基于雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器設(shè)計(jì)方案

　　1.引言

　　在一些設(shè)備或裝置中需要在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部件之間進(jìn)行相互通信，傳輸如視頻信號(hào)、音頻信號(hào)、控制信號(hào)、傳感信號(hào)等。現(xiàn)今使用的旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法主要有：

　　1）采用光纖旋轉(zhuǎn)連接器，但是該器件必須安裝于旋轉(zhuǎn)軸中心或允許偏離中心很小的距離，在一些旋轉(zhuǎn)軸中需要進(jìn)行液壓、氣壓傳動(dòng)以及需要布設(shè)其他線路的場(chǎng)合則不適用，且機(jī)械加工精度要求也較高；

　　2）采用集電環(huán)，但是隨著信號(hào)傳輸路數(shù)的增加需要相應(yīng)增加集電環(huán)數(shù)，使信號(hào)傳輸可靠性降低，且容易受到環(huán)境電磁干擾；

　　3）采用光電耦合進(jìn)行非接觸信號(hào)傳輸，目前文獻(xiàn)中存在一些利用紅外耦合實(shí)現(xiàn)在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部件之間的通信的方案，但是紅外發(fā)射與接收電路及信號(hào)變換電路集于光電耦合板中且光信號(hào)軸向發(fā)射，使旋轉(zhuǎn)連接件體積較大在一些空間受到限制的場(chǎng)合難以應(yīng)用。

　 　為了解決上述旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法中的一些不足，本文提出一種基于光電耦合技術(shù)的旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳輸裝置。該旋轉(zhuǎn)信號(hào)傳輸裝置在相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部件之間以光為信號(hào) 載體進(jìn)行非接觸信號(hào)傳輸，使用發(fā)光二極管（LED）和光電二極管作為光發(fā)射器件與光接收器件，整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)機(jī)械加工精度要求低，易于組裝和安裝， 且成本低。

　　2.裝置組成及原理

　　本裝置由信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅰ、信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅱ、光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件三部分組成，如圖1所示。

　　2.1 光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件

　 　如圖2所示，光電耦合旋轉(zhuǎn)連接部件套在設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，旋轉(zhuǎn)套管固定于轉(zhuǎn)動(dòng)軸隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定套管通過(guò)法蘭結(jié)構(gòu)與設(shè)備的固定平臺(tái)連接。考慮到在光 電傳輸?shù)倪^(guò)程中，外界光輻射以及發(fā)光LED在套管內(nèi)壁的反射光也會(huì)對(duì)信號(hào)傳輸可靠性造成影響，對(duì)因此在固定套管內(nèi)壁涂有吸光涂層以吸收外界光輻射和反射 光。

　　2.1.1 工作原理

　　旋轉(zhuǎn)套管隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)套管和固定套管上的LED和光電二極管發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，其空腔內(nèi)形成360度覆蓋的復(fù)合光場(chǎng)，使光電二極管轉(zhuǎn)到任意角度時(shí)都能接收到來(lái)自相對(duì)的LED發(fā)光管的光信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)中傳遞信號(hào)。

　　信號(hào)收發(fā)電路模塊

　　信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅰ位于設(shè)備的轉(zhuǎn)臺(tái)或轉(zhuǎn)軸上，信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅱ位于設(shè)備的固定部分，信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅰ、Ⅱ功能相同，有兩個(gè)作用：

　　1）將設(shè)備轉(zhuǎn)軸上或固定平臺(tái)上的發(fā)來(lái)的電信號(hào)變換為能夠驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電信號(hào)；

　　2）將光電檢測(cè)信號(hào)放大并經(jīng)過(guò)波形的整形穩(wěn)幅后發(fā)送給設(shè)備轉(zhuǎn)軸上或固定平臺(tái)上的控制系統(tǒng)。

　 　信號(hào)收發(fā)電路模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于發(fā)光LED與相應(yīng)的接收光電二級(jí)管處于相對(duì)旋轉(zhuǎn)之中，光電二極管接收到的有效光功率并不穩(wěn)定，而是處于波動(dòng)狀態(tài)， 因此得到的光電檢測(cè)信號(hào)也是波動(dòng)的。一般由于光電檢測(cè)信號(hào)較弱，在輸入信號(hào)收發(fā)電路模塊后首先要通過(guò)放大電路對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)波形上升和 下降速度變慢，波形穩(wěn)定部分也會(huì)有一定的波動(dòng)。因此信號(hào)波形還要經(jīng)過(guò)整形穩(wěn)幅電路處理以提升其上升和下降速度同時(shí)使波形平穩(wěn)。

　　3.實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

　 　由于在旋轉(zhuǎn)連接部件中光信號(hào)發(fā)射與接收是在相對(duì)旋轉(zhuǎn)中進(jìn)行的，光場(chǎng)的分布會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸質(zhì)量造成影響。實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理，為此測(cè)試了雙通道 光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器對(duì)物理層中位信號(hào)的傳輸性能，包括誤碼率的大小、輸入連接器的信號(hào)與輸出連接器的信號(hào)波形比較。實(shí)驗(yàn)的電路原理圖如圖5所示。

　　3.1 器件選擇

　　光發(fā)射器件可以選用紅外LED、白光LED、激光二極管等，光接收器件可以選用PIN光電二極管，光電三極管等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外發(fā)射與接收器件目前已廣泛應(yīng)用于遙控、遙測(cè)和短距通信等領(lǐng)域。

　 　在本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)中選用市售具有較高響應(yīng)速度的紅外發(fā)光二極管和光電二極管作為連接器中的光通信器件。選用單片機(jī)作為轉(zhuǎn)臺(tái)上的信號(hào)發(fā)送與接收控制器，用微 機(jī)作為上位機(jī)，兩者通過(guò)RS232串口和旋轉(zhuǎn)連接器連接通信。為降低線路復(fù)雜性，轉(zhuǎn)臺(tái)上的電路使用9v層疊電池穩(wěn)壓為5v做電源。

　　3.2 信號(hào)收發(fā)電路模塊Ⅰ、Ⅱ的電路

　 　光電二極管一般有兩種工作模式：光伏模式和光導(dǎo)模式。在光伏模式時(shí)，光電二極管可以非常精確地線性工作；在光導(dǎo)模式下，光電二級(jí)的切換速度較高，但具有 明顯的非線性，同時(shí)即使在無(wú)光條件下也會(huì)產(chǎn)生暗電流引入噪聲。光電二級(jí)管暗電流大小與溫度有關(guān)，在溫度變化較大的場(chǎng)合噪聲較強(qiáng)，會(huì)使信號(hào)傳輸誤碼率大大增 加，需要加入溫度補(bǔ)償電路。實(shí)驗(yàn)在一個(gè)較理想的條件下進(jìn)行，環(huán)境溫度不大，光電二極管工作在光導(dǎo)模式。圖6為光電檢測(cè)信號(hào)的兩級(jí)放大與整形穩(wěn)幅電路，圖7 為L(zhǎng)ED發(fā)光管驅(qū)動(dòng)電路。各元件具體參數(shù)値根據(jù)實(shí)際選擇調(diào)整。

　　4.結(jié)論

　 　本文針對(duì)現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)連接技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法中的不足，設(shè)計(jì)了一種易于實(shí)現(xiàn)的雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接裝置的方案，對(duì)其原理進(jìn)行了分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該設(shè)計(jì)方法的 實(shí)際可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方案能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)之間的非接觸通信，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械加工精度要求低，成本低，某些場(chǎng)合下可以代替光 纖連接器實(shí)現(xiàn)多路多通道數(shù)據(jù)傳輸，也可應(yīng)用于一些總線通信中。

　　原文詳情：基于雙通道光電耦合離軸旋轉(zhuǎn)連接器設(shè)計(jì)方案