基于MSP430的多模光纤短距离数采通信系统

刘学君，袁碧贤，卓思超，朱 琳，赵景丽，王文凯

（北京石油化工学院 北京 102617）

基于MSP430的多模光纤短距离数采通信系统

刘学君，袁碧贤，卓思超，朱 琳，赵景丽，王文凯

（北京石油化工学院 北京 102617）

本论文研究基于MSP430的短距离多模光纤多点检测系统，设计了光纤通信链路的软硬件、数据采集软硬件和单总线传输协议，该系统由传感器模块，MSP430模块，光调制模块，多模光纤模块，光解调模块，显示模块等组成。使用HFBR-1414T发射模块将电信号转化为光信号进行光纤传输，再通过HFBR-2414T接收模块将激光信号转化为电信号。在实际的实验中，实现了压力及温湿度数据采集和1 km数据传输，经过该试验表明，该系统具有较高的可靠性和准确性，低成本，稳定性好。

MSP430；光纤传输；HFBR-1414T；HFBR-2414T

光纤作为一种具有划时代意义的通信技术，成为当前通信行业的重要支柱[1]。它是指使用光纤作为传输媒介，把光作为信息载体的一种现代通信方式[2]。光纤通信是构建现代通信网最主要的传输手段[3]。随着检测精度提高，数据量变大，管道检测机器人本身的低功耗、嵌入式等决定了其不能在线的实时处理大量的数据。由于管道外计算机系统不受空间、功耗、容量等限制，可以大量的实时处理数据，而光纤通信以其大容量、轻便、功耗小等特点成为管道类机器人实时数据外传的最好媒质[4]。通信传输作为当今信息传输的主要方式，应用范围十分广泛[5]。

文中设计了一种实用的短距离光调制解调通信的设计方案，方法简单，易于实现，主要研究了光发送模块和光接收模块。通过光纤的传输，将采集的检测数据实时地显示出来。具有较高的使用价值。

1 总体设计

该系统主要由传感器模块，MSP430模块，光调制模块，多模光纤，光解调模块，显示模块等组成[6]。传感器模块中DHT11温湿度传感器完成三路温湿度的采集[7]，BMP085气压传感器对三路气压进行采集[8]，MSP430G2553完成三路传感数据的串行传输的帧编码[9]，通过多模光发射机HFBR-1414T，将电信号转换成820 nm激光信号，速率能达到100 kb/s，经G625多模光纤[10]传输，光接收机HFBR-2412T将激光信号转换成电信号[11]，送入MSP430芯片，采用12 864液晶将采集数据的结果显示出来。

2 系统硬件设计

2.1 系统结构

该系统主要由传感器模块，MSP430模块，光调制模块，多模光纤，光解调模块，显示模块等组成，具体结构如图1所示。

图1 系统结构框图

2.2 光调制模块HFBR1414

1）光发射器基本原理

光纤HFBR1414发射器是一种集成光发送模块，它具有ST、SMA、CS和FC 4种连接头可选，工作波长820 nm，频谱宽度有30 μm。与HFBR24X6光接收机配合使用时，其速率最高可达160 MBd，传输距离可达 4 km，可以与 50/125 μm、100/140 μm、62.5/125 μm以及200 μm等多种型号的光纤适配，这在选用光纤芯径方面给了用户极大的灵活性[12]。HFBR-1414T的发光效率高，能保证在小的驱动电流下工作。因此能耗低，稳定性好。

2）驱动电路设计

HFBR1414的内部电路主要是一个发光二极管。LED的最重要的性能取决于它的P-I特性，因此将驱动器设计成为受输人信号控制的电流源。将三极管作为电流输出器件与HFBR1414光线发射器相连接，就形成电流驱动器。

HFBR--0400系列的光器件常与HFBR-24X2光接收机配合使用组成光纤链路。HFBR1414正常工作需要的驱动电流与通信距离的关系如图2所示。从图2中可见，提高通信距离需要同时增加驱动电流，若通信距离为1 km，需要的电流I约为20 mA。而HFBR1414的驱动电流与前向电压的特性关系如图3所示。由图可见，提供20 mA电流驱动发光二极管时，其前向电压碑约为1.5 V。

设计的驱动电路如图4所示[13]，图中75451是大电流与门，电阻R由下式确定:

图2 驱动电流与通信距离的关系

图3 向前电压与驱动电流特性

图4 HFBR1414发射器驱动电路图

在数字通信系统中，驱动电路有电流开关的作用[13]。大电流与门75451的高输出电流、低阻抗特性使LED容易关断及开启，继而提高激光驱动电路速度。该电路通信速率可达5 MBd，通信距离可通过改变R的阻值进一步提高。HFBR1414的P一I特性曲线线性程度较好，可用于模拟信号传输[14]。

2.3 HFBR2412光接收机

HFBR-2412是与HFBR-141X产品共同使用的光通信器件，其内部的光学透镜系统较好地保证了光纤耦合的一致性，适用于多种口径的光纤，通信速率最大值5 MBd，输出可以直接与TTL电平接口，便于与逻辑器件连接。

2.4 光通路的硬件调试

数字信号经MSP430G2553发送到光系统，光纤单总线再通过多模光发射机HFBR-1414T，将电信号转换成光820 nm激光信号，速率能达到100 kb/s，然后经G625多模光纤传输，HFBR-2412T将光信号转换成电信号，电路如图5所示。

第一步，分别检测光输入信号和光输出信号的光功率值，分别为-13.09 dBm和-15.72 dBm。衰减了2.63 dBm，符合光调制解调器的合理衰减，具体数值如表1所示。

第二步，检测HFBR2412的6管脚的电压值。当输入信号为高电平时，HFBR2412内的三极管正向导通，因为3，7管教接地，所以6管脚电压值为0.35 V。当输入信号为低电平时，HFBR2412内得三极管将被拉高，所以6管脚电压值为5.05 V，具体值如表2所示。两组实验的实验结果充分说明此光通路的设计方案符合理论值[15]。

图5 光通路电路图

表1 光发射机功率数据

表2 光接收机接收数据

3 控制软件原理及设计

3.1 光通信协议

文中设计了单总线光通信协议，发射端设定一个100 μs低电平接100 μs高电平，连续接到两个这样的电平序列，即表明帧头，之后发送三路温度温度数据信号（每个数据一个字节），然后发送三路的湿度数据信号（每个数据一个字节），三路的气压数据信号（每个数据4个字节），最后以一个100 μs的低电平接100 μs的高电平作为结束，如图6所示。0和1通过不同低电平的时间长度来区分，如图7所示。

因为每个温度数据占1个字节，湿度占一个字节，压力占4个字节，所以一次传输过程是把三路的温度，三路湿度，三路压力数据依次串行传输，一帧包含18个字节，保证传输的有序性。

图6 光通信协议示意图

图7 发送比特示意图

3.2 协议软件实现

软件开发是基于IAR5.30软件实现，依次按照协议发送3个通道的温度、湿度、气压数据具体流程如图 8所示[16]。

图8 光发射协议流程图

4 结 论

本论文以MSP430G2553为核心控制芯片，采用DHT11温湿度传感器和BMP085气压传感器的实现三路数据采集，通信协议为光纤单总线协议，采用多模光发射机HFBR-1414T将电信号转换成光820 nm激光信号，速率能达到100 kb/s，经1公里G625多模光纤传输，HFBR-2412T将光信号转换成电信号，通过12864液晶将采集数据的结果显示出来。实验结果表明，测量误差允许范围内，本系统对温湿度及气压的数据采集具有较高的可靠性和准确性，为短距离狭窄空间的数据采集和传输提供新的方法和思路。

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Multimode optical fiber short distance data acquisition communication system based on MSP430

LIU Xue-jun，YUAN Bi-xian，ZHUO Si-chao，ZHU Lin，ZHAO Jing-li，WANG Wen-kai
（Beijing Institute of Petrochemical Technology（BIPT），Beijing 102617，China）

The paper studies short multimode fiber multipoint detection system based on MSP430，design the software and hardware，data acquisition hardware and software of fiber optic communication link and a single bus transmission protocol.The system consists of sensor module，MSP430 module，light modulation module，multimode optical fiber，optical demodulation module，display module，etc.Using HFBR-1414-T launch module converts electrical signals into light signal optical fiber transmission，through HFBR-2414-T receiving module will laser signal into electrical signal.In the actual experiments，has realized the 1km of the data acquisition and transmission，the experiment shows that this system has high reliability and accuracy，low cost，good stability.

MSP430；optical fiber transmission；HFBR-1414-T；HFBR-2414-T

TN929.11

：A

：1674－6236（2017）06-0096-04

2016-03-20稿件编号：201603253

北京市自然科学基金（13000031019）；北京市教委科技计划面上项目（15032221001/006）；北京市教育委员会市属高校创新能力提升计划项目（2016014222000041）；北京石油化工学院科技创新资助项目（15031862005/052）；北京石油化工学院优秀青年教师和管理骨干培育计划项目（08031862008/040）

刘学君（1977—），男，河北唐山人，工学博士，副教授。研究方向：光纤通信，嵌入式系统开发。