基于MC3361+MCU结构的低速光纤通信模块设计方案

光纤通信做为一种新兴的高性能的串行通信技术，已经在电力领域逐步展开应用。目前的光纤通信模块大多使用FPGA或DSP技术实现信号解调，虽然其传输速度快、效率高，但是成本高、技术复杂，而且对于传输距离、电器隔离特性、可靠性、产品成本参数等都有极高的要求。而电力行业对光纤的应用主要还是集中在强电的控制方面，现场环境对光纤模块的通信速度要求较低。所以，在电力系统的工程实际中，由于现场情况复杂、干扰信号繁多，致使高成本的高速光纤通信技术的应用并不十分理想。

鉴于光纤通信技术在电力系统中的应用现状，本文提出一种MC3361+MCU结构的低速光纤通信模块设计方案。本设计硬件成本低、软件流程简单、性能稳定，输出信号为工业标准RS485信号或RS232信号，可直接与各种电力设备连接，非常适合在电力系统中广泛使用。

1调制解调原理

为了降低硬件成本和提高硬件电路的可靠性，本设计使用BFSK调制解调算法。BFSK的调制原理是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。BFSK信号是符号“1”对应于载频f1，而符号“0”对应于载频f2（与f1不同的另一载频）的已调波形，而且f1与f2之间的改变是瞬间完成的。

1.1调制原理

本文设计的光纤通信系统由MCU通过内部程序控制通过PWM接口完成调制。外部设备与模块通过串行接口（包括RS232接口或RS485接口）连接，模块接收到数据后，首先将数据传输给MCU，MCU通过UART接口接收到数据，MCU通过程序控制输出BFSK调制信号，调制后的信号直接发送至光纤发射接口发送出去。

进行BFSK调制时使用MCU串行接口接收外部设备发送的数据，BFSK的调制频率由程序控制，信号“1”对应于270KHz载频，信号“0”对应于240KHz载频，波形如图2所示，上边的波形为未经调制的信号，下边的波形为经调制后的信号。MCU将调制后的载频信号通过PWM方式发送至光纤发射接口，电信号转换成光信号。调制硬件原理框图如图1所示。

图1调制硬件原理框图

图2调制前后信号的波形图

1.2解调原理

BFSK的解调使用MC3361单片窄带调频接收芯片完成，MC3361片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。

解调电路原理图如图3所示。其中，185K网络标号为MCU输出185K矩形波信号，R1为限流电阻，C5、L4组成滤波电路，C12谐振电容，信号经过R1、C5、L4及C12后，由MC3361第1脚输入，构成MC3361解调的第二本振级。图3中FSK网络标号为光纤接收接口输入的矩形波信号，信号经过R4、R6分压，将信号高电平转换为500mV，再经过L6、C25进行滤波，及C27、L7、VD1、VD2二次限压滤波后，消除干扰频率后，经过C1谐振，最终信号转变为正弦波信号。

图3解调电路原理图

最终只有标准正弦波信号输入至MC3361的第16引脚，作为MC3361的第一中频IF输入信号，信号幅值为0V，峰值为500mV，频率为270KHz或230KHz.在MC3361内部第二混频级进行混频处理，处理后的信号为455KHz的第二中频信号，由第3引脚输出，由455kHz陶瓷滤波器选频，即图3中的Z4器件，再经第5脚输入MC3361的限幅放大器进行高增益放大，限幅放大级是整个电路的主要增益级。第8脚接鉴频电路，由455kHz鉴频器Z3、R2及C26组成，经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由第9引脚输出信号，信号经过第10脚和第11脚构成的有源滤波电路，再输入MC3361的第12脚进行载频检测并控制电子开关，最终经过解调的信号由第13引脚输出，直接输入MCU的引脚，由MCU进行处理。

2软件设计

系统主程序分为两个主要流程：串行接口处理流程和光纤接口数据处理流程。

2.1串行接口处理流程

本流程的主要任务是检测串行接口是否接收到数据，如果串行接口接收到数据，设计中为了提高系统的稳定性和抗干扰能力，首先对数据进行拆分，将长数据包拆分成若干个短数据包，并为每个数据包增加起始标识、校验码和结束标识，组成一个数据帧，每个数据帧正确传输结束再进行下一数据帧的传输。组成数据帧后，由MCU对数据进行调制，并发送到光纤接口，将数据发送出去。

2.2光纤接口数据处理流程

本流程的主要任务是检测光纤接口是否接收到数据，如果光纤接口接收到数据，则首先验证数据帧格式，如果格式正确，则将有效数据提取出来重新组成完整数据包，并将数据包从串行接口发送出去，完成光纤接口到标准串行接口的数据传输。

系统软件设计流程如图4所示。

图4软件设计流程图