一种高压隔离通信接口设计与实现

　　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；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。塑料光纤（POF）是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）。不同的材料具有不同的光衰减性能和温度应用范围。塑料光纤不但可用于接入网的100~1000米，也可以用于各种汽车、飞机、等运载工具上，是优异的短距离数据传输介质。

　　塑料光纤质轻、柔软，更耐破坏（振动和弯曲）。塑料光纤有着优异的拉伸强度、耐用性和占用空间小的特点。这些优点使得塑料光纤在汽车中成功应用尤为重要。一个典型的豪华车内部至少由几公里的铜线和铜缆，重量和成本大为增加。飞机、火车和其他所有交通工具莫不如此。由于塑料光纤的大直径和数值孔径，光传导能力大。塑料光纤比铜类传输介质（双绞线和同轴电缆）有着高得多的带宽能力。传输的频率越高，运用塑料光纤的成本就越低。

　　1 塑料光纤

　　塑料光纤不产生辐射，完全不受电磁干扰和无线电频率干扰以及噪音的影响。 这一点对视频和音频的分流尤为重要，很显然这些干扰和噪音影响图像和服务的品质。塑料光纤可以和铜缆在同一管道里或同一线束并排铺放。塑料光纤不产生噪音，不会对目前的管网产生负面影响。塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工容易。由于有较大直径， 塑料光纤安装和与器件、光源、探测器等的连接变得容易和低成本，非人士也能胜任这些操作。准备塑料光纤的连接多不超过1分钟，也不需要特别的工具。即使是简单的剪刀也可以用来切割塑料光纤。塑料光纤收发模块使用650nm波长的红光，非常安全，使用者可见也容易判断光纤的连接是否成功。另外，塑料光纤的连接对端面藏留的灰尘和碎屑不敏感。

　　POF系统的成本低。据说用于家庭消费电子、家庭联网和汽车包括音响、DVD、VCR等的每个连接的成本低于20美金。所以这些器件都可以在一般商店里买到。

　　TOSLINK是东芝连接（Toshiba Link）的缩写，也是一种标准光学数字音频接口，可用于在各种器材之间，通过一种光导体，利用光作载体传送数字音频信号（左右声道或多声道）。TOSLINK可以使用塑料光纤做塑料光纤音频跳线。TOSLINK接口是一个光收发器，将数字电信号转化为光信号并传输数据。它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。TOSLINK 或光导电缆是规范化的 光纤 连接系统。 它的共同的用途在消费者 音频 设备（通过"数字式光学"插口）它运载a的地方 数字式音频 小河在组分之间例如 MiniDisc 并且 CD 球员和 DAT 记录器。 TOSLINK也许使用低廉1毫米塑料光纤或它可能根据期望带宽和应用使用更加优质的多子线塑料光纤甚至石英玻璃光纤。 TOSLINK信号电缆通常被限制到5米长，以10米的一个长度，为可靠的传输，除非使用信号助推器。

　　塑料光纤隔离通信系统的元件是光发送器和光接收器。其中，光发送器是由发光二极管及光纤连接器构成。发光二极管使用高亮度、大小为1 mmx1 mm表面贴片封装的发光二极管，这种发光管具有驱动电流小、价格便宜的优点，发光面大小与塑料光纤的直径相当，容易将光信号与塑料光纤耦合。发光二极管的工作波长也要与塑料光纤的工作波长相配合。光纤连接器是将发光二极管与塑料光纤进行有效对接的机械结构。光纤连接器一般采用槽形结构，易于快速正确插拨。

　　2 硬件电路设计

　　基于TOSLINK接口的光收发模块很多，其硬件接口是类似的，光和电参数根据应用不同而不同。市场上有很多相关的生产厂家。这里以DLRllll和DLTllll对管为例，说明塑料光纤的接口电路设计方法。DLRllll和DLTllll的外形和封装形式完全一样，如图l所示。

　　DLRllll主要参数如下：工作电压为2.7~5 V;工作电流为6.5 mA;工作波长为700 nm;工作频率小于16 Mb/s;传输距离小于20m.

　　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1 MHz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。

　　经反复试验和测试，在DLRllll和DLTllll的电源电路中采用10μH电感与10μF电容（并联O.1μF）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1 MHz,对驱动模块进行了实际的频率特性试验，从1 Hz开始，以10倍的系数增加信号频率，一直到10 MHz为止。试验结果显示，在1 Hz~10 MHz的频率范围内，输出的波形有固定的100 ns的延迟，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1.5~6V的电压范围内，说明该驱动模块的工作电压范围比较宽。将光发送模块的工作电压从1.5~6V范围内变化，光接收模块的工作电压固定为某一个值，输出信号电压和光接收模块的工作电压相同，也为3.3 V.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。

　　测试中发现，其输入输出是有延迟的，固定为100 ns,如果输入信号频率比较高，如大于10 MHz,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60 kV;传输速度为1MHz;传输距离为10 m;接口类型为SPI.

　　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1 MHz下的传输距离不宜超过1 m,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，软件上则与普通SPI的软件完全相同。

　　4 结论

　　塑料光纤技术是正在发展中的新兴技术，已在音频数据传输中广泛使用，由于其高隔离电压、高速度、较远传输距离及低成本的优点，会在高压设备、高压仪表及输配电现场中得到广泛应用。