CN101741377B - 无源双端串口隔离方法及隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在数据通信过程中，对两端设备的串口硬件提供保护的无源双端串口隔离方法及隔离器。其特征是：在甲端设备串口(1)处加设甲端隔离器(2)，乙端设备串口(6)处加设乙端隔离器(5)，两隔离器(2，5)间联接发送线路(3)和接收线路(4)，并使甲端隔离器(2)的发送部分对应于乙端隔离器(5)的接收部分，甲端隔离器(2)的接收部分对应于乙端隔离器(5)的发送部分；而所述两隔离器(2，5)无需外接电源。采用该方法可对数据通信线路中两端设备串口硬件在遭遇感应雷等强电磁干扰冲击时起到保护作用，并且在进行自环测试时无需摘掉隔离器，方便测试和检修。

Description

无源双端串口隔离方法及隔离器

技术领域

本发明主要涉及信息自动化及电子技术领域，是一种在数据通信过程中，当传输线路及其两端设备遭遇感应雷等强电磁干扰冲击时，对两端设备的串口硬件提供保护的无源双端串口隔离方法及隔离器。

背景技术

目前对于串口的隔离，普遍采用的方法是，在需要保护的设备串口与传输线路之间加装一只光电式无源串口隔离器。事实上这种单端隔离的方法仅适用于近距离的或临时性的、一端设备体积较小且外壳无须保护接地的实验室模式数据通信，而对于两端同为大型设备、均有保护接地措施、且中远距离全天候运行的工程模式数据通信并不适用。单端隔离方法只能保护本端设备串口，而对于对端设备串口的保护效果并不理想，因为采用单端隔离方法虽然能够切断地线环流，但由此带来的长线感应问题却给对端设备串口构成了新的威胁。这是由于单端隔离后，从隔离点开始，通往对端设备的传输线路变成了对端设备感应强电磁干扰冲击信号的“接收天线”。而导致单端隔离技术一直沿用至今的一个重要的技术原因，是由于光电式无源串口隔离器内部的光电耦合器只能开关电信号，不能输送电能，因而无法驱动下一个同类隔离器。所以，在无外接电源的情况下，普通光电式无源串口隔离器只能用于单端隔离。虽然近年出现了一种成对使用的光电式无源串口隔离器，但其每只隔离器内部仅接收部分是隔离的，而发送部分仍然直通，这种方法其实是把一只单端光电式无源串口隔离器一分为二，分置于传输线路两端，并非真正意义上的双端隔离，依然存在“长线感应”的威胁。而且采用上述光电式无源串口隔离器的通信系统在进行自环测试时必须摘掉此隔离器，否则无法建立起自发自收环路，给测试、检修工作带来不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可对两端数据通信设备串口硬件同时进行保护、并且在自环测试时无需摘掉隔离器的无源双端串口隔离方法及隔离器。

为了实现上述目的，本发明的无源双端串口隔离方法为：在甲端设备串口处加设甲端隔离器，乙端设备串口处加设乙端隔离器，两隔离器间连接发送线路和接收线路，并使甲端隔离器的发送部分对应于乙端隔离器的接收部分，甲端隔离器的接收部分对应于乙端隔离器的发送部分；而所述两隔离器无需外接电源。

实施无源双端串口隔离方法的隔离器，包括磁耦式隔离器或光耦式隔离器；

所述的磁耦式隔离器包括甲端磁耦式隔离器的发送部分与接收部分及乙端磁耦式隔离器的发送部分与接收部分；

所述的甲端磁耦式隔离器的发送部分主要由桥式整流单元、滤波及并联稳压单元、超音频载波发生单元、键控调幅及差分驱动单元、超音频变压器组成，其中桥式整流单元的输入端联接甲端设备串口的发送端，滤波及并联稳压单元、超音频载波发生单元、键控调幅及差分驱动单元均跨接在桥式整流单元的输出端，键控调幅及差分驱动单元的输出端与超音频变压器的初级联接，桥式整流单元的一个输入端与键控调幅及差分驱动单元的调制输入端联接，超音频载波发生单元的输出端与键控调幅及差分驱动单元的载波输入端联接，超音频变压器的次级联接发送线路；所述的甲端磁耦式隔离器的接收部分主要由超音频变压器、桥式整流单元、滤波及并联稳压单元、键控调幅信号解调单元组成，其中超音频变压器的初级联接接收线路，次级联接桥式整流单元的输入端，滤波及并联稳压单元、键控调幅信号解调单元均跨接在桥式整流单元的输出端，超音频变压器次级的一端与键控调幅信号解调单元输入端联接，键控调幅信号解调单元的输出端联接甲端设备串口的接收端；而所述的乙端磁耦式隔离器与甲端磁耦式隔离器在电路及外形结构上完全相同，须成对使用且相互通用；

所述的光耦式隔离器，包括甲端光耦式隔离器的发送部分与接收部分及乙端光耦式隔离器的发送部分与接收部分；

所述的甲端光耦式隔离器的发送部分主要由光隔极性切换单元、桥式整流滤波单元及磁隔DC/DC变换单元组成。其中光隔极性切换单元的正、负控制端，与桥式整流滤波单元的两输入端并联，且联接甲端设备串口的发送端；磁隔DC/DC变换单元的正、负输入端分别联接桥式整流滤波单元的正、负输出端，磁隔DC/DC变换单元的正、负输出端分别联接光隔极性切换单元的正、负输入端；光隔极性切换单元的输出端及磁隔DC/DC变换单元的中性输出端分别作为发送部分的正、负输出端联接发送线路；所述的甲端光耦式隔离器的接收部分与发送部分的组成及内部连接关系相同，且接收部分的输入端联接接收线路，输出端联接甲端设备串口的接收端；并使甲端光耦式隔离器经发送线路及接收线路后与乙端光耦式隔离器同极性联接。而所述的乙端光耦式隔离器与甲端光耦式隔离器在电路及外形结构上完全相同，成对使用且互相通用。

本发明的有益效果是：由于在传输线路两端采用成对使用的磁耦式隔离器或光耦式隔离器，使两端的通信设备串口与传输线路之间完全隔离，在遭遇感应雷等强电磁干扰冲击时，无论两端设备还是传输线路上感应的电冲击信号均可就近入地，并且不会产生地线环流和长线感应的威胁。与无隔离和单端隔离相比，降低了两端设备串口硬件风险，并可使其它的防雷、抗干扰措施更好地发挥应有功效。在应用成对使用的磁耦式隔离器或光耦式隔离器的通信系统中，无需外接电源，仅利用设备串口发送脚输出的微弱电流，即可实现正常的串行数据通信及包括两端磁耦式隔离器或光耦式隔离器和中间传输线路在内的全程自环测试，给测试和检修工作带来极大方便。

附图说明

图1是应用无源双端串口隔离方法的通信系统示意图；

图2是甲端磁耦式隔离器电路框图；

图3是乙端磁耦式隔离器电路框图；

图4是磁耦式隔离器的一种电路实施例示意图；

图5是甲端光耦式隔离器电路框图；

图6是乙端光耦式隔离器电路框图；

图7是光耦式隔离器的一种实施例示意图。

图中 1-甲端设备串口，2-甲端磁耦式隔离器或光耦式隔离器，3-发送线路，4-接收线路，5-乙端磁耦式隔离器或光耦式隔离器，6-乙端设备串口，7-桥式整流滤波单元，8-滤波及并联稳压单元，9-超音频载波发生单元，10-键控调幅及差分驱动单元，11、超音频变压器，12-超音频变压器，13-桥式整流单元，14-滤波及并联稳压单元，15-键控调幅信号解调单元，16-光隔极性切换单元，17-桥式整流滤波单元，18-磁隔DC/DC变换单元。

序号18中DC/DC表示直流/直流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由附图1所示，该无源双端串口隔离方法，是在甲端设备串口1处加设甲端磁耦式隔离器2，乙端设备串口6处加设乙端磁耦式隔离器5，两磁耦式隔离器(2，5)间联接发送线路3和接收线路4，并使甲端磁耦式隔离器2的发送部分对应于乙端磁耦式隔离器5的接收部分，甲端磁耦式隔离器2的接收部分对应于乙端磁耦式隔离器5的发送部分。所述两磁耦式隔离器(2、5)无需外接电源。

在上述方法中，也可采用成对的无需外接电源的光耦式隔离器代替磁耦式隔离器，实现同等功能。

附图2、图3为甲乙端磁耦式隔离器(2，5)的电路框图，隔离器(2，5)在图1所示的数据通信系统中成对使用，构成隔离器对；甲端磁耦式隔离器2的发送部分对应乙端磁耦式隔离器5的接收部分，甲端磁耦式隔离器2的接收部分对应乙端磁耦式隔离器5的发送部分；所述的发送部分如附图2上半部分或附图3的下半部分所示，甲端磁耦式隔离器2的发送部分主要由桥式整流滤波单元7、滤波及并联稳压单元8、超音频载波发生单元9、键控调幅及差分驱动单元10、超音频变压器11组成，其中桥式整流滤波单元7的输入端联接甲端设备串口的发送端T，滤波及并联稳压单元8、超音频载波发生单元9、键控调幅及差分驱动单元10均跨接在桥式整流滤波单元7的输出端，键控调幅及差分驱动单元10的输出端与超音频变压器11的初级联接，桥式整流滤波单元7的一个输入端与键控调幅及差分驱动单元10的调制输入端联接，超音频载波发生单元9的输出端与键控调幅及差分驱动单元10的载波输入端联接，超音频变压器11的次级联接发送线路3。所述的接收部分如附图2的下半部分或附图3的上半部分所示，甲端磁耦式隔离器2的接收部分主要由超音频变压器12、桥式整流单元13、滤波及并联稳压单元14、键控调幅信号解调单元15组成，其中超音频变压器12的初级联接接收线路4，次级联接桥式整流单元13的输入端，滤波及并联稳压单元14、键控调幅信号解调单元15均跨接在桥式整流单元13的输出端，超音频变压器12次级的一端与键控调幅信号解调单元15的输入端联接，键控调幅信号解调单元15的输出端联接甲端设备串口的接收端R。而乙端磁耦式隔离器5与甲端磁耦式隔离器2在电路及外形结构上完全相同，构成隔离器对，须成对使用且可以互相通用。

甲端设备串口1发送端T发送的串行数据流送入甲端磁耦式隔离器2发送部分的桥式整流滤波单元7，并经滤波及并联稳压单元8，形成发送部分其余各单元的工作电压。在该电压下超音频载波发生单元9产生由内部晶体稳频的超音频载波信号，送给键控调幅及差分驱动单元10，在键控调幅及差分驱动单元10中完成由甲端设备串口发送的串行数据流中的正、负电平对超音频载波信号的键控调幅，并差分驱动超音频变压器11的初级，该键控调幅信号耦合至次级，经发送线路3送往乙端磁耦式隔离器5的接收部分。

对应于甲端的发送，乙端磁耦式隔离器5接收部分的超音频变压器12收到的是甲端磁耦式隔离器经发送线路3送来的键控调幅信号。在载波出现的时段，载波信号由初级耦合至次级并经桥式整流单元13、滤波及并联稳压单元14形成接收部分其余单元的工作电压，同时键控调幅信号送入键控调幅信号解调单元15，该单元则根据载波信号的有无，输出与甲端设备串口1发送端T相同极性的电平，完成解调，并将解调出的正确数据流送入与之相联的乙端设备串口6的接收端R。

乙端设备发送，甲端设备接收时，乙端磁耦式隔离器5的发送部分经接收线路4对应于甲端磁耦式隔离器2的接收部分，信号方向相反，工作过程与上述相同。

上述的键控调幅可以是负极性调制，也可以是正极性调制，可根据需要选择其一。

附图4为磁耦式隔离器的一种电路实施例示意图，上半部为该磁耦式隔离器电子电路的发送部分，下半部为磁耦式隔离器电子电路的接收部分。在发送电路中，二极管D1-D4构成桥式整流滤波单元(7)；电容C1、集成电路IC1、电阻R1、R2共同组成滤波及并联稳压单元(8)；与非门A、电阻R3、R4、电容C2、C3、晶体X1组成超音频载波发生单元(9)；与非门B、C、D及三极管T1、电阻R5、R6、二极管D5-D8、电容C4共同组成负极性的键控调幅及差分驱动单元(10)；B1是超音频变压器(11)，左边是其初级，右边是次级。次级接至发送线路并通向对端磁耦式隔离器电路接收部分的超音频变压器初级。其中，与非门A、B被接成了非门形式，当作反相器使用。

在接收电路中，B2是超音频变压器(12)，左边为次级，右边为初级，初级接至接收线路并通向对端磁耦式隔离器电路发送部分的超音频变压器次级。二极管D9-D12组成桥式整流单元(13)；电容C5、集成电路IC3、电阻R7、R8共同组成滤波及并联稳压单元(14)；与非门E、F、G、H及电阻R9-R12、三极管T2、电容C6共同组成负极性的键控调幅信号解调单元(15)。其中与非门E、G、H被接成了非门形式，当作反相器使用。

上述A、B、C、D为集成电路IC2内部的四个与非门，E、F、G、H为集成电路IC4内部的四个与非门。

附图5及图6所示为甲乙端光耦式隔离器(2，5)的电路框图，隔离器(2，5)在图1所示的数据通信系统中成对使用，构成隔离器对；甲端光耦式隔离器2的发送部分对应乙端光耦式隔离器5的接收部分，且经发送线路3同极性联接；乙端光耦式隔离器5的发送部分对应甲端光耦式隔离器2的接收部分，且经接收线路4同极性联接。所述的发送部分如附图5上半部分或附图6的下半部分所示，甲端光耦式隔离器2的发送部分主要由光隔极性切换单元16、桥式整流滤波单元17及磁隔DC/DC变换单元18组成。其中光隔极性切换单元16的正、负控制端作为发送部分的正、负输入端，与桥式整流滤波单元17的两输入端并联，且作为发送部分的输入端，联接甲端设备串口1的发送端T；磁隔DC/DC变换单元18的正、负输入端分别联接桥式整流滤波单元17的正、负输出端，磁隔DC/DC变换单元18的正、负输出端分别联接光隔极性切换单元16的正、负输入端；光隔极性切换单元16的输出端及磁隔DC/DC变换单元18的中性输出端分别作为发送部分的正、负输出端，联接发送线路3，使发送部分输出的电信号与其输入的电信号保持极性相同、大小相近且互相隔离。所述的甲端光耦式隔离器2的接收部分与其发送部分的组成及内部连接关系相同，且接收部分的输入端联接接收线路4，输出端联接甲端设备串口1的接收端R。

甲端设备串口1发送端T发送的串行数据流送入甲端光耦式隔离器2发送部分的桥式整流滤波单元17，变为直流电压，再经磁隔DC/DC变换单元形成对称的正、负电压，然后分别送入光隔极性切换单元16的正、负输入端，并根据光隔极性切换单元16控制端输入信号的极性，在光隔极性切换单元16中选择相同极性的电压信号输出，并连同磁隔DC/DC变换单元18的中性输出端一起，分别作为发送部分的正、负输出端，经发送线路3与乙端光耦式隔离器5的接收部分输入端同极性相联，从而完成对甲端设备串口1发送数据流的隔离传送。

对应于甲端的发送，乙端光耦式隔离器5接收部分的输入端联接发送线路3，输出端联接乙端设备串口6的接收端R。乙端光耦式隔离器5接收部分的工作过程与甲端光耦式隔离器2发送部分的工作过程相同。

乙端设备发送、甲端设备接收时，甲端光耦式隔离器2的接收部分经接收线路4与乙端光耦式隔离器5发送部分同极性相联，工作过程与甲端设备发送、乙端设备接收时相同，信号方向相反。

附图7为光耦式隔离器的一种电路实施例示意图。上半部为发送部分、下半部为接收部分，且发送部分和接收部分的电路构成相同。其中，电阻R1、双光电耦合器IC1、三极管T1、T2共同组成光隔极性切换单元16，二极管D1-D4、电容C1组成桥式整流滤波单元17，反相驱动器IC2、电阻R2、R3、电容C2-C5、变压器B1、二极管D5-D8共同组成磁隔DC/DC变换单元18。

图4、图7中，TX、RX、GND为三线制RS-232用法，其中GND为T-与R-短接；T+、T-、R+、R-为RS-422用法。

无源双端串口隔离方法及隔离器对于串行通信接口标准和传输线路的适应能力如下：

(1)既适用于RS-232接口标准，也适用于RS-422接口标准，用于两者的磁耦式隔离器对间或光耦式隔离器对间可通用。

(2)对于三线制RS-232系统，传输线路不计屏蔽层时既可采用收、发、地三线制，也可采用平衡接收、平衡发送的四线制，方便灵活，便于实施。采用三线制时，传输线路可沿用原已铺就的RS-232电缆，节约成本、缩短工期；采用四线制时，传输线路是两对双绞线，接收线路和发送线路各自独立，并且传送的是差动信号，抗干扰能力更强，传输距离和通信速率优于三线制。

上述的无源双端串口隔离方法是采用成对使用的磁耦式隔离器或光耦式隔离器对数据通信线路中两端设备串口硬件起到保护作用一种方法，避免遭遇感应雷等强电磁干扰冲击时对两端设备的串口硬件造成破坏，而且在进行自环测试时无需摘掉隔离器，方便测试和检修。

Claims (2)

1.一种无源双端串口隔离方法，其特征是：在甲端设备串口(1)处加设甲端隔离器(2)、乙端设备串口(6)处加设乙端隔离器(5)，两隔离器(2，5)间连接发送线路(3)和接收线路(4)，并使甲端隔离器(2)的发送部分对应于乙端隔离器(5)的接收部分，甲端隔离器(2)的接收部分对应于乙端隔离器(5)的发送部分；而所述两隔离器(2，5)无需外接电源；

上述的隔离器，包括磁耦式隔离器或光耦式隔离器；

所述的磁耦式隔离器包括甲端磁耦式隔离器(2)的发送部分与接收部分及乙端磁耦式隔离器(5)的发送部分与接收部分；所述的甲端磁耦式隔离器(2)的发送部分主要由桥式整流滤波单元(7)、第一滤波及并联稳压单元(8)、超音频载波发生单元(9)、键控调幅及差分驱动单元(10)、第一超音频变压器(11)组成，其中桥式整流滤波单元(7)的输入端连接甲端设备串口(1)的发送端(T)，第一滤波及并联稳压单元(8)、超音频载波发生单元(9)、键控调幅及差分驱动单元(10)均跨接在桥式整流滤波单元(7)的输出端，键控调幅及差分驱动单元(10)的输出端与第一超音频变压器(11)的初级连接，桥式整流滤波单元(7)的一个输入端与键控调幅及差分驱动单元(10)的调制输入端连接，超音频载波发生单元(9)的输出端与键控调幅及差分驱动单元(10)的载波输入端连接，第一超音频变压器(11)的次级连接发送线路(3)；

所述的甲端磁耦式隔离器(2)的接收部分主要由第二超音频变压器(12)、桥式整流单元(13)、第二滤波及并联稳压单元(14)、键控调幅信号解调单元(15)组成，其中第二超音频变压器(12)的初级连接接收线路(4)、次级连接桥式整流单元(13)的输入端，第二滤波及并联稳压单元(14)、键控调幅信号解调单元(15)均跨接在桥式整流单元(13)的输出端，第二超音频变压器(12)的次级端与键控调幅信号解调单元(15)的输入端连接，键控调幅信号解调 单元(15)的输出端连接甲端设备串口(1)的接收端(R)；

而所述的乙端磁耦式隔离器(5)与甲端磁耦式隔离器(2)在电路及外形结构上完全相同，成对使用且相互通用；

所述的光耦式隔离器包括甲端光耦式隔离器(2)的发送部分与接收部分及乙端光耦式隔离器(5)的发送部分与接收部分；所述的甲端光耦式隔离器(2)的发送部分主要由光隔极性切换单元(16)、桥式整流滤波单元(17)及磁隔DC/DC变换单元(18)组成；其中光隔极性切换单元(16)的正、负控制端与桥式整流滤波单元(17)的两输入端并联，作为发送部分的输入端连接甲端设备串口(1)的发送端(T)；磁隔DC/DC变换单元(18)的正、负输入端分别连接桥式整流滤波单元(17)的正、负输出端，磁隔DC/DC变换单元(18)正、负输出端分别连接光隔极性切换单元(16)的正、负输入端；光隔极性切换单元(16)的输出端及磁隔DC/DC变换单元(18)的中性输出端作为发送部分的输出端连接发送线路(3)；

所述的甲端光耦式隔离器(2)的接收部分与发送部分的组成及内部连接关系相同，且接收部分的输入端连接接收线路(4)，输出端连接甲端设备串口(1)的接收端(R)；并使甲端光耦式隔离器(2)经发送线路(3)及接收线路(4)后与乙端光耦式隔离器(5)同极性连接；而所述的乙端光耦式隔离器(5)与甲端光耦式隔离器(2)在电路及外形结构上完全相同，成对使用且相互通用。

2.实施无源双端串口隔离方法的隔离器，包括磁耦式隔离器或光耦式隔离器，其特征在于：

所述的磁耦式隔离器包括甲端磁耦式隔离器(2)的发送部分与接收部分及乙端磁耦式隔离器(5)的发送部分与接收部分；所述的甲端磁耦式隔离器(2)的发送部分主要由桥式整流滤波单元(7)、第一滤波及并联稳压单元(8)、超音频载波发生单元(9)、键控调幅及差分驱动单元(10)、第一超音频变压器(11)组成，其中桥式整流滤波单元(7)的输入端连接甲端设备串口(1)的发送端(T)，第一滤波及并联稳压单元(8)、超音频载波发生单元(9)、键控调 幅及差分驱动单元(10)均跨接在桥式整流滤波单元(7)的输出端，键控调幅及差分驱动单元(10)的输出端与第一超音频变压器(11)的初级连接，桥式整流滤波单元(7)的一个输入端与键控调幅及差分驱动单元(10)的调制输入端连接，超音频载波发生单元(9)的输出端与键控调幅及差分驱动单元(10)的载波输入端连接，第一超音频变压器(11)的次级连接发送线路(3)；

所述的甲端磁耦式隔离器(2)的接收部分主要由第二超音频变压器(12)、桥式整流单元(13)、第二滤波及并联稳压单元(14)、键控调幅信号解调单元(15)组成，其中第二超音频变压器(12)的初级连接接收线路(4)、次级连接桥式整流单元(13)的输入端，第二滤波及并联稳压单元(14)、键控调幅信号解调单元(15)均跨接在桥式整流单元(13)的输出端，第二超音频变压器(12)的次级端与键控调幅信号解调单元(15)的输入端连接，键控调幅信号解调单元(15)的输出端连接甲端设备串口(1)的接收端(R)；

而所述的乙端磁耦式隔离器(5)与甲端磁耦式隔离器(2)在电路及外形结构上完全相同，成对使用且相互通用；

所述的光耦式隔离器包括甲端光耦式隔离器(2)的发送部分与接收部分及乙端光耦式隔离器(5)的发送部分与接收部分；所述的甲端光耦式隔离器(2)的发送部分主要由光隔极性切换单元(16)、桥式整流滤波单元(17)及磁隔DC/DC变换单元(18)组成；其中光隔极性切换单元(16)的正、负控制端与桥式整流滤波单元(17)的两输入端并联，作为发送部分的输入端连接甲端设备串口(1)的发送端(T)；磁隔DC/DC变换单元(18)的正、负输入端分别连接桥式整流滤波单元(17)的正、负输出端，磁隔DC/DC变换单元(18)正、负输出端分别连接光隔极性切换单元(16)的正、负输入端；光隔极性切换单元(16)的输出端及磁隔DC/DC变换单元(18)的中性输出端作为发送部分的输出端连接发送线路(3)；

所述的甲端光耦式隔离器(2)的接收部分与发送部分的组成及内部连接关系相同，且接收部分的输入端连接接收线路(4)，输出端连 接甲端设备串口(1)的接收端(R)；并使甲端光耦式隔离器(2)经发送线路(3)及接收线路(4)后与乙端光耦式隔离器(5)同极性连接；而所述的乙端光耦式隔离器(5)与甲端光耦式隔离器(2)在电路及外形结构上完全相同，成对使用且相互通用。 

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