基于塑料光纖的高壓隔離通信接口設計

楊永輝

（國網電力科學研究院 湖北 武漢430074）

電力輸配電現場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計中經常遇到的課題。根據隔離信號種類的不同，分為模擬信號隔離和數字信號隔離；根據隔離介質的不同，又分為變壓器隔離、運放隔離、光耦隔離、紅外隔離、光纖隔離、無線隔離等。模擬信號的隔離常用隔離運放，這種方法存在隔離過程中可能引入新的量化誤差，輸入信號頻率不能太高等問題。而數字信號隔離則沒有上述問題。因此，數字信號隔離應用廣泛。特別是塑料光纖隔離具有隔離電壓高，工作頻率比較寬，也無需進行信號調制解調，隔離距離較遠，不易被干擾，可靠性高，硬件接口簡單，成本比較低的優點。因此，塑料光纖隔離傳輸在電力系統中具有廣闊的應用前景。

1 塑料光纖[1]

與電纜相比，塑料光纖POF（Plastic Optical Fiber）不受電磁干擾、無電磁輻射。與玻璃光纖相比，塑料光纖成本低，較柔軟、容易安裝和維護，POF芯徑通常為0.3～1 mm，而玻璃光纖芯徑為62.5 μm或50 μm，芯徑大10倍左右的POF連接對準容易，連接中即使有30 μm的偏移，也不嚴重影響耦合損耗（約增加損耗0.03 dB），使用廉價的注塑連接器，從而顯著降低系統的總成本。

塑料光纖的連接器可以根據應用的不同可自行設計。在高壓隔離通信中，常用的軟件協議有RS232總線，SPI總線，CAN總線等[2]，這些接口的信號頻率小于10 MHz，這與光學數字音頻接口（TOSLINK）的頻段相同，使用標準的TOSLINK接口可以進一步降低成本，提高可靠性。

TOSLINK是東芝連接（Toshiba Link）的縮寫，也是一種標準光學數字音頻接口，可用于在各種器材之間，通過一種光導體，利用光作載體傳送數字音頻信號（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接口是一個光收發器，將數字電信號轉化為光信號并傳輸數據。它通過光發送模塊將數字電信號轉換為數字光信號，轉化后的光信號通過塑料光纖到達光接收模塊。光接收模塊將光信號轉換回數字電信號。光發送模塊主要元件是LED，它是一個光發射元件，通過驅動電路來驅動。光接收模塊由感光元件和波形修整電路組成。電路使用標準的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的核心元件是光發送器和光接收器。其中，光發送器是由發光二極管及光纖連接器構成。發光二極管使用高亮度、大小為1 mm×1 mm表面貼片封裝的發光二極管，這種發光管具有驅動電流小、價格便宜的優點，發光面大小與塑料光纖的直徑相當，容易將光信號與塑料光纖耦合［3］。發光二極管的工作波長也要與塑料光纖的工作波長相配合。光纖連接器是將發光二極管與塑料光纖進行有效對接的機械結構。光纖連接器一般采用槽形結構，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成。光接收器收到的信號經放大、濾波后，輸出TTL兼容信號。其光纖連接器與光發送器中的連接器完全相同。

2 硬件電路設計

基于TOSLINK接口的光收發模塊很多，其硬件接口是類似的，光和電參數根據應用不同而不同。市場上有很多相關的生產廠家。這里以DLR1111和DLT1111對管為例[4-5]，說明塑料光纖的接口電路設計方法。DLR1111和DLT1111的外形和封裝形式完全一樣，如圖1所示。

圖1 DLR1111的外形Fig.1 Shape of DLR1111

DLR1111主要參數如下：工作電壓為2.7～5 V；工作電流為6.5 mA；工作波長為700 nm；工作頻率小于16 Mb/s；傳輸距離小于20 m。

從以上參數來看，該器件可以滿足各種常見的高壓隔離通信的要求。

驅動模塊電路比較簡單。當電源部分沒有正確處理時，該驅動模塊電路會從電源部分引入干擾，輸出波形會出現干擾脈沖，如圖2所示。圖2中下半部分波形是標準的1 MHz方波，由信號發生器產生，上半部分波形是經塑料光纖后輸出的TTL信號，從圖2中可以看出，在上升沿的上部產生一個很強的干擾，如果這個干擾一直存在，會影響數據通信的正常進行。

圖2 驅動電路未正確處理時的波形Fig.2 Waveform when circuit is not treated carefully

經反復試驗和測試，在DLR1111和DLT1111的電源電路中采用 10 μH 電感與 10 μF 電容（并聯 0.1 μF）構成的 LC濾波，可大幅濾除電源中的高頻干擾。同時，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接地，可防止其他電路的干擾信號從地電位引入到光驅動模塊中，驅動電路原理圖如圖3所示。

圖3 驅動電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of driver circuit

當正確處理了驅動模塊的外圍電路后，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沒有任何高頻干擾存在。

圖4 驅動電路正確處理時的輸出波形Fig.4 Output waveform when circuit is treated carefully

圖4顯示的信號頻率為1 MHz，對驅動模塊進行了實際的頻率特性試驗，從1 Hz開始，以10倍的系數增加信號頻率，一直到10 MHz為止。試驗結果顯示，在1 Hz～10 MHz的頻率范圍內，輸出的波形有固定的100 ns的延遲，信號輸出波形無干擾，邊沿干凈。之后對驅動模塊的電壓特性進行測試，在電源電壓1.5～6 V的電壓范圍內，輸出波形干凈，說明該驅動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。將光發送模塊的工作電壓從1.5～6 V范圍內變化，光接收模塊的工作電壓固定為某一個值，如3.3 V時，輸出信號電壓和光接收模塊的工作電壓相同，也為3.3 V。以上試驗說明，光收發模塊可以使用不同的工作電壓，而不影響信號的傳輸，這對工作電壓不同的系統非常有用。

測試中發現，其輸入輸出是有延遲的，固定為100 ns，如果輸入信號頻率比較高，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行硬件或軟件處理，得到完全同步的隔離信號。

3 應用實例

某高壓儀表隔離部分設計參數如下：隔離電壓為60 kV；傳輸速度為1 MHz；傳輸距離為10 m；接口類型為SPI。

從以上設計要求選擇數字傳輸方案，并綜合考慮隔離電壓、傳輸速度、傳輸距離、成本、可靠性、實現難度等方面，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，從機是一個SPI接口的串行A/D轉換器，硬件連接方法與圖5類似。SPI總線是板內總線，在1 MHz下的傳輸距離不宜超過1 m，加了塑料光纖隔離驅動后，其傳輸距離被大大延長了。高壓部分和低壓部分的驅動模塊各需要3個，這3個模塊布局時放在一起，共地連接，之后與其他部分電路要單點接地處理。

圖5 SPI的硬件連接圖Fig.5 Schematic diagram of SPI hardwave connection

SPI通信硬件除了將傳輸介質由金屬導線換為塑料光纖外，沒有其他區別，軟件上則與普通SPI的軟件完全相同[6]。

4 結 論

塑料光纖技術是正在發展中的新興技術，已在音頻數據傳輸中廣泛使用，由于其高隔離電壓、高速度、較遠傳輸距離及低成本的優點，會在高壓設備、高壓儀表及輸配電現場中得到廣泛應用。

[1] 唐鋼，吳祥軍.淺談塑料光纖在短距離通信中的應用[J].網絡電信， 2001（4）：38-40.TANG Gang，WU Xiang-jun.Introduction of the POF applications in short distance communications[J].Network Telecom，2001（4）：38-40.

[2] 范寒柏，陳旭升，張春榮.基于塑料光纖的CAN總線設計[J].電力系統通信， 2007，28（178）：50-52.FAN Han-bai，CHEN Xu-sheng，ZHANG Chun-rong.Design of CAN bus based on plastic optical fiber[J].Telecommunications for Electric Power System， 2007，28（178）：50-52.

[3] 周曉偉，趙奎，李立漢.短距離塑料光纖通信系統[J].今日電子，2009（9）：42-43.ZHOU Xiao-wei， ZHAO Kui， LI Li-han.The plastic optical fibers for short distance optical telecommunication Systems[J].Electronic Products，2009（9）：42-43.

[4] Edison Opto Corporation Products.DLT1111A data sheet[EB/OL].（2004-06-28）[2010-04-18].http：//www.edison-opto.com.tw/pdf/DLT1111A_V1.0.pdf.

[5] Edison Opto Corporation Products.DLR1111A data sheet[EB/OL].（2005-08-16）[2010-04-18].http：//www.edisonopto.com.tw/pdf/DLR1111A_V1.0.pdf.

[6] 楊永輝，曹丹華，吳裕斌.TMS320LF2407A與SPI的接口設計[J].測控技術， 2003， 22（2）：60-61，66.YANG Yong-hui， CAO Dan-hua， WU Yu-bin.SPI interface design of TMS320LF2407A[J].Measurement&Control Technology，2003， 22（2）：60-61，66.