一種電信號與光信號自切換電路的設計

田海波，吳勝華，楊春瑜

（南京國電南自維美德自動化有限公司，南京 210032）

0 引言

隨著工業控制的發展，通信技術在工業控制領域發揮著越來越重要的作用，人們對通信認識逐漸增強，對通信傳輸的速度和準確性的要求也逐漸提高。衡量信息傳輸質量的重要指標就是傳輸信號的強弱，但是在通信傳輸中現在還存在許多問題，這些問題會導致信號在傳輸過程中會因各種影響而逐漸衰弱，信號衰弱的特性對于通信線纜的中繼距離和通信系統的升級擴容起著決定性的作用，也是影響信號傳輸質量和效率的重要因素。

工業控制領域有線通訊介質中應用最多的介質是雙絞線和光纖，雙絞線是由兩根絞在一起的導線來形成傳輸電路，可以有效抑制兩根導線上的差分信號產生的共模干擾。雙絞線具有抗干擾能力強，傳輸距離遠，布線容易，價格低廉等許多優點，但由于雙絞線對信號存在著較大的衰減，所以傳輸距離遠時，信號的頻率不能太高，高速信號傳輸距離會更近，如以太網只能限制在100m以內。

光纖是由纖芯、包層和保護套3部分組成，纖芯是最內層部分，它由一根或多根非常細的由玻璃或塑料制成的絞合線或纖維組成。光纖傳輸的是光信號，不受外界電磁信號的干擾，信號的衰減速度很慢，所以信號的傳輸距離比電信號要遠得多，特別適用于電磁環境惡劣的地方[1]。一根光纖內部可以同時傳送多路信號，所以光纖的傳輸速度可以非常得高。在要求可靠、高速地長距離傳送數據時，光纖是一個理想的選擇。光傳輸通信也向工業監控、電力監控和視頻監控系統等低速率和長距離，但對可靠性和抗干擾能力要求很高的應用場合擴展。

采用光纖進行數據傳輸可以發揮光纖傳輸距離長且極強的抗干擾能力，從而在惡劣的工業制造環境中提供穩定、可靠的通信線路，避免因使用金屬電纜線路受電磁干擾而導致通信中斷的危險。因此，光纖傳輸具有很高的研究價值和應用前景。作為當代通信領域的關鍵技術，光系統、光器件以及光電集成電路等光通信技術已成為國際和國內光纖通信領域的研究重點和應用熱點。隨著主要光電子器件成本的不斷降低，光纖作為主要媒介的通信傳輸模式的應用越來越廣泛，原有基于同步連續的光傳輸模式已不能適應日益擴大的應用需求。

由于電通信信號在傳輸過程中會衰減，若要可靠、高速地長距離傳送數據，則要將工業設備通信改成光信號通信。但是現有的工業設備的電信號與光信號的互轉裝置存在進入切換狀態延遲較大，若切換過程較快，可能造成電信號的丟失。

1 電路相關模塊

1.1 光纖通訊模塊

光纖通訊模塊是用于光電轉換和電光轉換的光器件，是光通信的核心器件，由光電子器件、功能電路和光接口等組成，可完成對光信號的光-電/電-光轉換。光電子器件包括發射和接收兩部分，其中發射端把電信號轉換成光信號，即將輸入的一定碼率的電信號經內部的驅動芯片處理后直接驅動半導體激光器或發光二極管發射出相應速率的調制光信號，內部自帶的光功率自動控制電路，會使輸出的光信號功率保持穩定，實現電-光變換，通過光纖傳送后，接收端再把光信號轉換成電信號，即將一定碼率的光信號輸入模塊后，由光探測二極管轉換為電信號，經前置放大器后輸出相應碼率的電信號，輸出的信號一般為電平信號，實現光-電變換，所以光模塊也被稱為光收發一體模塊。光模塊雖然體積小，構造也比較簡單，但對技術要求卻很高。隨著近年來互聯網流量的加速增長，光模塊的市場需求也在急劇擴大[2]。

在選擇光模塊時，除了要考慮光纖接口類型外，還要考慮封裝、傳輸速率、傳輸距離、波長以及模式等參數，具體分類如下：

按封裝：1×9、GBIC、SFF、SFP、XFP、SFP+、X2、XENPARK、300pin等。

按速率：155M、622M、1.25G、2.5G、4.25G、10G、40G等。

按波長：常規波長、CWDM、DWDM等。

按模式：單模光纖、多模光纖。

光模塊主要有3種數據傳輸方式：單工、半雙工和全雙工，單工傳輸只支持一個方向上的數據傳輸；半雙工傳輸允許兩個方向上的數據傳輸，但是在某一時刻只允許一個方向上的數據傳輸；全雙工傳輸允許兩個方向上的數據同時傳輸。不同類型光纖通訊模塊的傳輸速率、傳輸距離和應用范圍都有所不同，可結合實際需求去選擇最合適的光模塊，當相同速率的光模塊具備不同的封裝類型時，還需要考慮到應用設備的封裝端口類型。不同光模塊支持的傳輸距離是不一樣的，考慮到光信號在傳輸過程中還會存在衰減和色散情況，選擇光模塊時其傳輸距離應稍稍大于實際要求的傳輸距離[3]。除此之外，在工業應用中，還必須使用工作溫度范圍在-40℃～85℃之間的工業級模塊。

此電路中以1×9封裝的雙纖TTL光模塊為例，1×9光模塊是較早的光模塊封裝形式，產品較早產生于1999年，通常直接焊接在通訊設備的電路板上，作為固定的光模塊使用，是光模塊早期常見的封裝形式，連接牢固可靠，主要應用在光纖收發器、PDH光端機、光纖交換機、單多模轉換器等工業控制領域，市場需求量非常大。圖1是光模塊的示意圖。

圖1 光纖通訊模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical fiber communication module

1.2 串口通訊模塊

RS-485是串行通信標準，標準名稱是TIA485/EIA-485-A，常用在工業、自動化、汽車、智能家居和建筑物管理等領域。485總線采用差分傳輸，使用一對雙絞線，其中一根線定義為A，另一個定義為B，在同一總線上最多可以掛接多個節點。RS-485總線使用主從模式，支持點對點單從機模式，也支持多從機模式，不支持多主機模式?，F在RS-485的速率可高達10Mbit/s以上，但RS485傳輸速率與傳輸距離成反比，在線材阻抗、線材質量、收發器質量均為最優的情況下，在100Kb/s的傳輸速率理論上可以達到最大1200m通信距離。當傳輸速率提高后，通訊距離會隨之減少[4]。

收發器內部是一個接收器加一個發送器，A和B為差分總線，總線上的差分電壓大于閾值時，收發器輸出高電平，總線上的差分電壓小于閾值時，收發器輸出低電平；當總線處于開路或者空閑狀態時，總線的差分電壓較小，此時總線容易受到電磁干擾。為了防止總線出現上述情況，通常在總線上增加上下拉電阻。

圖2 RS-485收發器芯片示意圖Fig.2 Schematic diagram of the RS-485 transceiver chip

圖3 一階RC電路Fig.3 First-order RC circuit

由于采用差分傳輸，主機發送給從機或者從機發送給主機，都會占用到A線和B線，所以芯片需要工作在半雙工模式。當收發器的DE管腳有效時，芯片設置為發送模式，收發器芯片可在A線和B線上將發送端口數據流轉換為差分位流，發送出去；當收發器的RE管腳有效時，芯片設置為接收模式，收發器芯片可接收差分總線上的數據流，將其轉換為單端信號，通過芯片上的接收器輸入R管腳接收，所以在485芯片的通信中，要注意對控制端DE/RE的控制。

由于485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個時刻，總線只能有一個節點發送數據，其他節點均需要處于接收狀態。為了可靠地工作，在485總線狀態切換時需要做適當的延時，再進行數據的收發。具體的做法是在數據發送狀態下，先將控制端置高電平，延時一定時間后，再發送有效的數據，一包數據發送結束后再延時一定時間，將控制端置低電平。這樣的處理會使總線在狀態切換時，有一個穩定的工作過程。

光模塊的傳輸速率從100Mbps～400Gbps不等，通常情況下整個電路的傳輸速率是根據電路整體傳輸速率而定的。本電路中限制整體通信速率的瓶頸就在485通訊芯片上，在實際設計中，由于要對現場情況進行實時監控及響應，通信數據的波特率往往做得較高，所以就需要盡量選擇高速RS-485收發芯片，使電路整體性能工作在最佳狀態。

1.3 濾波電路

濾波電路的功能是對頻率進行選擇，過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。工程上常用來進行信號處理、數據傳遞和抑制干擾。濾波電路可濾除頻率分量的特定范圍，將信號的頻譜分離為將要通過的頻率分量和將被阻隔的頻率分量，也可以放在與濾波器頻率響應的一般特征相對應的廣泛類別中。如果濾波器通過低頻并阻止高頻，使具有某一截止頻率以下頻帶的信號能夠順利通過，而具有截止頻率以上頻帶的信號則給予很大衰減，阻止其通過，則稱為低通濾波器；如果它阻擋低頻并通過高頻，使具有截止頻率以上頻帶的信號能夠順利通過，而具有截止頻率以下頻帶的信號給予很大衰減，阻止其通過，它就是一個高通濾波器。還有帶通濾波器，使具有某一頻帶的信號通過，而具有該頻帶范圍以外的信號給予很大衰減，阻止其通過，其僅通過相對窄的頻率范圍，以及帶阻濾波器，抑制具有某一頻帶的信號，而讓具有該頻帶之外的其它信號通過，其僅阻擋相對窄的頻率范圍[5]。

RC電路是一個簡單的濾波電路，全稱電阻-電容電路，一次RC電路由一個電阻器（R）和一個電容器（C）組成。在實際應用中，利用RC元件實現無源濾波電路具有體積小、成本低、電路簡單等優點，RC電路既可以構成低通濾波電路，也可以構成高通濾波電路。

在基本的RC濾波電路中，電容C做輸出端就是低通濾波器，電阻R做輸出端就是高通濾波器。其基本原理是：當電容和電阻串聯時，若電源為直流電，由于電容的隔直作用，故只有電容兩端有電壓，而電阻兩端的電壓為0；若電源為交流電，電容導通，頻率越高導通阻抗越小，因而高通?？紤]這是一個連續的過程，當輸入的電源頻率由0變大時，電容兩端電壓由大變小，而在高通電路中，電阻兩端的電壓由0慢慢變大。

2 系統設計方案

光纖通信大多是數字通信，為了處理方便，大部分光纖通訊系統都采用對光波進行簡單二進制幅度調制，即二進制二電平碼，有光脈沖表示高電平，無光脈沖表示低電平，這些二進制序列的高低電平中包含了所需要傳輸的信息。

傳輸數據的隨機性使得可能出現長高電平或長低電平，必須對傳輸數據進行正確的解碼。在長低電平或無信號時，實現自動切換功能，數據包之間可能長時間不發任何信號。由于波特率不同，每個數據長度可能是固定的，也可能是可變的。需要在不加線路處理的情況下，處理突發的高低電平編碼，并且需要滿足靈敏度和過載的設計要求。

圖4 收發器系統框圖Fig.4 Transceiver system block diagram

圖5 RC低通濾波電路Fig.5 RC Low-pass filter circuit

本電路方案設計了一種電信號與光信號互相轉換的電路，連接在光纖通訊模塊和485通訊模塊數據收發端的第一緩沖器和第二緩沖器，還包括自動切換電路。自動切換電路包括二極管、電阻、電容以及與非門邏輯電路，485通訊模塊輸出驅動器的輸入引腳連接與非門邏輯電路的一個輸入端，485通訊模塊輸出驅動器的輸入引腳連接二極管的陰極，二極管的陽極連接與非門邏輯電路的另一個輸入端，與非門邏輯電路的輸出端分別連接485通訊模塊的信號接收控制端和信號發送控制端；二極管的兩端連接電阻，二極管的陽極通過電容連接到地。

在有光信號數據接收的情況下，先將485通訊芯片的控制端置高電平，485芯片會進入發送狀態，并延時一斷時間，一包數據接收完成后再延時一定時間，等待數據接收完成后，再將485通訊芯片的控制端置低電平，使485芯片進入接收狀態，這樣的處理會使總線在狀態切換時，有一個穩定的工作過程。

系統框圖如圖1所示，其包括光纖通訊模塊、發送支路、接收支路、自動切換電路和485通訊芯片部分。通訊芯片接收到信號后，通過通訊芯片接收信號的輸出引腳R經過緩沖器U1，輸出到光纖通訊模塊的發送管腳TD，由光纖通訊模塊轉換成光信號，通過發送端口TX發出。而來自光纖的微弱信號入射在光纖通訊模塊接收端口R，在內部光檢測器的光敏面上，轉換成TTL電平從接收端口RD輸出。為了適應不同傳輸距離導致的光輸入功率的變化，需要自動增益控制電路。該電路檢測數據信號強度并產生增益信號，調整前置放大器增益以保證較小的信號碼型失真。光纖通訊模塊轉換后的電信號，經過緩沖器U2，輸出到通訊芯片的輸出驅動器的輸入引腳D，再通過485通訊芯片發出。

緩沖器的輸入端連接485通訊模塊接收信號的輸出引腳R，緩沖器U1的輸出端連接光纖通訊模塊的信號發送管腳TD，緩沖器U2的輸入端連接光纖通訊模塊的接收管腳RD，緩沖器U2的輸出端連接485通訊模塊的信號輸出驅動器的輸入引腳D。使用緩沖器將通訊芯片接收端口與光纖通訊模塊發送端口連接，采用緩沖器進行協調和緩沖作用，實現數據傳送的同步。

二極管D、電阻R、電容C以及與非門邏輯電路組成的自動切換電路，當485通訊模塊的信號輸出驅動器的輸入引腳D連接與非門邏輯電路的一個輸入端，485通訊模塊輸出驅動器的輸入引腳連接二極管D的陰極，二極管D的陽極連接與非門邏輯電路的另一個輸入端，與非門邏輯電路的輸出端分別連接485通訊模塊的發送信號控制端/RE和接收信號控制端DE；二極管的兩端連接電阻R，二極管的陽極通過電容C連接到地。

以上自動切換電路通過使能或禁用通訊芯片接收端口，控制通訊傳輸方向開關，能夠控制光纖通訊模塊和485通訊模塊之間信號轉換的傳輸方向。當光纖模塊無接收信號時，緩沖器U2輸出為高電平，此時與非門輸入均為高電平，與非門輸出為低電平，通訊芯片為發送狀態。當光纖模塊接收到光信號時，緩沖器U2輸出為低電平，此時電容C上的高電平通過二極管D快速變成低電平。根據與非門真值表，其輸入均為低電平。當光纖模塊接收到的光信號消失時，緩沖器U2輸出為高電平，并通過電阻R、電容C充電，非門另一管腳緩慢上升到高電平，緩慢上升的時間段內，通訊芯片還是于接收狀態，并將光信號繼續轉換成電信號。當電容C充電完成，非門輸入均為高電平時，通訊芯片轉換成發送狀態。

二極管可以保證將電容C上的電荷迅速釋放，以保證將通訊芯片迅速切換成接收狀態。電阻R、電容C組成的充放電回路，可延長通訊芯片從接收狀態轉變成發送狀態的時間，可將光信號消失時的有效狀態轉變成電信號。

在本設計內容中，為了可靠地工作，在485 總線狀態切換時需要做適當的延時，再進行數據的收發，可調節電容C的電容值、電阻R的電阻值，計算出電容充電時間，以滿足不同通訊速率的要求。

在串行通信中，一般采用主從式結構，從機不主動發送數據，一切都由主機控制，并且在一個多機通訊中，只有一臺單機作為主機，從機之間不能互相通訊。所以在某個時刻，總線只可能傳輸一幀報文，本設計方案中需要判斷一段報文的結束時間，用以控制485收發芯片的發送（RE）、接收（DE）狀態。

串行通信中的報文一般分為固定長度和不固定長度兩種形式，當有些通信協議中報文長度固定的情況下，主機和從機發送、接收每段報文所需的時間都是一樣的。這樣可以根據報文的長度算出來接收報文所需的時間，然后主機和從機可從接收到第一個字符開始計時，計時達到設定時間就算一段報文接收完成。但在有的協議中報文的長度是不固定的，這時需要通過字符與字符之間的時間間隔來進行判斷。由于主機和從機發送、接收一個報文后都不是立刻進行回復，或發送下一幀報文，而是先發送一幀報文出去，發送一組報文的時間肯定大于一個固定時間，不會存在被接收的兩個報文之間的時長小于這個固定時間的情況[6]。

此時可在電路中增加一階RC濾波電路，用來控制485芯片的DE管腳和RE管腳，一階低通濾波的計算公式如下：

其中：f——頻率；

其中：R——電阻值；

其中：C——電容值。

由式（1）可得：

頻率與時間關系公式如下：

其中：f——頻率；

其中：T——時間；

其中：C——電容值。

由式（1）和式（3）可得：

若按照兩組報文的固定時間為3.5個字符計算，在串口波特率為9600bps的情況下，每個位時間約為0.104ms；每個字符10個位的情況下，時間為：0.104 ×10=1.04 ms。

3.5個字符的時間約為：3.5 × 1.04=3.64 ms。

由于電容電阻有一定的精度，根據實際情況可調整電容電阻的值，可取電阻為5.1K，電容為0.1uF。若需要傳輸的通訊速率提高，可按照上式調整電容、電阻值。

3 結論

本電路可將電信號直接轉成光信號進行傳輸，并可使用相同電路將光信號再轉成電信號。目的是將現有的電纜通訊直接轉換為光纖通訊，解決直接更換具有光通訊口的設備成本較高，解決電信號存在著較大衰減，傳輸距離比較近，傳輸信號的頻率也比較低的問題。采用本電路可實現在不改變工業設備通訊口的條件下，降低硬件成本，延長總線之間的傳輸距離，提高傳輸速率，實現信號的光電隔離，解決總線之間的電氣干擾、電磁干擾等問題。