基于FPGA及OFDM的矿用动力载波通信系统的研究与实现

摘要

目前，煤矿井下通信网络已延伸至顺槽，但由于综合采煤面环境恶劣，采煤机与顺槽之间的通信长期以来是矿井下通信的难点，因此实现采煤机与顺槽之间有效的数据交换，对实现综采自动化，以及高产、稳产、高效的开采工艺具有重要的意义。而融合了信道编码的OFDM技术已经逐渐成为第三代PLC（电力线载波通信）核心技术，已逐渐被推广到路灯控制、矿井通信等领域，应用前景十分广阔。
　　本论文采用了最新发布的G3-PLC窄带电力线载波通信协议、信道编码OFMD调制技术、CAN总线技术，基于FPGA和dsPIC33F系列器件设计了一款矿用动力线载波通信数据传输系统，用于煤矿综合采煤工作面的采煤机与顺槽监控中心之间的双向数据传输。
　　在本系统的硬件设计中，主要采用Altera公司CycloneⅢ系列EP3C80F780C8N芯片作为G3-PLC协议的基带编码、解码核心;以Microchip公司的dsPIC33FJ64GP706A芯片作为CAN总线网络的主处理器;并对系统的部分硬件模块的实现原理、过程进行了详细的分析、描述。其中电路模块主要包括DAC输出驱动增强及外围电路、差分电流转单端电压电路、6阶Sallen-Key结构有源低通滤波器电路、单端信号转差分信号电路、ADC前端驱动及接口电路、动态调整范围达80dB(-25dB～55dB)的AGC自动增益控制电路、CAN总线隔离接口电路、高压耦合电路等，同时在附录给出了电源的“软启动”控制电路。
　　在本文的软件设计中，首先在MATLAB平台采用Zadoff-Chu序列重新设计了帧同步前导，并对帧同步前导、G3-PLC载波协议进行了仿真验证。然后通过MPLAB IDE8.90集成开发环境、XC16 C语言编译器，采用C语言完成了基于dsPIC33FJ64GP706A控制器的CAN总线波特率自适应算法编程以及数据的接收、转发主控程序编写，测试了自适应检测时间。最后在Altera公司的QuartusⅡ9.0平台上，采用Verilog语言完成了基于Coded-OFDM的G3-PLC协议的基带编码、解码算法，对其中的加扰、解扰、帧前导输出、添加循环前缀与加窗、帧组合输出、IFFT/FFT接口处理、基于延时自相关的粗同步算法、基于本地互相关的细同步算法、DQPSK/DBPSK解映射模块实现过程进行了详细的分析、说明，并在Modelsim SE10.1c仿真平台下对以上模块进行了仿真。
　　最后，本文搭建了2套系统硬件平台，使用VS2008软件设计了一款上位机测试软件，对系统进行了模拟对接整机单向通信测试，包括系统的帧误码率、丢帧率、累计错帧率等。结果表明，系统空载发射峰峰值达到19.8V，CAN总线波特率自适应检测正确，整机通信链路正常，编解码正确，帧误码率、丢帧率、错帧率为0，达到了系统样机初期设计效果。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究意义

1．3 当前研究现状

1．4 本课题主要研究工作及安排

第2章 基于OFDM的载波系统总体设计及相关通信技术协议

2．1 系统的总体设计框架

2．1．1 载波通信系统发射通道系统框架设计

2．1．2 载波通信系统接收通道系统框架设计

2．2 OFDM技术基本原理及其优势

2．2．1 OFDM技术基本原理

2．2．2 OFDM的IFFT／FFT实现

2．2．3 OFDM技术的优缺点

2．3 G3-PLC窄带载波协议物理层架构

2．3．1 G3-PLC协议物理层基本模型

2．3．2 G3-PLC协议系统基本参数

2．3．3 G3-PLC帧结构组成及相关概述

2．4 CAN现场总线技术标准

2．4．1 CAN现场总线概述

2．4．2 CAN总线的数据帧结构

2．4．3 CAN总线网络主要特点

2．5 本章小结

第3章 矿用载波通信收发系统硬件电路设计

3．1 本设计系统主要芯片的基本概述

3．1．1 FPGA器件简要说明

3．1．2 dsPIC控制器概述

3．2 PLC发射通道部分电路模块设计

3．2．1 发射通道DAC芯片选型

3．2．2 I／V电流转电压输出电路

3．2．3 DAC输出驱动增强电路

3．2．4 有源低通滤波器电路

3．2．5 单端信号转差分信号电路

3．3 PLC接收通道部分电路模块设计

3．3．1 ADC信号采样电路连接设计

3．3．2 AGC自动增益控制电路选择设计

3．3．3 ADC接收通道测试

3．4 动力载波通信系统高压耦合电路设计

3．4．1 耦合电路的分类与选择

3．4．2 高压耦合电路的设计

3．5 发射接收系统CAN总线隔离电路

3．6 本章小结

第4章 基于G3-PLC的OFDM基带编解码系统的FPGA实现

4．1 FPGA系统设计流程及相关概述

4．2 系统基带部分参数选择

4．3 dsPIC自适应波特率设计及相关控制

4．3．1 dsPIC系统工作主流程

4．3．2 波特率自适应的方案设计

4．3．3 波特率自适应时间的检测

4．4 G3-PLC协议的MATLAB设计与相关仿真

4．4．1 SYNCP帧前导的MATLAB设计与仿真

4．4．2 G3-PLC协议的MATLAB仿真

4．5 G3-PLC协议部分模块的Verilog实现

4．5．1 帧前导符号生成

4．5．2 数据加扰和解扰

4．5．3 IFFT／FFT变换

4．5．4 循环前缀添加与加窗

4．5．5 系统帧组合输出

4．5．6 OFDM帧l司步检测

4．5．7 DQPSK／DBPSK解映射

4．6 本章小结

第5章 系统硬件测试与性能分析

5．1 载波通信系统的整体硬件平台

5．2 系统测试与性能分析

5．2．1 系统FPGA实现的RTL视图

5．2．2 系统FPGA实现资源消耗

5．2．3 系统测试结果分析

5．3 本章小结

第6章 系统设计全文总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 系统设计研究展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢

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