CN104052462B - 一种隔离通信电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离通信电路，该电路由两个光电耦合器、两个光耦驱动模块及两个数据驱动模块组成，其中光耦驱动模块为高电平使能的门电路，数据驱动模块为具有开漏输出的门电路；本发明所提供的电路可以实现通信双方电路系统的可靠隔离，并且利用几种常用的电子元件即可搭建完成，有效地控制了双向隔离通信的实现成本。进一步地，通过选用不同规格的光电耦合器，可以灵活调节通信双方电路间的爬电距离，具有较广的使用范围。

Description

一种隔离通信电路

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，特别是涉及一种隔离通信电路。

背景技术

在多元化的控制系统中，不同的控制单元之间有相互通信的需求，这些些不同的控制单元往往工作在各自独立隔离的电源系统中，之间没有直接的电气连接。因此，如何在相互隔离的电源系统中实现各个控制单元之间数据通信总线的隔离，在很多应用场景中都成为非常关键的问题。

根据现有技术，在相互隔离的电源系统中实现不同控制单元之间的通信主要有两种方式：一种是电磁隔离方式，另一种是光电隔离方式，这两种方式都可以在没有电气连接的情况下实现信号的传输，但是也分别存在各自的缺陷：电磁隔离方式在技术和工艺上要求较为复杂，不利于成本控制，而且容易产生EMC（电磁兼容性）问题；光电隔离方式尽管实现较为简单，但是常用的光电耦合器只能够隔离单向的信号，可以用于单向通信的隔离。而对于在一条线路上进行的双向通信，如果要实现隔离，则需要额外采用特殊的隔离芯片或隔离电路。目前市场上有一些专用集成电路芯片可以实现双向数据通信的隔离，例如Analog Devices,Inc.公司的ADuM1250ARZ芯片。但此类芯片不仅价格昂贵，而且其基于电磁技术，仍然容易导致EMC问题，且由于芯片尺寸问题，不能满足某些情况下的爬电距离要求。因此在很多应用场合无法适用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种隔离通信电路，以解决双向数据总线的隔离通信问题，技术方案如下：

一种隔离通信电路，用于第一数据端与第二数据端的双向通信，该电路包括：第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一光耦驱动模块、第二光耦驱动模块、第一数据驱动模块、第二数据驱动模块；所述第一光耦驱动模块和第二光耦驱动模块为高电平使能的门电路，所述第一数据驱动模块和第二数据驱动模块为具有开漏输出的门电路；

所述第一光电耦合器与第二光电耦合器光电耦合器的正输入端AN和集电极C钳位在高电平，所述第一光电耦合器与第二光电耦合器的发射极E和基极B均接地，第一光电耦合器的集电极C与第二数据驱动模块的输入端连接、第二光电耦合器的集电极C与第一数据驱动模块的输入端连接；

第一光耦驱动模块的输入端与第一数据端连接，第一光耦驱动模块的输出端与第一光电耦合器的负输入端CA连接；

第二光耦驱动模块的输入端与第二数据端连接，第二光耦驱动模块的输出端与第二光电耦合器的负输入端CA连接；

第一数据驱动模块的开漏输出端与第一数据端连接，第一数据驱动模块的输入端与第一光耦驱动模块的使能端连接；

第二数据驱动模块的开漏输出端与第二数据端连接，第二数据驱动模块的输入端与第二光耦驱动模块的使能端连接。

本发明实施例所提供的技术方案，利用两个对称的光电耦合器分别对双向通信线路进行隔离。以信号从发送侧传输至接收侧为正向为例：当正向通信线路传输低电平信号时，正向线路光电耦合器处于导通状态，传输至接收侧的低电平信号使得反向线路的光耦驱动处于非使能状态，避免信号再次反馈至发送侧造成死锁；当正向通信线路传输高电平信号时，正向线路的光电耦合器处于断开状态，正向线路的光电耦合器集电极C钳位在高电平，该高电平到达接收端。上述电路实现了通信双方电路系统的可靠隔离，并且利用几种常用的电子元件即可搭建完成，有效地控制了双向隔离通信的实现成本。进一步地，通过选用不同规格的光电耦合器，可以灵活调节通信双方电路间的爬电距离，具有较广的使用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例隔离通信电路的一种结构示意图；

图2为本发明实施例隔离通信电路的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例隔离通信电路的一种具体电路示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

为了避免电磁隔离可能带来的EMC问题，本发明实施例基于光电隔离技术实现数据总线的隔离通信，进一步地，为了实现双向数据总线的隔离通信，本发明利用两个光电耦合器和其他驱动电路构成隔离通信电路。图1所示为对本发明实施例所提供的一种隔离通信电路的基本结构，该电路用于实现第一数据端1与第二数据端2之间的双向通信，包括以下基本组成部分：第一光电耦合器101、第二光电耦合器201、第一光耦驱动模块102、第二光耦驱动模块202、第一数据驱动模块103、第二数据驱动模块203。下面对各个模块的连接关系做进一步说明：

1）光耦驱动模块：

第一光耦驱动模块102和第二光耦驱动模块202为高电平使能的门电路，其中：

第一光耦驱动模块102的输入端A与第一数据端1连接，第一光耦驱动模块102的输出端Y与第一光电耦合器101的负输入端CA连接；

第二光耦驱动模块的202输入端A与第二数据端2连接，第二光耦驱动模块的输202出端Y与第二光电耦合器201的负输入端CA连接。

2）数据驱动模块：

第一数据驱动模块103和第二数据驱动模块203为具有开漏输出的门电路，其中：

第一数据驱动模块103的开漏输出端Y与第一数据端1连接，第一数据驱动模块103的输入端A与第一光耦驱动模块102的使能端OE连接；

第二数据驱动模块203的开漏输出端Y与第二数据端2连接，第二数据驱动模块203的输入端A与第二光耦驱动模块202的使能端OE连接。

3）光电耦合器：

第一光电耦合器101与第二光电耦合器201的正输入端AN和集电极C分别与上拉电阻连接，以便将正输入端AN和集电极C上的信号钳位在高电平，第一光电耦合器101与第二光电耦合器201的发射极E和基极B均接地，第一光电耦合器101的集电极C与第二数据驱动模块203的输入端A连接、第二光电耦合器201的集电极C与第一数据驱动模块103的输入端A连接。

通过上述连接关系可以看出，该电路以图1所示虚线为界，虚线两侧电路通过两个光电耦合器实现隔离，两侧的电路是对称的，因此信号从第一数据端1到第二数据端2的通信过程与信号从第二数据端2到第一数据端1的通信过程也是相同的。下面以“第一数据端1→第二数据端2”的通信过程为例，对上述电路的工作原理进行说明：

数据空闲时，第一光电耦合器101的CA端和AN端通过上拉电阻连接第一电源电压Vcc1，因此CA端和AN端钳位在高电平，第一光电耦合器101处于断开状态；同理，第二光电耦合器102的CA端和AN端通过上拉电阻连接第二电源电压Vcc2，因此第二光电耦合器102也处于断开状态。需要说明的是，第一电源电压Vcc1与第二电源电压Vcc2分别通过两个独立的电源系统提供。也就是说，第一数据端1与第二数据端2分别在两个独立的电源系统中，相互之间没有电连接。

当第一数据端1向第二数据端2传输低电平信号时：

第一光耦驱动模块102处于使能状态，由于第一数据驱动模块103的输出端Y为开漏输出，因此对低电平信号没有影响，低电平信号通过第一光耦驱动模块102传输至第一光电耦合器101的CA端，上拉电阻令第一光电耦合器101的AN端为高电平，AN端电平大于CA端电平，因此第一光电耦合器101处于导通状态；

第一光电耦合器101的集电极C输出低电平信号，该低电平信号通过第二数据驱动模块203传输至第二数据端2，实现低电平数据传输。同时，该低电平信号使得第二光耦驱动模块202处于非使能状态，因此使得第二数据端2的低电平信号无法通过第二光耦驱动模块202到达第二光电耦合器201，避免第二数据端2的低电平信号再次反馈回第一数据端1造成死锁。

当第一数据端1向第二数据端2传输高电平信号时：

第一光耦驱动模块102处于使能状态，高电平信号通过第一光耦驱动模块102传输至第一光电耦合器101，此时第一光电耦合器101的CA端和AN端均为高电平，因此第一光电耦合器101处于断开状态；

另一方面，第一光电耦合器101的集电极C所连接的上拉电阻产生高电平信号，该高电平信号通过第二数据驱动模块203传输至第二数据端2，实现高电平数据传输。同时，该高电平信号令第二光耦驱动模块202处于使能状态，第二光电耦合器201的CA端和AN端均为高电平，因此第二光电耦合器201处于断开状态；避免第二数据端2的高电平信号再次反馈回第一数据端1造成死锁。

第二数据端2向第一数据端1传输信号的原理，与第一数据端1向第二数据端2传输信号的原理相同。

可见，上述方案利用两个对称的光电耦合器分别对双向线路进行隔离。通过其他模块的驱动配合，完成高电平和低电平的传输。其中光耦驱动模块为具有使能端的门电路、数据驱动模块为具有开漏输出的门电路，均是常见的电子元件，有效地控制了双向隔离通信的实现成本。进一步地，通过选用不同规格的光电耦合器，可以灵活调节通信双方电路间的爬电距离，有效提高了该电路的使用范围。

根据本发明的一种具体实施方式，隔离通信电路中还可以进一步包括信号缓冲模块和抗干扰模块，参见图2所示：

在第一数据端1一侧，可以包括：

第一信号缓冲模块104：位于第二光电耦合器201的集电极C与第一数据驱动模块103的输入端之间，作用是确保第一光耦驱动模块102的使能信号先于第一数据端1的反馈数据到达第一光耦驱动模块102。

第一抗干扰模块105：位于第一数据端1与第一数据驱动模块103之间、并且位于第一数据端1与第一光耦驱动模块102之间，作用是增强信号传输的稳定性。

类似地，在第二数据端2一侧，可以包括：

第二信号缓冲模块204：位于第一光电耦合器101的集电极C与第二数据驱动模块203的输入端之间，作用是确保第二光耦驱动模块202的使能信号先于第二数据端2的反馈数据到达第二光耦驱动模块202；

第二抗干扰模块205：位于第二数据端2与第二数据驱动模块203之间、且位于第二数据端2与第二光耦驱动模块102之间的第二抗干扰模块205。

在本发明实施例所提供的隔离通信电路中，信号缓冲模块的作用是为了消除各个半导体期间对高低电平的判别电压不同，避免在数据接收端使能信号先于反馈信号到达光耦驱动模块，同时增强电路的抗干扰性能。如果通信传输速率要求不高，在电路中可以省略信号缓冲模块，或者在某些特殊应用场景下，也可以仅在单向的通信电路中设置信号缓冲模块。在具体实施过程中，信号缓冲模块可以选用施密特缓冲门实现，但是这并不应理解为对本发明方案的限制。

抗干扰模块的作用是提高信号传输的稳定性，具体包括消除电流通过长直布线时产生的电感现象、减轻布线之间串扰、进行限流保护等等，抗干扰模块有多种实现方式，本领域技术人员可以根据实际应用场景灵活选用，本发明实施例不需要对抗干扰模块的具体实现电路进行限定。另外，可以理解的是，在某些特殊应用场景下，也可以仅在单向的通信电路中设置抗干扰模块。

以上对本发明实施例所提供的隔离通信电路的基本组成和工作原理做了说明，本领域技术人员可以在图1或图2所描述电路的基础上，结合必要的电源信号、接地信号以及常规外围器件构成完整的隔离通信电路。

下面结合一个具体的电路，对本发明实施例所提供的隔离通信电路进行示例性说明：

参见图3所示，总体需求是实现单线双向通讯总线LIN总线的隔离通信，以虚线为分界线，右侧是工作在独立电源系统1（VCC1，GND1）的接口部分，总线数据端为D_Line1；左侧是工作在独立电源系统2（VCC2，GND2）的接口部分，总线数据端为D_Line2。

在图3所示电路中，抗干扰模块主要包括稳压管和蛇形走线，以D_Line2侧的第二抗干扰模块为例：其中Z301为稳压管，用于过压保护，X301为蛇形走线，用于消除电流通过长直布线时产生的电感现象、减轻布线之间串扰、增强信号抗干扰性能。类似地，蛇形走线X302和稳压管Z302等器件构成了D_Line1侧的第一抗干扰模块。

R302、R311分别用于隔离两端的总线限流保护。

R301、R310分别为两端总线的上拉电阻。

V304、V301为带内置MOS的同相开漏缓冲门电路，分别为第一数据驱动模块103和第二数据驱动模块203的具体实施电路；

V303、V306为带使能端的三态缓冲门，分别为第一光耦驱动模块102和第二光耦驱动模块202的具体实施电路；

V308、V307为施密特缓冲门，分别为第一信号缓冲模块104和第二信号缓冲模块204的具体实施电路；

V302、V305为高速光电隔离耦合器，两个光电耦合器的负输入端CA分别通过隔离电阻与自身的正输入端AN连接。

电路上电后即VCC1与VCC2上电，D_Line1与D_Line2两端数据均为高电平，节点①②③④处均为高电平，两个光电耦合器V302、V305的CA端和AN端均为高电平，因此两个光电耦合器（以下简称“光耦”）V302、V305均处于断开状态。

下面以数据从D_Line1端向D_Line2传输为例，对电路的工作原理进行说明：

当D_Line1端向D_Line2端传送低电平信号时，由于V304输出端Y为开漏输出，因此对D_Line1端上的低电平信号没有影响，数据经过抗干扰处理传输到V303端输入端A，由于此时节点①为高电平，因此V303使能，低电平0信号通过V303到达输出端Y，光耦V302的AN端电平大于CA端电平，因此被导通，使得节点④的电平由高变低，经过施密特缓冲门后到达节点③。一方面，节点③的低电平信号经过V301和上拉电阻R301到达D_Line2端，完成信号传输，另一方面，节点③的低电平信号令V306非使能，使得传输到D_Line2端的低电平信号无法通过V306到达光耦V305，避免了传输到D_Line2端的低电平信号再次反馈到D_Line1端造成死锁。

当D_Line1端向D_Line2端传送高电平信号时，由于节点①仍为高电平，因此V303使能，高电平信号经过抗干扰处理和V303到达光耦V302，光耦V302的CA端和AN端均为高电平，因此停止工作。由于上拉电阻R303使得节点④为高电平，该高电平通过V307到达节点③。一方面，节点③的高电平信号再经过V301和上拉电阻R301到达D_Line2上完成传输。另一方面，虽然节点③的高电平信号使得V306使能，但是此时V305的CA端和AN，因此停止工作，避免了传输到D_Line2端的高电平信号再次反馈到D_Line1端造成死锁。

电路中V307是为了消除各个半导体器件对高低电平的判别电压不同而导致的失效而设的，可以确保V306的使能信号（节点③）先于D_Line2端反馈电平到达V306输入端，同时增强了抗干扰性能。对于对传输速率要求不高的总线通信场景也可以省略V307。

由于电路的对称性，数据从D_Line2端向D_Line1端传输的原理与数据从D_Line1端向D_Line2传输原理相同，这里不再重复描述。

本发明实施例基于光电隔离技术实现数据总线的隔离通信，从而避免电磁隔离可能带来的EMC问题。另一方面，为了实现双向数据总线的隔离通信，本发明利用两个光电耦合器和其他驱动电路构成对称结构的隔离通信电路。其中光电耦合器和驱动电路都可以使用常用的电子元件即可搭建，有效地控制了双向隔离通信的实现成本。进一步地，通过选用不同规格的光电耦合器，还可以灵活调节通信双方电路间的爬电距离，具有较广的使用范围。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种隔离通信电路，用于第一数据端（1）与第二数据端（2）的双向通信，其特征在于，该电路包括：第一光电耦合器（101）、第二光电耦合器（201）、第一光耦驱动模块（102）、第二光耦驱动模块（202）、第一数据驱动模块（103）、第二数据驱动模块（203）；所述第一光耦驱动模块（102）和第二光耦驱动模块（202）为高电平使能的门电路，所述第一数据驱动模块（103）和第二数据驱动模块（203）为具有开漏输出的门电路；

所述第一光电耦合器（101）与所述第二光电耦合器（201）的正输入端AN和集电极C钳位在高电平，所述第一光电耦合器（101）与所述第二光电耦合器（201）的发射极E和基极B均接地，第一光电耦合器（101）的集电极C与第二数据驱动模块（203）的输入端连接、第二光电耦合器（201）的集电极C与第一数据驱动模块（103）的输入端连接；

第一光耦驱动模块（102）的输入端与第一数据端（1）连接，第一光耦驱动模块（102）的输出端与第一光电耦合器（101）的负输入端CA连接；

第二光耦驱动模块（202）的输入端与第二数据端（2）连接，第二光耦驱动模块（202）的输出端与第二光电耦合器（201）的负输入端CA连接；

第一数据驱动模块（103）的开漏输出端与第一数据端（1）连接，第一数据驱动模块（103）的输入端与第一光耦驱动模块（102）的使能端连接；

第二数据驱动模块（203）的开漏输出端与第二数据端（2）连接，第二数据驱动模块（203）的输入端与第二光耦驱动模块（202）的使能端连接。

2.根据权利要求1所述的隔离通信电路，其特征在于，在所述第一数据端（1）传输低电平信号的情况下：

第一光耦驱动模块（102）处于使能状态，低电平信号通过第一光耦驱动模块（102）传输至第一光电耦合器（101），令第一光电耦合器（101）处于导通状态；

第一光电耦合器（101）的集电极C输出低电平信号，该低电平信号通过第二数据驱动模块（203）传输至第二数据端（2），并且令第二光耦驱动模块（202）处于非使能状态。

3.根据权利要求1所述的隔离通信电路，其特征在于，在所述第一数据端（1）传输高电平信号的情况下：

第一光耦驱动模块（102）处于使能状态，高电平信号通过第一光耦驱动模块（102）传输至第一光电耦合器（101），令第一光电耦合器（101）处于断开状态；

第一光电耦合器（101）的集电极C钳位在高电平而产生高电平信号，该高电平信号通过第二数据驱动模块（203）传输至第二数据端（2），并且令第二光耦驱动模块（202）处于使能状态、第二光电耦合器（201）处于断开状态。

4.根据权利要求1至3任一项所述的隔离通信电路，其特征在于，

在第二光电耦合器（201）的集电极C与第一数据驱动模块（103）的输入端之间，还包括第一信号缓冲模块（104），用于保证第一光耦驱动模块（102）的使能信号先于第一数据端（1）的反馈数据到达第一光耦驱动模块（102）；

和/或

在第一光电耦合器（101）的集电极C与第二数据驱动模块（203）的输入端之间，还包括第二信号缓冲模块（204），用于保证第二光耦驱动模块（202）的使能信号先于第二数据端（2）的反馈数据到达第二光耦驱动模块（202）。

5.根据权利要求4所述的隔离通信电路，其特征在于，所述第一信号缓冲模块（104）和第二信号缓冲模块（204）为施密特门电路。

6.根据权利要求1至3任一项所述的隔离通信电路，其特征在于，该电路还包括：

位于第一数据端（1）与第一数据驱动模块（103）之间、且位于第一数据端（1）与第一光耦驱动模块（102）之间的第一抗干扰模块（105）；

和/或

位于第二数据端（2）与第二数据驱动模块（203）之间、且位于第二数据端（2）与第二光耦驱动模块（202）之间的第二抗干扰模块（205）。

7.据权利要求6所述的隔离通信电路，其特征在于：

所述第一抗干扰模块（105）和/或第二抗干扰模块（205）包括蛇形走线。

8.据权利要求6所述的隔离通信电路，其特征在于：

所述第一抗干扰模块（105）和/或第二抗干扰模块（205）包括稳压管。