MC3361+MCU的低速光纖通信模塊設計

　　光纖通信做為一種新興的高性能的串行通信技術(shù)，已經(jīng)在電力領(lǐng)域逐步展開(kāi)應用。目前的光纖通信模塊大多使用FPGA或DSP技術(shù)實(shí)現信號解調，雖然其傳輸速度快、效率高，但是成本高、技術(shù)復雜，而且對于傳輸距離、電器隔離特性、可靠性、產(chǎn)品成本參數等都有極高的要求。而電力行業(yè)對光纖的應用主要還是集中在強電的控制方面，現場(chǎng)環(huán)境對光纖模塊的通信速度要求較低。所以，在電力系統的工程實(shí)際中，由于現場(chǎng)情況復雜、干擾信號繁多，致使高成本的高速光纖通信技術(shù)的應用并不十分理想。

　　鑒于光纖通信技術(shù)在電力系統中的應用現狀，本文提出一種MC3361+MCU結構的低速光纖通信模塊設計方案。本設計硬件成本低、軟件流程簡(jiǎn)單、性能穩定，輸出信號為工業(yè)標準RS485信號或RS232信號，可直接與各種電力設備連接，非常適合在電力系統中廣泛使用。

　　1調制解調原理

　　為了降低硬件成本和提高硬件電路的可靠性，本設計使用BFSK調制解調算法。BFSK的調制原理是用載波的頻率來(lái)傳送數字消息，即用所傳送的數字消息控制載波的頻率。BFSK信號是符號“1”對應于載頻f1，而符號“0”對應于載頻f2(與f1不同的另一載頻)的已調波形，而且f1與f2之間的改變是瞬間完成的。

　　1.1調制原理

　　本文設計的光纖通信系統由MCU通過(guò)內部程序控制通過(guò)PWM接口完成調制。外部設備與模塊通過(guò)串行接口(包括RS232接口或RS485接口)連接，模塊接收到數據后，首先將數據傳輸給MCU，MCU通過(guò)UART接口接收到數據，MCU通過(guò)程序控制輸出BFSK調制信號，調制后的信號直接發(fā)送至光纖發(fā)射接口發(fā)送出去。

　　進(jìn)行BFSK調制時(shí)使用MCU串行接口接收外部設備發(fā)送的數據，BFSK的調制頻率由程序控制，信號“1”對應于270KHz載頻，信號“0”對應于240KHz載頻，波形如圖2所示，上邊的波形為未經(jīng)調制的信號，下邊的波形為經(jīng)調制后的信號。MCU將調制后的載頻信號通過(guò)PWM方式發(fā)送至光纖發(fā)射接口，電信號轉換成光信號。調制硬件原理框圖如圖1所示。

　　圖1調制硬件原理框圖

　　圖2調制前后信號的波形圖

　　1.2解調原理

　　BFSK的解調使用MC3361單片窄帶調頻接收芯片完成，MC3361片內包含振蕩電路、混頻電路、限幅放大器、積分鑒頻器、濾波器、抑制器、掃描控制器及靜噪開(kāi)關(guān)電路。

　　解調電路原理圖如圖3所示。其中，185K網(wǎng)絡(luò )標號為MCU輸出185K矩形波信號，R1為限流電阻，C5、L4組成濾波電路，C12諧振電容，信號經(jīng)過(guò)R1、C5、L4及C12后，由MC3361第1腳輸入，構成MC3361解調的第二本振級。圖3中FSK網(wǎng)絡(luò )標號為光纖接收接口輸入的矩形波信號，信號經(jīng)過(guò)R4、R6分壓，將信號高電平轉換為500mV，再經(jīng)過(guò)L6、C25進(jìn)行濾波，及C27、L7、VD1、VD2二次限壓濾波后，消除干擾頻率后，經(jīng)過(guò)C1諧振，最終信號轉變?yōu)檎也ㄐ盘枴?/p>

　　圖3解調電路原理圖

　　最終只有標準正弦波信號輸入至MC3361的第16引腳，作為MC3361的第一中頻IF輸入信號，信號幅值為0V，峰值為500mV，頻率為270KHz或230KHz.在MC3361內部第二混頻級進(jìn)行混頻處理，處理后的信號為455KHz的第二中頻信號，由第3引腳輸出，由455kHz陶瓷濾波器選頻，即圖3中的Z4器件，再經(jīng)第5腳輸入MC3361的限幅放大器進(jìn)行高增益放大，限幅放大級是整個(gè)電路的主要增益級。第8腳接鑒頻電路，由455kHz鑒頻器Z3、R2及C26組成，經(jīng)放大后的第二中頻信號在內部進(jìn)行鑒頻解調，并經(jīng)一級音頻電壓放大后由第9引腳輸出信號，信號經(jīng)過(guò)第10腳和第11腳構成的有源濾波電路，再輸入MC3361的第12腳進(jìn)行載頻檢測并控制電子開(kāi)關(guān)，最終經(jīng)過(guò)解調的信號由第13引腳輸出，直接輸入MCU的引腳，由MCU進(jìn)行處理。

　　2軟件設計

　　系統主程序分為兩個(gè)主要流程：串行接口處理流程和光纖接口數據處理流程。

　　2.1串行接口處理流程

　　本流程的主要任務(wù)是檢測串行接口是否接收到數據，如果串行接口接收到數據，設計中為了提高系統的穩定性和抗干擾能力，首先對數據進(jìn)行拆分，將長(cháng)數據包拆分成若干個(gè)短數據包，并為每個(gè)數據包增加起始標識、校驗碼和結束標識，組成一個(gè)數據幀，每個(gè)數據幀正確傳輸結束再進(jìn)行下一數據幀的傳輸。組成數據幀后，由MCU對數據進(jìn)行調制，并發(fā)送到光纖接口，將數據發(fā)送出去。

　　2.2光纖接口數據處理流程

　　本流程的主要任務(wù)是檢測光纖接口是否接收到數據，如果光纖接口接收到數據，則首先驗證數據幀格式，如果格式正確，則將有效數據提取出來(lái)重新組成完整數據包，并將數據包從串行接口發(fā)送出去，完成光纖接口到標準串行接口的數據傳輸。

　　系統軟件設計流程如圖4所示。

　　圖4軟件設計流程圖