基于MC3361+MCU结构的低速光纤通信模块设计方案

电子发烧友网工程师 发表于 2018-01-29 05:52:41 收藏 已收藏
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基于MC3361+MCU结构的低速光纤通信模块设计方案

电子发烧友网工程师 发表于 2018-01-29 05:52:41 收藏

光纤通信做为一种新兴的高性能的串行通信技术,已经在电力领域逐步展开应用。目前的光纤通信模块大多使用FPGA或DSP技术实现信号解调,虽然其传输速度快、效率高,但是成本高、技术复杂,而且对于传输距离、电器隔离特性、可靠性、产品成本参数等都有极高的要求。而电力行业对光纤的应用主要还是集中在强电的控制方面,现场环境对光纤模块的通信速度要求较低。所以,在电力系统的工程实际中,由于现场情况复杂、干扰信号繁多,致使高成本的高速光纤通信技术的应用并不十分理想。

鉴于光纤通信技术在电力系统中的应用现状,本文提出一种MC3361+MCU结构的低速光纤通信模块设计方案。本设计硬件成本低、软件流程简单、性能稳定,输出信号为工业标准RS485信号或RS232信号,可直接与各种电力设备连接,非常适合在电力系统中广泛使用。

1调制解调原理

为了降低硬件成本和提高硬件电路的可靠性,本设计使用BFSK调制解调算法。BFSK的调制原理是用载波的频率来传送数字消息,即用所传送的数字消息控制载波的频率。BFSK信号是符号“1”对应于载频f1,而符号“0”对应于载频f2(与f1不同的另一载频)的已调波形,而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。

1.1调制原理

本文设计的光纤通信系统由MCU通过内部程序控制通过PWM接口完成调制。外部设备与模块通过串行接口(包括RS232接口或RS485接口)连接,模块接收到数据后,首先将数据传输给MCU,MCU通过UART接口接收到数据,MCU通过程序控制输出BFSK调制信号,调制后的信号直接发送至光纤发射接口发送出去。

进行BFSK调制时使用MCU串行接口接收外部设备发送的数据,BFSK的调制频率由程序控制,信号“1”对应于270KHz载频,信号“0”对应于240KHz载频,波形如图2所示,上边的波形为未经调制的信号,下边的波形为经调制后的信号。MCU将调制后的载频信号通过PWM方式发送至光纤发射接口,电信号转换成光信号。调制硬件原理框图如图1所示。

图1调制硬件原理框图

图2调制前后信号的波形图

1.2解调原理

BFSK的解调使用MC3361单片窄带调频接收芯片完成,MC3361片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。

解调电路原理图如图3所示。其中,185K网络标号为MCU输出185K矩形波信号,R1为限流电阻,C5、L4组成滤波电路,C12谐振电容,信号经过R1、C5、L4及C12后,由MC3361第1脚输入,构成MC3361解调的第二本振级。图3中FSK网络标号为光纤接收接口输入的矩形波信号,信号经过R4、R6分压,将信号高电平转换为500mV,再经过L6、C25进行滤波,及C27、L7、VD1、VD2二次限压滤波后,消除干扰频率后,经过C1谐振,最终信号转变为正弦波信号。

图3解调电路原理图

最终只有标准正弦波信号输入至MC3361的第16引脚,作为MC3361的第一中频IF输入信号,信号幅值为0V,峰值为500mV,频率为270KHz或230KHz.在MC3361内部第二混频级进行混频处理,处理后的信号为455KHz的第二中频信号,由第3引脚输出,由455kHz陶瓷滤波器选频,即图3中的Z4器件,再经第5脚输入MC3361的限幅放大器进行高增益放大,限幅放大级是整个电路的主要增益级。第8脚接鉴频电路,由455kHz鉴频器Z3、R2及C26组成,经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调,并经一级音频电压放大后由第9引脚输出信号,信号经过第10脚和第11脚构成的有源滤波电路,再输入MC3361的第12脚进行载频检测并控制电子开关,最终经过解调的信号由第13引脚输出,直接输入MCU的引脚,由MCU进行处理。

2软件设计

系统主程序分为两个主要流程:串行接口处理流程和光纤接口数据处理流程。


2.1串行接口处理流程

本流程的主要任务是检测串行接口是否接收到数据,如果串行接口接收到数据,设计中为了提高系统的稳定性和抗干扰能力,首先对数据进行拆分,将长数据包拆分成若干个短数据包,并为每个数据包增加起始标识、校验码和结束标识,组成一个数据帧,每个数据帧正确传输结束再进行下一数据帧的传输。组成数据帧后,由MCU对数据进行调制,并发送到光纤接口,将数据发送出去。

2.2光纤接口数据处理流程

本流程的主要任务是检测光纤接口是否接收到数据,如果光纤接口接收到数据,则首先验证数据帧格式,如果格式正确,则将有效数据提取出来重新组成完整数据包,并将数据包从串行接口发送出去,完成光纤接口到标准串行接口的数据传输。

系统软件设计流程如图4所示。


图4软件设计流程图

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嵌入式技术
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