一種用于旋轉環境的無線激光數據傳輸模塊設計?

譚 雯，沈三民?，譚秋林，龐俊奇，楊 峰

(1.中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

在發動機轉子高速旋轉的狀態下，需要采集葉片的溫度和壓力等測量參數對發動機性能進行研究。通常旋轉部件測量數據的傳輸方式有集流器傳輸、無線射頻傳輸和無線光傳輸[1－3]。但是集流器傳輸存在轉速不高、成本大、易磨損和噪聲大等問題[4]。作為集流器傳輸的替代方式，國內外研究了基于無線射頻技術的旋轉部件數據傳輸系統[5－9]，如英國RotaData 公司基于無線射頻技術設計了TeleMetry 轉子參數遙測系統[10]，國內李仙麗等人[11]設計了基于無線射頻技術的發動機渦輪轉子葉片動應力測量系統。無線射頻傳輸存在頻帶帶寬的限制，且容易受到電磁干擾，難以實現高速率大帶寬的通信需求。

無線光傳輸具有體積小、質量輕、傳輸速率高、抗電磁干擾能力強、傳輸帶寬大等優點[12]，美國、歐洲、日本、中國相繼開展無線光通信研究，目前商用的無線激光通信系統的通信距離可達幾千米[13－17]，但體積較大不適用于航空發動機轉子的數據傳輸。本文主要設計基于無線激光通信技術的數據傳輸模塊，用來實現發動機轉子與地面之間的數據的傳輸。

1 方案設計

無線激光數據測量系統的組成如圖1 所示。傳感器采集參數并輸出模擬信號，模擬信號經過A/D轉換后，轉換為數字信號送到FPGA，由FPGA 進行數據編幀，每一幀數據由幀頭、副幀頭和64 字節數據及幀計數、幀內行計數構成。數據從FPGA 以串行方式輸出到激光數據傳輸模塊。激光數據傳輸模塊完成光信號和電信號的轉化后通過FPGA 將數據傳輸到計算機進行處理。本文主要的工作是完成激光數據傳輸模塊的設計。

圖1 無線激光數據測量系統框圖

激光數據傳輸模塊分為發動機轉子上的激光發射模塊和地面的激光接收模塊。發射模塊由激光驅動電路和激光二極管組成。驅動電路驅動激光二極管發光，將數字信號轉換為光信號發送到大氣信道。接收模塊通過光電探測器接收光信號轉化為光電流輸出，放大電路將光電流轉換為電壓信號輸出。

1.1 安裝結構

發射模塊位于發動機轉子軸部分，需要跟隨轉子一起進行高速旋轉。因此將發射模塊和接收模塊設計為直徑為5cm 的圓形發送板和接收板。并且將激光二極管和光電探測器安裝在發送板和接收板的圓心處，保證旋轉狀態下激光二極管的光斑始終在轉子的軸線上。

無線激光數據模塊安裝結構如圖2 所示，激光數據發射模塊包含四個安裝孔，通過螺釘將發射模塊固定在旋轉套管和法蘭上，使發射模塊可以隨發動機轉子旋轉。接收模塊的四個安裝孔通過螺釘固定在地面端。安裝時保證激光器、發動機轉子軸、光學天線和光電探測器的軸線重合，使發射模塊和接收模塊不會產生較大的軸向偏移，保證旋轉環境下數據的正常傳輸。

圖2 激光電路板結構圖和無線激光數據模塊安裝結構原理圖

2 硬件電路設計

2.1 電源設計

為了實現發動機轉子與地面間無接觸的數據傳輸，無線激光數據傳輸模塊采用無線充電的方式來提供電源，通過地面端電源向發動機轉子端的發射模塊和傳感器電路提供5V 電壓。由于激光驅動芯片需要3.3 V 電壓，因此選用TI 公司的穩壓芯片LM1117－3.3 將5 V 電壓轉換為驅動芯片所需的3.3 V電壓。

2.2 發射模塊設計

大氣存在三個低損耗波長窗口為1 550 nm、1 310 nm 和850 nm，也是激光器最常選用的三個波長。發射模塊選用850 nm 的近紅外激光二極管。激光二極管選用TT Electronics 公司的850 nm 近紅外光垂直腔面激光發射器(VCSEL)OPV310Y。VCSEL 是一種半導體激光器，具有閾值電流低、功耗低、出射光為圓形、能在較寬的溫度范圍和電流范圍工作的特點。OPV310Y 的閾值電流最大為3 mA，工作電流為12 mA，峰值波長為850 nm，數據傳輸速率可達2.5 Gbit/s，光功率最小為1.5 mW。

2.2.1 驅動電路

MAX3669 是MAXIM 公司設計的激光驅動器芯片，數據傳輸速率為622 Mbit/s。MAX3669 內部帶有自動功率控制回路(APC)，可以補償激光管隨溫度和使用壽命的改變而產生的閾值電流的變化。APC 回路會調整激光偏置電流，以使監視器電流與APC 設置電阻RAPCSET設置的參考電流匹配，從而控制輸出的光功率穩定。當不需要APC 控制時，APCSET 引腳通過100 kΩ 電阻接地即可。MAX3669 通過設置最大偏置設置電阻引腳BIASMAX、調制設置電阻引腳MODSET、APC 設置電阻引腳APCSET 的電阻值設置調制電流和偏置電流給激光二極管。

已知激光二極管OPV310Y 的監視二極管電流為IMD＝0.03 mA，閾值電流為Ith＝3 mA，平均功率為1.5 mW，激光斜率效率η為0.6 mW/mA?？捎嬎愠龇宸逯倒β蕿镻p－p＝2PAVG(re－1)/(re＋1)＝2.45 mW，根據峰峰值功率和斜率效率可計算MAX3669的調制電流為IMOD＝Pp－p/η＝4 mA，根據閾值電流和調制電流可計算MAX3669 的偏置電流為IBIAS＝Ith＋IMOD/2 ＝5 mA。MAX3669 的監測電流是0.03 mA，所以APC設置電阻RAPCSET為40 kΩ。由于MAX3669 的調制電流為4 mA，所以調制設置電阻RMODSET為40 kΩ。由于MAX3669 的偏置電流為5 mA，所以偏置設置電阻RBIAS為40 kΩ。驅動電路如圖3 所示。

圖3 MAX3669 驅動電路

2.3 接收模塊設計

常用的光電探測器有光電二極管(PIN)和雪崩二極管(APD)。PIN 型光電二極管的成本低、靈敏度高、體積小、響應速度快、噪聲低，常用于短距離通信。APD 相比PIN 具有更高的靈敏度，適用于接收功率低和需要更高靈敏度的系統。雪崩二極管選用FirstSensor 公司的AD500－8，峰值波長為850 nm，增益為45 A/W，截止頻率為1 GHz，反偏電壓為90 V。

2.3.1 反偏電壓電路

電源供電電壓為5V，APD 的反偏電壓為80 V～120 V。為了使APD 正常工作，需要對電源電壓進行升壓。選用ADI 公司研制的APD 反偏開關電源芯片LT3482 來為APD 提供反偏電壓。LT3482 輸入電壓為2.5 V～16 V，輸出電壓最高可達90 V，內部集成了電荷泵，大大減小了電源體積。具有確定的開關頻率1.1 MHz，后續電路便于濾掉電源噪聲干擾。?SHDN 是芯片開關引腳，通過接入高電平使芯片使能。CTRL 是內部基準電壓覆蓋引腳，將CTRL 與VCC 相連，設定內部基準電壓VREF為1.235 V。倍壓器輸出引腳Vout2與APD 輸出引腳電壓相同，輸出電壓Vout2＝(1 ＋R1/R2)VREF，當R1取1 MΩ，R2取14kΩ 時，Vout2輸出為90 V，則APD 引腳也輸出90 V 電壓，將APD 輸出引腳與APD 陰極相連實現APD 的反偏。

圖4 APD 反偏電壓電路

2.3.2 放大電路

光電探測器接收信號后輸出的光電流較小，需要后級放大電路對信號進行放大處理。為了得到確定幅度的數字波形輸出，選用兩級放大電路。前級放大為跨阻放大，主要完成光電流轉電壓的功能。后級放大為限幅放大，將輸出電壓幅度調整為確定電平輸出?？缱璺糯笃鬟x用MAXIM 公司數據傳輸速率為622 Mbit/s 的MAX3665，輸入靈敏度為500 nA，跨阻增益為8 kΩ。限幅放大器選用MAXIM 公司數據傳輸速率為622 Mbit/s 的 MAX3761，MAX3761 的輸入靈敏度為4 mV。限幅放大器存在信號丟失指示(LOS)輸出，當輸入功率的模擬電壓VRSSI低于設定閾值VTH＝1.4 V 時，LOS 會啟用靜噪功能，數據輸出引腳OUT＋和OUT－的差分輸出近乎為零，共模電壓為VCC－0.8 V。

為了減小電源噪聲對放大器的影響，光電二極管的基極引腳需對地接一個電容。接收電路如圖5。

圖5 放大電路

3 數據收發平臺及實驗測試結果

為驗證所設計的數據傳輸模塊的傳輸性能，搭建一個基于FPGA 的數據收發平臺。實驗平臺能夠循環產生遞增的數據并將數據以特定的幀格式傳送給激光發射模塊。每一幀都由幀頭EB90、副幀頭805A、64 字節的數據和2 字節的幀計數和幀內行計數構成，數據以串行的方式發送給激光器。接收端收到數據后通過以太網傳回計算機，通過軟件將數據讀出。

使用數據收發平臺進行連續激光傳輸實驗，通過電動機搭建了模擬旋轉測試臺，傳輸數據速率為18 Mbit/s，傳輸距離為50 cm，電動機轉速為6 000 r/min。軟件界面如圖6 所示，在通信測試前需要設置好計算機的IP 地址。實驗接收數據結果如圖7所示，當幀頭EB90 和副幀頭805A 對齊后，每行數據從00 到F0 循環遞增，幀計數和幀內行計數都準確無誤。持續發送和接收800 MB 的數據，接收的數據均無誤碼出現。

圖6 軟件測試界面

圖7 數據接收結果

4 結論

本文設計了一種可用于發動機轉子高速旋轉狀態下的無線激光數據傳輸模塊，搭建了實驗測試平臺進行測試。在6 000 r/min 的轉速和50 cm 的傳輸距離下完成速率為18 Mbit/s 的非接觸數據傳輸實驗，驗證了該模塊的可行性，解決了高速旋轉環境下數據傳輸的問題，為渦輪機、發動機轉子等旋轉部件性能研究提供了可行的數據傳輸模塊。