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光纖通信做為一種新興的高性能的串行通信技術，已經在電力領域逐步展開應用。目前的光纖通信模塊大多使用FPGA 或DSP 技術實現信號解調，雖然其傳輸速度快、效率高，但是成本高、技術復雜，而且對于傳輸距離、電器隔離特性、可靠性、產品成本參數等都有極高的要求。而電力行業對光纖的應用主要還是集中在強電的控制方面，現場環境對光纖模塊的通信速度要求較低。所以，在電力系統的工程實際中，由于現場情況復雜、干擾信號繁多，致使高成本的高速光纖通信技術的應用并不十分理想。 鑒于光纖通信技術在電力系統中的應用現狀，本文提出一種MC3361+MCU結構的低速光纖通信模塊設計方案。本設計硬件成本低、軟件流程簡單、性能穩定，輸出信號為工業標準RS485 信號或RS232 信號，可直接與各種電力設備連接，非常適合在電力系統中廣泛使用。 1 調制解調原理 為了降低硬件成本和提高硬件電路的可靠性，本設計使用BFSK調制解調算法。BFSK 的調制原理是用載波的頻率來傳送數字消息，即用所傳送的數字消息控制載波的頻率。BFSK 信號是符號“1”對應于載頻f1，而符號“0”對應于載頻f2（與f1 不同的另一載頻）的已調波形，而且f1與f2 之間的改變是瞬間完成的。 1.1 調制原理 本文設計的光纖通信系統由MCU通過內部程序控制通過PWM 接口完成調制。外部設備與模塊通過串行接口（包括RS232 接口或RS485 接口）連接，模塊接收到數據后，首先將數據傳輸給MCU，MCU 通過UART 接口接收到數據，MCU通過程序控制輸出BFSK 調制信號，調制后的信號直接發送至光纖發射接口發送出去。 進行BFSK 調制時使用MCU 串行接口接收外部設備發送的數據，BFSK的調制頻率由程序控制，信號“1”對應于270KHz 載頻，信號“0”對應于240KHz 載頻，波形如圖2 所示，上邊的波形為未經調制的信號，下邊的波形為經調制后的信號。MCU 將調制后的載頻信號通過PWM方式發送至光纖發射接口，電信號轉換成光信號。調制硬件原理框圖如圖1 所示。 圖1 調制硬件原理框圖 圖2 調制前后信號的波形圖 1.2 解調原理 BFSK 的解調使用MC3361 單片窄帶調頻接收芯片完成，MC3361 片內包含振蕩電路、混頻電路、限幅放大器、積分鑒頻器、濾波器、抑制器、掃描控制器及靜噪開關電路。 解調電路原理圖如圖3 所示。其中，185K 網絡標號為MCU 輸出185K 矩形波信號，R1 為限流電阻，C5、L4 組成濾波電路，C12 諧振電容，信號經過R1、C5、L4 及C12 后，由MC3361 第1 腳輸入，構成MC3361 解調的第二本振級。圖3中FSK 網絡標號為光纖接收接口輸入的矩形波信號，信號經過R4、R6 分壓，將信號高電平轉換為500mV，再經過L6、C25進行濾波，及C27、L7、VD1、VD2 二次限壓濾波后，消除干擾頻率后，經過C1 諧振，最終信號轉變為正弦波信號。 圖3 解調電路原理圖 最終只有標準正弦波信號輸入至MC3361 的第16 引腳，作為MC3361 的第一中頻IF 輸入信號，信號幅值為0V，峰值為500mV，頻率為270KHz 或230KHz。在MC3361 內部第二混頻級進行混頻處理，處理后的信號為455KHz 的第二中頻信號，由第3 引腳輸出，由455kHz 陶瓷濾波器選頻，即圖3 中的Z4 器件，再經第5 腳輸入MC3361 的限幅放大器進行高增益放大，限幅放大級是整個電路的主要增益級。第8 腳接鑒頻電路，由455kHz 鑒頻器Z3、R2 及C26 組成，經放大后的第二中頻信號在內部進行鑒頻解調，并經一級音頻電壓放大后由第9 引腳輸出信號，信號經過第10 腳和第11 腳構成的有源濾波電路，再輸入MC3361 的第12 腳進行載頻檢測并控制電子開關，最終經過解調的信號由第13 引腳輸出，直接輸入MCU 的引腳，由MCU 進行處理。 2 軟件設計 系統主程序分為兩個主要流程：串行接口處理流程和光纖接口數據處理流程。 2.1 串行接口處理流程 本流程的主要任務是檢測串行接口是否接收到數據，如果串行接口接收到數據，設計中為了提高系統的穩定性和抗干擾能力，首先對數據進行拆分，將長數據包拆分成若干個短數據包，并為每個數據包增加起始標識、校驗碼和結束標識，組成一個數據幀，每個數據幀正確傳輸結束再進行下一數據幀的傳輸。組成數據幀后，由MCU 對數據進行調制，并發送到光纖接口，將數據發送出去。 2.2 光纖接口數據處理流程 本流程的主要任務是檢測光纖接口是否接收到數據，如果光纖接口接收到數據，則首先驗證數據幀格式，如果格式正確，則將有效數據提取出來重新組成完整數據包，并將數據包從串行接口發送出去，完成光纖接口到標準串行接口的數據傳輸。 系統軟件設計流程如圖4 所示。 圖4 軟件設計流程圖 3 結束語 光纖通信做為一種高性能的通信技術，在工業現場中越來越突顯出其優勢，本文設計的低成本光纖通信模塊在電力系統和其它工業控制中都有著良好的應用前景，不但降低了系統的整體成本，也提高了光纖通信的可靠性和抗干擾能力。本光纖通信模塊已經成功應用在多個控制系統中，運行穩定，性能良好，具有非常重要的實際意義。 |
