化学工业过程控制中激光通信系统的设计与实现

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现代化工过程控制中,分布式控制系统(Distributed Control System,DCS)已获得了广泛应用。但是在DCS中,利用传统的微波通信技术把采集的信息从数据采集点传输到操作员工作站的过程中易受其它杂波的干扰,严重影响该控制系统在大化工过程中的可靠性。而无线激光通信系统具有带宽高、成本低、抗干扰能力强等优点,它在实现点对点之间的双向通信方面具有广泛的应用前景。所以,本文提出了利用无线激光通信系统作为DCS中数据传输方式的设想。  本文主要研究内容是设计一种可用于DCS中、并采用基于光电探测器直接耦合的无线激光通信系统,并按照该系统的设计方案选择器件、设计电路、焊接电路等,最终搭建了一个无线激光通信的硬件平台。本文还先后通过现场可编程逻辑门阵列(FPGA)产生的伪随机码和方波分别定性、定量地测试了该硬件通信平台的通信性能。本文的主要研究内容大致分为两大部分:  第一部分是关于该通信系统的硬件平台的搭建工作。该部分主要介绍了本文设计的通信系统的结构和各部分的作用,并重点介绍了一些关键器件的性能特征,再根据所选择器件的性能特征参数利用电子设计自动化软件 Cadence Design Systems设计了发射端系统和接收端系统的电路原理图。  第二部分是关于该无线激光通信系统的通信性能测试工作。该部分主要是利用 FPGA产生了不同频率的伪随机码,再利用该伪随机码调制发射端,通过分析接收端在伪随机码作用下形成的眼图来定性评估该通信系统的性能指标。另外,本文还通过测量不同频率方波的峰峰值,计算出不同频率信号的消光比,从而对该通信系统的通信性能进行定量分析。经过分析可知,本文设计的无线激光通信系统可以用于DCS中的短距离、低波段的信息传输。  最终制作的无线激光通信系统硬件平台的性能指标如下:激光波长为650nm;激光平均功率为:5.5mW;适用信号频率范围是1~12MHz;通信距离在1km以内;平均灵敏度为3.5μW(即-24.56dBm)。
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