光子载电能传输装置
技术领域
本发明属于光电传输技术领域，尤其涉及适用于光子载电能传输装置。
背景技术
随着海洋水文监测及海底观测网技术的发展，各种能源/数据传输技术应用在海底传感器节点上，以扩展观测点。
然而，目前的能源/数据传输技术中，大多是采用网线传输，但在针对低功耗设备供电、高速数据远距离传输(例如传输距离超过70m)的需求时，通信速率随传输距离增加而变弱，导致远距离供电及数据传输的效率均不高；并且由于需将能源与数据分开传输，大大增加了布线与检修的复杂度。
发明内容
本发明的目的在于提供光子载电能传输装置，旨在解决由于现有技术中远距离传输的供电及数据传输效率不高的技术问题。
本发明提供了一种光子载电能传输装置，包括数据能源耦合单元、数据能源解耦单元和光纤，所述数据能源耦合单元与所述数据能源解耦单元通过所述光纤连接，所述数据能源耦合单元将数据和电能以不同波长的光波信号耦合后，通过所述光纤传输给所述数据能源解耦单元，所述数据能源解耦单元对接收的光波信号解耦后获得数据和电能，实现数据和电能的同时传输。
可选的，所述数据能源耦合单元包括设备端接口模块、第一半导体激光器、泵浦激光器、光波分复用器，所述数据能源解耦单元包括传感器端接口模块、第二半导体激光器、光电转换模块、光波分解复用器；所述设备端接口模块通过所述第一半导体激光器与所述光波分复用器连接，所述泵浦激光器与所述光波分复用器连接，所述光波分复用器与所述光纤连接；所述传感器端接口模块通过所述第二半导体激光器与所述光波分解复用器连接，所述光电转换模块与所述光波分解复用器、所述传感器端接口模块连接，所述光波分解复用器与所述光纤连接。
可选的，所述数据能源耦合单元和所述数据能源解耦单元均包括光学环形器、光电二极管滤波器；所述设备端接口模块分别通过所述第一半导体激光器、光电二极管滤波器与光学环形器连接，所述光学环形器与所述光波分复用器连接；所述传感器端接口模块分别通过所述第二半导体激光器、光电二极管滤波器与光学环形器连接，所述光学环形器与所述光波分解复用器连接。
可选的，所述第一半导体激光器和所述第二半导体激光器均为VCSEL激光器。
可选的，所述设备端接口模块包括第一FPGA高频处理器和第一MCU微控制器，所述传感器端接口模块包括第二FPGA高频处理器和第二MCU微控制器；所述第一MCU微控制器与所述泵浦激光器、所述第一FPGA高频处理器连接，所述第一FPGA高频处理器连接与所述第一半导体激光器连接；所述第二MCU微控制器与所述第二FPGA高频处理器连接，所述第二FPGA高频处理器连接与所述第二半导体激光器连接。
可选的，所述第一FPGA高频处理器包括第一DIV、第一PLL、第一发射器、第一接收器，所述第二FPGA高频处理器包括第二DIV、第二PLL、第二发射器、第二接收器；所述第一PLL与所述第一DIV连接，所述第一DIV与所述第一发射器、所述第一接收器连接，所述第一MCU微控制器与所述第一发射器、所述第一接收器连接；所述第二PLL与所述第二DIV连接，所述第二DIV与所述第二发射器、所述第二接收器连接，所述第二MCU微控制器与所述第二发射器、所述第二接收器连接。
可选的，所述数据能源解耦单元还包括功率转换模块，所述光电转换模块通过所述功率转换模块与所述传感器端接口模块连接。
可选的，所述功率转换模块包括DC/DC变换器和储能器。
可选的，所述光电转换模块包括多个呈分布式的光伏电池。
可选的，所述数据能源解耦单元还包括FIFO存储器。
本发明的光子载电能传输装置包括数据能源耦合单元、数据能源解耦单元和光纤，数据能源耦合单元与数据能源解耦单元通过光纤连接，据能源耦合单元将数据和电能以不同波长的光波信号耦合后，通过光纤传输给所述数据能源解耦单元，数据能源解耦单元对接收的光波信号解耦后获得数据和电能，实现数据和电能的同时传输。使在设备和小区域范围监控、海底观测通信/能源系统中，将光子作为传输能源的载体，以光纤作为传输能源的介质，在同一光纤链路中，利用不同波段的光路，实现在传递数据信号的同时传递能源，大大减小了布线施工、检修供电线的复杂程度。
附图说明
图1示出了本发明实施例一提供的光子载电能传输装置的结构示意图；
图2为本发明实施例二提供的光子载电能传输装置中传感器端接口模块的构示意图；
图3为本发明实施例二提供的光子载电能传输装置中设备端接口模块的构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例一：
图1示出了本发明实施例一提供的光子载电能传输装置的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
本发明实施例示出的光子载电能传输装置包括数据能源耦合单元、数据能源解耦单元和光纤，所述数据能源耦合单元与所述数据能源解耦单元通过所述光纤连接，所述数据能源耦合单元将数据和电能以不同波长的光波信号耦合后，通过所述光纤传输给所述数据能源解耦单元，所述数据能源解耦单元对接收的光波信号解耦后获得数据和电能，从而实现数据和电能的同时传输。
在低功耗设备和小区域范围监控、海底观测通信/能源系统中，将光子作为传输能源的载体，以光纤作为传输能源的介质，在同一光纤链路中，利用不同波段的光路，实现在传递数据信号的同时传递能源，大大减小了布线施工、检修供电线的复杂程度。
具体的，如图1所示，数据能源耦合单元包括设备端接口模块(如图1中的设备端光/电/网络接口模块)、第一半导体激光器(例如VCSEL激光器7)、泵浦激光器(1)、光波分复用器(6)，所述数据能源解耦单元包括传感器端接口模块(如图1中的传感器端光/电/网络接口模块)、第二半导体激光器(例如VCSEL激光器7)、光电转换模块(9)、光波分解复用器(17)。
所述设备端接口模块通过所述第一半导体激光器与所述光波分复用器(6)连接，所述泵浦激光器(1)与所述光波分复用器(6)连接，所述光波分复用器(6)与所述光纤(8)连接；所述传感器端接口模块通过所述第二半导体激光器与所述光波分解复用器(17)连接，所述光电转换模块(9)与所述光波分解复用器(17)、所述传感器端接口模块连接，所述光波分解复用器(17)与所述光纤(8)连接。
可选的，所述数据能源耦合单元和所述数据能源解耦单元均包括光学环形器、光电二极管滤波器，所述设备端接口模块分别通过所述第一半导体激光器、光电二极管滤波器与光学环形器连接，所述光学环形器与所述光波分复用器连接；所述传感器端接口模块分别通过所述第二半导体激光器、光电二极管滤波器与光学环形器连接，所述光学环形器与所述光波分解复用器连接，从而实现能源、数据的上下行链路。
基于光波复用的原理，数据能源耦合单元中，将电能通过泵浦激光器1转换为光能，并通过光电二级管滤波器4、VCSEL激光器7构建数据传输的上行、下行链路；最终通过光学环形器5、光波分复用器6、光波分解复用器17实现光子能量、数据传输共用一条链路。
本发明通过光纤实现能源/数据的传输，采用光波分复用器(核心器件为多层干涉膜滤波型复用器)将波长不同的光信号合成一束，通过单根光纤传输，采用光波分解复用器将同一根光纤送来的多波长信号经光波解复用器(核心器件为光纤耦合型解复用器、或光纤布拉格光栅型解复用器)分解为各个波长、分别输出。如图1所示，λ2、λ3的光波分别用于下行和上行的数据的传输，λ1的光波用于能源传输，从而实现在传输能源的同时进行数据传输。在设备端利用光波分复用器6将不同波段光路进行合路，在传感器端利用光波分解复用器分离不同光路，基于上述原理建立完整的数据传输链路。
在数据能源耦合单元中，能源通过高功率光源泵浦激光器(1)转换为激光能。λ1选用在传输损耗小、远端光伏转换的效率高的波段，以提高传输功率。泵浦激光器(1)采用DFB驱动器进行驱动。
光波分复用器(6)将三路光信号融合到传输光纤上，在该装置中三路光信号λ1、λ2、λ3可采用波分方式共用一芯光纤，或采用3芯光纤分别接入3个波段的光波。
在能源数据耦合单元端，光学环形器(5)用于分离λ2的下行光波信号、λ3的上行光波信号。光学环形器(5)以最大强度将光波从一个端口传输到下一个端口，进入端口1的λ2下行光波信号退出端口3，进入端口3的λ3上行光波信号退出端口1。
在数据能源耦合单元端，经过VCSEL激光器(7)，将下行数据转换为λ2波段的光波信号。通过光电二级管滤波器4与λ3的光信号进行耦合，将上行光波信号转换为上行电信号数据流。双向数据和功率通道通过光波分复用器(6)、光波分解复用器(17)进行叠加或分离。
设备端接口模块需要能完成数据与能源传输装置的硬件连接和交互界面，如控制、配置、数据获取等；在传感器端应该能将传感器的能源接口、数据接口连接到数据与能源传输装置上。该接口电路的设计上，在设备端和传感器端，均基于一个低功耗的FPGA高频处理器(3)和MCU微控制器(2)。
MCU微控制器(2)为数据处理与传输模块，通过模拟电路ADC模块，直接外挂数据量小、采集频率低的传感器；针对采集频率高、数据量大的观测仪器，单独设计低功耗的FPGA高频处理器(3)，FPGA高频处理器(3)一端连接观测仪器，一端连接MCU微控制器(2)，根据数据量传输的大小进行FPGA和MCU设计和调整。
MCU微控制器(2)是一个ARM Cortex M3框架的嵌入式低功耗芯片，提供RS232/RS485、网口等外部接口，实现不同总线下的数据采集、数据传输控制。
FPGA高频处理器(3)是POF的光路交互的低功率器件。根据具体应用需求，提供数据信号接口、光信号接口，将设备及传感器连接到FPGA高频处理器(3)，然后通过I2C、SPI、串口等建立与MCU微控制器(2)连接。
在能源数据解耦合端，由光纤载波的λ1、λ2、λ3三路光信号，经光波分解复用器17，分离为λ1和λ2、λ3两组。λ1波段光子通过光电转换模块(9)进行电能转换。优选的，光电转换模块(9)包括多个呈分布式的光伏电池，从而将光功率分布在多块分布式光伏电池上，大大提高了转化效率，避免电池饱和。
在能源数据解耦合单元端，光学环形器(5)用于分离λ2的下行光波信号、λ3的上行光波信号。进入端口1的λ3上行光波信号退出端口3，进入端口3的λ2上行光波信号退出端口1。数字信号上行传输是采用λ3波段VCSEL激光器7。
光纤用于传输能量/数据时，远距离传输主要为光纤8衰减、拉曼效应带来的功率损耗。λ1、λ2和λ3各个不同波段的功率损耗有一定差异。此外，光波分复用器(6)、光波分解复用器(17)、光学环形器(5)均有损耗。
本实施例中针对数公里光纤8长度的能源/数据传输为需求进行设计。对不同的应用需求和条件，在输入的功率、光纤的类型、光纤长度和光纤载波等方面，可进行调整。
实施例二：
图2示出了本发明实施例二提供的光子载电能传输装置中传感器端接口模块的构示意图，图3示出了本发明实施例二提供的光子载电能传输装置中设备端接口模块的构示意图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
设备端接口模块和传感器端接口模块均包括FPGA高频处理器(3)和MCU微控制器(2)。
MCU微控制器(2)和FPGA高频处理器(3)通过SPI协议进行通信。MCU微控制器(2)是传感器端主要组件，一方面接收来自设备端的下游帧数据/命令，读取配置、激活/关闭相关传感器。另一方面FPGA高频处理器(3)用于数据的传输/接收。在FPGA高频处理器(3)中实现下行曼彻斯特数据解码和上行曼彻斯特数据编码，当一个新的下行帧可用时，由FPGA高频处理器(3)触发中断请求(IRQ)通知微控制器，MCU微控制器(2)提取数据并执行相关操作。
在图2中，外部16位模拟数字转换器ADC ADS8326(11)和FPGA高频处理器(3)的SPI至曼彻斯特发射器(12)、曼彻斯特至SPI发射器(15)之间的直接SPI通信链路。该设计是针对高采样率观测仪器的要求，如水听器高频观测，不选用MCU微控制器(2)传输，而是通过FPGA高频处理器(3)传输，从而达到高速、高比特率数据传输的目的。MCU微控制器(2)微控制器有两个接口协议，即通过SPI与FPGA高频处理器(3)通信，通过串行RS232与MCU微控制器(2)通信。
在图2中，FPGA高频处理器(3)与MCU微控制器(2)、ADC ADS8326(11)两个接口之间的数据链路是基于曼彻斯特编码方案的全双工异步链路。通过将数据信号和发送时钟信号组合生成曼彻斯特数字信号。曼彻斯特信号上的多次连续转换，使接收时钟和传入帧之间达到同步。
该装置涉及多种不同速率的通信协议，解码/接收时钟的频率应一致。在应用中，解码/接收时钟的频率是发送频率的两倍。FPGA高频处理器(3)选用的20MHz的外部振荡器，PLL(13)用于获得80MHz的时钟。PLL(13)的80MHz通过DIV(14)输出被按比例缩小以产生编码和同步解码时钟。默认设置为，发送/编码时钟设置为5MHz，接收/解码时钟设置为10MHz。该方法使接收时钟始终与传入帧同步，避免时钟漂移，并获得精确的数据采样。
图3给出了设备端接口模块设计原理图。在设备端，用户可控制整个数据与能源传输装置，通过在MCU微控制器(2)中的TCP/IP以太网协议实现。MCU微控制器(2)端接入ASIXAX88796C(16)，扩展为TCP/IP以太网协议接口。现场可编程门阵列FPGA高频处理器(3)使用的是MICRO SEMIDE套件，为一个低功耗的组件，连接20MHz外部振荡器，用于启动。
在FPGA高频处理器(3)和MCU微控制器(2)之间使用16位并行总线。下游数据传输由MCU微控制器(2)触发，MCU微控制器(2)预先将32位帧写入FPGA高频处理器(3)传输块。当传感器节点接收到该控制帧时，它以一个32位帧应答。然后在设备端接口处，在第一信道IRQ1上触发IRQ，允许MCU微控制器(2)拉取32位数据(两个读取序列)并执行相关的动作。
可选的，数据能源解耦单元还包括FIFO存储器，传感器测量数据(上游数据)可根据传感器的类型以16位或32位帧格式发送。对于低速率的传感器，使用32位帧；对于高速率的传感器，使用16位帧(流数据传输模式)。针对高速率传感器，在设备端接收的数据被连续地保存在一个1024字节FIFO存储器。当FIFO存储满时，触发来自第二信道IRQ2(图3)的IRQ，允许MCU微控制器(2)拉出FIFO内容并将1024字节长的数据上行到用户(UDP/IP流模式传输)。以5MHz为传输频率为例，在流模式下计算的最大数据速率最终为16位帧3.6Mbits/s，32位帧4.2Mbits/s。通过使用更高的发送和接收频率，可以很容易地提高双向链路的比特率。
可选的，功率转换模块(10)包括三个专用DC/DC变换器和一个储能超级电容器组成，例如为5VDC、3.3VDC、12VDC，用于匹配不同仪器的电压标准。第一个DC/DC转换器(线性LTC3426)提供+5V电压，为MCU微控制器(2)核心板供电；第二个DC/DC转换器为3.3VDC，为FPGA高频处理器(3)核心板供电；第三个DC/DC转换器选用德州仪器LM27373的模块，提供12VDC电压，为使用该标准电压的传感器供电，通过2.5F超级电容器完成电压变换，适用于需要更高电流输入、短时间工作的传感器。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
