155Mbps光纤收发模块用于低速异步串行通信的设计

孙靖舒

摘 要 155Mbps的光纤收发模块一般用于100Mbps光纤以太网通信，接口电平通常为PECL的差分信号，由于光功率过饱和的原因，通常要求发送信号调制后发送，正常情况下不能直接用于中低速异步串行通信。支持中低速通信的光纤模块一般价格为150元，而155Mbps的光纤模块价格一般不到70元。若将少于10元成本的单片机用于155Mbps光纤模块上，并能解决中低速数据的光纤通信问题，有一定的应用价值。

关键词 光纤收发模块；单片机；中低速数据通信

中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）200-0173-02

1 总体设计思路

1）设计合理的编码方式对高速数据进行调制与解调。

2）收发过程通过两片单片机来模拟，从而判断设计方案的可行性，同时记录出现的问题。

3）通过软件模拟所得到的结果来选择适当的芯片进行实际电路的搭建。

2 低速光纤收发模块电路设计与实现

2.1 调制解调原理

实验是通过改变占空比从而改变传输速率[ 1 ]。具体实现方式如下：设定通信速率最低为9600bps，最高为115200bps，速率必须为常用标准速率。

列表如下：9600，19200，38400，57600，115200单片机设定频率为11.0592×3MHz。调制时按115200速率的位进行，0变为1：3的占空比，1变为3：1占比。输入接INT1，INT1工作在上下沿中断方式当中断发生时，调整定时器T1工作在230400bps×4自动重载定时方式INT1中断或T1中断3次时，输出低电平；T1中断1次时INT为0，则输出高电平，重复上过程即可。

2.2 调制电路的设计

实验使用两个单片机来模拟预想程序的设计。如图1所示，单片机U2是发送端，单片机U2的接口分别向单片机U1持续发送高电平和低电平，此时U1做的工作是对发送过来的数据进行调制。单片机设定频率为11.0592×4MHz。1变为3：1占比，0变为1：3。

U2的作用是持续给U1发送高低交叉的电平作为被调制电平。U2主程序中，首先给接口赋了初值1，且仅执行这一次后一直等待，直到中断程序的到来。中断程序到来后，立即执行switch函数。在switch函数中设置了一个静态变量tsts。在函数中，静态变量只有定义时才初始化，每次函数调用时保留有上次的值。使用上基本上和全局变量差不多，只是函数外部无法访问，这样有利于简化电路而且使电路数据可以更好的被修改。

第一次中断到来时立即执行switch中的case 0，这段程序的作用是将P2_0端口电平拉高的同时给tsts重新赋值为1。执行完这部分程序后这次中断过程就结束了，程序跳出switch函数，然后等待下一次中断的到来。当第二次中断到来时，tsts已经变成了1，因此这一次程序要执行switch函数中的case 1。case 1的作用是将P3_0的电平赋给P2_0，同时也将tsts重新赋值为2。到此程序执行完毕，程序跳出switch函数，然后继续等待下一次中断的到来。第三次中断到来时，这次tsts要根据上一次保存的数值2来执行，因此程序执行case 2。在这个程序中只是将tsts赋值成新的参数3，其他端口保持不变，也就是说P2_0依然输出同P3_0相同的电平，然后程序就执行完毕，程序跳出switch函数，等待第四次中断的到来。当第四次中断到来时，tsts为3，因此程序执行case 3，程序的功能是将P2_0电平再次拉到低电平，tsts赋值为0，完成这些过程便跳出中断程序继续等待下一次中断的到来。tsts在第四次中断的时候被重新赋值为0，这样就使得程序可以循环地进行。整个调制程序完成。如此循环就可以实现调制功能了。

2.3 解调电路的设计

解调过程是根据多次判断输入电平的高低从而来决定输出电平的高低。在调制程序中新引入了一个变量rbit。它的作用是作为一个中间变量将判断结果最终发送给输出端。

具体过程为：当第一次中断到来的时候程序将运行switch函数里的case 0语句。这条语句的作用是通过if语句来判断输入端口P0_0的电平。如果P0_0高电平那么就给rsts赋值1，执行完这些动作之后这一次的程序就完成了。因为在主函数中已经给P0_0赋了高电平，所以第一个if语句一定会给rsts赋值1。第二次中断程序到来的时候，此时的rsts数值为1，因此执行case 1。这条语句依然是判断P0_0的电平。如果P0_0为高电平那么只做给rsts赋值参数2完成这一个动作就跳出程序，继续等待下一次中断的到来。如果P0_0为高电平，那么不单要给rsts赋值参数2，同时还要给之前定义的rbit参数赋值0，完成这些过程就跳出程序，等待下一次中断的到来。第三次中断程序到来的时候，此时的rsts为2，于是程序执行case 2，在这条语句中，rbit的值会随着P0_0而变化，如果P0_0为高，那么rbit为1，相反，如果P0_0为低，那么rbit为0。同时rsts被重新赋值为3，这条语句到此结束，跳出程序，继续等待下一次中断的到来。通过前三次中断判断后，如果输入是高电平，那么rbit就为1，如果是低电平，那么rbit就被赋值为0。当第四次中断到来时，要通过前三次的判断从而决定输出端P0_4的电平。case 4的作用就是将判断出的rbit值赋给输出端P4_0，rsts被重新赋值为0。所有的程序到此结束。

3 实现电路的各模块设计

3.1 电平转换电路的设计

单片机传输数据时为TTL电平，而光模块为ECL电平。因此光模块与单片机不能直接相连，所以在单片机与光模块之间要放置一个26LS32芯片构成的电平转换电路，使得光模块发送的ECL电平和单片机发送的TTL电平可以互相转化。从而实现电平匹配[ 2 ]。电平转换电路使用的芯片是26LS32，芯片26LS32其内部含有四個相同的差分电路，和一个使能控制端。输入信号介于V1T和V1T-之间就可以工作。endprint

3.2 接口电路的设计

由于电脑串口R232电平是-10V至+10V，而单片机应用系统的信号电压是TTL电平0至+5V。因此在连接PC机部分要使用MAX232芯片进行转换。该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。RS232接口电平转换芯片的电容值：104和105均为去耦电容，用在电源和地之间。4个电容具有3个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰[ 3 ]。

3.3 电源电路的设计

实现电路所有的电源用芯片MC34063来提供。MC34063集成电路主要特性：输入电压范围：2.5V～40V，输出电压可调范围：1.25V～40V输出电流可达：1.5A。工作频率：最高可达100kHz，低静态电流短路电流限制，可实现升压或降压电源变换器。它由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，R-S触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件本身包含了DC/DC变换器所需要的主要功能的单片控制电路且价格便宜[4]。

4 电路实现

根据上述电路分析，设计出了155Mbps光纤收发模块用于低速异步串行通信的电路版图，如图2所示。

5 结论

1）该综合实验系统不仅能为以单片机为核心的系统前期探索研究提供一种方便的实验装置，而且能在远离工业现场的实验室解决工业应用中的实际问题.实验结果表明该系统可以将许多分散的实验项目整合在一起进行研究和分析，节约资源，降低成本；实验数据正确率高，通信实时性强，系统工作可靠；单片机串行网络构成的光模块通信灵活性强，易于扩充，其设计原理可以减少生产成本具有很大的实用价值。

2）接口电路在实际应用中的注意：

（1）快速开关二极管可以选用IN4148，在要求高效率的场合必须使用 IN5819（贴片为SS14）；（2）34063能承受的电压，即输入输出电压绝对值之和不能超过40V，否则不能安全稳定的工作；（3）输出功率达不到要求的时候，比如>1A时，可以通过外接扩功率管的方法扩大输出电流，三极管、双极型或MOS管均可。（4）电容选择上可以适当调大电容的数值。

参考文献

[1]基于方波载波占空比调制的ECPT系统能量信号并行传输技术[J].电工技术学报，2015（21）：51-56.

[2]许春田.PLC与TTL间电平转换电路的一种简单设计方法[C]//全国冶金自动化信息网、《冶金自动化》杂志社.全国冶金自动化信息网2010年年会论文集，全国冶金自动化信息网、《冶金自动化》杂志社，2010：3.

[3]王征.RS232/PROFIBUS-DP从站接口设计与实现[D].北京：清华大学，2004.

[4]郭忠银，高飞燕.基于MC34063的开关电源设计[J].工业控制计算機，2010（2）：100-101.endprint