孫靖舒

摘 要 155Mbps的光纖收發(fā)模塊一般用于100Mbps光纖以太網(wǎng)通信，接口電平通常為PECL的差分信號(hào)，由于光功率過(guò)飽和的原因，通常要求發(fā)送信號(hào)調(diào)制后發(fā)送，正常情況下不能直接用于中低速異步串行通信。支持中低速通信的光纖模塊一般價(jià)格為150元，而155Mbps的光纖模塊價(jià)格一般不到70元。若將少于10元成本的單片機(jī)用于155Mbps光纖模塊上，并能解決中低速數(shù)據(jù)的光纖通信問(wèn)題，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 光纖收發(fā)模塊；單片機(jī)；中低速數(shù)據(jù)通信

中圖分類(lèi)號(hào) TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）200-0173-02

1 總體設(shè)計(jì)思路

1）設(shè)計(jì)合理的編碼方式對(duì)高速數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。

2）收發(fā)過(guò)程通過(guò)兩片單片機(jī)來(lái)模擬，從而判斷設(shè)計(jì)方案的可行性，同時(shí)記錄出現(xiàn)的問(wèn)題。

3）通過(guò)軟件模擬所得到的結(jié)果來(lái)選擇適當(dāng)?shù)男酒M(jìn)行實(shí)際電路的搭建。

2 低速光纖收發(fā)模塊電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 調(diào)制解調(diào)原理

實(shí)驗(yàn)是通過(guò)改變占空比從而改變傳輸速率[ 1 ]。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：設(shè)定通信速率最低為9600bps，最高為115200bps，速率必須為常用標(biāo)準(zhǔn)速率。

列表如下：9600，19200，38400，57600，115200單片機(jī)設(shè)定頻率為11.0592×3MHz。調(diào)制時(shí)按115200速率的位進(jìn)行，0變?yōu)?：3的占空比，1變?yōu)?：1占比。輸入接INT1，INT1工作在上下沿中斷方式當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，調(diào)整定時(shí)器T1工作在230400bps×4自動(dòng)重載定時(shí)方式INT1中斷或T1中斷3次時(shí)，輸出低電平；T1中斷1次時(shí)INT為0，則輸出高電平，重復(fù)上過(guò)程即可。

2.2 調(diào)制電路的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)使用兩個(gè)單片機(jī)來(lái)模擬預(yù)想程序的設(shè)計(jì)。如圖1所示，單片機(jī)U2是發(fā)送端，單片機(jī)U2的接口分別向單片機(jī)U1持續(xù)發(fā)送高電平和低電平，此時(shí)U1做的工作是對(duì)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制。單片機(jī)設(shè)定頻率為11.0592×4MHz。1變?yōu)?：1占比，0變?yōu)?：3。

U2的作用是持續(xù)給U1發(fā)送高低交叉的電平作為被調(diào)制電平。U2主程序中，首先給接口賦了初值1，且僅執(zhí)行這一次后一直等待，直到中斷程序的到來(lái)。中斷程序到來(lái)后，立即執(zhí)行switch函數(shù)。在switch函數(shù)中設(shè)置了一個(gè)靜態(tài)變量tsts。在函數(shù)中，靜態(tài)變量只有定義時(shí)才初始化，每次函數(shù)調(diào)用時(shí)保留有上次的值。使用上基本上和全局變量差不多，只是函數(shù)外部無(wú)法訪問(wèn)，這樣有利于簡(jiǎn)化電路而且使電路數(shù)據(jù)可以更好的被修改。

第一次中斷到來(lái)時(shí)立即執(zhí)行switch中的case 0，這段程序的作用是將P2_0端口電平拉高的同時(shí)給tsts重新賦值為1。執(zhí)行完這部分程序后這次中斷過(guò)程就結(jié)束了，程序跳出switch函數(shù)，然后等待下一次中斷的到來(lái)。當(dāng)?shù)诙沃袛嗟絹?lái)時(shí)，tsts已經(jīng)變成了1，因此這一次程序要執(zhí)行switch函數(shù)中的case 1。case 1的作用是將P3_0的電平賦給P2_0，同時(shí)也將tsts重新賦值為2。到此程序執(zhí)行完畢，程序跳出switch函數(shù)，然后繼續(xù)等待下一次中斷的到來(lái)。第三次中斷到來(lái)時(shí)，這次tsts要根據(jù)上一次保存的數(shù)值2來(lái)執(zhí)行，因此程序執(zhí)行case 2。在這個(gè)程序中只是將tsts賦值成新的參數(shù)3，其他端口保持不變，也就是說(shuō)P2_0依然輸出同P3_0相同的電平，然后程序就執(zhí)行完畢，程序跳出switch函數(shù)，等待第四次中斷的到來(lái)。當(dāng)?shù)谒拇沃袛嗟絹?lái)時(shí)，tsts為3，因此程序執(zhí)行case 3，程序的功能是將P2_0電平再次拉到低電平，tsts賦值為0，完成這些過(guò)程便跳出中斷程序繼續(xù)等待下一次中斷的到來(lái)。tsts在第四次中斷的時(shí)候被重新賦值為0，這樣就使得程序可以循環(huán)地進(jìn)行。整個(gè)調(diào)制程序完成。如此循環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制功能了。

2.3 解調(diào)電路的設(shè)計(jì)

解調(diào)過(guò)程是根據(jù)多次判斷輸入電平的高低從而來(lái)決定輸出電平的高低。在調(diào)制程序中新引入了一個(gè)變量rbit。它的作用是作為一個(gè)中間變量將判斷結(jié)果最終發(fā)送給輸出端。

具體過(guò)程為：當(dāng)?shù)谝淮沃袛嗟絹?lái)的時(shí)候程序?qū)⑦\(yùn)行switch函數(shù)里的case 0語(yǔ)句。這條語(yǔ)句的作用是通過(guò)if語(yǔ)句來(lái)判斷輸入端口P0_0的電平。如果P0_0高電平那么就給rsts賦值1，執(zhí)行完這些動(dòng)作之后這一次的程序就完成了。因?yàn)樵谥骱瘮?shù)中已經(jīng)給P0_0賦了高電平，所以第一個(gè)if語(yǔ)句一定會(huì)給rsts賦值1。第二次中斷程序到來(lái)的時(shí)候，此時(shí)的rsts數(shù)值為1，因此執(zhí)行case 1。這條語(yǔ)句依然是判斷P0_0的電平。如果P0_0為高電平那么只做給rsts賦值參數(shù)2完成這一個(gè)動(dòng)作就跳出程序，繼續(xù)等待下一次中斷的到來(lái)。如果P0_0為高電平，那么不單要給rsts賦值參數(shù)2，同時(shí)還要給之前定義的rbit參數(shù)賦值0，完成這些過(guò)程就跳出程序，等待下一次中斷的到來(lái)。第三次中斷程序到來(lái)的時(shí)候，此時(shí)的rsts為2，于是程序執(zhí)行case 2，在這條語(yǔ)句中，rbit的值會(huì)隨著P0_0而變化，如果P0_0為高，那么rbit為1，相反，如果P0_0為低，那么rbit為0。同時(shí)rsts被重新賦值為3，這條語(yǔ)句到此結(jié)束，跳出程序，繼續(xù)等待下一次中斷的到來(lái)。通過(guò)前三次中斷判斷后，如果輸入是高電平，那么rbit就為1，如果是低電平，那么rbit就被賦值為0。當(dāng)?shù)谒拇沃袛嗟絹?lái)時(shí)，要通過(guò)前三次的判斷從而決定輸出端P0_4的電平。case 4的作用就是將判斷出的rbit值賦給輸出端P4_0，rsts被重新賦值為0。所有的程序到此結(jié)束。

3 實(shí)現(xiàn)電路的各模塊設(shè)計(jì)

3.1 電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)為T(mén)TL電平，而光模塊為ECL電平。因此光模塊與單片機(jī)不能直接相連，所以在單片機(jī)與光模塊之間要放置一個(gè)26LS32芯片構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路，使得光模塊發(fā)送的ECL電平和單片機(jī)發(fā)送的TTL電平可以互相轉(zhuǎn)化。從而實(shí)現(xiàn)電平匹配[ 2 ]。電平轉(zhuǎn)換電路使用的芯片是26LS32，芯片26LS32其內(nèi)部含有四個(gè)相同的差分電路，和一個(gè)使能控制端。輸入信號(hào)介于V1T和V1T-之間就可以工作。endprint

3.2 接口電路的設(shè)計(jì)

由于電腦串口R232電平是-10V至+10V，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的信號(hào)電壓是TTL電平0至+5V。因此在連接PC機(jī)部分要使用MAX232芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。該器件包含2個(gè)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)接收器和一個(gè)電壓發(fā)生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。RS232接口電平轉(zhuǎn)換芯片的電容值：104和105均為去耦電容，用在電源和地之間。4個(gè)電容具有3個(gè)方面的作用：一是作為本集成電路的蓄能電容；二是濾除該器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過(guò)供電回路進(jìn)行傳播的通路；三是防止電源攜帶的噪聲對(duì)電路構(gòu)成干擾[ 3 ]。

3.3 電源電路的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)電路所有的電源用芯片MC34063來(lái)提供。MC34063集成電路主要特性：輸入電壓范圍：2.5V～40V，輸出電壓可調(diào)范圍：1.25V～40V輸出電流可達(dá)：1.5A。工作頻率：最高可達(dá)100kHz，低靜態(tài)電流短路電流限制，可實(shí)現(xiàn)升壓或降壓電源變換器。它由具有溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能的基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控的振蕩器，R-S觸發(fā)器和大電流輸出開(kāi)關(guān)電路等組成。該器件本身包含了DC/DC變換器所需要的主要功能的單片控制電路且價(jià)格便宜[4]。

4 電路實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述電路分析，設(shè)計(jì)出了155Mbps光纖收發(fā)模塊用于低速異步串行通信的電路版圖，如圖2所示。

5 結(jié)論

1）該綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅能為以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)前期探索研究提供一種方便的實(shí)驗(yàn)裝置，而且能在遠(yuǎn)離工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)室解決工業(yè)應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以將許多分散的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目整合在一起進(jìn)行研究和分析，節(jié)約資源，降低成本；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正確率高，通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，系統(tǒng)工作可靠；單片機(jī)串行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的光模塊通信靈活性強(qiáng)，易于擴(kuò)充，其設(shè)計(jì)原理可以減少生產(chǎn)成本具有很大的實(shí)用價(jià)值。

2）接口電路在實(shí)際應(yīng)用中的注意：

（1）快速開(kāi)關(guān)二極管可以選用IN4148，在要求高效率的場(chǎng)合必須使用 IN5819（貼片為SS14）；（2）34063能承受的電壓，即輸入輸出電壓絕對(duì)值之和不能超過(guò)40V，否則不能安全穩(wěn)定的工作；（3）輸出功率達(dá)不到要求的時(shí)候，比如>1A時(shí)，可以通過(guò)外接擴(kuò)功率管的方法擴(kuò)大輸出電流，三極管、雙極型或MOS管均可。（4）電容選擇上可以適當(dāng)調(diào)大電容的數(shù)值。

參考文獻(xiàn)

[1]基于方波載波占空比調(diào)制的ECPT系統(tǒng)能量信號(hào)并行傳輸技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015（21）：51-56.

[2]許春田.PLC與TTL間電平轉(zhuǎn)換電路的一種簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)方法[C]//全國(guó)冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)、《冶金自動(dòng)化》雜志社.全國(guó)冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)2010年年會(huì)論文集，全國(guó)冶金自動(dòng)化信息網(wǎng)、《冶金自動(dòng)化》雜志社，2010：3.

[3]王征.RS232/PROFIBUS-DP從站接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：清華大學(xué)，2004.

[4]郭忠銀，高飛燕.基于MC34063的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010（2）：100-101.endprint