CN107800481A - 一种高速数字化光纤隔离传输装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速数字化光纤隔离传输装置及方法，属于高速数字化隔离传输控制领域。本发明将数字化技术和光纤传输技术相结合,具有极佳的数据传输性能；利用光纤进行传输,具有隔离电压等级高、抗干扰能力强、输入动态范围大、响应速度快等优点，可实现高电压与强电磁干扰环境下信号的高速、高精度传输；采用高速数字化串行通信SERDES技术，将低速并行信号转换成高速串行信号，实现点对点的双线数据传输，可提高传输容量和系统性能，大大降低了通信成本。

Description

一种高速数字化光纤隔离传输装置及方法

技术领域

本发明属于高速数字化隔离传输控制领域，具体涉及一种高速数字化光纤隔离传输装置及方法。

背景技术

在高性能程控高压直流电源和高电压源测单元中，为更好地抑制噪声干扰，提高系统的电磁兼容性，要求输入回路与输出回路之间具有较为严格的电气隔离。同时，输入与输出侧的信号参与环路控制，必须进行良好的实时通信，才能获得稳定的功率回路闭环调整性能。特别是在高电压源测单元中，由于输出电压为直流高压，输出侧的电流检测、档位控制以及保护控制信号较为微弱(最小可达皮安级)，且处于悬浮的高电位上，极易受到噪声杂讯和环境的干扰，如果信号传输过程中没有采取适当的电气隔离措施,就会将干扰信号引入测量和控制部分,从而对控制电路的正常工作产生较大影响,甚至会造成检测和控制电路的损坏,危及周边设备和操作人员的安全。此外，高压输出侧的电压、电流等输出信号需要发送到低压输入侧参与闭环控制，各种档位控制信号也要由低压侧向高压侧传递，这些信号能否实时快速地传输，决定了整个系统的性能。因此，设计既能保证高压侧信号准确快速传输，又能使输入侧和输出侧在电气上完全隔离的高速传输电路，是实现高性能高电压源测功能的关键。

理想的高电压传输电路应具有良好的隔离度和实时性,在确保良好的电气隔离基础上，实现信号的高速传输。传统的信号隔离传输常采用光耦隔离和磁隔离，这两种隔离方法都有各自的缺点。光耦器件的输入和输出之间没有直接的电气关联,具有一定的隔离作用,但由于固有的电流传输特性,用于模拟信号的传输时其线性度和精度都较差,用于数字信号传输时响应速度较慢，无法实现高速精密的隔离传输；磁隔离电路只能传输交流信号，传输率较低，抗干扰性差，无法实现高速实时化的隔离传输。因此，需要另辟蹊径，采用新的方法，提高传输速率和抗干扰能力，实现优异的隔离传输性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种高速数字化光纤隔离传输装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高速数字化光纤隔离传输装置，包括高压侧单元和低压侧单元；高压侧单元和低压侧单元都包括A/D转换器、数据编解码器、SERDES电路以及光电转换电路；

A/D转换器，被配置为用于将电压、电流检测信号经A/D转换器转换为数字信号；

数据编解码器，被配置为用于对数字信号进行数据编码和解码处理，使其适合在光纤中直接传输；

SERDES电路，被配置为用于将发送的低速并行信号转换成高速串行信号，同时将接收的高速串行信号解串成低速并行信号；

光电转换电路通过光纤发送器与光纤接收器完成电信号与光信号之间的相互转换，实现电信号的光传输；其中,光纤发送器，被配置为用于将电信号转换为光信号进行发送，光纤接收器，被配置为用于将接收到的光信号还原为电信号；

高压侧的电压、电流检测信号经A/D转换器转换为数字信号，和保护控制信号复用为一路并行数据，经数据编解码器编码后，送入SERDES电路转换成高速串行信号，再通过光电转换电路调制为光信号，低压侧的光电转换电路将来自高压测的光信号还原为电信号，再由低压侧的SERDES电路解串成低速并行信号，经数据编解码器解码后，实现高压侧电流检测和保护信号向低压侧的传输；同理，低压侧发送的档位控制信号也经过类似的方式向高压侧传输；

优选地，数据编解码器采用FPGA，采用8B/10B编解码方式进行编解码处理。

优选地，采用8B/10B编解码方式进行编解码处理的具体步骤如下：

步骤1：编码时，将16位的并行数据送入输入寄存器，分两次映射为10位编码；

步骤2：在编码表中，选择K码采用的编码方式；

步骤3：发送端发送K码作为接收端边界判定的可靠标志；

步骤4：接收端识别出编码的边界后，进行8B/10B解码工作，如果检测到的是10位无效编码，则给出相应的错误标示。

优选地，高压侧的FPGA按照8B/10B格式将16位并行数据编码为10位并行数据，低压侧的FPGA按照8B/10B格式将10位并行数据进行解码，最终还原为16位的并行数据。

优选地，SERDES电路包括TLK1201ARCP控制芯片，是一种应用在高速双向点对点数据传输系统中的兆比特收发器，支持0.6Gbps-1.3Gbps的串行接口速率，具有双工功能，可同时进行串化和解串处理，高压侧FPGA按照8B/10B格式将16位并行数据编码为10位并行数据，由TLK1201ARCP的发送部分根据参考时钟将并行数据进行锁存，该10位数据将以10倍参考时钟的速率以串行方式发送给光电转换电路；低压侧的TLK1201ARCP接收串行数据，根据提取时钟进行串并转化后得到10位宽的并行数据，再送入低压侧FPGA中，并按照8B/10B格式进行解码，最终还原为16位的并行数据。

使用查找表方式，通过简单的查询操作替换复杂的数据计算，可实现8B/10B编解码电路的设计。

优选地，光电转换电路包括AFBR-57R5APZ芯片，此芯片是一种串行光数据交换器，传输速率最高可达4.25Gb/s，包括光纤接口、电气接口、发送单元和接收单元四个部分；发送单元的一端和电气接口连接，另一端和光纤接口连接；接收单元的一端和电气接口连接，另一端和光纤接口连接。

优选地，发送单元包括激光驱动与保护电路和激光发射器；激光驱动与保护电路的一端和激光发射器的一端通过线路连接，激光驱动与保护电路的另一端通过线路连接至电气接口，激光发射器的另一端通过线路连接至光纤接口。

对于发送部分，首先从电气接口TD+和TD-接收两路差分的电信号，经激光驱动与保护电路的调制与控制后送入激光发射器，激光发射器将电信号转换成承载相应信息的光信号，并发送到光纤进行传输；

优选地，接收单元包括光检测器和放大及量化电路；光检测器的一端和放大及量化电路的一端通过线路连接，光检测器的另一端通过线路连接至光纤接口，放大及量化电路的另一端通过线路连接至电气接口。

对于接收部分，首先从光纤接收光信号，通过光检测器将光信号承载的电信号信息提取出来，再经过放大及量化电路进行放大、去噪处理还原出原电信号，最后通过电气接口RD+和RD-将两路差分的电信号发送出去。

此外，本发明还提到一种高速数字化光纤隔离传输方法，该方法采用如上所述的一种高速数字化光纤隔离传输装置，具体包括如下步骤：

步骤1：发送端高压侧的电压、电流检测信号经A/D转换器转换为数字信号，和保护控制信号复用为一路并行数据，经数据编解码器编码后转换为低速并行电信号；

步骤2：高压侧的SERDES电路将发送的低速并行电信号转换成高速串行信号；

步骤3：高压侧的光电转换电路将高速串行信号调制为光信号；

步骤4：接收端低压侧的光电转换电路将来自高压测的光信号还原为高速串行电信号；

步骤5：低压侧的SERDES电路将接收的高速串行电信号解串成低速并行信号；

步骤6：数据编解码器将低速并行信号解码后还原为发送端初始的并行数据，实现高压侧电流检测和保护信号向低压侧的传输。

本发明所带来的有益技术效果：

数字化光纤传输将数字化技术和光纤传输技术相结合,具有极佳的数据传输性能；

利用光纤进行传输,具有隔离电压等级高、抗干扰能力强、输入动态范围大、响应速度快等优点，可实现高电压与强电磁干扰环境下信号的高速、高精度传输；

采用高速数字化串行通信SERDES技术，将低速并行信号转换成高速串行信号，实现点对点的双线数据传输，可提高传输容量和系统性能，大大降低了通信成本。

附图说明

图1是本发明一种高速数字化光纤隔离传输装置的原理框图。

图2是本发明中光电收发与转换模块AFBR-57R5APZ的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明装置的相关原理如图1所示，包括高速数字化光纤隔离传输装置，该装置包括高压侧单元和低压侧单元；高压侧单元和低压侧单元都包括A/D转换器、数据编解码器、SERDES电路以及光电转换电路；

高压侧的电压、电流检测信号经A/D转换为数字信号，和保护控制等信号复用为一路并行数据，经数据编码后，送入SERDES电路转换成高速串行信号，再通过光电转换器调制为光信号，以光纤作为介质向低压侧传输。低压侧的光电转换器将来自高压测的光信号还原为电信号，再由SERDES电路转换成并行数据，从而实现高压侧电流检测和保护信号向低压侧的传输。同样，低压侧发送的档位控制等信号也经过类似的方式向高压侧传输。

普通数字信号不适合在光纤中直接传输,为了便于光纤接收端接收信号,需要在发送端定义相应的传输协议，对数字信号进行数据编码等处理。数据的编解码功能由高低压侧的FPGA完成，采用的是8B/10B编解码方式。由于8B/10B编解码方式具有良好的直流平衡特性，可有效消除噪声累积，提高信号抗干扰能力,故本发明对输入的并行数据进行8B/10B编码处理后作为SERDES电路的输入，经串行化处理后再发送出去。接收端将接收到的串行数据送入解串模块，串并转换得到的低速并行数据再进行8B/10B解码处理，变成有效的并行数据，完成信号的高速传输。编码时，将16位的并行数据送入输入寄存器，分两次映射为10位编码，在编码表中，设置一些特殊字符(12个K码)对数据流控制和实现字节对齐，K码采用的编码方式，可以帮助接收端进行数据还原，并可用来检查数据流中的传输问题，阻断错误的持续产生。为了便于接收端在数据流中识别出10位编码的边界，发送端首先发送K码作为接收端边界判定的可靠标志，接收端识别出编码的边界后，就可以进行8B/10B解码工作，如果检测到的是10位的无效编码，则给出相应的错误标示。这样，使用查找表方式，通过简单的查询操作替换复杂的数据计算，可实现8B/10B编解码电路的设计。

本发明使用TI公司专用控制芯片TLK1201ARCP来实现SERDES功能，它是一种应用在极高速双向点对点数据传输系统中的兆比特收发器，支持0.6Gbps-1.3Gbps的串行接口速率，具有双工功能，可以同时进行串化和解串处理。高压侧FPGA按照8B/10B格式将16位并行数据编码为10位并行数据，由TLK1201ARCP的发送部分根据参考时钟(GTX_CLK，78MHz)将并行数据进行锁存，该10位数据将以10倍参考时钟的速率(780MHz)以串行方式发送给光电转换电路。低压侧的TLK1201ARCP接收串行数据，根据提取时钟(RX_CLK)进行串并转化后得到10位宽的并行数据，再送入低压侧FPGA中，并按照8B/10B格式进行解码，最终还原为16位的并行数据。

SERDES电路在发送端将低速并行信号转换为高速串行的低压差分信号，从而将多数据并行传输缩减为双线高速串行传输，并在接收端将高速串行信号解码还原为低速并行信号。由于采用差分信号传输代替单端信号进行传输，增强了抗噪声干扰能力；为提高数据传输速率，采用时钟和数据恢复技术取代了传统的同步方式，解决了信号时钟偏移问题；采用多路复用，增加了系统的传输带宽。

光电转换电路通过光纤发送器与光纤接收器完成电信号与光信号之间的相互转换，实现电信号的光传输。其中，光纤发送器将电信号转换为光信号进行发送，光纤接收器将接收到的光信号还原为电信号。为提高传输性能，采用双光纤完成串行通信，而光纤收发器(兼有发送和接收功能)只进行光电信号转换，该过程不改变编码格式，不进行数据处理，只用于点对点的数据传输，从而大大提高了速率。

设计中采用AVAGO公司的光电收发与转换模块AFBR-57R5APZ来实现双线光电信号的转换与传输。AFBR-57R5APZ是一种高性能的串行光数据交换器，传输速率最高可达4.25Gb/s，支持(500m，50μm)和(300m，62.5μm)的MMF光缆(@1.0625Gbd)，内置850nm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)。AFBR-57R5APZ的结构如图2所示，主要包括：光纤接口、电器接口、发送和接收四个部分。对于发送部分，首先从TD+和TD-接收两路差分的电信号，经激光驱动电路的调制与控制后送入激光发射器，最后激光发射器将电信号转换成承载相应信息的光信号，并发送到光纤进行传输。此外，在驱动电路部分还包含其他的辅助电路，它们的作用是保证光信号的输出功率；对于接收部分，首先从光纤接收光信号，通过光检测器将光信号承载的电信号信息提取出来，再经过放大、去噪等处理还原出原电信号，最后通过RD+和RD-接口将两路差分的电信号发送出去。RX_LOS用于接收信号的检测，当接收光信号正常时，输出低电平，异常时则输出高电平。控制和存储电路用于完成器件错误信息诊断和故障的检测、识别、隔离等功能。

采用该方法设计了一个高电压源测单元，输出为3000V/1nA，最小电流设置分辨率为10fA，在高电压微电流输出状态下，输入和输出实现了高速、高隔离的信号传输，获得了优于0.1％的电压、电流输出精度，2μS的最小脉冲测量延迟，小于0.1V的电压源阶跃(0～1nA)过冲，6V/μS的最大压摆率，小于500μS的输出稳定时间，小于300mV的量程切换瞬态噪声，优异的瞬态响应和抗干扰性能。

本发明采用数字编解码和SERDES技术，将低速并行信号转换成高速串行信号，经过双光纤实现了信号双向高速隔离传输。该电路传输速度快，隔离度高，抗干扰性强，具有良好的瞬态响应，在高电压测量、强绝缘微弱信号快速检测等相关领域中具有广泛的应用前景。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高速数字化光纤隔离传输装置，其特征在于：包括高速数字化光纤隔离传输装置，该装置包括高压侧单元和低压侧单元；高压侧单元和低压侧单元都包括A/D转换器、数据编解码器、SERDES电路以及光电转换电路；

A/D转换器，被配置为用于将电压、电流检测信号经A/D转换器转换为数字信号；

数据编解码器，被配置为用于对数字信号进行数据编码和解码处理，使其适合在光纤中直接传输；

SERDES电路，被配置为用于将发送的低速并行信号转换成高速串行信号，同时将接收的高速串行信号解串成低速并行信号；

光电转换电路通过光纤发送器与光纤接收器完成电信号与光信号之间的相互转换，实现电信号的光传输；其中，光纤发送器，被配置为用于将电信号转换为光信号进行发送，光纤接收器，被配置为用于将接收到的光信号还原为电信号；

高压侧的电压、电流检测信号经A/D转换器转换为数字信号，和保护控制信号复用为一路并行数据，经数据编解码器编码后，送入SERDES电路转换成高速串行信号，再通过光电转换电路调制为光信号，低压侧的光电转换电路将来自高压测的光信号还原为电信号，再由低压侧的SERDES电路解串成低速并行信号，经数据编解码器解码后，实现高压侧电流检测和保护信号向低压侧的传输；同理，低压侧发送的档位控制信号也经过类似的方式向高压侧传输。

2.根据权利要求1所述的高速数字化光纤隔离传输装置，其特征在于：数据编解码器采用FPGA，FPGA采用8B/10B编解码方式进行编解码处理。

3.根据权利要求1所述的高速数字化光纤隔离传输装置，其特征在于：SERDES电路包括TLK1201ARCP控制芯片，能够同时进行串码和解串处理。

4.根据权利要求1所述的高速数字化光纤隔离传输装置，其特征在于：光电转换电路包括AFBR-57R5APZ芯片，AFBR-57R5APZ芯片包括光纤接口、电气接口、发送单元和接收单元四个部分；发送单元的一端和电气接口连接，另一端和光纤接口连接；接收单元的一端和电气接口连接，另一端和光纤接口连接。

5.根据权利要求4所述的高速数字化光纤隔离传输装置，其特征在于：发送单元包括激光驱动与保护电路和激光发射器；激光驱动与保护电路的一端和激光发射器的一端通过线路连接，激光驱动与保护电路的另一端通过线路连接至电气接口，激光发射器的另一端通过线路连接至光纤接口。

6.根据权利要求4所述的高速数字化光纤隔离传输装置，其特征在于：接收单元包括光检测器和放大及量化电路；光检测器的一端和放大及量化电路的一端通过线路连接，光检测器的另一端通过线路连接至光纤接口，放大及量化电路的另一端通过线路连接至电气接口。

7.一种高速数字化光纤隔离传输方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的高速数字化光纤隔离传输装置，包括如下步骤：

步骤1：发送端高压侧的电压、电流检测信号经A/D转换器转换为数字信号，和保护控制信号复用为一路并行数据，经数据编解码器编码后转换为低速并行电信号；

步骤2：高压侧的SERDES电路将发送的低速并行电信号转换成高速串行信号；

步骤3：高压侧的光电转换电路将高速串行信号调制为光信号；

步骤4：接收端低压侧的光电转换电路将来自高压测的光信号还原为高速串行电信号；

步骤5：低压侧的SERDES电路将接收的高速串行电信号解串成低速并行信号；

步骤6：数据编解码器将低速并行信号解码后还原为发送端初始的并行数据，实现高压侧电流检测和保护信号向低压侧的传输。