工業通信中光電耦合器的應用

黃俊民

摘? 要：光電耦合器作為一種非常重要的光電器件，能夠調節電流的狀態，可以滿足當前工業系統高規格的隔離和保護要求。特別是近幾年，隨著數字通信技術的不斷發展，固體繼電器與光隔離器等部件被廣泛應用在機械行業中，為光耦合器提供了廣闊的市場。光耦合器在未來的發展過程中，將會體積更小、性能更高、重量更輕、運轉速度更快。

關鍵詞：工業通信;光電耦合器;結構原理

中圖分類號：TN622? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電-光-電轉換器件。由于該器件使用壽命長、工作溫度范圍寬，所以在過程控制、工業通信、家用電器、醫療設備、通信設備、計算機以及精密儀器等方面有著廣泛應用[1]。在當前工藝技術持續發展與提升的過程中，其工作速度、工作電流以及集成水平等性能，均會得到較大提升。為了進一步拓展光耦的功能，在普通光電耦合器件的基礎上，可以通過LED進行調制信號的加載工作，通過光形式的專屬信號、光電二極管的提取以及接收光信號的方式，同時對相關數據進行恢復處理，能夠在電-光-電轉換過程中進行傳輸數據，實現通信的功能。

1 光電耦合器結構分析

光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號，對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以它在各種電路中得到廣泛應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光電耦合器的主要結構是把發光器件和光接收器件組裝在一個密閉的管殼內，然后把發光器件的管腳作為輸入端，把光接收器的管腳作為輸出端。當在輸入端加電信號時，發光器件發光。這樣，光接收器件由于光敏效應而在光照后產生光電流并由輸出端輸出。從而實現了以光為媒介的電信號傳輸，而器件的輸入和輸出兩端在電氣上是絕緣的。這樣就構成了一種中間通過光傳輸信號的新型半導體光電子器件。光電耦合器的封裝形式一般有管形、雙列直插式和光導纖維連接3種。

2 工業通信的原理

數字通信主要是借助數字信號來傳遞信息以及數據，而電子電路中的數字信號主要通過“0”與“1”二值邏輯表示信息信號，之后即能夠通過數字信道實現信息傳遞的目的。為了有效提高信息傳輸的保密性以及穩定性，同時為了促使信道利用率得到進一步提升，在開展信號傳輸工作前，采用不同編碼手段對信號頻譜進行調整，可以使信號抗干擾能力得到有效提升，減少系統噪聲與外界噪聲造成的干擾問題。之后借助調制器科學調制信號，能夠有效拓展信號頻譜，僅提高其與信道傳輸的適用性，將信道作用充分發揮出來，有效保證了傳輸性能。另外，對于數字信號來說，同步環節具有重要地位，如果是幀同步與時鐘同步缺少準確性，那么信息準確性也會受到直接影響。信號借助無線信號或是有線信道向接收端傳輸信號之后，進行解調以及譯碼等處理后即能恢復信息[2]。對于數字通信來說，程控交換技術同樣非常重要，其主要是以及電話交換機相關技術作為支撐，逐漸演變成程控交換機，將交換程序輸入計算機中，就能實現信息的接駁控制，最初的信息類型僅涵蓋語音類型，在發展過程中不斷豐富，數據信息類型種類更加多元，通過交換機的應用，有效提高了通信體系維護管理工作的靈活性、可靠性與便捷性，促使其功能更加豐富，因此，借助控制軟件可以拓展硬件功能，促使信息服務質量得到有效提升。

3 微型處理器的通信及接口

選擇ARM32位內核STM32處理器作為ECON控制器的CPU，I/O接口數量為12個，能夠實現數字輸入、數字輸出以及模擬等功能[3]。數字舵機和外部傳感器應該借助該I/O結構實現和ECON控制器構建通信的目的。其主要涵蓋數字量和模擬量2種通信信號，數字信號接收端可以選擇I/O接口D引腳，然而如果是在不同ECON控制器中構建通信，那么不能夠僅借助數字線開展，而應該針對通信電纜科學設置相應的輔助電路。

4 微型處理器之間通信電路設計

微型處理器共有12個I/O通信端口，能夠滿足能力源C6工程中大部分項目的要求，然而對于柔性制造體系、汽車生產線模擬以及AGV導引小車等結構復雜以及創新性較強的項目來說，I/O接口會出現數量不足的問題，所以需要保證各個控制器能夠充分配合，這樣才能夠保證工作任務的順利完成。

5 多個微型處理器配合工作原理

在多個微型處理器通過配合完成復雜項目任務時，不同控制器應該保證自身的工作任務能夠準備充分。系統基于特定時間段或是特定狀態，觸發數字信號，保證不同控制器均能完成自身工作。圖1為2個ECON102控制器之間進行配合工作。

從圖1中可以看出，控制器1與控制器2中的I/O 10接口，借助觸發電路進行連接，控制器1中的傳感器發現特定環境參數之后，該控制器中的I/O 10接口會發送二進制信號，信號位數為1位，之后觸發電路向控制器2中的I/O結構傳輸觸發信號，該種情況下，控制器2的中央處理器完成觸發信號接收后，發動控制指令，讓控制器2穩定運轉。

6 光電耦合器在通信電路中的應用

光電耦合器在長線信息傳輸中作為終端隔離元件，可以大幅度提高信噪比。所以，它在各種電路中得到了廣泛應用。

根據它的特性，人們利用光電耦合器制作可控的光電開關，對開關電路和高壓電路能夠起到非常好的控制和穩壓作用，為人們的使用提供了諸多方便。由于微機處理器會完成觸發信號接收工作，所以可以將通信電纜電路視為觸發電路，能夠借助光耦電路達成這一目標。對于通信電路來說，TLP521光電耦合器是核心器件，其主要特點就是工作溫度寬、響應速度快以及信號基本上不會發生失真問題。光電耦合器之所以能夠在傳輸信號的同時，有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號雜訊比得到提高，主要有以下4個方面的原因。1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105 Ω～106 Ω。根據分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓也會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發光，從而被抑制掉了。2） 光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間既沒有電氣聯系又沒有共地。二者之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了公共阻抗耦合干擾信號的產生。3）光電耦合器可以起到很好的安全保障作用，即使外部設備出現故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。4）光電耦合器的回應速度極快，其回應延遲時間只有10 μs左右，適用于對回應速度要求很高的場合。

7 工業自動化行業光電耦合器通信發展趨勢

科技的不斷發展為光電耦合通信創造了較多的可能性以及較大的發展空間，以太網、互聯網以及其他網絡技術構建較為完善，有線通信開始被無線通信取代，并逐漸成為通信行業中的關鍵通信技術手段，在通信市場中的占有率持續增加，發展為自動化通信體系中的關鍵方式[4]。因為光耦通信技術的應用優勢非常突出，在復雜工業條件下可以保證通信服務質量，所以使相關人員能夠在惡劣條件下進行可靠、穩定的通信，保證工業自動化能夠獲得更多的優質服務。通過對光耦通信發展趨勢的深入分析能夠發現，未來光耦通信技術的安全性、效率等性能均會得到有效提升，并且相關人員會將減少光耦通信發展過程中的能耗問題作為主要研究內容。基于工業生產條件差異，需要科學選擇通信手段，強化有線通信和無線通信之間的聯合，促使通信系統和無線通信之間能夠充分進行整合，充分兼容不同廠商的設備，科學制定無線通信協議，保證協議具有良好的通用性，進而促使工業自動化產業能夠獲得良好的光耦通信服務。同時，工作人員需要對無線通信的傳輸速率進行提升，提高無線網絡的實際覆蓋范圍。無線通信將會是未來通信領域的主流通信方式，具有良好的發展前景。

8 SPI通信中光耦應用案例

SPI即串行外設接口，在MCU與其他外圍設備中有著廣泛應用，可以通過串行形式進行通信并實現信息交換。其能夠和不同廠商、不同標準的器件直接連接。光耦的結構相當于把發光二極管和光敏三極管封裝在一起，使被隔離的2個部分的電路通過光電耦合器內的光傳遞信號，使被隔離的2個部分的電路之間在沒有電的情況下直接連接，防止因有電的連接而引起干擾及損壞。光耦隔離方式因其耐壓高、抗干擾能力強、成本低而廣泛應用于各種隔離電路中。

SPI具有同步、高速以及全雙工等特點，同時芯片管腳占用路線的最高值為4根，能夠有效節省芯片管腳，同時主從設備在進行通信時，均是采用主設備的時鐘信號，通信可靠。部分隔離電路需要SPI通信的情況下，可以通過光耦實現信號隔離，其經濟性與可行性均較為突出。

9 結論

總之，在工業行業中光耦通信具有重要的應用地位，其社會效益和經濟效益也十分顯著，可有效解決輸出與負載隔離的問題。因此，相關人員在實際應用時，要根據不同的電路選擇不同類型的光電耦合器，但必須與現階段的工業通信需要相符，正確認識新型通信應用的優勢，保證通信技術的穩定發展。

參考文獻

[1]張玲.無線通訊技術在數字化中的應用研究[J].中國新通信，2017，19（13）：113.

[2]孫秀蓉.數字通信技術原理及其應用[J].科技創新與應用，2020（20）：169-170.

[3]陸泉森，李軍，鮑鴻，等.光耦隔離技術在智能測控系統中的應用[J].機械與電子，2008（2）：53-56.

[4]楊海平.光耦合器在通信中的應用探討[J].科技致富向導，2015（2）：82，233.