好神奇！LED灯能够组成军用可见光通信网

目前军用飞机执行任务过程中机舱内的通信几乎全部依赖于有线传输方式，机组人员查看态势、接收 发送指令、操控设备以及彼此之间的交互均需通过部署在特定位置的显示屏或操作台位完成m。这种有 线接入系统的模式使得机组人员活动范围极度受限，对于承担远程长时任务的飞机，还造成机组人员在休 息时无法有效跟踪任务进展情况，影响工作效率。针对有线传输带来的问题与不便，民用客机的解决方案 是采用WiFi技术在机舱内构建无线接入网。然而，基于WiFi的无线接入使得传输信息面临被窃听和 截获的威胁，难以满足军用飞机对信息安全保密性的要求。军用飞机机载无线接入网的建立需要采用一种 更加安全的无线接入技术。

因此，可见光通讯作为一种新技术获得重视。可见光通信是一种新型的无线通信技术，利用LED发光二极管发出的肉眼觉察不到的高速明暗闪烁信号来传输信息。可见光无线通信能够 利用LED照明设备进行，只要灯光照到的地方，就可以进行数据传输。与传统无线通信技术相比，可见 光通信具有绿色环保、频谱资源丰富、无电磁干扰、安全、保密性好等一系列优势。对于电磁兼容性和信 息安全保密性都有很高要求的军用飞机而言，可见光通信为机载无线接入提供了一种较为理想的技术选择。

香港大学电子工程系首先在1999年提出可见光通信概念，随后日本学者紧随其后对可见光通信技术展开了较为深入的研究，领先取得了众多研究成果。2008年，欧盟启动了发展1Gbps以上速率超高速家庭接入网的OMEGA项目，所搭建的测试网络最高传输速度达300Mbp。2011年，美国、德国、挪威和以色列共同成立了LiFi联盟，进行航天系统中的可见光通信技术研宄。

在飞机和航天器中，可用作可见光无线接入点的设备主要有LED照明设备以及LED背光显示屏。照明设备是飞机各舱室必备的设备。相比于白炽灯和荧光灯，LED是一种具 有更高能效的固态照明设备，白炽灯和荧光灯所主导的照明领域正在被LED灯逐步接管。为了达到要求的 照明效果，LED照明设备通常为由多个LED组成的LED阵列。阵列形式可选择线形阵列、圆形阵列 等。机舱内配置的众多LED照明设备为基于可见光通信的机载分布式协同接入网的建立提供了丰富的接 入点资源。为了达到舱内全覆盖，可对照明设备重新布局，或者根据需要增加一定数量的LED照明设备。

此外，军用飞机机舱内的不同位置配置有多个显示屏。例如，操作舱的每个操作台位均配置有显示屏，而休 息舱一般也会配备一个或多个显示屏。目前主用的显示屏为液晶显示屏（Liquid Crystal Display，LCD)。 由于LCD面板本身不具有发光特性，必须依赖背光源提供充足的亮度和分布均匀的光源，来达到显示的 功能。与其他背光源相比，LED具有发光效率高、宽广色域、省电、寿命长、环保等诸多优点，是LCD 背光源的发展方向。因此，具有LED背光的显示屏也可作为基于可见光通信的机载分布式协同接入网 的接入点。

基于可见光通信的机载分布式协同无线接入网由分布式接入点和中心协同处理器组成。 机舱内散布于不同位置的LED灯和LED背光显示器构成一个个分布式接入点，各接入点通过骨干网（如 光纤）连接到中心协同处理器。各接入点的信号在中心协同处理器集中协同处理。

散布于各处的分布式接入点能够缩短平均接入距离，降低系统的平均发射功率，并有效提高系统容量, 达到机舱内高效全覆盖的效果。中心协同处理器将各接入点的信号集中协同处理，能够利用分集效应提升 信号质量，同时有效消除不同接入者之间的相互干扰。

基于可见光通信技的机载分布式协同无线接入网的构建包含一系列关键技术，主要包括宽带调制技术、 协同干扰抑制技术、协同传输技术、LED布局优化以及信道模型构建等。例如，由于LED发光原理以及 LED光的非相干特性，调制带宽是可见光通信面临的一个极大挑战。另外光线反射引起的多径传播，会带来码间串扰等等。

一文读懂：PROFIBUS通讯时，如何将电缆转化光纤？

PROFIBUS现场总线大多使用RS485进行串口的通讯，但有些情况下，也可以将电缆转化为光纤进行通讯，OLM就是这样一款设备。

OLM使用起来非常方便，不需要进行更多的设置，如果没有特殊的情况，几乎不需要设置什么，默认状态可以直接使用。但用户往往对OLM上的拨码设置开关感到很迷惑，不知怎样设置，这里简单做个介绍。详细内容请参考相关手册，这里只把手册中的关键部分做一解释。

图1 OLM

一、功能介绍

OLM的功能设定都通过模板上的拨码开关进行，OLM侧面有一些说明帮助用户进行设定。

1.1RS 485 网段监视（Segmentmonitoring at the RS 485 port） 该功能用于每个接收设备对于所连接到的RS485网段中的故障帧或者网络堵塞情况的监测。当接收设备接收到故障帧或者网络堵塞时间长于最大的帧发送时间时，或者当一秒钟以上没有接收到信号时，接收到的信号将被“Block”而不再被转发到其它端口，直到网络中能够重新接收到新的报文。如果该RS485网段没有激活该功能，则来自电气网段的干扰将影响整个网络。以下的功能仅限于光纤。

1.2光路监视（Line monitoringwith echoes） 模板对于光路的监测，分别有”Send echo“, ”Monitor echo“ 和 ”Suppress echo“ 等三个功能。

Send echo通过任意端口接收到的报文都被转发到所有其它端口。如果接收端口是一个光纤接口，接收端口将向相应的发送端口发回报文。

Monitor echo当一个模板发送一个报文（不是“echo”报文）到一个光纤口，则该光纤口将期望能够得到一个回应（“echo”）。如果在一段时间内（时间周期是预置的）没有收到回应报文，则会产生“echo”监测的故障，红色故障灯将点亮。

Suppress echo当一个数据报文被发出时，接收设备会被与其它的端口隔离开，直到响应报文（“echo”）被正确地接收。

Segmentation如果光纤接口上出现一个“echo”监测故障或者检测到一个有问题的报文，模板将假定该线路出现问题，并且将冻结这个端口不再接/发用户数据。所连接的总线部分将被分割出整个网络。同时，该分割也将引起所连接的光纤的另外一端也被分割。

所有的连接到该被分割出来的网段的模板都将发送测试报文到这些被隔离出来的端口。这些测试报文可以用来测试这些总线段的状态。如果所有的模板通过测试报文都可以确认该网段不再有问题，则该网段的分割状态将自动取消。如果所有的部件都被“冻结”，则模板的分割状态将自动轮换，用以测试其连接到相邻模板的光路的状态。如果没有报文堵塞，而网络连接又是正常的，则相应端口的黄灯将周期闪烁。

二、拓扑结构

OLM的拓扑结构一般有以下几种：

点对点连接

线性拓扑

星形拓扑

冗余光纤环网

在各拓扑结构中的连接中需要遵守的原则请参考手册。比如，使用光纤连接时，相应光纤端口的设置须相同，不同型号的OLM不能用光纤进行连接等等。

2.1线性拓扑

图2 线性拓扑

线性拓扑结构的监视功能 包括：

Send echo: yes

Monitor echo: yes

Suppress echo: yes

Monitor: yes

Segmentation: yes

当选择了监视模式时，连接在该光纤两端的模板将同时对该连接进行监测。一旦监测到故障，则连接中断，同时PROFIBUS网络被分割成两个网段，故障指示灯亮，直到通过测试报文监测到网络恢复正常。

注意：如果网络中有多个活动的站点（主站），则有网络中可能形成两个逻辑令牌环，每次当两个网段合成一个网段时，有可能产生双令牌或者报文冲突。另外，当一个双口的OLM模板被用在线型网络的终端时，没有连接网段的那个光纤端口一定不要设置“监视”功能，而且最好不要将保护部件取下以保证端口不要被灰尘覆盖。

2.2星形拓扑

图3 星形拓扑

在星形拓扑结构中，不同型号的OLM都可以混用。请注意:在星形网络中，所有模板的CH1的必须设置为“Monitoroff”（S0=1），这样RS485端口不会被网络所分割，以保证星形网络的最大程度的可用性。没有使用的光纤端口也不要设置监视功能。网线的连接应该非常牢固，以防止某一部分的干扰进入整个网络。在星形网络中的所有电气网络终端注意设置终端电阻。做为星形主干网部分的电气网段（Electricalstar segment）不要连接网络设备。

2.3冗余环网

图4 光纤冗余环网

这种拓扑结构实际上是线性网络拓扑的一种特殊形式。“闭合”的光缆保证了网络的高度安全性。冗余的光纤环网必须使用双光纤端口并且是相同型号的OLM。

冗余环网结构的监视功能 包括：

Send echo: yes

Monitor echo: yes

Suppress echo: yes

Segmentation: yes

环网光纤的中断将导致环网转化为线性网络。如果是OLM模板故障，则连接在该模板上的设备将从网络中被分割，其它网络设备变成线性连接。同时红色故障指示灯亮。当故障消失后，网络自动恢复为环形冗余结构。

请注意， 使用冗余环网应该具备以下条件：

必须保证所有的OLM型号一致。

所有的OLM上均须设置“Redundantoptical ring”。

所有的OLM必须通过光纤端口进行连接，不能有RS485端口。

Profibus网络的参数MIN TSDR必须>=11。网络组态过程中，站地址的设置尽量低，尽量减少故障状态导致主站“Timeout”的次数。

当冗余网络发生故障（例如断线），将有一个切换时间，在这段时间内，数据可能无法正常地传输。为此，建议将主站报文的重复次数的设定（Retry）至少设为3次。同时当网络恢复环网时，也将没有额外的报文表示网络已经恢复正常。即便当主站访问到一个设备地址但该设备并不存在时，主站将会周期性地试图寻址该设备，并等待该设备的响应，直到所设定的“slot time”超时（“GAP request”），OLM接受这种状态，并将线形网络恢复成冗余环网。

组态上也需要注意： －最高站地址（HSA）是一个地址范围，站地址的分配应该在0到HAS之间，并且不要将0和HSA分配给某个具体的站，而且要保证“gap”的地址间隔；否则当故障消失后，网络不能自动闭合，并且故障指示灯和故障信号接触线圈（图5）也不会复位。

图5 故障线圈

该线圈的使用方法请参考手册，这里不再详细介绍。 “slot time”设定应接近非冗余网络结构的两倍，具体见下面的计算公式。

其中：“Slot time” 表示监控的“位”时间；“Length OF”所有光纤的(被分割网段)总长，单位是km；“Number OLM”网络中所有OLM的个数。

a, b 和 c按照表中的波特率来选择：

表1a 冗余环网中 DP standard 协议计算Slot time参数

表1b 冗余环网中 DP/FMS (universal) 协议计算Slot time参数

上表标注1) ：使用OLM/G11-1300 和 OLM/G12-1300 当波特率为12 MBit/s, 6 MBit/s, 3 MBit/s 和 1.5 MBit/s 时，最小的“slot time”应当按照下表设定。

表2 最小的slot time设定

这个计算公式中，所有的参数都是针对光纤的网络的，该公式中，默认通过OLM上的RS485的总线段的长度最长为20m，如果超过这个距离，要把超出的部分加到光纤的长度参数（Length OF）中进行计算。当然，RS485的网段可以超过20m，只是超出部分需要参与计算。如果slot time 的时间过小，OLM的系统指示灯将报警：红色/绿色交替闪烁。

三、光纤接收端口信号的检测

图6 光纤端口电压检测插孔

两个光纤通道CH2/CH3的信号强度能够通过电压表来测量，其信号强度符合下面的图示。

图7 光纤端口的信号强度与检测电压的关系

如果接收端口上的光纤断线，则检测电压将从正常范围降为非正常的范围（比如从600mV降低到100mV以内甚至为0mV），但这里仅仅检测的是接收端口上的信号，如果发送端口断线，通过这种方法是检测不出来的。

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