在一些設(shè)備或裝置中需要在相對旋轉(zhuǎn)的部件之間進(jìn)行相互通信,傳輸如視頻信號、音頻信號、控制信號、傳感信號等?,F(xiàn)今使用的旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法主要有:
1)采用光纖旋轉(zhuǎn)連接器,但是該器件必須安裝于旋轉(zhuǎn)軸中心或允許偏離中心很小的距離,在一些旋轉(zhuǎn)軸中需要進(jìn)行液壓、氣壓傳動以及需要布設(shè)其他線路的場合則不適用,且機(jī)械加工精度要求也較高;
2)采用集電環(huán),但是隨著信號傳輸路數(shù)的增加需要相應(yīng)增加集電環(huán)數(shù),使信號傳輸可靠性降低,且容易受到環(huán)境電磁干擾;
3)采用光電耦合進(jìn)行非接觸信號傳輸,目前文獻(xiàn)中存在一些利用紅外耦合實(shí)現(xiàn)在相對旋轉(zhuǎn)的部件之間的通信的方案,但是紅外發(fā)射與接收電路及信號變換電路集于光電耦合板中且光信號軸向發(fā)射,使旋轉(zhuǎn)連接件體積較大在一些空間受到限制的場合難以應(yīng)用。
為了解決上述旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法中的一些不足,本文提出一種基于光電耦合技術(shù)的旋轉(zhuǎn)信號傳輸裝置。該旋轉(zhuǎn)信號傳輸裝置在相對旋轉(zhuǎn)的部件之間以光為信號載體進(jìn)行非接觸信號傳輸,使用發(fā)光二極管(LED)和光電二極管作為光發(fā)射器件與光接收器件,整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單,對機(jī)械加工精度要求低,易于組裝和安裝,且成本低。
雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器組成及原理
本裝置由信號收發(fā)電路模塊Ⅰ、信號收發(fā)電路模塊Ⅱ、光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件三部分組成,如圖1所示。
1 光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件
如圖2所示,光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件套在設(shè)備的轉(zhuǎn)動軸上,旋轉(zhuǎn)套管固定于轉(zhuǎn)動軸隨轉(zhuǎn)動軸一起轉(zhuǎn)動,固定套管通過法蘭結(jié)構(gòu)與設(shè)備的固定平臺連接。考慮到在光電傳輸?shù)倪^程中,外界光輻射以及發(fā)光LED在套管內(nèi)壁的反射光也會對信號傳輸可靠性造成影響,對因此在固定套管內(nèi)壁涂有吸光涂層以吸收外界光輻射和反射光。
1.1 工作原理
旋轉(zhuǎn)套管隨轉(zhuǎn)動軸一起轉(zhuǎn)動,使旋轉(zhuǎn)套管和固定套管上的LED和光電二極管發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,其空腔內(nèi)形成360度覆蓋的復(fù)合光場,使光電二極管轉(zhuǎn)到任意角度時(shí)都能接收到來自相對的LED發(fā)光管的光信號,從而實(shí)現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)中傳遞信號。
1.2發(fā)光LED及與光電二極管數(shù)量的確定
如圖3所示,若已知LED發(fā)光管的發(fā)射全角為α,光電二極管的接收全角為β,固定套管內(nèi)壁半徑為R,旋轉(zhuǎn)套管外壁半徑為r,設(shè)固定套管上的光電二極管數(shù)量為n個(gè),臨界數(shù)量為Q1個(gè),固定套管上的LED發(fā)光管數(shù)量為m個(gè),臨界數(shù)量為Q2個(gè),則臨界數(shù)量Q1、Q2應(yīng)滿足以下關(guān)系式:
同時(shí)要使兩通道光信號不相互干擾還應(yīng)滿足約束條件:r/R>sin(α/2)。
要使信號雙向傳輸時(shí)各個(gè)光電二極管能穩(wěn)定正確接收信號,應(yīng)使固定套管上的LED發(fā)光管的數(shù)量m大于[Q2]個(gè),光電二極管的數(shù)量n大于[Q1]個(gè),其中[Q1]、[Q2]分別表示Q1、Q2的整數(shù)部分。
2 信號收發(fā)電路模塊
信號收發(fā)電路模塊Ⅰ位于設(shè)備的轉(zhuǎn)臺或轉(zhuǎn)軸上,信號收發(fā)電路模塊Ⅱ位于設(shè)備的固定部分,信號收發(fā)電路模塊Ⅰ、Ⅱ功能相同,有兩個(gè)作用:1)將設(shè)備轉(zhuǎn)軸上或固定平臺上的發(fā)來的電信號變換為能夠驅(qū)動發(fā)光二極管的電信號;2)將光電檢測信號放大并經(jīng)過波形的整形穩(wěn)幅后發(fā)送給設(shè)備轉(zhuǎn)軸上或固定平臺上的控制系統(tǒng)。
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信號收發(fā)電路模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于發(fā)光LED與相應(yīng)的接收光電二級管處于相對旋轉(zhuǎn)之中,光電二極管接收到的有效光功率并不穩(wěn)定,而是處于波動狀態(tài),因此得到的光電檢測信號也是波動的。一般由于光電檢測信號較弱,在輸入信號收發(fā)電路模塊后首先要通過放大電路對檢測信號進(jìn)行放大,放大后的信號波形上升和下降速度變慢,波形穩(wěn)定部分也會有一定的波動。因此信號波形還要經(jīng)過整形穩(wěn)幅電路處理以提升其上升和下降速度同時(shí)使波形平穩(wěn)。
實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
由于在旋轉(zhuǎn)連接部件中光信號發(fā)射與接收是在相對旋轉(zhuǎn)中進(jìn)行的,光場的分布會對信號的傳輸質(zhì)量造成影響。實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理,為此測試了雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器對物理層中位信號的傳輸性能,包括誤碼率的大小、輸入連接器的信號與輸出連接器的信號波形比較。實(shí)驗(yàn)的電路原理圖如圖5所示。
1 器件選擇
光發(fā)射器件可以選用紅外LED、白光LED、激光二極管等,光接收器件可以選用PIN光電二極管,光電三極管等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,紅外發(fā)射與接收器件目前已廣泛應(yīng)用于遙控、遙測和短距通信等領(lǐng)域。
在本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中選用市售具有較高響應(yīng)速度的紅外發(fā)光二極管和光電二極管作為連接器中的光通信器件。選用單片機(jī)作為轉(zhuǎn)臺上的信號發(fā)送與接收控制器,用微機(jī)作為上位機(jī),兩者通過RS232串口和旋轉(zhuǎn)連接器連接通信。為降低線路復(fù)雜性,轉(zhuǎn)臺上的電路使用9v層疊電池穩(wěn)壓為5v做電源。
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2 信號收發(fā)電路模塊Ⅰ、Ⅱ的電路
光電二極管一般有兩種工作模式:光伏模式和光導(dǎo)模式。在光伏模式時(shí),光電二極管可以非常精確地線性工作;在光導(dǎo)模式下,光電二級的切換速度較高,但具有明顯的非線性,同時(shí)即使在無光條件下也會產(chǎn)生暗電流引入噪聲。光電二級管暗電流大小與溫度有關(guān),在溫度變化較大的場合噪聲較強(qiáng),會使信號傳輸誤碼率大大增加,需要加入溫度補(bǔ)償電路。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)較理想的條件下進(jìn)行,環(huán)境溫度不大,光電二極管工作在光導(dǎo)模式。圖6為光電檢測信號的兩級放大與整形穩(wěn)幅電路,圖7為LED發(fā)光管驅(qū)動電路。各元件具體參數(shù)値根據(jù)實(shí)際選擇調(diào)整。
3 誤碼率測試
誤碼率(BER:biterrorratio)是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo)。誤碼率=傳輸中的錯誤碼元數(shù)/所傳輸?shù)目偞a元數(shù)。信號衰變、噪聲、交流電或閃電造成的脈沖、傳輸設(shè)備故障及其他因素都會導(dǎo)致誤碼(比如傳送的信號是1,而接收到的是0;反之亦然)。誤碼率測試的上位機(jī)界面如圖8所示,該界面使用VB編寫,簡潔易操作。當(dāng)然,也可以使用串口通信助手小軟件作為上位機(jī)通信界面。實(shí)驗(yàn)中,在一定轉(zhuǎn)速下單片機(jī)與微機(jī)相互發(fā)送一定量的字節(jié)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)雙方正確接收的字節(jié)數(shù)據(jù)。
由于碼元錯誤不方便直接統(tǒng)計(jì),而實(shí)際信息多以字節(jié)傳送,故以接收字節(jié)數(shù)據(jù)的錯誤率作為誤碼率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1和表2所示,可以看出雙通道發(fā)送數(shù)據(jù)均存在不同程度的誤碼,試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速的不同對誤碼率影響不明顯,并且誤碼率不超過2%,不是很高,進(jìn)行校驗(yàn)及糾錯處理后可以滿足一般通信需求。
4 信號波形對比
單片機(jī)發(fā)送一組6.2kHz矩形脈沖模擬位信號用示波器觀察到如圖9、圖10所示波形。圖9中上方為單片機(jī)發(fā)出的矩形脈沖序列波形,下方為通過雙通道光電耦合旋轉(zhuǎn)連接器后的信號波形。可以看出后者稍有延遲,很可能是器件的響應(yīng)時(shí)間所致,但波形未變,由串口的通信協(xié)議可知,在無噪聲干擾時(shí)通信完全可持續(xù)進(jìn)行。圖10中上方的波形為光電二級管輸出信號波形,可以看出信號下降沿下降速度變慢,波形產(chǎn)生明顯失真。下方波形為經(jīng)過放大整形穩(wěn)幅后的波形,即通過雙通道光電耦合旋轉(zhuǎn)連接器后的信號波形,已經(jīng)有很大的改善。對比結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)連接器對物理層位信號的傳輸失真較小。
結(jié)論
本文針對現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法中的不足,設(shè)計(jì)了一種易于實(shí)現(xiàn)的雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接裝置的方案,對其原理進(jìn)行了分析并通過實(shí)驗(yàn)對該設(shè)計(jì)方法的實(shí)際可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本方案能夠?qū)崿F(xiàn)相對旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)之間的非接觸通信,同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)械加工精度要求低,成本低,某些場合下可以代替光纖連接器實(shí)現(xiàn)多路多通道數(shù)據(jù)傳輸,也可應(yīng)用于一些總線通信中。
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