如何去实现一种低速光纤通信模块的设计？

　　光纤通信做为一种新兴的高性能的串行通信技术，已经在电力领域逐步展开应用。目前的光纤通信模块大多使用FPGA 或DSP 技术实现信号解调，虽然其传输速度快、效率高，但是成本高、技术复杂，而且对于传输距离、电器隔离特性、可靠性、产品成本参数等都有极高的要求。而电力行业对光纤的应用主要还是集中在强电的控制方面，现场环境对光纤模块的通信速度要求较低。所以，在电力系统的工程实际中，由于现场情况复杂、干扰信号繁多，致使高成本的高速光纤通信技术的应用并不十分理想。
　　鉴于光纤通信技术在电力系统中的应用现状，本文提出一种MC3361+MCU结构的低速光纤通信模块设计方案。本设计硬件成本低、软件流程简单、性能稳定，输出信号为工业标准RS485 信号或RS232 信号，可直接与各种电力设备连接，非常适合在电力系统中广泛使用。
　　1 调制解调原理
　　为了降低硬件成本和提高硬件电路的可靠性，本设计使用BFSK调制解调算法。BFSK 的调制原理是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。BFSK 信号是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1 不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2 之间的改变是瞬间完成的。
　　1.1 调制原理
　　本文设计的光纤通信系统由MCU通过内部程序控制通过PWM 接口完成调制。外部设备与模块通过串行接口（包括RS232 接口或RS485 接口）连接，模块接收到数据后，首先将数据传输给MCU，MCU 通过UART 接口接收到数据，MCU通过程序控制输出BFSK 调制信号，调制后的信号直接发送至光纤发射接口发送出去。
　　进行BFSK 调制时使用MCU 串行接口接收外部设备发送的数据，BFSK的调制频率由程序控制，信号“1”对应于270KHz 载频，信号“0”对应于240KHz 载频，波形如图2 所示，上边的波形为未经调制的信号，下边的波形为经调制后的信号。MCU 将调制后的载频信号通过PWM方式发送至光纤发射接口，电信号转换成光信号。调制硬件原理框图如图1 所示。
　　
　　图1 调制硬件原理框图
　　
　　图2 调制前后信号的波形图
　　1.2 解调原理
　　BFSK 的解调使用MC3361 单片窄带调频接收芯片完成，MC3361 片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。
　　解调电路原理图如图3 所示。其中，185K 网络标号为MCU 输出185K 矩形波信号，R1 为限流电阻，C5、L4 组成滤波电路，C12 谐振电容，信号经过R1、C5、L4 及C12 后，由MC3361 第1 脚输入，构成MC3361 解调的第二本振级。图3中FSK 网络标号为光纤接收接口输入的矩形波信号，信号经过R4、R6 分压，将信号高电平转换为500mV，再经过L6、C25进行滤波，及C27、L7、VD1、VD2 二次限压滤波后，消除干扰频率后，经过C1 谐振，最终信号转变为正弦波信号。
　　
　　图3 解调电路原理图
　　最终只有标准正弦波信号输入至MC3361 的第16 引脚，作为MC3361 的第一中频IF 输入信号，信号幅值为0V，峰值为500mV，频率为270KHz 或230KHz。在MC3361 内部第二混频级进行混频处理，处理后的信号为455KHz 的第二中频信号，由第3 引脚输出，由455kHz 陶瓷滤波器选频，即图3 中的Z4 器件，再经第5 脚输入MC3361 的限幅放大器进行高增益放大，限幅放大级是整个电路的主要增益级。第8 脚接鉴频电路，由455kHz 鉴频器Z3、R2 及C26 组成，经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由第9 引脚输出信号，信号经过第10 脚和第11 脚构成的有源滤波电路，再输入MC3361 的第12 脚进行载频检测并控制电子开关，最终经过解调的信号由第13 引脚输出，直接输入MCU 的引脚，由MCU 进行处理。
　　2 软件设计
　　系统主程序分为两个主要流程：串行接口处理流程和光纤接口数据处理流程。
　　2.1 串行接口处理流程
　　本流程的主要任务是检测串行接口是否接收到数据，如果串行接口接收到数据，设计中为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，首先对数据进行拆分，将长数据包拆分成若干个短数据包，并为每个数据包增加起始标识、校验码和结束标识，组成一个数据帧，每个数据帧正确传输结束再进行下一数据帧的传输。组成数据帧后，由MCU 对数据进行调制，并发送到光纤接口，将数据发送出去。
　　2.2 光纤接口数据处理流程
　　本流程的主要任务是检测光纤接口是否接收到数据，如果光纤接口接收到数据，则首先验证数据帧格式，如果格式正确，则将有效数据提取出来重新组成完整数据包，并将数据包从串行接口发送出去，完成光纤接口到标准串行接口的数据传输。
　　系统软件设计流程如图4 所示。
　　
　　图4 软件设计流程图
　　3 结束语
　　光纤通信做为一种高性能的通信技术，在工业现场中越来越突显出其优势，本文设计的低成本光纤通信模块在电力系统和其它工业控制中都有着良好的应用前景，不但降低了系统的整体成本，也提高了光纤通信的可靠性和抗干扰能力。本光纤通信模块已经成功应用在多个控制系统中，运行稳定，性能良好，具有非常重要的实际意义。