CN102064821B - 一种实现串口隔离的方法和串口隔离电路 - Google Patents

一种实现串口隔离的方法和串口隔离电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种实现串口隔离的方法及串口隔离电路，该方法包括：通过第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为脉冲信号，将所述脉冲信号转换为TTL电平信号，然后输出给TTL电平串口；根据接收到TTL电平串口的输出的TTL电平信号，选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块，通过所述第二变压器模块将接收到高频信号转换为RS232负电平信号，通过所述第三变压器模块将接收到高频信号转换为RS232正电平信号后，输出给所述RS232电平串口。本发明能有效抑制静电和浪涌，防止地线回路和浪涌损坏设备串口或者干扰设备的正常运行。

Description

一种实现串口隔离的方法和串口隔离电路
技术领域
本发明涉及串口信号隔离技术领域，特别涉及一种通过变压器来实现串口隔离的方法和串口隔离电路。
背景技术
在通讯设备里，一般都会在单板上引出一个串口，作为单板调试和监控的通讯口。但是，有时通讯设备与计算机主机不共地，或者2种通讯设备的地平面之间具有不确定的电势差，再加上连接串口时通常都是热插拔，两者之间的放电和浪涌容易造成串口的损坏，或者干扰通讯设备的正常运行。
为解决上述问题，现有技术常采用串口取电加光电耦合器来形成隔离，通常做法如下：
以三线串口通讯（即只使用RX（接收数据）、TX（发送数据）、GND信号的串口连接方式）为例，如图1所示，包括串口RS232电平接口的信号TXD、RXD、GND1（信号地），和串口TTL（晶体管-晶体管逻辑）电平接口的信号ETXD、ERXD、GND2（信号地），光电耦合电路U1、U2、U3，电压反转电路IC1。其中，输入端TXD的正电平信号一路经过光电耦合电路U3输出TTL电平到输出端ERXD，另一路经过路径选择电路到光电耦合电路U2，为其提供RS232正电压；输入端TXD负电平信号经过路径选择电路一路连到光电隔离电路U1，为其提供RS232负电压，另一路经电压反转电路IC1到充电电路，充电之后的电压为光耦模块U2提供RS232正电压。
这种做法虽然可行，但需要从输入端TXD取电来提供RS232电平，使TXD信号的负载较大。另外，输入端的RS232负电压是由TXD负电平信号提供，如果TXD信号线上发送连续的字节0x00（即除了停止位外TXD上都是正电平），则提供给RXD信号线的RS232负电压有可能不足。
发明内容
为了克服上述技术的不足，本发明提供一种实现串口隔离的方法及串口隔离电路，其采用变压器实现三线串口隔离，有效的抑制了静电和浪涌，防止地线回路和浪涌干扰设备的正常运行。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种串口隔离电路，包括：接收电路和发送电路，其中，
所述接收电路包括：
第一变压器模块、与RS232电平串口的输出端连接，用于接收所述RS232电平串口输出的RS232电平信号，将所述RS232电平信号转变为正负脉冲信号后输出给脉冲检测锁存模块；
所述脉冲检测锁存模块，用于将所述正负脉冲信号转换为TTL电平信号后，输出给TTL电平串口的输入端；
所述发送电路包括：
频率驱动模块，与所述TTL电平串口的输出端连接，用于接收所述TTL电平串口的输出的TTL电平信号，根据所述TTL电平信号选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块；
所述第二变压器模块，用于将接收到高频信号转换为RS232负电平信号后，输出给所述负电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端；
所述第三变压器模块，用于将接收到高频信号转换为RS232正电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端。
进一步地，上述串口隔离电路还具有下面特点：所述第一变压器模块包括：第一变压器和整流模块，
所述第一变压器的初级通过一电阻与所述RS232电平串口的输出端连接，所述第一变压器的次级与所述整流模块连接，所述整流模块与所述脉冲检测锁存模块连接；
所述整流模块，用于将所述第一变压器输出的正脉冲信号和负脉冲信号分开后分别输出给所述脉冲检测锁存模块；
所述脉冲检测锁存模块，具体用于将正脉冲信号转化为TTL低电平，将负脉冲信号转化为TTL高电平。
进一步地，上述串口隔离电路还具有下面特点：所述第一变压器模块包括：限流保护模块，所述整流模块通过所述限流保护模块与所述脉冲检测锁存模块连接。
进一步地，上述串口隔离电路还具有下面特点：所述第二变压器模块包括：第二变压器和第一整流滤波模块，所述第二变压器的初级与所述频率驱动模块连接，所述第二变压器的次级与所述第一整流滤波模块连接，所述第一整流滤波模块的负输出端与所述RS232电平串口的接收端连接，所述第一整流滤波模块的正输出端接地；
所述第三变压器模块包括：第三变压器和第二整流滤波模块，所述第三变压器的初级与所述频率驱动模块连接，所述第三变压器的次级与所述第二整流滤波模块连接，所述第二整流滤波模块的正输出端与所述RS232电平串口的接收端连接，所述第二整流滤波模块的负输出端接地。
进一步地，上述串口隔离电路还具有下面特点：
所述第二变压器模块还包括：放大电流的第一驱动模块，所述第二变压器的初级通过所述第一驱动模块与所述频率驱动模块连接；
所述第三变压器模块还包括：放大电流的第二驱动模块，所述第三变压器的初级通过所述第二驱动模块与所述频率驱动模块连接。
进一步地，上述串口隔离电路还具有下面特点：
所述脉冲检测锁存模块为数字集成电路、复杂可编程逻辑器件或者现场可编程门阵列；
所述频率驱动模块为数字集成电路、复杂可编程逻辑器件或者现场可编程门阵列。
一种实现串口隔离的方法，基于上述的串口隔离电路实现的，包括：
通过第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为脉冲信号，将所述脉冲信号转换为TTL电平信号，然后输出给TTL电平串口的输入端；
根据接收到TTL电平串口的输出的TTL电平信号，选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块，通过所述第二变压器模块将接收到高频信号转换为RS232负电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端，通过所述第三变压器模块将接收到高频信号转换为RS232正电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端。
进一步地，上述方法还具有下面特点：所述通过第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为脉冲信号的步骤之后，还包括：对所述脉冲信号进行限流。
进一步地，上述方法还具有下面特点：所述第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为脉冲信号后，还包括：
所述第一变压器模块将正脉冲信号和负脉冲信号分开后，分别输出给所述脉冲检测锁存模块，
所述脉冲检测锁存模块将所述脉冲信号转换为TTL电平信号的步骤具体为：所述脉冲检测锁存模块将正脉冲信号转化为TTL低电平，将负脉冲信号转化为TTL高电平。
进一步地，上述方法还具有下面特点：所述选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块之前，还包括：放大所述高频信号的电流。
综上，本发明提供一种实现串口隔离的方法及串口隔离电路，主要针对三线串口通讯方式设计，不需要从外部设备的串口信号线中取电，通过扩展，同样适用于5线RS232通讯以及全线RS232通讯。电路结构比较简单，被隔离两端返回路径不连通，能有效抑制静电和浪涌，防止地线回路和浪涌损坏设备串口或者干扰设备的正常运行。
附图说明
图1是现有技术的电路示意图；
图2是本发明的串口隔离电路的原理示意图；
图3是本发明实施例一的串口隔离电路的示意图；
图4是本发明实施例二的串口隔离电路的示意图；
图5是本发明的实现串口隔离的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的原理是，通过变压器来实现两端设备之间串口（如RS232电平串口和TTL电平串口）信号的隔离，同时实现串口RS232电平与TTL电平之间的转换。其中，在接收电路里，将RS232电平的输入信号通过变压器把信号电压的跳变转换为一个正脉冲或者负脉冲，再经过整流模块，将正脉冲和负脉冲分开后送到脉冲检测锁存模块，该脉冲检测锁存模块的功能是判别和锁存输入的脉冲信号，并向TTL电平串口的输出TTL电平信号。在发送电路里，TTL电平信号送到频率驱动模块，该频率驱动模块判别输入的TXD信号后，输出一个较高频率的信号到不同的变压器，经过变压器升压以及整流电路整流后，向RS232电平串口输出RS232的正电平或负电平。
为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。
本发明的串口隔离电路原理如图2所示，包含接收电路和发送电路两部分电路：
图中上面部分是接收电路，包括：第一变压器模块和脉冲检测锁存模块，其中，
第一变压器模块、与RS232电平串口的输出端连接，用于接收所述RS232电平串口输出的RS232电平信号，将所述RS232电平信号转变为正负脉冲信号后输出给脉冲检测锁存模块；
所述脉冲检测锁存模块，用于将所述正负脉冲信号转换为TTL电平信号后，输出给TTL电平串口的输入端。
其中，所述第一变压器模块可以包括：第一变压器和整流模块，
所述第一变压器的初级通过一电阻与所述RS232电平串口的输出端连接，所述第一变压器的次级与所述整流模块连接，所述整流模块与所述脉冲检测锁存模块连接；
所述整流模块，用于将所述第一变压器输出的正脉冲信号和负脉冲信号分开后分别输出给所述脉冲检测锁存模块；
所述脉冲检测锁存模块，具体用于将正脉冲信号转化为TTL低电平，将负脉冲信号转化为TTL高电平。
其中，所述第一变压器模块还可以包括：限流保护模块，所述整流模块通过所述限流保护模块与所述脉冲检测锁存模块连接。
图中下面部分是发送电路，包括：频率驱动模块、第二变压器模块和第三变压器模块，其中，
频率驱动模块，与所述TTL电平串口的输出端连接，用于接收所述TTL电平串口的输出的TTL电平信号，根据所述TTL电平信号选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块；
所述第二变压器模块，用于将接收到高频信号转换为RS232正电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端；
所述第三变压器模块，用于将接收到高频信号转换为RS232负电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端。
其中，所述第二变压器模块包括：第二变压器和第一整流滤波模块，所述第二变压器的初级与所述频率驱动模块连接，所述第二变压器的次级与所述第一整流滤波模块连接，所述第一整流滤波模块的负输出端与所述RS232电平串口的接收端连接，所述第一整流滤波模块的正输出端接地；所述第二变压器模块还可以包括：放大电流的第一驱动模块，所述第二变压器的初级通过所述第一驱动模块与所述频率驱动模块连接。
所述第三变压器模块可以包括：第三变压器和第二整流滤波模块，所述第三变压器的初级与所述频率驱动模块连接，所述第三变压器的次级与所述第二整流滤波模块连接，所述第二整流滤波模块的正输出端与所述RS232电平串口的接收端连接，所述第二整流滤波模块的负输出端接地。所述第三变压器模块还可以包括：放大电流的第二驱动模块，所述第三变压器的初级通过所述第二驱动模块与所述频率驱动模块连接。
本发明的串口隔离电路可以有2种实现方式：一是将本发明的串口隔离电路集成到单板里面；二是将本发明的串口隔离电路做成单独的一个小板，用来连接例如计算机上的RS232电平串口和单板上的TTL电平串口。
图3为本发明实施例一的串口隔离电路的示意图，如图3所示：
图中上部分是接收电路，其中，接收端的RX信号线上传送的是RS232电平信号，连接到外部设备的RS232电平串口（例如PC机）的输出端；RX信号通过一个电阻与变压器的初级相连，电阻的作用是限流和阻抗匹配，变压器实现两边信号地的隔离和将RX信号转换为脉冲信号；变压器次级输出的脉冲信号通过四个二极管组成的整流模块整流后，送给脉冲检测锁存电路的A或B端；脉冲检测锁存电路将A或B端的脉冲信号转换为0或1的TTL电平信号，通过RXD信号线送给单板（例如CPU）的TTL电平串口的接收端。
该接收电路的基本原理是，当RX上的电平跳变时，会在变压器的次级产生一个脉冲。经过二极管的整流，其中的正跳变（RX信号从负电平变为正电平，即变压器初级的电流方向从b至a的方向变为从a至b的方向，在次级产生的电压方向为a’高电平，b’低电平）产生的脉冲会送到图中的A端，负跳变（RX信号从正电平变为负电平，即变压器初级的电流方向从a至b的方向变为从b至a的方向，在次级产生的电压方向为b’高电平，a’低电平）产生的脉冲会送到图中的B端。而脉冲检测锁存电路的功能是将脉冲信号转变为TTL电平信号，当检测到A端的脉冲时，将RXD信号线置为低电平，当检测到B端的脉冲时，将RXD信号线置为高电平。脉冲检测锁存电路可以用数字IC（集成电路）、CPLD或者FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）实现。
图中下面部分是发送电路，TXD信号线与单板（例如CPU）的TTL电平串口的发送端相连，频率驱动模块的C端口与一变压器初级相连，该变压器次级与由二极管、电容、电阻、三极管组成的整流滤波电路相连，整流滤波电路的负输出端与RS232电平串口（例如，计算机串口）的接收端相连，整流滤波电路的正输出端接地；频率驱动模块的D端口与另一变压器初级相连，该变压器次级与由二极管、电容、电阻、三极管组成的整流滤波电路相连；整流滤波电路的正输出端与RS232电平串口（例如，计算机串口）的接收端相连，整流滤波电路的负输出端接地。
该发送电路的基本原理是，CPU串口的TXD信号送到频率驱动模块，该频率驱动模块可以用数字IC、CPLD或FPGA实现。当TXD信号为0时，高频信号（相对串口波特率而言）从D端输出，经过变压器升压以及整流电路后，在TX端输出RS232的正电平；当TXD信号为1时，高频信号转为从C端输出，经过变压器升压以及整流电路后，在TX端输出RS232的负电平，其中TX信号线连接到外部设备（例如PC机）的串口接收端。
图4为本发明实施例二的串口隔离电路的示意图，如图4所示：本实施例的电路，包含接收和发送两部分电路：
接收电路：电路的连接方式与图3的接收电路基本一样，不同之处是在A、B端口处加上电阻、电容和稳压二极管来实现脉冲整形与过压保护，并采用CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）来实现“脉冲检测锁存电路”的功能。
接收端的RX信号线上传送的是RS232电平信号，连接到外部设备（例如PC机）的输出端。当RX上的电平跳变时，会在变压器的次级产生一个脉冲。经过二极管的整流，其中的正跳变（RX上负电平变为正电平）产生的脉冲会送到图中的A端，负跳变（RX上正电平变为负电平）产生的脉冲会送到图中的B端。而“脉冲检测锁存电路”的功能是，当检测到A端的脉冲时，将锁存器的值设为0，并输出到RXD信号线上，送给CPU的串口接收端；当检测到B端的脉冲时，将锁存器的值设为1，并输出到RXD信号线上。另外，图中的电阻起限流作用，电容起整形作用，保护二极管用来限制送给A、B端的脉冲电压。
发送电路：该电路的连接方式与图3的发送电路基本一样，不同之处是在变压器的初级使用三极管来增强信号的驱动能力，并采用CPLD来实现“频率发生和驱动电路”的功能。
CPU串口的TXD信号送到CPLD内的“选择器”里，该“选择器”加上“频率发生器”，相当于图3的频率驱动模块。当TXD信号为0时，高频信号（相对串口波特率而言）从D端输出，经过晶体管和变压器组成的开关升压电路后，在TX端输出RS232的正电平；当TXD信号为1时，高频信号转为从C端输出，经过晶体管和变压器组成的开关升压电路后，在TX端输出RS232的负电平。其中TX信号线连接到外部设备（例如PC机）的串口接收端。本实施例中采用开关升压电路，是由于这种电路对变压器匝数比的依赖比较小，而且通过改变频率发生器的占空比，可以方便的调整输出电压的幅度。鉴于开关升压电路属于通用的开关电源技术，本实施例中就不详述了。
本发明实施例中的整流模块不局限于由四个二极管组成，当然还可以采用其他器件（例如，三极管、场效应管），整流滤波电路不局限于图中所示的电子器件组成。
图5为本发明的实现串口隔离的方法的流程图，该方法是基于上述的串口隔离电路实现的，如图5所示，包括下面步骤：
S10、通过第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为正负脉冲信号后，将所述正负脉冲信号转换为TTL电平信号，然后输出给TTL电平串口；
S20、根据接收到TTL电平串口的输出的TTL电平信号选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块，通过所述第二变压器模块将接收到高频信号转换为RS232负电平信号，输出给所述RS232电平串口的接收端，通过所述第三变压器模块将接收到高频信号转换为RS232正电平信号后，输出给所述RS232电平串口。
其中，步骤S10中所述第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为正负脉冲信号后，还可以包括：
所述第一变压器模块将正脉冲信号和负脉冲信号分开后，分别输出给所述脉冲检测锁存模块，
所述脉冲检测锁存模块将所述正负脉冲信号转换为TTL电平信号的步骤具体为：所述脉冲检测锁存模块将正脉冲信号转化为TTL低电平，将负脉冲信号转化为TTL高电平。
在步骤S20中，所述选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块之前，还可以包括：放大所述高频信号的电流，以增强变压器的驱动能力。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
以上仅为本发明的优选实施例，当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种串口隔离电路，包括：接收电路和发送电路，其中，
所述接收电路包括：
第一变压器模块、与RS232电平串口的输出端连接，用于接收所述RS232电平串口输出的RS232电平信号，将所述RS232电平信号转变为正负脉冲信号后输出给脉冲检测锁存模块；
所述脉冲检测锁存模块，用于将所述正负脉冲信号转换为TTL电平信号后，输出给TTL电平串口的输入端；
所述发送电路包括：
频率驱动模块，与所述TTL电平串口的输出端连接，用于接收所述TTL电平串口的输出的TTL电平信号，根据所述TTL电平信号选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块；
所述第二变压器模块，用于将接收到高频信号转换为RS232负电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端；
所述第三变压器模块，用于将接收到高频信号转换为RS232正电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端。
2.如权利要求1所述的串口隔离电路，其特征在于：所述第一变压器模块包括：第一变压器和整流模块，
所述第一变压器的初级通过一电阻与所述RS232电平串口的输出端连接，所述第一变压器的次级与所述整流模块连接，所述整流模块与所述脉冲检测锁存模块连接；
所述整流模块，用于将所述第一变压器输出的正脉冲信号和负脉冲信号分开后分别输出给所述脉冲检测锁存模块；
所述脉冲检测锁存模块，具体用于将正脉冲信号转化为TTL低电平，将负脉冲信号转化为TTL高电平。
3.如权利要求2所述的串口隔离电路，其特征在于：所述第一变压器模块包括：限流保护模块，所述整流模块通过所述限流保护模块与所述脉冲检测锁存模块连接。
4.如权利要求1所述的串口隔离电路，其特征在于：
所述第二变压器模块包括：第二变压器和第一整流滤波模块，所述第二变压器的初级与所述频率驱动模块连接，所述第二变压器的次级与所述第一整流滤波模块连接，所述第一整流滤波模块的负输出端与所述RS232电平串口的接收端连接，所述第一整流滤波模块的正输出端接地；
所述第三变压器模块包括：第三变压器和第二整流滤波模块，所述第三变压器的初级与所述频率驱动模块连接，所述第三变压器的次级与所述第二整流滤波模块连接，所述第二整流滤波模块的正输出端与所述RS232电平串口的接收端连接，所述第二整流滤波模块的负输出端接地。
5.如权利要求4所述的串口隔离电路，其特征在于：
所述第二变压器模块还包括：放大电流的第一驱动模块，所述第二变压器的初级通过所述第一驱动模块与所述频率驱动模块连接；
所述第三变压器模块还包括：放大电流的第二驱动模块，所述第三变压器的初级通过所述第二驱动模块与所述频率驱动模块连接。
6.如权利要求1-5任一项所述的串口隔离电路，其特征在于：
所述脉冲检测锁存模块为数字集成电路、复杂可编程逻辑器件或者现场可编程门阵列；
所述频率驱动模块为数字集成电路、复杂可编程逻辑器件或者现场可编程门阵列。
7.一种实现串口隔离的方法，基于权利要求1所述的串口隔离电路实现的，包括：
通过第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为脉冲信号，将所述脉冲信号转换为TTL电平信号，然后输出给TTL电平串口；
根据接收到TTL电平串口的输出的TTL电平信号，选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块，通过所述第二变压器模块将接收到高频信号转换为RS232负电平信号后，输出给所述RS232电平串口的接收端，通过所述第三变压器模块将接收到高频信号转换为RS232正电平信号后，输出给所述RS232电平串口。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述通过第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为脉冲信号的步骤之后，还包括：
对所述脉冲信号进行限流。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：所述第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为脉冲信号后，还包括：
所述第一变压器模块将正脉冲信号和负脉冲信号分开后，分别输出给脉冲检测锁存模块，
所述脉冲检测锁存模块将所述脉冲信号转换为TTL电平信号的步骤具体为：所述脉冲检测锁存模块将正脉冲信号转化为TTL低电平，将负脉冲信号转化为TTL高电平。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于：所述选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块之前，还包括：
放大所述高频信号的电流。
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