串行光纖數(shù)據(jù)總線技術(shù)的開發(fā)研究

梁超峰， 龔華軍， 王新華， 楊一棟， 甄子洋

(南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210016)

0 引言

當(dāng)今高性能飛機已廣泛采用電傳飛控系統(tǒng)(Fly－By－Wire，F(xiàn)BW)，電傳飛控系統(tǒng)可以減輕飛控系統(tǒng)的體積和重量，提高飛行可靠性，大大改善飛機的操縱品質(zhì)。但電傳操縱系統(tǒng)也有其自身的缺陷，其中最主要的是它不能防御雷電、電磁干擾和電磁沖擊等。解決這一問題的根本辦法是把光纖傳輸技術(shù)應(yīng)用于飛控系統(tǒng)，即光傳飛控系統(tǒng)［1－2］(Fly－By－Light，F(xiàn)BL)。

在光傳操縱系統(tǒng)中，光纖數(shù)據(jù)總線是非常重要的組成部分。在傳統(tǒng)電傳操縱的基礎(chǔ)上，開發(fā)光傳操縱系統(tǒng)需要克服的主要技術(shù)問題包括能夠適應(yīng)航空機載環(huán)境的電/光信號轉(zhuǎn)換技術(shù)及低損耗、高可靠的光纖及連接技術(shù)等。本文在研究了相關(guān)串行通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了光電轉(zhuǎn)換接口板的設(shè)計方案及開發(fā)過程。該光電接口板具有傳輸RS－232及RS－485信號的能力。

1 串行光通信鏈路的組成結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有技術(shù)［3］的基礎(chǔ)上，本文所開發(fā)的串行光通信鏈路由主機接口、光電轉(zhuǎn)換模塊、光纖及連接器、電光信號轉(zhuǎn)換模塊等幾個部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 典型串行光通信鏈路功能框圖Fig.1 Function diagram of typical serial optical communication link

在上述串行光通信系統(tǒng)中，主機接口采用技術(shù)成熟度較高且已大量采用的RS－232/RS－485雙接口設(shè)計。因其不僅可直接避免與配套系統(tǒng)的兼容性問題，而且存在足夠多的可選集成電路以滿足各種指標(biāo)，為后續(xù)高可靠光接口的開發(fā)提供了技術(shù)前提。

2 光電接口模塊的設(shè)計方案

光電接口模塊［4］是整個串行通信鏈路的關(guān)鍵，其可靠性及性能直接決定著光傳系統(tǒng)優(yōu)劣。光收發(fā)器負(fù)責(zé)光/電信號之間的轉(zhuǎn)換，是光傳系統(tǒng)與傳統(tǒng)電傳系統(tǒng)之間的橋梁。

光接口模塊包括發(fā)射器和接收器兩部分，光信號的生成及探測采用LED/PIN組合，功能框圖及封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光接口模塊功能框圖Fig.2 Function diagram of the optical interface module

光發(fā)射器部分主要包括RS－232/RS－485至TTL電平轉(zhuǎn)換電路、LED驅(qū)動電路和光纖接插件電路。接收器部分包括PIN接插件及信號放大電路，其中電平轉(zhuǎn)換、端口供電電路、總線接口與發(fā)射器共用。光電接口模塊的發(fā)射器與接收器部分的電路框圖及工作原理分別如圖3、圖4所示。

圖3 光發(fā)射器工作原理及結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Optical transmitter working principle and its construction

圖4 光接收器工作原理及結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Optical receiver working principle and its construction

3 光電接口電路的設(shè)計

3.1 發(fā)射電路設(shè)計

發(fā)射電路主要包括LED發(fā)光組件的選用及相應(yīng)驅(qū)動電路的設(shè)計。在此選用安捷倫的HFBR－14×4系列光發(fā)射器接插件［5－6］，其相應(yīng)電流配置如圖5所示。

圖5 HFBR－14×4工作在低速(5 Mb/s)鏈路中的電路配置Fig.5 Circuit configuration of HFBR －14×4 worked at low speed link of 5 Mb/s

圖中DS7545N是一種通用的二極管鉗位輸入，三極管OC(集電極開路)門輸出的驅(qū)動芯片，其內(nèi)部邏輯及工作原理如圖所示，其中R1用于調(diào)節(jié)發(fā)射器正向驅(qū)動電流IF的值，其值經(jīng)計算為233 Ω，IF與通信距離成正比，即通信距離越遠(yuǎn)，驅(qū)動電流就應(yīng)越大。

在實際設(shè)計時，考慮到發(fā)射器需要工作在不同的外部環(huán)境，且通信距離與連接光纜的類型也會不同，因此應(yīng)留有一定的設(shè)計裕量，R1可取200 Ω。為了給發(fā)射器提供足夠的正向驅(qū)動電流，又要保證發(fā)射器工作在非過度驅(qū)動狀態(tài)(過度的驅(qū)動電流會嚴(yán)重影響發(fā)射器的壽命甚至燒毀發(fā)射器)，在設(shè)計時，R1取一個定值電阻(保證工作在非過度驅(qū)動狀態(tài))與一個可變電阻(調(diào)節(jié)驅(qū)動電流)的組合。

3.2 接收電路設(shè)計

光接收器電路的設(shè)計與發(fā)射電路的設(shè)計息息相關(guān)。配套的發(fā)射/接收器有利于穩(wěn)定信號傳輸質(zhì)量，提高通信性能。針對之前設(shè)計的光發(fā)射模塊，在接收端采用安捷倫 HFBR －24×2系列光探測接插件［5－6］配合相應(yīng)的輔助電路構(gòu)成光接收電路。其相應(yīng)的光接收電路如圖6所示，其中RL的取值約為560 Ω。電路中0.1 μF的旁路電容在進行PCB布線時，應(yīng)盡量靠近接收器2、7引腳，電容至探測組件的連線長度不應(yīng)超過20 mm。

圖6 光接收電路原理圖Fig.6 Principle diagram of optical receiver circuit

3.3 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

如前所述，所開發(fā)的光通信模塊提供 RS－232和RS－485兩種與主機通信的接口。而后續(xù)發(fā)射驅(qū)動電路要求TTL電平輸入，因此必須設(shè)計RS－232?TTL和RS－485?TTL的電平轉(zhuǎn)換電路。

1)RS－232?TTL電平轉(zhuǎn)換電路。

考慮到所設(shè)計的光通信鏈路將首先用于光傳操縱系統(tǒng)的地面物理驗證，所以目前對電路的環(huán)境適應(yīng)性要求不是很高，但應(yīng)為以后設(shè)計高速率，長距離，惡劣的電磁、溫度及輻射環(huán)境下的光傳設(shè)備預(yù)留一定的設(shè)計裕量。目前選用的電平轉(zhuǎn)換芯片為MAXIM公司的MAX232A［7］，該芯片應(yīng)用廣泛，具有多種引腳功能兼容、適應(yīng)不同工作環(huán)境的型號。MAX232A為雙通道全雙工RS－232?TTL電平轉(zhuǎn)換芯片，額定最大工作速率為230 kb/s，典型工作電路如圖7所示，其外部元件均為 0.1 μF 電解電容。

該電路的設(shè)計具有通用性，在需要ESD浪涌保護，較寬的外界溫度范圍(－55℃ ～+125℃)，低功耗等場合均有相應(yīng)的引腳兼容的芯片可供選用。設(shè)計時，采用管座接插式裝配，更換芯片時只需將原芯片從管座上拔下，插上新的芯片即可，且便于維護。

2)RS－485?TTL電平轉(zhuǎn)換電路。

與RS－232相比，RS－485具有平衡式傳輸、抗共模干擾能力強、通信距離遠(yuǎn)、速率高、可進行點對多點通信等一系列優(yōu)點。采用Maxim公司MAX485E［8］設(shè)計的RS－485?TTL的電平轉(zhuǎn)換電路，如圖8所示。

MAX485采用DIP8封裝，額定最高傳輸速率為2.5 Mb/s。原則上，MAX485無需外部元件即可正常工作，此處為防止總線空載時接收器輸出錯誤空翻，分別在A、B線上接了10 kΩ的上、下拉電阻。為防止遠(yuǎn)距離通信時電信號反射對收發(fā)器造成影響，在A、B總線間加了一個120 Ω的終接匹配電阻R3。之所以與R3一起串聯(lián)了一個跳線，主要是因為R3會消耗相當(dāng)大的功耗，在近距離通信時可將R3斷開以節(jié)省功耗［9］。

圖7 RS－232至TTL電平轉(zhuǎn)換電路Fig.7 RS－232 to TTL conversion circuit

圖8 RS－485至TTL電平轉(zhuǎn)換電路Fig.8 RS－485 to TTL level conversion circuit

4 光通信鏈路的性能測試

4.1 基帶傳輸性能測試

圖9所示為一套完整的光電轉(zhuǎn)換通信接口測試鏈路，包括連接主機的串行通信電纜、光纖和所開發(fā)的光通信模塊接口板。

圖9 光通信鏈路測試系統(tǒng)配置Fig.9 Optical communication link test system configuration

RS－232及RS－485均采用基帶方式傳輸信號，本文以信號發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號作為輸入信號。光發(fā)射器分別輸入不同頻率的信號，在接收端通過檢測。圖10所示為示波器輸出的頻率分別為10 kHz、100 kHz、250 kHz和500 kHz時光發(fā)射器的輸入輸出波形比較，其中圖的上方為發(fā)送端輸入信號波形，下方為接收端輸出信號波形。

測試結(jié)果顯示，在高于250 kHz時，輸出信號的失真已經(jīng)較為明顯，為保證足夠的可靠性，本系統(tǒng)能夠正常使用的頻帶范圍應(yīng)不高于250 kHz，但這已能夠滿足光傳操縱仿真的應(yīng)用。需要指出的是，當(dāng)方波的傳輸頻率為250 kHz時，相當(dāng)于數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)500 kb/s。

圖10 光發(fā)射器與接收器對不同頻率方波信號的傳輸特性Fig.10 Optical transmitter and receiver transmission characteristics at different frequency square wave signal input

4.2 數(shù)據(jù)通信測試

基帶信號測試雖然可以彌補計算機串口通信波特率不全面的弊端，但為了驗證系統(tǒng)配合計算機的實際通信效果，仍有必要進行計算機數(shù)據(jù)通信測試，圖11為串行波特率分別為 115200 b/s、230400 b/s、460800 b/s、921600 b/s時的通信測試窗口，該測試驗證了所開發(fā)的光通信系統(tǒng)進行小數(shù)據(jù)量通信時的性能。

由圖11可知，該系統(tǒng)在波特率為460.8 kb/s時仍未出現(xiàn)誤碼，直至波特率上升到921.6 kb/s時才出現(xiàn)通信異常，這與250 kHz以上的方波測試時輸出波形嚴(yán)重失真的測試結(jié)果相符。

除小批量數(shù)據(jù)通信外，飛控系統(tǒng)和航電設(shè)備還有可能需要傳輸大批量突發(fā)數(shù)據(jù)。為驗證這種情況下的通信性能，系統(tǒng)采用一次性傳輸大型二進制文件的方法進行模擬測試。測試證明，在不進行數(shù)據(jù)校驗時，系統(tǒng)在波特率為115200 b/s時能夠可靠地傳輸大批量突發(fā)數(shù)據(jù);在加入數(shù)據(jù)校驗的情況下，波特率為460800 b/s時能夠達(dá)到最好的傳輸效率。經(jīng)估算證明，系統(tǒng)在波特率為115200 b/s時誤碼率低于10－10，在波特率為 460800 b/s時低于 10－6。

4.3 存在的問題及改進方案

圖11 不同波特率下的數(shù)據(jù)通信測試結(jié)果Fig.11 Data communication test results at different baud rate

從測試結(jié)果可以看出，所開發(fā)的光通信系統(tǒng)的有效傳輸波特率為460800 b/s，可進一步提高系統(tǒng)的可靠通信速率。由于光接口模塊的光發(fā)射接收部分的設(shè)計工作速率為5 Mb/s，目前的性能瓶頸在于串口電平的轉(zhuǎn)換電路。對于RS－232而言，可通過更換具有Mb/s通信能力的集成芯片，對于RS－485同此理。

在進行高速數(shù)據(jù)通信時，指示燈的作用減弱，具體表現(xiàn)為燈光變暗，空閑狀態(tài)及工作狀態(tài)變化不明顯。因為LED的上升下降時間慢于數(shù)據(jù)信號的邏輯交替時間，導(dǎo)致LED不能在一個周期內(nèi)完成點亮和熄滅過程。雖然可通過降低限流電阻以增加LED的正向?qū)娏鹘鉀Q這個問題，但如此以來，將會增加電路功耗，目前此情況可通過更換為高亮度LED加以改善。

5 應(yīng)用實例

系統(tǒng)以直升機光傳飛行控制［10］為研究背景，采用顯模型控制律通過光傳數(shù)據(jù)總線對控制對象進行操縱。所開發(fā)的直升機貼地飛行光傳驗證平臺的總體結(jié)構(gòu)采用圖12所示的配置，主要包括操縱桿、顯模型處理計算機、控制率解算計算機、光傳數(shù)字舵機系統(tǒng)和用于互連各組成設(shè)備的光纖通信數(shù)據(jù)鏈。其中，桿位移傳感器通過USB接口與用于顯模型指令解算的主機相連。兩臺計算機之間通過采用串行RS－232協(xié)議的光纖數(shù)據(jù)總線相連，而控制率計算機與舵機控制器之間則通過采用RS－485通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的串行點－點光纖數(shù)據(jù)鏈路相互通信。

圖12 直升機光傳操縱驗證系統(tǒng)配置Fig.12 The helicopter Fly－By－Light control verification system configuration

光電接口模塊(即光收發(fā)器)與舵機控制器及舵機執(zhí)行機構(gòu)的連接方式如圖13所示。

圖13 舵回路及主要光傳組件Fig.13 Rudder circuit and the main light components

圖中，控制律解算計算機控制信號由RS－232電纜從工控機串口引出，經(jīng)FCC端收發(fā)器(RS－232模式)轉(zhuǎn)換成光信號，光信號經(jīng)20 m光纖傳輸至舵機控制器端收發(fā)器(RS－485模式)，轉(zhuǎn)換成 RS－485差分電信號，舵機控制器接收RS－485信號將其轉(zhuǎn)換為舵機執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動脈沖。

6 結(jié)束語

本文在研究了相關(guān)串行通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了光電轉(zhuǎn)換接口板的設(shè)計方案及開發(fā)過程。該光電接口板具有傳輸RS－232及RS－485信號的能力，在光電接口端進行良好屏蔽的情況下，可在相當(dāng)惡劣的環(huán)境下正常工作。性能測試表明，所開發(fā)的光通信設(shè)備可穩(wěn)定工作在460.8 kb/s，并對現(xiàn)存的問題及局限提出了一些改進性意見以便后續(xù)開發(fā)時參考。

該光電轉(zhuǎn)換接口設(shè)備是為配合用于小型直升機的光傳數(shù)字舵機的驗證而開發(fā)的。通過其在直升機貼地飛行光傳操縱半物理仿真平臺上的驗證表明，所開發(fā)的光電接口設(shè)備兼容兩種串行接口，充分滿足驗證工作的需要。

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