CN102340306B - 输入输出设备及输入输出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种输入输出设备，包括：分频装置，用于接收输入信号，对该输入信号分频而得到多路的第一分频信号，并输出该多路的第一分频信号；隔离装置，用于从所述分频装置接收所述多路的第一分频信号，将该多路的第一分频信号转换为光信号，然后再转换为与该多路的第一分频信号相同的多路的第二分频信号，并输出该多路的第二分频信号；以及还原装置，用于从所述隔离装置接收所述多路的第二分频信号，将该多路的第二分频信号还原为输出信号，该输出信号与所述输入信号相同。本发明还相应地提供一种输入输出方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种输入输出(IO)设备及输入输出方法，更具体地说，本发明涉及一种利用低速光电耦合器来进行高速输入输出的设备及相应方法。
背景技术
光电耦合器是以光为媒介来传输电信号的转换器件，总体上由发光源和受光器两部分组成，发光源用来将接收的电信号转换为相应的光信号，受光器接收该光信号，并将该光信号转换回电信号，发光源可以为发光二极管，受光器可以为光敏二极管、光敏三极管等等。由于光电耦合器隔离了输入和输出电信号，因而可单向传递信息，且寄生反馈小，对于输入端电磁干扰信号的抵抗能力强，而且能够对输出端所连接的器件起到保护作用，此外，光电耦合器的延迟时间较短，通常在10μs的数量级，因此，光电耦合器在计算机接口电路、功率驱动电路、远距离数据传输、及过零检测电路等诸多领域中有着广泛应用。
然而，光电耦合器所能够应用的信号频率范围由于其自身性质而存在限制，通常对于所输入的信号存在频率上限，一定频率(例如，1MHz、1.5MHz等等)或者说一定速度以上的电气信号将不能通过该光电耦合器转换为光信号再还原成电信号。因而，为了满足对于高频(高速)信号的处理要求，通常所采取的解决方案是应用高速光电耦合器或磁耦合器来进行数据信号的输入输出。
然而，无论是采用高速光电耦合器还是磁耦合器都会带来成本上升的问题，而且，高速光电耦合器仍然存在频率上限，在该上限之上频率的信号无法通过该光电耦合器，因此，需要以尽可能低的成本，例如在技术上采用低速(低频)的光电耦合器，来处理尽可能高速(高频)的信号。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题而作出本发明，根据本发明的实施例，通过利用低速光电耦合器来实现高速的信号输入输出。
根据本发明的一个方面，提供一种输入输出设备，包括：分频装置，用于接收输入信号，对该输入信号分频而得到多路的第一低频信号，并输出该多路的第一低频信号；隔离装置，用于从所述分频装置接收所述多路的第一低频信号，将该多路的第一低频信号转换为光信号，然后再转换为与该多路的第一低频信号相同的多路的第二低频信号，并输出该多路的第二低频信号；以及还原装置，用于从所述隔离装置接收所述多路的第二低频信号，将该多路的第二低频信号还原为输出信号，该输出信号与所述输入信号相同。
根据本发明的另一个方面，提供一种输入输出方法，包括：分频步骤，接收输入信号，对该输入信号分频而得到多路的第一低频信号，并输出该多路的第一低频信号；隔离步骤，接收所述多路的第一低频信号，将该多路的第一低频信号转换为光信号，然后再转换为与该多路的第一低频信号相同的多路的第二低频信号，并输出该多路的第二低频信号；以及还原步骤，接收所述多路的第二低频信号，将该多路的第二低频信号还原为输出信号，该输出信号与所述输入信号相同。
根据本发明的实施例，通过分频将高频的输入信号分割为多路低频的信号，来使得多路的低频信号分别能够通过频率上限相对较低的光电耦合装置，从而把多路低频的信号还原为与输入信号相同的输出信号，从整体上看，实现了以低速(低频)的光电耦合器完成对于高速(高频)信号的输入输出。即使在应用高速光电耦合器的情况下，也使其能够进一步处理更高速的信号，以相对低的成本提高了输入输出设备和输入输出方法的处理能力和应用范围。
通过阅读结合附图考虑的以下本发明的优选实施例的详细描述，将更好地理解本发明的以上和其他目标、特征、优点和技术及工业重要性。
附图说明
图1示出根据本发明的输入输出设备的总体框图。
图2示出根据本发明第一实施例的输入输出设备的框图。
图3示出根据本发明第一实施例的分频装置的变体的框图。
图4示出根据本发明第一实施例的还原装置的第一变体的框图。
图5示出根据本发明第一实施例的还原装置的第二变体的框图。
图6示出根据本发明第二实施例的输入输出设备的框图。
图7示出根据本发明的输入输出方法的流程图。
图8示出应用根据本发明的输入输出设备及方法进行信号处理的效果示意图。
图9示出应用根据本发明的输入输出设备及方法进行信号处理的效果另一示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的示例性实施例。
图1示出根据本发明的输入输出设备1的总体框图。该输入输出设备1包括：分频装置100，用于接收输入信号，对该输入信号分频而得到多路的第一分频信号，并输出该多路的第一分频信号；隔离装置200，用于从所述分频装置接收所述多路的第一分频信号，将该多路的第一分频信号转换为光信号，然后再转换为与该多路的第一分频信号相同的多路的第二分频信号，并输出该多路的第二分频信号；以及还原装置300，用于从所述隔离装置接收所述多路的第二分频信号，将该多路的第二分频信号还原为输出信号，该输出信号与所述输入信号相同。
图2示出根据本发明第一实施例的输入输出设备的框图，其中，以移位寄存器110来实现分频装置100，以光电耦合器210来实现隔离装置200，以异或(XOR)门电路310实现还原装置300。
用于本发明实施例的移位寄存器可以是现有的移位寄存器，如通常的移位寄存器那样，通过把若干个触发器(未示出)串接起来而构成。图2中所示的移位寄存器110为8位的串入并出型的移位寄存器，连接成为8分频的分频器，本领域技术人员可以认识到，能够通过多种连线方式来将8位移位寄存器用作8分频的分频器。n位的移位寄存器可以用来对输入信号进行n分频，得到n路频率为输入信号频率1/n的信号，如此，则移位寄存器110后级的光电耦合器210只需能够处理频率为输入信号频率1/n的信号即可，否则需要使用能够处理输入信号频率的信号的光电耦合器，从而在本发明的输入输出设备中，可以将相对低速的光电耦合器用于相对高速信号的输入输出。
分频数n可以取决于移位寄存器的位数，因此，本领域技术人员可以理解，尽管图中所示的移位寄存器110为用来对输入信号进行8分频的8位移位寄存器，但是根据需要可以采用其它分频数的移位寄存器，例如分别进行4分频、16分频、32分频的4位、16位、32位的移位寄存器，不限于此，甚至本领域技术人员可以根据需要通过连线来构建进行诸如3、5、7等等奇数分频数的移位寄存器。
图3示出根据本发明第一实施例的分频装置100的变体10的框图，通过多个多路复用器MUX组合构成分频装置10来将输入信号分频为8路(0～7)分频信号，各路分频信号发送至后级的光电耦合器，每路分频信号的频率为输入信号的1/8。
根据结合附图进行的上述描述，本领域技术人员可以认识到，还可以通过其它各种电路元件来以希望的分频数对输入信号分频，以得到相对低频的分频信号。
光电耦合器210对多路的经过分频的信号进行光电隔离，即把所接收的电信号经由光信号再转换为电信号，显然所接收的分频信号的路数及相应电平与经电-光-电转换再次得到的分频信号的路数及相应电平均相同。用于本发明实施例的光电耦合器210可以是现有的光电耦合器，只要该光电耦合器能够处理分频后的信号即可。光电耦合器210可以是多个光电耦合器元件组成的阵列，以应对多路的信号，在本发明实施例中，多个光电耦合器元件组成的阵列可以视为一个处理多路信号的光电耦合器，本领域技术人员可以认识到如何根据需要利用多个光电耦合器元件组成阵列来实现本发明实施例中的光电耦合器210。
经光电耦合器210转换的多路的分频信号进入异或门电路310。异或门电路310用来对多路的分频信号进行异或操作来将其还原为与最初的输入信号相同的输出信号。图2中所示的异或门电路310对多路分频信号直接进行异或操作，即当有0或偶数(诸如2、4、6、8等等)个分频信号为高电平1时，输出信号为低电平0，而当有奇数(诸如1、3、5、7等等)个分频信号为高电平1时，输出信号为高电平1，经过这样的异或操作即可还原得到与输入信号相同的输出信号。
本领域技术人员根据以上描述可以认识到，还可以以其它方式来实现可以用于本发明实施例的异或门电路。图4示出根据本发明第一实施例的还原装置的第一变体的框图，图5示出根据本发明第一实施例的还原装置的第二变体的框图。
例如，可以利用图4所示的异或门电路320来作为还原装置300。如图4所示，以8路信号为例，先用两个异或门分别对4路信号进行异或操作，然后用一个异或门对前述两个异或门的输出信号进行异或操作，来还原得到与输入信号相同的输出信号。
再例如，可以利用图5所示的异或门电路330来作为还原装置300。如图5所示，以8路信号为例，先以四个异或门分别对2路信号进行异或操作，然后再用两个异或门分别对前述四个异或门的输出信号进行两两异或操作，最后用一个异或门对前述两个异或门的输出信号进行异或操作，来还原得到与输入信号相同的输出信号。
本领域技术人员根据以上描述可以理解，还可以利用其它的各种逻辑门，以其它的各种连接组合方式，来处理各种路数的分频信号，以还原得到与输入信号相同的输出信号。
图6示出根据本发明第二实施例的输入输出设备的框图，与图2所示的第一实施例相比，其中的移位寄存器及异或门电路替换为可编程逻辑器件(PLD)，具体地，以可编程逻辑器件150来实现分频装置100，以光电耦合器250来实现隔离装置200，以可编程逻辑器件350实现还原装置300。
可编程逻辑器件150可以通过如下的硬件描述语言来实现把输入信号分频为多路的分频信号：
if((Input＝＝1&&tempInput＝＝0)||(Input＝＝0&&tempInput＝＝1))then
Q7＝Q6
Q6＝Q5
Q5＝Q4
Q4＝Q3
Q3＝Q2
Q2＝Q1
Q1＝Q0
Q0＝！Q7
End if
TempInput＝Input
其中，Input为输入信号，TempInput为临时变量，Q0～Q7为可编程逻辑器件150的各路输出值。
经可编程逻辑器件150分频的多路的分频信号进入光电耦合器250。
光电耦合器250可以与第一实施例中的光电耦合器210相同，也可以不同，可以是现有的光电耦合器，只要其所能够处理的信号的频率上限高于可编程逻辑器件150分频后的信号的频率即可。光电耦合器250也可以是多个光电耦合器元件组成的阵列，以应对多路的信号。
经光电耦合器250电-光-电转换的多路的分频信号进入可编程逻辑器件350。可编程逻辑器件350可以通过如下的硬件描述语言来实现将多路的分频信号还原为与最初的输入信号相同的输出信号：
Output＝D0^D1^D2^D3^D4^D5^D6^D7
其中Output为输出信号，D0～D7是经过光电耦合器的各路分频信号的值。
尽管在第二实施例的描述中，以通过具体的编程语言将输入信号8分频并还原为例来进行说明，然而这仅仅是一个说明性的示例，本领域技术人员根据以上描述可以理解，能够以其它编程语言及接线方式来实现将输入信号以其它分频数分频为其它路数的分频信号，并以其它编程语言及接线方式来实现将该多路的分频信号还原为与输入信号相同的输出信号。
而且，本领域技术人员还可以认识到，还可以通过将第一实施例和第二实施例的元素拆分组合构成其它实施例来实施本发明。例如，可以由移位寄存器110或图3所示分频装置10、光电耦合器210或光电耦合器250、及可编程逻辑器件350构成输入输出设备，或者可以由可编程逻辑器件150或图3所示分频装置10、光电耦合器210或光电耦合器250、及异或门电路310或异或门电路320或异或门电路330构成输入输出设备。上述各种组合均可以实现处理比其中的光电耦合器所能够处理的频率(速度)高的频率(速度)的信号，降低了成本并提高了设备的处理能力及应用范围。
根据以上通过多个实施例及其变体对于根据本发明的输入输出设备的描述，本领域技术人员可以认识到能够将本发明实施为相应的输入输出方法。
图7示出根据本发明的输入输出方法的流程图，该输入输出方法包括：分频步骤S100，由前述分频装置100实施，以接收输入信号，对该输入信号分频而得到多路的第一分频信号，并输出该多路的第一分频信号；隔离步骤S200，由前述隔离装置200实施，以接收所述多路的第一分频信号，将该多路的第一分频信号转换为光信号，然后再转换为与该多路的第一分频信号相同的多路的第二分频信号，并输出该多路的第二分频信号；以及还原步骤S300，由前述还原装置300实施，以接收所述多路的第二分频信号，将该多路的第二分频信号还原为输出信号，该输出信号与所述输入信号相同。
其中，该分频步骤S100具体地可以通过前述的移位寄存器110或可编程逻辑器件150来实施；该隔离步骤S200具体地可以通过前述的光电耦合器210或光电耦合器250来实施；该还原步骤S300具体地可以通过前述的异或门电路310、异或门电路320、异或门电路330、或可编程逻辑器件350来实施。
图8示出应用根据本发明的输入输出设备及方法进行信号处理的效果示意图。图9示出应用根据本发明的输入输出设备及方法进行信号处理的效果另一示意图。
如图8及图9所示，其中白色块代表低电平(＝0)，黑色块代表高电平(＝1)，0、1、2、3、4、5、6、7代表各路分频信号。与高频的输入信号相比，各路的分频信号的频率为其1/8，从而能够经由发挥光电隔离功能的低速光电耦合器的电-光-电转换，而还原为与输入信号相同的输出信号，从而实现了利用低速光电耦合器来进行高速的信号输入输出。
本发明已经参考具体实施例进行了详细说明。然而，很明显，在不背离本发明的精神的情况下，本领域技术人员能够对实施例执行更改和替换。换句话说，本发明用说明的形式公开，而不是被限制地解释。要判断本发明的要旨，应该考虑所附的权利要求。
Claims (12)
1.一种输入输出设备，包括：
分频装置，用于接收输入信号，对该输入信号分频而得到多路的第一低频信号，并输出该多路的第一低频信号；
隔离装置，用于从所述分频装置接收所述多路的第一低频信号，将该多路的第一低频信号转换为光信号，然后再转换为与该多路的第一低频信号相同的多路的第二低频信号，并输出该多路的第二低频信号；以及
还原装置，用于从所述隔离装置接收所述多路的第二低频信号，将该多路的第二低频信号还原为输出信号，该输出信号与所述输入信号相同。
2.按照权利要求1所述的输入输出设备，其中，
所述分频装置为移位寄存器。
3.按照权利要求1所述的输入输出设备，其中，
所述分频装置为可编程逻辑器件。
4.按照权利要求1所述的输入输出设备，其中，
所述隔离装置为光电耦合器。
5.按照权利要求1所述的输入输出设备，其中，
所述还原装置由异或门电路组成。
6.按照权利要求1所述的输入输出设备，其中，
所述还原装置为可编程逻辑器件。
7.一种输入输出方法，包括：
分频步骤，接收输入信号，对该输入信号分频而得到多路的第一低频信号，并输出该多路的第一低频信号；
隔离步骤，接收所述多路的第一低频信号，将该多路的第一低频信号转换为光信号，然后再转换为与该多路的第一低频信号相同的多路的第二低频信号，并输出该多路的第二低频信号；以及
还原步骤，接收所述多路的第二低频信号，将该多路的第二低频信号还原为输出信号，该输出信号与所述输入信号相同。
8.按照权利要求7所述的输入输出方法，其中，
通过移位寄存器实施所述分频步骤。
9.按照权利要求7所述的输入输出方法，其中，
通过可编程逻辑器件实施所述分频步骤。
10.按照权利要求7所述的输入输出方法，其中，
通过光电耦合器实施所述隔离步骤。
11.按照权利要求7所述的输入输出方法，其中，
通过异或门电路实施所述还原步骤。
12.按照权利要求7所述的输入输出方法，其中，
通过可编程逻辑器件实施所述还原步骤。
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