基于塑料光纖的高壓隔離通信接口設計

圖4顯示的信號頻率為1 MHz，對驅動模塊進行了實際的頻率特性試驗，從1 Hz開始，以10倍的系數增加信號頻率，一直到10 MHz為止。試驗結果顯示，在1 Hz～10 MHz的頻率范圍內，輸出的波形有固定的100 ns的延遲，信號輸出波形無干擾，邊沿干凈。之后對驅動模塊的電壓特性進行測試，在電源電壓1．5～6V的電壓范圍內，輸出波形干凈，說明該驅動模塊的工作電壓范圍比較寬。涵蓋了1．8、2．7、3．3、5 V等常用的工作電壓范圍。將光發送模塊的工作電壓從1．5～6V范圍內變化，光接收模塊的工作電壓固定為某一個值，如3．3 V時，輸出信號電壓和光接收模塊的工作電壓相同，也為3．3 V。以上試驗說明，光收發模塊可以使用不同的工作電壓，而不影響信號的傳輸，這對工作電壓不同的系統非常有用。
測試中發現，其輸入輸出是有延遲的，固定為100 ns，如果輸入信號頻率比較高，如大于10 MHz，又要求輸入輸出同步，則需要在輸入部分或輸出部分進行硬件或軟件處理，得到完全同步的隔離信號。

3 應用實例
某高壓儀表隔離部分設計參數如下：隔離電壓為60 kV；傳輸速度為1MHz；傳輸距離為10 m；接口類型為SPI。
從以上設計要求選擇數字傳輸方案，并綜合考慮隔離電壓、傳輸速度、傳輸距離、成本、可靠性、實現難度等方面，使用塑料光纖為最佳方案。
SPI接口采用3線制，如圖5所示。圖5中只給出了主控方的電路圖，從機是一個SPI接口的串行A／D轉換器，硬件連接方法與圖5類似。SPI總線是板內總線，在1 MHz下的傳輸距離不宜超過1 m，加了塑料光纖隔離驅動后，其傳輸距離被大大延長了。高壓部分和低壓部分的驅動模塊各需要3個，這3個模塊布局時放在一起，共地連接，之后與其他部分電路要單點接地處理。

SPI通信硬件除了將傳輸介質由金屬導線換為塑料光纖外，沒有其他區別，軟件上則與普通SPI的軟件完全相同。

4 結論
塑料光纖技術是正在發展中的新興技術，已在音頻數據傳輸中廣泛使用，由于其高隔離電壓、高速度、較遠傳輸距離及低成本的優點，會在高壓設備、高壓儀表及輸配電現場中得到廣泛應用。