CN102668446B - 通过以太网链路连接两个设备的装置以及用于所述设备之一的对接底座 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将主电子设备连接到外围电子设备的连接装置，其中每个电子设备都配备有第一类型的外部连接端口，该连接装置包括主连接单元和外围连接单元，每个连接单元都配备有第一类型的外部端口，用于连接到相对应的电子设备，并且连接单元还使用第二类型（即，以太网类型）的链路，通过电隔离彼此连接，其中所述链路具有发射线路和接收线路，每个单元都包括连接到所述线路的第一类型/以太网接口，以及以共用模式安装在发射线路和接收线路之间的电源模块，以便通过所述链路发射或接收交流电。本发明还涉及用于外围设备的对接底座，该对接底座包括这样的装置。

Description

通过以太网链路连接两个设备的装置以及用于所述设备之一的对接底座
本发明涉及用于将两个设备连接在一起的装置。作为示例，一个设备是计算机单元，另一个设备是诸如键盘、鼠标或触摸板类型的指针设备之类的输入外围设备，或诸如外置硬盘或固态存储器之类的大容量数据存储器外围设备。本发明还为这样的设备提供对接底座。
计算机系统一般是围绕计算机单元（通常被称为中央单元）构建的，外围设备与其连接。计算机单元包括一个或多个处理器，以及用于存储由处理器执行的操作系统以及应用程序的存储器。外围设备通过并联或串联链路连接到计算机单元。特别是使用通用串行总线（USB）类型协议的串联链路在计算机系统中已经变得非常广泛，无论是对于消费者还是对于工业界。该类型的链路还适用于将外围设备彼此连接。
尽管如此，该类型的串联链路还存在一定数量的缺点，这些缺点使得这样的链路难以在某些高度约束的应用中使用，特别是涉及静电放电的应用中。
在这些缺点中，有一种是缺少电隔离，当雷击与其中一个元件相连接到的电绝缘时，这对于因此而被连接在一起的元件来说是非常有害。
这种风险在现代飞机中更大，由于越来越多地使用复合材料来制造机身，而这类材料是不良导体，因此，飞机机身越来越不能够充当法拉第筒。这使得必须求助于火花隙、闪电二极管或变阻器类型的非线性组件。需要承受的电平相对来说比较大（在100微秒(μs)的时间段内，为1500伏特（V）和500安培（A）），如此，这类组件被设计成将接受高应力。作为示例，能够将信号限制为54V的组件必须能够在100μs内吸收40千瓦（kW），同时温度下降60%。结果，这样的组件非常庞大，会产生大量的寄生电容，导致信号快速衰减的问题。此外，仅通过使用昂贵的工具才能对使用这样的组件的电路进行测试，并且对于电路的组件以及对于这类工具的操作员都会有危险。
另外，就电磁兼容性而言，至少对于低频组件，复合材料的低导电性也妨碍使用硬件地线作为参考。与硬件地线的最大耦合电容也限于150毫微法拉（nF），或者甚至小得多，因为它可以小于100皮法拉（pF）。
此外，当用于机载计算机系统中时，该类型的链路还存在其他缺点：
·链接只在短距离内才能实现，尽管计算机系统在飞机上可以分离以便优化可用空间的使用，致使机载计算机系统的各种元件经常彼此远离；以及
·关于航空应用中的这一类型的链路，缺少基于体验的反馈。
结果，在这样的应用中，电源和通信功能是分离的。
对于其他类型的各种链路，特别是下列类型的链路：PS2，ARINC429、CAN总线等等，上文所提及的缺点中的全部或某些也存在，不管计划的应用是什么。
本发明的目标是在各电子设备之间提供链接装置，该装置没有上文所提及的缺点或很少。
为此，本发明提供了一种用于将主电子设备连接到外围电子设备的连接装置，其中每个设备都配备有相应的、第一类型的外部连接端口，该连接装置包括主连接单元和外围连接单元，每个连接单元都配备有第一类型的外部连接端口，用于连接到相对应的电子设备，并且这些连接单元还使用第二类型（即，以太网类型）的链路，通过电隔离而彼此连接，其中所述链路具有发射线路和接收线路，每个单元都包括连接到所述线路的第一类型/以太网接口，以及以共用模式安装在发射线路和接收线路之间的电源模块，以便通过链路发射或接收AC。
如此，本发明的装置能够使得第一类型的链路被在各设备之间建立的以太网链路所替代，以便以可靠并且文件的方式起作用，传输数据信号和电源电流两者，同时还确保各设备之间的电隔离。以太网链路还使得能够在相对来说比较长的距离内进行通信。
优选地，主连接单元的电源模块包括调节器部件，该调节器部件被配置为对均方根（rms）电压值和由电源模块输出的电流波形执行伺服控制。
这使得能够优化外围设备的电源参数。
有利地，外围连接单元的电源模块包括二极管电桥和电容器。
通过二极管电桥和电容器对AC进行整流具有简单、可靠并且便宜的优点。
本发明还提供了用于外围设备的对接底座，该对接底座包括外壳，用于容纳由本发明所提供的连接装置类型的外围连接单元。
在阅读了下面的对特定的、非限制性的本发明的实施例之后，本发明的其他特征以及优点将变得显而易见。
参考各个附图，其中：
·图1是根据本发明的装置的电路示意图；以及
·图2是以符号方式示出的图，尤其示出了电源模块。
参考附图，根据本发明的连接装置使主电子设备（这里，可指计算机系统的中央单元100）能连接到外围电子设备（这里，可指用于将数据输入到中央单元的部件，具体而言，可指键盘101）。尽管如此，本发明可以用于任何类型的设备，诸如鼠标或触摸板指针，诸如硬盘或FLASH型的固态存储器之类的大容量存储器，打印机等等。
中央单元100和输入部件101具有第一类型（这里可以是USB类型）的外部连接端口。
本发明的连接装置赋有总的参考标号1，包括主连接单元10.1和外围连接单元10.2，这些连接单元通过第二类型的链接2而被连接在一起，具体而言，所述第二类型可指以太网类型，链接2包括发射线路2a和接收线路2b。发射线路2a和接收线路2b各自都由以太网电缆22（这里，可以是Quadrax类型的电缆）中的一对导体构成。
主连接单元10.1具有USB/以太网接口11.1，该接口拥有用于连接到中央单元100的外部USB连接端口12.1，并且通过相应的隔离变压器13.1和14.1连接到发射线路2a和接收线路2b。
主连接单元10.1还包括以共用模式安装在发射线路2a和接收线路2b之间的电源模块15.1，以便通过电隔离，在链路上传输交流电。电隔离通过隔离变压器16.1来提供，隔离变压器16.1的次级线圈连接到变压器13.1的次级线圈的中点以及变压器14.1的初级线圈。
电源模块15.1被配置为提供某一频率下的电力，该频率低得足以避免干扰通信，有高得足以限制变压器16.1的尺寸。在此示例中，推荐的频率范围是2千赫（kHz）到100kHz，或者2kHz到10kHz。优选地，在此示例中，变压器被配置为提供超过1500V的电隔离（DC，低频AC，以及高频）。
如此，电源模块15.1包括被隔离的DC/AC转换器，该DC/AC转换器用于通过链路2传输电能，并且与调节器部件相关联。调节器部件被配置为对均方根电压执行伺服控制，对电源模块15.2插座处的电流的（正弦）波形执行伺服控制。实现波形伺服控制以限制任何电磁干扰风险。这使得能够避免诸如开关噪声（假信号）之类的电源错误，其中所述电源错误是输入部件101可能不能够承受的并且必将致使在外围连接单元10.2处提供庞大的过滤元件。
外围连接单元10.2还包括以共用模式安装在发射线路2a和接收线路2b之间的电源模块15.2，以便通过电隔离，在链路上接收AC。电隔离通过隔离变压器16.2来提供，隔离变压器16.2的初级线圈连接到变压器13.2的初级线圈的中点以及变压器14.2的次级线圈。电源模块15.2被隔离，如此，通过链路2传输电能。
外围连接单元的电源模块15.2具有整流电路，该整流电路赋有总的参考标号18，包括二极管电桥和电容器。
在此示例中，连接单元10.2被包含在对接底座的外壳17中，而外壳17被配置为容纳键盘101。USB外部连接端口12.2通向外壳21的外部，以便使键盘101能连接到连接单元10.2的USB/以太网接口11.2。
USB/以太网接口11.2可以具有多个外部连接端口，以便充当集线器，并允许多个外围设备被连接。
在此示例中，在连接模块之间使用了标准以太网100基T接口。
本发明的设备允许电源电压作为交流信号以共用模式在发射线路和接收线路上传输（V+通过以太网电缆22的成对线路中的一对传输，V-通过其他对来传输）。在航空应用中，假设最大可传输功率是30伏特-安培（VA）（在10kHz到100kHz的范围内，28Vrms和至少一个1Arms）。使用两个参数来调节电源信号：均方根电压和电流的波形。在源处，测量均方根电压（电路19），对发生器进行伺服控制（伺服控制部件20），以提供预先确定的电压，例如，28V，不管电流波形如何。此外，还对电流波形执行伺服控制（伺服控制部件21）。更具体而言，如上文所提及的，这是获取正弦波的伺服控制。这通过限制电磁干扰来简化接收器部分。具体而言，限制或者甚至消除了由于整流电路18中二极管电桥的多个二极管所导致的开关噪声，无需求助于庞大的滤波器元件。为信号所选择的频率，这里优选地在2kHz到100kHz的范围内，其低得足以避免干扰通信，但有高得足以最小化变压器的尺寸。
对于DC，由变压器来提供隔离，而对于AC，由于存在前部安装的变压器，而使电容耦合最小化。电容耦合在耦合变压器中是低的，并可以在每一线路2a，2b上添加串联的共用模式电感器，以便补偿高频率下电容耦合的阻抗的下降。
本发明使得有可能限制设备中各部件输入端/输出端的数量。
在一特定实施例中，主电子设备和外围电子设备两者都是计算机或计算机单元。因此，外围电子设备的计算机由主电子设备供电。结果，只有主电子设备需要有电源，从而减轻计算机系统的结构并简化维护。
应该注意到，通过以太网链路传输电能的常规解决方案对于高频AC获得的隔离是不足的，因为它们所利用的常规DC/DC转换器与所连接的设备中的电子功能块对接，这些常规的转换器表现出大量的电容耦合，可使高频电流流动。
自然，本发明不仅限于所描述的各实施例，而是涵盖了如权利要求书所定义的本发明的范围内的任何变形。
具体而言，外部连接端口可以是任何类型，例如，USB、PS2、ARINC429、CAN总线等等。
电源模块15.2可以是数字模块，并可包括功率因数校正（PFC）装置。
一个或多个连接单元可包括多个USB端口。

Claims (6)

1.一种用于将主电子设备连接到外围电子设备的连接装置，其中：
所述主电子设备和所述外围电子设备中的每个设备都配备有相应的、第一类型的外部连接端口，
所述连接装置包括主连接单元和外围连接单元，所述主连接单元和所述外围连接单元中的每个连接单元都配备有第一类型的外部连接端口，用于连接到相对应的电子设备，并且
所述主连接单元和所述外围连接单元还使用第二类型的链路通过电隔离而彼此连接，其中所述第二类型是以太网类型，所述链路具有发射线路和接收线路，
所述主连接单元和所述外围连接单元中的每个连接单元都包括连接到所述发射线路和所述接收线路的第一类型/以太网接口，以及以共用模式安装在发射线路和接收线路之间的电源模块，以便在所述发射线路和所述接收线路上以共用模式将电源电压作为交流信号来传送并通过所述链路发射或接收AC。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主连接单元的所述电源模块包括DC/AC转换器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主连接单元的所述电源模块包括调节器部件，所述调节器部件被配置为对均方根电压值和由所述电源模块输出的电流波形执行伺服控制。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述外围连接单元的所述电源模块包括二极管电桥和电容器。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接单元中的至少一个包括多个USB端口。
6.用于输入数据设备的对接底座，所述对接底座包括外壳，所述外壳包含根据前述任一权利要求所述的连接装置的所述外围连接单元。
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