基于双通道光电耦合离轴旋转连接器设计方案 信号传输, 机械加工, 电磁干扰, 连接器, 集电环

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1.引言
在一些设备或装置中需要在相对旋转的部件之间进行相互通信，传输如视频信号、音频信号、控制信号、传感信号等。现今使用的旋转连接技术实现方法主要有：
1)采用光纤旋转连接器，但是该器件必须安装于旋转轴中心或允许偏离中心很小的距离，在一些旋转轴中需要进行液压、气压传动以及需要布设其他线路的场合则不适用，且机械加工精度要求也较高;
2)采用集电环，但是随着信号传输路数的增加需要相应增加集电环数，使信号传输可靠性降低，且容易受到环境电磁干扰;
3)采用光电耦合进行非接触信号传输，目前文献中存在一些利用红外耦合实现在相对旋转的部件之间的通信的方案，但是红外发射与接收电路及信号变换电路集于光电耦合板中且光信号轴向发射，使旋转连接件体积较大在一些空间受到限制的场合难以应用。
为了解决上述旋转连接技术实现方法中的一些不足，本文提出一种基于光电耦合技术的旋转信号传输装置。该旋转信号传输装置在相对旋转的部件之间以光为信号载体进行非接触信号传输，使用发光二极管(LED)和光电二极管作为光发射器件与光接收器件，整个装置结构简单，对机械加工精度要求低，易于组装和安装，且成本低。
2.装置组成及原理
本装置由信号收发电路模块Ⅰ、信号收发电路模块Ⅱ、光电耦合旋转连接部件三部分组成，如图1所示。


2.1 光电耦合旋转连接部件
如图2所示，光电耦合旋转连接部件套在设备的转动轴上，旋转套管固定于转动轴随转动轴一起转动，固定套管通过法兰结构与设备的固定平台连接。考虑到在光电传输的过程中，外界光辐射以及发光LED在套管内壁的反射光也会对信号传输可靠性造成影响，对因此在固定套管内壁涂有吸光涂层以吸收外界光辐射和反射光。


2.1.1 工作原理
旋转套管随转动轴一起转动，使旋转套管和固定套管上的LED和光电二极管发生相对转动，其空腔内形成360度覆盖的复合光场，使光电二极管转到任意角度时都能接收到来自相对的LED发光管的光信号，从而实现在任意转速旋转中传递信号。
2.1.2 发光LED及与光电二极管数量的确定
如图3所示，若已知LED发光管的发射全角为α，光电二极管的接收全角为β，固定套管内壁半径为R,旋转套管外壁半径为r,设固定套管上的光电二极管数量为n个，临界数量为Q1个，固定套管上的LED发光管数量为m个，临界数量为Q2个，则临界数量Q1、Q2应满足以下关系式：


同时要使两通道光信号不相互干扰还应满足约束条件：r/R>sin(α/2)。
要使信号双向传输时各个光电二极管能稳定正确接收信号，应使固定套管上的LED发光管的数量m大于[Q2]个，光电二极管的数量n大于[Q1]个，其中[Q1]、[Q2]分别表示Q1、Q2的整数部分。


2.2 信号收发电路模块
信号收发电路模块Ⅰ位于设备的转台或转轴上，信号收发电路模块Ⅱ位于设备的固定部分，信号收发电路模块Ⅰ、Ⅱ功能相同，有两个作用：
1)将设备转轴上或固定平台上的发来的电信号变换为能够驱动发光二极管的电信号;
2)将光电检测信号放大并经过波形的整形稳幅后发送给设备转轴上或固定平台上的控制系统。
信号收发电路模块结构如图4所示。由于发光LED与相应的接收光电二级管处于相对旋转之中，光电二极管接收到的有效光功率并不稳定，而是处于波动状态，因此得到的光电检测信号也是波动的。一般由于光电检测信号较弱，在输入信号收发电路模块后首先要通过放大电路对检测信号进行放大，放大后的信号波形上升和下降速度变慢，波形稳定部分也会有一定的波动。因此信号波形还要经过整形稳幅电路处理以提升其上升和下降速度同时使波形平稳。


3.实验与结果分析
由于在旋转连接部件中光信号发射与接收是在相对旋转中进行的，光场的分布会对信号的传输质量造成影响。实验的目的是验证设计是否合理，为此测试了双通道光电耦合离轴旋转连接器对物理层中位信号的传输性能，包括误码率的大小、输入连接器的信号与输出连接器的信号波形比较。实验的电路原理图如图5所示。


3.1 器件选择
光发射器件可以选用红外LED、白光LED、激光二极管等，光接收器件可以选用PIN光电二极管，光电三极管等。随着科学技术的发展，红外发射与接收器件目前已广泛应用于遥控、遥测和短距通信等领域。
在本设计的实验中选用市售具有较高响应速度的红外发光二极管和光电二极管作为连接器中的光通信器件。选用单片机作为转台上的信号发送与接收控制器，用微机作为上位机，两者通过RS232串口和旋转连接器连接通信。为降低线路复杂性，转台上的电路使用9v层叠电池稳压为5v做电源。
3.2 信号收发电路模块Ⅰ、Ⅱ的电路
光电二极管一般有两种工作模式：光伏模式和光导模式。在光伏模式时，光电二极管可以非常精确地线性工作;在光导模式下，光电二级的切换速度较高，但具有明显的非线性，同时即使在无光条件下也会产生暗电流引入噪声。光电二级管暗电流大小与温度有关，在温度变化较大的场合噪声较强，会使信号传输误码率大大增加，需要加入温度补偿电路。实验在一个较理想的条件下进行，环境温度不大，光电二极管工作在光导模式。图6为光电检测信号的两级放大与整形稳幅电路，图7为LED发光管驱动电路。各元件具体参数値根据实际选择调整。




3.3 误码率测试
误码率(BER:bit error ratio)是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标。误码率=传输中的错误码元数/所传输的总码元数。信号衰变、噪声、交流电或闪电造成的脉冲、传输设备故障及其他因素都会导致误码(比如传送的信号是1,而接收到的是0;反之亦然)。误码率测试的上位机界面如图8所示，该界面使用VB编写，简洁易操作。当然，也可以使用串口通信助手小软件作为上位机通信界面。实验中，在一定转速下单片机与微机相互发送一定量的字节数据，统计双方正确接收的字节数据。
由于码元错误不方便直接统计，而实际信息多以字节传送，故以接收字节数据的错误率作为误码率。统计结果如表1和表2所示，可以看出双通道发送数据均存在不同程度的误码，试验中转速的不同对误码率影响不明显，并且误码率不超过2%,不是很高，进行校验及纠错处理后可以满足一般通信需求。




3.4 信号波形对比
单片机发送一组6.2kHz矩形脉冲模拟位信号用示波器观察到如图9、图10所示波形。图9中上方为单片机发出的矩形脉冲序列波形，下方为通过双通道光电耦合旋转连接器后的信号波形。可以看出后者稍有延迟，很可能是器件的响应时间所致，但波形未变，由串口的通信协议可知，在无噪声干扰时通信完全可持续进行。图10中上方的波形为光电二级管输出信号波形，可以看出信号下降沿下降速度变慢，波形产生明显失真。下方波形为经过放大整形稳幅后的波形，即通过双通道光电耦合旋转连接器后的信号波形，已经有很大的改善。对比结果表明：实验中所设计连接器对物理层位信号的传输失真较小。


4.结论
本文针对现有旋转连接技术实现方法中的不足，设计了一种易于实现的双通道光电耦合离轴旋转连接装置的方案，对其原理进行了分析并通过实验对该设计方法的实际可行性进行了验证。实验结果表明，本方案能够实现相对旋转的机构之间的非接触通信，同时结构简单，机械加工精度要求低，成本低，某些场合下可以代替光纤连接器实现多路多通道数据传输，也可应用于一些总线通信中。