【導讀】本文介紹了一款雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器設計方案，并通過分析及實驗證明，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)相對旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)之間的非接觸通信，同時結(jié)構(gòu)簡，單易于實現(xiàn)，機械加工精度要求低，成本低，彌補了現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實現(xiàn)方法中的不足。
在一些設備或裝置中需要在相對旋轉(zhuǎn)的部件之間進行相互通信，傳輸如視頻信號、音頻信號、控制信號、傳感信號等。現(xiàn)今使用的旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實現(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)軸中需要進行液壓、氣壓傳動以及需要布設其他線路的場合則不適用，且機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)采用光電耦合進行非接觸信號傳輸，目前文獻中存在一些利用紅外耦合實現(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用。
為了解決上述旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實現(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，整個裝置結(jié)構(gòu)簡單，對機械加工精度要求低，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度覆蓋的復合光場，使光電二極管轉(zhuǎn)到任意角度時都能接收到來自相對的LED發(fā)光管的光信號，從而實現(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,設固定套管上的光電二極管數(shù)量為n個，臨界數(shù)量為Q1個，固定套管上的LED發(fā)光管數(shù)量為m個，臨界數(shù)量為Q2個，則臨界數(shù)量Q1、Q2應滿足以下關(guān)系式：
同時要使兩通道光信號不相互干擾還應滿足約束條件：r/R>sin(α/2)。
要使信號雙向傳輸時各個光電二極管能穩(wěn)定正確接收信號，應使固定套管上的LED發(fā)光管的數(shù)量m大于[Q2]個，光電二極管的數(shù)量n大于[Q1]個，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位于設備的轉(zhuǎn)臺或轉(zhuǎn)軸上，信號收發(fā)電路模塊Ⅱ位于設備的固定部分，信號收發(fā)電路模塊Ⅰ、Ⅱ功能相同，有兩個作用：1)將設備轉(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使波形平穩(wěn)。
實驗與結(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)中進行的，光場的分布會對信號的傳輸質(zhì)量造成影響。實驗的目的是驗證設計是否合理，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。實驗的電路原理圖如圖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。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，紅外發(fā)射與接收器件目前已廣泛應用于遙控、遙測和短距通信等領(lǐng)域。
在本設計的實驗中選用市售具有較高響應速度的紅外發(fā)光二極管和光電二極管作為連接器中的光通信器件。選用單片機作為轉(zhuǎn)臺上的信號發(fā)送與接收控制器，用微機作為上位機，兩者通過RS232串口和旋轉(zhuǎn)連接器連接通信。為降低線路復雜性，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：光伏模式和光導模式。在光伏模式時，光電二極管可以非常精確地線性工作;在光導模式下，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，會使信號傳輸誤碼率大大增加，需要加入溫度補償電路。實驗在一個較理想的條件下進行，環(huán)境溫度不大，光電二極管工作在光導模式。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)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標。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、傳輸設備故障及其他因素都會導致誤碼(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界面如圖8所示，該界面使用VB編寫，簡潔易操作。當然，也可以使用串口通信助手小軟件作為上位機通信界面。實驗中，在一定轉(zhuǎn)速下單片機與微機相互發(fā)送一定量的字節(jié)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計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，而實際信息多以字節(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，進行校驗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時間所致，但波形未變，由串口的通信協(xié)議可知，在無噪聲干擾時通信完全可持續(xù)進行。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：實驗中所設計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)實現(xiàn)方法中的不足，設計了一種易于實現(xiàn)的雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接裝置的方案，對其原理進行了分析并通過實驗對該設計方法的實際可行性進行了驗證。實驗結(jié)果表明，本方案能夠?qū)崿F(xiàn)相對旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)之間的非接觸通信，同時結(jié)構(gòu)簡單，機械加工精度要求低，成本低，某些場合下可以代替光纖連接器實現(xiàn)多路多通道數(shù)據(jù)傳輸，也可應用于一些總線通信中。
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