摘要：應用串行同步傳輸原理，用一種小巧的光發(fā)射/接收器對設計成光纖通訊系統，接A/D采樣數據直接進(jìn)行遠間隔高速傳輸。實(shí)際證實(shí)該方法簡(jiǎn)單、可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值。
     關(guān)鍵詞：高速數據  遠間隔采集 光纖通訊 多路同步
     電力變壓器局部放電在線(xiàn)定位監測系統的關(guān)鍵環(huán)節之一是正確、可靠的數據采集與傳輸。根據電力變壓器局部放電產(chǎn)生的超聲波和電脈沖信號頻率高、頻譜寬、幅度變化大，環(huán)境電磁干擾嚴重，以及電力變壓器與中心控制室間隔一般在500m范圍以?xún)�，而多路檢測信號集中在變壓器周期等特點(diǎn)，電力變壓器局部放電在線(xiàn)定位監測系統的信號檢測采用現場(chǎng)集中數據采集方案，數據傳輸直接利用一種低價(jià)、高速、中遠間隔多模光纖HFBR-1414/2416發(fā)射/接收器對實(shí)現遠間隔光纖高速同步傳送。這樣可大大簡(jiǎn)化控制器的電路結構，省往繁瑣的數據傳輸編碼和解碼，數據傳輸速率也得以進(jìn)一步進(jìn)步。
     1 HFBR光器件簡(jiǎn)介
     由惠普公司生產(chǎn)的光纖HFBR-1414/2416發(fā)射/接收器對具有如下主要技術(shù)特性：
     ·發(fā)射光波長(cháng)820nm
     ·最高數據傳輸速率155MBd
     ·最長(cháng)傳輸間隔4km
     ·適用光纖：50/125μm，62.5/125μm，100/140μm，200μmHCS
     ·工作溫度范圍：-40℃～+85℃
     ·ST、SC、SMA和FC四種連接頭選擇
     ·8管腳DIP封裝
     HFBR-1414/2416光纖發(fā)射/接收器對的內部結構與治理排列如圖1所示。HFBR-1414光纖發(fā)射器內含個(gè)高效光功率激勵的鋁砷化鎵光發(fā)射器，該光發(fā)射器在60mA直流電流激勵下能向光纖中饋進(jìn)光波長(cháng)為820nm的光功率-12dBm。HFBR-2416光接收器由一個(gè)高效PIN光電二極管和一低噪聲跨阻前置放大器電路組成。該放大器由于跨阻抗作用使得放大器的帶寬和非線(xiàn)性得到了較大的改善，同時(shí)也獲得了較大的動(dòng)態(tài)范圍。光信號經(jīng)光電二極管轉換成模擬電信號，放大后由射輸出器緩沖輸出，最大動(dòng)態(tài)范圍達23dB，頻率響應從直流到125MHz。
     2 發(fā)射/接收器對的TTL接口電路
     對于HFBR-1414光發(fā)射器必須提供足夠的正向驅動(dòng)電流IF才能發(fā)出所需光功率，由高性能的CMOS數字電路四二輸進(jìn)正與非門(mén)74ACT00設計的驅動(dòng)電路如圖2所示。具有TTL電平的串行數據（或同步時(shí)鐘）從與非門(mén)U1D的輸進(jìn)端12輸進(jìn)，反相后由74ACT00的三個(gè)與非門(mén)U1A～U1C并聯(lián)輸出驅動(dòng)HFBR-1414光發(fā)射器，產(chǎn)生足夠的光功率。為避免驅動(dòng)器的電流特性對光發(fā)射器光學(xué)開(kāi)關(guān)特性的影響，運用頻率補償技術(shù)改善光信號的上升/下降沿，通過(guò)給HFBR-1414光發(fā)射器提供一定的預偏置電壓，來(lái)減小傳播延遲誤差所引起的脈寬失真。電路參數可由下列公式計算：
     R1={[（Vcc-VF）+3.97(Vcc-VF-1.6)]/IFON(A)}(
     Ω)
     R2=(1/2) ·[(R1/3.97) ·(Ω)]
     Re=R2-1(Ω)
     R3=R4=R5=3Re(Ω)
     C1={[2000(ps)]/R2}(pf)
    

HFBR-2416光接收器的輸出為模擬電信號，為了與數字系統兼容，須通過(guò)圖3所示的高速比較電路進(jìn)行變換。比較電路由超高速、低功耗、高精度TTL比較器LT1016集成芯片和一些外圍元器件組成。HFBR-2416光接收器輸出的模擬信號經(jīng)C1、C2耦合到比較器的兩模擬輸進(jìn)端，經(jīng)U1比較后恢復出與發(fā)射端相一致的TTL信號，以相反極性從兩輸出端輸出。電路中的R8、R9和C4組成低通濾波器，用以進(jìn)步光接收器對電源和外部噪聲的抑制功能。比較器的輸進(jìn)耦合電容由下式確定：
     C1=C2=2/{3(R1+R2)[Data Rate(Bd)]}
     由光發(fā)射/接收器對與上述TTL接口電路所組成的通訊通道，最大數據傳輸速率可達32MBd，最大傳輸間隔800m。
   3 遠間隔高速數據采集與傳輸系統設計
     電力變壓器局部放電在線(xiàn)定位監測系統的數據采集與傳輸系統結構如圖4所示。整個(gè)系統由7路數據傳輸通道和1路同步時(shí)鐘傳輸通道組成，分為現場(chǎng)數據采集與傳送和主控數據接收與存儲兩大部分，彼此之間用8芯片纜連接；數據的采集、傳輸和存儲同一由數據采集與傳送控制器的同步時(shí)鐘協(xié)調控制。
     3.1 數據采集與傳送
     數據采集由TLC876模數轉換器完成，該芯片為CMOS低功率10位20MSPS模數轉換器，以多級流水線(xiàn)結構原理設計而成，內部串聯(lián)五級ADC子模塊。芯片在輸進(jìn)時(shí)鐘控制下，轉換過(guò)程分級進(jìn)行，每級轉換獲得2位結果，逐級精化，直至最后一級達到10位分辨率輸出。輸出結果就一個(gè)采樣值而言，僅需一個(gè)時(shí)鐘周期，但從模擬值采樣到10位數字量輸出有5個(gè)時(shí)鐘周期的延遲。傳感器檢測到的變壓器放電信號，經(jīng)放大器放大到-5V～+5V電壓范圍后，被送到A/D轉換器的模擬輸進(jìn)端。A/D轉換器在2MHz時(shí)鐘ADCLK控制下連續不斷地對其采樣和輸出。
     TLC876輸出的10位并行數據由數據采集與發(fā)送控制器的鎖存脈沖/SLOCK將其鎖存于2睡并串轉換移位寄存器74F165中的D1～D10中。而寄存器的D0位則鎖存固定電平“1”作為發(fā)送數據的起始位，D11～D15位鎖存固定電平“0”作為發(fā)送數據的停止位。被鎖存的16位并行數據在傳送控制器的12位移位脈沖STCLK作用下，被轉換成數據隊列D0～D11串行輸出。移位時(shí)鐘速率32MBd。
    

數據采集與傳送控制器作為采集與傳送控制核心，除負責產(chǎn)生A/D轉換時(shí)鐘ADCLK、數據鎖存脈沖/SLOCK和同步移位脈沖STCLK外，還必須將同步移位時(shí)鐘脈沖SCLK傳送到接收端往，用于串行移位數據的串行轉換同步移位時(shí)鐘和同步信息的檢測與恢復。時(shí)序關(guān)系如圖5波形的采集與傳送時(shí)序部分所示。由圖5可見(jiàn)，一個(gè)采樣數據傳送周期需16個(gè)OSC1時(shí)鐘周期，其中12個(gè)OSC1時(shí)鐘周期用于傳送12位數據，其它4個(gè)OSC1時(shí)鐘周期作為同步信息發(fā)送時(shí)間，這段時(shí)間不發(fā)送時(shí)鐘脈沖，接收端控制器將根據間隔時(shí)間檢測恢復同步信息。數據采集發(fā)送控制器采用一片可編程邏輯陣列芯片GAL22V10設計，通過(guò)編程實(shí)現內部4位二進(jìn)制計數器對輸進(jìn)時(shí)鐘計數，其4位輸出結果與邏輯組合電路一起實(shí)現各項時(shí)序�？刂破鬏斶M(jìn)時(shí)鐘頻率32MHz，由有源晶振提供。
     由并串轉換移位寄存器輸出的采樣數據流，經(jīng)光發(fā)射驅動(dòng)電路功率放大后激勵HFBR-1414鋁砷化鎵發(fā)光器發(fā)光饋進(jìn)光纖。
     3.2 數據接收與存儲
     接收真個(gè)光接收器HFBR-2416將光纖傳來(lái)的微彈光信號轉變成模擬電信號，再經(jīng)TTL比較電路恢復成與發(fā)送端相一致的TTL電平數據流，送進(jìn)串并轉換移位寄存器的串行數據輸進(jìn)口。
     串行轉換用2片串并轉換移位寄存器74F164串聯(lián)組成16位并行輸出，串行輸進(jìn)的轉換電路。從數據接收通道送來(lái)的數據流在同步移位時(shí)鐘作用下，被轉換成與發(fā)送端數據一致的并行輸出數據。由于同步時(shí)鐘是通過(guò)同步傳輸通道，由發(fā)送端與數據一起傳輸到接收真個(gè)，它們的傳輸條件一致、時(shí)序與時(shí)延一致，所以數據的移位同步性很好，經(jīng)轉換的并行數據可靠性也得到了充分保證。
     串行轉換輸出的12位并行數據中的D1～D10共10位數據為A/D采樣輸出數據，被直接送到64kW數據存儲器RAM數據總線(xiàn)的D0～D9位。而起始位D0和終止位D11則被送到接收與存儲控制器的內部數據校驗器中進(jìn)行同步校驗，所得校驗結果RAMD15=/(D0./D11)作為數據正誤標志（“0”正確，“1”錯誤）送到存儲器RAM的數據總線(xiàn)D15位。被送到存儲器總線(xiàn)上的數據在接收與存儲控制器產(chǎn)生的寫(xiě)脈沖/IWR作用下，存儲在相應的存儲單元中。
     數據接收與存儲控制器由CPLD復雜可編程邏輯器件EPM7128S的一部分（另一部分作控制接口設計）設計而成，通過(guò)編程實(shí)現如下電路功能：
     ·同步移位脈沖計數器；
     ·7路數據起始與終止位同步校驗；
     ·寫(xiě)脈沖/IWR形成；
     ·存儲器地址A0～A15發(fā)生器；
     ·存儲地址計數脈沖ATRR形成；
     ·同步信息檢測與同步控制。
    

接收器與發(fā)送器的數據同步由74F161計數器與CPLD的內部邏輯電路組成同步信息檢測器，對同步傳輸光路傳輸業(yè)的移位時(shí)鐘進(jìn)行檢測并實(shí)現同步控制。74F161計數器計數時(shí)鐘由OSC2提供，頻率與發(fā)送時(shí)鐘頻率相一致，由32MHz有源晶振產(chǎn)生。計數器的清零輸進(jìn)來(lái)自經(jīng)CPLD內部反相器反相的SCLK，同步時(shí)序見(jiàn)圖5的接收與存儲時(shí)序部分。在數據移位期間，每來(lái)一個(gè)移位時(shí)鐘脈沖，計數器就清一次零。而在每個(gè)移位脈沖的周期內，計數器的計數時(shí)鐘輸進(jìn)端有同數。從理論分析，它有兩種情況：第一種飛速是計數脈沖的上升沿在復位脈沖的低電平時(shí)出現，計數器因處于復位狀態(tài)而不會(huì )計數；第二種情況是計數脈沖的上升沿在復位脈沖的高電平時(shí)出現，這時(shí)計數器會(huì )加1。但不管怎樣，在整個(gè)移位脈沖期間，計數器的計數值不會(huì )超過(guò)1。當12位數據發(fā)送結束，接下來(lái)是4個(gè)不發(fā)脈沖的同步信息時(shí)間，在這段時(shí)間內，接下來(lái)是4個(gè)不值會(huì )累加到4，既QDQCQBQA=0100B。通過(guò)CPLD的內部邏輯組合，產(chǎn)生出寫(xiě)脈沖/IWR=/(/QD./QC.QB.QA.OSC2)和地址修改脈沖ATRR=(/QD./QC.QB.QA./OSC2),用于數據的存儲和地址的修改。
     上述遠間隔高速數據采集與傳輸系統在上電后，發(fā)送端A/D轉換器就連續不斷地對信號進(jìn)行采集并傳送。接收端是否存儲傳送來(lái)的數據，由啟動(dòng)控制信號START確定。當啟動(dòng)信號產(chǎn)生一個(gè)正脈沖后，忙信號BUSY由低電平跳變?yōu)楦唠娖�，開(kāi)始一段存儲時(shí)序同步信息，存儲器地址發(fā)生器A0～A15立即0，地址指針指向存儲器的0單元，開(kāi)始數據接收與存儲。存儲數據容量由預置計數器的初值決定。存儲過(guò)程中，每存一個(gè)字數據，計數器就減一，直到計數器的值減為0，使忙信號BUSY由高電平跳變?yōu)榈碗娖�，結束這段存儲周期。每通道存儲數據容量最大64K字節。
     由HFBR-1414/2416光發(fā)射/接收器對設計的多路遠間隔高速數據采集系統，在電力變壓器局部放電在線(xiàn)定位監測系統中應用，數據采集傳輸性能穩定可靠。該方法也非常適用于傳輸間隔不太遠、需大容量數據高速傳輸的一些實(shí)時(shí)測控系統。