一种电信号与光信号自切换电路的设计

田海波，吴胜华，杨春瑜

（南京国电南自维美德自动化有限公司，南京 210032）

0 引言

随着工业控制的发展，通信技术在工业控制领域发挥着越来越重要的作用，人们对通信认识逐渐增强，对通信传输的速度和准确性的要求也逐渐提高。衡量信息传输质量的重要指标就是传输信号的强弱，但是在通信传输中现在还存在许多问题，这些问题会导致信号在传输过程中会因各种影响而逐渐衰弱，信号衰弱的特性对于通信线缆的中继距离和通信系统的升级扩容起着决定性的作用，也是影响信号传输质量和效率的重要因素。

工业控制领域有线通讯介质中应用最多的介质是双绞线和光纤，双绞线是由两根绞在一起的导线来形成传输电路，可以有效抑制两根导线上的差分信号产生的共模干扰。双绞线具有抗干扰能力强，传输距离远，布线容易，价格低廉等许多优点，但由于双绞线对信号存在着较大的衰减，所以传输距离远时，信号的频率不能太高，高速信号传输距离会更近，如以太网只能限制在100m以内。

光纤是由纤芯、包层和保护套3部分组成，纤芯是最内层部分，它由一根或多根非常细的由玻璃或塑料制成的绞合线或纤维组成。光纤传输的是光信号，不受外界电磁信号的干扰，信号的衰减速度很慢，所以信号的传输距离比电信号要远得多，特别适用于电磁环境恶劣的地方[1]。一根光纤内部可以同时传送多路信号，所以光纤的传输速度可以非常得高。在要求可靠、高速地长距离传送数据时，光纤是一个理想的选择。光传输通信也向工业监控、电力监控和视频监控系统等低速率和长距离，但对可靠性和抗干扰能力要求很高的应用场合扩展。

采用光纤进行数据传输可以发挥光纤传输距离长且极强的抗干扰能力，从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路，避免因使用金属电缆线路受电磁干扰而导致通信中断的危险。因此，光纤传输具有很高的研究价值和应用前景。作为当代通信领域的关键技术，光系统、光器件以及光电集成电路等光通信技术已成为国际和国内光纤通信领域的研究重点和应用热点。随着主要光电子器件成本的不断降低，光纤作为主要媒介的通信传输模式的应用越来越广泛，原有基于同步连续的光传输模式已不能适应日益扩大的应用需求。

由于电通信信号在传输过程中会衰减，若要可靠、高速地长距离传送数据，则要将工业设备通信改成光信号通信。但是现有的工业设备的电信号与光信号的互转装置存在进入切换状态延迟较大，若切换过程较快，可能造成电信号的丢失。

1 电路相关模块

1.1 光纤通讯模块

光纤通讯模块是用于光电转换和电光转换的光器件，是光通信的核心器件，由光电子器件、功能电路和光接口等组成，可完成对光信号的光-电/电-光转换。光电子器件包括发射和接收两部分，其中发射端把电信号转换成光信号，即将输入的一定码率的电信号经内部的驱动芯片处理后直接驱动半导体激光器或发光二极管发射出相应速率的调制光信号，内部自带的光功率自动控制电路，会使输出的光信号功率保持稳定，实现电-光变换，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号，即将一定码率的光信号输入模块后，由光探测二极管转换为电信号，经前置放大器后输出相应码率的电信号，输出的信号一般为电平信号，实现光-电变换，所以光模块也被称为光收发一体模块。光模块虽然体积小，构造也比较简单，但对技术要求却很高。随着近年来互联网流量的加速增长，光模块的市场需求也在急剧扩大[2]。

在选择光模块时，除了要考虑光纤接口类型外，还要考虑封装、传输速率、传输距离、波长以及模式等参数，具体分类如下：

按封装：1×9、GBIC、SFF、SFP、XFP、SFP+、X2、XENPARK、300pin等。

按速率：155M、622M、1.25G、2.5G、4.25G、10G、40G等。

按波长：常规波长、CWDM、DWDM等。

按模式：单模光纤、多模光纤。

光模块主要有3种数据传输方式：单工、半双工和全双工，单工传输只支持一个方向上的数据传输；半双工传输允许两个方向上的数据传输，但是在某一时刻只允许一个方向上的数据传输；全双工传输允许两个方向上的数据同时传输。不同类型光纤通讯模块的传输速率、传输距离和应用范围都有所不同，可结合实际需求去选择最合适的光模块，当相同速率的光模块具备不同的封装类型时，还需要考虑到应用设备的封装端口类型。不同光模块支持的传输距离是不一样的，考虑到光信号在传输过程中还会存在衰减和色散情况，选择光模块时其传输距离应稍稍大于实际要求的传输距离[3]。除此之外，在工业应用中，还必须使用工作温度范围在-40℃～85℃之间的工业级模块。

此电路中以1×9封装的双纤TTL光模块为例，1×9光模块是较早的光模块封装形式，产品较早产生于1999年，通常直接焊接在通讯设备的电路板上，作为固定的光模块使用，是光模块早期常见的封装形式，连接牢固可靠，主要应用在光纤收发器、PDH光端机、光纤交换机、单多模转换器等工业控制领域，市场需求量非常大。图1是光模块的示意图。

图1 光纤通讯模块示意图Fig.1 Schematic diagram of optical fiber communication module

1.2 串口通讯模块

RS-485是串行通信标准，标准名称是TIA485/EIA-485-A，常用在工业、自动化、汽车、智能家居和建筑物管理等领域。485总线采用差分传输，使用一对双绞线，其中一根线定义为A，另一个定义为B，在同一总线上最多可以挂接多个节点。RS-485总线使用主从模式，支持点对点单从机模式，也支持多从机模式，不支持多主机模式。现在RS-485的速率可高达10Mbit/s以上，但RS485传输速率与传输距离成反比，在线材阻抗、线材质量、收发器质量均为最优的情况下，在100Kb/s的传输速率理论上可以达到最大1200m通信距离。当传输速率提高后，通讯距离会随之减少[4]。

收发器内部是一个接收器加一个发送器，A和B为差分总线，总线上的差分电压大于阈值时，收发器输出高电平，总线上的差分电压小于阈值时，收发器输出低电平；当总线处于开路或者空闲状态时，总线的差分电压较小，此时总线容易受到电磁干扰。为了防止总线出现上述情况，通常在总线上增加上下拉电阻。

图2 RS-485收发器芯片示意图Fig.2 Schematic diagram of the RS-485 transceiver chip

图3 一阶RC电路Fig.3 First-order RC circuit

由于采用差分传输，主机发送给从机或者从机发送给主机，都会占用到A线和B线，所以芯片需要工作在半双工模式。当收发器的DE管脚有效时，芯片设置为发送模式，收发器芯片可在A线和B线上将发送端口数据流转换为差分位流，发送出去；当收发器的RE管脚有效时，芯片设置为接收模式，收发器芯片可接收差分总线上的数据流，将其转换为单端信号，通过芯片上的接收器输入R管脚接收，所以在485芯片的通信中，要注意对控制端DE/RE的控制。

由于485总线是异步半双工的通信总线，在某一个时刻，总线只能有一个节点发送数据，其他节点均需要处于接收状态。为了可靠地工作，在485总线状态切换时需要做适当的延时，再进行数据的收发。具体的做法是在数据发送状态下，先将控制端置高电平，延时一定时间后，再发送有效的数据，一包数据发送结束后再延时一定时间，将控制端置低电平。这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程。

光模块的传输速率从100Mbps～400Gbps不等，通常情况下整个电路的传输速率是根据电路整体传输速率而定的。本电路中限制整体通信速率的瓶颈就在485通讯芯片上，在实际设计中，由于要对现场情况进行实时监控及响应，通信数据的波特率往往做得较高，所以就需要尽量选择高速RS-485收发芯片，使电路整体性能工作在最佳状态。

1.3 滤波电路

滤波电路的功能是对频率进行选择，过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。工程上常用来进行信号处理、数据传递和抑制干扰。滤波电路可滤除频率分量的特定范围，将信号的频谱分离为将要通过的频率分量和将被阻隔的频率分量，也可以放在与滤波器频率响应的一般特征相对应的广泛类别中。如果滤波器通过低频并阻止高频，使具有某一截止频率以下频带的信号能够顺利通过，而具有截止频率以上频带的信号则给予很大衰减，阻止其通过，则称为低通滤波器；如果它阻挡低频并通过高频，使具有截止频率以上频带的信号能够顺利通过，而具有截止频率以下频带的信号给予很大衰减，阻止其通过，它就是一个高通滤波器。还有带通滤波器，使具有某一频带的信号通过，而具有该频带范围以外的信号给予很大衰减，阻止其通过，其仅通过相对窄的频率范围，以及带阻滤波器，抑制具有某一频带的信号，而让具有该频带之外的其它信号通过，其仅阻挡相对窄的频率范围[5]。

RC电路是一个简单的滤波电路，全称电阻-电容电路，一次RC电路由一个电阻器（R）和一个电容器（C）组成。在实际应用中，利用RC元件实现无源滤波电路具有体积小、成本低、电路简单等优点，RC电路既可以构成低通滤波电路，也可以构成高通滤波电路。

在基本的RC滤波电路中，电容C做输出端就是低通滤波器，电阻R做输出端就是高通滤波器。其基本原理是：当电容和电阻串联时，若电源为直流电，由于电容的隔直作用，故只有电容两端有电压，而电阻两端的电压为0；若电源为交流电，电容导通，频率越高导通阻抗越小，因而高通。考虑这是一个连续的过程，当输入的电源频率由0变大时，电容两端电压由大变小，而在高通电路中，电阻两端的电压由0慢慢变大。

2 系统设计方案

光纤通信大多是数字通信，为了处理方便，大部分光纤通讯系统都采用对光波进行简单二进制幅度调制，即二进制二电平码，有光脉冲表示高电平，无光脉冲表示低电平，这些二进制序列的高低电平中包含了所需要传输的信息。

传输数据的随机性使得可能出现长高电平或长低电平，必须对传输数据进行正确的解码。在长低电平或无信号时，实现自动切换功能，数据包之间可能长时间不发任何信号。由于波特率不同，每个数据长度可能是固定的，也可能是可变的。需要在不加线路处理的情况下，处理突发的高低电平编码，并且需要满足灵敏度和过载的设计要求。

图4 收发器系统框图Fig.4 Transceiver system block diagram

图5 RC低通滤波电路Fig.5 RC Low-pass filter circuit

本电路方案设计了一种电信号与光信号互相转换的电路，连接在光纤通讯模块和485通讯模块数据收发端的第一缓冲器和第二缓冲器，还包括自动切换电路。自动切换电路包括二极管、电阻、电容以及与非门逻辑电路，485通讯模块输出驱动器的输入引脚连接与非门逻辑电路的一个输入端，485通讯模块输出驱动器的输入引脚连接二极管的阴极，二极管的阳极连接与非门逻辑电路的另一个输入端，与非门逻辑电路的输出端分别连接485通讯模块的信号接收控制端和信号发送控制端；二极管的两端连接电阻，二极管的阳极通过电容连接到地。

在有光信号数据接收的情况下，先将485通讯芯片的控制端置高电平，485芯片会进入发送状态，并延时一断时间，一包数据接收完成后再延时一定时间，等待数据接收完成后，再将485通讯芯片的控制端置低电平，使485芯片进入接收状态，这样的处理会使总线在状态切换时，有一个稳定的工作过程。

系统框图如图1所示，其包括光纤通讯模块、发送支路、接收支路、自动切换电路和485通讯芯片部分。通讯芯片接收到信号后，通过通讯芯片接收信号的输出引脚R经过缓冲器U1，输出到光纤通讯模块的发送管脚TD，由光纤通讯模块转换成光信号，通过发送端口TX发出。而来自光纤的微弱信号入射在光纤通讯模块接收端口R，在内部光检测器的光敏面上，转换成TTL电平从接收端口RD输出。为了适应不同传输距离导致的光输入功率的变化，需要自动增益控制电路。该电路检测数据信号强度并产生增益信号，调整前置放大器增益以保证较小的信号码型失真。光纤通讯模块转换后的电信号，经过缓冲器U2，输出到通讯芯片的输出驱动器的输入引脚D，再通过485通讯芯片发出。

缓冲器的输入端连接485通讯模块接收信号的输出引脚R，缓冲器U1的输出端连接光纤通讯模块的信号发送管脚TD，缓冲器U2的输入端连接光纤通讯模块的接收管脚RD，缓冲器U2的输出端连接485通讯模块的信号输出驱动器的输入引脚D。使用缓冲器将通讯芯片接收端口与光纤通讯模块发送端口连接，采用缓冲器进行协调和缓冲作用，实现数据传送的同步。

二极管D、电阻R、电容C以及与非门逻辑电路组成的自动切换电路，当485通讯模块的信号输出驱动器的输入引脚D连接与非门逻辑电路的一个输入端，485通讯模块输出驱动器的输入引脚连接二极管D的阴极，二极管D的阳极连接与非门逻辑电路的另一个输入端，与非门逻辑电路的输出端分别连接485通讯模块的发送信号控制端/RE和接收信号控制端DE；二极管的两端连接电阻R，二极管的阳极通过电容C连接到地。

以上自动切换电路通过使能或禁用通讯芯片接收端口，控制通讯传输方向开关，能够控制光纤通讯模块和485通讯模块之间信号转换的传输方向。当光纤模块无接收信号时，缓冲器U2输出为高电平，此时与非门输入均为高电平，与非门输出为低电平，通讯芯片为发送状态。当光纤模块接收到光信号时，缓冲器U2输出为低电平，此时电容C上的高电平通过二极管D快速变成低电平。根据与非门真值表，其输入均为低电平。当光纤模块接收到的光信号消失时，缓冲器U2输出为高电平，并通过电阻R、电容C充电，非门另一管脚缓慢上升到高电平，缓慢上升的时间段内，通讯芯片还是于接收状态，并将光信号继续转换成电信号。当电容C充电完成，非门输入均为高电平时，通讯芯片转换成发送状态。

二极管可以保证将电容C上的电荷迅速释放，以保证将通讯芯片迅速切换成接收状态。电阻R、电容C组成的充放电回路，可延长通讯芯片从接收状态转变成发送状态的时间，可将光信号消失时的有效状态转变成电信号。

在本设计内容中，为了可靠地工作，在485 总线状态切换时需要做适当的延时，再进行数据的收发，可调节电容C的电容值、电阻R的电阻值，计算出电容充电时间，以满足不同通讯速率的要求。

在串行通信中，一般采用主从式结构，从机不主动发送数据，一切都由主机控制，并且在一个多机通讯中，只有一台单机作为主机，从机之间不能互相通讯。所以在某个时刻，总线只可能传输一帧报文，本设计方案中需要判断一段报文的结束时间，用以控制485收发芯片的发送（RE）、接收（DE）状态。

串行通信中的报文一般分为固定长度和不固定长度两种形式，当有些通信协议中报文长度固定的情况下，主机和从机发送、接收每段报文所需的时间都是一样的。这样可以根据报文的长度算出来接收报文所需的时间，然后主机和从机可从接收到第一个字符开始计时，计时达到设定时间就算一段报文接收完成。但在有的协议中报文的长度是不固定的，这时需要通过字符与字符之间的时间间隔来进行判断。由于主机和从机发送、接收一个报文后都不是立刻进行回复，或发送下一帧报文，而是先发送一帧报文出去，发送一组报文的时间肯定大于一个固定时间，不会存在被接收的两个报文之间的时长小于这个固定时间的情况[6]。

此时可在电路中增加一阶RC滤波电路，用来控制485芯片的DE管脚和RE管脚，一阶低通滤波的计算公式如下：

其中：f——频率；

其中：R——电阻值；

其中：C——电容值。

由式（1）可得：

频率与时间关系公式如下：

其中：f——频率；

其中：T——时间；

其中：C——电容值。

由式（1）和式（3）可得：

若按照两组报文的固定时间为3.5个字符计算，在串口波特率为9600bps的情况下，每个位时间约为0.104ms；每个字符10个位的情况下，时间为：0.104 ×10=1.04 ms。

3.5个字符的时间约为：3.5 × 1.04=3.64 ms。

由于电容电阻有一定的精度，根据实际情况可调整电容电阻的值，可取电阻为5.1K，电容为0.1uF。若需要传输的通讯速率提高，可按照上式调整电容、电阻值。

3 结论

本电路可将电信号直接转成光信号进行传输，并可使用相同电路将光信号再转成电信号。目的是将现有的电缆通讯直接转换为光纤通讯，解决直接更换具有光通讯口的设备成本较高，解决电信号存在着较大衰减，传输距离比较近，传输信号的频率也比较低的问题。采用本电路可实现在不改变工业设备通讯口的条件下，降低硬件成本，延长总线之间的传输距离，提高传输速率，实现信号的光电隔离，解决总线之间的电气干扰、电磁干扰等问题。