Voltage communication by Fiber-Optic in High voltage and Strong Ferromagnetic Condition
摘要：在高电压强电磁干扰环境下，新的通信载体——光纤的引入，使得系统信号传输的全光纤化成为可能。增加模拟量传输的抗电磁干扰能力，提高信号的精度和速度是当前研究的热点问题之一。本文在介绍了电压光纤通信的特点，优化了光纤通信的接口电路的基础上，并设计了一套样机进行了试验和测试。实验证明该方法是可行的。
关键词：电压； 光纤传输； 电磁干扰； 高精度
Abstract: In high voltage and ferromagnetic condition, with the application of optical fiber, almost all the system signals can be transferred by optical fiber. To advance the simulators’capability of anti-jamming, and to improve the speed and accuracy, have become a hot spot recently. Based on the advantages of optical fiber communication and improvement of the interface circuit, a experimental model has been used for experiment and measurement. By the experiment we can give the conclusion that the system is feasible.
Keywords: Voltage; Fiber-Optic Communication; Ferromagnetic; High Accuracy
1.引言
“九五”国家重大科学工程:大型全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak: EAST)。加速极电源是托卡马克装置中电流驱动和芯部辅助加热的重要手段，大功率脉冲离子源是一种特殊负载，弧流和电压变化范围很大，且存在随机性，尤其是在高压锻炼和束引出阶段，电极间打火、击穿现象频繁发生，产生大量高频电磁脉冲干扰，对模拟量的高精度测量带来了很大的困难。
传统模拟电压的测量采用双绞线或同轴电缆传输，在正常环境和短距离时够达到理想的精度。但是在长距离（2000米）、强电磁干扰和模块间存在高电压（80kV）时，采用双绞线或同轴电缆传输，不仅达不到高精度（0.1%），甚至在电源出现故障时影响到人身安全。随着新的通信载体——光纤的应用，为提高系统的可靠性和采集精度，光纤传输是理想的选择。实际应用表明，将光纤用于模拟量电压传输技术已经成熟。与普通的光纤通信不同，本文研究的是高电压强电磁干扰环境下的模拟量——电压的高精度传输。它以光纤通信为基础，能够对电压模拟量信号采用统一的、经过优化的接口电路，保障了该环境下的电压传输的精度。
2.光纤通信的特点和接口电路
2.1光纤通信的特点
光纤通信与传统电通信的主要差异在于两点：一是传输光波信号；二是传输光信号的介质是光纤。相对而言，光纤通信有如下优点：
1） 光纤在工作时不导电，对高电压有隔离作用。避免了电路之间的电磁效应引起的相互干扰。
2） 众多的电气设备的启停、开关的闭合、各种电弧等不会对光纤通信产生影响，光纤通信自身不会辐射干扰其它设备。

3） 光纤受温度的影响小、抗化学腐蚀和抗氧化性能强。工作受恶劣环境的约束小，光纤的寿命比铜缆长。
4） 使用光纤通信不存在接地、共地的问题，安装、测试过程中没有电压、电流的干扰。
   这些优点为高电压强电磁干扰环境下电压的高精度传输奠定了基础。
2.2光纤接口电路设计
   光纤通信按应用场合可以分为两种：一种是在多媒体领域中的光纤通信，主要传输GHz以上的数据，其光发送机和光接收机的成本较高；另一种是工业控制领域光纤通信，比如本文的模拟量电压的光纤传输。它的特点是传输距离在几十到几千米左右，传输速率低（在1MHz以下），传输信号数量多（几十上百路）。在工业控制领域的光纤通信的接口电路一般采用标准模块，比如用于发送的HFBR-1414T和用于接收的HFBR-2412T模块，这一对模块的最大数据传输速率为5MBd，中间通过塑料光纤连接，安装简单，费用较低。本电压光纤传输的电路示意图如图1所示。
其中，输入信号Data-in和输出信号Data-out均为TTL信号，具体电路如图2所示。
 
             
 
在图2中，依据用户手册推荐选取C1为4.7uF，C2为0.1uF，R2为560Ω，R3为1kΩ。HFBR-1414T中的发光二极管为电流驱动，驱动电流IF的典型值为15mA，前驱电压VF为1.5V，正常工作距离为400米时，以保证光纤输出足够的光强，因此驱动电阻R1依据式1计算，取值为233Ω。
      R1=（Vcc-VF）/IF                                        (1)
2.3光纤通信方案及改进
在实际应用中，图2所示的电路存在一定的缺陷，即在限流电阻R1上，不管光纤是否工作，总有电流流过，电阻温升过高，电路可靠性降低。针对该缺陷，对电路作如图3所示改进。
可以看出，该电路有两点改进：第一，光纤点亮时，限流电阻R1流过电流，而光纤熄灭时没有电流流过R1。这样整个系统可以减少大约1W的功耗。第二，增加电阻R4，其功能是提供放电回路，由于发送模块内LED在开关时存在电容，R4提供放电回路可以增快开关速度，取值在5k左右。实验表明，限流电阻R1的温度保持在常温，在数据传输中，开关延迟减少30ns左右，开关速度明显加快，有效地提高了接口电路的可靠性。
 
 
3.模拟量光纤传输系统
    本文研究的是光纤通信应用于模拟量传输中，模拟量的范围为-5～+5V，其结构示意图如图4所示。 
      

   由于主电路有80kV的高压存在，而模拟光耦的隔离电压大多为几千伏。光纤是理想的隔离材料，图中V/F转换电路采用OP07和LM331N芯片来实现。模拟量发送端，首先OP07作为加法器把输入电压信号转换成-5～+5V，然后通过LM331N芯片把电压转换成对应频率的TTL信号，最后通过接口电路和发送模块把TTL信号转换成光信号送入光纤。模拟量接收端，先通过接收模块和接口电路把光信号转换成TTL信号，再经过LM331把频率转换成对应的电压信号，最后经OP07构成的减法器，把电压转换成-5～+5V。
4.模拟量光纤传输系统测试与分析
为了验证该系统的可行性、可靠性，我们设计了一套模拟量光纤传输系统样机。该系统样机的实验结果由示波器TDS3014给出。
  
   

图5（a）为电压转换成频率的波形，其中通道3为50毫伏电压波形，通道2为电压50毫伏时对应的频率波形。图5（b）为光纤发送端和光纤接收端的频率信号，从图中可以看出，频率完全一样。图5(c)为输入模拟量电压和输出模拟量电压信号，从图中可以看出，输入输出的电压相差2毫伏左右。图5（d）为光纤发送端发出信号到光纤接收端接收信号的延迟时间，从图中看出，延迟时间大概在130纳秒左右。
为了对比改进前后的延迟时间，图5（e）给出了改进前的延迟时间波形，从图中可以看出，光纤发送端发出信号到光纤接收端接收信号的岩石时间大概为160纳秒。通过对电路的改进，减小了延迟时间，增加了可靠性，从而使主电路的保护动作时间更短。
5.结论
本文的创新点在于，把光纤通信运用于模拟传输中。模拟量光纤传输相对于传统的模拟量传输来说具有一定的优势，本文在改良光纤接口电路的基础上，详细分析了高电压强电磁干扰环境下的电压远距离传输系统，该系统能够对-5～+5V的电压信号进行传输，保证信号的传输速度，提高信号传输的准确度。模拟量光纤传输系统的使用，在高电压、强电磁干扰环境下具有很高的精度和可靠性，具有很好的应用前景。
参考文献：
1. 吴翼平，现代光纤通信技术,北京：国防工业出版社，2004。
2. 雷肇枥，光纤通信原理，成都：电子科技大学出版社，1997。
3. 安捷伦用户手册，2001。
4. 潘圣民等，基于DSP的光纤数据采集网络的研制，微计算机信息，2006，12-1，24-25。
5.  张霞 宋仲康 基于LabVIEW的局域网双机通信 微计算机信息 2004年 第12期 49页
潘圣民：男，1979年生，现为中国科学院等离子体所职工，助理工程师，研究方向电工理论与新技术。
许留伟：男，1967年生，现为中国科学院等离子体所职工，高级工程师，研究方向电机及电磁场。
廖燕川：女，1965年生，现为中国科学院等离子体所职工，中级实验师。
蒋力：男，1982年生，现为中国科学院等离子体所博士研究生，研究方向电磁场分析与计算。
通信地址：安徽合肥蜀山湖路1126信箱中科院等离子体物理研究所二室，潘圣民收，邮编230031