性設置為支持100 M 的MII接口，與MCU的MAC相連，從而實現(xiàn)1000 M與100 M數(shù)據(jù)速率之間的相互轉(zhuǎn)換，同時MCU通過串行數(shù)據(jù)線實現(xiàn)對交換芯片內(nèi)部寄存器的讀寫操作，其原理如圖2所示。

圖2 通信單元原理Fig.2 Communication unit schematic diagram

2.2 處理單元

處理單元是助航燈單燈檢測與控制模塊的核心控制部分，其核心芯片選用帶有Cortex-M3內(nèi)核的32位互連型處理器STM32F107，內(nèi)部集成256 KB的Flash和高達64 KB的SRAM，同時還包含10/100 M MII接口、16個12 bit的ADC采集通道、I2C接口、GPIO接口、UART接口等，最高主頻可達72 MHz[3]。在本設計中，MII接口用于連接通信單元，以實現(xiàn)控制器與遠程控制服務器的通信；ADC的2個通道分別連接至電壓和電流檢測電路，以實現(xiàn)助航燈單燈檢測與控制模塊對燈具電流電壓值的檢測；I2C接口用于連接溫濕度采集電路，實現(xiàn)對燈具內(nèi)部溫濕度值的檢測；GPIO接口連接到燈具控制單元，響應遠程控制命令，控制助航燈具的開或關。處理單元利用固件控制芯片各個接口，實現(xiàn)助航燈檢測與控制模塊的檢測與控制功能。

2.3 燈具工作狀態(tài)檢測單元

為保證助航燈光系統(tǒng)的正常運行，需要實時監(jiān)測每個助航燈具的電壓和電流來判斷燈具的工作狀態(tài)。助航燈具采用有效值為2.8 A～6.6 A的五級恒流源供電，因此要在寬輸入動態(tài)范圍下保證系統(tǒng)的采集精度，充分利用ADC的采集有效位數(shù)，需要設計合理的信號調(diào)理電路，將傳感器上的電壓和電流信號經(jīng)過濾波、衰減調(diào)理至適合ADC的轉(zhuǎn)換范圍，MCU定時啟動轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換結(jié)果經(jīng)過真有效值計算后，得到燈具實際的電流電壓值，從而判斷出助航燈具的開關狀態(tài)以及工作的光級，并保存記錄等待上傳。

溫濕度的檢測采用高精度低功耗數(shù)字型溫濕度傳感器，通過I2C接口與MCU相連，保證MCU能實時獲取燈具內(nèi)部的溫濕度參數(shù)，實現(xiàn)對燈具內(nèi)部溫濕度參數(shù)的監(jiān)測。燈具檢測單元原理如圖3所示。

圖3 燈具檢測單元原理Fig.3 Light detection unit schematic diagram

2.4 燈具控制單元

助航燈單燈檢測與控制模塊接收來自遠程計算機的數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)包進行解析，并依據(jù)解析出的命令控制燈具控制單元響應相應的開關燈操作，以實現(xiàn)對燈具的控制。處理單元通過GPIO端口連接驅(qū)動電路，驅(qū)動電路與繼電器控制線圈相連，繼電器的觸點與燈具并聯(lián)。當MCU響應控制命令時，在控制引腳上輸出高電平或低電平，控制繼電器的閉合或斷開，同時回讀繼電器的工作狀態(tài)，以保證控制命令的準確執(zhí)行。燈具控制單元原理如圖4所示。

2.5 電源單元

電源單元主要包括二級變壓器、輸入保護電路、整流電路、恒流穩(wěn)壓電路。電源單元將輸入的恒流源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的恒壓源，為助航燈單燈檢測與控制模塊上各單元供電。電源單元原理如圖5所示。

圖4 燈具控制單元原理Fig.4 Light controlling unit schematic diagram

圖5 電源單元原理Fig.5 Power supply unit schematic diagram

3 軟件設計

助航燈單燈檢測與控制模塊的軟件設計建立在UCOS II操作系統(tǒng)上，它具有可裁減、搶占式、實時多任務的特點，同時在內(nèi)核中運行LWIP協(xié)議棧[4]，實現(xiàn)與上位機基于TCP/IP的通信連接，完成對助航燈具的檢測與控制。

3.1 通信協(xié)議

為保證助航燈單燈檢測與控制模塊和遠程控制軟件的正常通信，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在TCP/IP協(xié)議基礎上建立標準的通信協(xié)議，通信協(xié)議格式為“包頭+數(shù)據(jù)+校驗+包尾”，每個數(shù)據(jù)包的包頭均以EB90開始，以00AA結(jié)束，如圖6所示。如果控制器收到無效的數(shù)據(jù)包，將做丟包處理，只有滿足協(xié)議的有效數(shù)據(jù)包才被解碼。

圖6 通信協(xié)議Fig.6 Communication protocol

3.2 程序設計

程序采用模塊化設計的方式，系統(tǒng)程序主要包含初始化模塊、電壓電流采集模塊、溫濕度采集模塊、通信模塊、燈具控制模塊等。助航燈單燈檢測與控制模塊上電后，首先完成對時鐘、中斷、外設等硬件和LWIP協(xié)議棧的初始化，然后判斷網(wǎng)絡的連接狀態(tài)，待與遠程控制軟件成功連接后，啟動數(shù)據(jù)采集子函數(shù)采集溫度、濕度、電壓和電流值，并調(diào)用TCP函數(shù)周期性地向遠程控制軟件發(fā)送實時數(shù)據(jù)。利用中斷方式實時響應計算機發(fā)出的開關燈命令，程序流程如圖7所示。

圖7 軟件設計流程Fig.7 Software design flow chart

4 測試結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的可靠性和單燈檢測與控制模塊的功能，對模塊進行了系統(tǒng)性的測試。測試環(huán)境主要包括1臺PC機、1臺交換機、1臺OLT、1個分光器、3個單燈檢測與控制模塊、3個助航燈具等，PC機與交換機相連，交換機通過雙絞線連接到OLT，OLT設備通過光纖連接到分光器上，分光器分出的支路連接到3個單燈檢測與控制模塊。在測試環(huán)境搭建完成后，分別測試模塊在上行與下行方向的性能，以驗證單燈檢測與控制模塊的檢測與控制功能。

在下行方向，遠程控制軟件下發(fā)控制指令，當單燈檢測與控制模塊接收到來自遠程控制軟件的命令后，響應該命令控制繼電器動作，實現(xiàn)燈具的開或關的操作。試驗測試500次遠程控制任意燈具，單燈檢測與控制模塊均正確響應控制指令。

在上行方向，單燈檢測與控制模塊實時檢測燈具工作狀態(tài)，同時將狀態(tài)參數(shù)周期性地發(fā)送到遠程控制軟件，在解析數(shù)據(jù)包后，遠程控制軟件實時顯示當前燈具狀態(tài)信息。試驗通過遠程控制軟件連續(xù)接收并記錄燈具狀態(tài)信息，測試時長為24 h，再用記錄的采集數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相比較，判斷測試結(jié)果是否正確。經(jīng)過嚴格測試后，試驗結(jié)果均正確，具體試驗結(jié)果如圖8與圖9所示。

圖8 燈具狀態(tài)參數(shù)檢測與傳輸結(jié)果Fig.8 Light state parameter detection and transmission test result

圖9 實時燈具狀態(tài)檢測結(jié)果Fig.9 Real-time light state detection result

通過以上試驗，測試了助航燈單燈檢測與控制模塊在上行和下行方向的數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，驗證了助航燈單燈檢測與控制模塊的檢測與控制功能。實驗結(jié)果表明各項技術(shù)指標都在預期設計范圍內(nèi)，證明了基于無源光通信接入網(wǎng)技術(shù)的助航燈單燈檢測與控制模塊方案的可實現(xiàn)性和系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)語

將無源光通信接入網(wǎng)技術(shù)引入到民用機場助航燈光控制系統(tǒng)，解決了復雜電磁環(huán)境下信號遠距離實時可靠傳輸問題。設計中選用大功率的控制繼電器，不僅適用于新型的LED助航燈具，也適用于傳統(tǒng)的鹵素燈具。通過系統(tǒng)軟硬件的聯(lián)調(diào)驗證，取得了較為理想的效果，為國內(nèi)先進的機場場面活動引導與控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。

[1]李青云.民用機場助航燈光監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢探究[J].價值工程，2010，29（20）：149.

[2]王莉，徐華中.基于CAN總線分布式機場跑道燈控制系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2004.12（3）：249-263.

[3]STMicroelectronics.RM0008 Reference Manual[EB/OL].http：//www.st.com/content/st_com/en/products/microcontrollers/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32f1-series/stm32f105-107/stm32f107vc.html.

[4]Kieran Mansle.lwIP-A Lightweight TCP/IP stack-Summary[EB/OL].https：//savannah.Nongnu.org/projects/lwip.