張全柱，郭海兵，鄧永紅

(華北科技學院 信息與控制技術(shù)研究所，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤礦使用的電氣裝備大多都是成套的,從廠家購買或者直接進口國外的設(shè)備。井下變頻器、可編程控制器等設(shè)備都帶有RS485接口[1]。煤礦常用的刮板運輸機和采煤機都有兩個變頻器，而皮帶運輸機有二個或者二個以上的變頻器，設(shè)計有多路RS485總線通信接口[2]。隨著科技的發(fā)展，煤礦現(xiàn)有設(shè)備需要進行自動化和智能化的升級改造及并網(wǎng)連接以適應(yīng)智能化生產(chǎn)的需要。然而，使用RS485接口連接在井下復(fù)雜的環(huán)境里通信存在很大的不確定性。因為485總線采用差分信號傳輸方式[3]，所以變頻器與主機之間采用雙絞線的方式連接在長距離傳輸時有很大的干擾。然而，光纖通信是以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)進行信息傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)，具有傳輸容量大、抗電磁干擾能力強等突出優(yōu)點,是未來信息傳輸?shù)闹饕绞絒4]。結(jié)合目前主流設(shè)備多數(shù)存在RS485總線接口[5]，將RS485電平轉(zhuǎn)換成適合光纖傳輸?shù)男盘朳6]，可滿足井下特殊環(huán)境里變頻器的運行需求，提高其通信的抗干擾能力和使用的可靠性。本文結(jié)合實際工程，設(shè)計一款RS485—光纖—RS485的通信板，可應(yīng)用于井下電氣裝備的RS485通信中，并進行了實驗驗證及波形分析，兼顧技術(shù)先進性和工程實用性，研究485差分信號轉(zhuǎn)光纖傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)，有很好的實用意義。

1 光纖通信板總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 礦用變頻器運行結(jié)構(gòu)

圖1所示結(jié)構(gòu)是光纖通信板應(yīng)用在礦用變頻器主機與從機進行長距離通信的運行框圖。主機側(cè)的光纖通信板把485差分信號轉(zhuǎn)換成光纖信號進行長距離傳輸?shù)綇臋C側(cè)的光纖通信板中，從機側(cè)的光纖通信板再把光纖信號轉(zhuǎn)換成485差分信號傳送給從機，同時從機發(fā)回信號給主機，實現(xiàn)主從通信。使用此光纖通信板作為中繼設(shè)備連接現(xiàn)場總線，不僅能夠增強傳輸距離，還可以保證傳輸中由外部電磁場造成的干擾減小到最低[7]。

圖1 礦用變頻器長距離通信運行結(jié)構(gòu)框圖

1.2 光纖通信板工作原理

圖2為光纖通信板的結(jié)構(gòu)框圖，主要由隔離的供電電源、485收發(fā)電路、光纖轉(zhuǎn)換電路三個部分組成。其工作原理是通過485收發(fā)電路把RS485總線上的差分信號轉(zhuǎn)化成TTL電平，再由光纖轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成光纖信號發(fā)送出去，使光信號與被傳輸電信號具有相同特征；光纖轉(zhuǎn)換電路把接收到的光纖信號還原為TTL電平，由485收發(fā)電路轉(zhuǎn)化成差分信號送給RS485總線，即可通過上述過程實現(xiàn)圖1中主機與從機之間的通信。

圖2 光纖通信板總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

光纖通信板應(yīng)能實現(xiàn)RS485邏輯電平和光纖信號間的相互轉(zhuǎn)換。由于該光纖通信板要在電磁輻射環(huán)境惡劣的煤礦井下使用，因此該設(shè)計應(yīng)具有電氣隔離、強抗干擾能力、低功耗和隔離供電的特點。

2.1 隔離電源電路設(shè)計

圖3給出的是隔離電源電路，該電路主要由輸入濾波電路、隔離電源和輸出濾波電路三個部分組成，加強了電源電路的抗干擾能力。隔離電源模塊也可用開關(guān)電源代替，具有轉(zhuǎn)換效率高，空載功率低的特點。按照實際需求可由9 V到36 V電壓輸入轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V隔離電壓輸出，使電壓的輸入與輸出完全隔離開，既保證了電路的穩(wěn)定性又提高了其抗干擾性。

圖3 隔離電源供電電路

2.2 光纖轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

圖4給出了光纖轉(zhuǎn)換電路的原理圖，主要由光纖發(fā)送電路和光纖接收電路組成。光纖發(fā)送電路主要由驅(qū)動門電路SN75451B與光纖發(fā)送器組成，把485收發(fā)器發(fā)出的TTL電平信號轉(zhuǎn)化成光信號；光纖接收電路把光纖通信板接收來的光信號轉(zhuǎn)化為TTL電平發(fā)送到485收發(fā)器上。光纖發(fā)送器和光纖接收器分別采用的是HFBR-1521發(fā)送器和HFBR-2521接收器，可適用于常見的塑料光學纖維傳導(dǎo)。圖4(a)給出了光纖發(fā)送器和光纖接收器的內(nèi)部原理圖。HFBR-1521發(fā)送器采用發(fā)光二級管將光信號傳送至光纖，光纖將光信號傳遞至 HFBR-2521接收器，接收器利用光敏二級管檢測到光信號后觸發(fā)接收器內(nèi)三極管導(dǎo)通，VO與GROUND形成回路，即可采用VO來輸出高、低電平。光纖傳輸提供良好的級間隔離，以消除反串干擾，同時接收器的輸出電位只有高、低兩種，無中間態(tài)，可以有效防止誤操作[8]。

圖4 光纖轉(zhuǎn)換電路

2.3 485收發(fā)電路和自使能電路設(shè)計

圖5給出了485收發(fā)電路和自使能電路的結(jié)構(gòu)。收發(fā)電路由自使能電路、485收發(fā)器和保護濾波電路三部分組成。自使能電路由“RTS”信號的高低電平?jīng)Q定。485總線把差分信號通過濾波電路、保護電路發(fā)送給芯片[9]。在485收發(fā)工作電路的RS485總線兩端設(shè)計了總線匹配電阻，增強了數(shù)據(jù)通信的抗干擾性與可靠性。

圖5 485收發(fā)電路

3 電路工作過程分析

圖6所示為光纖通信板的工作原理圖，兩塊光纖通信板之間的光纖信號代替RS485總線把數(shù)據(jù)傳送給主機和從機。工作時，主機發(fā)送通信命令到光纖通信板1上，經(jīng)485收發(fā)工作電路到收發(fā)器“U2”的A、B引腳上，收發(fā)器將差分信號進行計算，通過其1腳輸出高、低電平。此時光纖通信板1中光纖接收電路還未接收到光信號，故由圖4(b)可知“SCIT1”為高電平信號，則“RTS1”為低電平；根據(jù)收發(fā)器工作原理“U2”輸出的信號可由驅(qū)動芯片“SN75451B”經(jīng)光纖發(fā)送器“HFBR-1521”轉(zhuǎn)化為光信號送到光纖通信板2上。

圖6 光纖通信板工作過程

光纖通信板2接收到光纖信號，“SCIT2”為低電平，同時控制自使能電路“RTS2”信號變?yōu)楦唠娖剑瞻l(fā)器“U3”接收光纖接收電路的電平信號，經(jīng)過收發(fā)器“U3”內(nèi)部計算后輸出差分信號到從機。

從機收到信號時會以同樣的方式反饋信號給主機，至此完成信號的轉(zhuǎn)換過程。通過這種方式，很好地實現(xiàn)了礦用電氣裝備的遠程通訊[10]。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 實驗室平臺介紹

對設(shè)計的光纖通信板進行實驗研究，搭建圖7 所示的實驗平臺，主要由示波器、兩個模擬礦用電氣裝備的變頻器、4塊光纖通信板、上位機和供電電源等儀器設(shè)備組成。以上位機連接兩套變頻器為例進行通信實驗。圖中光纖通信板1和2分別與變頻器就近連接，同時分別通過光纖與光纖通信板4和3連接，而光纖通信板4和3輸出的485信號接到上位機中。初始設(shè)置485波特率為9600，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8位，停止位設(shè)置為1位，奇偶校驗位設(shè)置為0位，發(fā)送數(shù)據(jù)頻率為100 ms/次，即可滿足設(shè)備通信要求。

圖7 搭建的實驗臺

4.2 實驗結(jié)果分析

圖8(a)是光纖通信板初始波形圖，波形圖中“C1”是收發(fā)器發(fā)送TTL電平信號1腳輸出的波形，“C2”是自使能信號的波形，“C3”是接收TTL電平信號4腳的波形圖。從波形圖中可知，主、從機在沒有通信情況下，收發(fā)器自使能信號為低電平，光纖通信板接收為高電平，發(fā)送為高阻狀態(tài)。

圖8 光纖通信板波形圖

圖8(b)是光纖通信板工作波形圖，“C1”表示接收到主機每隔100 ms發(fā)送一次的數(shù)據(jù)波形，“C3”表示接收到從機返回來的數(shù)據(jù)波形，“C2”高低變化的電平波形表示了自使能信號使收發(fā)器發(fā)揮收發(fā)數(shù)據(jù)的作用，從波形圖可以看出設(shè)計的光纖通信板符合預(yù)期的功能。

圖9(a)是光纖通信板工作波形圖的一幀數(shù)據(jù)波形圖，從圖中可知485收發(fā)器在其使能引腳為低電平時可接收到上位機發(fā)送的差分信號指令，通過其1腳可輸出TTL電平,轉(zhuǎn)化為光纖信號發(fā)送給從機；在使能引腳為高電平時，4腳接收光纖接收電路的電平信號，輸出差分信號，發(fā)送給主機。

圖9 波形展開圖

圖9(b)是一幀數(shù)據(jù)的波形展開圖，表示的是光纖通信板傳送一幀數(shù)據(jù)時自使能電路上的使能信號與收發(fā)器引腳接收光纖信號的波形圖。通過“C3”的波形看出，使能端為高電平，表示主機接收到了變頻器返回來的信號。

5 結(jié)論

(1) 本文基于煤礦現(xiàn)有電氣裝備，設(shè)計可以利用光纖代替雙絞線通信的光纖通信板，可以滿足井下礦用RS485設(shè)備的通信需求。

(2) 設(shè)計的光纖通信板可由上位機同時控制多臺變頻器運行，能應(yīng)用于各種礦用變頻器的RS485總線通信中，無需改變原有硬件結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)光纖與RS485總線數(shù)據(jù)之間的互連通信，實驗表明該光纖通信板可以長時間穩(wěn)定運行，現(xiàn)場控制效果較好，用光纖進行通信可提高抗干擾能力。

(3) 該光纖通信板外圍電路簡單，性能穩(wěn)定，容易實現(xiàn)，供電電路具有良好的隔離和保護能力，不但適用于礦用變頻器也適用于其他規(guī)格的485通信設(shè)備。

(4) 具有強大的拓展能力，除485信號外232和422均可采用這種方式實現(xiàn)長距離通信，有較強的工程實用性及應(yīng)用推廣價值。