一种用于水电控制系统光电转换装置的制作方法

1.本实用新型属于水电控制系统技术领域，特别涉及一种用于水电控制系统光电转换装置。


背景技术：

2.水电控制系统是水利发电设备控制的核心，各水电控制系统控制器和控制器下连接的各类型io设备之间的通讯实现方式多种多样；例如：通过profibus dp协议实现、通过ethercat协议实现或通过自由协议实现；在水力发电厂内，由于设备分布广泛，主控制室设备和远端就地系统设备布线距离长达数千米远，在远端就地系统设备和主控制室设备的控制器数据交互时面临着远距离通讯问题；目前，现有控制器与远端io设备之间的远距离通讯大多通过硬连接线，存在通讯速率低下，通讯效率较低的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种用于水电控制系统光电转换装置，以解决现有控制器与远端io设备之间的远距离通讯存在通讯速率低下，通讯效率较低的技术问题。
4.为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：
5.本实用新型提供了一种用于水电控制系统光电转换装置，所述光电转换装置，用于水电控制系统的本地io分支与远端扩展io分支之间的光电信号转换；所述光电转换装置，包括本地光电转换单元1及远端光电转换单元；
6.所述本地光电转换单元的一端与本地io分支的io_bus接口相连，所述本地光电转换单元的另一端与所述远端光电转换单元的一端相连，所述远端光电转换单元的另一端与远端扩展 io分支的io_bus接口相连；
7.其中，所述本地光电转换单元，用于将本地io分支输出的电信号转换为输出光信号，并发送输出光信号至远端光电转换单元；或用于将远端光电转换单元输出的光信号转换为输入电信号，并发送输入电信号至本地io分支；
8.所述远端光电转换单元，用于将从远端扩展io分支输出的电信号转换为输入光信号，并发送输入光信号至本地光电转换单元；或用于将本地光电转换单元输出的光信号转换为出书电信号，并发送输出电信号至远端扩展io分支。
9.进一步的，所述本地光电转换单元与所述远端光电转换单元的结构相同，均包括电源模块、第一收发器、第二收发器、fpga模块、第一光口发送模块tx1、第二光口发送模块tx2、第一光口接收模块rx1及第二光口接收模块rx2；
10.在所述本地光电转换单元中，所述电源模块的第一输出端与所述fpga模块的内核电源接口相连，所述电源模块的第二输出端与所述fpga模块的io电源接口相连；
11.所述第一收发器的第一端与所述fpga模块的第一io管脚相连，所述第一收发器的第二端与本地io分支的io_busa接口相连；所述第二收发器的第一端与所述fpga模块的第
二 io管脚相连，所述第二收发器的第二端与本地io分支的io_busb接口相连；
12.所述第一光口发送模块tx1的第一端与所述fpga模块的第三io管脚相连，第一光口发送模块tx1的第二端与远端光电转换单元中的第一光口接收模块rx1相连；所述第二光口发送模块tx2的第一端与所述fpga模块的第四io管脚相连，第二光口发送模块tx2的第二端与远端光电转换单元中的第二光口接收模块rx2相连；所述第一光口接收模块rx1的第一端与所述fpga模块的第五io管脚相连，第一光口接收模块rx1的第二端与远端光电转换单元中的第一光口发送模块tx1相连相连；第二光口接收模块rx2的第一端与所述fpga模块的第六io管脚相连，第二光口接收模块rx2的第二端与远端光电转换单元中的第二光口发送模块tx2相连相连。
13.进一步的，还包括拨码开关模块；所述拨码开关模块的信号端口与所述fpga模块的第七 io管脚相连；所述拨码开关模块，用于向所述fpga模块发送开关指令；其中，所述开关指令包括波特率设置指令及工作模式切换指令。
14.进一步的，所述电源模块，包括第一电源模块、第二电源模块、端口防护电路、dcdc隔离模块、第一dcdc转换器及第二dcdc转换器；
15.所述第一电源模块与所述第二电源模块作为双路冗余电源模块；所述第一电源模块的输出端与端口防护电路的第一输入端相连，所述第二电源模块的输出端与端口防护电路的第二输入端相连；
16.所述端口防护电路的输出端与所述dcdc隔离模块的输入端相连；所述dcdc隔离模块的第一输出端与第一dcdc转换器的输入端相连，所述第一dcdc转换器的输出端与所述 fpga模块的内核电源接口相连；所述dcdc隔离模块的第二输出端与所述第二dcdc转换器的输入端相连；所述第二dcdc转换器的输出端与所述fpga模块的io电源接口相连。
17.进一步的，所述dcdc隔离模块采用urb2405zp-6wr3隔离电源模块。
18.进一步的，第一dcdc转换器与第二dcdc转换器均采用sy8032型dcdc转换器。
19.进一步的，fpga模块为pgl22g-6ifbg256型fpga芯片。
20.进一步的，第一收发器和第二收发器均采用tpt481型的rs485收发器。
21.进一步的，第一光口发送模块tx1和第二光口发送模块tx2均采用hfbr-1414型光纤发射器；第一光口接收模块rx1和第二光口接收模块rx2均采用afbr-2419型光纤接收器。
22.进一步的，所述本地光电转换单元与本地io分支之间采用自有协议的io_bus通讯，所述远端光电转换单元与远端扩展io分支之间采用自有协议的io_bus通讯；所述本地光电转换单元与所述远端光电转换单元之间采用光纤连接。
23.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
24.本实用新型提供了一种用于水电控制系统光电转换装置，通过在本地io分支与远端扩展io分支之间设置本地光电转换单元和远端光电转换单元，利用本地光电转换单元和远端光电转换单元实现对光信号和电信号之间的转换，利用本地光电转换单元能够将本地io分支扩展至远端，有效提升了水电控制系统中主控制室设备和远端就地系统设备之间的通讯效率和安全性。
25.进一步的，将本地io分支的io-bus接口连接至本地光电转换单元，通过在本地光电转换单元中预留与本地io分支的io-busa接口及io-busb接口分别相连的第一收发器和第二收发器，通过在收发器处设计报文校验机制，通过完整地校验机制可以过滤网络风暴
等问题；本地光电转换单元将本地io分支发送的报文，经预设的报文校验机制校验通过后，通过光口发送模块至远端光电转换单元；远端光电转换单元用于将光信号转换为电信号，远端扩展io 分支的io-bus接口接收电信号完成相应的指令操作，有效解决了传统的光网交换机应用成本高以及在遇到网络风暴时存在网络阻塞现象。
附图说明
26.图1为实施例所述的光电转换装置与本地io分支及远端扩展io分支的连接结构示意图；
27.图2为实施例中的本地光电转换单元或远端光电转换单元的结构框图；
28.图3为实施例中的本地光电转换单元或远端光电转换单元的器件布局示意图。
29.其中，1本地光电转换单元，2远端光电转换单元。
具体实施方式
30.为了使本实用新型所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.实施例
32.以某水电控制系统中，主控制室设备和远端就地系统设备之间的通讯过程为例。
33.如附图1所示，本实施例提供了一种用于水电控制系统光电转换装置，所述光电转换装置，用于水电控制系统的本地io分支与远端扩展io分支之间的光电信号转换；所述光电转换装置，包括本地光电转换单元1及远端光电转换单元2。
34.所述本地光电转换单元1的rj45端口与本地io分支的io_bus接口相连，所述本地光电转换单元1的光口与所述远端光电转换单元2的光口相连，所述远端光电转换单元2的rj45 端口与远端扩展io分支的io_bus接口相连；其中，所述本地光电转换单元1，用于将本地 io分支输出的电信号转换为输出光信号，并发送输出光信号至远端光电转换单元2；或用于将远端光电转换单元2输出的光信号转换为输入电信号，并发送输入电信号至本地io分支；所述远端光电转换单元2，用于将从远端扩展io分支输出的电信号转换为输入光信号，并发送输入光信号至本地光电转换单元1；或用于将本地光电转换单元1输出的光信号转换为出书电信号，并发送输出电信号至远端扩展io分支。
35.本实施例中，本地io分支包括控制器底座、本地io分支适配器及本地io底座；所述控制器底座中设置有6路冗余的io_bus接口，每一路冗余的io_bus接口能够连接一路本地io 分支适配器或本地光电转换单元1；其中，每一路冗余的io_bus接口包括io_busa接口和 io_busb接口；所述本地io分支适配器通过本地io底座与本地io板卡相连；所述本地io 底座支持最大连接10个本地io板卡；每个本地io板卡上能够配置一个本地控制器，所述本地控制器与本地io板卡之间通过自有协议io_bus通讯，速率为5mbps；所述远端扩展io 分支包括远端扩展io分支适配器及远端io底座，所述远端扩展io分支适配器的一端与远端光电转换单元2相连，所述远端扩展io分支适配器的另一端通过远端io底座与远端io板卡相连；所述远端io底座支持最大连接10个远端io板卡；每个远端io板卡上能够配置一个远端控制器，所述远端控制器与远端io板卡之间通过自有协议io_bus通讯。
36.如附图2、3所示，本实施例中的所述本地光电转换单元1与所述远端光电转换单元2的结构相同，均包括电源模块、第一收发器、第二收发器、fpga模块、第一光口发送模块tx1、第二光口发送模块tx2、第一光口接收模块rx1、第二光口接收模块rx2及拨码开关模块。
37.以本地光电转换单元的结构为例，各模块之间的连接关系，具体如下：
38.所述电源模块包括第一电源模块、第二电源模块、端口防护电路、dcdc隔离模块、第一 dcdc转换器及第二dcdc转换器；其中，所述第一电源模块与所述第二电源模块作为双路冗余电源模块；优选的，第一电源模块和第二电源模块采用24v现场电源，所述dcdc隔离模块采用金升阳的urb2405zp-6wr3隔离电源模块，第一dcdc转换器与第二dcdc转换器均采用sy8032型dcdc转换器。
39.所述第一电源模块的输出端与端口防护电路的第一输入端相连，所述第二电源模块的输出端与端口防护电路的第二输入端相连；所述端口防护电路的输出端与所述dcdc隔离模块的输入端相连；所述dcdc隔离模块的第一输出端与第一dcdc转换器的输入端相连，所述第一dcdc转换器的输出端与所述fpga模块的内核电源接口相连；所述dcdc隔离模块的第二输出端与所述第二dcdc转换器的输入端相连；所述第二dcdc转换器的输出端与所述 fpga模块的io电源接口相连。
40.所述第一收发器的第一端与所述fpga模块的第一io管脚相连，所述第一收发器的第二端与本地io分支中控制器底座的io_busa接口相连；所述第二收发器的第一端与所述fpga 模块的第二io管脚相连，所述第二收发器的第二端与本地io分支中控制器底座的io_busb 接口相连；优选的，第一收发器和第二收发器中，均设置有rj45接口；所述rj45接口通过屏蔽网线与本地io分支或远端扩展io分支相连。
41.所述第一光口发送模块tx1的第一端与所述fpga模块的第三io管脚相连，第一光口发送模块tx1的第二端与远端光电转换单元2中的第一光口接收模块rx1相连；所述第二光口发送模块tx2的第一端与所述fpga模块的第四io管脚相连，第二光口发送模块tx2的第二端与远端光电转换单元2中的第二光口接收模块rx2相连。
42.所述第一光口接收模块rx1的第一端与所述fpga模块的第五io管脚相连，第一光口接收模块rx1的第二端与远端光电转换单元2中的第一光口发送模块tx1相连相连；第二光口接收模块rx2的第一端与所述fpga模块的第六io管脚相连，第二光口接收模块rx2的第二端与远端光电转换单元2中的第二光口发送模块tx2相连相连；所述拨码开关模块的信号端口与所述fpga模块的第七io管脚相连；所述拨码开关模块，用于向所述fpga模块发送开关指令；其中，所述开关指令包括波特率设置指令及工作模式切换指令。
43.本实施例中，所述远端光电转换单元2的具体结构与所述本地光电转换单元的具体结构和原理基本相同；不同之处在于：
44.远端光电转换单元2中，第一收发器的第二端与远端扩展io分支适配器的io_busa接口相连；第二收发器的第二端与远端扩展io分支适配器的io_busb接口相连；其他类似结构此处不再赘述。
45.本实施例中，fpga模块采用紫光同创的pgl22g-6ifbg256型fpga芯片；第一收发器和第二收发器均采用思瑞浦的tpt481型的rs485收发器；第一光口发送模块tx1和第二光口发送模块tx2均采用安华高的hfbr-1414型光纤发射器；第一光口接收模块rx1和第二光口
接收模块rx2均采用安华高的afbr-2419型光纤接收器；所述拨码开关模块采用8位拨码开关。
46.工作原理：
47.本实施例所述的用于水电控制系统光电转换装置，使用时，将双路冗余的24v现场电源作为本地光电转换单元或远端光电转换单元的电源模块，经端口防护电路后，经过dcdc隔离模块转换并隔离，以将dc24v转换为系统工作的dc5v电源；dc5v电源的一路通过第一dcdc转换器转换为dc1.1v电源，用于fpga模块的内核电源供电；dc5v电源的另一路通过第二dcdc转换器转换为dc3.3v电源，用于fpga模块的io电源供电。
48.在本地io分支通过所述光电转换装置与远端扩展io分支进行通讯的过程中，当本地io 分支发送数据时，本地io分支输出的电信号，通过第一收发器或第二收发器，输入至fpga 模块，经驱动并转换后形成光信号，通过第一光口发送模块tx1或第二光口发送模块tx2，经光纤进行传输至远端光电转换单元；当本地io分支接收数据时，远端光电转换装置输出的光信号从第一光口发送模块tx1或第二光口发送模块tx2输入至fpga模块，经驱动并转换后形成电信号，通过第一收发器或第二收发器传输至本地io分支；其中，远端光电转换单元与本地光电转换单元的工作原理相类似，此处不再赘述；由此，实现光电信号的互相转换。
49.本实用新型所述的用于水电控制系统光电转换装置，应用于要求免受电磁干扰、雷击、化学腐蚀或远距离传输等应用场合，能够使io_bus总线网络在物理层实现光电介质的相互转换功能，拓展io_bus总线的物理长度，从而保证数据传输的安全性和有效性；控制器底座的任意一对冗余io_bus可以接入到本地光电转换单元的rj45接口中，并通过本地光电转换单元的光口发送模块由光纤连接至远端光电转换单元中；在远端光电转换单元中，首先光口接收模块通过光纤接收光信号，再由远端光电转换单元的rj45接口连远端扩展io分支。
50.本实用新型中，所述的光电转换装置配合华能睿渥dcs使用；用于将本地io分支通过所述光电转换装置扩展至远端扩展io分支；本地io分支的io-bus连接至所述光电转换装置，在所述光电转换装置中预留io-busa接口和io-busb接口，并设计有报文校验机制，通过完整地校验机制可以过滤网络风暴等问题；其中，本地光电转换单元将报文校验通过后通过光口发送至远端光电转换单元，远端光电转换单元将光信号转换为电信号，远端扩展io分支的 io-bus接收电信号完成相应的指令操作；相较于传统的光网交换机一方面应用成本高，另一方面在遇到网络风暴时存在网络阻塞现象。
51.本实用新型所述的光电转换装置，通过在本地io分支与远端扩展io分支之间设置本地光电转换单元和远端光电转换单元，利用本地光电转换单元和远端光电转换单元实现对光信号和电信号之间的转换，实现利用本地光电转换单元能够将本地io分支扩展至远端，有效提升了水电控制系统中主控制室设备和远端就地系统设备之间的通讯效率和安全性；同时，具有通讯延时小，通讯稳定和体积小、便于安装等特点。
52.上述实施例仅仅是能够实现本实用新型技术方案的实施方式之一，本实用新型所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本实用新型所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。