CN115664526A - 电气信号光纤中继和复原装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气信号光纤中继和复原装置及方法，该装置包括：光电隔离电路，用于采集并输出经光电隔离处理的电气信号；FPGA芯片，用于将电气信号从模拟量转换成数字量，并进行逻辑处理后转换为支持Aurora协议的数字信号，且通过内置的GTX通信端口将数字信号发出；光纤模块，用于将数字信号转换为光信号，对光信号进行远程传输后转换成支持Aurora协议的数字信号；另一FPGA芯片，用于通过内置的GTX通信端口接收通过Aurora协议传输的数字信号，将数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号。光电隔离电路实现多路电气信号的采集，并经过FPGA芯片转换为支持Aurora协议的数字信号，便于光纤模块远程传输，信号衰减小，实现成本低。

Description

电气信号光纤中继和复原装置及方法

技术领域

本发明涉及信号传输技术领域，特别是涉及一种电气信号光纤中继和复原装置及方法。

背景技术

现代化生产要求实现系统和设备的数字化监测、控制与保护，都基于电气信号的及时、准确和可靠。分布式场景下电气信号的远程传输，需要克服电气信号长距离传输导致的信号衰减及不稳定问题。

传统的电气信号的远距离传输通过电缆进行，使用电缆对多电气信号进行远距离传输时会导致信号衰减，每一路电气信号均需要单独的电缆，成本较高，且电缆传输距离较近(几十米)。分布式仿真是指参与仿真的多个设备处于不同的空间位置，距离较远(几百米)，各个设备间的需要进行电气信号的交互，因此，传统的电缆传输不适合分布式的应用场景。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种电气信号传输成本较低、信号衰减较小的电气信号光纤中继和复原装置及方法。

一种电气信号光纤中继和复原装置，所述装置包括：

光电隔离电路，用于采集并输出经光电隔离处理的电气信号；

FPGA芯片，与所述光电隔离电路相连，用于将所述电气信号从模拟量转换成数字量，并进行逻辑处理后转换为支持Aurora协议的数字信号，且通过内置的GTX通信端口将所述数字信号发出；

光纤模块，与所述FPGA芯片相连，用于将数字信号转换为光信号，对光信号进行远程传输后转换成支持Aurora协议的数字信号；与

另一FPGA芯片，与所述光纤模块相连，用于通过内置的GTX通信端口接收通过Aurora协议传输的数字信号，并将数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号。

进一步的，所述FPGA芯片通过内置GTX通信端口连接所述光纤模块，并采用Aurora协议实现光纤通信。

进一步的，所述FPGA芯片连接有第一时钟与第二时钟，所述第一时钟为所述FPGA芯片的逻辑主时钟，所述第二时钟为所述FPGA芯片通过所述GTX通信端口进行光纤通信的参考时钟。

进一步的，所述光纤模块包括SFP光纤接头，所述SFP光纤接头与所述GTX通信端口连接，用于将数字量电气信号转换成光信号，所述光电隔离电路、FPGA芯片与SFP光纤接头集成在采集板卡上。

进一步的，所述装置还包括OD门电路，所述OD门电路用于连接所述另一FPGA芯片的模拟量电气信号的输出端，用于提高所述模拟量电气信号的驱动能力。

进一步的，所述另一FPGA芯片通过内置GTX通信端口连接所述光纤模块，并采用Aurora协议实现光纤通信。

进一步的，所述光纤模块包括另一SFP光纤接头，所述另一SFP光纤接头与所述GTX通信端口连接，用于将光信号转换成数字量电气信号，所述另一SFP光纤接头、另一FPGA芯片与OD门电路集成在复原板卡上。

一种电气信号光纤中继和复原方法，所述方法应用于上述所述的电气信号光纤中继和复原装置；

所述方法包括：

采集并输出经光电隔离处理的电气信号；

将所述电气信号从模拟量转换成数字量，并进行逻辑处理后转换为支持Aurora协议的数字信号，且通过内置的GTX通信端口将所述数字信号发出；

将所述数字信号转换为光信号，对光信号进行远程传输后转换成支持Aurora协议的数字信号；

通过内置的GTX通信端口接收通过Aurora协议传输的数字信号，并将数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号。

进一步的，所述对支持Aurora协议的数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号，之后还包括：

提升所述模拟量电气信号的输出功率。

上述电气信号光纤中继和复原装置及方法，光电隔离电路可实现多路电气信号的采集，并经过FPGA芯片由模拟量转换为支持Aurora协议的数字信号，以便于通过光纤模块进行远程传输。相比与传统的对每路电气信号配备专用电缆进行传输，本装置使多路电气信号共用光纤模块完成传输，实现成本低。同时，光纤传输通信速率较快，传输距离较远，保证信号不失真，信号衰减较小。

附图说明

图1为一个实施例的电气信号光纤中继和复原装置模块图；

图2为图1中电气信号光纤中继和复原装置原理图；

图3为图2中采集板卡示意图；

图4为图2中复原板卡示意图；

图5为一个实施例的电气信号光纤中继和复原方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种电气信号光纤中继和复原装置，包括信号采集模块110、信号转换模块120、光纤模块130与信号复原模块140。信号采集模块110电连接信号转换模块120，信号转化模块120通过光纤模块130与信号复原模块140电连接。

如图2所示，信号采集模块110用于采集并输出经光电隔离处理的电气信号。具体的，信号采集模块110采用光电隔离电路112，通过光电隔离电路112的作用，在光电隔离的情况下，以光为媒介传送信号，对输入和输出电路进行隔离，因而能有效地抑制噪声，消除干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等优点。此外，信号采集模块110还可以采用光电耦合器，比如常用的线性光耦是PC817A-C系列。线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。

在本实施例中，信号转换模块120用于将电气信号从模拟量转换成数字量，并进行逻辑处理后转换为支持Aurora协议的数字信号。具体的，信号转换模块120包括具有GTX通信端口的FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程逻辑门阵列)芯片、第一时钟121与第二时钟122，FPGA芯片通过GTX通信端口连接光纤模块130，通过内置的GTX通信端口将支持Aurora协议的数字信号发出，采用Aurora协议实现光纤通信。第一时钟121为FPGA芯片的逻辑主时钟，第二时钟122为FPGA芯片通过GTX通信端口进行光纤通信的参考时钟，因GTX通信端口为高速串行通信端口，GTX对时钟性能要求较高，故采用第二时钟为GTX单独提供参考时钟。采用第一电源与第二电源为FPGA芯片供电，以避免FPGA芯片出现掉丢失数据。看门狗用于监测FPGA逻辑，在逻辑控制程序异常时对其进行复位。NOR Flash是FPGA逻辑控制程序的存储器。第一电源与第二电源中一个直接供电，另一个作为备用电源，将逻辑控制程序载入FPGA芯片，由第一时钟121作为逻辑主时钟，输出时钟信号，第二时钟122作为参考时钟输出时钟信号，以实现电气信号从模拟量到数字量再到支持Aurora协议的数字信号的高速同步转换。为了实现多路电气信号的采集，可采用多路光隔离电路112，该多路光隔离电路112均与FPGA芯片电连接，以将所采集的多个电气信号传输至FPGA芯片，由FPGA芯片将模拟量的多个电气信号转换成支持Aurora协议的数字信号，进而由光纤模块130进行远程传输。

在本实施例中，光纤模块130用于将数字信号转换为光信号，对光信号进行远程传输后转换成支持Aurora协议的数字信号。数字光纤通信采用二进制信号，信息有脉冲的“有”和“无”表示，所有噪声不影响传输的质量。而且，数字光纤通信系统采用数字电路，易于集成以减少设备的体积与功耗，转接交换方便，便于与计算机结合，有利于降低成本，数字通信抗干扰性强，传输质量好。具体的，光纤模块130包括SFP光纤接头131、另一SFP光纤接头132与光纤线缆133，SFP光纤接头131与另一SFP光纤接头132之间通过光纤线缆133连接。SFP光纤接头131与GTX通信端口连接，FPGA采用高速同步信号技术将电气信号转化为支持Aurora协议的数字信号，经GXT通信端口输入SFG光纤接头131，经SFG光纤接头转换成光信号，以在光纤线缆133中传输。在GTX通信端口安装SFP光纤接头131同时采用Aurora协议实现光纤通信功能，以将转化后得到的数字量信号的进行低延时、长距离传输。光电隔离电路112、FPGA芯片与SFP光纤接头131集成在采集板卡上，参见图3。采集板卡具有电气信号采集和光纤通信功能，优选采用具有GTX(高速串行通信端口)的FPGA作为主控芯片。

在本实施例中，信号复原模块140用于对支持Aurora协议的数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号。采集板卡中，电气信号由模拟量转换成支持Aurora协议的数字信号后，数字信号经由SFP光纤接头131转换成光信号进入光纤线缆133，远程传输后经由另一SFP光纤接头132将光信号转换成支持Aurora协议的数字信号后进入信号复原模块140。优选的，信号复原模块140采用具有GTX通信端口的另一FPGA芯片、第三时钟141与第四时钟142，该另一FPGA芯片通过内置GTX通信端口连接光纤模块130的另一SFP光纤接头132，并采用Aurora协议实现光纤通信，通过内置的GTX通信端口接收通过Aurora协议传输的数字信号。第三时钟141为该另一FPGA芯片的逻辑主时钟，第四时钟142为该另一FPGA芯片通过GTX通信端口进行光纤通信的参考时钟，因GTX通信端口为高速串行通信端口，GTX对时钟性能要求较高，故采用第四时钟142为GTX单独提供参考时钟。采用第三电源与第四电源为FPGA芯片供电，以避免FPGA芯片出现掉丢失数据。配备另一看门狗用于监测另一FPGA逻辑，在逻辑控制程序异常时对其进行复位。另一NORFlash是该另一FPGA逻辑控制程序的存储器。第三电源与第四电源中一个直接供电，另一个作为备用电源，将逻辑控制程序载入该另一FPGA芯片，由第三时钟141作为逻辑主时钟，输出时钟信号，第三时钟142作为参考时钟输出时钟信号，以实现电气信号从支持Aurora协议的数字信号到数字量再到模拟量的高速同步转换。

在本实施例中，电气信号光纤中继和复原装置还包括OD门电路150，该OD门电路150用于连接信号复原模块的模拟量电气信号的输出端，用于提高该模拟量电气信号的驱动能力。通过另一FPGA芯片结合OD门电路150，完成模拟量电气信号的复原，并提升其驱动能力，以便于后续用于对现场系统或设备的控制。另一SFP光纤接头132另一FPGA芯片与OD门电路150集成在复原板卡上，参见图4。OD门电路150输出的复原的模拟量电气信号有较强的输出功率(约36W)，带载能力强大，便于驱动后续的设备。

上述电气信号光纤中继和复原装置，光电隔离电路可实现多路电气信号的采集，并经过FPGA芯片由模拟量转换为支持Aurora协议的数字信号，以便于通过光纤模块进行远程传输。相比与传统的对每路电气信号配备专用电缆进行传输，本装置使多路电气信号共用光纤模块完成传输，实现成本低。同时，光纤传输通信速率较快，传输距离较远，保证信号不失真，信号衰减较小。通过FPGA芯片转换信号对现场系统或设备进行控制，延时较低，可达到纳秒级。

此外，本发明还提供了一种应用于上述电气信号光纤中继和复原装置的电气信号光纤中继和复原方法。

如图5所示，一种电气信号光纤中继和复原方法，包括以下步骤：

步骤S510，采集并输出经光电隔离处理的电气信号。采用光电隔离电路对模拟量的电气信号进行采集。

步骤S520，将电气信号从模拟量转换成数字量，并进行逻辑处理后转换为支持Aurora协议的数字信号，且通过内置的GTX通信端口将数字信号发出。光电隔离电路可采集多路电气信号，并将多路电气信号传输至FPGA芯片，优选的，采用具有GTX的FPGA芯片进行模拟量电气信号至数字量电气信号的转换，转换效率高，延时低。

步骤S530，将数字信号转换为光信号，对光信号进行远程传输后转换成支持Aurora协议的数字信号。采用光纤模块对数字信号进行远程传输。数字光纤通信采用二进制信号，所有噪声不影响传输的质量。而且，数字光纤通信系统采用数字电路，易于集成以减少设备的体积与功耗，转接交换方便，有利于降低成本，数字通信抗干扰性强，传输质量好。

步骤S540，通过内置的GTX通信端口接收通过Aurora协议传输的数字信号，并将数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号。另一FPGA芯片将支持Aurora协议的数字信号转换成模拟量电气信号，优选的，采用具有GTX的另一FPGA芯片进行支持Aurora协议的数字信号至模拟量电气信号的转换，转换效率高，延时低。

步骤S550，提升模拟量电气信号的输出功率。采用OD门电路连接另一FPGA芯片的模拟量电气信号的输出端，OD门电路输出的复原电气信号有较强的输出功率，带载能力强大，便于驱动后续的设备。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种电气信号光纤中继和复原装置，其特征在于，所述装置包括：

光电隔离电路，用于采集并输出经光电隔离处理的电气信号；

FPGA芯片，与所述光电隔离电路相连，用于将所述电气信号从模拟量转换成数字量，并进行逻辑处理后转换为支持Aurora协议的数字信号，且通过内置的GTX通信端口将所述数字信号发出；

光纤模块，与所述FPGA芯片相连，用于将数字信号转换为光信号，对光信号进行远程传输后转换成支持Aurora协议的数字信号；与

另一FPGA芯片，与所述光纤模块相连，用于通过内置的GTX通信端口接收通过Aurora协议传输的数字信号，并将数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号。

2.根据权利要求1所述的电气信号光纤中继和复原装置，其特征在于，所述FPGA芯片通过内置的GTX通信端口连接所述光纤模块，并采用Aurora协议实现光纤通信。

3.根据权利要求2所述的电气信号光纤中继和复原装置，其特征在于，所述FPGA芯片连接有第一时钟与第二时钟，所述第一时钟为所述FPGA芯片的逻辑主时钟，所述第二时钟为所述FPGA芯片通过所述GTX通信端口进行光纤通信的参考时钟。

4.根据权利要求3所述的电气信号光纤中继和复原装置，其特征在于，所述光纤模块包括SFP光纤接头，所述SFP光纤接头与所述GTX通信端口连接，用于将数字量电气信号转换成光信号，所述光电隔离电路、FPGA芯片与SFP光纤接头集成在采集板卡上。

5.根据权利要求1所述的电气信号光纤中继和复原装置，其特征在于，所述装置还包括OD门电路，所述OD门电路用于连接所述另一FPGA芯片的模拟量电气信号的输出端，用于提高所述模拟量电气信号的驱动能力。

6.根据权利要求5所述的电气信号光纤中继和复原装置，其特征在于，所述另一FPGA芯片通过内置的GTX通信端口连接所述光纤模块，并采用Aurora协议实现光纤通信。

7.根据权利要求6所述的电气信号光纤中继和复原装置，其特征在于，所述光纤模块包括另一SFP光纤接头，所述另一SFP光纤接头与所述GTX通信端口连接，用于将光信号转换成数字量电气信号，所述另一SFP光纤接头、另一FPGA芯片与OD门电路集成在复原板卡上。

8.一种电气信号光纤中继和复原方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-7中任意一项所述的电气信号光纤中继和复原装置；

所述方法包括：

采集并输出经光电隔离处理的电气信号；

将所述电气信号从模拟量转换成数字量，并进行逻辑处理后转换为支持Aurora协议的数字信号，且通过内置的GTX通信端口将所述数字信号发出；

将所述数字信号转换为光信号，对光信号进行远程传输后转换成支持Aurora协议的数字信号；

通过内置的GTX通信端口接收通过Aurora协议传输的数字信号，并将数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号。

9.根据权利要求8所述的电气信号光纤中继和复原方法，其特征在于，所述通过内置的GTX通信端口接收通过Aurora协议传输的数字信号，并将数字信号进行逻辑处理复原为数字量电气信号，并将数字量电气信号转换为模拟量电气信号，之后还包括：

提升所述模拟量电气信号的输出功率。

Images