基于DSP和光纖通訊的電流采樣和處理系統(tǒng)的研究_

1、4 光纖通訊4.1 基本原理本設(shè)計中首先將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，利用光纖作為數(shù)字信號的載體，實(shí)現(xiàn)ADC 同DSP 之間的通信30。在光電互感器中,光纖傳輸系統(tǒng)具有兩個重要的作用，一是作為高、低電壓側(cè)的電子電路之間的電絕緣介質(zhì)，二是實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)電流采樣數(shù)據(jù)向低壓側(cè)的高速傳送。光纖傳輸原理如圖4.1所示。光纖由高折射率的纖芯和一般折射率的包層組成，當(dāng)光線通過纖芯到達(dá)包層的交界面時，根據(jù)完全內(nèi)反射原理，光在交界面反復(fù)全反射，向終端傳送光信號3132。圖4.1 光纖傳輸原理圖4 .2 光纖傳輸系統(tǒng)的組成 光纖通訊接口具有極強(qiáng)的抗干擾能力，在超長距離工業(yè)測控系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。光纖傳輸系統(tǒng)主要由光發(fā)送

2、器、光纜、光接收器組成。圖4.2為信號傳輸系統(tǒng)組成圖。基本的光纖通訊系統(tǒng)原理為：一個LED 發(fā)射器將電信號轉(zhuǎn)變成光信號，并將其耦合進(jìn)入傳輸光纖中，光信號通過光纖到達(dá)光接收器，它把接收到的光信號恢復(fù)成原來的電信號輸出。光纜的選擇：石英玻璃光纖由于其低損耗、高帶寬而用于長距離通信鏈路。例如，以太網(wǎng)和FDDI 標(biāo)準(zhǔn)指定采用多模62.5125m石英玻璃光纖。這些細(xì)纖芯的光纖需要高精度連接器以減少耦合損耗，工業(yè)應(yīng)用中需要低成本的光纜和連接器，因此，1mm 的POF（Plymer Optical Fibers）和200µm 的HCS(Hard Clad Silica光纖是最好選擇，它們均屬于階躍

3、折射率的多模光纖。1mm POF的典型損耗值在650nm 波長時為0.2dBm，而200µm HCS 光纖在650mm 波長典型損耗值僅為8dBkm，在820nm 波長時更少。HCS光纖的核心是石英玻璃，包層是高強(qiáng)度聚合物，不僅增加了光纖的強(qiáng)度，而且防潮防污染，外護(hù)套則是2.2mm 的聚氯乙烯。HCS光纖可工作于-400C 850C 的溫度范圍內(nèi)，架設(shè)溫度范圍為-200C +850C ，在性能與價格上均能滿足系統(tǒng)要求3334。工作波長的選擇：光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮光纖損耗與色散對系統(tǒng)帶來的影響，由于損耗和色散都與系統(tǒng)的工作波長有關(guān)，因此工作波長的選擇成為系統(tǒng)設(shè)計的一個主要問題。綜

4、合考慮系統(tǒng)的指標(biāo)，選擇820nm 波長可使HCS 光纖損耗低至6dBkm，同時色散也達(dá)到最小。光源的選擇：在820m 波長下，LED 是可以選用的最佳光源，與半導(dǎo)體激光器相比，LED 的驅(qū)動電路簡單，且成本低。綜上所述，光纜選用200µm HCS光纖，光收發(fā)器件選用 HP公司820nm 波長的HFBR0400系列。該系列中的HFBR2412可在1500m 距離內(nèi)達(dá)到5MBd 的速率，工作溫度范圍為400C 850C ，有ST、SMA、SC和 FC多種端口型號可供選擇。HFBR1414采用820nm 波長的AlGaAs 型LED，內(nèi)部集成了包括PIN 光電檢測器、直流放大器及集電極開路

5、輸出Schottky 型晶體管的一個IC 芯片，其輸出可直接與流行的TTL 及CMOS 集成電路相連。典型的光纖收發(fā)電路圖如圖4.3 所示。圖4.3 典型光纖收發(fā)電路光纖通信系統(tǒng)中,驅(qū)動電路的作用是將電功率轉(zhuǎn)換成光功率，并將要傳輸?shù)碾娦盘栒{(diào)制到光源的輸出上，它對光源同時提供偏置電流和隨數(shù)字信號而變化的調(diào)制電流。設(shè)計LED 驅(qū)動電路必須首先考慮驅(qū)動LED 的電流峰值，如果超過了峰值驅(qū)動電流光信號將會產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，而由此在接收器引起的電信號的下沖，加上來自放大器噪聲的影響，結(jié)果可能會越過比較器的檢測門限，造成誤碼。同時，LED有一個熄滅比點(diǎn)亮困難的特點(diǎn)，它會產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，當(dāng)采用串行驅(qū)動電路時這種現(xiàn)

6、象尤其明顯。而并聯(lián)驅(qū)動方式可以為LED 中的載流子提供一條低阻通道，從而減少脈寬失真和慢拖尾現(xiàn)象。驅(qū)動電路中的電阻RSI 用于調(diào)節(jié)光纖輸出功率，注意不能超過LED 的峰值驅(qū)動電流，否則光信號會產(chǎn)生過沖現(xiàn)象。另外電路中的SN75451具有低阻抗、高電流速率的特點(diǎn)，避免產(chǎn)生較長的拖尾現(xiàn)象3536。脈沖的波形時序圖如圖4.4，脈沖寬度失真（PWD）是限制光纖鏈路速率的一個主要因素，它是由于輸入與輸出間傳輸延遲不相等引起的。注意到PWD 總是正值，因此我們可以利用RC 電路來延遲LED 的點(diǎn)亮。系統(tǒng)光纖收發(fā)時延測試電路如圖4.5。圖 4.4 波形時序圖圖4.5 系統(tǒng)收發(fā)時延測試電路4.2 本章小結(jié)由于

7、高壓側(cè)的采樣信號不能夠直接與低端電子電路進(jìn)行電氣連接，需要采取電氣隔離措施。本章論述了光纖系統(tǒng)的工作原理，詳細(xì)分析了光纜、工作波長和光纖收發(fā)器件的選取方法，展示了光纖收發(fā)器件的硬件接口電路，設(shè)計出利用三套光纖收發(fā)器作為數(shù)字信號的傳媒的光纖系統(tǒng)，高速、準(zhǔn)確、安全地實(shí)現(xiàn)高壓側(cè)采樣電路與低端DSP 系統(tǒng)之間的SPI 通訊。實(shí)踐證明本系統(tǒng)的光纖通訊部分運(yùn)行非?？煽坑行?。 5 低壓側(cè)處理系統(tǒng)設(shè)計5.1 DSP中央處理DSP （Digital Signal Processing數(shù)字信號處理）芯片作為一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字處理運(yùn)算的微處理器，主要應(yīng)用于實(shí)時快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法3738。根據(jù)數(shù)字信號

8、處理的要求，DSP 芯片的內(nèi)核具有如下主要特點(diǎn)39：哈佛結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的馮·諾依曼結(jié)構(gòu)是將指令、數(shù)據(jù)、地址存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址，依靠指令計數(shù)器提供的地址來區(qū)分是指令、數(shù)據(jù)還是地址；取指令和取數(shù)據(jù)都訪問統(tǒng)一存儲器，數(shù)據(jù)吞吐率低。哈佛結(jié)構(gòu)的則將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲器空間中，每個存儲器獨(dú)立編址訪問，取指令和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行；系統(tǒng)中有程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。流水線與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時間，增強(qiáng)處理能力。采用流水線操作，可以并行處理多條指令。在每個指令周期內(nèi)，可以有多條不同的指令處于激活狀態(tài)，每個指令處于不同的階段。以TMS320LF2407A 為例，它具有取指令、指令譯碼、取操作數(shù)、指令執(zhí)行4級流水線。專用硬件乘法器乘法是數(shù)字信號處理的重要組成部分，如FIR 濾波器中必須做大量的乘法運(yùn)算。乘法速度越快，DSP 處理器的性能就越好。在通用的微處理器（Micro Control UnitMCU ）中，乘法指令是由一系列加法來實(shí)現(xiàn)的，需許多個指令周期來實(shí)現(xiàn)。DSP 芯片有一