工業(yè)通信中光電耦合器的應(yīng)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(diào)節(jié)電流的狀態(tài)，可以滿足當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)高規(guī)格的隔離和保護(hù)要求。特別是近幾年，隨著數(shù)字通信技術(shù)的不斷發(fā)展，固體繼電器與光隔離器等部件被廣泛應(yīng)用在機(jī)械行業(yè)中，為光耦合器提供了廣闊的市場。光耦合器在未來的發(fā)展過程中，將會(huì)體積更小、性能更高、重量更輕、運(yùn)轉(zhuǎn)速度更快。

關(guān)鍵詞：工業(yè)通信;光電耦合器;結(jié)構(gòu)原理

中圖分類號(hào)：TN622? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電-光-電轉(zhuǎn)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(yè)通信、家用電器、醫(yī)療設(shè)備、通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)以及精密儀器等方面有著廣泛應(yīng)用[1]。在當(dāng)前工藝技術(shù)持續(xù)發(fā)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(huì)得到較大提升。為了進(jìn)一步拓展光耦的功能，在普通光電耦合器件的基礎(chǔ)上，可以通過LED進(jìn)行調(diào)制信號(hào)的加載工作，通過光形式的專屬信號(hào)、光電二極管的提取以及接收光信號(hào)的方式，同時(shí)對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)處理，能夠在電-光-電轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通信的功能。

1 光電耦合器結(jié)構(gòu)分析

光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)，對輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以它在各種電路中得到廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)是把發(fā)光器件和光接收器件組裝在一個(gè)密閉的管殼內(nèi)，然后把發(fā)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(dāng)在輸入端加電信號(hào)時(shí)，發(fā)光器件發(fā)光。這樣，光接收器件由于光敏效應(yīng)而在光照后產(chǎn)生光電流并由輸出端輸出。從而實(shí)現(xiàn)了以光為媒介的電信號(hào)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(gòu)成了一種中間通過光傳輸信號(hào)的新型半導(dǎo)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(dǎo)纖維連接3種。

2 工業(yè)通信的原理

數(shù)字通信主要是借助數(shù)字信號(hào)來傳遞信息以及數(shù)據(jù)，而電子電路中的數(shù)字信號(hào)主要通過“0”與“1”二值邏輯表示信息信號(hào)，之后即能夠通過數(shù)字信道實(shí)現(xiàn)信息傳遞的目的。為了有效提高信息傳輸?shù)谋Ｃ苄砸约胺€(wěn)定性，同時(shí)為了促使信道利用率得到進(jìn)一步提升，在開展信號(hào)傳輸工作前，采用不同編碼手段對信號(hào)頻譜進(jìn)行調(diào)整，可以使信號(hào)抗干擾能力得到有效提升，減少系統(tǒng)噪聲與外界噪聲造成的干擾問題。之后借助調(diào)制器科學(xué)調(diào)制信號(hào)，能夠有效拓展信號(hào)頻譜，僅提高其與信道傳輸?shù)倪m用性，將信道作用充分發(fā)揮出來，有效保證了傳輸性能。另外，對于數(shù)字信號(hào)來說，同步環(huán)節(jié)具有重要地位，如果是幀同步與時(shí)鐘同步缺少準(zhǔn)確性，那么信息準(zhǔn)確性也會(huì)受到直接影響。信號(hào)借助無線信號(hào)或是有線信道向接收端傳輸信號(hào)之后，進(jìn)行解調(diào)以及譯碼等處理后即能恢復(fù)信息[2]。對于數(shù)字通信來說，程控交換技術(shù)同樣非常重要，其主要是以及電話交換機(jī)相關(guān)技術(shù)作為支撐，逐漸演變成程控交換機(jī)，將交換程序輸入計(jì)算機(jī)中，就能實(shí)現(xiàn)信息的接駁控制，最初的信息類型僅涵蓋語音類型，在發(fā)展過程中不斷豐富，數(shù)據(jù)信息類型種類更加多元，通過交換機(jī)的應(yīng)用，有效提高了通信體系維護(hù)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(wù)質(zhì)量得到有效提升。

3 微型處理器的通信及接口

選擇ARM32位內(nèi)核STM32處理器作為ECON控制器的CPU，I/O接口數(shù)量為12個(gè)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字輸入、數(shù)字輸出以及模擬等功能[3]。數(shù)字舵機(jī)和外部傳感器應(yīng)該借助該I/O結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和ECON控制器構(gòu)建通信的目的。其主要涵蓋數(shù)字量和模擬量2種通信信號(hào)，數(shù)字信號(hào)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(gòu)建通信，那么不能夠僅借助數(shù)字線開展，而應(yīng)該針對通信電纜科學(xué)設(shè)置相應(yīng)的輔助電路。

4 微型處理器之間通信電路設(shè)計(jì)

微型處理器共有12個(gè)I/O通信端口，能夠滿足能力源C6工程中大部分項(xiàng)目的要求，然而對于柔性制造體系、汽車生產(chǎn)線模擬以及AGV導(dǎo)引小車等結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及創(chuàng)新性較強(qiáng)的項(xiàng)目來說，I/O接口會(huì)出現(xiàn)數(shù)量不足的問題，所以需要保證各個(gè)控制器能夠充分配合，這樣才能夠保證工作任務(wù)的順利完成。

5 多個(gè)微型處理器配合工作原理

在多個(gè)微型處理器通過配合完成復(fù)雜項(xiàng)目任務(wù)時(shí)，不同控制器應(yīng)該保證自身的工作任務(wù)能夠準(zhǔn)備充分。系統(tǒng)基于特定時(shí)間段或是特定狀態(tài)，觸發(fā)數(shù)字信號(hào)，保證不同控制器均能完成自身工作。圖1為2個(gè)ECON102控制器之間進(jìn)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(fā)電路進(jìn)行連接，控制器1中的傳感器發(fā)現(xiàn)特定環(huán)境參數(shù)之后，該控制器中的I/O 10接口會(huì)發(fā)送二進(jìn)制信號(hào)，信號(hào)位數(shù)為1位，之后觸發(fā)電路向控制器2中的I/O結(jié)構(gòu)傳輸觸發(fā)信號(hào)，該種情況下，控制器2的中央處理器完成觸發(fā)信號(hào)接收后，發(fā)動(dòng)控制指令，讓控制器2穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

6 光電耦合器在通信電路中的應(yīng)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(yīng)用。

根據(jù)它的特性，人們利用光電耦合器制作可控的光電開關(guān)，對開關(guān)電路和高壓電路能夠起到非常好的控制和穩(wěn)壓作用，為人們的使用提供了諸多方便。由于微機(jī)處理器會(huì)完成觸發(fā)信號(hào)接收工作，所以可以將通信電纜電路視為觸發(fā)電路，能夠借助光耦電路達(dá)成這一目標(biāo)。對于通信電路來說，TLP521光電耦合器是核心器件，其主要特點(diǎn)就是工作溫度寬、響應(yīng)速度快以及信號(hào)基本上不會(huì)發(fā)生失真問題。光電耦合器之所以能夠在傳輸信號(hào)的同時(shí)，有效地抑制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號(hào)雜訊比得到提高，主要有以下4個(gè)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(jù)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(huì)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(fā)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(lián)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(hào)的產(chǎn)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(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈分g可以承受幾千伏的高壓。4）光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時(shí)間只有10 μs左右，適用于對回應(yīng)速度要求很高的場合。

7 工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)光電耦合器通信發(fā)展趨勢

科技的不斷發(fā)展為光電耦合通信創(chuàng)造了較多的可能性以及較大的發(fā)展空間，以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)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(yè)中的關(guān)鍵通信技術(shù)手段，在通信市場中的占有率持續(xù)增加，發(fā)展為自動(dòng)化通信體系中的關(guān)鍵方式[4]。因?yàn)楣怦钔ㄐ偶夹g(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢非常突出，在復(fù)雜工業(yè)條件下可以保證通信服務(wù)質(zhì)量，所以使相關(guān)人員能夠在惡劣條件下進(jìn)行可靠、穩(wěn)定的通信，保證工業(yè)自動(dòng)化能夠獲得更多的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。通過對光耦通信發(fā)展趨勢的深入分析能夠發(fā)現(xiàn)，未來光耦通信技術(shù)的安全性、效率等性能均會(huì)得到有效提升，并且相關(guān)人員會(huì)將減少光耦通信發(fā)展過程中的能耗問題作為主要研究內(nèi)容?；诠I(yè)生產(chǎn)條件差異，需要科學(xué)選擇通信手段，強(qiáng)化有線通信和無線通信之間的聯(lián)合，促使通信系統(tǒng)和無線通信之間能夠充分進(jìn)行整合，充分兼容不同廠商的設(shè)備，科學(xué)制定無線通信協(xié)議，保證協(xié)議具有良好的通用性，進(jìn)而促使工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)能夠獲得良好的光耦通信服務(wù)。同時(shí)，工作人員需要對無線通信的傳輸速率進(jìn)行提升，提高無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際覆蓋范圍。無線通信將會(huì)是未來通信領(lǐng)域的主流通信方式，具有良好的發(fā)展前景。

8 SPI通信中光耦應(yīng)用案例

SPI即串行外設(shè)接口，在MCU與其他外圍設(shè)備中有著廣泛應(yīng)用，可以通過串行形式進(jìn)行通信并實(shí)現(xiàn)信息交換。其能夠和不同廠商、不同標(biāo)準(zhǔn)的器件直接連接。光耦的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起，使被隔離的2個(gè)部分的電路通過光電耦合器內(nèi)的光傳遞信號(hào)，使被隔離的2個(gè)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(qiáng)、成本低而廣泛應(yīng)用于各種隔離電路中。

SPI具有同步、高速以及全雙工等特點(diǎn)，同時(shí)芯片管腳占用路線的最高值為4根，能夠有效節(jié)省芯片管腳，同時(shí)主從設(shè)備在進(jìn)行通信時(shí)，均是采用主設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)，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(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，其經(jīng)濟(jì)性與可行性均較為突出。

9 結(jié)論

總之，在工業(yè)行業(yè)中光耦通信具有重要的應(yīng)用地位，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益也十分顯著，可有效解決輸出與負(fù)載隔離的問題。因此，相關(guān)人員在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要根據(jù)不同的電路選擇不同類型的光電耦合器，但必須與現(xiàn)階段的工業(yè)通信需要相符，正確認(rèn)識(shí)新型通信應(yīng)用的優(yōu)勢，保證通信技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展。

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