基于FPGA的PROFIBUS-DP總線光電收發(fā)器設(shè)計(jì)

O 引言
PROFIlBUS-DP現(xiàn)場總線以其高速、低成本等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇自動(dòng)化等行業(yè)，它的物理層數(shù)據(jù)傳輸依賴RS-485接口。RS-485接口是一種工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的串行通信接口，可采用“差分”方式在屏蔽雙絞線中傳輸信號(hào)，因而具有較好的抗共模干擾能力，通信距離可達(dá)千米。PROFIBUSDP總線信號(hào)也可使用屏蔽雙絞線傳輸，數(shù)據(jù)速率為9．6 kbps時(shí)的理論傳輸距離為1200米，波特率為12：Mbps時(shí)的理論傳輸距離為100米。但是，由于工業(yè)現(xiàn)場情況錯(cuò)綜復(fù)雜，各種干擾相互疊加，且RS-485標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定單段網(wǎng)絡(luò)最多可支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載)，因此，有必要使用一種中繼設(shè)備來將信號(hào)更準(zhǔn)確、更完整地傳輸?shù)竭h(yuǎn)端設(shè)備。而光纖和其他傳輸介質(zhì)相比具有寬頻、低損耗、屏蔽電磁輻射、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此，用光電收發(fā)器實(shí)現(xiàn)兩線制DP(RS-485)差分信號(hào)數(shù)據(jù)與光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，能夠有效的提高信號(hào)傳輸距離和傳輸質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

1 光電收發(fā)模塊的配置原理
本光電收發(fā)模塊的使用配置如圖1所示。從物理層來說，原來的一個(gè)網(wǎng)段被光纖分成兩段，此時(shí)。收發(fā)器應(yīng)視為相應(yīng)段的總線末端，因此，在收發(fā)器中默認(rèn)內(nèi)置了有終端匹配電阻，以使負(fù)載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，從而達(dá)到消除負(fù)載端信號(hào)反射的目的。每一個(gè)光電收發(fā)器在電氣性能上都占一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此，每段總線上最多可以帶30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS-485負(fù)載設(shè)備。

2 總體設(shè)計(jì)方案
圖2所示是光電收發(fā)器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。該設(shè)計(jì)方案整體上由DP總線數(shù)據(jù)收發(fā)部分、光纖數(shù)據(jù)收發(fā)部分和數(shù)據(jù)傳輸方向控制部分組成。 FPGA作為主控制器負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?、檢測(cè)波特率和數(shù)據(jù)交換功能。其中電源部分采用隔離的DC／DC來減少外部電路的影響。電端DP總線的RS-485收發(fā)器可選用SN75HVD06D，該芯片可支持10 Mbps數(shù)據(jù)速率；而光端的數(shù)據(jù)接收器和發(fā)送器則可選擇AVAGO公司的光發(fā)送器HFBR-14x4Z和光接收器HFBR-24x2Z，它們?cè)?0mA電流驅(qū)動(dòng)下，其62．5／125μm的多模光纖傳輸距離可達(dá)2 km。FPGA芯片選用ALTERA公司的Cvclone系列芯片EPlC3T144C8N，該芯片有2910個(gè)LE單兀、1個(gè)PLL和144個(gè)IO引腳，且性價(jià)比較高。