基于FPGA的PROFIBUS-DP總線光電收發器設計

O 引言
PROFIlBUS-DP現場總線以其高速、低成本等優點而廣泛應用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇自動化等行業，它的物理層數據傳輸依賴RS-485接口。RS-485接口是一種工業領域內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，因而具有較好的抗共模干擾能力，通信距離可達千米。PROFIBUSDP總線信號也可使用屏蔽雙絞線傳輸，數據速率為9．6 kbps時的理論傳輸距離為1200米，波特率為12：Mbps時的理論傳輸距離為100米。但是，由于工業現場情況錯綜復雜，各種干擾相互疊加，且RS-485標準規定單段網絡最多可支持32個節點(標準負載)，因此，有必要使用一種中繼設備來將信號更準確、更完整地傳輸到遠端設備。而光纖和其他傳輸介質相比具有寬頻、低損耗、屏蔽電磁輻射、重量輕等優點，因此，用光電收發器實現兩線制DP(RS-485)差分信號數據與光信號之間的轉換，能夠有效的提高信號傳輸距離和傳輸質量，從而提高系統的可靠性與穩定性。

1 光電收發模塊的配置原理
本光電收發模塊的使用配置如圖1所示。從物理層來說，原來的一個網段被光纖分成兩段，此時。收發器應視為相應段的總線末端，因此，在收發器中默認內置了有終端匹配電阻，以使負載端輸入阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配，從而達到消除負載端信號反射的目的。每一個光電收發器在電氣性能上都占一個節點，因此，每段總線上最多可以帶30個標準RS-485負載設備。

2 總體設計方案
圖2所示是光電收發器的硬件結構框圖。該設計方案整體上由DP總線數據收發部分、光纖數據收發部分和數據傳輸方向控制部分組成。 FPGA作為主控制器負責控制數據傳輸的方向、檢測波特率和數據交換功能。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收發器可選用SN75HVD06D，該芯片可支持10 Mbps數據速率；而光端的數據接收器和發送器則可選擇AVAGO公司的光發送器HFBR-14x4Z和光接收器HFBR-24x2Z，它們在50mA電流驅動下，其62．5／125μm的多模光纖傳輸距離可達2 km。FPGA芯片選用ALTERA公司的Cvclone系列芯片EPlC3T144C8N，該芯片有2910個LE單兀、1個PLL和144個IO引腳，且性價比較高。