基于无源光通信的单灯检测与控制模块设计

（中国民用航空总局第二研究所 科研开发中心，成都 610041）

机场助航灯光系统是保障机场正常运行的重要环节，是飞机在夜间和复杂天气条件下顺利起飞、着陆和滑行的必要目视助航设备[1]。随着航空业务量的不断攀升，机场吞吐量的日益增加以及对机场运营成本的控制，现有机场助航灯光及其控制系统均难以满足现代航空业助航和引导的新需求。近期昆明机场和深圳机场对ADB公司基于电力载波数据传输方式的应用结果表明，系统故障较多、检测误报率高，国内外也有基于CAN总线的机场跑道灯控制系统的研究[2]，但受传输距离、节点数量、数据传输可靠性和带宽等问题的制约，其推广和应用难度较大。

基于无源光通信技术的助航灯具单灯监控系统，具有可靠的检测与控制功能，可以有效地解决系统故障多、检测误报率高等问题，提高助航灯光控制系统的可靠性，从而保证机场正常运行。

1 总体设计

助航灯单灯监控系统主要由上位机控制软件、局端OLT（optical line terminal）和单灯检测与控制模块组成。上位机控制软件实现对助航灯具的总体路由规划与地址分配、接收灯具的状态信息和发送开关灯控制命令。局端OLT设备提供无源光纤网络的光纤接口，一端连接上层网络，完成无源光通信网络的上行数据接入；另一端连接助航灯单灯检测与控制模块，实现对助航灯具的控制、管理等功能。助航灯单灯检测与控制模块实现对灯具工作状态的检测和控制，总体设计原理如图1所示。

图1 总体设计原理Fig.1 General design schematic diagram

2 硬件设计

助航灯检测与控制模块主要由处理单元、通信单元、灯具工作状态检测单元、灯具控制单元和电源单元组成。灯具工作状态检测单元提取灯具的温度、湿度、电流及电压信号，经过信号调理电路后送到处理单元进行数据处理，并将处理结果经通信单元进行电光转换，通过光纤链路发送到远程控制主机。通信单元接收来自远程控制主机下发的控制命令，经过光电转换后送处理单元进行协议解析，触发灯具控制单元实现灯具的开、关、闪烁等操作。电源单元主要为助航灯检测与控制模块上各单元提供工作电源。

2.1 通信单元

通信单元的设计选用市面上较为成熟的带无源光通信技术协议的光电转换模块，完成数据传输协议的编码和解码以及光电信号的相互转换。

无源光通信技术协议的光电转换模块都为1000 M的数据传输速率，要实现与其互连通信，一种是直接选用支持1000 M MAC的处理器，但这种处理器价格较为昂贵；为了降低成本，本设计采用另一种方案，即选用带低速MAC的MCU，在MCU与无源光通信技术协议的光电转换模块之间加入速率转换单元，完成不同数据速率间的匹配。

速率转换单元选用工业级的Marvell交换芯片88E6046，它集成了2个GE口和4个FE口，能很好地满足设计需求，将其中一个GE端口属性设置为支持1000-Base-X Fiber SEDERS接口，通过耦合电容与光电转换模块进行连接，PCB走线阻抗控制在100 Ω；另一个GE端口属性设置为支持100 M 的MII接口，与MCU的MAC相连，从而实现1000 M与100 M数据速率之间的相互转换，同时MCU通过串行数据线实现对交换芯片内部寄存器的读写操作，其原理如图2所示。

图2 通信单元原理Fig.2 Communication unit schematic diagram

2.2 处理单元

处理单元是助航灯单灯检测与控制模块的核心控制部分，其核心芯片选用带有Cortex-M3内核的32位互连型处理器STM32F107，内部集成256 KB的Flash和高达64 KB的SRAM，同时还包含10/100 M MII接口、16个12 bit的ADC采集通道、I2C接口、GPIO接口、UART接口等，最高主频可达72 MHz[3]。在本设计中，MII接口用于连接通信单元，以实现控制器与远程控制服务器的通信；ADC的2个通道分别连接至电压和电流检测电路，以实现助航灯单灯检测与控制模块对灯具电流电压值的检测；I2C接口用于连接温湿度采集电路，实现对灯具内部温湿度值的检测；GPIO接口连接到灯具控制单元，响应远程控制命令，控制助航灯具的开或关。处理单元利用固件控制芯片各个接口，实现助航灯检测与控制模块的检测与控制功能。

2.3 灯具工作状态检测单元

为保证助航灯光系统的正常运行，需要实时监测每个助航灯具的电压和电流来判断灯具的工作状态。助航灯具采用有效值为2.8 A～6.6 A的五级恒流源供电，因此要在宽输入动态范围下保证系统的采集精度，充分利用ADC的采集有效位数，需要设计合理的信号调理电路，将传感器上的电压和电流信号经过滤波、衰减调理至适合ADC的转换范围，MCU定时启动转换并将转换结果经过真有效值计算后，得到灯具实际的电流电压值，从而判断出助航灯具的开关状态以及工作的光级，并保存记录等待上传。

温湿度的检测采用高精度低功耗数字型温湿度传感器，通过I2C接口与MCU相连，保证MCU能实时获取灯具内部的温湿度参数，实现对灯具内部温湿度参数的监测。灯具检测单元原理如图3所示。

图3 灯具检测单元原理Fig.3 Light detection unit schematic diagram

2.4 灯具控制单元

助航灯单灯检测与控制模块接收来自远程计算机的数据包后，对数据包进行解析，并依据解析出的命令控制灯具控制单元响应相应的开关灯操作，以实现对灯具的控制。处理单元通过GPIO端口连接驱动电路，驱动电路与继电器控制线圈相连，继电器的触点与灯具并联。当MCU响应控制命令时，在控制引脚上输出高电平或低电平，控制继电器的闭合或断开，同时回读继电器的工作状态，以保证控制命令的准确执行。灯具控制单元原理如图4所示。

2.5 电源单元

电源单元主要包括二级变压器、输入保护电路、整流电路、恒流稳压电路。电源单元将输入的恒流源转换为稳定的恒压源，为助航灯单灯检测与控制模块上各单元供电。电源单元原理如图5所示。

图4 灯具控制单元原理Fig.4 Light controlling unit schematic diagram

图5 电源单元原理Fig.5 Power supply unit schematic diagram

3 软件设计

助航灯单灯检测与控制模块的软件设计建立在UCOS II操作系统上，它具有可裁减、抢占式、实时多任务的特点，同时在内核中运行LWIP协议栈[4]，实现与上位机基于TCP/IP的通信连接，完成对助航灯具的检测与控制。

3.1 通信协议

为保证助航灯单灯检测与控制模块和远程控制软件的正常通信，提高系统的稳定性，在TCP/IP协议基础上建立标准的通信协议，通信协议格式为“包头+数据+校验+包尾”，每个数据包的包头均以EB90开始，以00AA结束，如图6所示。如果控制器收到无效的数据包，将做丢包处理，只有满足协议的有效数据包才被解码。

图6 通信协议Fig.6 Communication protocol

3.2 程序设计

程序采用模块化设计的方式，系统程序主要包含初始化模块、电压电流采集模块、温湿度采集模块、通信模块、灯具控制模块等。助航灯单灯检测与控制模块上电后，首先完成对时钟、中断、外设等硬件和LWIP协议栈的初始化，然后判断网络的连接状态，待与远程控制软件成功连接后，启动数据采集子函数采集温度、湿度、电压和电流值，并调用TCP函数周期性地向远程控制软件发送实时数据。利用中断方式实时响应计算机发出的开关灯命令，程序流程如图7所示。

图7 软件设计流程Fig.7 Software design flow chart

4 测试结果

为了验证系统的可靠性和单灯检测与控制模块的功能，对模块进行了系统性的测试。测试环境主要包括1台PC机、1台交换机、1台OLT、1个分光器、3个单灯检测与控制模块、3个助航灯具等，PC机与交换机相连，交换机通过双绞线连接到OLT，OLT设备通过光纤连接到分光器上，分光器分出的支路连接到3个单灯检测与控制模块。在测试环境搭建完成后，分别测试模块在上行与下行方向的性能，以验证单灯检测与控制模块的检测与控制功能。

在下行方向，远程控制软件下发控制指令，当单灯检测与控制模块接收到来自远程控制软件的命令后，响应该命令控制继电器动作，实现灯具的开或关的操作。试验测试500次远程控制任意灯具，单灯检测与控制模块均正确响应控制指令。

在上行方向，单灯检测与控制模块实时检测灯具工作状态，同时将状态参数周期性地发送到远程控制软件，在解析数据包后，远程控制软件实时显示当前灯具状态信息。试验通过远程控制软件连续接收并记录灯具状态信息，测试时长为24 h，再用记录的采集数据与实际数据相比较，判断测试结果是否正确。经过严格测试后，试验结果均正确，具体试验结果如图8与图9所示。

图8 灯具状态参数检测与传输结果Fig.8 Light state parameter detection and transmission test result

图9 实时灯具状态检测结果Fig.9 Real-time light state detection result

通过以上试验，测试了助航灯单灯检测与控制模块在上行和下行方向的数据传输的稳定性，验证了助航灯单灯检测与控制模块的检测与控制功能。实验结果表明各项技术指标都在预期设计范围内，证明了基于无源光通信接入网技术的助航灯单灯检测与控制模块方案的可实现性和系统的可靠性。

5 结语

将无源光通信接入网技术引入到民用机场助航灯光控制系统，解决了复杂电磁环境下信号远距离实时可靠传输问题。设计中选用大功率的控制继电器，不仅适用于新型的LED助航灯具，也适用于传统的卤素灯具。通过系统软硬件的联调验证，取得了较为理想的效果，为国内先进的机场场面活动引导与控制系统的发展提供了技术支撑。

[1]李青云.民用机场助航灯光监控系统现状及发展趋势探究[J].价值工程，2010，29（20）：149.

[2]王莉，徐华中.基于CAN总线分布式机场跑道灯控制系统[J].计算机测量与控制，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.