原创 hfbr-1414tz,hfbr-2412tz光纤隔离的电压变送器

在一些现场环境恶劣的情况下，操作人员无法到达现场而必须远距离的采集或控制模拟信号，需要进行远距离传输。然而，由于工业现场的各种干扰，信号经电缆传输很远后，会因为干扰使信号严重失真，另外如果前端电路和后端电路的地之间存在很大的电位差，如用电缆直接相连，会产生很大的接地环路电流，对设备及操作人员的安全构成极大的威胁。

    本文笔者引入这样一个光纤隔离数据变送器，目的是把前方的电压采集后隔离传输到后端并转换成为后端可以接受的电压范围。其主要包括现场的数据采集，现场和后端数据通信以及后端数据还原、处理三部分。

    本数据变送器的技术指标如下：

最高采集速率：50Kbps；
测量精度：0.1%
测量电压范围：0～±200V；
变换后电压范围：0～±10V；
采集方式：连续采集；
传输距离：约2000m。

2  系统构成

    本系统的采用了Cygnal公司完全集成的混合信号系统级MCU芯片C8051F000，其内部自带PGA（其数字可编程增益为0.5、1、2、4、8、16）；具有一个真正多通道的12位的A/D转换器和两个12位的D/A转换器，速度可达100Kbps；其片内参考电压是1.2V或2.4V可选，时钟最大可达25MHz；3.3V供电，20MHz时候典型工作电流仅为10mA。系统的前端、后端硬件结构图分别如图1、图2所示。

图1  前端电路结构框图


图2  后端电路结构框图

3  系统部分硬件设计

    (1)  量程自动切换

    为了提高系统的准确性和可靠性，减少量化误差，此处采用量程自动转换技术来解决变化范围大的信号的测量问题。量程设置为-200V～200V至-1V～1V八个等级；由于前端电路无法应用市电，而采用电池供电，则量程转换由MCU内部自带的PGA与低功耗、高精度的程控仪表放大器PGA202共同实现。

    预先置PGA202的控制端(P1.3、P1.4)以及单片机内PGA控制寄存器值，使其增益均为1，随后量程的自动切换由软件控制实现。

    (2)  信号传输过程

    从传感器得到的待测信号-200V～200V经过压保护电路，高精度电阻分压后（电压变为-1V～1V）输入到PGA202中；由于PGA202以及C8051F000片内PGA增益均为1，保证了经PGA202输出以后电压范围仍为-1V～1V；由于单片机的输入信号范围是0～2.4V，这里令12位的DAC0输出为1V，把输入信号偏置为0～2V；模拟信号经过单片机A/D转换为12位的数字信号，再经由两片并/串芯片74HC165送入曼彻斯特编码器HD-15530，数字信号由NRZ码转变为Manchester码，最后由光发射器把电信号转换为光信号经由光纤发送给控制室的后端电路。

    被传送的数字信号通过光纤传输，由光接收器接收，经过电平判定、整形后进入HD-15530解码后再经由两片串/并芯片74HC164送入单片机；单片机收到带着量程信息的数据包，提取数据，量程通过LED进行显示，同时把收到的12位的数字信号转换成为模拟信号，最后经过电压偏置以及滤波电路输出电压范围为-10V～10V的电压信号。

    (3)  数字信号的曼彻斯特编码

    在曼彻斯特编码中，用电压的正跳变表示“0”，电压的负跳变表示“1”。由于跳变都发生在每一个码元的中间位置，接收端可以利用它作为同步时钟，因此曼彻斯特编码又称为自同步曼彻斯特编码。

    Manchester II码编码器用于机载数据总线MIL-STD-1773及1553中，由20 bit组成。其中1～3 bit为同步头，是无效的Manchester码，标识帧的开始。当前1.5 bit为高电平，后1.5 bit为低电平时表示命令/状态字，前1.5 bit为低电平，后1.5 bit为高电平时表示数据字。4～19 bit为编码器接收到的待编码数据，20 bit为校验位，对4～19 bit进行奇偶校验。由于曼彻斯特II码发送一个字是16位，这里使用两片74HC165并/串移位寄存器，在高8位数据编码后及时输入低8位数据，保证正常传送一个16位的字。本系统采用单片机的T1对发送位进行计数，发送完高8位，产生中断。在中断服务程序中，输入低8位数据。接收时，接收到的信号送15530芯片，经曼彻斯特译码器译码后，在译码移位时钟的作用下，把数据输入到串/并移位寄存器74HC164，每接收8位数据，单片机就产生一个中断，取走这8位数据。

    (4)  光纤隔离

    本系统采用Agilent公司的光发射器HFBR1414和接收器HFBR2416，传输速率为20Mbps时，传输距离可达2700m，速率更小时，传输距离还可以更远。由于本系统的采样速度为50Kbps，12位的数字信号加上发送到后端的量程信号以及Manchester码附加位，所需传输速度为1Mbps，因此完全满足设计要求。其驱动电路如图3、图4所示。

图3  HFBR-1414的驱动电路

    本设计采用74HC00的三个与非门串连对HFBR-1414进行驱动，每个门最大输出电流可达25mA，足够驱动LED。被传送的数字信号通过光纤传输，并经过光接收器实现光电转换后，输出跳变并不明显的数字信号，低电平约为1.7V，高电平约为2.3V，则必须经过电平判定才可以进入单片机。这里采用输出的信号与2V的电压进行比较，通过比较器MAX903，得到TTL电平。

图4   HFBR-2416的驱动电路

4  系统的调试与实现

    C8051F000具有片内JTAG和调试电路，通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式的全速在系统调试。

T：每小格为100μs
图5  被采样波形与输出波形对比图

    系统经过调试，各项指标完全满足设计要求。实验波形图如图5所示，其中被采样信号为正弦波；频率约为2kHz；幅值约为20V。

5  结论

    系统采用光纤传输数字信号，有效隔离了后端控制室与前端的恶劣的采集环境，保证了工作人员和仪器的安全；采用光纤传输代替电缆传输，系统大大避免了传输过程中周围恶劣环境的干扰，提高了传输距离；采用Manchester码代替NRZ码传输数字信号，避免了信号输出基线渐移的现象，减少了直流分量，误码率降低；采用片内的PGA与PGA202共同实现了量程的自动转换，提高了系统精度。

    本系统适用在远距离数据采集，前端现场环境恶劣，前后端地电位差相差很大，对速度要求并不是很高的场合（工业自动控制、测量仪器仪表、电力系统等）。如果需要提高采样速度，可采用具有更快采样速度的MCU配以LVDS SERDES或其他高速的曼彻斯特编解码器件进行串行数据的传输来实现。