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工业通信中光电耦合器的应用

2020-11-30 08:38:02 中国新技术新产品 2020年17期

黄俊民

摘? 要:光电耦合器作为一种非常重要的光电器件,能够调节电流的状态,可以满足当前工业系统高规格的隔离和保护要求。特别是近几年,随着数字通信技术的不断发展,固体继电器与光隔离器等部件被广泛应用在机械行业中,为光耦合器提供了广阔的市场。光耦合器在未来的发展过程中,将会体积更小、性能更高、重量更轻、运转速度更快。

关键词:工业通信;光电耦合器;结构原理

中图分类号:TN622? ? ? ? ? ? ? 文献标志码:A

0 引言

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电-光-电转换器件。由于该器件使用寿命长、工作温度范围宽,所以在过程控制、工业通信、家用电器、医疗设备、通信设备、计算机以及精密仪器等方面有着广泛应用[1]。在当前工艺技术持续发展与提升的过程中,其工作速度、工作电流以及集成水平等性能,均会得到较大提升。为了进一步拓展光耦的功能,在普通光电耦合器件的基础上,可以通过LED进行调制信号的加载工作,通过光形式的专属信号、光电二极管的提取以及接收光信号的方式,同时对相关数据进行恢复处理,能够在电-光-电转换过程中进行传输数据,实现通信的功能。

1 光电耦合器结构分析

光電耦合器是以光为媒介传输电信号,对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以它在各种电路中得到广泛应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内,然后把发光器件的管脚作为输入端,把光接收器的管脚作为输出端。当在输入端加电信号时,发光器件发光。这样,光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以光为媒介的电信号传输,而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体光电子器件。光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接3种。

2 工业通信的原理

数字通信主要是借助数字信号来传递信息以及数据,而电子电路中的数字信号主要通过“0”与“1”二值逻辑表示信息信号,之后即能够通过数字信道实现信息传递的目的。为了有效提高信息传输的保密性以及稳定性,同时为了促使信道利用率得到进一步提升,在开展信号传输工作前,采用不同编码手段对信号频谱进行调整,可以使信号抗干扰能力得到有效提升,减少系统噪声与外界噪声造成的干扰问题。之后借助调制器科学调制信号,能够有效拓展信号频谱,仅提高其与信道传输的适用性,将信道作用充分发挥出来,有效保证了传输性能。另外,对于数字信号来说,同步环节具有重要地位,如果是帧同步与时钟同步缺少准确性,那么信息准确性也会受到直接影响。信号借助无线信号或是有线信道向接收端传输信号之后,进行解调以及译码等处理后即能恢复信息[2]。对于数字通信来说,程控交换技术同样非常重要,其主要是以及电话交换机相关技术作为支撑,逐渐演变成程控交换机,将交换程序输入计算机中,就能实现信息的接驳控制,最初的信息类型仅涵盖语音类型,在发展过程中不断丰富,数据信息类型种类更加多元,通过交换机的应用,有效提高了通信体系维护管理工作的灵活性、可靠性与便捷性,促使其功能更加丰富,因此,借助控制App可以拓展硬件功能,促使信息服务质量得到有效提升。

3 微型处理器的通信及接口

选择ARM32位内核STM32处理器作为ECON控制器的CPU,I/O接口数量为12个,能够实现数字输入、数字输出以及模拟等功能[3]。数字舵机和外部传感器应该借助该I/O结构实现和ECON控制器构建通信的目的。其主要涵盖数字量和模拟量2种通信信号,数字信号接收端可以选择I/O接口D引脚,然而如果是在不同ECON控制器中构建通信,那么不能够仅借助数字线开展,而应该针对通信电缆科学设置相应的辅助电路。

4 微型处理器之间通信电路设计

微型处理器共有12个I/O通信端口,能够满足能力源C6工程中大部分项目的要求,然而对于柔性制造体系、汽车生产线模拟以及AGV导引小车等结构复杂以及创新性较强的项目来说,I/O接口会出现数量不足的问题,所以需要保证各个控制器能够充分配合,这样才能够保证工作任务的顺利完成。

5 多个微型处理器配合工作原理

在多个微型处理器通过配合完成复杂项目任务时,不同控制器应该保证自身的工作任务能够准备充分。系统基于特定时间段或是特定状态,触发数字信号,保证不同控制器均能完成自身工作。图1为2个ECON102控制器之间进行配合工作。

从图1中可以看出,控制器1与控制器2中的I/O 10接口,借助触发电路进行连接,控制器1中的传感器发现特定环境参数之后,该控制器中的I/O 10接口会发送二进制信号,信号位数为1位,之后触发电路向控制器2中的I/O结构传输触发信号,该种情况下,控制器2的中央处理器完成触发信号接收后,发动控制指令,让控制器2稳定运转。

6 光电耦合器在通信电路中的应用

光电耦合器在长线信息传输中作为终端隔离元件,可以大幅度提高信噪比。所以,它在各种电路中得到了广泛应用。

根据它的特性,人们利用光电耦合器制作可控的光电开关,对开关电路和高压电路能够起到非常好的控制和稳压作用,为人们的使用提供了诸多方便。由于微机处理器会完成触发信号接收工作,所以可以将通信电缆电路视为触发电路,能够借助光耦电路达成这一目标。对于通信电路来说,TLP521光电耦合器是核心器件,其主要特点就是工作温度宽、响应速度快以及信号基本上不会发生失真问题。光电耦合器之所以能够在传输信号的同时,有效地抑制尖脉冲和各种杂讯干扰,使通道上的信号杂讯比得到提高,主要有以下4个方面的原因。1)光电耦合器的输入阻抗很小,只有几百欧姆,而干扰源的阻抗较大,通常为105 Ω~106 Ω。根据分压原理可知,即使干扰电压的幅度较大,但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压也会很小,只能形成很微弱的电流,由于没有足够的能量而不能使二极体发光,从而被抑制掉了。2) 光电耦合器的输入回路与输出回路之间既没有电气联系又没有共地。二者之间的分布电容极小,而绝缘电阻又很大,因此回路一边的各种干扰杂讯很难通过光电耦合器馈送到另一边去,避免了公共阻抗耦合干扰信号的产生。3)光电耦合器可以起到很好的安全保障作用,即使外部设备出现故障,甚至输入信号线短接时,也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。4)光电耦合器的回应速度极快,其回应延迟时间只有10 μs左右,适用于对回应速度要求很高的场合。

7 工业自动化行业光电耦合器通信发展趋势

科技的不断发展为光电耦合通信创造了较多的可能性以及较大的发展空间,以太网、互联网以及其他网络技术构建较为完善,有线通信开始被无线通信取代,并逐渐成为通信行业中的关键通信技术手段,在通信市场中的占有率持续增加,发展为自动化通信体系中的关键方式[4]。因为光耦通信技术的应用优势非常突出,在复杂工业条件下可以保证通信服务质量,所以使相关人员能够在恶劣条件下进行可靠、稳定的通信,保证工业自动化能够获得更多的优质服务。通过对光耦通信发展趋势的深入分析能够发现,未来光耦通信技术的安全性、效率等性能均会得到有效提升,并且相关人员会将减少光耦通信发展过程中的能耗问题作为主要研究内容。基于工业生产条件差异,需要科学选择通信手段,强化有线通信和无线通信之间的联合,促使通信系统和无线通信之间能够充分进行整合,充分兼容不同厂商的设备,科学制定无线通信协议,保证协议具有良好的通用性,进而促使工业自动化产业能够获得良好的光耦通信服务。同时,工作人员需要对无线通信的传输速率进行提升,提高无线网络的实际覆盖范围。无线通信将会是未来通信领域的主流通信方式,具有良好的发展前景。

8 SPI通信中光耦应用案例

SPI即串行外设接口,在MCU与其他外围设备中有着广泛应用,可以通过串行形式进行通信并实现信息交换。其能够和不同厂商、不同标准的器件直接连接。光耦的结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起,使被隔离的2个部分的电路通过光电耦合器内的光传递信号,使被隔离的2个部分的电路之间在没有电的情况下直接连接,防止因有电的连接而引起干扰及损坏。光耦隔离方式因其耐压高、抗干擾能力强、成本低而广泛应用于各种隔离电路中。

SPI具有同步、高速以及全双工等特点,同时芯片管脚占用路线的最高值为4根,能够有效节省芯片管脚,同时主从设备在进行通信时,均是采用主设备的时钟信号,通信可靠。部分隔离电路需要SPI通信的情况下,可以通过光耦实现信号隔离,其经济性与可行性均较为突出。

9 结论

总之,在工业行业中光耦通信具有重要的应用地位,其社会效益和经济效益也十分显著,可有效解决输出与负载隔离的问题。因此,相关人员在实际应用时,要根据不同的电路选择不同类型的光电耦合器,但必须与现阶段的工业通信需要相符,正确认识新型通信应用的优势,保证通信技术的稳定发展。

参考文献

[1]张玲.无线通讯技术在数字化中的应用研究[J].中国新通信,2017,19(13):113.

[2]孙秀蓉.数字通信技术原理及其应用[J].科技创新与应用,2020(20):169-170.

[3]陆泉森,李军,鲍鸿,等.光耦隔离技术在智能测控系统中的应用[J].机械与电子,2008(2):53-56.

[4]杨海平.光耦合器在通信中的应用探讨[J].科技致富向导,2015(2):82,233.

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