CN100535881C

CN100535881C - 一种基于电流环的异步串行通信方法

Info

Publication number: CN100535881C
Application number: CNB2007100989095A
Authority: CN
Inventors: 袁磊; 张建明; 李开成
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Traffic Control Technology TCT Co Ltd
Priority date: 2007-04-29
Filing date: 2007-04-29
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2027-04-29
Also published as: CN101174250A

Abstract

本发明公开了一种基于电流环异步串行通信的方法，属于串行通信技术领域，首先以一个恒流源作为通信传输的电流，然后利用光电耦合器实现用电压信号控制电流环路的通断，从而达到了利用电压串行通信信号对电流环逻辑的控制，实现了电流环异步串行通信的发送。同时，实现了电流电压转换电路和门限判断电路，能把电流环逻辑转换为相应的TTL电平逻辑，从而实现了电流环异步串行通信的接收。本发明能实现长距离串行通信，并具有较强的抗干扰能力，误码率低。同时，具有较高的性能价格比。

Description

一种基于电流环的异步串行通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于电流环的异步串行通信方法，应用于微处理器间、计算机间或计算机和微处理器间的长距离通信，特别应用于电磁环境复杂的情况，属于串行通信技术领域。

背景技术

串行通信方式是当前应用非常广泛的计算机间的通信方式，在各种场合中得到应用。目前，广泛使用的各类单片机(如：MCS51系列单片机)多数都带有异步串行通信接口(UART)，或者也可很方便的利用异步串行通信接口芯片(如：INS8250)扩展出异步串行通信接口。另外，80286以上的计算机也都配有RS232C标准的串行通信接口。但是，这种电压串行通信接口方式抗干扰能力差，传输距离有限。因为，该通信接口采用点对点单线共地连接、电平驱动，如果发送方电路和接收方电路的两个地线之间的地电位不一致，就会产生共模干扰电压，从而大大增加误码率，甚至可能因干扰过强而烧毁接口器件。以RS232C标准为例，其传输距离取决于传输速率和传输的电气特性，在码元畸变＜4％的情况下，9600波特率时最大传输距离为50英尺。如果利用微处理器所采用的UART接口，其逻辑电平更低，传输距离和抗干扰能力更差。

本发明提出利用电流环与异步串行通信接口相结合，可以实现微处理器之间或计算机之间的长距离通信，并具有强抗干扰和噪声抑制能力，有很好的性能价格比。该通信接口以有电流流过通信环路表示数据信号为传号(逻辑1)，无电流为空号(逻辑0)。由于通信线路上引入的电磁干扰和线路本身的分布电容只对电平信号影响大，对线路中的电流影响不大，因此电流环具有很高的抗干扰能力。同时，电流回路的电源和地都或者在发送方或者在接收方，不会受发送方和接收方的地电位差的影响，进一步提高了串行通信的抗干扰能力，进而提高了串行通信的传输距离。

图9给出了电流环实现异步串行通信方式1的原理性示意图，电流由恒流源产生，经过通信传输线路后流入接收端负载，然后再经由传输线路流入发送端的光电耦合器电路，并流入电流环电源的地。这样，发送方通过控制光电耦合器电路的导通和截止来控制电流回路的通断，实现数据发送；接收方通过判断接收负载上的电流大小，实现数据的接收。图10给出了电流环实现异步串行通信方式2的原理性示意图，与图9的区别在于将恒流源由接收方产生，但实现发送和接收的原理并无本质区别。

本发明提出了一种20mA电流环串行通信的实现方法，满足在电磁环境恶劣的环境下微处理器间长距离、高速率通信的要求。该实现方法成本低，具有很高的性能价格比。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提出一种电流环异步串行通信方法，使两微处理器之间、两计算机之间或微处理器和计算机之间在电磁干扰恶劣的环境下能保持长距离、高可靠的通信。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种电流环异步串行通信的方法，包括以下步骤：

有以一个恒流源的输出作为通信传输的电流，利用逻辑转换和光电隔离电路、电压串行通信信号控制电流环路的通断，电流环异步串行通信的发送步骤；

有利用电流电压转换电路和门限判断电路，将接收到的电流转换为电平信号，采用光电隔离电路进行电流环电路和处理器电路的隔离，电流环异步串行通信的接收步骤。

所述的恒流源采用高速运算放大器、高精度电压参考芯片和三极管组成。

所述的逻辑转换和光电耦合器电路采用逻辑门电路和高速光电耦合器组成。

所述的电流电压转换电路和门限判断电路采用高速运算放大器和二极管组成。

所述的光电耦合器电路采用逻辑门电路和高速光电耦合器组成。

利用电流环实现串行通信时，由于采用特定电流表示逻辑1，没有电流表示逻辑0，所以需要设计恒流源电路，给通信传输线路上提供恒定的电流。该恒流源应具有较宽的动态范围，以适应接收端电路负载的变化，即在负载发生一定变化时，也能保持恒定的电流输出。

利用电流环实现串行发送时，需要利用电平信号控制电流环路的导通和截止，从而实现对接收端是否接收到特定电流的控制。采用光电耦合器可以很方便的实现对电流环路的控制。同时，光电耦合器还能起到隔离微处理器控制电路和电流环发送电路的目的，使微处理器的控制逻辑电路和电流环电路在电气上相互隔离，从而消除串行通信传输线路上的干扰串入控制逻辑电路的可能。需要注意的是，根据所选的光电耦合器型号和控制逻辑上的不同，用电平信号控制电流环路通断的逻辑可能是负逻辑，即低电平对应电流环路导通、高电平对应电流环路截止，这时，需要在光电耦合器前级增加逻辑转换电路，使电平信号采用正逻辑控制电流环路的通断，从而保证电流环串行通信发送的数据和接收的数据一致。

利用电流环实现串行接收时，首先应将电流信号转换为电压信号，以方便逻辑电路的处理。如果采用电流信号直接驱动光电耦合器，来控制电平的高或低，这样可能导致接收电路的误识别。因为，普通的光电耦合器虽然能实现有电流光电耦合器导通、无电流光电耦合器截止的功能，但光电耦合器的控制电流大小并没有一个准确的门限值。这样就会导致，即使很小的电流也导致光电耦合器导通，使接收电路将逻辑0误认为逻辑1，或者电流已足够大但光电耦合器截止，使接收电路将逻辑1误认为逻辑0。所以，直接利用光电耦合器控制后续逻辑电路，很难实现对门限值的控制，或者因选择更精确的光电耦合器而增加设备成本。因此，采用一个电压比较器实现对门限值的控制，减少接收电路的误识别。

利用电流环实现串行接收时，也应采用光电耦合器对电流环电路和微处理器的串行接收电路在电气上进行隔离，使用来给控制逻辑电路的电源和用来接收20mA电流电路的电源电气上相互独立，消除两者之间的相互串扰，减少电路的误码率。

如果在计算机间利用电流环实现异步串行通信，还应增加一个电平转换模块。80286以上的计算机所配有的串行通信接口都遵循RS232C标准，采用RS232电平，和绝大多数微处理器或通用异步串行通信芯片所配有的串行通信接口所采用的TTL电平有所区别，所以需通过增加的电平转换模块实现RS232电平和TTL电平之间的转换，即实现约-12V和逻辑5V的相互转换，以及约+12V和逻辑0V的相互转换。

本发明的有益效果是：可提高串行通信方式长距离传输的能力，并具有很强抗干扰能力，能应用于电磁环境较恶劣的场合。该长距离串行通信方式可用于微处理器之间、计算机之间或微处理器和计算机之间的通信，同时，该电流环异步串行通信方式所采用的器件成本低廉，具有较高的性能价格比。

附图说明

图1为本发明电流环异步串行通信应用于微处理器通信的实施框图；

图2为本发明电流环异步串行通信应用于计算机通信的实施框图；

图3为本发明电流环异步串行通信应用于微处理器通信的另一实施框图；

图4为本发明电流环异步串行通信应用于计算机通信的另一实施框图；

图5为本发明电流环异步串行通信恒流源的实施电路图；

图6为本发明电流环异步串行发送部分的逻辑转换及电流环路通断控制的实施电路图；

图7为本发明电流环异步串行接收部分的电流电压转换及门限判断的实施电路图；

图8为本发明电流环异步串行接收部分的光电耦合器的实施电路图；

图9为现有技术电流环实现异步串行通信的原理性示意图(方式1)；

图10为现有技术电流环实现异步串行通信的原理性示意图(方式2)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1：

如图1所示为电流环异步串行通信应用于微处理器通信的实施框图。

由电流环异步串行发送方内部产生一个恒流源，用来向外部提供恒定的电流信号。该电流信号经过“恒流源→TTY发送正极→接收负载→TTY发送负极→光电耦合器”，形成一个完整的电流回路。整个发送部分受通用异步串行设备(UART)的串行发送端(TXD)控制，该发送信号通过控制光电耦合器的导通和截止，来控制电流回路的通断，从而使接收负载或者有特定电流通过(逻辑1)或者没有电流通过(逻辑0)。需要注意的是，在利用光电耦合器实现对电流回路通断控制时，可能会采用负逻辑，即高电平截止低电平导通，因此在用通用异步串行设备的发送信号控制光电耦合器之前，还应先进行逻辑转换，使其串行发送信号采用正逻辑来控制光电耦合器的通断，从而确保发送和接收到的数据一致。

电流环异步串行接收部分的输入信号为外部电流信号。该部分首先利用电流电压转换电路将该电流信号转换为电压信号，然后将该电压信号输入到一个电压比较器中，和一个标准电压相比较，电压比较器的输出即可作为通用异步串行设备的串行接收信号。这样能准确的控制用来代表逻辑1和逻辑0的电流的门限值，减少误码的产生。另外，为保证外部信号和内部信号互不干扰，将电压比较器的输出信号经光电耦合器后再送入通用异步串行设备。

从上述实施例可以看出，通信传输用的电流回路的电源和地都在发送方，并且和发送方、接收方两侧的逻辑电路电气上隔离，提高了串行通信的抗干扰能力。

本实施例中，电流环串行通信和通用异步串行设备之间的接口为TTL电平。因为常用的通用异步串行设备(如：INS8250)或者微处理器自带的串行接口(如：MSC51)都采用的是TTL电平，即5V表示逻辑1，0V表示逻辑0。

如图2所示为电流环异步串行通信应用于计算机通信的实现框图。与图1相比，其主要区别在于计算机实现串行通信需要增加一个电平转换模块。普通计算机自带的串行通信接口符合RS232标准，采用RS232电平，即逻辑1在-5V～-15V之间，逻辑0在+5V～+15V之间。增加一个电平转换模块，实现TTL电平和RS232电平之间的转换，就可以利用20mA电流环串行通信实现计算机之间或计算机和微处理器间的串行通信。该电平转换模块可利用美国MAXIM公司的MAX232或MAX202等芯片实现。

实施例2：

如图3所示为电流环异步串行通信应用于微处理器的另一个实施框图。本实施例中，通信传输用的电流回路的电源和地都在接收方，并且和发送方、接收方两侧的逻辑电路电气上隔离。因此，恒流源电路由电流环异步串行接收方产生，电流信号经过“恒流源→接收负载→TTY接收正极→光电耦合器→TTY接收负极→地”，形成一个完整的电流回路。整个发送部分依然受通用异步串行设备(UART)的串行发送端(TXD)控制，同时，接收方利用负载上的电压值经电压比较器和光电耦合器后送给异步串行设备的串行接收端。该实施例同样具有通信传输用的电流回路的电源和地都在一侧且和发送方、接收方两侧的逻辑电路电气上隔离的特性，也具有很强的抗干扰能力。

如图4所示为将图3实施例应用于计算机通信的实现框图。该实施例在图3实施例的基础上增加了电平转换部分，从而可以在计算机串行通信上使用电流环方式。其基本原理和上述图3实施例一致。

实施例3：

如图5所示为电流环异步串行通信20mA恒流源的具体实施电路图。图中的LM4040为高精度微功耗电压参考芯片，该芯片提供稳定的5V参考电压。因此，运算放大器U1A的同相输入端的电压为19V。根据运算放大器的“虚断”特性，U1A反相输入端的电流为0，因此，电阻R2上的电流与流入三极管P1发射极的电流相等，假设为I。运算放大器U1A反相输入端的电压为U_＝24V-R2×I。当三极管P1处于截止状态时，电阻R2上的电流I为0，因此运算放大器U1A反相输入端的电压U_为24V。该电压大于正相输入端的电压，因此运算放大器的输出为低电平0V。这样三极管P1的发射结正偏，三极管P1导通，从而流经三极管的电流I会增大。当三极管P1逐渐导通，使电流I不断增大至U_小于正相输入端电压19V时，运算放大器U1A的输出电压将变为高电平24V，这时三极管P1的发射结不偏，三极管P1截止，从而流经三极管的电流I会减小。可见图3的电路实际工作在负反馈状态，流经电阻R2的电流I会通过运算放大器U1A的输出来调节三极管P1的通断，从而反过来影响电流I的大小，使U_电压始终稳定在19V。根据U_＝24V-R2×I，并使电阻R2为250欧姆，可以使电流I恒定在20mA。由于三极管P1基极流经的电流很小，因此三极管P1的集电极输出电流约等于电阻R2上的电流I，即该恒流源的输出始终保持为20mA。

另外，高精度微功耗电压参考芯片LM4040的最佳工作电流为1mA，工作在该电流时LM4040具有最佳的动态调节范围，因此，应通过设置电阻R1的阻值，使LM4040的工作电流为1mA。在本实施例中，R1应设置为19K欧姆。同时，运算放大器U1A应选用高速运放，以保证整个恒流源动态调节的速度。电阻R5的作用是过流保护，以防接收负载意外短路，导致恒流源直接接地而损坏电路。

该恒流源的供电电源也可选为其它电压值，只需根据上述实施方法改动相应器件参数即可。

如图6所示为20mA电流环串行发送部分逻辑转换及电流环路通断控制的具体实施电路图。这里采用光电耦合器实现电流环路的通断控制，同时还能起到隔离微处理器控制电路和电流环发送电路的目的。光电耦合器内部的发光二极管正极接5V电源。同时，通用异步串行设备的发送端经一个非门后，连接到光电耦合器内部的发光二极管负极，用来控制该发光二极管的通断以及光电耦合器内部的光敏三极管的通断，从而控制20mA电流环中电流回路的通断，实现串行通信的逻辑。其中，用5V电源连接光电耦合器内部的发光二极管正极，可以提高对光电耦合器的驱动能力。如果直接用通用异步串行设备的发送信号控制光电耦合器内部的发光二极管负极，将会是负逻辑，即发送信号为高电平(逻辑1)时，20mA电流环电流回路断(逻辑0)，发送信号为低电平(逻辑0)时，20mA电流环电流回路通(逻辑1)。为保证正逻辑，故在驱动光电耦合器之前加一个非门。同时该非门选用施密特触发器，避免在光电耦合器通断的临界值附近的抖动。该非门选用HC系列芯片，提高数字信号的输出特性。电阻R6用作过流保护，以防接收负载意外短路，导致恒流源直接接地而损坏电路。由于串行通信信号变化速率较高，因此光电耦合器芯片应选用高速光电耦合器，本实施例选择的是6N137。

如图7所示为20mA电流环异步串行接收部分电流电压转换及门限判断的具体实施电路图。根据运算放大器的“虚断”特性，运算放大器U6的正相输入端电流为0，因此20mA电流环输入的电流完全经由电阻R8流过。由于20mA电流环的负极输入直接接地，因此电阻R8上的电压为运算放大器U6的正相输入电压，为R8×I，I为20mA电流环的输入电流。这样电阻R8就起到了电流电压转换的功能。运算放大器U6的反相输入端经二极管D1接地，因此反相输入电压为该二极管的工作电压，约为0.7V。当外部电流输入为0mA时，运算放大器U6的正相输入电压小于反相输入电压，U6的输出为低电平(0V)；当外部电流输入为20mA时，运算放大器U6的正相输入电压大于反相输入电压，U6的输出为高电平(5V)。这样就实现了20mA电流信号到5V电压信号的转换。需要注意的是，由于运算放大器U6的正相输入端电压为电阻R8两端电压值，因此将电阻R8一端接地，另一端接入运算放大器的正相输入端；另一方面，电阻R8为20mA电流环路中间段的器件，其接地端相对于电流环供电电源的地还有一定的电位差，因此运算放大器的供电电源不能和电流环的供电电源共地，两个电源必须相互隔离。

图7中，电阻R8阻值和二极管D1的工作电压决定了外部输入电流的门限值。在本实施例中，二极管D1选为1N4148，其工作电压约为0.7V。为使10mA成为外部输入电流的门限值(即外部输入电流小于10mA时都认为逻辑0，大于10mA时都认为逻辑1)，电阻R8选择为75欧姆。同时该电阻应尽可能选择精密电阻，以保证外部输入电流的门限值尽可能准确，减少误码率。电阻R10确保二极管D1工作在导通状态。由于串行通信信号变化速率较高，因此运算放大器应选择高速运放。本实施例选择的LM311，由于其输出为OC门，因此电阻R9为OC门输出提供上拉。

如图8所示为20mA电流环异步串行接收部分光电耦合器的具体实施电路图。光电耦合器内部的发光二极管正极接运算放大器的输出，光电耦合器内部的发光二极管负极接地。通过控制该发光二极管的通断以及光电耦合器内部的光敏三极管的通断，从而向通用异步串行通信设备输出串行数据。由于该光电耦合器输出为负逻辑，因此光电耦合器输出之后加一个非门。该非门选用施密特触发器，避免在光电耦合器通断的临界值附近的抖动。

最后需要注意，在具体应用时，该20mA电流环的发送部分和接收部分的电源应相互独立，即图5中的24V、图7中的VCC_R两路电源不能共地，否则电路不能正常工作。因为20mA电流环的电流回路经过图7的电阻R8，然后在经过图6光电耦合器进入24V对应的地GND_T。电流回路中的电阻R8(图7)的一端接VCC_R对应的地GND_R。如果两个电源共地，将导致图7中的运算放大器反相输入端电压不是二极管D1的工作电压，从而导致逻辑错误。图6和图8的光电耦合器中，和通用异步串行设备相连的一端，可采用同一5V电源。由于要实现光电耦合器两端的电气隔离，该5V电源和图5中的24V电源、图7中的5V电源要相互隔离，不能共地或共电源。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实施例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开的实质和基本原则范围内的任何修改、变化或者仿效变换都属于本发明的权利保护范围。

Claims

1.一种电流环异步串行通信方法，其特征在于：

有以一个恒流源的输出作为通信传输的电流，利用逻辑转换和第一光电隔离电路、电压串行通信信号控制电流环路的通断，电流环异步串行通信的发送步骤；

有利用电流电压转换电路和门限判断电路，电流电压转换电路和门限判断电路将接收到的外部电流信号转换为电平信号，采用第二光电隔离电路进行电流环电路和处理器电路的隔离，电流环异步串行通信的接收步骤；

有利用门限判断电路，门限判断电路精确定义接收电路中逻辑0对应的电流值范围和逻辑1对应的电流值范围，门限判断电路准确判断接收到的电流信号对应的逻辑值，完成电流环异步串行通信的接收步骤；

有采用电源回路隔离电路隔离发送方和接收方两侧的电路的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种电流环异步串行通信方法，其特征在于：恒流源采用高速运算放大器、高精度电压参考芯片和三极管组成。

3.根据权利要求1所述的一种电流环异步串行通信方法，其特征在于：逻辑转换和光电隔离电路采用逻辑门电路和高速光电耦合器组成。

4.根据权利要求1所述的一种电流环异步串行通信方法，其特征在于：电流电压转换电路和门限判断电路采用高速运算放大器和二极管组成。

5.根据权利要求1所述的一种电流环异步串行通信方法，其特征在于：光电隔离电路采用逻辑门电路和高速光电耦合器组成。