一种基于光电转换的光纤数据传输接口的制作方法

本实用新型属于光电技术领域，特别涉及一种基于光电转换的光纤数据传输接口。

背景技术：

数字基带信号传输系统是自动化测控技术的关键技术，目前各种传输速率的总线系统在数字系统中占据着不可替代的地位。

20世纪末，光通信技术的飞速发展，是信息传输的革命性创新，使电信号完全脱离了自身的特性约束，比如频带，串扰等问题，极大的扩展了信息传递的速度和可靠性，但是在控制系统，使用光互联的方式非常少，受制于光通信器件的标准要求，往往以高传输速率和远距离高灵敏度为指标，配套设备和器件体积大安装复杂，成本也非常高。

实际在控制系统中的数据传输，总线使用频次相对较低，而且数据的传输速率也比较低，一般工控设备的数据传输波特率不超过115.2Kb/S，高速调光系统DMX协议的波特率也不超过250Kb/S，所以并不需要特别高的数据传输速率，工控设备的控制范围一般也比较小，40米范围内能满足绝大部分设备的数据传输要求，所以对传输距离和灵敏度没有太高要求。

目前工控设备之间，或者同一设备模块之间的稍远距离数据互联，仍然以RS-232，RS-485等电平协议为主，要使数字系统的低压开关信号能使用这些电平，必须使用电平转换电路和必要的端口保护电路，稍远距离的传输，就需要增加专用放大器模块提高信号驱动能力，对线缆的抗干扰要求也非常高，主要采用屏蔽线方式，户外的连接还要考虑防雷措施，需要用到气体放电管这类成体高体积大的器件，才能达到实际使用要求，总体来说，使用这类以传输电信号为主的总线系统，成本是非常高昂的。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于光电转换的光纤数据传输接口，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于光电转换的光纤数据传输接口，包括光纤定位座、光纤固定卡头和光电转换电路；光纤固定卡头插在光纤定位座上，光电转换电路设置在光纤定位座上；光纤定位座为两端封口的槽钢状结构，光纤定位座槽钢状的一侧壁开设有开口，光纤定位座内垂直设置有隔板，隔板将光纤定位座内分隔为两个等大腔室，同时隔板将开口分成两个等大的插口；每个腔室内的另一侧壁上均贯通开设有收发器安装孔，腔室内收发器安装孔上设置有叉状光纤夹头，叉状光纤夹头与收发器安装孔同轴设置；光纤固定卡头包括底座、压板和凸台；底座上垂直固定设置有四个压板，四个压板互相平行，最中间的两个压板之间的距离与隔板厚度相匹配，两边的两个压板之间的距离与叉状光纤夹头的大小相匹配，两边的两个压板之间的底座上开设有孔洞，底座上的孔洞与收发器安装孔同轴设置；最外侧的压板外侧端部设置有凸台；光纤固定卡头从光纤定位座一侧壁的开口插入，凸台卡在光纤定位座内。

进一步的，叉状光纤夹头包括弧形叉片，两个弧形叉片相对设置形成叉状光纤夹头；一个收发器安装孔内设置有LED发光二极管，另一个收发器安装孔内设置有PT光敏三极管；LED发光二极管和PT光敏三极管均连接到光电转换电路。

进一步的，光纤固定卡头的底座上的孔洞内设置有PF塑料光纤，PF塑料光纤穿过底座上的孔洞插到叉状光纤夹头内，叉状光纤夹头能够夹住PF塑料光纤，且PF塑料光纤端面与LED发光二极管的发光端面紧贴，PF塑料光纤端面与和PT光敏三极管受光端面紧贴。

进一步的，光纤定位座设置有收发器安装孔的侧壁上沿侧壁方向设置有U型定位支架，U型定位支架由金属制成，U型定位支架接地。

进一步的，光纤定位座和光纤固定卡头为塑料材质的一体注塑件。

进一步的，光电转换电路包括第一P型晶体管、LED发光二极管、PT光敏三极管和第二P型晶体管；输入门连接第二P型晶体管的集电极，第二P型晶体管的发射极连接LED发光二极管的负极，LED发光二极管的正极连接第一P型晶体管的发射极，第一P型晶体管的集电极连接第二P型晶体管的集电极，第一P型晶体管的基极连接输出门；第一P型晶体管的发射极与LED发光二极管的负极之间连接有PT光敏三极管，第二P型晶体管的基极连接PT光敏三极管的发射极。

进一步的，第一P型晶体管的基极连接有第一电阻，第一P型晶体管的发射极与LED发光二极管正极之间设置有第二电阻，PT光敏三极管的发射极与LED发光二极管负极之间设置有第三电阻，PT光敏三极管的集电极与第二P型晶体管的集电极之间设置有第四电阻；PT光敏三极管的发射极与第一P型晶体管的发射极之间设置有电容，电容接地；第三电阻与LED发光二极管负极之间接地。

与现有技术相比，本实用新型有以下技术效果：

本实用新型整合了上述两种数据互联方式，制成一体化的光电信号转换器件，将数字信号调制为光信号并用塑料光纤传输，直接替代传统的电平转换电路和传输线系统，结构紧凑，设计巧妙合理，最大限度的减小了激光模组的尺寸。

本实用新型使用光缆来替代数据线缆，不存在电磁干扰和静电等影响，尤其适用塑料光纤，大大降低成本。

本实用新型采用P型晶体管作为输入门电路，防止在串口总线闲置时LED发光二极管处于常亮，只有在总线被拉低时有效。

本实用新型使用的光电转换电路可以直接使用低压数字系统供电，不需要电荷泵产生负压，电路效率高成本低。

附图说明

图1为本实用新型的总成结构示意图。

图2a和2b为光纤定位座结构示意图。

图3为光纤固定卡头示意图。

图4为光电转换电路原理图。

其中：1—光纤定位座，2—光纤固定卡头，3—LED发光二极管，4—PT光敏三极管，5—PF塑料光纤，6—光电转换电路，21—叉状光纤夹头；22—收发器安装孔座；23—U型固定支架；31—压板；32—凸台；33—底座。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步说明：

请参阅图1-图4，一种基于光电转换的光纤数据传输接口，包括光纤定位座1、光纤固定卡头2和光电转换电路6；光纤固定卡头2插在光纤定位座1上，光电转换电路6设置在光纤定位座1上；光纤定位座1为两端封口的槽钢状结构，光纤定位座1槽钢状的一侧壁开设有开口，光纤定位座1内垂直设置有隔板，隔板将光纤定位座1内分隔为两个等大腔室，同时隔板将开口分成两个等大的插口；每个腔室内的另一侧壁上均贯通开设有收发器安装孔22，腔室内收发器安装孔22上设置有叉状光纤夹头21，叉状光纤夹头21与收发器安装孔22同轴设置；光纤固定卡头2包括底座33、压板31和凸台32；底座33上垂直固定设置有四个压板31，四个压板31互相平行，最中间的两个压板31之间的距离与隔板厚度相匹配，两边的两个压板31之间的距离与叉状光纤夹头21的大小相匹配，两边的两个压板31之间的底座上开设有孔洞，底座上的孔洞与收发器安装孔22同轴设置；最外侧的压板31外侧端部设置有凸台32；光纤固定卡头2从光纤定位座1一侧壁的开口插入，凸台32卡在光纤定位座1内。

叉状光纤夹头21包括弧形叉片，两个弧形叉片相对设置形成叉状光纤夹头21；一个收发器安装孔22内设置有LED发光二极管3，另一个收发器安装孔22内设置有PT光敏三极管4；LED发光二极管3和PT光敏三极管4均连接到光电转换电路6。

光纤固定卡头2的底座33上的孔洞内设置有PF塑料光纤5，PF塑料光纤5穿过底座33上的孔洞插到叉状光纤夹头21内，叉状光纤夹头21能够夹住PF塑料光纤5，且PF塑料光纤5端面与LED发光二极管3的发光端面紧贴，PF塑料光纤5端面与和PT光敏三极管受光端面紧贴。

光纤定位座1设置有收发器安装孔22的侧壁上沿侧壁方向设置有U型定位支架23，U型定位支架23由金属制成，U型定位支架23接地。

光纤定位座1和光纤固定卡头2为塑料材质的一体注塑件。

光电转换电路6包括第一P型晶体管、LED发光二极管3、PT光敏三极管4和第二P型晶体管；输入门连接第二P型晶体管的集电极，第二P型晶体管的发射极连接LED发光二极管3的负极，LED发光二极管3的正极连接第一P型晶体管的发射极，第一P型晶体管的集电极连接第二P型晶体管的集电极，第一P型晶体管的基极连接输出门；第一P型晶体管的发射极与LED发光二极管3的负极之间连接有PT光敏三极管4，第二P型晶体管的基极连接PT光敏三极管4的发射极。

第一P型晶体管的基极连接有第一电阻，第一P型晶体管的发射极与LED发光二极管3正极之间设置有第二电阻，PT光敏三极管4的发射极与LED发光二极管3负极之间设置有第三电阻，PT光敏三极管4的集电极与第二P型晶体管的集电极之间设置有第四电阻；PT光敏三极管4的发射极与第一P型晶体管的发射极之间设置有电容，电容接地；第三电阻与LED发光二极管3负极之间接地。

如图2a和2b所示光纤定位座，是尼龙或者其他有机塑胶材质的注塑件，带有两个叉状光纤夹头21，还有一对收发器安装孔座22，收发器安装孔座22与叉形光纤夹头21同轴，同轴度不低于5°，主要功能是作为安装光电收发器件的基座，并将光纤端面与光电收发器件的光轴对准，对光纤有一定的夹持作用，并留有必要的光学和电学端子，一体化注塑成型，是本实用新型的关键结构件，其结构和构造保证了本实用新型的光学耦合光电转换等核心功能。

图3所示光纤固定卡头，是尼龙或者其他有机塑胶材质的注塑件，与光纤定位座的光纤叉状光纤夹头互相配合，主要起锁紧光纤，保证耦合点牢固的作用，一体化注塑成型，内侧具有坡度的四条压板31与安装定位座的叉状光纤夹头21相配合，最外侧的两条压板具有凸台32，可以使叉状光纤夹头收紧并锁扣在光纤定位座上，适当按压最外侧两条压板又可将光纤固定卡头从光纤定位座上取下。

图4，采用P型晶体管作为输入门电路，防止在串口总线闲置时LED发光二极管处于常亮，只有在总线被拉低时有效。

光电转换电路，是为收发器件提供驱动和偏置整形的电路，主要作用是为LED发光二极管提供驱动电流和对PT光敏三极管的输出进行放大整形，保证数字信号的完整性。

光纤定位座基于尼龙或其他有机塑胶材质一次注塑成型，具有一定的机械强度和弹性，表面电阻率1-10MΩ，防止静电荷累计。

光纤定位座具有一个U型定位支架，该支架为金属件，具有固定光纤定位座到设备面板或者PCB组件上的功能，安装时支架尽量保持接地，有一定的防静电作用。

光纤定位座具有一对收发器安装孔座，安装孔座适配标准封装的LED发光二极管和PT光敏三极管，收发器安装孔座与叉形光纤夹头同轴，同轴度不低于5°。

光纤定位座具有一对叉形光纤夹头，叉形光纤夹头的内径与PF塑料光纤外径适配，略大于光纤外径，光纤夹持长度大于5mm保证光纤与夹头同轴并保证锁紧后有一定的夹持强度。

光纤固定卡头，内侧具有坡度的四条压板与安装定位座的叉状光纤夹头相配合，最外侧的两条压板具有凸台，可以使叉状光纤夹头收紧并锁扣在光纤定位座上，适当按压最外侧两条压板又可将光纤固定卡头从光纤定位座上取下。

LED发光二极管，使用光束全发散度小于30°的红光或近红外二极管，脉冲工作电流不小于60mA@1/10Duty 1KHz。

PT光敏三极管，使用接受光全角度不小于50°的硅基NPN型光敏三极管，光电转换效率不低于2.6mA/(mW/cm^2)，上升和下降速率不高于15us。

PF塑料光纤为PMMA塑料光纤，为保证直接耦合光效率，芯径尺寸不小于0.5mm，650nm传输衰减率小于190dB/Km，外皮为PE材料。

光电转换电路，使用全BJT和阻容实现，为保证串口总线闲置时LE发光二极管处于关断，输入驱动管为P型晶体管。

光电转换电路，使用N型晶体管为PT光敏三极管的光电转换输出做倒相和整形，使用N型三极管的B-E结作为PT光敏三极管的输出负载，提高PT光敏三极的上升和下降速率。

该结构完整工作过程原理为，通过将控制系统单片机或者DSP的输出引脚的数据电平通过光电转换电路的LED二极管驱动部分，转化为开关的光信号，直接将光信号耦合进PF塑料光纤，光信号在塑料光纤的芯径光导里传输，至PF塑料光纤的另一端面输出，塑料光纤的另一端面与PT光敏三极管直接耦合，光信号传输到PT三极管的B-E结上，PT三极管将开关光信号再次转换为开关电平信号，再通过光电转换电路倒相整形还原原始的数据，其他机械结构均为这一过程提供基本的安装、夹持、对准和强度保证。