劉學(xué)君，袁碧賢，卓思超，朱 琳，趙景麗，王文凱

（北京石油化工學(xué)院 北京 102617）

基于MSP430的多模光纖短距離數(shù)采通信系統(tǒng)

劉學(xué)君，袁碧賢，卓思超，朱 琳，趙景麗，王文凱

（北京石油化工學(xué)院 北京 102617）

本論文研究基于MSP430的短距離多模光纖多點檢測系統(tǒng)，設(shè)計了光纖通信鏈路的軟硬件、數(shù)據(jù)采集軟硬件和單總線傳輸協(xié)議，該系統(tǒng)由傳感器模塊，MSP430模塊，光調(diào)制模塊，多模光纖模塊，光解調(diào)模塊，顯示模塊等組成。使用HFBR-1414T發(fā)射模塊將電信號轉(zhuǎn)化為光信號進行光纖傳輸，再通過HFBR-2414T接收模塊將激光信號轉(zhuǎn)化為電信號。在實際的實驗中，實現(xiàn)了壓力及溫濕度數(shù)據(jù)采集和1 km數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過該試驗表明，該系統(tǒng)具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，低成本，穩(wěn)定性好。

MSP430；光纖傳輸；HFBR-1414T；HFBR-2414T

光纖作為一種具有劃時代意義的通信技術(shù)，成為當(dāng)前通信行業(yè)的重要支柱[1]。它是指使用光纖作為傳輸媒介，把光作為信息載體的一種現(xiàn)代通信方式[2]。光纖通信是構(gòu)建現(xiàn)代通信網(wǎng)最主要的傳輸手段[3]。隨著檢測精度提高，數(shù)據(jù)量變大，管道檢測機器人本身的低功耗、嵌入式等決定了其不能在線的實時處理大量的數(shù)據(jù)。由于管道外計算機系統(tǒng)不受空間、功耗、容量等限制，可以大量的實時處理數(shù)據(jù)，而光纖通信以其大容量、輕便、功耗小等特點成為管道類機器人實時數(shù)據(jù)外傳的最好媒質(zhì)[4]。通信傳輸作為當(dāng)今信息傳輸?shù)闹饕绞剑瑧?yīng)用范圍十分廣泛[5]。

文中設(shè)計了一種實用的短距離光調(diào)制解調(diào)通信的設(shè)計方案，方法簡單，易于實現(xiàn)，主要研究了光發(fā)送模塊和光接收模塊。通過光纖的傳輸，將采集的檢測數(shù)據(jù)實時地顯示出來。具有較高的使用價值。

1 總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要由傳感器模塊，MSP430模塊，光調(diào)制模塊，多模光纖，光解調(diào)模塊，顯示模塊等組成[6]。傳感器模塊中DHT11溫濕度傳感器完成三路溫濕度的采集[7]，BMP085氣壓傳感器對三路氣壓進行采集[8]，MSP430G2553完成三路傳感數(shù)據(jù)的串行傳輸?shù)膸幋a[9]，通過多模光發(fā)射機HFBR-1414T，將電信號轉(zhuǎn)換成820 nm激光信號，速率能達到100 kb/s，經(jīng)G625多模光纖[10]傳輸，光接收機HFBR-2412T將激光信號轉(zhuǎn)換成電信號[11]，送入MSP430芯片，采用12 864液晶將采集數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示出來。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由傳感器模塊，MSP430模塊，光調(diào)制模塊，多模光纖，光解調(diào)模塊，顯示模塊等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 光調(diào)制模塊HFBR1414

1）光發(fā)射器基本原理

光纖HFBR1414發(fā)射器是一種集成光發(fā)送模塊，它具有ST、SMA、CS和FC 4種連接頭可選，工作波長820 nm，頻譜寬度有30 μm。與HFBR24X6光接收機配合使用時，其速率最高可達160 MBd，傳輸距離可達 4 km，可以與 50/125 μm、100/140 μm、62.5/125 μm以及200 μm等多種型號的光纖適配，這在選用光纖芯徑方面給了用戶極大的靈活性[12]。HFBR-1414T的發(fā)光效率高，能保證在小的驅(qū)動電流下工作。因此能耗低，穩(wěn)定性好。

2）驅(qū)動電路設(shè)計

HFBR1414的內(nèi)部電路主要是一個發(fā)光二極管。LED的最重要的性能取決于它的P-I特性，因此將驅(qū)動器設(shè)計成為受輸人信號控制的電流源。將三極管作為電流輸出器件與HFBR1414光線發(fā)射器相連接，就形成電流驅(qū)動器。

HFBR--0400系列的光器件常與HFBR-24X2光接收機配合使用組成光纖鏈路。HFBR1414正常工作需要的驅(qū)動電流與通信距離的關(guān)系如圖2所示。從圖2中可見，提高通信距離需要同時增加驅(qū)動電流，若通信距離為1 km，需要的電流I約為20 mA。而HFBR1414的驅(qū)動電流與前向電壓的特性關(guān)系如圖3所示。由圖可見，提供20 mA電流驅(qū)動發(fā)光二極管時，其前向電壓碑約為1.5 V。

設(shè)計的驅(qū)動電路如圖4所示[13]，圖中75451是大電流與門，電阻R由下式確定:

圖2 驅(qū)動電流與通信距離的關(guān)系

圖3 向前電壓與驅(qū)動電流特性

圖4 HFBR1414發(fā)射器驅(qū)動電路圖

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，驅(qū)動電路有電流開關(guān)的作用[13]。大電流與門75451的高輸出電流、低阻抗特性使LED容易關(guān)斷及開啟，繼而提高激光驅(qū)動電路速度。該電路通信速率可達5 MBd，通信距離可通過改變R的阻值進一步提高。HFBR1414的P一I特性曲線線性程度較好，可用于模擬信號傳輸[14]。

2.3 HFBR2412光接收機

HFBR-2412是與HFBR-141X產(chǎn)品共同使用的光通信器件，其內(nèi)部的光學(xué)透鏡系統(tǒng)較好地保證了光纖耦合的一致性，適用于多種口徑的光纖，通信速率最大值5 MBd，輸出可以直接與TTL電平接口，便于與邏輯器件連接。

2.4 光通路的硬件調(diào)試

數(shù)字信號經(jīng)MSP430G2553發(fā)送到光系統(tǒng)，光纖單總線再通過多模光發(fā)射機HFBR-1414T，將電信號轉(zhuǎn)換成光820 nm激光信號，速率能達到100 kb/s，然后經(jīng)G625多模光纖傳輸，HFBR-2412T將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，電路如圖5所示。

第一步，分別檢測光輸入信號和光輸出信號的光功率值，分別為-13.09 dBm和-15.72 dBm。衰減了2.63 dBm，符合光調(diào)制解調(diào)器的合理衰減，具體數(shù)值如表1所示。

第二步，檢測HFBR2412的6管腳的電壓值。當(dāng)輸入信號為高電平時，HFBR2412內(nèi)的三極管正向?qū)?，因?，7管教接地，所以6管腳電壓值為0.35 V。當(dāng)輸入信號為低電平時，HFBR2412內(nèi)得三極管將被拉高，所以6管腳電壓值為5.05 V，具體值如表2所示。兩組實驗的實驗結(jié)果充分說明此光通路的設(shè)計方案符合理論值[15]。

圖5 光通路電路圖

表1 光發(fā)射機功率數(shù)據(jù)

表2 光接收機接收數(shù)據(jù)

3 控制軟件原理及設(shè)計

3.1 光通信協(xié)議

文中設(shè)計了單總線光通信協(xié)議，發(fā)射端設(shè)定一個100 μs低電平接100 μs高電平，連續(xù)接到兩個這樣的電平序列，即表明幀頭，之后發(fā)送三路溫度溫度數(shù)據(jù)信號（每個數(shù)據(jù)一個字節(jié)），然后發(fā)送三路的濕度數(shù)據(jù)信號（每個數(shù)據(jù)一個字節(jié)），三路的氣壓數(shù)據(jù)信號（每個數(shù)據(jù)4個字節(jié)），最后以一個100 μs的低電平接100 μs的高電平作為結(jié)束，如圖6所示。0和1通過不同低電平的時間長度來區(qū)分，如圖7所示。

因為每個溫度數(shù)據(jù)占1個字節(jié)，濕度占一個字節(jié)，壓力占4個字節(jié)，所以一次傳輸過程是把三路的溫度，三路濕度，三路壓力數(shù)據(jù)依次串行傳輸，一幀包含18個字節(jié)，保證傳輸?shù)挠行蛐浴?/p>

圖6 光通信協(xié)議示意圖

圖7 發(fā)送比特示意圖

3.2 協(xié)議軟件實現(xiàn)

軟件開發(fā)是基于IAR5.30軟件實現(xiàn)，依次按照協(xié)議發(fā)送3個通道的溫度、濕度、氣壓數(shù)據(jù)具體流程如圖 8所示[16]。

圖8 光發(fā)射協(xié)議流程圖

4 結(jié) 論

本論文以MSP430G2553為核心控制芯片，采用DHT11溫濕度傳感器和BMP085氣壓傳感器的實現(xiàn)三路數(shù)據(jù)采集，通信協(xié)議為光纖單總線協(xié)議，采用多模光發(fā)射機HFBR-1414T將電信號轉(zhuǎn)換成光820 nm激光信號，速率能達到100 kb/s，經(jīng)1公里G625多模光纖傳輸，HFBR-2412T將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過12864液晶將采集數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示出來。實驗結(jié)果表明，測量誤差允許范圍內(nèi)，本系統(tǒng)對溫濕度及氣壓的數(shù)據(jù)采集具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，為短距離狹窄空間的數(shù)據(jù)采集和傳輸提供新的方法和思路。

[1]胡旭.光纖通信技術(shù)及應(yīng)用探析 [J].商業(yè)文化，2015（36）:202.

[2]徐鵬飛.我國光纖通信發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析[J].中國新通信，2015，17（8）:23.

[3]晏鴻明.光纖通信技術(shù)的特點分析及應(yīng)用 [J].中國新通信，2014，34（13）:75-76.

[4]許杰.簡述光纖通信的工作原理[J].中國新通信，2014，16（4）:39.

[5]姜樹森，高偉.淺談通信傳輸?shù)某Ｒ妴栴}與技術(shù)要點[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011，35（3）:30-36.

[6]李政英，孫英楠.光線數(shù)據(jù)測試與傳輸系統(tǒng)[J].電子科學(xué)技術(shù)，2015，2（4）:490-493.

[7]顏麗娜，王順忠.基于DHT11溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計[J].自然科學(xué)，2013，26（4）:397-399.

[8]方劉海，文繼國.基于BMP085的精密數(shù)字氣壓計設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014，22（24）:69-71.

[9]蘇安明.基于MSP430單片機的無線溫濕度檢測系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表，2014（1）:69-71.

[10]廖臻正.多模彎曲優(yōu)化光纖的研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013，21（2）:9-10.

[11]吳艷麗.關(guān)于光纖傳輸及其設(shè)備的探討[J].科園月刊，2010（1）:77-78.

[12]黃旭.簡易光纖發(fā)送系統(tǒng)設(shè)計[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011，21（2）:20-21.

[13]尚建榮.可見光通信系統(tǒng)驅(qū)動電路設(shè)計[J].光通信技術(shù)，2015，39（7）:24-25.

[14]陳正濤.光纖HFBR-1414發(fā)射器的驅(qū)動電路設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2010（5）:79-81.

[15]呂建遠.光纖鏈路的設(shè)計計算[J].西部廣播電視，2015（5）:179-180.

[16]葛士斌.基于MSP430單片機的無線測溫裝置設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014（5）:17-20.

Multimode optical fiber short distance data acquisition communication system based on MSP430

LIU Xue-jun，YUAN Bi-xian，ZHUO Si-chao，ZHU Lin，ZHAO Jing-li，WANG Wen-kai
（Beijing Institute of Petrochemical Technology（BIPT），Beijing 102617，China）

The paper studies short multimode fiber multipoint detection system based on MSP430，design the software and hardware，data acquisition hardware and software of fiber optic communication link and a single bus transmission protocol.The system consists of sensor module，MSP430 module，light modulation module，multimode optical fiber，optical demodulation module，display module，etc.Using HFBR-1414-T launch module converts electrical signals into light signal optical fiber transmission，through HFBR-2414-T receiving module will laser signal into electrical signal.In the actual experiments，has realized the 1km of the data acquisition and transmission，the experiment shows that this system has high reliability and accuracy，low cost，good stability.

MSP430；optical fiber transmission；HFBR-1414-T；HFBR-2414-T

TN929.11

：A

：1674－6236（2017）06-0096-04

2016-03-20稿件編號：201603253

北京市自然科學(xué)基金（13000031019）；北京市教委科技計劃面上項目（15032221001/006）；北京市教育委員會市屬高校創(chuàng)新能力提升計劃項目（2016014222000041）；北京石油化工學(xué)院科技創(chuàng)新資助項目（15031862005/052）；北京石油化工學(xué)院優(yōu)秀青年教師和管理骨干培育計劃項目（08031862008/040）

劉學(xué)君（1977—），男，河北唐山人，工學(xué)博士，副教授。研究方向：光纖通信，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。