畢業(yè)答辯-多路光開(kāi)關(guān)陣列控制系統(tǒng)的研究

1、多路光開(kāi)關(guān)陣列控制系統(tǒng)的研究n本次答辯將圍繞多路光開(kāi)關(guān)陣列控制系統(tǒng)的目的意義、系統(tǒng)需求、軟硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)展開(kāi)，并著重對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)中我所做的工作進(jìn)行介紹。l系統(tǒng)研究目的及意義 本設(shè)計(jì)是一個(gè)煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，整個(gè)系統(tǒng)需要采集煤礦礦井下多種氣體的濃度，各點(diǎn)溫度及水位。傳感器數(shù)目較多，需要從礦井下引出多根光纖到井上的檢測(cè)儀器，大數(shù)量光纖的鋪設(shè)將給工程帶來(lái)巨大的難度。故而在礦井下使用光開(kāi)關(guān)進(jìn)行光路切換，以減少礦井到監(jiān)測(cè)儀器的光纖數(shù)，降低工程難度和減少工作量。這樣就構(gòu)成了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，完成了整個(gè)煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控的過(guò)程。l系統(tǒng)需求分析 硬件需求分析1. 光開(kāi)關(guān)模塊可通過(guò)波長(zhǎng)范圍為

2、1525到1765nm。2. RS-485總線在進(jìn)行信息傳輸采用差分的方式，有效抑制共模干擾，提高通信的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選擇適宜的傳輸速率。3. 供電系統(tǒng)由煤礦井下的隔爆兼本安電源提供，輸入電壓為+18-24V，電源部分需要有單獨(dú)的限流部分，超過(guò)最大電流時(shí)應(yīng)切斷供電電源。4. 從機(jī)應(yīng)具有掉電保護(hù)的功能，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)可以自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以防止數(shù)據(jù)的丟失。 軟件需求分析1. 從機(jī)應(yīng)具有與上位機(jī)進(jìn)行雙向通信及工作狀態(tài)指示的功能。2. 從機(jī)應(yīng)具有控制光開(kāi)關(guān)的功能。3. 從機(jī)可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行參數(shù)初始化設(shè)置。l系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)基本構(gòu)想：以1*8 MEMS OSW及其控制板為最小單位，通過(guò)級(jí)聯(lián)的方

3、式來(lái)實(shí)現(xiàn)多路光開(kāi)關(guān)陣列。系統(tǒng)構(gòu)成：整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別為井上PC監(jiān)控主機(jī)、井下一級(jí)從機(jī)、井下二級(jí)從機(jī)?；竟ぷ髟砗?jiǎn)介：上下級(jí)之間通過(guò)通信總線進(jìn)行通信，根據(jù)不同的命令類型，下一級(jí)完成命令要求的操作，并向上一級(jí)發(fā)送是否完成操作并相應(yīng)的反饋。l系統(tǒng)光路設(shè)計(jì) 光開(kāi)關(guān)選型選型需求分析：通過(guò)分析不同類型光開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)中的實(shí)際使用情況，主要從波長(zhǎng)、插入損耗、穩(wěn)定性、功耗和價(jià)格方面進(jìn)行考慮，選用光迅科技1*8 MEMS Optical Switch Module。中心波長(zhǎng)：氧化碳吸收峰波長(zhǎng)在1567nm二氧化碳吸收峰波長(zhǎng)在1573nm甲烷吸收峰波長(zhǎng)在1665nm乙烷吸收峰波長(zhǎng)在1530nm插

4、入損耗：若插入損耗過(guò)大會(huì)極大地削弱光強(qiáng)穩(wěn)定性功耗：相對(duì)來(lái)講，MEMS光開(kāi)關(guān)功耗較低l系統(tǒng)光路設(shè)計(jì) 光路連接煤礦井下安裝有多個(gè)傳感器，若只靠一級(jí)1*8 MEMS OSW，減少的光纖數(shù)量十分有限，且光開(kāi)關(guān)到井上監(jiān)控中心通信會(huì)十分復(fù)雜。故而通過(guò)兩級(jí)光開(kāi)關(guān)級(jí)聯(lián)的模式來(lái)解決上述問(wèn)題。優(yōu)點(diǎn)：解決了從礦井到監(jiān)控中心光纖數(shù)量多的問(wèn)題可結(jié)合自身需要自由組合，大大地節(jié)約了成本。缺點(diǎn)：增大了經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)的損耗，但也在可接受的范圍之內(nèi)。l系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)光開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)由煤礦井下的隔爆兼本安電源提供，輸入電壓為+18-24V，電源處理電路需要將其轉(zhuǎn)換為+3.3V和+5V的輸出電壓，其中+5V穩(wěn)壓電源使用金升陽(yáng)公司的

5、PWA2405(M)D-1W，其中+3.3V通過(guò)一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓芯片TDP121將+5V降壓得到。本系統(tǒng)MCU選用MSP430系列的MSP430F149，該系列是德州公司新開(kāi)發(fā)的一類16位總線的單片機(jī)，采用了美國(guó)德州儀器(Texas Instruments)公司最新低功耗技術(shù)，工作電流極低 。且JTAG口直接和FET相連，不須另外的仿真工具，方便實(shí)用，而且可以在超低功耗模式下工作。為保證微處理器的正常工作，需要晶振電路、復(fù)位電路及下載接口等基本的外圍電路。MEMS OSW控制電路如圖所示。為提高IO口的抗電磁干擾能力，所有引腳均使用了上拉的設(shè)計(jì)。使用SPDT模擬開(kāi)關(guān)TS5A3159進(jìn)行MEM

6、S OSW電源控制。默認(rèn)狀態(tài)下為斷電狀態(tài)，給予模擬開(kāi)關(guān)控制端高電平可切換至正常工作狀態(tài)，并支持通過(guò)引腳讀MEMS OSW電源端電平，確定是否上電成功。光開(kāi)關(guān)控制板應(yīng)具有掉電保護(hù)的功能，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)可以自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以防止數(shù)據(jù)的丟失。EEPROM存儲(chǔ)的作用即為存儲(chǔ)光開(kāi)關(guān)控制板的信息，例如開(kāi)關(guān)光控制板的地址、光開(kāi)關(guān)默認(rèn)導(dǎo)通通道等。選用一個(gè)2K位串行CMOS EEPROM ，型號(hào)為AT24C02，內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)。井上監(jiān)控PC主機(jī)與井下一級(jí)從機(jī)之間，直接用電纜進(jìn)行總線連接，距離較近。RS-485通信接口電路由ADI公司的專門用于RS-485通信接口設(shè)計(jì)芯片ADM3485E構(gòu)成，它是一款3.3 V

7、低功耗數(shù)據(jù)收發(fā)器，提供15 kV ESD保護(hù)，適用于多點(diǎn)總線傳輸線路的半雙工通信。井上監(jiān)控PC主機(jī)與井下一級(jí)從機(jī)之間，考慮到監(jiān)控中心在煤礦井10Km。系統(tǒng)選用工業(yè)用RS-485/RS-422 光纖轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)一路 RS-485/RS-422 信號(hào)在光纖上的透明傳輸，無(wú)需改動(dòng)用戶的通信協(xié)議，解決了電磁干擾、地環(huán)干擾和雷電破壞的難題，大大提高了數(shù)據(jù)通訊的可靠性、安全性和保密性，同時(shí)也解決了通訊距離與通訊速率的矛盾。l系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)對(duì)系統(tǒng)需求的分析和系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)軟件分為三個(gè)部分：井上監(jiān)控PC主機(jī)、井下一級(jí)從機(jī)、井下二級(jí)從機(jī)。具體需要實(shí)現(xiàn)的功能包括了1. RS-485總線通信2. 命

8、令識(shí)別及執(zhí)行3. 命令及反饋轉(zhuǎn)播4. 反饋內(nèi)容分析另外需根據(jù)自身的功能需要自定義通信協(xié)議包。進(jìn)過(guò)功能分析，確定軟件基本功能：1. 光開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道切換及反饋2. 光開(kāi)關(guān)自檢及反饋3. 光開(kāi)關(guān)低功耗切換及反饋4. 從機(jī)地址及默認(rèn)值的初始化寫入命令l系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 協(xié)議包自定義 根據(jù)對(duì)軟件功能的細(xì)化分析，協(xié)議包應(yīng)包含：控制命令類型、一級(jí)分機(jī)地址、二級(jí)分機(jī)地址、一級(jí)分機(jī)光開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道數(shù)、二級(jí)分機(jī)光開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道數(shù)、各類狀態(tài)反饋信號(hào)及校驗(yàn)字節(jié)。l系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 二級(jí)軟件設(shè)計(jì)l系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 一級(jí)軟件設(shè)計(jì)光開(kāi)關(guān)插入損耗測(cè)試測(cè)試方法：選用波長(zhǎng)為1567nm、1573nm、1665nm、1530nm，故這幾個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行

9、測(cè)試，進(jìn)行損耗。測(cè)試儀器：SANTEC TUNABLE SEMICONDUCTOR CASER TSE510YOKOGAWA AQ6370B OPTICAL SPECTRUM ANALYZERl系統(tǒng)測(cè)試 光開(kāi)關(guān)性能測(cè)試波長(zhǎng)波長(zhǎng)1665nm1573nm通道通道REF(uW)CH(uW)IL（dB）REF(uW)CH(uW)IL（dB）CH018.2514.371.0380622.4918.690.8038CH118.2514.191.092822.4917.171.17219CH218.2514.491.0019422.4918.140.93352CH318.2515.270.7742422.4

10、917.940.98167CH418.2514.970.8604122.4917.391.1169CH518.2514.60.969122.4918.290.89776CH618.2515.260.7770822.4918.690.8038CH718.2514.780.9158822.4918.020.96235波長(zhǎng)波長(zhǎng)1567nm1530nm通道通道REF(uW)CH(uW)IL（dB）REF(uW)CH(uW)IL（dB）CH027.0223.440.6172823.6119.770.77089CH127.0221.670.9582623.6119.740.77749CH227.0222.

11、510.793123.6120.310.65386CH327.0223.050.6901423.6120.180.68175CH427.0222.210.8513723.6119.390.85518CH527.0223.110.6788523.6120.20.67745CH627.0222.890.720423.6120.10.699CH727.0223.470.6117223.6120.90.5295測(cè)試結(jié)論：不同波長(zhǎng)通過(guò)光開(kāi)關(guān)的損耗相差不大，波長(zhǎng)短的光損耗相對(duì)較小；不同通道損耗相差不大光開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試測(cè)試方法：通道0到通道7以10S為間隔循環(huán)切換，長(zhǎng)期（三個(gè)月）通電進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀器：

12、理工光科LEDS-1穩(wěn)定光源理工光科GL-4光纖功率計(jì)測(cè)試結(jié)論：光開(kāi)關(guān)切換均正確，可證明光開(kāi)關(guān)長(zhǎng)期工作很穩(wěn)定l系統(tǒng)測(cè)試 二級(jí)從機(jī)性能測(cè)試光開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道切換測(cè)試測(cè)試方法：向從機(jī)地址為35H的二級(jí)從機(jī)，發(fā)送切換到通道3命令，命令碼為38H 35H 06H FBH，若成功為8FH 35H 07H BDH，若不成功為8EH 35H 06H BCH光開(kāi)關(guān)自檢測(cè)試測(cè)試方法：向從機(jī)地址為35H的二級(jí)從機(jī)，發(fā)送光開(kāi)關(guān)自檢命令，命令碼為D0H 35H 00H E5H，若成功為D1H 35H 01H E5H，若不成功則為D0H 35H 0XH BYH，光開(kāi)關(guān)低功耗切換測(cè)試測(cè)試方法：向從機(jī)地址為35H的二級(jí)從機(jī)，發(fā)

13、送切換到低功耗狀態(tài)的命令，命令碼為C0H 35H 00H F5H，若成功為C4H 35H 00H F1H，若不成功為C0H 35H 00H F5H測(cè)試結(jié)論：測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相同，光開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道切換操作成功測(cè)試結(jié)論：測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相同，光開(kāi)關(guān)自檢操作成功測(cè)試結(jié)論：測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相同，光開(kāi)關(guān)低功耗切換操作成功l系統(tǒng)測(cè)試 一級(jí)從機(jī)性能測(cè)試傳遞二級(jí)從機(jī)反饋測(cè)試測(cè)試方法：向從機(jī)地址為35H的二級(jí)從機(jī)，發(fā)送切換到通道3的命令，命令碼38H 35H 06H FBH，若成功為8FH 35H 07H BDH，若不成功為8EH 35H 06H BCH。識(shí)別二級(jí)從機(jī)通信出錯(cuò)測(cè)試測(cè)試方法：在主機(jī)通過(guò)一級(jí)從機(jī)向二級(jí)從機(jī)發(fā)送控制命令，二級(jí)從機(jī)得到控制命令后執(zhí)行并反饋時(shí)，向通信總線中加入干擾。例如，向從機(jī)地址為35H的二級(jí)從機(jī)，發(fā)送切換到通道3的命令，命令碼為38H 35H 06H FBH0XH BYH，識(shí)別二級(jí)從機(jī)控制板出錯(cuò)測(cè)試測(cè)試方法：在硬件上將3.3V電源芯片去掉，控制板無(wú)法正常工作，主機(jī)通過(guò)一級(jí)從機(jī)向二級(jí)從機(jī)發(fā)送控制命令。例如，向從機(jī)地址為35H的二級(jí)從機(jī)，發(fā)送切換到通道3的命令，命令碼為38H 35H 06H FBH。測(cè)試結(jié)論：測(cè)試結(jié)果與預(yù)期相同，傳遞二