串行光纖數據總線技術的開發研究

梁超峰， 龔華軍， 王新華， 楊一棟， 甄子洋

(南京航空航天大學自動化學院，南京 210016)

0 引言

當今高性能飛機已廣泛采用電傳飛控系統(Fly－By－Wire，FBW)，電傳飛控系統可以減輕飛控系統的體積和重量，提高飛行可靠性，大大改善飛機的操縱品質。但電傳操縱系統也有其自身的缺陷，其中最主要的是它不能防御雷電、電磁干擾和電磁沖擊等。解決這一問題的根本辦法是把光纖傳輸技術應用于飛控系統，即光傳飛控系統［1－2］(Fly－By－Light，FBL)。

在光傳操縱系統中，光纖數據總線是非常重要的組成部分。在傳統電傳操縱的基礎上，開發光傳操縱系統需要克服的主要技術問題包括能夠適應航空機載環境的電/光信號轉換技術及低損耗、高可靠的光纖及連接技術等。本文在研究了相關串行通信協議的基礎上，詳細描述了光電轉換接口板的設計方案及開發過程。該光電接口板具有傳輸RS－232及RS－485信號的能力。

1 串行光通信鏈路的組成結構

在現有技術［3］的基礎上，本文所開發的串行光通信鏈路由主機接口、光電轉換模塊、光纖及連接器、電光信號轉換模塊等幾個部分構成，如圖1所示。

圖1 典型串行光通信鏈路功能框圖Fig.1 Function diagram of typical serial optical communication link

在上述串行光通信系統中，主機接口采用技術成熟度較高且已大量采用的RS－232/RS－485雙接口設計。因其不僅可直接避免與配套系統的兼容性問題，而且存在足夠多的可選集成電路以滿足各種指標，為后續高可靠光接口的開發提供了技術前提。

2 光電接口模塊的設計方案

光電接口模塊［4］是整個串行通信鏈路的關鍵，其可靠性及性能直接決定著光傳系統優劣。光收發器負責光/電信號之間的轉換，是光傳系統與傳統電傳系統之間的橋梁。

光接口模塊包括發射器和接收器兩部分，光信號的生成及探測采用LED/PIN組合，功能框圖及封裝結構如圖2所示。

圖2 光接口模塊功能框圖Fig.2 Function diagram of the optical interface module

光發射器部分主要包括RS－232/RS－485至TTL電平轉換電路、LED驅動電路和光纖接插件電路。接收器部分包括PIN接插件及信號放大電路，其中電平轉換、端口供電電路、總線接口與發射器共用。光電接口模塊的發射器與接收器部分的電路框圖及工作原理分別如圖3、圖4所示。

圖3 光發射器工作原理及結構框圖Fig.3 Optical transmitter working principle and its construction

圖4 光接收器工作原理及結構框圖Fig.4 Optical receiver working principle and its construction

3 光電接口電路的設計

3.1 發射電路設計

發射電路主要包括LED發光組件的選用及相應驅動電路的設計。在此選用安捷倫的HFBR－14×4系列光發射器接插件［5－6］，其相應電流配置如圖5所示。

圖5 HFBR－14×4工作在低速(5 Mb/s)鏈路中的電路配置Fig.5 Circuit configuration of HFBR －14×4 worked at low speed link of 5 Mb/s

圖中DS7545N是一種通用的二極管鉗位輸入，三極管OC(集電極開路)門輸出的驅動芯片，其內部邏輯及工作原理如圖所示，其中R1用于調節發射器正向驅動電流IF的值，其值經計算為233 Ω，IF與通信距離成正比，即通信距離越遠，驅動電流就應越大。

在實際設計時，考慮到發射器需要工作在不同的外部環境，且通信距離與連接光纜的類型也會不同，因此應留有一定的設計裕量，R1可取200 Ω。為了給發射器提供足夠的正向驅動電流，又要保證發射器工作在非過度驅動狀態(過度的驅動電流會嚴重影響發射器的壽命甚至燒毀發射器)，在設計時，R1取一個定值電阻(保證工作在非過度驅動狀態)與一個可變電阻(調節驅動電流)的組合。

3.2 接收電路設計

光接收器電路的設計與發射電路的設計息息相關。配套的發射/接收器有利于穩定信號傳輸質量，提高通信性能。針對之前設計的光發射模塊，在接收端采用安捷倫 HFBR －24×2系列光探測接插件［5－6］配合相應的輔助電路構成光接收電路。其相應的光接收電路如圖6所示，其中RL的取值約為560 Ω。電路中0.1 μF的旁路電容在進行PCB布線時，應盡量靠近接收器2、7引腳，電容至探測組件的連線長度不應超過20 mm。

圖6 光接收電路原理圖Fig.6 Principle diagram of optical receiver circuit

3.3 電平轉換電路設計

如前所述，所開發的光通信模塊提供 RS－232和RS－485兩種與主機通信的接口。而后續發射驅動電路要求TTL電平輸入，因此必須設計RS－232?TTL和RS－485?TTL的電平轉換電路。

1)RS－232?TTL電平轉換電路。

考慮到所設計的光通信鏈路將首先用于光傳操縱系統的地面物理驗證，所以目前對電路的環境適應性要求不是很高，但應為以后設計高速率，長距離，惡劣的電磁、溫度及輻射環境下的光傳設備預留一定的設計裕量。目前選用的電平轉換芯片為MAXIM公司的MAX232A［7］，該芯片應用廣泛，具有多種引腳功能兼容、適應不同工作環境的型號。MAX232A為雙通道全雙工RS－232?TTL電平轉換芯片，額定最大工作速率為230 kb/s，典型工作電路如圖7所示，其外部元件均為 0.1 μF 電解電容。

該電路的設計具有通用性，在需要ESD浪涌保護，較寬的外界溫度范圍(－55℃ ～+125℃)，低功耗等場合均有相應的引腳兼容的芯片可供選用。設計時，采用管座接插式裝配，更換芯片時只需將原芯片從管座上拔下，插上新的芯片即可，且便于維護。

2)RS－485?TTL電平轉換電路。

與RS－232相比，RS－485具有平衡式傳輸、抗共模干擾能力強、通信距離遠、速率高、可進行點對多點通信等一系列優點。采用Maxim公司MAX485E［8］設計的RS－485?TTL的電平轉換電路，如圖8所示。

MAX485采用DIP8封裝，額定最高傳輸速率為2.5 Mb/s。原則上，MAX485無需外部元件即可正常工作，此處為防止總線空載時接收器輸出錯誤空翻，分別在A、B線上接了10 kΩ的上、下拉電阻。為防止遠距離通信時電信號反射對收發器造成影響，在A、B總線間加了一個120 Ω的終接匹配電阻R3。之所以與R3一起串聯了一個跳線，主要是因為R3會消耗相當大的功耗，在近距離通信時可將R3斷開以節省功耗［9］。

圖7 RS－232至TTL電平轉換電路Fig.7 RS－232 to TTL conversion circuit

圖8 RS－485至TTL電平轉換電路Fig.8 RS－485 to TTL level conversion circuit

4 光通信鏈路的性能測試

4.1 基帶傳輸性能測試

圖9所示為一套完整的光電轉換通信接口測試鏈路，包括連接主機的串行通信電纜、光纖和所開發的光通信模塊接口板。

圖9 光通信鏈路測試系統配置Fig.9 Optical communication link test system configuration

RS－232及RS－485均采用基帶方式傳輸信號，本文以信號發生器產生的方波信號作為輸入信號。光發射器分別輸入不同頻率的信號，在接收端通過檢測。圖10所示為示波器輸出的頻率分別為10 kHz、100 kHz、250 kHz和500 kHz時光發射器的輸入輸出波形比較，其中圖的上方為發送端輸入信號波形，下方為接收端輸出信號波形。

測試結果顯示，在高于250 kHz時，輸出信號的失真已經較為明顯，為保證足夠的可靠性，本系統能夠正常使用的頻帶范圍應不高于250 kHz，但這已能夠滿足光傳操縱仿真的應用。需要指出的是，當方波的傳輸頻率為250 kHz時，相當于數據傳輸速率可達500 kb/s。

圖10 光發射器與接收器對不同頻率方波信號的傳輸特性Fig.10 Optical transmitter and receiver transmission characteristics at different frequency square wave signal input

4.2 數據通信測試

基帶信號測試雖然可以彌補計算機串口通信波特率不全面的弊端，但為了驗證系統配合計算機的實際通信效果，仍有必要進行計算機數據通信測試，圖11為串行波特率分別為 115200 b/s、230400 b/s、460800 b/s、921600 b/s時的通信測試窗口，該測試驗證了所開發的光通信系統進行小數據量通信時的性能。

由圖11可知，該系統在波特率為460.8 kb/s時仍未出現誤碼，直至波特率上升到921.6 kb/s時才出現通信異常，這與250 kHz以上的方波測試時輸出波形嚴重失真的測試結果相符。

除小批量數據通信外，飛控系統和航電設備還有可能需要傳輸大批量突發數據。為驗證這種情況下的通信性能，系統采用一次性傳輸大型二進制文件的方法進行模擬測試。測試證明，在不進行數據校驗時，系統在波特率為115200 b/s時能夠可靠地傳輸大批量突發數據;在加入數據校驗的情況下，波特率為460800 b/s時能夠達到最好的傳輸效率。經估算證明，系統在波特率為115200 b/s時誤碼率低于10－10，在波特率為 460800 b/s時低于 10－6。

4.3 存在的問題及改進方案

圖11 不同波特率下的數據通信測試結果Fig.11 Data communication test results at different baud rate

從測試結果可以看出，所開發的光通信系統的有效傳輸波特率為460800 b/s，可進一步提高系統的可靠通信速率。由于光接口模塊的光發射接收部分的設計工作速率為5 Mb/s，目前的性能瓶頸在于串口電平的轉換電路。對于RS－232而言，可通過更換具有Mb/s通信能力的集成芯片，對于RS－485同此理。

在進行高速數據通信時，指示燈的作用減弱，具體表現為燈光變暗，空閑狀態及工作狀態變化不明顯。因為LED的上升下降時間慢于數據信號的邏輯交替時間，導致LED不能在一個周期內完成點亮和熄滅過程。雖然可通過降低限流電阻以增加LED的正向導通電流解決這個問題，但如此以來，將會增加電路功耗，目前此情況可通過更換為高亮度LED加以改善。

5 應用實例

系統以直升機光傳飛行控制［10］為研究背景，采用顯模型控制律通過光傳數據總線對控制對象進行操縱。所開發的直升機貼地飛行光傳驗證平臺的總體結構采用圖12所示的配置，主要包括操縱桿、顯模型處理計算機、控制率解算計算機、光傳數字舵機系統和用于互連各組成設備的光纖通信數據鏈。其中，桿位移傳感器通過USB接口與用于顯模型指令解算的主機相連。兩臺計算機之間通過采用串行RS－232協議的光纖數據總線相連，而控制率計算機與舵機控制器之間則通過采用RS－485通信協議標準的串行點－點光纖數據鏈路相互通信。

圖12 直升機光傳操縱驗證系統配置Fig.12 The helicopter Fly－By－Light control verification system configuration

光電接口模塊(即光收發器)與舵機控制器及舵機執行機構的連接方式如圖13所示。

圖13 舵回路及主要光傳組件Fig.13 Rudder circuit and the main light components

圖中，控制律解算計算機控制信號由RS－232電纜從工控機串口引出，經FCC端收發器(RS－232模式)轉換成光信號，光信號經20 m光纖傳輸至舵機控制器端收發器(RS－485模式)，轉換成 RS－485差分電信號，舵機控制器接收RS－485信號將其轉換為舵機執行機構驅動脈沖。

6 結束語

本文在研究了相關串行通信協議的基礎上，詳細描述了光電轉換接口板的設計方案及開發過程。該光電接口板具有傳輸RS－232及RS－485信號的能力，在光電接口端進行良好屏蔽的情況下，可在相當惡劣的環境下正常工作。性能測試表明，所開發的光通信設備可穩定工作在460.8 kb/s，并對現存的問題及局限提出了一些改進性意見以便后續開發時參考。

該光電轉換接口設備是為配合用于小型直升機的光傳數字舵機的驗證而開發的。通過其在直升機貼地飛行光傳操縱半物理仿真平臺上的驗證表明，所開發的光電接口設備兼容兩種串行接口，充分滿足驗證工作的需要。

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［2］ 楊一棟，劉曉里.光傳飛行控制［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［3］ 王新華.分布式三余度光傳綜合火力/飛行控制系統研究［D］.南京:南京航空航天大學，2003.

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［8］ Maxim Intergrated Products.Slew－rate－limited RS－485/RS－422 transceivers［Z］.DataSheet，19－0122，1996.

［9］ 徐繼紅.提高RS－485網絡可靠性的若干措施［J］.今日電子，2001(1):17－20.

［10］ 陳冬梅.直升機光傳飛行控制系統的技術研究［D］.南京:南京航空航天大學，2005.