光纤数字遥测系统分析

　　在测量系统中，有时需要将测量参数传输到较远的地方，一般称为遥测。例如，大型水坝的应力状态的测量、炼铁高炉炉壁的温度测量、大型自动化生产设备的参数测量及核反应区的有关参数测量等，被测地点与仪表室或控制室距离较远，需要进行遥测。
　　
　　远距离信息传输的方式很多，如射频、红外线等无线传输及电缆有线传输等。采用电缆作信息传输是最简单的方式，但信息在传输过程中有较大的损耗，抗干扰性能差，质量大。采用无线方式，其信号转换（调制、解调）电路较复杂。采用红外线传输时，则受气候影响较大，而且距离较远时，需要较大的发射功率。
　　
　　本节介绍一种简单的光纤数字遥测系统。它由4部分组成：传感器及调理电路；A/D变换及发送；光纤光电耦合；接收显示。图1- 63为示意图。本系统主要特点是采用编码器将测量参数的数字信号编码发送，通过光纤光电耦合，经译码器译码后显示出相应的测量参数。采用光纤传输信息，其传输损耗小，尺寸及质量也比电缆要小得多，抗干扰性特别好，也无需很大的发送功率。本系统电路设计简单，调试容易，信息传输可靠性好，数据传输精度高，特别适用于距离为几十米至数百米，有强电场、强磁场干扰的场合。

一、主要器件简介

1.编码器及译码器

      本系统采用编码器MC145026及译码器MC145027。

特点：
　　
　　①编码器有5位地址位及4位数据位。地址是三态的（0、1、悬空——高阻态），有53种编码方式，数据是两态的(0、1)。
　　
　　②当将编码器发送脚TE（14脚）接地（低电平）时，编码器将5位地址及4位数据以不同的脉冲编码方式串行输出（1是两个宽脉冲，0是两个窄脉冲，高阻态是一个宽脉冲及一个窄脉冲）。每发送一次，编码器自动地送出两串相同的地址、数据脉冲串（由15脚输出）。
　　
　　③译码器接收到编码器发送的第一串脉冲信号后，若译码器的5位地址与编码器的5位地址完全相同，则将传送来的4位数据送入寄存器。接到第二串脉冲信号，再经过第二次核对，若地址无误，数据与第一次相符，才将4位数据送到输出端并锁存。VT脚由低电平变高电平，表示接收信号。此高电平一直保持到有新的数据输入或间隔4次数据传输的时间而无新的数据输入为止。
　　
　　④每传输一次所需要的时间，取决于内部振荡器的工作频率，由片外的RC参数决定。振荡频率可在1. 71～362 kHz范围内选取。
　　
　　⑤静态电流特别小，编码器小于1 μA，译码器一般也小于100 μA。
　　
　　⑥外接元件少，对元件精度要求不高（允许误差士5%）。

2．光纤光电耦合器
　　
　　如图1- 66所示，光纤光电耦合器是一种由半导体光电器件和光导纤维组成的传输器件。它具有传输频带宽，绝缘性能好，抗辐射和电磁干扰，质量轻，耐腐蚀等优点。特别适用于核辐射区、超高压电力系统、强电磁干扰区、雷区、易燃易爆区及强腐蚀环境。它可以传输音频信号、视频图像信号、测量及控制信号等模拟信号及数字信号。

　　
　　GGOS -C型光纤光电耦合器由发光管、光纤及光敏三极管组成。发光管最大电流80 mA，脉冲工作时可达500 mA（占空比小于20%）；接收管采用光敏三极管，截止频率高于150 kHz，其响应时间短于5μs，适合于频率低于150 kHz的场合。

3、发送部分电路

　　如图1- 67所示，发送部分由A/D变换器和接口电路、单片机最小系统、编码器及驱动电路组成。单片机最小系统由8039、74LS373及EPROM2716（或2732）组成。它主要的作用是采集A/D变换后的数据，存入RAM，并顺序地将存入的数据通过编码器，再经过三极管放大后发送出去。
　　
　　A/D变换器输出的Qo～Q3及DSi～DS4与74LS244三态门缓冲器连接。采用查询的方式依次将千、百、十、个位数输入8039的Po口（BUS口），并将这4位数分别存人RAM。输入的数据可以是正值或负值，可以根据千位的Q2来判断：Q2 =1时，数据为正；Q2 =0时，数据为负。通过软件来判别Qo是否为1，即可确定符号位的正负。符号位的数码管仅接g段。在软件中规定：Q2 =0时，8039输出为8（BCD码为1000），由于符号位数码管仅接g段，所以显示出“一”号；Q2 =1时，8039输出为0（BCD码为0000），符号位数码管无显示。
　　
　　由单片机程序控制，顺序地将符号位、千位、百位、十位、个位数一位一位地通过8039的Plo～P13口输出。Plo～P13输出的每一位数的4位BCD码即为编码器的4位数据，由P14口来控制编码器的发送控制端TE。当P14口为低电平时，编码器的TE为低电平，开始发送。编码器输出的编码脉冲经BG，放大后，再经光纤耦合器的LED变成光脉冲信号传输出去。
　　
　　由于信号传输过程有一定的延迟（包括发射管、光敏三极管及接收电路部分的反相、整形等环节）。另外，译码器译码也需要一定的时间。为保证可靠地接收，每发送一位数后，要加数毫秒的延时（由软件设定）。

      发送部分的程序是极为简单的，即数据采集及数据发送，其程序框图如图1- 68所示。采用单片机除实现上述主要功能外，它还可以利用软件进行运算、数据处理，对非线性传感器进行校正，或对某些有规律误差进行自动补偿。这样可充分发挥单片机的优势，并能提高测量的精度。

4、接收部分电路

　　如图1- 69所示，经光纤光电耦合器传输的光脉冲由R24、BG2、光敏三极管接收后变成电脉冲，经4093的施密特触发器反相、整形后，输入译码器MC145027。由译码器输出的符号位及4位数据经BCD码-7段码译码器4511译码后，与4017十进制计数器配合（位控），进行动态扫描显示。
　　
　　通电后，当信号未传输时，MC145027译码器4位输出为0000。4017清零端R由Cl,Rio、Di输入一尖脉冲，使4017清零，Qo端输出高电平。Qo为高电平时，BG，导通，个位数码管被选通，个位数码管显示出O，这是准备接收状态。当信号传输时，由8039程序控制，先输入符号，然后再依次输入千、百、十、个位数据。MC145027接收到符号位的数据后，VT由低电平变高电平，它与4017的输入端CL相连。VT的电平由低变高的信号使4017进位，由Qo高电平转为Qi高电平，BG3导通，使符号位数码管显示，以此类推。十位数显示后，当个位数输入时，Qs变高电平。此高电平经D2加在清零端，使Q。变高电平，又显示出个位。由于传输每一位数及延时仅5 ms左右，所以人眼看显示是稳定的，无闪动的感觉。
　　
　　小数点的显示是固定的，图中小数点在十位上，可以根据需要移动。
　　
　　本系统是一种通用的遥测系统，只须变换不同的传感器，并调整调理电路有关参数，就可以达到遥测各种测量参数的目的。
　　
　　光纤光电耦合器虽然可以传输几十米至数百米，但目前光纤成本较高，当前更适用于有强干扰、短距离（几十米）的场合。这样可以获得极好的传输效果，又比较经济。

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