Lichtblick

Intelligente Kamera-Sensoren via Glasfaser mit Strom versorgen

Strom aus der Lichtleitung: Zwei Institute in Karlsruhe haben gemeinsam einen Kamera-Sensor entwickelt, der seine Daten per Glasfaser übermittelt und den Strom aus der gleichen Verbindung bezieht. Da Power over Fiber nur wenig Energie liefert, steht Stromsparen an – besonders beim FPGA. Allein der Igloo von Actel erfüllte die Anforderungen.

In optisch versorgten Netzwerken und Systemen (PoF, Power over Fiber) liefert eine Hauptstelle Energie an ihre entfernt liegenden Sensor- oder Kommunikationseinheiten per Lichtfaser (Bild 1). Solche Systeme bestehen im Wesentlichen aus einer Hochleistungslaserdiode in der Hauptstelle, einer Glasfaser, welche die optische Leistung überträgt und einer photovoltaischen Zelle (Konverter), die die optische Leistung in elektrische Energie wandelt. Diese Energie kann eine Elektronikbaugruppe versorgen. Ein weiterer Laser schickt die gewonnenen Messdaten durch dieselbe oder eine zusätzliche Faser zurück zur Hauptstelle.

Bild 1: Der Laser in der Zentraleinheit (links) liefert Licht, aus dem die Photodiode in der Sensoreinheit (rechts) den Strom für die Elektronik gewinnt. Durch die selbe Glasfaser liefert der Sensor seine Messdaten.

Neben den Einsparungen für eine eigene Stromversorgung haben PoF-Systeme etliche Vorteile. Sie sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einflüssen und Störungen sind und eignen sich für den Einsatz in gefährlichen Umgebungen, in denen beispielsweise Funkenbildung vermieden werden soll. Die zentrale Energieversorgung über optische Datenkabel liefert nebenbei eine galvanische Trennung und erlaubt eine breitbandige Datenkommunikation. Wie ein PoF-System in der Praxis aussieht, zeigen das Karlsruhe Institute of Technology (KIT) zusammen mit den Instituten für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) sowie für Technik der Informationsverarbeitung (ITIV). Die von ihnen entwickelte optisch versorgte Sensor/Aktor-Einheit (Bild 2) nimmt mit Hilfe einer beweglichen Kamera ein farbiges Bewegtbild auf, verarbeitet sie und übermittelt einen Videostream in VGA-Auflösung mit 22 Bildern pro Sekunde.

Leistungsfrage

In der Hauptstelle sendet eine Hochleistungslaserdiode auf der Wellenlänge 808 Nanometer eine optische Leistung von 800 Milliwatt zur Versorgung der gesamten Einheit. Zusätzlich wird der Versorgungsstrom der Laserdiode moduliert, um Steuersignale von der Hauptstelle zur entfernten Einheit zu übertragen. Daraus erzeugt im Sensor die photovoltaische Zelle – eine Spezialfertigung des Fraunhofer Instituts für Solare Energiesysteme in Freiburg – eine Zwei-Volt-Gleichspannung mit 40 Prozent Wirkungsgrad. Dieser Spannung ist das hochfrequente Steuerdatensignal überlagert. Der Gleichspannungsanteil lädt einen Kondensator und versorgt die gesamte Sensoreinheit mit Energie. Ein LC-Glied koppelt das Datensignal aus nach Verstärkung durch einen Transimpedanzverstärker dekodieren die digitalen Komponenten der Sensoreinheit das Signal.
Für die Überwachung und Steuerung der Sensoreinheit sind ein Mikrocontroller MSP430 von Texas Instruments sowie ein Igloo- FPGA von Actel zuständig. Der Mikrocontroller übernimmt das Energiemanagement der Sensoreinheit und erfasst mit Hilfe der integrierten AD-Wandler die analogen Messwerte. Hinzu kommen weitere Steueraufgaben, die keine Echtzeitbedingungen erfordern. Aufgrund des geringen Leistungsbedarfs von zwei Milliwatt im aktiven Betriebszustand erlaubt der Mikrocontroller eine sehr flexible Verwendung der Sensoreinheit. Je nach aktuell verfügbarer Leistung am optoelektronischen Konverter können einzelne Komponenten der Sensoreinheit in einen Ruhemodus versetzt werden, wenn beispielsweise die Anzahl der übertragenen Bildern pro Sekunde reduziert werden kann.

Bild 3: Der Igloo-FPGA übernimmt die Vorverarbeitung der Sensordaten, steuert die Kamera und kommuniziert via SPI mit dem benachbarten Mikrocontroller, der für Powermaganement und AD-Wandlung verantwortlich zeichnet.

Arktische Verhältnisse

Auch für den FPGA ist die Betriebsstromaufnahme entscheidend. Deshalb fiel die Wahl auf eine Komponente der Igloo-Serie von Actel. Der FPGA unterstützt den Mikrocontroller bei der zeit- und rechenintensiven Datenverarbeitung in der Sensoreinheit. Dazu gehören neben der Annahme und Pufferung der Videodaten des CMOS-Bildsensors auch die Kodierung des 160 Megabit pro Sekunde schnellen Sendesignals, das eine Drei-Milliwatt-Laserdiode zur Basisstation zurücksendet. Zudem dekodiert der FPGA das Steuersignal vom optoelektronischen Wandler und liefert entsprechende Steuersignale für den MSP430-Mikrocontroller. Dieser hat über ein SPI-Interface beispielsweise die Möglichkeit, empfangene Datenpakete auszulesen und eigene Datenpakete in den Sendedatenstrom einzubringen. Ferner kann der Mikrocontroller auf Konfigurationsparameter des CMOS-Sensors zugreifen und dessen Ausrichtung durch Servomotoren verändern.

Die Versorgungsspannungen von 2,5 beziehungsweise 1,5 Volt für FPGA und CMOS-Sensor liefern zwei effiziente Schaltregler von Texas Instruments, die ihrerseits vom MSP430 Mikrocontroller gesteuert werden. Insgesamt benötigt die Sensoreinheit 160 Milliwatt elektrische Leistung für die Erfassung und Übertragung von 22 Farbbildern pro Sekunde in VGA-Auflösung. Davon benötigt der CMOS-Bildsensor 50 Milliwatt und das Igloo-FPGA 80 Milliwatt. Die restliche Leistung wird für die weiteren Komponenten der Sensoreinheit verwendet oder geht bei der Spannungswandlung verloren.
Die nächsten Schritte in dieser Forschungsarbeit werden darauf abzielen, den Leistungsbedarfs der Elektronik weiter zu senken, insbesondere bei FPGA und Sensoren. In der FPGA-Entwicklung ist aktuell ein sich schnell änderndes Portfolio an Bausteinen zu verzeichnen, welche sich durch weitere Verringerung der Verlustleistung auszeichnen. Der Einsatz rekonfigurierbarer Hardware ist in diesem innovativen Forschungsprojekt von essentieller Bedeutung. Neue Algorithmen zur Vorverarbeitung der Sensordaten durch die Sensoreinheit selbst ermöglichen die effiziente Datenübertragung über den optischen Kanal. Die Datenverarbeitung und -reduktion kostet zunächst zwar Energie, spart dafür aber Energie bei der Übertragung. Die parallele Datenverarbeitung der Bausteine erlauben im Gegensatz zu rein Mikrocontroller-basierten Schaltungen eine höhere Funktionalität bei kleineren Verlustleistungen. Dank der Reprogrammierbarkeit ist es möglich, die aktuell notwendige Algorithmik sogar zur Laufzeit anzupassen.