基于光纤传输的工业传感器网络设计研究

发布时间：2017-07-30 19:10

  本文关键词：基于光纤传输的工业传感器网络设计研究

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【摘要】：随着现代科学技术的发展,数据交互的流量越来越大,因此对数据传输的速度要求也越来越高。特别是在工业现场监测领域,不仅传感器数据量越来越大,而且需要远距离实时传输,传输系统还需要适应工业现场的恶劣环境。在一些恶劣的工业环境中(强腐蚀性、强电磁干扰与高温等),传统的基于电缆传输的传感器网络不能适应环境需求,电缆布线困难。随着智能传感器及光纤传输技术的不断发展,为实现基于光纤传输的传感器网络提供了条件。光纤传输系统具有传输距离远、信息容量大、抗干扰能力强、保密性好等优势,可以在某些应用领域替代基于电缆的传感器网络。本课题针对多路传感器数据在恶劣环境下的高速远距离传输,设计了基于光纤传输的工业传感器组网方案。该网络由智能传感器数据采集节点构成,单节点可以实现多路模拟信号和数字信号的采集,节点间通过光纤连接构建出环形网络结构。节点的核心控制器件选用的是FPGA芯片,可以实现数据的采集、模数转换和数据的传输,并可根据使用需求灵活配置。在FPGA中实现了自定义的光纤数据传输协议,并兼容CAN总线接口以适应某些工业现场应用。数据在光纤通路传输时采用了更适合光纤传输的CMI编码,在FPGA中实现了CMI编解码、时钟提取与同步功能。根据所传输数据内容选择通过串行通信接口传输至上位机、通过CAN接口传输至其他CAN通讯节点,或继续通过光纤传输至下一传感器节点,可通过灵活的组网方案适应多种工业应用场合。本文设计的基于光纤的传感器网络集成度高、布线简单、易于升级改造、抗干扰能力强,应用FPGA作为核心控制器件提高了数据处理速度。最后对系统进行了硬件电路的调试和光纤传输数据实验,结果表明能够通过该光纤网络进行可靠的数据传输。
【关键词】：光纤传输 传感器网络 数据采集 FPGA
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 课题研究的目的和意义9-10
• 1.2 光纤传输的研究现状10-17
• 1.2.1 光纤传输系统的特点10-11
• 1.2.2 光纤传输系统类型11-13
• 1.2.3 光纤传输技术进展13-14
• 1.2.4 光纤传输的多路复用技术14-16
• 1.2.5 光纤传输系统的应用16-17
• 1.3 本文的主要研究内容17-19
• 第二章 光纤网络组网技术研究19-30
• 2.1 光纤线路编码技术19-22
• 2.1.1 扰码19-20
• 2.1.2 插入比特码20
• 2.1.3 mBnB码20-21
• 2.1.4 CMI码21-22
• 2.2 同步技术22-23
• 2.3 光纤传输网络拓扑结构研究23-27
• 2.3.1 光纤传输的相关网络协议23-26
• 2.3.2 光纤网络拓扑结构26-27
• 2.4 基于光纤传输的传感器网络总体方案27-29
• 2.4.1 系统设计目标27-28
• 2.4.2 传感器网络总体方案28-29
• 2.5 本章总结29-30
• 第三章 传感器节点硬件电路设计30-48
• 3.1 传感器节点硬件设计方案30-32
• 3.2 FPGA外围电路设计32-34
• 3.3 串行通讯接口电路设计34-35
• 3.4 模拟量采集电路设计35-38
• 3.5 CAN通讯接口电路设计38-42
• 3.5.1 CAN协议的分层结构38
• 3.5.2 CAN协议的帧类型38-41
• 3.5.3 CAN总线接口方案选择41-42
• 3.6 电源电路设计42-43
• 3.7 时钟电路设计43
• 3.8 FPGA配置电路的设计43-45
• 3.9 光纤收发模块设计45-47
• 3.10 本章小结47-48
• 第四章 系统FPGA逻辑设计48-61
• 4.1 传感器节点的软件设计方案48
• 4.2 FPGA的开发工具及开发流程48-50
• 4.3 硬件描述语言(HDL)50-52
• 4.4 各模块逻辑设计52-60
• 4.4.1 数字接口模块52-53
• 4.4.2 模数转换模块53-54
• 4.4.3 FIFO模块54-55
• 4.4.4 CRC编码校验模块55
• 4.4.5 定义传输协议模块55-57
• 4.4.6 CMI编解码模块57-58
• 4.4.7 时钟处理模块58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 调试与实验61-67
• 5.1 光纤网络实验61-64
• 5.1.1 数据传输实验61-63
• 5.1.2 光纤网络寻址实验63-64
• 5.2 CAN接口的光纤网络数据传输实验64-66
• 5.3 本章总结66-67
• 第六章 结论与展望67-69
• 参考文献69-72
• 附录72-74
• 在学期间的研究成果74-75
• 致谢75

【参考文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 廖加文;基于FPGA的高清视频光纤传输系统的研究与实现[D];中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）;2013年

2 胡健;聚合物光纤收发模块及其在工控领域应用研究[D];中国科学技术大学;2012年

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本文编号：595722