串行光纤数据总线技术的开发研究

梁超峰， 龚华军， 王新华， 杨一栋， 甄子洋

(南京航空航天大学自动化学院，南京 210016)

0 引言

当今高性能飞机已广泛采用电传飞控系统(Fly－By－Wire，FBW)，电传飞控系统可以减轻飞控系统的体积和重量，提高飞行可靠性，大大改善飞机的操纵品质。但电传操纵系统也有其自身的缺陷，其中最主要的是它不能防御雷电、电磁干扰和电磁冲击等。解决这一问题的根本办法是把光纤传输技术应用于飞控系统，即光传飞控系统［1－2］(Fly－By－Light，FBL)。

在光传操纵系统中，光纤数据总线是非常重要的组成部分。在传统电传操纵的基础上，开发光传操纵系统需要克服的主要技术问题包括能够适应航空机载环境的电/光信号转换技术及低损耗、高可靠的光纤及连接技术等。本文在研究了相关串行通信协议的基础上，详细描述了光电转换接口板的设计方案及开发过程。该光电接口板具有传输RS－232及RS－485信号的能力。

1 串行光通信链路的组成结构

在现有技术［3］的基础上，本文所开发的串行光通信链路由主机接口、光电转换模块、光纤及连接器、电光信号转换模块等几个部分构成，如图1所示。

图1 典型串行光通信链路功能框图Fig.1 Function diagram of typical serial optical communication link

在上述串行光通信系统中，主机接口采用技术成熟度较高且已大量采用的RS－232/RS－485双接口设计。因其不仅可直接避免与配套系统的兼容性问题，而且存在足够多的可选集成电路以满足各种指标，为后续高可靠光接口的开发提供了技术前提。

2 光电接口模块的设计方案

光电接口模块［4］是整个串行通信链路的关键，其可靠性及性能直接决定着光传系统优劣。光收发器负责光/电信号之间的转换，是光传系统与传统电传系统之间的桥梁。

光接口模块包括发射器和接收器两部分，光信号的生成及探测采用LED/PIN组合，功能框图及封装结构如图2所示。

图2 光接口模块功能框图Fig.2 Function diagram of the optical interface module

光发射器部分主要包括RS－232/RS－485至TTL电平转换电路、LED驱动电路和光纤接插件电路。接收器部分包括PIN接插件及信号放大电路，其中电平转换、端口供电电路、总线接口与发射器共用。光电接口模块的发射器与接收器部分的电路框图及工作原理分别如图3、图4所示。

图3 光发射器工作原理及结构框图Fig.3 Optical transmitter working principle and its construction

图4 光接收器工作原理及结构框图Fig.4 Optical receiver working principle and its construction

3 光电接口电路的设计

3.1 发射电路设计

发射电路主要包括LED发光组件的选用及相应驱动电路的设计。在此选用安捷伦的HFBR－14×4系列光发射器接插件［5－6］，其相应电流配置如图5所示。

图5 HFBR－14×4工作在低速(5 Mb/s)链路中的电路配置Fig.5 Circuit configuration of HFBR －14×4 worked at low speed link of 5 Mb/s

图中DS7545N是一种通用的二极管钳位输入，三极管OC(集电极开路)门输出的驱动芯片，其内部逻辑及工作原理如图所示，其中R1用于调节发射器正向驱动电流IF的值，其值经计算为233 Ω，IF与通信距离成正比，即通信距离越远，驱动电流就应越大。

在实际设计时，考虑到发射器需要工作在不同的外部环境，且通信距离与连接光缆的类型也会不同，因此应留有一定的设计裕量，R1可取200 Ω。为了给发射器提供足够的正向驱动电流，又要保证发射器工作在非过度驱动状态(过度的驱动电流会严重影响发射器的寿命甚至烧毁发射器)，在设计时，R1取一个定值电阻(保证工作在非过度驱动状态)与一个可变电阻(调节驱动电流)的组合。

3.2 接收电路设计

光接收器电路的设计与发射电路的设计息息相关。配套的发射/接收器有利于稳定信号传输质量，提高通信性能。针对之前设计的光发射模块，在接收端采用安捷伦 HFBR －24×2系列光探测接插件［5－6］配合相应的辅助电路构成光接收电路。其相应的光接收电路如图6所示，其中RL的取值约为560 Ω。电路中0.1 μF的旁路电容在进行PCB布线时，应尽量靠近接收器2、7引脚，电容至探测组件的连线长度不应超过20 mm。

图6 光接收电路原理图Fig.6 Principle diagram of optical receiver circuit

3.3 电平转换电路设计

如前所述，所开发的光通信模块提供 RS－232和RS－485两种与主机通信的接口。而后续发射驱动电路要求TTL电平输入，因此必须设计RS－232↔TTL和RS－485↔TTL的电平转换电路。

1)RS－232↔TTL电平转换电路。

考虑到所设计的光通信链路将首先用于光传操纵系统的地面物理验证，所以目前对电路的环境适应性要求不是很高，但应为以后设计高速率，长距离，恶劣的电磁、温度及辐射环境下的光传设备预留一定的设计裕量。目前选用的电平转换芯片为MAXIM公司的MAX232A［7］，该芯片应用广泛，具有多种引脚功能兼容、适应不同工作环境的型号。MAX232A为双通道全双工RS－232↔TTL电平转换芯片，额定最大工作速率为230 kb/s，典型工作电路如图7所示，其外部元件均为 0.1 μF 电解电容。

该电路的设计具有通用性，在需要ESD浪涌保护，较宽的外界温度范围(－55℃ ～+125℃)，低功耗等场合均有相应的引脚兼容的芯片可供选用。设计时，采用管座接插式装配，更换芯片时只需将原芯片从管座上拔下，插上新的芯片即可，且便于维护。

2)RS－485↔TTL电平转换电路。

与RS－232相比，RS－485具有平衡式传输、抗共模干扰能力强、通信距离远、速率高、可进行点对多点通信等一系列优点。采用Maxim公司MAX485E［8］设计的RS－485↔TTL的电平转换电路，如图8所示。

MAX485采用DIP8封装，额定最高传输速率为2.5 Mb/s。原则上，MAX485无需外部元件即可正常工作，此处为防止总线空载时接收器输出错误空翻，分别在A、B线上接了10 kΩ的上、下拉电阻。为防止远距离通信时电信号反射对收发器造成影响，在A、B总线间加了一个120 Ω的终接匹配电阻R3。之所以与R3一起串联了一个跳线，主要是因为R3会消耗相当大的功耗，在近距离通信时可将R3断开以节省功耗［9］。

图7 RS－232至TTL电平转换电路Fig.7 RS－232 to TTL conversion circuit

图8 RS－485至TTL电平转换电路Fig.8 RS－485 to TTL level conversion circuit

4 光通信链路的性能测试

4.1 基带传输性能测试

图9所示为一套完整的光电转换通信接口测试链路，包括连接主机的串行通信电缆、光纤和所开发的光通信模块接口板。

图9 光通信链路测试系统配置Fig.9 Optical communication link test system configuration

RS－232及RS－485均采用基带方式传输信号，本文以信号发生器产生的方波信号作为输入信号。光发射器分别输入不同频率的信号，在接收端通过检测。图10所示为示波器输出的频率分别为10 kHz、100 kHz、250 kHz和500 kHz时光发射器的输入输出波形比较，其中图的上方为发送端输入信号波形，下方为接收端输出信号波形。

测试结果显示，在高于250 kHz时，输出信号的失真已经较为明显，为保证足够的可靠性，本系统能够正常使用的频带范围应不高于250 kHz，但这已能够满足光传操纵仿真的应用。需要指出的是，当方波的传输频率为250 kHz时，相当于数据传输速率可达500 kb/s。

图10 光发射器与接收器对不同频率方波信号的传输特性Fig.10 Optical transmitter and receiver transmission characteristics at different frequency square wave signal input

4.2 数据通信测试

基带信号测试虽然可以弥补计算机串口通信波特率不全面的弊端，但为了验证系统配合计算机的实际通信效果，仍有必要进行计算机数据通信测试，图11为串行波特率分别为 115200 b/s、230400 b/s、460800 b/s、921600 b/s时的通信测试窗口，该测试验证了所开发的光通信系统进行小数据量通信时的性能。

由图11可知，该系统在波特率为460.8 kb/s时仍未出现误码，直至波特率上升到921.6 kb/s时才出现通信异常，这与250 kHz以上的方波测试时输出波形严重失真的测试结果相符。

除小批量数据通信外，飞控系统和航电设备还有可能需要传输大批量突发数据。为验证这种情况下的通信性能，系统采用一次性传输大型二进制文件的方法进行模拟测试。测试证明，在不进行数据校验时，系统在波特率为115200 b/s时能够可靠地传输大批量突发数据;在加入数据校验的情况下，波特率为460800 b/s时能够达到最好的传输效率。经估算证明，系统在波特率为115200 b/s时误码率低于10－10，在波特率为 460800 b/s时低于 10－6。

4.3 存在的问题及改进方案

图11 不同波特率下的数据通信测试结果Fig.11 Data communication test results at different baud rate

从测试结果可以看出，所开发的光通信系统的有效传输波特率为460800 b/s，可进一步提高系统的可靠通信速率。由于光接口模块的光发射接收部分的设计工作速率为5 Mb/s，目前的性能瓶颈在于串口电平的转换电路。对于RS－232而言，可通过更换具有Mb/s通信能力的集成芯片，对于RS－485同此理。

在进行高速数据通信时，指示灯的作用减弱，具体表现为灯光变暗，空闲状态及工作状态变化不明显。因为LED的上升下降时间慢于数据信号的逻辑交替时间，导致LED不能在一个周期内完成点亮和熄灭过程。虽然可通过降低限流电阻以增加LED的正向导通电流解决这个问题，但如此以来，将会增加电路功耗，目前此情况可通过更换为高亮度LED加以改善。

5 应用实例

系统以直升机光传飞行控制［10］为研究背景，采用显模型控制律通过光传数据总线对控制对象进行操纵。所开发的直升机贴地飞行光传验证平台的总体结构采用图12所示的配置，主要包括操纵杆、显模型处理计算机、控制率解算计算机、光传数字舵机系统和用于互连各组成设备的光纤通信数据链。其中，杆位移传感器通过USB接口与用于显模型指令解算的主机相连。两台计算机之间通过采用串行RS－232协议的光纤数据总线相连，而控制率计算机与舵机控制器之间则通过采用RS－485通信协议标准的串行点－点光纤数据链路相互通信。

图12 直升机光传操纵验证系统配置Fig.12 The helicopter Fly－By－Light control verification system configuration

光电接口模块(即光收发器)与舵机控制器及舵机执行机构的连接方式如图13所示。

图13 舵回路及主要光传组件Fig.13 Rudder circuit and the main light components

图中，控制律解算计算机控制信号由RS－232电缆从工控机串口引出，经FCC端收发器(RS－232模式)转换成光信号，光信号经20 m光纤传输至舵机控制器端收发器(RS－485模式)，转换成 RS－485差分电信号，舵机控制器接收RS－485信号将其转换为舵机执行机构驱动脉冲。

6 结束语

本文在研究了相关串行通信协议的基础上，详细描述了光电转换接口板的设计方案及开发过程。该光电接口板具有传输RS－232及RS－485信号的能力，在光电接口端进行良好屏蔽的情况下，可在相当恶劣的环境下正常工作。性能测试表明，所开发的光通信设备可稳定工作在460.8 kb/s，并对现存的问题及局限提出了一些改进性意见以便后续开发时参考。

该光电转换接口设备是为配合用于小型直升机的光传数字舵机的验证而开发的。通过其在直升机贴地飞行光传操纵半物理仿真平台上的验证表明，所开发的光电接口设备兼容两种串行接口，充分满足验证工作的需要。

［1］ 杨一栋，龚华军.光传系统地面半物理仿真实验验证［J］.航空兵器，2000(1):8－10.

［2］ 杨一栋，刘晓里.光传飞行控制［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［3］ 王新华.分布式三余度光传综合火力/飞行控制系统研究［D］.南京:南京航空航天大学，2003.

［4］ 杨一栋.直升机飞行控制［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［5］ 李春燕，董天临.接插件HFBR2416在光接收器中的应用［J］.国外电子元器件，2001(8):18－19.

［6］ Agilent Technologies.Agilent HFBR－00400，HFBR－14xx and HFBR－24xx series low cost miniature fiber optic components［Z］.1999.

［7］ Maxim Intergrated Products.+5V－Powered mutichannel RS－232 Drivers/Receivers［Z］.DataSheet，19－4323，2000.

［8］ Maxim Intergrated Products.Slew－rate－limited RS－485/RS－422 transceivers［Z］.DataSheet，19－0122，1996.

［9］ 徐继红.提高RS－485网络可靠性的若干措施［J］.今日电子，2001(1):17－20.

［10］ 陈冬梅.直升机光传飞行控制系统的技术研究［D］.南京:南京航空航天大学，2005.