基于MC3361+MCU結(jié)構(gòu)的低速光纖通信模塊設計方案

光纖通信做為一種新興的高性能的串行通信技術，已經(jīng)在電力領域逐步展開應用。目前的光纖通信模塊大多使用FPGA或DSP技術實現(xiàn)信號解調(diào)，雖然其傳輸速度快、效率高，但是成本高、技術復雜，而且對于傳輸距離、電器隔離特性、可靠性、產(chǎn)品成本參數(shù)等都有極高的要求。而電力行業(yè)對光纖的應用主要還是集中在強電的控制方面，現(xiàn)場環(huán)境對光纖模塊的通信速度要求較低。所以，在電力系統(tǒng)的工程實際中，由于現(xiàn)場情況復雜、干擾信號繁多，致使高成本的高速光纖通信技術的應用并不十分理想。

鑒于光纖通信技術在電力系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀，本文提出一種MC3361+MCU結(jié)構(gòu)的低速光纖通信模塊設計方案。本設計硬件成本低、軟件流程簡單、性能穩(wěn)定，輸出信號為工業(yè)標準RS485信號或RS232信號，可直接與各種電力設備連接，非常適合在電力系統(tǒng)中廣泛使用。

1調(diào)制解調(diào)原理

為了降低硬件成本和提高硬件電路的可靠性，本設計使用BFSK調(diào)制解調(diào)算法。BFSK的調(diào)制原理是用載波的頻率來傳送數(shù)字消息，即用所傳送的數(shù)字消息控制載波的頻率。BFSK信號是符號“1”對應于載頻f1，而符號“0”對應于載頻f2（與f1不同的另一載頻）的已調(diào)波形，而且f1與f2之間的改變是瞬間完成的。

1.1調(diào)制原理

本文設計的光纖通信系統(tǒng)由MCU通過內(nèi)部程序控制通過PWM接口完成調(diào)制。外部設備與模塊通過串行接口（包括RS232接口或RS485接口）連接，模塊接收到數(shù)據(jù)后，首先將數(shù)據(jù)傳輸給MCU，MCU通過UART接口接收到數(shù)據(jù)，MCU通過程序控制輸出BFSK調(diào)制信號，調(diào)制后的信號直接發(fā)送至光纖發(fā)射接口發(fā)送出去。

進行BFSK調(diào)制時使用MCU串行接口接收外部設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，BFSK的調(diào)制頻率由程序控制，信號“1”對應于270KHz載頻，信號“0”對應于240KHz載頻，波形如圖2所示，上邊的波形為未經(jīng)調(diào)制的信號，下邊的波形為經(jīng)調(diào)制后的信號。MCU將調(diào)制后的載頻信號通過PWM方式發(fā)送至光纖發(fā)射接口，電信號轉(zhuǎn)換成光信號。調(diào)制硬件原理框圖如圖1所示。

圖1調(diào)制硬件原理框圖

圖2調(diào)制前后信號的波形圖

1.2解調(diào)原理

BFSK的解調(diào)使用MC3361單片窄帶調(diào)頻接收芯片完成，MC3361片內(nèi)包含振蕩電路、混頻電路、限幅放大器、積分鑒頻器、濾波器、抑制器、掃描控制器及靜噪開關電路。

解調(diào)電路原理圖如圖3所示。其中，185K網(wǎng)絡標號為MCU輸出185K矩形波信號，R1為限流電阻，C5、L4組成濾波電路，C12諧振電容，信號經(jīng)過R1、C5、L4及C12后，由MC3361第1腳輸入，構(gòu)成MC3361解調(diào)的第二本振級。圖3中FSK網(wǎng)絡標號為光纖接收接口輸入的矩形波信號，信號經(jīng)過R4、R6分壓，將信號高電平轉(zhuǎn)換為500mV，再經(jīng)過L6、C25進行濾波，及C27、L7、VD1、VD2二次限壓濾波后，消除干擾頻率后，經(jīng)過C1諧振，最終信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄐ盘枴?/p>

圖3解調(diào)電路原理圖

最終只有標準正弦波信號輸入至MC3361的第16引腳，作為MC3361的第一中頻IF輸入信號，信號幅值為0V，峰值為500mV，頻率為270KHz或230KHz.在MC3361內(nèi)部第二混頻級進行混頻處理，處理后的信號為455KHz的第二中頻信號，由第3引腳輸出，由455kHz陶瓷濾波器選頻，即圖3中的Z4器件，再經(jīng)第5腳輸入MC3361的限幅放大器進行高增益放大，限幅放大級是整個電路的主要增益級。第8腳接鑒頻電路，由455kHz鑒頻器Z3、R2及C26組成，經(jīng)放大后的第二中頻信號在內(nèi)部進行鑒頻解調(diào)，并經(jīng)一級音頻電壓放大后由第9引腳輸出信號，信號經(jīng)過第10腳和第11腳構(gòu)成的有源濾波電路，再輸入MC3361的第12腳進行載頻檢測并控制電子開關，最終經(jīng)過解調(diào)的信號由第13引腳輸出，直接輸入MCU的引腳，由MCU進行處理。

2軟件設計

系統(tǒng)主程序分為兩個主要流程：串行接口處理流程和光纖接口數(shù)據(jù)處理流程。

2.1串行接口處理流程

本流程的主要任務是檢測串行接口是否接收到數(shù)據(jù)，如果串行接口接收到數(shù)據(jù)，設計中為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，首先對數(shù)據(jù)進行拆分，將長數(shù)據(jù)包拆分成若干個短數(shù)據(jù)包，并為每個數(shù)據(jù)包增加起始標識、校驗碼和結(jié)束標識，組成一個數(shù)據(jù)幀，每個數(shù)據(jù)幀正確傳輸結(jié)束再進行下一數(shù)據(jù)幀的傳輸。組成數(shù)據(jù)幀后，由MCU對數(shù)據(jù)進行調(diào)制，并發(fā)送到光纖接口，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

2.2光纖接口數(shù)據(jù)處理流程

本流程的主要任務是檢測光纖接口是否接收到數(shù)據(jù)，如果光纖接口接收到數(shù)據(jù)，則首先驗證數(shù)據(jù)幀格式，如果格式正確，則將有效數(shù)據(jù)提取出來重新組成完整數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包從串行接口發(fā)送出去，完成光纖接口到標準串行接口的數(shù)據(jù)傳輸。

系統(tǒng)軟件設計流程如圖4所示。

圖4軟件設計流程圖