基于塑料光纤的SPI高压隔离通信接口设计

1、基于塑料光纤的SPI高压隔离通信接口设计关键词:塑料光纤高压隔离POF工业电线端子SPI电力输配电现场存在各种各样的干扰,电力仪表的传感器部分往往处于高电位,所以,高压隔离通信是电力电子设计中经常遇到的课题。根据隔离信号种类的不同,分为模拟信号隔离和数字信号隔离;根据隔离介质的不同,又分为变压器隔离、运放隔离、光耦隔离、红外隔离、光纤隔离、无线隔离等。模拟信号的隔离常用隔离运放,这种方法存在隔离过程中可能引入新的量化误差。输入信号频率不能太高等问题。而数字信号隔离则没有上述问题。因此,数字信号隔离应用广泛。特别是塑料光纤隔离具有隔离电压高,工作频率比较宽,也无需进行信号调制解调,隔离距离较远,

2、不易被干扰,可靠性高,硬件接口简单,成本比较低的优点。因此,塑料光纤隔离传输在电力系统中具有广阔的应用前景。1塑料光纤与电缆相比,塑料光纤POF(Plastic Optical Fiber不受电磁干扰、无电磁辐射。与玻璃光纤相比,塑料光纤成本低,较柔软、容易安装和维护,POF芯径通常为0.31mm,而玻璃光纤芯径为62.5m或50m,芯径大10倍左右的POF连接对准容易,连接中即使有30m的偏移,也不严重影响耦合损耗(约增加损耗0.03dB,从而显著降低系统的总成本。在高压隔离通信中,常用的软件协议有RS232总线,SPI总线,CAN总线等,这些接口的信号频率小于10MHz。UOC24MGTB

3、R是一个光收发器(图1,标准电线端子结构,使塑料光纤像电缆连接一样方便。它将数字电信号转化为光信号并传输数据,通过光发送模块将数字电信号转换为数字光信号,转化后的光信号通过塑料光纤到达光接收模块。光接收模块将光信号转换回数字电信号。光发送模块主要元件是LED,它是一个光发射元件,通过驱动电路来驱动。光接收模块由感光元件和波形修整电路组成。电路使用标准的TTL电平,它们能够很容易与外围电路相配合。 图1UOC24MGT/BR光收发器外观2硬件电路设计基于可见光通讯的光收发模块很多,其硬件接口也各有不同,这里以UOC24MGT和UOC24MBR为例,说明塑料光纤的接口电路设计方法。UOC24MGT

4、和UOC24MBR的外形和封装形式完全一样,如图l所示。UOC10MGT主要参数如下:工作电压为5V;工作电流小于5mA;工作波长为650nm;工作频率小于24Mb/s;传输距离小于20m。从以上参数来看,该器件可以满足各种常见的高压隔离通信的要求。驱动模块电路比较简单。当电源部分没有正确处理时,该驱动模块电路会从电源部分引入干扰,输出波形会出现干扰脉冲,如图2所示。图2中下半部分波形是标准的1MHz方波,由信号发生器产生,上半部分波形是经塑料光纤后输出的TTL信号,从图2中可以看出,在上升沿的上部产生一个很强的干扰,如果这个干扰一直存在,会影响数据通信的正常进行。 在UOC24MGT和UOC

5、24MBR的电源电路中采用10H电感与10F电容(并联O. 1F构成的LC滤波,可大幅滤除电源中的高频干扰。同时,在PCB布线方面,地平面的处理也非常重要,塑料光纤的接地一般采用单点接地,可防止其他电路的干扰信号从地电位引入到光驱动模块中,驱动电路原理图如图3所示。 当正确处理了驱动模块的外围电路后,输出的波形如图4所示。从图4中可以看出,上半部分的输出波形已经没有任何高频干扰存在。 图4显示的信号频率为1MHz,对驱动模块进行了实际的频率特性试验,从1Hz开始,以10倍的系数增加信号频率,一直到10MHz为止。试验结果显示,在1Hz10MHz的频率范围内,输出的波形有固定的100ns的延迟,

6、信号输出波形无干扰,边沿干净。之后对驱动模块的电压特性进行测试,在电源电压1.56V的电压范围内,输出波形干净,说明该驱动模块的工作电压范围比较宽。涵盖了1.8、2.7、3.3、5V等常用的工作电压范围。将光发送模块的工作电压从1.56V范围内变化,光接收模块的工作电压固定为某一个值,如3.3V时,输出信号电压和光接收模块的工作电压相同,也为3.3V。以上试验说明,光收发模块可以使用不同的工作电压,而不影响信号的传输,这对工作电压不同的系统非常有用。测试中发现,其输入输出是有延迟的,固定为100ns,如果输入信号频率比较高,如大于10MHz,又要求输入输出同步,则需要在输入部分或输出部分进行硬

7、件或软件处理,得到完全同步的隔离信号。3应用实例某高压仪表隔离部分设计参数如下:隔离电压为60kV;传输速度为1MHz;传输距离为10m;接口类型为SPI。从以上设计要求选择数字传输方案,并综合考虑隔离电压、传输速度、传输距离、成本、可靠性、实现难度等方面,使用塑料光纤为最佳方案。SPI接口采用3线制,如图5所示。图5中只给出了主控方的电路图,从机是一个SPI 接口的串行A/D转换器,硬件连接方法与图5类似。SPI总线是板内总线,在1MHz下的传输距离不宜超过1m,加了塑料光纤隔离驱动后,其传输距离被大大延长了。高压部分和低压部分的驱动模块各需要3个,这3个模块布局时放在一起,共地连接,之后与其他部分电路要单点接地处理。 SPI通信硬件除了将传输介质由金属导线换为塑料光纤外,没有其他区别,软件