CN101394376B - 现场总线隔离传输器 - Google Patents

Abstract

现场总线隔离传输器，涉及应用于电气控制系统的总线具有电气隔离和传输信号功能的隔离传输器，目的是解决现有总线隔离传输器因采用级联缓冲和/或有方向性结构存在的通信不够方便及易出现故障的问题，包括与第一总线电源连接的第一隔离电源变换器、与第二总线电源连接的第二隔离电源变换器；与第一信号总线连接的第一信号总线识别与驱动器、与第二信号总线连接的第二信号总线识别与驱动器；与第一隔离电源变换器、第一信号总线识别与驱动器、光电耦合器连接的控制电路；光电耦合器与第一隔离电源变换器、第一信号总线识别与驱动器、第二隔离电源变换器、第二信号总线识别与驱动器连接。

Description

现场总线隔离传输器

技术领域

本发明涉及应用于电气控制系统的总线具有电气隔离和传输信号功能的隔离传输器。

背景技术

在一个电气控制系统中，多个电子设备之间通过现场总线方式进行通讯，这些电子设备相互之间分布较远，采用分布供电。

由于采用分布供电，因此各个电子设备之间的电气参考点(信号地)不一致，需要把信号总线与总线电源的电气进行隔离。

而分布较远的布置，使各个电子设备间的通讯信号的衰减很大，通讯不稳定，需要进行信号中继传输，提高信号传输的可靠性。

因此，电信号在总线上传输过程中，为了能长距离地有效传输，为了能在不同的分布电源供电的设备之间有效传输，需要在总线上插入现场总线隔离传输器。

目前，现有的现场总线隔离传输器(简称隔离器)的技术包括三种：一是采用UART技术，有方向性和级联缓冲；二是采用BIDI技术，虽无方向性，但仍有级联缓冲；三是采用上传/下传分路技术，有方向性和级联缓冲。

级联缓冲连接的拓扑结构如图1所示，当电子设备A要与C通信时，要通过B来转接/转发，当B出现故障而不能转/接转发信号时，则A与C间就不能完成通信。

有方向性的连接如图1所示，是指电子设备A与B的通信连接，只能是异边相连，即A的左边与B的右边连接或A的右边与B的左边连接，不允许A与B进行同边相连，而且有方向性的隔离器在安装的时候容易装反。

发明内容

本发明的目的是解决现有总线隔离传输器因采用级联缓冲和/或有方向性结构存在的通信不够方便及易出现故障的问题，提供一种创新的现场总线隔离器，在具有电气隔离功能、总线信号提升功能的基础上，还具有信号双向传输功能、透明传输功能、按位竞争传输功能、总线保护功能。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

现场总线隔离传输器包括与第一总线电源连接的第一隔离电源变换器、与第二总线电源连接的第二隔离电源变换器；与第一信号总线连接的第一信号总线识别与驱动器、与第二信号总线连接的第二信号总线识别与驱动器；与第一隔离电源变换器、第一信号总线识别与驱动器、光电耦合器连接的控制电路；光电耦合器与第一隔离电源变换器、第一信号总线识别与驱动器、第二隔离电源变换器、第二信号总线识别与驱动器连接。

所述控制电路包括第一延时电路、第二延时电路和触发电路，第一延时电路、第二延时电路分别与触发电路连接。

所述光电耦合器包括三个光电耦合单元，分别将由控制电路传入的第一控制信号耦合后作为第二控制信号送给第二信号总线识别与驱动器、将由第一信号总线识别与驱动器传入的第一识别信号耦合后作为第二驱动信号送给第二总线识别与驱动器、将由第二总线识别与驱动器传入的第二识别信号耦合后作为第一驱动信号送给第一信号总线识别与驱动器和作为控制识别信号送给控制电路。

所述第一信号总线的信号经第一信号总线识别与驱动器识别后产生第一识别信号，一路送给控制电路，一路经光电耦合器的一个光电耦合单元耦合后作为第二驱动信号，送给第二总线识别与驱动器，在第二控制信号的控制下，驱动到第二信号总线上；所述第二信号总线的信号经第二信号总线识别与驱动器识别后产生第二识别信号，经过光电耦合器的一个光电耦合单元耦合后，一路作为控制识别信号送给控制电路，一路作为第一驱动信号送给第一信号总线识别与驱动器，在控制电路送给第一信号总线识别与驱动器的第三控制信号的控制下，驱动到第一信号总线上。

所述第一延时电路将由第一信号总线识别与驱动器产生的第一识别信号延时后产生第一延时识别信号；第二延时电路将由第二信号总线识别与驱动器产生的第二识别信号经由光电耦合器产生的控制识别信号延时后产生第二延时识别信号；第一延时识别信号和第二延时识别信号被送入触发电路，产生第一控制信号和第三控制信号。

第二延时识别信号的延时大于第一延时识别信号的延时的2倍，可以防止显性锁定。

所述光电耦合单元分别具有同相转换功能，即输入为低电平，输出也为低电平，反之则反。

本发明采用上述结构，在信号总线和总线电源进行隔离的情况下，对隔离器两边的信号总线也通过光电耦合器了进行隔离，而且使其两边的信号可以分别通过第一信号总线识别与驱动器、第二信号总线识别与驱动器，再经由光电耦合器在控制电路的控制下进行双边传输；通过对识别信号、驱动信号和控制信号的双状态定义，使其在接入电气系统后，不影响原系统的总线竞争性；通过对光电耦合器的功能设置，使其具有信号转换同相功能，在一边的总线电源掉电时，另一边的输出为隐性态或禁能态，以在下一步的总线竞争中处于弱势，形成总线掉电保护。

可见，采用上述结构的本发明，在具有电气隔离功能、总线信号提升功能的基础上，还具有信号双向传输功能、透明传输功能、按位竞争传输功能、总线保护功能。

附图说明

图1是现有技术的拓扑结构图；

图2是本发明的原理结构框图；

图3是本发明的控制电路的原理结构框图；

图4是本发明的电路结构图(一)；

图5是本发明的电路结构图(二)；

图6是本发明应用于现场总线的拓扑结构图；

图7是本发明所应用的现场总线竞争的卡诺图；

图8是本发明的传输方向示意有；

图9是本发明中各种信号的状态定义表；

图10是本发明中第一总线识别及驱动器的卡诺图；

图11是本发明中光电耦合器的卡诺图；

图12是本发明中控制电路的触发电路的卡诺图；

图13是本发明中第一识别信号或控制识别信号的显性延时时序图；

图14是本发明中总线信号的传输延时图；

图中标号：1是第一总线电源，2是第一信号总线，3是第一隔离电源变换器，4是控制电路，5是第一信号识别及驱动器，6是光电耦合器，7是第二隔离电源变换器，8是第二信号识别及驱动器，9是第二总线电源，10是第二信号总线，11是第一工作电源，12是第三控制信号，13是控制识别信号，14是第一控制信号，15是第一识别信号，16是第一驱动信号，17是第二工作电源，18是第二控制信号，19是第二驱动信号，20是第二识别信号，21是第一延时识别信号，22是第二延时识别信号，23是第一延时电路，24是第二延时电路，25是触发电路。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。

如图2所示，现场总线隔离传输器，包括：

与第一总线电源1连接的第一隔离电源变换器3、与第二总线电源9连接的第二隔离电源变换器7；与第一信号总线2连接的第一信号总线识别与驱动器5、与第二信号总线10连接的第二信号总线识别与驱动器8；与第一隔离电源变换器3、第一信号总线识别与驱动器5、光电耦合器6连接的控制电路4；光电耦合器6与第一隔离电源变换器3、第一信号总线识别与驱动器5、第二隔离电源变换器7、第二信号总线识别与驱动器8连接。

如图3所示，上述控制电路4包括第一延时电路23、第二延时电路24和触发电路25，第一延时电路23、第二延时电路24分别与触发电路25连接。

第一延时电路23、第二延时电路24可由555芯片实现，也可由单稳态芯片实现；触发电路25产生控制信号，可以由一个R-S触发器来实现，也可以由与门组合电路来实现，或者是由或门组合电路来完成。

光电耦合器可由具有双态输出的光电耦合器件如6N317来实现。

如图2所示，光电耦合器6的三个光电耦合单元分别将由控制电路4传入的第一控制信号14耦合后作为第二控制信号18送给第二信号总线识别与驱动器8、将由第一信号总线识别与驱动器5传入的第一识别信号15耦合后作为第二驱动信号19送给第二总线识别与驱动器8、将由第二总线识别与驱动器8传入的第二识别信号20耦合后作为第一驱动信号16送给第一信号总线识别与驱动器5和作为控制识别信号13送给控制电路4。

图4、图5表示了各电路的具体构成。

图5中的光电耦合电路即光电耦合器6包括三个光电耦合单元，每个光电耦合单元都具有同相转换功能，即输入为低电平，输出也为低电平；输入为低电平，输出也为高电平。

图4、图5中的隔离电源电路分别是第一隔离电源变换器3、第二隔离电源变换器7，两者都是由稳压单输出的DC/DC电源模块及其外围电路构成。

图4、图5中的总线识别及驱动电路分别是第一信号总线识别及驱动器5、第二信号总线及驱动器8，两者都是由高速CAN收发器及其外围电路构成。

图4中的两个显性延时电路分别是第一延时电路23、第二延时电路24，两者都是由可重触发的单稳态触发器及其外围电路构成。

图4中的触电器电路即触发电路25，是由两个与非门构成。

更具体的信号走向如下：

第一延时电路23将由第一信号总线识别与驱动器5产生的第一识别信号15延时后产生第一延时识别信号21；第二延时电路24将由第二信号总线识别与驱动器8产生的第二识别信号20经由光电耦合器6产生的控制识别信号13延时后产生第二延时识别信号22；第一延时识别信号21和第二延时识别信号22被送入触发电路25，产生第一控制信号14和第三控制信号12。

第一信号总线2的信号经第一信号总线识别与驱动器5识别后产生第一识别信号15，一路送给控制电路4，一路经光电耦合器6的一个光电耦合单元耦合后作为第二驱动信号19，送给第二总线识别与驱动器8，在第二控制信号18的控制下，驱动到第二信号总线10上；所述第二信号总线10的信号经第二信号总线识别与驱动器8识别后产生第二识别信号20，经过光电耦合器6的一个光电耦合单元耦合后，一路作为控制识别信号13送给控制电路4，一路作为第一驱动信号16送给第一信号总线识别与驱动器5，在控制电路4送给第一信号总线识别与驱动器5的第三控制信号12的控制下，驱动到第一信号总线2上。

第一总线电源1经过第一隔离电源变换器3进行电气隔离后，分别向控制电路4、光电耦合器6、第一总线识别及驱动器5提供第一工作电源11；第二总线电源9经过第一隔离电源变换器7进行电气隔离后，分别光电耦合器6、第一总线识别及驱动器8提供第二工作电源17。显然第一工作电源11和第二工作电源17之间相互隔离。

本实施例的现场总线隔离传输器应用于现场总线的拓扑结构如图6所示，电子设备A和电子设备B原来分别通过信号总线和总线电源进行通讯和获取电源，引入现场总线隔离传输器后，信号总线和总线电源被其隔离开，在其两端分别形成第一信号总线、第一总线电源和第二信号总线、第二总线电源(本实施例中所述的对各部件或各信号加上的第一、第二或第三的序号，没有特别含义，仅为了加以区别，以表述方便)，电子设备A在第一信号总线上传递信号、从第一总线电源上获取电源；而电子设备B在第二信号总线上传递信号、从第二总线电源上获取电源。

从图6可以看出，现场总线隔离传输器具有电气隔离和双向传输功能，另外，还具有透明的按位竞争传输功能(不是缓存传输，也不是按字节或按帧传输)，即现场总线隔离传输器在执行从A向B的传输信号时，也开放信号的从B向A的传输，在隔离传输器两端的总线信号参与竞争，由竞争的结果确定总线信号的最后状态。

现场总线具有两个电气状态：显性状态和隐性状态。现场总线在空闲时处于隐性状态，在传输信号时，是一连串的显性状态和隐性状态的组合。当多个电子设备均向总线上传输信号时，总线具有显性状态淹没隐性状态的竞争功能(此为显性与隐性的区别所在)。

对于三个分别连接在信号总线、总线电源上的电子设备A、B、C，假设电子设备A、B向“总线”上传信号，电子设备C从“总线”下载信号，则现场总线的竞争规则如图7所示。

则在上述情况下，现场总线隔离传输器如图6接入现场总线的电气系统后，应不影响原系统的总线竞争性，其信号传输方向如图8所示。从图8可以看出，现场总线隔离传输器具有传输“显性”的功能。

下面对现场总线隔离传输器的各部分进行更详细的表述。

为了便于表述，对本实施例中的各种信号状态进行如图9所示的定义，其中识别信号、驱动信号和控制信号均为双状态的电平信号，为了与信号总线的状态定义一致，也采用了“显性/隐性”来定义。

1、总线识别及驱动器

总线识别及驱动器完成总线信号与电平信号的相互转换。总线信号便于在总线上传输；电平信号便于信号在逻辑电路中传输与控制。总线识别及驱动器对总线上的状态识别是透明的，但对总线的驱动是受控的，所述“对总线上状态识别是透明的”表示“识别信号”随时反映出“总线信号”的状态；“对总线的驱动是受控的”表示“驱动信号”传输到“总线信号”上是受“控制信号”控制的，当“控制信号”无效时，“驱动信号”不能传输出“总线信号”上。

第一总线识别及驱动器5的卡诺图如图10所示；第二总线识别及驱动器8的功能与第一总线识别及驱动器5相同，具有相同的卡诺图。

从图10可以看出，识别信号总是对信号总线的合成状态进行识别，而非对信号总线的原状态进行识别。当控制信号为使能态时，驱动信号与信号总线原信号进行总线竞争，另外，当驱动信号长时间保持为显性态时，又不参与总线竞争，即有总线保护功能。

2、光电耦合器

光电耦合器完成电平信号的在两个不同电气系统中的传输，其卡诺图如图11所示，当第一总线电源和第二总线电源存在时(如图11中的序号4～7)，光电隔离器对电平信号的转换是同相的。当一边的总线电源不存在时(如图11中的序号2～3)，光电隔离器的另一边的输出为隐性态或禁能态，在下一步的总线竞争中处于弱势，以此形成总线掉电保护功能。

3、控制电路

控制电路完成由识别信号到控制信号的转换，是一个时序电路，如图3所示，由第一延时电路、第二延时电路和触发电路组成，延时电路对第一识别信号15和控制识别信号13的显性状态进行延时。

控制电路的卡诺图如图12所示。控制信号的使能状态控制着识别信号的显性态的传输，也称为传输控制状态。

如图13所示，延时电路仅对识别信号的显性态的后沿进行延时，延时时间为T1。识别信号的显性态的延长，是为了延长控制信号的使能态，故T1称为控制延时，或传输控制延时。

如图14所示，信号总线上的总线信号经由总线识别及驱动器、光电隔离器、总线识别及驱动器到达另一边信号总线，其延时为T2，称为传输延时，或信号传输延时。

假定一个总线信号“显性—隐性”序列从第一信号总线向第二信号总线传输，延时T2后，此序列到达第二信号总线，再延时T2后，此序列反向传输到第一信号总线上，与第一信号总线上的隐性态竞争，从而改变了第一信号总线的原信号序列，改变后的信号序列又向第二信号总线延时传输，周而复始，最终则会产生显性锁定。

为了防止总线信号的“显性态”反向传输，与原总线信号进行总线竞争，本实施例中，要求控制延时(或传输控制延时)大于信号传输延时的两倍，即T1>2×T2。

Claims (4)

1.现场总线隔离传输器，包括

与第一总线电源(1)连接的第一隔离电源变换器(3)、与第二总线电源(9)连接的第二隔离电源变换器(7)；

与第一信号总线(2)连接的第一信号总线识别与驱动器(5)、与第二信号总线(10)连接的第二信号总线识别与驱动器(8)；

与第一隔离电源变换器(3)、第一信号总线识别与驱动器(5)、光电耦合器(6)连接的控制电路(4)；

光电耦合器(6)与第一隔离电源变换器(3)、第一信号总线识别与驱动器(5)、第二隔离电源变换器(7)、第二信号总线识别与驱动器(8)连接；

所述控制电路(4)包括第一延时电路(23)、第二延时电路(24)和触发电路(25)，第一延时电路(23)、第二延时电路(24)分别与触发电路(25)连接；

所述第一延时电路(23)将由第一信号总线识别与驱动器(5)产生的第一识别信号(15)延时后产生第一延时识别信号(21)；第二延时电路(24)将由第二信号总线识别与驱动器(8)产生的第二识别信号(20)经由光电耦合器(6)产生的控制识别信号(13)延时后产生第二延时识别信号(22)；第一延时识别信号(21)和第二延时识别信号(22)被送入触发电路(25)，产生第一控制信号(14)和第三控制信号(12)；

其特征在于，第二延时识别信号(22)的延时大于第一延时识别信号(21)的延时的2倍。

2.如权利要求1所述现场总线隔离传输器，其特征在于，所述光电耦合器(6)包括三个光电耦合单元，分别将由控制电路(4)传入的第一控制信号(14)耦合后作为第二控制信号(18)送给第二信号总线识别与驱动器(8)、将由第一信号总线识别与驱动器(5)传入的第一识别信号(15)耦合后作为第二驱动信号(19)送给第二总线识别与驱动器(8)、将由第二总线识别与驱动器(8)传入的第二识别信号(20)耦合后作为第一驱动信号(16)送给第一信号总线识别与驱动器(5)和作为控制识别信号(13)送给控制电路(4)。

3.如权利要求2所述现场总线隔离传输器，其特征在于，所述第一信号总线(2)的信号经第一信号总线识别与驱动器(5)识别后产生第一识别信号(15)，一路送给控制电路(4)，一路经光电耦合器(6)的一个光电耦合单元耦合后作为第二驱动信号(19)，送给第二总线识别与驱动器(8)，在第二控制信号(18)的控制下，驱动到第二信号总线(10)上；所述第二信号总线(10)的信号经第二信号总线识别与驱动器(8)识别后产生第二识别信号(20)，经过光电耦合器(6)的一个光电耦合单元耦合后，一路作为控制识别信号(13)送给控制电路(4)，一路作为第一驱动信号(16)送给第一信号总线识别与驱动器(5)，在控制电路(4)送给第一信号总线识别与驱动器(5)的第三控制信号(12)的控制下，驱动到第一信号总线(2)上。

4.如权利要求2或3所述现场总线隔离传输器，其特征在于，所述光电耦合单元分别具有同相转换功能，即输入为低电平，输出也为低电平，反之则反。

Images