利用光纤发射/接收器对实现远距离高速数据采集

liyf

                    ??? 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


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。
????

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。