基于雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器設(shè)計(jì)方案

1.引言

在一些設(shè)備或裝置中需要在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部件之間進(jìn)行相互通信，傳輸如視頻信號(hào)、音頻信號(hào)、控制信號(hào)、傳感信號(hào)等?，F(xiàn)今使用的旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法主要有：

1)采用光纖旋轉(zhuǎn)連接器，但是該器件必須安裝于旋轉(zhuǎn)軸中心或允許偏離中心很小的距離，在一些旋轉(zhuǎn)軸中需要進(jìn)行液壓、氣壓傳動(dòng)以及需要布設(shè)其他線路的場(chǎng)合則不適用，且機(jī)械加工精度要求也較高;

2)采用集電環(huán)，但是隨著信號(hào)傳輸路數(shù)的增加需要相應(yīng)增加集電環(huán)數(shù)，使信號(hào)傳輸可靠性降低，且容易受到環(huán)境電磁干擾;

3)采用光電耦合進(jìn)行非接觸信號(hào)傳輸，目前文獻(xiàn)中存在一些利用紅外耦合實(shí)現(xiàn)在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部件之間的通信的方案，但是紅外發(fā)射與接收電路及信號(hào)變換電路集于光電耦合板中且光信號(hào)軸向發(fā)射，使旋轉(zhuǎn)連接件體積較大在一些空間受到限制的場(chǎng)合難以應(yīng)用。

為了解決上述旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法中的一些不足，本文提出一種基于光電耦合技術(shù)的旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳輸裝置。該旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳輸裝置在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部件之間以光為信號(hào)載體進(jìn)行非接觸信號(hào)傳輸，使用發(fā)光二極管(LED)和光電二極管作為光發(fā)射器件與光接收器件，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械加工精度要求低，易于組裝和安裝，且成本低。

2.裝置組成及原理

本裝置由信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅰ、信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅱ、光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件三部分組成，如圖1所示。

2.1 光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件

如圖2所示，光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件套在設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，旋轉(zhuǎn)套管固定于轉(zhuǎn)動(dòng)軸隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定套管通過法蘭結(jié)構(gòu)與設(shè)備的固定平臺(tái)連接?？紤]到在光電傳輸?shù)倪^程中，外界光輻射以及發(fā)光LED在套管內(nèi)壁的反射光也會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸可靠性造成影響，對(duì)因此在固定套管內(nèi)壁涂有吸光涂層以吸收外界光輻射和反射光。

2.1.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)套管隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)套管和固定套管上的LED和光電二極管發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其空腔內(nèi)形成360度覆蓋的復(fù)合光場(chǎng)，使光電二極管轉(zhuǎn)到任意角度時(shí)都能接收到來(lái)自相對(duì)的LED發(fā)光管的光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)中傳遞信號(hào)。

2.1.2 發(fā)光LED及與光電二極管數(shù)量的確定

如圖3所示，若已知LED發(fā)光管的發(fā)射全角為α，光電二極管的接收全角為β，固定套管內(nèi)壁半徑為R,旋轉(zhuǎn)套管外壁半徑為r,設(shè)固定套管上的光電二極管數(shù)量為n個(gè)，臨界數(shù)量為Q1個(gè)，固定套管上的LED發(fā)光管數(shù)量為m個(gè)，臨界數(shù)量為Q2個(gè)，則臨界數(shù)量Q1、Q2應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

同時(shí)要使兩通道光信號(hào)不相互干擾還應(yīng)滿足約束條件：r/R>sin(α/2)。

要使信號(hào)雙向傳輸時(shí)各個(gè)光電二極管能穩(wěn)定正確接收信號(hào)，應(yīng)使固定套管上的LED發(fā)光管的數(shù)量m大于[Q2]個(gè)，光電二極管的數(shù)量n大于[Q1]個(gè)，其中[Q1]、[Q2]分別表示Q1、Q2的整數(shù)部分。

2.2 信號(hào)收發(fā)電路模塊

信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅰ位于設(shè)備的轉(zhuǎn)臺(tái)或轉(zhuǎn)軸上，信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅱ位于設(shè)備的固定部分，信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅰ、Ⅱ功能相同，有兩個(gè)作用：

1)將設(shè)備轉(zhuǎn)軸上或固定平臺(tái)上的發(fā)來(lái)的電信號(hào)變換為能夠驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電信號(hào);

2)將光電檢測(cè)信號(hào)放大并經(jīng)過波形的整形穩(wěn)幅后發(fā)送給設(shè)備轉(zhuǎn)軸上或固定平臺(tái)上的控制系統(tǒng)。

信號(hào)收發(fā)電路模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于發(fā)光LED與相應(yīng)的接收光電二級(jí)管處于相對(duì)旋轉(zhuǎn)之中，光電二極管接收到的有效光功率并不穩(wěn)定，而是處于波動(dòng)狀態(tài)，因此得到的光電檢測(cè)信號(hào)也是波動(dòng)的。一般由于光電檢測(cè)信號(hào)較弱，在輸入信號(hào)收發(fā)電路模塊后首先要通過放大電路對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)波形上升和下降速度變慢，波形穩(wěn)定部分也會(huì)有一定的波動(dòng)。因此信號(hào)波形還要經(jīng)過整形穩(wěn)幅電路處理以提升其上升和下降速度同時(shí)使波形平穩(wěn)。

3.實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

由于在旋轉(zhuǎn)連接部件中光信號(hào)發(fā)射與接收是在相對(duì)旋轉(zhuǎn)中進(jìn)行的，光場(chǎng)的分布會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸質(zhì)量造成影響。實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理，為此測(cè)試了雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器對(duì)物理層中位信號(hào)的傳輸性能，包括誤碼率的大小、輸入連接器的信號(hào)與輸出連接器的信號(hào)波形比較。實(shí)驗(yàn)的電路原理圖如圖5所示。

3.1 器件選擇

光發(fā)射器件可以選用紅外LED、白光LED、激光二極管等，光接收器件可以選用PIN光電二極管，光電三極管等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外發(fā)射與接收器件目前已廣泛應(yīng)用于遙控、遙測(cè)和短距通信等領(lǐng)域。

在本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中選用市售具有較高響應(yīng)速度的紅外發(fā)光二極管和光電二極管作為連接器中的光通信器件。選用單片機(jī)作為轉(zhuǎn)臺(tái)上的信號(hào)發(fā)送與接收控制器，用微機(jī)作為上位機(jī)，兩者通過RS232串口和旋轉(zhuǎn)連接器連接通信。為降低線路復(fù)雜性，轉(zhuǎn)臺(tái)上的電路使用9v層疊電池穩(wěn)壓為5v做電源。[!--empirenews.page--]

3.2 信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅰ、Ⅱ的電路

光電二極管一般有兩種工作模式：光伏模式和光導(dǎo)模式。在光伏模式時(shí)，光電二極管可以非常精確地線性工作;在光導(dǎo)模式下，光電二級(jí)的切換速度較高，但具有明顯的非線性，同時(shí)即使在無(wú)光條件下也會(huì)產(chǎn)生暗電流引入噪聲。光電二級(jí)管暗電流大小與溫度有關(guān)，在溫度變化較大的場(chǎng)合噪聲較強(qiáng)，會(huì)使信號(hào)傳輸誤碼率大大增加，需要加入溫度補(bǔ)償電路。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)較理想的條件下進(jìn)行，環(huán)境溫度不大，光電二極管工作在光導(dǎo)模式。圖6為光電檢測(cè)信號(hào)的兩級(jí)放大與整形穩(wěn)幅電路，圖7為L(zhǎng)ED發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路。各元件具體參數(shù)値根據(jù)實(shí)際選擇調(diào)整。

3.3 誤碼率測(cè)試

誤碼率(BER:bit error ratio)是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率=傳輸中的錯(cuò)誤碼元數(shù)/所傳輸?shù)目偞a元數(shù)。信號(hào)衰變、噪聲、交流電或閃電造成的脈沖、傳輸設(shè)備故障及其他因素都會(huì)導(dǎo)致誤碼(比如傳送的信號(hào)是1,而接收到的是0;反之亦然)。誤碼率測(cè)試的上位機(jī)界面如圖8所示，該界面使用VB編寫，簡(jiǎn)潔易操作。當(dāng)然，也可以使用串口通信助手小軟件作為上位機(jī)通信界面。實(shí)驗(yàn)中，在一定轉(zhuǎn)速下單片機(jī)與微機(jī)相互發(fā)送一定量的字節(jié)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)雙方正確接收的字節(jié)數(shù)據(jù)。

由于碼元錯(cuò)誤不方便直接統(tǒng)計(jì)，而實(shí)際信息多以字節(jié)傳送，故以接收字節(jié)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率作為誤碼率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1和表2所示，可以看出雙通道發(fā)送數(shù)據(jù)均存在不同程度的誤碼，試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速的不同對(duì)誤碼率影響不明顯，并且誤碼率不超過2%,不是很高，進(jìn)行校驗(yàn)及糾錯(cuò)處理后可以滿足一般通信需求。

3.4 信號(hào)波形對(duì)比

單片機(jī)發(fā)送一組6.2kHz矩形脈沖模擬位信號(hào)用示波器觀察到如圖9、圖10所示波形。圖9中上方為單片機(jī)發(fā)出的矩形脈沖序列波形，下方為通過雙通道光電耦合旋轉(zhuǎn)連接器后的信號(hào)波形。可以看出后者稍有延遲，很可能是器件的響應(yīng)時(shí)間所致，但波形未變，由串口的通信協(xié)議可知，在無(wú)噪聲干擾時(shí)通信完全可持續(xù)進(jìn)行。圖10中上方的波形為光電二級(jí)管輸出信號(hào)波形，可以看出信號(hào)下降沿下降速度變慢，波形產(chǎn)生明顯失真。下方波形為經(jīng)過放大整形穩(wěn)幅后的波形，即通過雙通道光電耦合旋轉(zhuǎn)連接器后的信號(hào)波形，已經(jīng)有很大的改善。對(duì)比結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)連接器對(duì)物理層位信號(hào)的傳輸失真較小。

4.結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法中的不足，設(shè)計(jì)了一種易于實(shí)現(xiàn)的雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接裝置的方案，對(duì)其原理進(jìn)行了分析并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該設(shè)計(jì)方法的實(shí)際可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方案能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)之間的非接觸通信，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械加工精度要求低，成本低，某些場(chǎng)合下可以代替光纖連接器實(shí)現(xiàn)多路多通道數(shù)據(jù)傳輸，也可應(yīng)用于一些總線通信中。