155Mbps光纖收發模塊用于低速異步串行通信的設計

孫靖舒

摘 要 155Mbps的光纖收發模塊一般用于100Mbps光纖以太網通信，接口電平通常為PECL的差分信號，由于光功率過飽和的原因，通常要求發送信號調制后發送，正常情況下不能直接用于中低速異步串行通信。支持中低速通信的光纖模塊一般價格為150元，而155Mbps的光纖模塊價格一般不到70元。若將少于10元成本的單片機用于155Mbps光纖模塊上，并能解決中低速數據的光纖通信問題，有一定的應用價值。

關鍵詞 光纖收發模塊；單片機；中低速數據通信

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）200-0173-02

1 總體設計思路

1）設計合理的編碼方式對高速數據進行調制與解調。

2）收發過程通過兩片單片機來模擬，從而判斷設計方案的可行性，同時記錄出現的問題。

3）通過軟件模擬所得到的結果來選擇適當的芯片進行實際電路的搭建。

2 低速光纖收發模塊電路設計與實現

2.1 調制解調原理

實驗是通過改變占空比從而改變傳輸速率[ 1 ]。具體實現方式如下：設定通信速率最低為9600bps，最高為115200bps，速率必須為常用標準速率。

列表如下：9600，19200，38400，57600，115200單片機設定頻率為11.0592×3MHz。調制時按115200速率的位進行，0變為1：3的占空比，1變為3：1占比。輸入接INT1，INT1工作在上下沿中斷方式當中斷發生時，調整定時器T1工作在230400bps×4自動重載定時方式INT1中斷或T1中斷3次時，輸出低電平；T1中斷1次時INT為0，則輸出高電平，重復上過程即可。

2.2 調制電路的設計

實驗使用兩個單片機來模擬預想程序的設計。如圖1所示，單片機U2是發送端，單片機U2的接口分別向單片機U1持續發送高電平和低電平，此時U1做的工作是對發送過來的數據進行調制。單片機設定頻率為11.0592×4MHz。1變為3：1占比，0變為1：3。

U2的作用是持續給U1發送高低交叉的電平作為被調制電平。U2主程序中，首先給接口賦了初值1，且僅執行這一次后一直等待，直到中斷程序的到來。中斷程序到來后，立即執行switch函數。在switch函數中設置了一個靜態變量tsts。在函數中，靜態變量只有定義時才初始化，每次函數調用時保留有上次的值。使用上基本上和全局變量差不多，只是函數外部無法訪問，這樣有利于簡化電路而且使電路數據可以更好的被修改。

第一次中斷到來時立即執行switch中的case 0，這段程序的作用是將P2_0端口電平拉高的同時給tsts重新賦值為1。執行完這部分程序后這次中斷過程就結束了，程序跳出switch函數，然后等待下一次中斷的到來。當第二次中斷到來時，tsts已經變成了1，因此這一次程序要執行switch函數中的case 1。case 1的作用是將P3_0的電平賦給P2_0，同時也將tsts重新賦值為2。到此程序執行完畢，程序跳出switch函數，然后繼續等待下一次中斷的到來。第三次中斷到來時，這次tsts要根據上一次保存的數值2來執行，因此程序執行case 2。在這個程序中只是將tsts賦值成新的參數3，其他端口保持不變，也就是說P2_0依然輸出同P3_0相同的電平，然后程序就執行完畢，程序跳出switch函數，等待第四次中斷的到來。當第四次中斷到來時，tsts為3，因此程序執行case 3，程序的功能是將P2_0電平再次拉到低電平，tsts賦值為0，完成這些過程便跳出中斷程序繼續等待下一次中斷的到來。tsts在第四次中斷的時候被重新賦值為0，這樣就使得程序可以循環地進行。整個調制程序完成。如此循環就可以實現調制功能了。

2.3 解調電路的設計

解調過程是根據多次判斷輸入電平的高低從而來決定輸出電平的高低。在調制程序中新引入了一個變量rbit。它的作用是作為一個中間變量將判斷結果最終發送給輸出端。

具體過程為：當第一次中斷到來的時候程序將運行switch函數里的case 0語句。這條語句的作用是通過if語句來判斷輸入端口P0_0的電平。如果P0_0高電平那么就給rsts賦值1，執行完這些動作之后這一次的程序就完成了。因為在主函數中已經給P0_0賦了高電平，所以第一個if語句一定會給rsts賦值1。第二次中斷程序到來的時候，此時的rsts數值為1，因此執行case 1。這條語句依然是判斷P0_0的電平。如果P0_0為高電平那么只做給rsts賦值參數2完成這一個動作就跳出程序，繼續等待下一次中斷的到來。如果P0_0為高電平，那么不單要給rsts賦值參數2，同時還要給之前定義的rbit參數賦值0，完成這些過程就跳出程序，等待下一次中斷的到來。第三次中斷程序到來的時候，此時的rsts為2，于是程序執行case 2，在這條語句中，rbit的值會隨著P0_0而變化，如果P0_0為高，那么rbit為1，相反，如果P0_0為低，那么rbit為0。同時rsts被重新賦值為3，這條語句到此結束，跳出程序，繼續等待下一次中斷的到來。通過前三次中斷判斷后，如果輸入是高電平，那么rbit就為1，如果是低電平，那么rbit就被賦值為0。當第四次中斷到來時，要通過前三次的判斷從而決定輸出端P0_4的電平。case 4的作用就是將判斷出的rbit值賦給輸出端P4_0，rsts被重新賦值為0。所有的程序到此結束。

3 實現電路的各模塊設計

3.1 電平轉換電路的設計

單片機傳輸數據時為TTL電平，而光模塊為ECL電平。因此光模塊與單片機不能直接相連，所以在單片機與光模塊之間要放置一個26LS32芯片構成的電平轉換電路，使得光模塊發送的ECL電平和單片機發送的TTL電平可以互相轉化。從而實現電平匹配[ 2 ]。電平轉換電路使用的芯片是26LS32，芯片26LS32其內部含有四個相同的差分電路，和一個使能控制端。輸入信號介于V1T和V1T-之間就可以工作。endprint

3.2 接口電路的設計

由于電腦串口R232電平是-10V至+10V，而單片機應用系統的信號電壓是TTL電平0至+5V。因此在連接PC機部分要使用MAX232芯片進行轉換。該器件包含2個驅動器、2個接收器和一個電壓發生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。RS232接口電平轉換芯片的電容值：104和105均為去耦電容，用在電源和地之間。4個電容具有3個方面的作用：一是作為本集成電路的蓄能電容；二是濾除該器件產生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進行傳播的通路；三是防止電源攜帶的噪聲對電路構成干擾[ 3 ]。

3.3 電源電路的設計

實現電路所有的電源用芯片MC34063來提供。MC34063集成電路主要特性：輸入電壓范圍：2.5V～40V，輸出電壓可調范圍：1.25V～40V輸出電流可達：1.5A。工作頻率：最高可達100kHz，低靜態電流短路電流限制，可實現升壓或降壓電源變換器。它由具有溫度自動補償功能的基準電壓發生器、比較器、占空比可控的振蕩器，R-S觸發器和大電流輸出開關電路等組成。該器件本身包含了DC/DC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價格便宜[4]。

4 電路實現

根據上述電路分析，設計出了155Mbps光纖收發模塊用于低速異步串行通信的電路版圖，如圖2所示。

5 結論

1）該綜合實驗系統不僅能為以單片機為核心的系統前期探索研究提供一種方便的實驗裝置，而且能在遠離工業現場的實驗室解決工業應用中的實際問題.實驗結果表明該系統可以將許多分散的實驗項目整合在一起進行研究和分析，節約資源，降低成本；實驗數據正確率高，通信實時性強，系統工作可靠；單片機串行網絡構成的光模塊通信靈活性強，易于擴充，其設計原理可以減少生產成本具有很大的實用價值。

2）接口電路在實際應用中的注意：

（1）快速開關二極管可以選用IN4148，在要求高效率的場合必須使用 IN5819（貼片為SS14）；（2）34063能承受的電壓，即輸入輸出電壓絕對值之和不能超過40V，否則不能安全穩定的工作；（3）輸出功率達不到要求的時候，比如>1A時，可以通過外接擴功率管的方法擴大輸出電流，三極管、雙極型或MOS管均可。（4）電容選擇上可以適當調大電容的數值。

參考文獻

[1]基于方波載波占空比調制的ECPT系統能量信號并行傳輸技術[J].電工技術學報，2015（21）：51-56.

[2]許春田.PLC與TTL間電平轉換電路的一種簡單設計方法[C]//全國冶金自動化信息網、《冶金自動化》雜志社.全國冶金自動化信息網2010年年會論文集，全國冶金自動化信息網、《冶金自動化》雜志社，2010：3.

[3]王征.RS232/PROFIBUS-DP從站接口設計與實現[D].北京：清華大學，2004.

[4]郭忠銀，高飛燕.基于MC34063的開關電源設計[J].工業控制計算機，2010（2）：100-101.endprint