光纖通信在現代通信領域的地位日趨重要，因其具有帶寬大、信噪比低、抗干擾的特點在工程建設中應用廣泛。某新品研制中需要一款能夠同時傳輸多路模擬電壓信號、脈沖控制信號及故障指示信號的傳輸組件，若采用傳統的電纜傳輸方式將不可避免地存在體積大、重量沉及傳輸性能受外界電磁輻射干擾大的問題。基于以上情況，文中采用以光纖通信的方式設計了一款實用的傳輸組件，滿足新品設計要求。

1 整體架構

光纖傳輸組件是指以光纖作為傳輸信道的功能器件，通常包括發射端、接收端、光纖跳線3部分。主要原理即是在采集端實現電光轉換，在接收端實現光電轉換，通過光纖實現兩端通信的連接。由于其特殊的傳輸材質和模式，使得光纖傳輸組件可滿足在某些特殊工作環境下的要求。組件主要由前端采集模塊、后端接收模塊和傳輸光纖3部分組成，整個組件架構如圖1所示。兩端模塊均以C8051F410單片機為工作核心。對于電壓待檢信號，在發射端通過OP491GRU運放器隔離輸入單片機內部A/D,將模擬信號轉為數字信號，數據壓縮打包經電光轉換電路發送至接收端。在接收端經光電轉換讀取信息，單片機接收解壓后，D/A轉換實現檢測電壓的讀出；對于接收端控制信號，則選用觸發緩沖器SN74LVC2G17兩路輸入功能，將控制狀態的高低兩種信號轉為3.3 V電信號傳至單片機處理。通過電光轉換傳輸至發送端，采集端單片機處理該數據，并對數字電位器發送控制信號，提供相應的電阻值；考慮到故障信號、脈沖信號的及時傳輸特點，文中在激光器、探測器電路搭建中直接架構相應的驅動器，以實現信息的傳輸。

整個組件可實現傳輸4路模擬電壓信號、一路故障保護信號、兩路脈沖信號和兩路可調電阻信號。具體指標為：電壓傳輸幅度：輸入0.5~4.5 V,輸出0.5~4.5 V;電壓傳輸精度≤0.4%FS;故障保護信號傳輸延時≤200 ns;傳輸脈沖幅度15±0.5 V;傳輸脈沖寬度1~200μs;傳輸脈沖工作比為20%;可調電阻輸出范圍為0.2~4.5 kΩ。

2 硬件電路

2.1 運放隔離電路

輸入電路用以實現電壓信號與采樣電路的電氣連接。對模擬電壓信號，首先用電阻分壓，將各路電壓分壓到一致的電平上，再用運放進行緩沖，以實現阻抗匹配和增強驅動能力；運放用于緩沖輸入信號并實現輸入端與采樣電路的隔離。同時具有較高的輸入阻抗，對輸入電路不會產生影響，且輸出阻抗較低，故對采樣電路也不會造成影響。本設計采用的運放是OP491GRU,其電壓輸入范圍0~3 V,其4路規格正好滿足指標要求，對每一路運放而言，輸出電壓為輸入電壓的1/2,輸出電壓范圍（0.25~2.25 V），小于A/D基準電壓2.5 V,輸出電壓信號可直接接入單片機相關I/O接口。

2.2 故障輸入、輸出電路

故障保護信號需快速傳輸至低壓端，在高壓端設置輸入電路將輸入信號轉換為數字電平信號，進行光驅動，并轉換為光信號。在低壓端，用光電轉換模塊接收光信號，并轉換為電信號，經驅動電路輸出。在發射端選用SN74LVC2G06DCK驅動芯片提供每路大約32 mA的工作電流，且響應時間較快達到ns級，激光器HFBR1424二極管工作導通電流約為60 mA,驅動器的兩路輸出并聯滿足設計要求。

在接收端選用SN74AHC1G14施密特觸發器芯片，其在5 V供電條件下，輸出高電平可達4 V.輸入信號高低電平遲滯可達（0.5~1.6 V），可以有效避免因外界特殊情況所引起的錯誤故障指示。

2.3 脈沖控制輸入、輸出電路

對于兩路觸發脈沖信號，在接收端設計電路采用SN55452BJG雙路外圍驅動芯片，高低為0~15 V的脈沖控制信號經輸入端電阻分壓后加入該芯片，內部實現與非運算后輸出0~5 V的數字電平信號。SN55452BJG輸出端為低電平時，芯片可提供約60 mA的驅動電流導通光模塊二極管，來實現脈沖電信號與光信號的轉換。

在發射端設計高速接收判決電路，利用MAX626ESA驅動芯片在其15 V供電的情況下可輸出0~15 V的脈沖電壓信號，實現了接收端脈沖信號到發射端的傳輸，傳輸延遲在技術要求范圍以內。同時該芯片的帶寬滿足傳輸脈沖寬度1~200μs的要求。

2.4 可調電阻信號傳輸電路

對于兩路可調電阻輸出信號，在采集端設置接口電路，接收外部輸入的控制信號，經施密特緩沖器SN74LVC2G17采集控制信號，并利用器件的兩路傳輸固有功能設計區分兩種電阻控制狀態，傳輸至接收端單片機進行數據處理。該緩沖器同時具備抑制反向電流的作用，可防止因電源意外斷電而導致的內部電路損壞。

在高壓端，單片機接收控制信號，選擇阻值最大為10 kΩ的可控數字電位器X9C103I,根據控制信號的內容，調節電位器輸出阻值，因此實現可調電位輸出。如圖8所示。

3 軟件設計

3.1 信號采集

采用以單片機為核心的數字化信號處理和光纖數字化傳輸的設計方法，數據處理和數據傳輸均以數字化方式進行。數字化信號處理方式具有精度高、性能好、抗干擾能力強的特點。文中選用Silicon公司的C8051F410單片機，其內部帶有多路模擬開關，兩個12 bit分辨率的模數轉換器。ISL21009BFB825Z芯片提供外部2.5 V基準電壓，定時采樣四路輸入模擬電壓信號，并將其轉換為量化的數據字節存儲在不同的設定起始單元。該單片機對數據信號進行信號處理和打包傳輸，使多路信號合并為一路數據，且多路信號的傳輸只需通過一根光纖即可完成。

3.2 數據自檢

本設計采用通用的CRC校驗法，在內存地址中存放與組件發射端自檢有關的信息，將自檢的結果信息編碼后放入內存。把包含有信號轉換數據和自檢信息的內存地址作為一組整體數據，對該組數據從首字節開始進行循環冗余校驗編碼，直至末字節。編碼后的兩字節附加信息放入存放信號數據內存的地址后面，作為校驗數據。數據傳輸時含有校驗數據的數據幀按時序要求發送，接收端接收數據后根據設定的算法解析出CRC碼，并判斷傳輸數據是否有誤。一旦數據失真，則該數據作廢，并發出重新發送信號給發射端。

4 實驗數據

4.1 電壓傳輸信號

技術要求：電壓傳輸幅度為0.5~4.5 V,電壓傳輸精度≤0.4%FS.

分別向高壓端的4路電壓信號輸入端輸入0.500 V、1.500 V、2.500 V、3.500 V、4.500 V的電壓信號，用萬用表測低壓端對應的4路電壓信號輸出端的輸出電壓，數據如表1所示。

4.2 故障保護信號

技術要求：故障保護信號傳輸延時應≤200 ns,用信號發生器向高壓端脈沖信號輸入端輸入頻率為1 MHz,高電平為5 V,低電平為0 V的方波信號。用示波器測低壓端對應的信號輸出端輸出的方波信號上升沿與高壓端輸入方波信號上升沿的延時，即為故障保護信號傳輸延時。其實驗數據如表2所示。

4.3 脈沖控制信號

技術要求：傳輸脈沖寬度1~200μs,幅度15.0±0.5 V.用信號發生器分別向低壓端的2路脈沖信號輸入端分別輸入寬度為1μs、100 μs、200μs,脈沖幅度為15 V的信號，用示波器測高壓端對應的2路脈沖信號輸出端輸出信號的脈沖寬度和幅度；實驗數據如表3所示。

4.4 可調電阻測量

技術要求：可調電阻輸出范圍為0.2~4.5 kΩ。向接收端17腳、18腳、19腳、20腳加入控制信號，測量發射端17腳和18腳之間，19腳和20腳之間的電阻。實驗數據如表4所示。

4.5 數據分析

由以上數據可見，電壓傳輸信號測量輸入電壓與輸出電壓最大相差4 mV,精度為0.08%Fs,滿足<0.4%FS的技術要求。故障保護信號傳輸延時為100 ns,小于技術要求的200 ns.脈沖控制及可調電阻測量如表3和表4所示，均實現了設計功能，符合指標要求。

5 結束語

以C8051F410單片機為核心設計了一款可傳輸多路模擬、數字、脈沖信號的光纖傳輸組件，該組件設計新穎、體積小、抗干擾能力強。目前已成功應用在某新型整機設備中。