基于光纤通信的汽车照明及信号控制系统
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作者:秦航
摘要：光照和信号的时延差异，使汽车照明及信号控制系统无法对两种不同的光源进行同步控制，而利用光纤通信技术可以极大地改善系统的可靠性，并有效地降低成本。光纤通信利用光的产生、传播、接收、解调等特点，可以改善光的传送性能，实现对数据的转换。据此，对汽车照明及信号控制系统进行了概述，并分析了光纤通信的优势，介绍了其在汽车照明信号控制中的应用。
关键词：光纤通信；汽车照明；信号控制
中图分类号：U463 收稿日期：2022-11-02
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.014
1 前言
汽车照明、信号控制系统担负着汽车照明、信号灯、电动喇叭、倒车、刹车等控制功能。传统的汽车照明和信号控制系统采用开关、继电器、特殊的电子振荡器等控制方式，控制信号是由专用线束控制，]有自我诊断的能力。车辆在行驶中，如果转向灯等关键控制信号发生故障，很难被司机发现，从而易导致交通事故发生。
2 系统概述
2.1 OTU的基本结构及功能
OTU是一种微型的光通信接口处理器，其主要功能可分成两种：a.用光电接头与车载控制箱相连接的单独的电子控制模块；b.采用先进的光电界面处理器（OEM），可以直接将OTU与车内的其他设备相连，也可以将OTU与其他传感器或交通工具系统直接相连。
2.2 光纤通信模块的设计特点
由于光纤通信模块采用单光子（SFP）方式，所以其能量传输的速度最小。在该系统中，OTU采用了两种光学模块，即调制激光器、光电二极管和RF。在OTU的硬件设计中，由于OTU的性能差异，各有各的优缺点[1]。为了达到最大的发射速度和最小的衰减，在使用调制激光技术时，必须实时地控制光子发射，但当使用光纤传送技术时，这两个性能都能得到体现：
a.采用载波转换技术和光调制技术来进行单光子的传输；b.利用光电二极管技术来达到最大的传输率和最小的衰减；c.利用光电二极管技术来测量信号的高精度。这些特点对提高OTU硬件性能，保证系统的安全性，提高OTU的可靠性，具有十分重要的意义。
2.3 光学检测器件
OTU的光学探测装置是经OTU加工后的光学元件，它可以侦测到来自激光光源的脉冲（OTU能够识别它们的不同种类，从而控制它们的工作），并且将这些脉冲信号传送给OTU，使OTU能够精确地显示驾驶的车速和地点，OTU的OTID特性这一特点使得OTU能够监测、识别和维持与整个照明系统的同步。另外，OTU可以对传感器附近的异常状况进行自动识别，并能快速、可靠、准确地传输信号，从而达到对汽车的自动控制。
2.4 ADC及信号控制模块的配置要求
目前，光纤通信中常用的光纤接口主要有LVDS/UDP单接口和基于Zigbee的SIPS接口。由于车内信号处理系统的输入是光学信号，所以在传输过程中需要有很高的速率和抗干扰性。在此，通信速率的需求与车辆所使用的光纤通信速率有关：通常ADC模组可以以较高的带宽与车辆相连，并且必须使用功率较低的半导体元件，如Power Semiconductor；而低带宽是一种高性能、小体积、低功耗的光纤通信系统的理想选择[2]。
3 光纤通信的优势与应用
3.1 抗电磁干扰
光纤通信具有很强的抗干扰性能。在信号处理系统中，由于没有电感，所以不会受到电磁干扰。即便是受到了电磁干扰，它也能通过发送和接收来完成。在车辆的灯光与信号控制系统中，对电磁感应的要求较低。相反，很多电子装置（例如电动车和移动电话）的噪音会对它们的信号进行探测。这样的干扰会消除某些无线信号，使其在光纤通信不能工作。
3.2 低成本
采用光纤作为数据传送媒介，使光信号能够直接传送到交通工具中，不需附加辅助装置，因此不需进行其他的结构和设计。同时，在汽车使用 OSIS的时候，它可以把一个输入的光信号变换成另外一个输出，这样就可以把该车的内部信息传输到其他的车辆。当使用光纤通信方式时，传统的信息传送可以被转化成数字的信息传送，因此降低了系统的发展费用和安装数目[3]。
3.3 低功耗
由于传统的无线通信系统采用单一的点对点频率传输，因此会增加接收器的功耗。而光纤通信技术可以在全车的灯光传送中进行多点的点到点的数据传送，所以它的功耗也相对较低。另外，光纤通信技术可以在很短的时间内完成与交通工具有关的数据传送，这对于汽车的应用是非常有利的[4]。
4 系统硬件平台与工作原理
本系统采用3个单片机组成的多机控制系统，实现了汽车的照明和信号控制。该系统的主电子控制装置 ECU（ECU）对全部的输入控制信号进行集中编码，并以串行的方式经由光纤传送至前ECU（安装于车辆前部）和后ECU（装配于车辆的尾部）。前后ECU的平行输出口由光电隔离器输出控制信号，分别控制车辆前端（尾部）的照明和信号设备，以及前后车灯和信号设备。当ECU发生故障时，ECU会立即将错误代码发送给ECU，ECU会发出警报，并将错误代码显示出来。在图1中显示了系统的硬件平台。
4.1 电子控制单元
本系统主要ECU为AT89C51，AT89C2051为主要 ECU，前ECU为后ECU。AT89C51内置4 KB可编程FlashE2PROM、128字节RAM、16比特计时/计数器、串口1个、中断电源6个、I/O引脚32个、3级程序内存、24 MHz的静态操作频率。AT89C2051内置2 KB可编程FlashE2PROM、128字节RAM、16比特计时/计数器、芯片内模拟比较器1个、串行通信端口1个、中断电源6个、I/O引脚15个[5]。
4.2 光纤发射/接收器
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HFBR-1414/2416是光纤发送/接收设备。HFBR-1414/2416具有820 nm的波长、155 MBd的最大传输距离、4 km的最大传输距离、-40～+85 ℃的工作温度、50/125 Hm、62.5/125/m、200/mHCS光纤、ST、SC、SMA、FC4种不同的接头。HFBR-1414纤维发射机包含一种高效率的光激发的铝砷化物发光发射机，它能以60 mA的DC电流激发，将820 nm的波长（12 dBm）的光功率提供给光纤[6]。HFBR-2416型光纤接收机是一种高效率的 HN型光电二极管，是低噪音的交叉阻型前置放大器，通过光电二极管将光信号变换为模拟电信号，放大后再通过射极输出装置进行缓冲，其动态范围可达到23 dB，频率响应范围从DC到125 MHR不等。
4.3 工作原理
主要ECU使用两个具有同样存储格式的控制字来编码和存储全部的输入控制信号，如图2所示。
在1 ms的时间内，主要ECUTo定时中断，并生成一个3 ms周期的方波信号来控制喇叭。在To中断的情况下，进行250次的软件计算，生成一个周期性的方波信号，其频率为每分钟80次。
在输入切换信号改变时，或计时时间到达，或软计数达到时，将第一个对应的控制字设置为对应的比特，或使比特反向。在主要ECU的时间为1.5 ms对两个控制字进行比较，在两个控制字之间存在差异时，主要ECU会利用串行接口来发送一个更新信号，第二个控制字由第一个控制字进行更新[7]。
当接收到来自主要ECU的控制信号时，前后ECU将其与已有的控制信号相比较。如果是不同的，则对输出控制信号进行更新。控制信号存储格式如表1所示。
5 基于光纤通信的汽车照明信号控制应用
5.1 光学天线阵列提供多种光纤连接方式
光谱技术对实现光纤通信的高速发展具有重要的意义。光纤通信装置采用两种不同的单线传输速率，不需要特殊的电路，因为它不需要考虑到光信号的复杂解调，也不需要在光的处理和传送中使用软件编码。这种方法是以单一光检测器与一组具有一定传送带宽及效能的光天线组合为基础。光纤通信因其带宽高、价格低廉等优点，在高速数据传送中得到了广泛应用[8]。为适应高速光学收发机的发展，需要一种高性能的单片机设备，如DSP，能够接收、解调、传输海量的信息，以及诸如 ASIC之类的高速光学收发机。所以，单光子发射机、双光子发射机以及基于光纤的超宽频带光学收发机（OFDM）就成了一个很好的解决办法。但是，这些方案要求系统的稳定性、带宽和成本都非常高。
5.2 多模光纤接收增强车载LED光效，减少成本
与传统的汽车照明方案比较，采用多模式的光纤通信技术可以节约车辆的总造价20%。此外，采用多模光纤通信技术将其与计算机相连，可节省60%的电路板空间。在采用多模式光纤通信的情况下，由于可以通过一条光缆进行通信，所以车辆的照明设计就不再是一个重要的问题。为了保证每个光纤中的信号格式都是一样的，必须进行大量的预处理。尽管这种方法的造价较高，但是在大多数的车辆灯光系统中都是可行的。这种方法还可以用于将多模式光纤替换为离散的器件（可以减少成本）。因为单根纤维和光纤线上的所有纤维是一样的，所以可以从不同的角度进行传送[9]。采用多帧调制技术实现光学信号的传输是一种有效的方法。通过编码器对每个帧进行控制，有效地降低了使用离散器件所造成的成本和质量损失。通过在相同的线路上建立多个信号，光纤通信可以简化应用程序。在多模式光纤接收装置到多模式LED/UV变换系统中，多个信号的产生和传输数据的时间是1 ms。
5.3 采用多模光纤技术，降低光纤通信信号延迟
多模光纤是光纤通信技术的一大优点，但也有许多不足之处。因为每个光信号都是一个模式，而光信道中存在多个信道，所以，光纤通信必须为每一信道选择不同的数据传送协议和光纤通信协议。这是汽车系统的一个重要问题。大量的交通灯采用了诸如WDM-A之类的高速光学传送协议。
光纤通信协议采用了许多不同的光纤协议。在传统的光纤协议中，一般都采用WDM方式来实现单模信号的传输和协议的功能，但在双模方式下，利用多模方式传送单模信号，并利用多路复用接线实现对不同数据链路的控制。多模光纤的数目越多，传送的结果就越好，所以在光纤通信协议中引入多种双模方式，既可以增加传送速度，又可以减少延迟，也可以改善性能，减少成本。多模方式能够在多个波段、多信道上进行传输。
利用光电耦合器、光学时钟等各种不同的光信道传输协议，可以进行发送、接收、解调，从而达到更好的传输效果。这种光纤通信方式也可以应用到更多的光学信道数据采集和控制算法中，从而改善光纤通信的性能。
5.4 多模光纤传输距离远，达到100%传输速率
随着车辆的电气化、智能化不断升级，需要更多的车内储存和信息交流。这些要求为光纤通信带来了广阔的市场机遇。在同一车辆中采用多模光纤可以实现100%的数据传输，但同时也要考虑系统的设计、成本、安全性和可靠性[10]。利用LC波导多模光纤收发信机及组件会使整个系统的组件和装置的大小得到很大的改善。另外，在车载监测系统中，采用LC波导模块，可以将其与其他系统如车载控制IC、HUD等进行集成，从而大大降低了设计费用，缩短了装配周期。
6 结语
基于光纤通信技术的优越性，相对于传统的车辆照明和信号控制，该系统不但可以达到较远的传输距离，还可以降低车辆周边地区的能耗，同时也可以方便司机使用，能够减少诸如转发器之类的信号接收机和诸如电路板之类的处理单元的数目。此外，即便是使用常规的网络，其距离也要比使用光猫时缩短一个量级，如两辆汽车之间的间隔100 m。与传统的网络相比，该系统在性能上也有明显的优越性。
参考文献：
[1]陈渝光，廖仕利，陈新岗基于光纤通信的汽车照明及信号控制系统[J]重庆大学学报（自然科学版），2004，27（5）：25-27
[2]肖永清光纤照明技术给汽车增添精彩[J]交通与运输，2010，26（3）：44-45
[3]高同辉，王怀玲蓝牙技术在汽车驾驶盘控制系统的应用[J]机械与电子，2014（2）：64-66+67
[4]李佳鹏汽车灯罩自动化生产线控制系统的设计与应用[D]北京：北京化工大学，2020
[5]胡力勤基于LonWorks技术停车库智能照明控制系统的设计与实现[D]上海：上海海洋大学，2015
[6]刘秋林基于行车环境的汽车自适应前大灯照明系统的研究[D]哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015
[7]熊东，黎小娇，李庆文，等汽车转弯自动照明控制系统数据采集滤波方法[J]重庆大学学报，2016，39（3）：68-74
[8]彭仁翔光纤在汽车照明系统上的应用研究[J]光源与照明，2010（1）：35-38
[9]陈恩策，黄莹，唐厚君基于LIN总线的汽车照明系统软硬件开发[J]电气自动化，2013，35（4）：22-24
[10]彭威，郑晓婷基于以太网通信的智能照明控制系统设计[J]装备制造技术，2020（7）：46-49
作者简介：
秦航，男，1987年生，讲师，研究方向为汽车检测c维修、职业技术教育。
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