基于塑料光纖的高壓隔離通信接口設(shè)計(jì)

電力輸配電現(xiàn)場(chǎng)存在各種各樣的干擾，電力儀表的傳感器部分往往處于高電位，所以，高壓隔離通信是電力電子設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的課題。根據(jù)隔離信號(hào)種類的不同，分為模擬信號(hào)隔離和數(shù)字信號(hào)隔離；根據(jù)隔離介質(zhì)的不同，又分為變壓器隔離、運(yùn)放隔離、光耦隔離、紅外隔離、光纖隔離、無(wú)線隔離等。模擬信號(hào)的隔離常用隔離運(yùn)放，這種方法存在隔離過(guò)程中可能引入新的量化誤差。輸入信號(hào)頻率不能太高等問(wèn)題。而數(shù)字信號(hào)隔離則沒(méi)有上述問(wèn)題。因此，數(shù)字信號(hào)隔離應(yīng)用廣泛。特別是塑料光纖隔離具有隔離電壓高，工作頻率比較寬，也無(wú)需進(jìn)行信號(hào)調(diào)制解調(diào)，隔離距離較遠(yuǎn)，不易被干擾，可靠性高，硬件接口簡(jiǎn)單，成本比較低的優(yōu)點(diǎn)。因此，塑料光纖隔離傳輸在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 塑料光纖
    與電纜相比，塑料光纖POF(Plastic Optical Fiber)不受電磁干擾、無(wú)電磁輻射。與玻璃光纖相比，塑料光纖成本低，較柔軟、容易安裝和維護(hù)，POF芯徑通常為0．3～1mm，而玻璃光纖芯徑為62．5μm或50μm，芯徑大10倍左右的POF連接對(duì)準(zhǔn)容易，連接中即使有30μm的偏移，也不嚴(yán)重影響耦合損耗(約增加損耗0．03 dB)，使用廉價(jià)的注塑連接器，從而顯著降低系統(tǒng)的總成本。
    塑料光纖的連接器可以根據(jù)應(yīng)用的不同可自行設(shè)計(jì)。在高壓隔離通信中，常用的軟件協(xié)議有RS232總線，SPI總線，CAN總線等，這些接口的信號(hào)頻率小于10 MHz，這與光學(xué)數(shù)字音頻接口(TOSLINK)的頻段相同，使用標(biāo)準(zhǔn)的TOSLINK接口可以進(jìn)一步降低成本，提高可靠性。
    TOSLINK是東芝連接(Toshiba Link)的縮寫(xiě)，也是一種標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)數(shù)字音頻接口，可用于在各種器材之間，通過(guò)一種光導(dǎo)體，利用光作載體傳送數(shù)字音頻信號(hào)(左右聲道或多聲道)。TOSLINK可以使用塑料光纖做塑料光纖音頻跳線。TOSLINK接口是一個(gè)光收發(fā)器，將數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)并傳輸數(shù)據(jù)。它通過(guò)光發(fā)送模塊將數(shù)字電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號(hào)，轉(zhuǎn)化后的光信號(hào)通過(guò)塑料光纖到達(dá)光接收模塊。光接收模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字電信號(hào)。光發(fā)送模塊主要元件是LED，它是一個(gè)光發(fā)射元件，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。光接收模塊由感光元件和波形修整電路組成。電路使用標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平或者ECL電平，它們能夠很容易與外圍電路相配合。
    塑料光纖隔離通信系統(tǒng)的核心元件是光發(fā)送器和光接收器。其中，光發(fā)送器是由發(fā)光二極管及光纖連接器構(gòu)成。發(fā)光二極管使用高亮度、大小為1 mmx1 mm表面貼片封裝的發(fā)光二極管，這種發(fā)光管具有驅(qū)動(dòng)電流小、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)光面大小與塑料光纖的直徑相當(dāng)，容易將光信號(hào)與塑料光纖耦合。發(fā)光二極管的工作波長(zhǎng)也要與塑料光纖的工作波長(zhǎng)相配合。光纖連接器是將發(fā)光二極管與塑料光纖進(jìn)行有效對(duì)接的機(jī)械結(jié)構(gòu)。光纖連接器一般采用槽形結(jié)構(gòu)，易于快速正確插撥。光接收器是由光敏二極管及光纖連接器構(gòu)成。光接收器收到的信號(hào)經(jīng)放大、濾波后，輸出TTL兼容信號(hào)。其光纖連接器與光發(fā)送器中的連接器完全相同。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    基于TOSLINK接口的光收發(fā)模塊很多，其硬件接口是類似的，光和電參數(shù)根據(jù)應(yīng)用不同而不同。市場(chǎng)上有很多相關(guān)的生產(chǎn)廠家。這里以DLRllll和DLTllll對(duì)管為例，說(shuō)明塑料光纖的接口電路設(shè)計(jì)方法。DLRllll和DLTllll的外形和封裝形式完全一樣，如圖l所示。

    DLRllll主要參數(shù)如下：工作電壓為2．7～5 V；工作電流為6．5 mA；工作波長(zhǎng)為700 nm；工作頻率小于16 Mb／s；傳輸距離小于20m。
    從以上參數(shù)來(lái)看，該器件可以滿足各種常見(jiàn)的高壓隔離通信的要求。
    驅(qū)動(dòng)模塊電路比較簡(jiǎn)單。當(dāng)電源部分沒(méi)有正確處理時(shí)，該驅(qū)動(dòng)模塊電路會(huì)從電源部分引入干擾，輸出波形會(huì)出現(xiàn)干擾脈沖，如圖2所示。圖2中下半部分波形是標(biāo)準(zhǔn)的1 MHz方波，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，上半部分波形是經(jīng)塑料光纖后輸出的TTL信號(hào)，從圖2中可以看出，在上升沿的上部產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的干擾，如果這個(gè)干擾一直存在，會(huì)影響數(shù)據(jù)通信的正常進(jìn)行。

    經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和測(cè)試，在DLRllll和DLTllll的電源電路中采用10μH電感與10μF電容(并聯(lián)O．1μF)構(gòu)成的LC濾波，可大幅濾除電源中的高頻干擾。同時(shí)，在PCB布線方面，地平面的處理也非常重要，塑料光纖的接地一般采用單點(diǎn)接地，可防止其他電路的干擾信號(hào)從地電位引入到光驅(qū)動(dòng)模塊中，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

    當(dāng)正確處理了驅(qū)動(dòng)模塊的外圍電路后，輸出的波形如圖4所示。從圖4中可以看出，上半部分的輸出波形已經(jīng)沒(méi)有任何高頻干擾存在。

    圖4顯示的信號(hào)頻率為1 MHz，對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行了實(shí)際的頻率特性試驗(yàn)，從1 Hz開(kāi)始，以10倍的系數(shù)增加信號(hào)頻率，一直到10 MHz為止。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在1 Hz～10 MHz的頻率范圍內(nèi)，輸出的波形有固定的100 ns的延遲，信號(hào)輸出波形無(wú)干擾，邊沿干凈。之后對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊的電壓特性進(jìn)行測(cè)試，在電源電壓1．5～6V的電壓范圍內(nèi)，輸出波形干凈，說(shuō)明該驅(qū)動(dòng)模塊的工作電壓范圍比較寬。涵蓋了1．8、2．7、3．3、5 V等常用的工作電壓范圍。將光發(fā)送模塊的工作電壓從1．5～6V范圍內(nèi)變化，光接收模塊的工作電壓固定為某一個(gè)值，如3．3 V時(shí)，輸出信號(hào)電壓和光接收模塊的工作電壓相同，也為3．3 V。以上試驗(yàn)說(shuō)明，光收發(fā)模塊可以使用不同的工作電壓，而不影響信號(hào)的傳輸，這對(duì)工作電壓不同的系統(tǒng)非常有用。
    測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，其輸入輸出是有延遲的，固定為100 ns，如果輸入信號(hào)頻率比較高，如大于10 MHz，又要求輸入輸出同步，則需要在輸入部分或輸出部分進(jìn)行硬件或軟件處理，得到完全同步的隔離信號(hào)。

3 應(yīng)用實(shí)例
    某高壓儀表隔離部分設(shè)計(jì)參數(shù)如下：隔離電壓為60 kV；傳輸速度為1MHz；傳輸距離為10 m；接口類型為SPI。
    從以上設(shè)計(jì)要求選擇數(shù)字傳輸方案，并綜合考慮隔離電壓、傳輸速度、傳輸距離、成本、可靠性、實(shí)現(xiàn)難度等方面，使用塑料光纖為最佳方案。
    SPI接口采用3線制，如圖5所示。圖5中只給出了主控方的電路圖，從機(jī)是一個(gè)SPI接口的串行A／D轉(zhuǎn)換器，硬件連接方法與圖5類似。SPI總線是板內(nèi)總線，在1 MHz下的傳輸距離不宜超過(guò)1 m，加了塑料光纖隔離驅(qū)動(dòng)后，其傳輸距離被大大延長(zhǎng)了。高壓部分和低壓部分的驅(qū)動(dòng)模塊各需要3個(gè)，這3個(gè)模塊布局時(shí)放在一起，共地連接，之后與其他部分電路要單點(diǎn)接地處理。

    SPI通信硬件除了將傳輸介質(zhì)由金屬導(dǎo)線換為塑料光纖外，沒(méi)有其他區(qū)別，軟件上則與普通SPI的軟件完全相同。

4 結(jié)論
    塑料光纖技術(shù)是正在發(fā)展中的新興技術(shù)，已在音頻數(shù)據(jù)傳輸中廣泛使用，由于其高隔離電壓、高速度、較遠(yuǎn)傳輸距離及低成本的優(yōu)點(diǎn)，會(huì)在高壓設(shè)備、高壓儀表及輸配電現(xiàn)場(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用。