基于FPGA的PROFIBUS-DP總線(xiàn)光電收發(fā)器設計

O 引言
PROFIlBUS-DP現場(chǎng)總線(xiàn)以其高速、低成本等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化等行業(yè)，它的物理層數據傳輸依賴(lài)RS-485接口。RS-485接口是一種工業(yè)領(lǐng)域內廣泛使用的串行通信接口，可采用“差分”方式在屏蔽雙絞線(xiàn)中傳輸信號，因而具有較好的抗共模干擾能力，通信距離可達千米。PROFIBUSDP總線(xiàn)信號也可使用屏蔽雙絞線(xiàn)傳輸，數據速率為9．6 kbps時(shí)的理論傳輸距離為1200米，波特率為12：Mbps時(shí)的理論傳輸距離為100米。但是，由于工業(yè)現場(chǎng)情況錯綜復雜，各種干擾相互疊加，且RS-485標準規定單段網(wǎng)絡(luò )最多可支持32個(gè)節點(diǎn)(標準負載)，因此，有必要使用一種中繼設備來(lái)將信號更準確、更完整地傳輸到遠端設備。而光纖和其他傳輸介質(zhì)相比具有寬頻、低損耗、屏蔽電磁輻射、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此，用光電收發(fā)器實(shí)現兩線(xiàn)制DP(RS-485)差分信號數據與光信號之間的轉換，能夠有效的提高信號傳輸距離和傳輸質(zhì)量，從而提高系統的可靠性與穩定性。

1 光電收發(fā)模塊的配置原理
本光電收發(fā)模塊的使用配置如圖1所示。從物理層來(lái)說(shuō)，原來(lái)的一個(gè)網(wǎng)段被光纖分成兩段，此時(shí)。收發(fā)器應視為相應段的總線(xiàn)末端，因此，在收發(fā)器中默認內置了有終端匹配電阻，以使負載端輸入阻抗與傳輸線(xiàn)的特征阻抗相匹配，從而達到消除負載端信號反射的目的。每一個(gè)光電收發(fā)器在電氣性能上都占一個(gè)節點(diǎn)，因此，每段總線(xiàn)上最多可以帶30個(gè)標準RS-485負載設備。

2 總體設計方案
圖2所示是光電收發(fā)器的硬件結構框圖。該設計方案整體上由DP總線(xiàn)數據收發(fā)部分、光纖數據收發(fā)部分和數據傳輸方向控制部分組成。 FPGA作為主控制器負責控制數據傳輸的方向、檢測波特率和數據交換功能。其中電源部分采用隔離的DC／DC來(lái)減少外部電路的影響。電端DP總線(xiàn)的RS-485收發(fā)器可選用SN75HVD06D，該芯片可支持10 Mbps數據速率；而光端的數據接收器和發(fā)送器則可選擇AVAGO公司的光發(fā)送器HFBR-14x4Z和光接收器HFBR-24x2Z，它們在50mA電流驅動(dòng)下，其62．5／125μm的多模光纖傳輸距離可達2 km。FPGA芯片選用ALTERA公司的Cvclone系列芯片EPlC3T144C8N，該芯片有2910個(gè)LE單兀、1個(gè)PLL和144個(gè)IO引腳，且性?xún)r(jià)比較高。