一种实用光端机的设计与实现

  摘要： 提出了一种简易的实用光端机的设计方法，能够完成TTL/E1、RS232、RS422 3 类信号经光纤传送，很好地实现了中短距离的点对点通信。TTL/E1 信号直接送给通道选择，RS232 和RS422 分别经过相应的信号调理变为TTL 电平后再送给通道选择模块； 通道选择由可编程逻辑器件GAL16V8 为编程实现， 通过按键操作可实现传输信号的类型选择，并有相应的指示灯指示；采用安捷伦公司的LED 组件光发送模块HFBR-1528 和光接收模块HFBR-2528 作为器件，实现光纤通信。通过实验证明，系统工作可靠，性能优越。

　　光纤通信的诞生和发展是电信史上的重要革命，它是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。由于光纤作为传输媒介具有传输频带宽、通信容量大；传输损耗低、中继距离长；线径细、重量轻；绝缘、抗电磁干扰性能强；还具有抗腐蚀能力强、抗辐射能力强、可绕性好、无电火花、泄露小、保密性强等优点。在不同的领域被广泛应用，主要用于市话中继线、长途干线、通信网、各国的公共电信网；还用于高质量彩色的电视传输、工业生产现场监视和调度、交通监视控制指挥、城镇有线电视网、共用天线系统，光纤局域网和其他如在飞机内、飞船内、舰艇内、矿井下、电力部门、军事及有腐蚀和有辐射等中使用。而光端机作为整个光纤通信系统的一部分，起着重要的作用，它的性能、发展对整个系统的性能和发展都有很大的影响。目前市面上已有许多现成的光端机，一般都比较复杂，而且价格不菲，不适合低成本设备使用。本文提出了一种实用光端机的设计方案，方法简单，易于实现，具有较高的性价比。

　　1 系统总体设计：

　　本次设计的光端机能够实现TTL/E1、RS232、RS422 3 类信号经光纤信道传送，传送距离达50 m 以上。系统的原理框图如图1 所示。

　　TTL/E1 信号直接送给通道选择模块；RS232 信号和RS422 信号分别由电平转换电路转换为TTL 电平之后送给通道选择模块。由通道选择模块根据要传送的信号类型选择相应信号，经放大电路放大后，由电光转换电路转换为光信号，经光纤传送到接收端。在接收端，由光电转换电路将光信号转换为电信号，TTL/E1 信号直接输出，对于RS232 信号和RS422 信号经电平转换之后输出。

　　2 单元电路设计：

　　2.1 RS232 与RS422 电平转换电路：

　　对于RS232 信号和RS422 信号都需要经过电平调理之后才能进入传输通道。RS232 信号电平转换电路采用MAX232，RS422 信号电平转换电路使用MAX485。

　　在上述电路中，接收到的RS232 信号由MAX232 的14引脚输入，转换为TTL 电平后由12 脚输出；经信道传过来的RS232 信号类型的TTL 电平由MAX232 的11 脚输入，电平转换后由14 脚输出。完成了RS232 与TTL 电平之间的转换。

　　2.1.1 MAX232 及电路设计：

　　MAX232 是MAXIM 公司特别为满足EIA/ TEA232E 的标准而设计的，具有功耗低、工作电源为单电源+ 5 V，外接电容仅为0.1 或1μF，采用双列直插封装形式，接收器输出为三态TTL /CMOS 等优越性， 为双组RS232 接收发送器， 波特率高，价格低， 可在一般需要串行通信的系统中使用，使用简单方便。MAX232 主要由3 部分组成: 电压倍增器、RS232接收器、RS232 发送器，其内部结构如图2（a）所示，具体电路设计如图2（b）所示。

　　2.1.2 MAX485 及电路设计：

　　Maxim 公司的芯片接口MAX485。采用单一电源+5 V 工作，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式，它完成将TTL电平与RS422 电平之间的转换。MAX485 内部结构如图3（a）所示，具体的电路设计如图3（b）所示。

　　要通过光端机传送的RS422 信号由U2 MAX485 的6、7引脚输入，电平转换为TLL 之后由1 引脚输出；从信道传过来的RS422 类信号的TTL 电平由U3 MAX485 的4 引脚输入，经过电平转换为RS422 信号由6、7 引脚输出。

　　2.2 通道选择电路设计：

　　通道选择的作用是根据要传送的信号类型实现信号选择。通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic）器件是一种高性能的PLD 产品，具有结构灵活、可靠性高、集成度高，可擦除及输出逻辑可组态的特点。GAL 器件的逻辑功能可由用户自行配置， 通过软件的灵活设计， 由微机驱动编程工具方便地对GAL 进行编程，特别适于新产品开发或小批量生产。GAL 产品分为普通型、通用型、异步型、FPLA 型和在线可编程型5 个系列。常见基本类型包括16V8、20V8、39V8 和ISP16Z8 等。在该单元电路中选用可编程逻辑器件GAL16V8， 基于该器件具体的硬件电路设计如图4 所示。

　　输入的3 类信号由GAL16V8 的5、6、7 引脚输入，传送信号由按键对应选择，当按动按键时可逐一选择一类信号，选择的传送信号类型由对应的指示灯指示：D1（红灯）亮时，选择E1/TTL 通道；D2（黄灯）亮时，选择RS232 通道；D3（绿灯）亮时，选择RS422 通道。传送的信号由芯片的15 脚输出。

　　2．3 电光、光电转换电路设计：

　　电光、光电转换采用在工业生产中广泛使用的标准元器件，采用Agilent 技术生产的HFBR 系列。推荐的标准型号光纤是1 mmPOF 塑料光纤，既经济又便于使用。光电转换发射器选用HFBR1528，它是由一个具有650 nm 波长的发光二极管组合而成。强光输出的能量可以使能塑料光纤和硬包层石英光纤。通过简单的驱动回路，发射器可以达到10 MHz的波特率。驱动电路如图5（a）所示；电光转换接收器选用HFBR2528： 由一个硅引脚的光电二极管和产生逻辑兼容输出的数字集成电路组成。集成电路包括一个特殊电路，用来在一个长等待周期之后校正首位脉冲宽度失真，在带有低的脉冲宽度失真下以任意数据模式从低速到10 MHz 波特率运行，接收器的输出是一个与TTL 和CMOS 逻辑兼容的“推挽级”。电路如图5（b）所示。

　　2.4 系统原理图：

　　完成各单元电路设计以后，按照系统原理框图就形成如图6 所示的系统原理图。

　　输入的信号RS232、RS422 经过电平转换为TTL 电平，分别送到U4 的6、7 引脚输入；E1/TTL 信号不需要电平转换送到U4 的5 引脚，输入的3 路信号经选择电路U4 选择一路后由GAL16V8 的15 引脚输出， 并且相应的指示灯变亮，信号经过放大送HFBR-1528 电光转换为光信号经塑料光纤传送， 到接收端由HFBR-2528 将光信号转换为电信号由1 引脚输出， 若传送的是RS232、RS422 信号， 再分别经过电平转换从相应的输出端输出， 若传送的是E1/TTL 信号直接输出。

　　3 结束语：

　　采用安捷伦公司的LED 组件光发送模块HFBR-1528 和光接收模块HFBR-2528， 以可编程逻辑器件GAL16V8 为器件实现了一种简易实用光端机的设计。该系统在工业综合测试现场或在有强电信号干扰的环境下，需要传送不同类型信号时使用优势明显，作为一般的电信号传输线路也完全可以。经过具体的应用测试对于TTL 信号、RS232 信号、RS422 信号传输距离可达50 m 以上，信号的损伤很小，有一定的传输时延。