CN101882123B - 串行数据的长距离传输器及传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串行数据的长距离传输器及传输系统。其中，传输器包括：模拟开关，与外部设备的串行端口连接，用于控制传输器的数据传输通道以控制串行数据的传输方向，其中，数据传输通道用于传输串行数据；电平转换器，连接于模拟开关，用于对串行数据进行电平转换。通过本发明，能够简单、方便地实现串行数据的长距离传输。

Description

串行数据的长距离传输器及传输系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种串行数据的长距离传输器及传输系统。

背景技术

非差分方式传输的二线制双向串行总线应用是一种应用比较广泛的技术，比如个人电脑PC机的PS/2键盘、鼠标与PC机主板间的通信就是采用这种总线。二线制双向串行总线由时钟线和数据线组成，数据传输是双向的，非差分方式的，其中，时钟线传输串行时钟信号，数据线传输双向串行数据。该总线数据的传输距离一般不能超过2米。

将二线制双向串行数据总线应用在串行数据长距离传输的场合时，进行通信的设备端之间的距离较远，数据传输不成功或不稳定，各种常见的解决方式都是采用接收端和发送端各增加一个MCU的方法来处理。发送端的MCU获取并解析发送端发出的数据，然后采用三线制串行总线的方式进行远距离传输。接收端的MCU接收并解析三线制串行总线上传来的数据并输送给接收端。这些解决方式设计复杂，而且要由MCU侦测发送端的波特率和对数据进行解析，通用性差。加之MCU要完整的接收完一帧数据才能进行解析，必然会有一定的延时，不适用于时间要求严格的场合。

例如船舶监控系统上，要求主机放在设备间，显示器和键盘、鼠标放在10～15米之外的控制台上。这种情况下就要解决非差分方式传输的二线制双向串行总线上数据的长距离传输问题。市面上常见的串口转接头、串口转换器等都无法解决这一问题。

图1是根据相关技术的串行数据的长距离传输系统的结构示意图。

如图1所示，现有技术采用在主板端和键盘鼠标端各设置一个专用的可编程的数据传输设备以解决二线制双向串行总线上的长距离传输问题。PC机主板端的数据传输设备获取并处理主板端发出的数据后传输给远处的键盘鼠标端的数据传输设备，键盘鼠标端的数据传输设备将接收到的数据解析后发送给键盘鼠标；同时，键盘鼠标端的数据传输设备获取并处理键盘鼠标发出的数据之后传输给远端的主板端的数据传输设备，主板端的数据传输设备将接收到的数据解析后发送给主板。通过以上过程完成主板和键盘鼠标的数据交互。

主板和键盘鼠标端的这种专用的数据传输设备之间的数据传输方式为适合长距离传输的差分方式(RS485、以太网等)或者RS232方式。这种数据传输设备都是采用可编程的微控制器(MCU)通过程序来检测设备端的波特率，键盘、鼠标端的数据传输设备检测鼠标键盘端发送数据的波特率，即接收鼠标键盘端发送的数据并解析。每接收完一帧数据后，鼠标键盘端的数据传输设备会把数据发送给远方的主板端的数据传输设备。

通信的过程中，由于需要侦测数据收发的波特率并对数据进行解析以判断数据帧是否接收完毕，而不同的应用场合数据收发的波特率以及数据帧格式都不同，所以在不知道数据波特率和数据格式的情况下不能使用该方法，该设备不具备通用性。且由于数据解析需要完成数据的整帧接收后才能进行，解析完成后才能开始传输数据，故不可避免的造成延时，因此在某些对响应时间有要求的场合不适用。

同时由于该专用数据传输设备需要使用微控制器(MCU)，需要编写控制程序，且需要设计MCU的外围电路，所以设计上复杂。

针对相关技术中串行数据长距离传输设备设计复杂的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目在于提供一种串行数据的长距离传输器及传输系统，以解决相关技术中串行数据长距离传输时采用可编程的数据传输设备，导致设备设计复杂的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种串行数据的长距离传输器。

根据本发明的串行数据的长距离传输器包括：模拟开关，与外部设备的串行端口连接，用于控制传输器的数据传输通道以控制串行数据的传输方向，其中，数据传输通道用于传输串行数据；电平转换器，连接于模拟开关，用于对串行数据进行电平转换。

进一步地，上述长距离传输器还包括：光耦，连接于模拟开关和电平转换器之间，用于对串行数据进行光电隔离。

进一步地，模拟开关包括第一端口、发送端口和第二端口，其中，在传输器为发送状态时：外部设备的数据端口经由第一端口与发送端口相连接；光耦的输入端与发送端口连接，输出端连接于第一节点，其中，第一节点为第二端口与电平转换器之间的节点。

进一步地，模拟开关包括第三端口、接收端口和第四端口，在传输器为接收状态下：外部设备的数据端口经由第三端口与接收端口相连接；光耦的输入端连接于第二节点，输出端与接收端口连接，其中，第二节点为电平转换器和第四端口之间的节点。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种串行数据的长距离传输器，该传输器包括：电平转换器；模拟开关，连接于外部设备和电平转换器之间，用于确定传输器的数据传输通道，其中，数据传输通道用于传输串行数据。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种串行数据的长距离传输系统，包括：第一设备；第一长距离传输器，设置于第一设备上；第二设备；第二长距离传输器，设置于第二设备上，其中，第一长距离传输器和第二长距离传输器相连接并且第一长距离传输器和第二长距离传输器均为上述的任一种串行数据的长距离传输器。

进一步地，在长距离传输系统处于初始状态的情况下，第一设备和第二设备的状态均处于接收状态。

进一步地，在第一设备发送串行数据到第二设备的情况下，第一长距离传输器上的发送通道处于打开状态，接收通道处于关闭状态，并且第一设备在发送完成后自动返回接收状态。

进一步地，第一设备和第二设备中之一为主板端的数据传输设备，第一设备和第二设备中另一个为键盘和/或鼠标。

通过本发明，采用具有以下结构的串行数据的长距离传输器：电平转换器；模拟开关，连接于外部设备和电平转换器之间，用于确定传输器的数据传输通道，其中，数据传输通道用于传输串行数据，解决了相关技术中串行数据长距离传输设计复杂的问题，进而达到了串行数据长距离传输简单、方便的效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的串行数据的长距离传输系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的串行数据的长距离传输系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的串行数据的传输器的管脚连接示意图；

图4是根据本发明实施例的串行数据的传输器初始状态时数据信号传输通道的示意图；

图5是根据本发明第一实施例的串行数据的传输器发送状态时数据信号传输通道的示意图；

图6是根据本发明第二实施例的串行数据的传输器发送状态时数据信号传输通道的示意图；

图7是根据本发明第三实施例的串行数据的传输器发送状态时数据信号传输通道的示意图；

图8是根据本发明第四实施例的串行数据的传输器发送状态时数据信号传输通道的示意图；

图9是根据本发明实施例的串行数据的传输器接收状态时数据信号传输通道的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明的实施例，提供了一种串行数据的长距离传输系统及传输器。

图2是根据本发明实施例的串行数据的长距离传输系统的结构示意图。

如图2所示，该串行数据的长距离传输器包括：电平转换器；模拟开关，连接于外部设备和电平转换器之间，用于确定传输器的数据传输通道，其中，数据传输通道用于传输串行数据。

其中，模拟开关，与外部设备的串行端口连接，用于控制传输器的数据传输通道以控制串行数据的传输方向，其中，数据传输通道用于传输串行数据；电平转换器，连接于模拟开关，用于对串行数据进行电平转换。

在上述实施例中，电平转换器可以起到电平转换的作用，例如可以将TTL电平转换成RS232电平或者RS485电平，从而能够实现长距离传输。当在数据传输线上产生电平变化时，模拟开关会相应的进行开关动作，打开相应的数据发送或接收通路，进而达到确定传输器的数据传输通道的目的，实现了数据的双向传输。

本发明采用在互相通信的两个设备端各加装一个传输器，传输器中的模拟开关控制数据流向，保证数据的双向传输，无需侦测串行数据发送的波特率、无需解析串行数据内容。该系统的实施例可以实现不借助微程序控制器(MCU)、不检测或设定传输波特率、不解析数据将非差分方式工作的二线制双向串行总线上数据的传输距离延伸到十五米，解决了二线制双向串行数据远距离透传问题。

本发明实施例中，在需要进行长距离数据传送的非差分方式工作的二线制串行接口的两个设备端分别加装长距离传输器。两个设备分别是发送端和接收端可以命名为A设备和B设备。其中，可以A设备是键盘、鼠标，B设备是主机，也可以A设备是主机，B设备是键盘、鼠标。

如图2所示，在初始时刻A设备和B设备均处于接收状态，假设在某一时刻A设备需要发送数据，A设备数据线上的电平变化会立即使A设备端的传输器上的模拟开关动作，A设备的数据发送通路就会被打开，数据经过光电隔离、电平变换后成为RS232电平或RS485电平，传输给远端的B设备。数据发送完成后A设备自动进入接收状态，可以接收来自B设备的数据。从而实现了数据的双向传输。B设备在初始时刻处于接收状态，当接收到A设备发来的数据后，等待总线空闲以发送应答数据。一旦B设备开始发送应答数据，会立即使B设备端加装的长距离传输器上的模拟开关动作，B设备的发送通路会被打开，数据经过光电隔离、电平变换后成为RS232电平或RS485电平，传输给远端的A设备。数据发送完成后B设备自动进入接收状态，可以接收来自A设备的数据。

综上所述，通过本发明的串行数据的长距离传输系统，能够在不使用MCU、不检测和设定波特率、不对数据进行解析的情况下，实现串行数据的远距离透传，是一个针对同类问题的通用的解决方案。

图3是根据本发明实施例的串行数据的传输器的管脚连接示意图。

如图3所示，该传输器可以包括：电平转换器；模拟开关，连接于外部设备和电平转换器之间，用于确定传输器的数据传输通道，其中，数据传输通道用于传输串行数据；光耦，连接于模拟开关和电平转换器之间，用于对串行数据进行光电隔离。

本发明通过传输器中的模拟开关自动实现对长距离传输的串行数据的流向进行控制，模拟开关的控制管脚分别连接光耦输出端、光耦输入端、模拟开关的输出端，形成一个带有逻辑关系的控制环路。使模拟开关根据数据发送端的收发状态自动实现对数据流向的控制，保证数据的双向传输。该传输器无需侦测串行数据收发的波特率，无需借助微程序控制器(MCU)捕获串行数据并对内容进行解析。

模拟开关包括第一端口、发送端口和第二端口，其中，在传输器为发送状态时：外部设备的数据端口经由第一端口与发送端口相连接；光耦的输入端与发送端口连接，输出端连接于第一节点，其中，第一节点为第二端口与电平转换器之间的节点。因而，模拟开关能够实现控制数据传输通道为发送通道的目的。

模拟开关包括第三端口、接收端口和第四端口，在传输器为接收状态下：外部设备的数据端口经由第三端口与接收端口相连接；光耦的输入端连接于第二节点，输出端与接收端口连接，其中，第二节点为电平转换器和第四端口之间的节点。因而，模拟开关能够实现控制数据传输通道为接收通道的目的。

下面将结合实例对本发明实施例的实现过程进行详细描述。

本发明针对非差分方式传输的二进制双向串行数据传输设计了一种通用的数据长距离传输器。传输器由光耦、电平转换器、模拟开关和简单的阻容元件构成。模拟开关的控制管脚分别连接光耦输出端、光耦输入端、模拟开关的输出端，形成一个带有逻辑关系的控制环路。使模拟开关根据数据发送端的收发状态自动实现对数据流向的控制，保证数据的双向传输。

如图2和3所示，根据本发明实施例提供的串行数据的长距离传输系统包括：第一设备；第一长距离传输器，设置于第一设备上；第二设备；第二长距离传输器，设置于第二设备上，其中，第一长距离传输器和第二长距离传输器相连接并且第一长距离传输器和第二长距离传输器均为上述的任一种串行数据的长距离传输器。

在上述系统中，通过在第一设备和第二设备侧均设置长距离传输器，以及通过长距离传输器中的模拟开关控制串行数据的传输通道，能够实现数据的双向传输，进而能够简便地实现第一设备和第二设备之间的长距离传输。

下面以键盘鼠标端与主机端之间延长传输距离的为实施例进行描述。

图4是根据本发明实施例的串行数据的传输器初始状态时数据信号传输通道的示意图。

如图4所示，在初始状态下，在连接在鼠标键盘端的传输器中，传输器的接收端光耦的正极与模拟开关的Y7连接，负极与电平转换器的输入端(INPUT)连接，模拟开关上的Z1与Y7连通；连接在主板端的传输器中，传输器内部连接方式与鼠标键盘端的相同。图4中箭头所指示的数据信号传输路径为键盘鼠标端与主机端之间的信号实际传输通道。主板端S0＝S1＝S2＝Z1＝Y7＝1，Y7通道打开，主板端处于接收状态，可以接收来自键盘鼠标端发送来的数据。当数据发送完毕，总线空闲，则再次进入这种S0＝S1＝S2＝Z1＝Y7，Y7通道打开的初始状态。在初始状态下，主板端和键盘鼠标端全部处于接收状态。接收状态电平为高电平。

图5是根据本发明第一实施例的串行数据的传输器发送状态时数据信号传输通道的示意图。

如图5所示，设备端进入发送状态。本发明实施例中比如键盘需要发送数据，此时键盘端首先产生一个低电平下跳沿，则S2＝S1＝1，S0＝0，Z1＝Y6，其中，在连接在鼠标键盘端的传输器中，传输器的发送端光耦的正极与模拟开关的Y6连接，模拟开关上的Z1与Y6连通；在连接在主板端的传输器中，传输器内部连接方式保持不变。发送数据初期键盘端发送数据信号的通道为图5中箭头所指示的数据信号传输通道。可以看出，键盘端已经从接收状态进入发送状态。

图6是根据本发明第二实施例的串行数据的传输器发送状态时数据信号传输通道的优选示意图。

如图6所示，此时键盘端处于低电平，则S2＝0，S1＝1，S0＝0，Z1＝Y2，其中，在连接在鼠标键盘端的传输器中，传输器的光耦的正极与模拟开关的Y2连接，负极与电平转换器的输出端(OUTPUT)连接，模拟开关上的Z1与Y2连通；在连接在主板端的传输器中，S2＝S0＝1，S1＝0，Z1＝Y5，传输器的光耦的负极与模拟开关的Y5连接，正极与电平转换器的输入端(INPUT)连接，模拟开关上的Z1与Y5连通。此时键盘端发送数据信号的通道为图6中箭头所指示的数据信号传输通道。可以看出，键盘端的数据继续发出。同时主板端开始接收到低电平下跳沿，S2＝S0＝1，S1＝0，Z1＝Y5，数据继续传送。

图7是根据本发明第三实施例的串行数据的传输器发送状态时数据信号传输通道的优选示意图。

如图7所示，键盘端仍旧处于低电平状态，继续发送数据信号，其中，连接在鼠标键盘端的传输器内部元件的连接方式不变；在连接在主板端的传输器中，S2＝1，S1＝S0＝0，Z1＝Y4，传输器的光耦的负极与模拟开关的Y4连接，此时键盘端发送数据信号的通道为图7中箭头所指示的数据信号传输通道，保持发送状态，主板端也进入低电平状态，S2＝1，S0＝S1＝0，Z1＝Y4，数据继续传送。

图8是根据本发明第四实施例的串行数据的传输器发送状态时数据信号传输通道的优选示意图。

如图8所示，键盘端继续发送数据时，键盘会产生一个上跳沿则S2＝0，S1＝1，S0＝1，Z1＝Y3，其中，在连接在鼠标键盘端的传输器中，传输器的光耦的正极与模拟开关的Y3连接，模拟开关上的Z1与Y3连通；在连接在主板端的传输器中，传输器的内部连接方式不变，此时键盘端发送数据信号的通道为图8中箭头所指示的数据信号传输通道。可以看出，键盘端的数据继续发出。

图9是根据本发明实施例的串行数据的传输器接收状态时数据信号传输通道的示意图。

如图9所示，继续发送时键盘端处于高电平，此时键盘端停止发送数据，准备进入接收状态，传输通道为图9中箭头所指示的数据信号传输通道。主板端S2＝1，S1＝1，S0＝1，Z1＝Y6，主板接收到高电平。

当键盘端为跳转到接收状态时S2＝1，S1＝1，S0＝1，Z1＝Y7。键盘端的发送线与键盘断开，接收端将收到高电平。此时键盘端进入了接收状态。主板端将继续接收到高电平，并且S2＝1，S1＝1，S0＝1，Z1＝Y7。进入如图4所示的接收状态。

如果此时主板需要发送对键盘指令的响应数据，则主板端会拉低Z1管脚的电平，从而S0＝0，S1＝1，S2＝1，Y6通道打开，数据开始向外发送，从逻辑图可以看出，Y6通道打开后，在数据发送结束前，Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y6依次接通，保证数据顺畅的发出。数据发送接收后，随着Z1＝1的电平变换，S2＝1，S0＝1，第五通道(假设S1＝0)或者第七通道(假设S1＝1)打开，总线进入初始状态，准备接收数据。这样就完成了数据收发的全部过程。

本发明实施例中，光耦采用正逻辑接法连接于模拟开关和电平转换器之间，用于对数据信号进行光电隔离，数据信号在一个传输通道上为单向传输，在两个传输通道上实现双向传输。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：本发明不侦测数据收发的波特率，数据完全透传；不使用MCU，不需要编写控制程序，不需要设计MCU的外围电路且通信的数据都是实时传输，故具有通用性好、设计简单、无传输延时且工作稳定可靠等优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种串行数据的长距离传输器，其特征在于，包括：

模拟开关，与外部设备的串行端口连接，用于控制所述传输器的数据传输通道以控制串行数据的传输方向，其中，所述数据传输通道用于传输所述串行数据；

电平转换器，连接于所述模拟开关，用于对所述串行数据进行电平转换；

光耦，连接于所述模拟开关和所述电平转换器之间，用于对所述串行数据进行光电隔离，

其中，所述模拟开关包括第一端口、发送端口和第二端口，其中，在所述传输器为发送状态时：

所述外部设备的数据端口经由所述第一端口与所述发送端口相连接；

所述光耦的输入端与所述发送端口连接，输出端连接于第一节点，其中，所述第一节点为所述第二端口与所述电平转换器之间的节点。

2.根据权利要求1所述的串行数据的长距离传输器，其特征在于，所述电平转换器用于将所述串行数据转换为RS232电平或RS485电平。

3.一种串行数据的长距离传输器，其特征在于，包括：

模拟开关，与外部设备的串行端口连接，用于控制所述传输器的数据传输通道以控制串行数据的传输方向，其中，所述数据传输通道用于传输所述串行数据；

电平转换器，连接于所述模拟开关，用于对所述串行数据进行电平转换，

光耦，连接于所述模拟开关和所述电平转换器之间，用于对所述串行数据进行光电隔离，

其中，所述模拟开关包括第三端口、接收端口和第四端口，在所述传输器为接收状态下：

所述外部设备的数据端口经由所述第三端口与所述接收端口相连接；

所述光耦的输入端连接于第二节点，输出端与所述接收端口连接，其中，所述第二节点为所述电平转换器和所述第四端口之间的节点。

4.根据权利要求3所述的串行数据的长距离传输器，其特征在于，所述电平转换器用于将所述串行数据转换为RS232电平或RS485电平。

5.一种串行数据的长距离传输系统，其特征在于，包括：

第一设备；

第一长距离传输器，设置于所述第一设备上；

第二设备；

第二长距离传输器，设置于所述第二设备上，

其中，所述第一长距离传输器和所述第二长距离传输器相连接并且所述第一长距离传输器和所述第二长距离传输器均为权利要求1至4中任一项所述的串行数据的长距离传输器。

6.根据权利要求5所述的串行数据的长距离传输系统，其特征在于，在所述长距离传输系统处于初始状态的情况下，所述第一设备和所述第二设备的状态均处于接收状态。

7.根据权利要求6所述的串行数据的长距离传输系统，其特征在于，在所述第一设备发送串行数据到所述第二设备的情况下，所述第一长距离传输器上的发送通道处于打开状态，接收通道处于关闭状态，并且所述第一设备在发送完成后自动返回接收状态。

8.根据权利要求5所述的串行数据的长距离传输系统，其特征在于，所述第一设备和所述第二设备中之一为主板端的数据传输设备，所述第一设备和所述第二设备中另一个为键盘和/或鼠标。

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