采用C8051F410為微處理器實(shí)現(xiàn)光纖通信傳輸組件的設(shè)計(jì)

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(shí)傳輸多路模擬電壓信號(hào)、脈沖控制信號(hào)及故障指示信號(hào)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(wèn)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(mǎn)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(guò)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(mǎn)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(gè)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(duì)于電壓待檢信號(hào)，在發(fā)射端通過(guò)OP491GRU運(yùn)放器隔離輸入單片機(jī)內(nèi)部A/D,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，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(cè)電壓的讀出；對(duì)于接收端控制信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)為3.3 V電信號(hào)傳至單片機(jī)處理。通過(guò)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(duì)數(shù)字電位器發(fā)送控制信號(hào)，提供相應(yīng)的電阻值；考慮到故障信號(hào)、脈沖信號(hào)的及時(shí)傳輸特點(diǎn)，文中在激光器、探測(cè)器電路搭建中直接架構(gòu)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。

整個(gè)組件可實(shí)現(xiàn)傳輸4路模擬電壓信號(hào)、一路故障保護(hù)信號(hào)、兩路脈沖信號(hào)和兩路可調(diào)電阻信號(hào)。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(hào)傳輸延時(shí)≤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(hào)與采樣電路的電氣連接。對(duì)模擬電壓信號(hào)，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(dòng)能力；運(yùn)放用于緩沖輸入信號(hào)并實(shí)現(xiàn)輸入端與采樣電路的隔離。同時(shí)具有較高的輸入阻抗，對(duì)輸入電路不會(huì)產(chǎn)生影響，且輸出阻抗較低，故對(duì)采樣電路也不會(huì)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(mǎn)足指標(biāo)要求，對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平信號(hào)，進(jìn)行光驅(qū)動(dòng)，并轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。在低壓端，用光電轉(zhuǎn)換模塊接收光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出。在發(fā)射端選用SN74LVC2G06DCK驅(qū)動(dòng)芯片提供每路大約32 mA的工作電流，且響應(yīng)時(shí)間較快達(dá)到ns級(jí)，激光器HFBR1424二極管工作導(dǎo)通電流約為60 mA,驅(qū)動(dòng)器的兩路輸出并聯(lián)滿(mǎn)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(hào)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(cuò)誤故障指示。

2.3 脈沖控制輸入、輸出電路

對(duì)于兩路觸發(fā)脈沖信號(hào)，在接收端設(shè)計(jì)電路采用SN55452BJG雙路外圍驅(qū)動(dòng)芯片，高低為0~15 V的脈沖控制信號(hào)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(hào)。SN55452BJG輸出端為低電平時(shí)，芯片可提供約60 mA的驅(qū)動(dòng)電流導(dǎo)通光模塊二極管，來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖電信號(hào)與光信號(hào)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(dòng)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(hào)，實(shí)現(xiàn)了接收端脈沖信號(hào)到發(fā)射端的傳輸，傳輸延遲在技術(shù)要求范圍以?xún)?nèi)。同時(shí)該芯片的帶寬滿(mǎn)足傳輸脈沖寬度1~200μs的要求。

2.4 可調(diào)電阻信號(hào)傳輸電路

對(duì)于兩路可調(diào)電阻輸出信號(hào)，在采集端設(shè)置接口電路，接收外部輸入的控制信號(hào)，經(jīng)施密特緩沖器SN74LVC2G17采集控制信號(hào)，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(shí)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(hào)，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(hào)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(hào)采集

采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字化信號(hào)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(hào)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(kāi)關(guān)，兩個(gè)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(shí)采樣四路輸入模擬電壓信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為量化的數(shù)據(jù)字節(jié)存儲(chǔ)在不同的設(shè)定起始單元。該單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理和打包傳輸，使多路信號(hào)合并為一路數(shù)據(jù)，且多路信號(hào)的傳輸只需通過(guò)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(hào)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(duì)該組數(shù)據(jù)從首字節(jié)開(kāi)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(hào)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(shí)含有校驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀按時(shí)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(hào)給發(fā)射端。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.1 電壓傳輸信號(hào)

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(hào)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(hào)，用萬(wàn)用表測(cè)低壓端對(duì)應(yīng)的4路電壓信號(hào)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(hào)

技術(shù)要求：故障保護(hù)信號(hào)傳輸延時(shí)應(yīng)≤200 ns,用信號(hào)發(fā)生器向高壓端脈沖信號(hào)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(hào)。用示波器測(cè)低壓端對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出端輸出的方波信號(hào)上升沿與高壓端輸入方波信號(hào)上升沿的延時(shí)，即為故障保護(hù)信號(hào)傳輸延時(shí)。其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

4.3 脈沖控制信號(hào)

技術(shù)要求：傳輸脈沖寬度1~200μs,幅度15.0±0.5 V.用信號(hào)發(fā)生器分別向低壓端的2路脈沖信號(hào)輸入端分別輸入寬度為1μs、100 μs、200μs,脈沖幅度為15 V的信號(hào)，用示波器測(cè)高壓端對(duì)應(yīng)的2路脈沖信號(hào)輸出端輸出信號(hào)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(cè)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(hào)，測(cè)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(jiàn)，電壓傳輸信號(hào)測(cè)量輸入電壓與輸出電壓最大相差4 mV,精度為0.08%Fs,滿(mǎn)足<0.4%FS的技術(shù)要求。故障保護(hù)信號(hào)傳輸延時(shí)為100 ns,小于技術(shù)要求的200 ns.脈沖控制及可調(diào)電阻測(cè)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(yǔ)

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(hào)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。