基于MC3361+MCU結(jié)構(gòu)的低速光纖通信模塊設(shè)計(jì)方案

光纖通信做為一種新興的高性能的串行通信技術(shù)，已經(jīng)在電力領(lǐng)域逐步展開(kāi)應(yīng)用。目前的光纖通信模塊大多使用FPGA或DSP技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)解調(diào)，雖然其傳輸速度快、效率高，但是成本高、技術(shù)復(fù)雜，而且對(duì)于傳輸距離、電器隔離特性、可靠性、產(chǎn)品成本參數(shù)等都有極高的要求。而電力行業(yè)對(duì)光纖的應(yīng)用主要還是集中在強(qiáng)電的控制方面，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)光纖模塊的通信速度要求較低。所以，在電力系統(tǒng)的工程實(shí)際中，由于現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜、干擾信號(hào)繁多，致使高成本的高速光纖通信技術(shù)的應(yīng)用并不十分理想。

鑒于光纖通信技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，本文提出一種MC3361+MCU結(jié)構(gòu)的低速光纖通信模塊設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)硬件成本低、軟件流程簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，輸出信號(hào)為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)RS485信號(hào)或RS232信號(hào)，可直接與各種電力設(shè)備連接，非常適合在電力系統(tǒng)中廣泛使用。

1調(diào)制解調(diào)原理

為了降低硬件成本和提高硬件電路的可靠性，本設(shè)計(jì)使用BFSK調(diào)制解調(diào)算法。BFSK的調(diào)制原理是用載波的頻率來(lái)傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。BFSK信號(hào)是符號(hào)“1”對(duì)應(yīng)于載頻f1，而符號(hào)“0”對(duì)應(yīng)于載頻f2（與f1不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且f1與f2之間的改變是瞬間完成的。

1.1調(diào)制原理

本文設(shè)計(jì)的光纖通信系統(tǒng)由MCU通過(guò)內(nèi)部程序控制通過(guò)PWM接口完成調(diào)制。外部設(shè)備與模塊通過(guò)串行接口（包括RS232接口或RS485接口）連接，模塊接收到數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)傳輸給MCU，MCU通過(guò)UART接口接收到數(shù)據(jù)，MCU通過(guò)程序控制輸出BFSK調(diào)制信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)直接發(fā)送至光纖發(fā)射接口發(fā)送出去。

進(jìn)行BFSK調(diào)制時(shí)使用MCU串行接口接收外部設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，BFSK的調(diào)制頻率由程序控制，信號(hào)“1”對(duì)應(yīng)于270KHz載頻，信號(hào)“0”對(duì)應(yīng)于240KHz載頻，波形如圖2所示，上邊的波形為未經(jīng)調(diào)制的信號(hào)，下邊的波形為經(jīng)調(diào)制后的信號(hào)。MCU將調(diào)制后的載頻信號(hào)通過(guò)PWM方式發(fā)送至光纖發(fā)射接口，電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)。調(diào)制硬件原理框圖如圖1所示。

圖1調(diào)制硬件原理框圖

圖2調(diào)制前后信號(hào)的波形圖

1.2解調(diào)原理

BFSK的解調(diào)使用MC3361單片窄帶調(diào)頻接收芯片完成，MC3361片內(nèi)包含振蕩電路、混頻電路、限幅放大器、積分鑒頻器、濾波器、抑制器、掃描控制器及靜噪開(kāi)關(guān)電路。

解調(diào)電路原理圖如圖3所示。其中，185K網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為MCU輸出185K矩形波信號(hào)，R1為限流電阻，C5、L4組成濾波電路，C12諧振電容，信號(hào)經(jīng)過(guò)R1、C5、L4及C12后，由MC3361第1腳輸入，構(gòu)成MC3361解調(diào)的第二本振級(jí)。圖3中FSK網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)為光纖接收接口輸入的矩形波信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)R4、R6分壓，將信號(hào)高電平轉(zhuǎn)換為500mV，再經(jīng)過(guò)L6、C25進(jìn)行濾波，及C27、L7、VD1、VD2二次限壓濾波后，消除干擾頻率后，經(jīng)過(guò)C1諧振，最終信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ盘?hào)。

圖3解調(diào)電路原理圖

最終只有標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)輸入至MC3361的第16引腳，作為MC3361的第一中頻IF輸入信號(hào)，信號(hào)幅值為0V，峰值為500mV，頻率為270KHz或230KHz.在MC3361內(nèi)部第二混頻級(jí)進(jìn)行混頻處理，處理后的信號(hào)為455KHz的第二中頻信號(hào)，由第3引腳輸出，由455kHz陶瓷濾波器選頻，即圖3中的Z4器件，再經(jīng)第5腳輸入MC3361的限幅放大器進(jìn)行高增益放大，限幅放大級(jí)是整個(gè)電路的主要增益級(jí)。第8腳接鑒頻電路，由455kHz鑒頻器Z3、R2及C26組成，經(jīng)放大后的第二中頻信號(hào)在內(nèi)部進(jìn)行鑒頻解調(diào)，并經(jīng)一級(jí)音頻電壓放大后由第9引腳輸出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)第10腳和第11腳構(gòu)成的有源濾波電路，再輸入MC3361的第12腳進(jìn)行載頻檢測(cè)并控制電子開(kāi)關(guān)，最終經(jīng)過(guò)解調(diào)的信號(hào)由第13引腳輸出，直接輸入MCU的引腳，由MCU進(jìn)行處理。

2軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序分為兩個(gè)主要流程：串行接口處理流程和光纖接口數(shù)據(jù)處理流程。

2.1串行接口處理流程

本流程的主要任務(wù)是檢測(cè)串行接口是否接收到數(shù)據(jù)，如果串行接口接收到數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，將長(zhǎng)數(shù)據(jù)包拆分成若干個(gè)短數(shù)據(jù)包，并為每個(gè)數(shù)據(jù)包增加起始標(biāo)識(shí)、校驗(yàn)碼和結(jié)束標(biāo)識(shí)，組成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，每個(gè)數(shù)據(jù)幀正確傳輸結(jié)束再進(jìn)行下一數(shù)據(jù)幀的傳輸。組成數(shù)據(jù)幀后，由MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，并發(fā)送到光纖接口，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.2光纖接口數(shù)據(jù)處理流程

本流程的主要任務(wù)是檢測(cè)光纖接口是否接收到數(shù)據(jù)，如果光纖接口接收到數(shù)據(jù)，則首先驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀格式，如果格式正確，則將有效數(shù)據(jù)提取出來(lái)重新組成完整數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包從串行接口發(fā)送出去，完成光纖接口到標(biāo)準(zhǔn)串行接口的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。