基于DSP和光纤通讯的电流采样和处理系统的研究_

1、4 光纤通讯4.1 基本原理本设计中首先将电信号转换为光信号，利用光纤作为数字信号的载体，实现ADC 同DSP 之间的通信30。在光电互感器中,光纤传输系统具有两个重要的作用，一是作为高、低电压侧的电子电路之间的电绝缘介质，二是实现高压侧电流采样数据向低压侧的高速传送。光纤传输原理如图4.1所示。光纤由高折射率的纤芯和一般折射率的包层组成，当光线通过纤芯到达包层的交界面时，根据完全内反射原理，光在交界面反复全反射，向终端传送光信号3132。图4.1 光纤传输原理图4 .2 光纤传输系统的组成 光纤通讯接口具有极强的抗干扰能力，在超长距离工业测控系统中具有广阔的应用前景。光纤传输系统主要由光发送

2、器、光缆、光接收器组成。图4.2为信号传输系统组成图。基本的光纤通讯系统原理为：一个LED 发射器将电信号转变成光信号，并将其耦合进入传输光纤中，光信号通过光纤到达光接收器，它把接收到的光信号恢复成原来的电信号输出。光缆的选择：石英玻璃光纤由于其低损耗、高带宽而用于长距离通信链路。例如，以太网和FDDI 标准指定采用多模62.5125m石英玻璃光纤。这些细纤芯的光纤需要高精度连接器以减少耦合损耗，工业应用中需要低成本的光缆和连接器，因此，1mm 的POF（Plymer Optical Fibers）和200µm 的HCS(Hard Clad Silica光纤是最好选择，它们均属于阶跃

3、折射率的多模光纤。1mm POF的典型损耗值在650nm 波长时为0.2dBm，而200µm HCS 光纤在650mm 波长典型损耗值仅为8dBkm，在820nm 波长时更少。HCS光纤的核心是石英玻璃，包层是高强度聚合物，不仅增加了光纤的强度，而且防潮防污染，外护套则是2.2mm 的聚氯乙烯。HCS光纤可工作于-400C 850C 的温度范围内，架设温度范围为-200C +850C ，在性能与价格上均能满足系统要求3334。工作波长的选择：光纤通信系统的设计必须考虑光纤损耗与色散对系统带来的影响，由于损耗和色散都与系统的工作波长有关，因此工作波长的选择成为系统设计的一个主要问题。综

4、合考虑系统的指标，选择820nm 波长可使HCS 光纤损耗低至6dBkm，同时色散也达到最小。光源的选择：在820m 波长下，LED 是可以选用的最佳光源，与半导体激光器相比，LED 的驱动电路简单，且成本低。综上所述，光缆选用200µm HCS光纤，光收发器件选用 HP公司820nm 波长的HFBR0400系列。该系列中的HFBR2412可在1500m 距离内达到5MBd 的速率，工作温度范围为400C 850C ，有ST、SMA、SC和 FC多种端口型号可供选择。HFBR1414采用820nm 波长的AlGaAs 型LED，内部集成了包括PIN 光电检测器、直流放大器及集电极开路

5、输出Schottky 型晶体管的一个IC 芯片，其输出可直接与流行的TTL 及CMOS 集成电路相连。典型的光纤收发电路图如图4.3 所示。图4.3 典型光纤收发电路光纤通信系统中,驱动电路的作用是将电功率转换成光功率，并将要传输的电信号调制到光源的输出上，它对光源同时提供偏置电流和随数字信号而变化的调制电流。设计LED 驱动电路必须首先考虑驱动LED 的电流峰值，如果超过了峰值驱动电流光信号将会产生过冲现象，而由此在接收器引起的电信号的下冲，加上来自放大器噪声的影响，结果可能会越过比较器的检测门限，造成误码。同时，LED有一个熄灭比点亮困难的特点，它会产生拖尾现象，当采用串行驱动电路时这种现

6、象尤其明显。而并联驱动方式可以为LED 中的载流子提供一条低阻通道，从而减少脉宽失真和慢拖尾现象。驱动电路中的电阻RSI 用于调节光纤输出功率，注意不能超过LED 的峰值驱动电流，否则光信号会产生过冲现象。另外电路中的SN75451具有低阻抗、高电流速率的特点，避免产生较长的拖尾现象3536。脉冲的波形时序图如图4.4，脉冲宽度失真（PWD）是限制光纤链路速率的一个主要因素，它是由于输入与输出间传输延迟不相等引起的。注意到PWD 总是正值，因此我们可以利用RC 电路来延迟LED 的点亮。系统光纤收发时延测试电路如图4.5。图 4.4 波形时序图图4.5 系统收发时延测试电路4.2 本章小结由于

7、高压侧的采样信号不能够直接与低端电子电路进行电气连接，需要采取电气隔离措施。本章论述了光纤系统的工作原理，详细分析了光缆、工作波长和光纤收发器件的选取方法，展示了光纤收发器件的硬件接口电路，设计出利用三套光纤收发器作为数字信号的传媒的光纤系统，高速、准确、安全地实现高压侧采样电路与低端DSP 系统之间的SPI 通讯。实践证明本系统的光纤通讯部分运行非常可靠有效。 5 低压侧处理系统设计5.1 DSP中央处理DSP （Digital Signal Processing数字信号处理）芯片作为一种特别适合于进行数字处理运算的微处理器，主要应用于实时快速的实现各种数字信号处理算法3738。根据数字信号

8、处理的要求，DSP 芯片的内核具有如下主要特点39：哈佛结构传统的冯·诺依曼结构是将指令、数据、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、数据还是地址；取指令和取数据都访问统一存储器，数据吞吐率低。哈佛结构的则将程序和数据存储在不同的存储器空间中，每个存储器独立编址访问，取指令和执行能完全重叠运行；系统中有程序总线和数据总线两条总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，增强处理能力。采用流水线操作，可以并行处理多条指令。在每个指令周期内，可以有多条不同的指令处于激活状态，每个指令处于不同的阶段。以TMS320LF2407A 为例，它具有取指令、指令译码、取操作数、指令执行4级流水线。专用硬件乘法器乘法是数字信号处理的重要组成部分，如FIR 滤波器中必须做大量的乘法运算。乘法速度越快，DSP 处理器的性能就越好。在通用的微处理器（Micro Control UnitMCU ）中，乘法指令是由一系列加法来实现的，需许多个指令周期来实现。DSP 芯片有一