【導(dǎo)讀】本文介紹了一款雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器設(shè)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(shè)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(shè)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(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(yīng)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(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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(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(shè)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(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)計的實驗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(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，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(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(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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)用于一些總線通信中。
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