基于單片機(jī)的多路模擬、數(shù)字、脈沖信號的光纖傳輸設(shè)計(jì)

光纖通信帶寬大、信噪比低、抗干擾能力強(qiáng)，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。文中選用C8051F410單片機(jī)作為微處理器，結(jié)合其他外圍電路設(shè)計(jì)出一款光纖傳輸組件，并介紹了包括模塊的整體架構(gòu)、硬件電路搭建、軟件開發(fā)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄等內(nèi)容。該組件具有體積小、精度高、操作簡單的特點(diǎn)，實(shí)用價值明顯。

光纖通信在現(xiàn)代通信領(lǐng)域的地位日趨重要，因其具有帶寬大、信噪比低、抗干擾的特點(diǎn)在工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛。某新品研制中需要一款能夠同時傳輸多路模擬電壓信號、脈沖控制信號及故障指示信號的傳輸組件，若采用傳統(tǒng)的電纜傳輸方式將不可避免地存在體積大、重量沉及傳輸性能受外界電磁輻射干擾大的問題?；谝陨锨闆r，文中采用以光纖通信的方式設(shè)計(jì)了一款實(shí)用的傳輸組件，滿足新品設(shè)計(jì)要求。

1 整體架構(gòu)
光纖傳輸組件是指以光纖作為傳輸信道的功能器件，通常包括發(fā)射端、接收端、光纖跳線3部分。主要原理即是在采集端實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，在接收端實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，通過光纖實(shí)現(xiàn)兩端通信的連接。由于其特殊的傳輸材質(zhì)和模式，使得光纖傳輸組件可滿足在某些特殊工作環(huán)境下的要求。組件主要由前端采集模塊、后端接收模塊和傳輸光纖3部分組成，整個組件架構(gòu)如圖1所示。兩端模塊均以C8051F410單片機(jī)為工作核心。對于電壓待檢信號，在發(fā)射端通過OP491GRU運(yùn)放器隔離輸入單片機(jī)內(nèi)部A／D，將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)壓縮打包經(jīng)電光轉(zhuǎn)換電路發(fā)送至接收端。在接收端經(jīng)光電轉(zhuǎn)換讀取信息，單片機(jī)接收解壓后，D／A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)檢測電壓的讀出；對于接收端控制信號，則選用觸發(fā)緩沖器SN74LVC2G17兩路輸入功能，將控制狀態(tài)的高低兩種信號轉(zhuǎn)為3．3 V電信號傳至單片機(jī)處理。通過電光轉(zhuǎn)換傳輸至發(fā)送端，采集端單片機(jī)處理該數(shù)據(jù)，并對數(shù)字電位器發(fā)送控制信號，提供相應(yīng)的電阻值；考慮到故障信號、脈沖信號的及時傳輸特點(diǎn)，文中在激光器、探測器電路搭建中直接架構(gòu)相應(yīng)的驅(qū)動器，以實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。

　　整個組件可實(shí)現(xiàn)傳輸4路模擬電壓信號、一路故障保護(hù)信號、兩路脈沖信號和兩路可調(diào)電阻信號。具體指標(biāo)為：電壓傳輸幅度：輸入0．5～4．5 V，輸出0．5～4．5 V；電壓傳輸精度≤0．4％FS；故障保護(hù)信號傳輸延時≤200 ns；傳輸脈沖幅度15±0．5 V；傳輸脈沖寬度1～200μs；傳輸脈沖工作比為20％；可調(diào)電阻輸出范圍為0．2～4．5 kΩ。

　　2 硬件電路

　　2．1 運(yùn)放隔離電路

　　輸入電路用以實(shí)現(xiàn)電壓信號與采樣電路的電氣連接。對模擬電壓信號，首先用電阻分壓，將各路電壓分壓到一致的電平上，再用運(yùn)放進(jìn)行緩沖，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和增強(qiáng)驅(qū)動能力；運(yùn)放用于緩沖輸入信號并實(shí)現(xiàn)輸入端與采樣電路的隔離。同時具有較高的輸入阻抗，對輸入電路不會產(chǎn)生影響，且輸出阻抗較低，故對采樣電路也不會造成影響。本設(shè)計(jì)采用的運(yùn)放是OP491GRU，其電壓輸入范圍0～3 V，其4路規(guī)格正好滿足指標(biāo)要求，對每一路運(yùn)放而言，輸出電壓為輸入電壓的1／2，輸出電壓范圍(0．25～2．25 V)，小于A／D基準(zhǔn)電壓2．5 V，輸出電壓信號可直接接入單片機(jī)相關(guān)I／O接口。

2．2 故障輸入、輸出電路
故障保護(hù)信號需快速傳輸至低壓端，在高壓端設(shè)置輸入電路將輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平信號，進(jìn)行光驅(qū)動，并轉(zhuǎn)換為光信號。在低壓端，用光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號，并轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)驅(qū)動電路輸出。在發(fā)射端選用SN74LVC2G06DCK驅(qū)動芯片提供每路大約32 mA的工作電流，且響應(yīng)時間較快達(dá)到ns級，激光器HFBR1424二極管工作導(dǎo)通電流約為60 mA，驅(qū)動器的兩路輸出并聯(lián)滿足設(shè)計(jì)要求。

　　在接收端選用SN74AHC1G14施密特觸發(fā)器芯片，其在5 V供電條件下，輸出高電平可達(dá)4 V。輸入信號高低電平遲滯可達(dá)(0．5～1．6 V)，可以有效避免因外界特殊情況所引起的錯誤故障指示。

　　2．3 脈沖控制輸入、輸出電路

　　對于兩路觸發(fā)脈沖信號，在接收端設(shè)計(jì)電路采用SN55452BJG雙路外圍驅(qū)動芯片，高低為0～15 V的脈沖控制信號經(jīng)輸入端電阻分壓后加入該芯片，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)與非運(yùn)算后輸出0～5 V的數(shù)字電平信號。SN55452BJG輸出端為低電平時，芯片可提供約60 mA的驅(qū)動電流導(dǎo)通光模塊二極管，來實(shí)現(xiàn)脈沖電信號與光信號的轉(zhuǎn)換。

　　在發(fā)射端設(shè)計(jì)高速接收判決電路，利用MAX626ESA驅(qū)動芯片在其15 V供電的情況下可輸出0～15 V的脈沖電壓信號，實(shí)現(xiàn)了接收端脈沖信號到發(fā)射端的傳輸，傳輸延遲在技術(shù)要求范圍以內(nèi)。同時該芯片的帶寬滿足傳輸脈沖寬度1～200μs的要求。

2．4 可調(diào)電阻信號傳輸電路
對于兩路可調(diào)電阻輸出信號，在采集端設(shè)置接口電路，接收外部輸入的控制信號，經(jīng)施密特緩沖器SN74LVC2G17采集控制信號，并利用器件的兩路傳輸固有功能設(shè)計(jì)區(qū)分兩種電阻控制狀態(tài)，傳輸至接收端單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該緩沖器同時具備抑制反向電流的作用，可防止因電源意外斷電而導(dǎo)致的內(nèi)部電路損壞。
在高壓端，單片機(jī)接收控制信號，選擇阻值最大為10 kΩ的可控?cái)?shù)字電位器X9C103I，根據(jù)控制信號的內(nèi)容，調(diào)節(jié)電位器輸出阻值，因此實(shí)現(xiàn)可調(diào)電位輸出。如圖8所示。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 信號采集

　　采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字化信號處理和光纖數(shù)字化傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方法，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸均以數(shù)字化方式進(jìn)行。數(shù)字化信號處理方式具有精度高、性能好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。文中選用SILICon公司的C8051F410單片機(jī)，其內(nèi)部帶有多路模擬開關(guān)，兩個12 bit分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ISL21009BFB825Z芯片提供外部2．5 V基準(zhǔn)電壓，定時采樣四路輸入模擬電壓信號，并將其轉(zhuǎn)換為量化的數(shù)據(jù)字節(jié)存儲在不同的設(shè)定起始單元。該單片機(jī)對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行信號處理和打包傳輸，使多路信號合并為一路數(shù)據(jù)，且多路信號的傳輸只需通過一根光纖即可完成。

　　3．2 數(shù)據(jù)自檢

　　本設(shè)計(jì)采用通用的CRC校驗(yàn)法，在內(nèi)存地址中存放與組件發(fā)射端自檢有關(guān)的信息，將自檢的結(jié)果信息編碼后放入內(nèi)存。把包含有信號轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和自檢信息的內(nèi)存地址作為一組整體數(shù)據(jù)，對該組數(shù)據(jù)從首字節(jié)開始進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)編碼，直至末字節(jié)。編碼后的兩字節(jié)附加信息放入存放信號數(shù)據(jù)內(nèi)存的地址后面，作為校驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸時含有校驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀按時序要求發(fā)送，接收端接收數(shù)據(jù)后根據(jù)設(shè)定的算法解析出CRC碼，并判斷傳輸數(shù)據(jù)是否有誤。一旦數(shù)據(jù)失真，則該數(shù)據(jù)作廢，并發(fā)出重新發(fā)送信號給發(fā)射端。

　　4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　4．1 電壓傳輸信號

　　技術(shù)要求：電壓傳輸幅度為0．5～4．5 V，電壓傳輸精度≤0．4％FS。

　　分別向高壓端的4路電壓信號輸入端輸入0．500 V、1．500 V、2．500 V、3．500 V、4．500 V的電壓信號，用萬用表測低壓端對應(yīng)的4路電壓信號輸出端的輸出電壓，數(shù)據(jù)如表1所示。

4．2 故障保護(hù)信號
技術(shù)要求：故障保護(hù)信號傳輸延時應(yīng)≤200 ns，用信號發(fā)生器向高壓端脈沖信號輸入端輸入頻率為1 MHz，高電平為5 V，低電平為0 V的方波信號。用示波器測低壓端對應(yīng)的信號輸出端輸出的方波信號上升沿與高壓端輸入方波信號上升沿的延時，即為故障保護(hù)信號傳輸延時。其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

4．3 脈沖控制信號
技術(shù)要求：傳輸脈沖寬度1～200μs，幅度15．0±0．5 V。用信號發(fā)生器分別向低壓端的2路脈沖信號輸入端分別輸入寬度為1μs、100 μs、200μs，脈沖幅度為15 V的信號，用示波器測高壓端對應(yīng)的2路脈沖信號輸出端輸出信號的脈沖寬度和幅度；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

4．4 可調(diào)電阻測量
技術(shù)要求：可調(diào)電阻輸出范圍為0．2～4．5 kΩ。向接收端17腳、18腳、19腳、20腳加入控制信號，測量發(fā)射端17腳和18腳之間，19腳和20腳之間的電阻。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

4．5 數(shù)據(jù)分析
由以上數(shù)據(jù)可見，電壓傳輸信號測量輸入電壓與輸出電壓最大相差4 mV，精度為0．08％Fs，滿足<0．4％FS的技術(shù)要求。故障保護(hù)信號傳輸延時為100 ns，小于技術(shù)要求的200 ns。脈沖控制及可調(diào)電阻測量如表3和表4所示，均實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，符合指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語
以C8051F410單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一款可傳輸多路模擬、數(shù)字、脈沖信號的光纖傳輸組件，該組件設(shè)計(jì)新穎、體積小、抗干擾能力強(qiáng)。目前已成功應(yīng)用在某新型整機(jī)設(shè)備中。