利用光纤发射/接收器对实现远距离高速数据采集

     摘要：应用串行同步传输原理，用一种小巧的光发射/接收器对设计成光纤通讯系统，接A/D采样数据直接进行远距离高速传输。实际证明该方法简单、可靠，具有一定的实用价值。 

     关键词：高速数据
     远距离采集 光纤通讯 多路同步 

     电力变压器局部放电在线定位监测系统的关键环节之一是准确、可靠的数据采集与传输。根据电力变压器局部放电产生的超声波和电脉冲信号频率高、频谱宽、幅度变化大，环境电磁干扰严重，以及电力变压器与中心控制室距离一般在500m范围以内，而多路检测信号集中在变压器周期等特点，电力变压器局部放电在线定位监测系统的信号检测采用现场集中数据采集方案，数据传输直接利用一种低价、高速、中远距离多模光纤HFBR-1414/2416发射/接收器对实现远距离光纤高速同步传送。这样可大大简化控制器的电路结构，省去繁琐的数据传输编码和解码，数据传输速率也得以进一步提高。
     1 HFBR光器件简介
     由惠普公司生产的光纤HFBR-1414/2416发射/接收器对具有如下主要技术特性：
     ·发射光波长820nm
     ·最高数据传输速率155MBd
     ·最长传输距离4km
     ·适用光纤：50/125μm，62.5/125μm，100/140μm，200μmHCS
     ·工作温度范围：-40℃～+85℃
     ·ST、SC、SMA和FC四种连接头选择

     ·8管脚DIP封装
     HFBR-1414/2416光纤发射/接收器对的内部结构与管理排列如图1所示。HFBR-1414光纤发射器内含个高效光功率激励的铝砷化镓光发射器，该光发射器在60mA直流电流激励下能向光纤中馈入光波长为820nm的光功率-12dBm。HFBR-2416光接收器由一个高效PIN光电二极管和一低噪声跨阻前置放大器电路组成。该放大器由于跨阻抗作用使得放大器的带宽和非线性得到了较大的改善，同时也获得了较大的动态范围。光信号经光电二极管转换成模拟电信号，放大后由射输出器缓冲输出，最大动态范围达23dB，频率响应从直流到125MHz。

     2 发射/接收器对的TTL接口电路
     对于HFBR-1414光发射器必须提供足够的正向驱动电流IF才能发出所需光功率，由高性能的CMOS数字电路四二输入正与非门74ACT00设计的驱动电路如图2所示。具有TTL电平的串行数据（或同步时钟）从与非门U1D的输入端12输入，反相后由74ACT00的三个与非门U1A～U1C并联输出驱动HFBR-1414光发射器，产生足够的光功率。为避免驱动器的电流特性对光发射器光学开关特性的影响，运用频率补偿技术改善光信号的上升/下降沿，通过给HFBR-1414光发射器提供一定的预偏置电压，来减小传播延迟误差所引起的脉宽失真。电路参数可由下列公式计算：
     R1={[（Vcc-VF）+3.97(Vcc-VF-1.6)]/IFON(A)}(
     Ω)
     R2=(1/2) ·[(R1/3.97) ·(Ω)]
     Re=R2-1(Ω)
     R3=R4=R5=3Re(Ω)
     C1={[2000(ps)]/R2}(pf)
    

     HFBR-2416光接收器的输出为模拟电信号，为了与数字系统兼容，须通过图3所示的高速比较电路进行变换。比较电路由超高速、低功耗、高精度TTL比较器LT1016集成芯片和一些外围元器件组成。HFBR-2416光接收器输出的模拟信号经C1、C2耦合到比较器的两模拟输入端，经U1比较后恢复出与发射端相一致的TTL信号，以相反极性从两输出端输出。电路中的R8、R9和C4组成低通滤波器，用以提高光接收器对电源和外部噪声的抑制功能。比较器的输入耦合电容由下式确定：
     C1=C2=2/{3(R1+R2)[Data Rate(Bd)]}
     由光发射/接收器对与上述TTL接口电路所组成的通讯通道，最大数据传输速率可达32MBd，最大传输距离800m。

   3 远距离高速数据采集与传输系统设计
     电力变压器局部放电在线定位监测系统的数据采集与传输系统结构如图4所示。整个系统由7路数据传输通道和1路同步时钟传输通道组成，分为现场数据采集与传送和主控数据接收与存储两大部分，彼此之间用8芯片缆连接；数据的采集、传输和存储统一由数据采集与传送控制器的同步时钟协调控制。

     3.1 数据采集与传送
     数据采集由TLC876模数转换器完成，该芯片为CMOS低功率10位20MSPS模数转换器，以多级流水线结构原理设计而成，内部串联五级ADC子模块。芯片在输入时钟控制下，转换过程分级进行，每级转换获得2位结果，逐级精化，直至最后一级达到10位分辨率输出。输出结果就一个采样值而言，仅需一个时钟周期，但从模拟值采样到10位数字量输出有5个时钟周期的延迟。传感器检测到的变压器放电信号，经放大器放大到-5V～+5V电压范围后，被送到A/D转换器的模拟输入端。A/D转换器在2MHz时钟ADCLK控制下连续不断地对其采样和输出。

     TLC876输出的10位并行数据由数据采集与发送控制器的锁存脉冲/SLOCK将其锁存于2睡并串转换移位寄存器74F165中的D1～D10中。而寄存器的D0位则锁存固定电平“1”作为发送数据的起始位，D11～D15位锁存固定电平“0”作为发送数据的停止位。被锁存的16位并行数据在传送控制器的12位移位脉冲STCLK作用下，被转换成数据队列D0～D11串行输出。移位时钟速率32MBd。
    

     数据采集与传送控制器作为采集与传送控制核心，除负责产生A/D转换时钟ADCLK、数据锁存脉冲/SLOCK和同步移位脉冲STCLK外，还必须将同步移位时钟脉冲SCLK传送到接收端去，用于串行移位数据的串行转换同步移位时钟和同步信息的检测与恢复。时序关系如图5波形的采集与传送时序部分所示。由图5可见，一个采样数据传送周期需16个OSC1时钟周期，其中12个OSC1时钟周期用于传送12位数据，其它4个OSC1时钟周期作为同步信息发送时间，这段时间不发送时钟脉冲，接收端控制器将根据间隔时间检测恢复同步信息。数据采集发送控制器采用一片可编程逻辑阵列芯片GAL22V10设计，通过编程实现内部4位二进制计数器对输入时钟计数，其4位输出结果与逻辑组合电路一起实现各项时序。控制器输入时钟频率32MHz，由有源晶振提供。

     由并串转换移位寄存器输出的采样数据流，经光发射驱动电路功率放大后激励HFBR-1414铝砷化镓发光器发光馈入光纤。
     3.2 数据接收与存储

     接收端的光接收器HFBR-2416将光纤传来的微弹光信号转变成模拟电信号，再经TTL比较电路恢复成与发送端相一致的TTL电平数据流，送入串并转换移位寄存器的串行数据输入口。

     串行转换用2片串并转换移位寄存器74F164串联组成16位并行输出，串行输入的转换电路。从数据接收通道送来的数据流在同步移位时钟作用下，被转换成与发送端数据一致的并行输出数据。由于同步时钟是通过同步传输通道，由发送端与数据一起传输到接收端的，它们的传输条件一致、时序与时延一致，所以数据的移位同步性很好，经转换的并行数据可靠性也得到了充分保证。

     串行转换输出的12位并行数据中的D1～D10共10位数据为A/D采样输出数据，被直接送到64kW数据存储器RAM数据总线的D0～D9位。而起始位D0和终止位D11则被送到接收与存储控制器的内部数据校验器中进行同步校验，所得校验结果RAMD15=/(D0./D11)作为数据正误标志（“0”正确，“1”错误）送到存储器RAM的数据总线D15位。被送到存储器总线上的数据在接收与存储控制器产生的写脉冲/IWR作用下，存储在相应的存储单元中。

     数据接收与存储控制器由CPLD复杂可编程逻辑器件EPM7128S的一部分（另一部分作控制接口设计）设计而成，通过编程实现如下电路功能：
     ·同步移位脉冲计数器；
     ·7路数据起始与终止位同步校验；
     ·写脉冲/IWR形成；
     ·存储器地址A0～A15发生器；
     ·存储地址计数脉冲ATRR形成；
     ·同步信息检测与同步控制。
    

     接收器与发送器的数据同步由74F161计数器与CPLD的内部逻辑电路组成同步信息检测器，对同步传输光路传输业的移位时钟进行检测并实现同步控制。74F161计数器计数时钟由OSC2提供，频率与发送时钟频率相一致，由32MHz有源晶振产生。计数器的清零输入来自经CPLD内部反相器反相的SCLK，同步时序见图5的接收与存储时序部分。在数据移位期间，每来一个移位时钟脉冲，计数器就清一次零。而在每个移位脉冲的周期内，计数器的计数时钟输入端有同数。从理论分析，它有两种情况：第一种飞速是计数脉冲的上升沿在复位脉冲的低电平时出现，计数器因处于复位状态而不会计数；第二种情况是计数脉冲的上升沿在复位脉冲的高电平时出现，这时计数器会加1。但不管怎样，在整个移位脉冲期间，计数器的计数值不会超过1。当12位数据发送结束，接下来是4个不发脉冲的同步信息时间，在这段时间内，接下来是4个不值会累加到4，既QDQCQBQA=0100B。通过CPLD的内部逻辑组合，产生出写脉冲/IWR=/(/QD./QC.QB.QA.OSC2)和地址修改脉冲ATRR=(/QD./QC.QB.QA./OSC2),用于数据的存储和地址的修改。

     上述远距离高速数据采集与传输系统在上电后，发送端A/D转换器就连续不断地对信号进行采集并传送。接收端是否存储传送来的数据，由启动控制信号START确定。当启动信号产生一个正脉冲后，忙信号BUSY由低电平跳变为高电平，开始一段存储时序同步信息，存储器地址发生器A0～A15立即0，地址指针指向存储器的0单元，开始数据接收与存储。存储数据容量由预置计数器的初值决定。存储过程中，每存一个字数据，计数器就减一，直到计数器的值减为0，使忙信号BUSY由高电平跳变为低电平，结束这段存储周期。每通道存储数据容量最大64K字节。

     由HFBR-1414/2416光发射/接收器对设计的多路远距离高速数据采集系统，在电力变压器局部放电在线定位监测系统中应用，数据采集传输性能稳定可靠。该方法也非常适用于传输距离不太远、需大容量数据高速传输的一些实时测控系统。