基于FPGA的数字光端机的研制

摘要

以数字光端机为主体的监控系统是森林防火工程中最重要的组成部分,也是安全防控产品中市场最大、应用最广的产品。本课题来自小精灵科技公司的森林防火远程监控项目,同样适用于高速公路机电工程、城市交通和治安监控、城市轨道交通、发电厂、水利、油田、矿山等安全防护监控系统。
　　 野外森林防火系统的特点是:温度湿度变化大,雾重,工作环境较为恶劣；电源供电制约较多等。本文按照森林防火系统的图像、声音、控制数据、联网的要求,以用价格最便宜的Cyclone系列FPGA作为控制核心,用Verilog HDL编程,基于Protel99SE软件平台、QuartusⅡ软件编译环境和ModelSim仿真界面进行设计和调试,设计了整个数字光端机系统,为实现智能化监控提供了基础条件。光端机硬件主要分为光发射机、光中继和光接收机。光发射机采用LD或LED作为光源,对A/D转换器传来的视频和音频信号用直接检波通信系统的方法进行调制,通过HDMP-1022(Tx)实现锁相环原理、非压缩多路数字视频和音频信号时分复用技术和电/光转换。光发射机的信号还原模块可接收来自光接收机的控制数据。光接收机采用APD作为光检测器,主要接收由光发射机传送来的前端信号或数据,通过HDMP-1024(Rx)实现解复用技术和光/电转换,还原出模拟信号送入相应的设备,并将控制信号转换为光信号送入光纤网络。
　　 文章对方案的实现进行了详细的论述,主要包括系统设计的理论分析,系统结构设计及关键算法,最终验证了该系统的可行性和有效性。
　　 调试结果证明其信号失真小,传输稳定,纠错能力强,实时传输效果好,性价比高,是一套安全可靠的监控系统,完全能满足目前森林防火工程的要求。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景和选题意义

1.2 数字光端机在安防业的应用现状和发展前景

1.2.1 数字光端机的工作原理

1.2.2 数字光端机在安防业的应用现状和发展前景

1.3 森林防火远程视频监控系统特点

1.4 课题的研究手段

1.5 课题的具体任务和技术指标

2 FPGA器件原理及开发环境

2.1 可编程逻辑器件的概念

2.2 可编程逻辑器件的发展历程

2.3 FPGA的基本结构

2.4 主流FPGA厂商简介

2.4.1 Altera公司

2.4.2 Xilinx公司

2.4.3 Lattice公司

2.5 硬件描述语言

2.5.1 硬件描述语言概述

2.5.2 Verilg HDL的特点

2.5.3 FPGA开发流程

3 基于FPGA的数字光端机系统原理

3.1 光纤通信系统的构成

3.2 数字通信的传输码型

3.3 多路复用技术

3.3.1 复用的分类

3.3.2 数字复接

3.3.3 二次群帧结构

3.3.4 码速调整

3.4 锁相环原理

4 数字光端机硬件设计与实现

4.1 数字光端机系统的主要光器件

4.1.1 光纤

4.1.2 光源

4.1.3 光检测器

4.1.4 光无源器件

4.2 数字光端机发射机硬件实现

4.2.1 视频信号采集模块

4.2.2 音频信号采集模块

4.2.3 音频信号还原模块

4.2.4 数据采集及还原模块

4.2.5 中心控制模块

4.2.6 以太网信号传输模块

4.2.7 通信芯片控制模块

4.2.8 激光驱动模块

4.2.9 光电转换模块

4.3 数字光端机接收机硬件实现

4.3.1 视频信号还原模块

4.3.2 通信芯片控制模块

4.3.3 激光驱动模块

4.3.4 光电转换模块

5 数字光端机软件关键算法设计

5.1 通信控制算法设计

5.2 视频A/D采集控制算法设计

5.3 音频A/D采集及还原控制算法设计

5.4 反向数据还原程序算法设计

6 系统调试与分析

6.1 硬件调试及分析

6.2 软件调试及分析

7 总结与展望

参考文献

附录一 :文中缩略语的使用

附录二 :攻读硕士期间的主要学术成果

致谢