基于SOPC的光纤通信热保护系统

论文摘要

光纤通信由于其保密性好,带宽大等原因得到了越来越广泛的应用。本文设计的光线通信热保护系统通过测试通信链路中的激光强度实时监测通信状态,如果内网上下行和外网上下行四个通道中任意一路中激光强度低于设定的对应判断门限则认为通信异常并通过光链路切换启用备用设备以保证通信的连续性,具有重要的应用意义。保护系统由上位机和下位机构成,上位机提供人机交互界面,下位机由电路和光路两部分构成负责解析和执行上位机发出的命令,并在检测到通信异常时主动采取报警等措施。本文完成了热保护系统下位机硬件和软件的设计并制作出了实物,使用Matlab软件模拟了上位机软件部分功能。设计采用SOPC的解决方案在单片FPGA上配以最少的外围电路实现整个系统,集成度高,发生故障的可能性小。系统通过光强大小来感知信道内通信状态,进而使用执行电路采取应对措施,同时经过串口和上位机交互。因此,本设计最重要的部分为光功率测量,论文的重点为光功率30dBm-30dBm宽量程以及±0.1dbm测试精度的实现。为此,本文精心设计了1nA-10mA宽动态范围小电流测量模拟电路,并实现了15位精度的AD转换模块。期间,本文深入分析了PCB噪声的来源以及布局布线时对应的解决办法。在对FIR滤波做了比较细致的研究后,通过system generator定制一个20阶滑动平均滤波器成功实现50HZ市电噪声的滤除。截距误差和非线性误差的修正进一步提高了光功率的测试精度。论文最后还对最终设计进行了测试并对数据进行了分析,测试结果满足了系统的各项要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 第一节 引言
• 第二节 热保护系统技术要求
• 第三节 本文的研究内容
• 1.3.1 论文的主要工作
• 1.3.2 论文的结构
• 第二章 设计方案论证及综述
• 第一节 方案比较与论证
• 2.1.1 光功率测量原理选择
• 2.1.2 系统架构选择
• 2.1.3 信号调理电路选择
• 第二节 系统设计综述
• 2.2.1 电路部分
• 2.2.2 光路部分及其电路接口
• 第三章 系统硬件具体设计
• 第一节 用户自定义IP的设计
• 3.1.1 自定义IP的设计过程
• 3.1.2 AD采样IP的设计
• 3.1.3 AD controller的设计
• 3.1.4 FIR滤波器的设计
• 第二节 SOPC硬件平台搭建
• 3.2.1 FPGA最小系统的硬件电路
• 3.2.2 片上系统的构成
• 第三节 模拟部分硬件设计
• 3.3.1 电源接入电路
• 3.3.2 光电检测器
• 3.3.3 对数放大模块
• 3.3.4 AD采样模块
• 3.3.5 光开关驱动模块
• 3.3.6 串口通信模块
• 第四章 系统软件设计
• 第一节 上位机和下位机的通信协议
• 4.1.1 上位机到下位机的数据通信协议
• 4.1.2 下位机到上位机的数据通信协议
• 4.1.3 通信的数据结构
• 第二节 SOPC系统的下位机软件设计
• 4.2.1 Xilinx嵌入式软件开发工具SDK简介
• 4.2.2 下位机程序流程图
• 第三节 上位机测试软件设计
• 4.3.1 Matlab对串口的操作
• 4.3.2 记事本文件读取
• 4.3.3 数据分析处理
• 第五章 光功率测试精度的实现
• 第一节 系统的噪声及误差来源
• 5.1.1 PCB噪声和电磁兼容理论分析
• 5.1.2 50HZ市电噪声干扰
• 5.1.3 热保护系统的误差来源
• 第二节 微弱信号数据采集系统的PCB设计
• 5.2.1 电源的应对策略
• 5.2.2 地的应对策略
• 5.2.3 电磁辐射的应对策略
• 5.2.4 AD模块的布局布线
• 5.2.5 其他有效的应对策略
• 第三节 50HZ市电噪声滤除
• 5.3.1 滑动平均滤波的理论分析
• 5.3.2 算术平均滤波的理论分析
• 5.3.3 50HZ市电噪声的滤除
• 第四节 光功率检测值的修正技术
• 5.4.1 对数曲线截距误差修正
• 5.4.2 对数曲线非线性修正
• 第六章 测试结果分析
• 第一节 测试细则及方法
• 6.1.1 系统连接
• 6.1.2 测试内容
• 第二节 测试结果及分析
• 6.2.1 光路参数测试结果
• 6.2.2 电路参数测试结果
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历