CN104270198A - 数据光电转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据光电转换装置，包括光纤收发模块、信号逻辑处理电路和接口电路；所述光纤收发模块与信号逻辑处理电路双向通讯；所述信号逻辑处理电路与接口电路双向通讯。本发明可实现RS485、RS422及RS232三种不同接口的光电转换以满足用户不同的需求。采用两个相同的转换模块还可实现数据链路上不同标准接口之间的数据通信，以满足一些特殊需求。采用硬件电路实现，使用了超低速光通讯技术对数据信号直接采用基带传输，省略了传统光通讯在低波特率传输时必须采用的调制解调电路，本装置硬件电路简洁，具有可靠性高，成本低的优点。

Description

数据光电转换装置

技术领域

本发明涉及工业领域RS232、RS485、RS422通信的光电转换及组网，特别涉及一种数据光电转换装置。 

背景技术

在工业领域中，通信方式主要有三种方式，分别是电缆线通信、无线通信和光纤通信。光纤通信具有抗干扰能力强、容量大、成本低、通信距离远等诸多优点，随着我国铜退光进战略的实施，光纤通信的应用越来越广泛。 

RS232、RS422及RS485作为一种多点数据传输的电气规范，已经成为业内常用的三种数据传输标准，许多不同的工业领域的局域网、智能楼宇等设备均有此类接口。此三种接口各有特点，其中RS232和RS422接口可提供全双工异步数据通信，但RS232通信距离较短，且存在抗干扰能力差的不足，RS422通信需要4芯电缆，存在成本较高的缺点。RS485通信仅需要2芯电缆，但只能提供半双工的异步数据通信。RS485和RS422接口通信距离远高于RS232，但当通信速率较高时，其通信距离仅可达几百米，并对通信电缆的要求较高。此外这三种接口的网络拓扑结构均不支持环型或星型结构，使得设备之间组网较为不便，系统成本较高。 

综上所述，由于不同接口的特点不尽相同，使得产品接口难以统一。解决此类问题的方案有两个：一是采用统一的接口标准，从目前的技术现状看，工业级以太网将是一个很重要的选择，二是设计一种通用型的转换器，为不同接口的设备组网提供一种解决方案。前者具有良好的发展前景，但存在短期内难以实现，且无法适用已有设备的不足，后者具有成本较低、方便实施的优点。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种可实现RS485、RS422及RS232三种不同接口的光电转换以满足用户不同的需求的数据光电转换装置。 

实现本发明目的的技术方案是：一种数据光电转换装置，包括光纤收发模块、信号逻辑处理电路和接口电路；所述光纤收发模块与信号逻辑处理电路双向通讯；所述信号逻辑处理电路与接口电路双向通讯；所述光纤收发模块包括镜像电流源、半导体激光器LD、光检测器PD和自动功率控制电路；所述半导体激光器LD和光检测器PD的两端均分别接镜像电流源的输入端和输出端；所述自动功率控制电路的输入端通过可调电阻R18连接在镜像电流源的输出端，自动功率控制电路的输出端接镜像电流源的输入端； 

所述信号逻辑处理电路包括依次串联的逻辑芯片U3A、U3D和U3C的第一支路，以及串联的逻辑芯片U7C和U3B的第二支路； 

所述接口电路包括RS232接口电路、RS422接口电路和RS485接口电路；所述RS422接口电路的数据接收端和RS485接口电路的数据接收端均通过第一支路连接到光纤收发模块的发送端；所述RS232接口电路的数据接收端通过U3A连接到光纤收发模块的发送端，RS232接口电路的数据输出端和RS485接口电路的数据输出端通过逻辑芯片U7C接至光纤收发模块的接收端；所述RS485接口电路的发送/接收控制端通过第二至支路接至光纤收发模块的接收端。 

上述技术方案所述RS232接口电路包括电荷泵电路和数据转换通道；所述电荷泵电路由MAX232芯片U2、电容C1、C2、C3和C4组成，为RS232串口提供+12V电源和-12V电源；所述数据转换通道包括两组用于TTL/CMOS数据与RS232数据之间相互转换的数据通道。 

上述技术方案所述RS422接口电路包括差分数据收发器U4；所述差分数据收发器U4的发送/接收的差分信号端通过接线端子接RS422串口，发送差分信号端通过并联的二极管D2和电阻R5后接地，接收差分信号端通 过二极管D1接地，且通过电阻R6接+5V电源，差分数据收发器U4的接收器输出端通过第一支路连接到光纤收发模块的发送端。 

上述技术方案所述RS485接口电路包括差分数据收发器U6；所述差分数据收发器U6的发送/接收的差分信号端通过接线端子接RS485串口，发送差分信号端通过并联的二极管D3和电阻R15后接地，接收差分信号端通过二极管D4接地，且通过电阻R16接+5V电源，差分数据收发器U6的接收器输出端通过第一支路连接到光纤收发模块的发送端。 

上述技术方案所述镜像电流源由三极管Q2、Q3和Q4组成；所述三极管Q2和Q3的发射极分别通过电阻R9和R10接至三极管Q4的集电极。 

上述技术方案所述自动功率控制电路包括控制芯片U9；所述控制芯片U9为CA3140。 

上述技术方案所述差分数据收发器U4和差分数据收发器U6为带内置瞬变噪声保护装置的6LBC184差分数据收发器。 

上述技术方案所述逻辑芯片U3A、U3D、U3C和U3B均为TC4011；所述逻辑芯片U7C为74HC04。 

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果： 

(1)本发明硬件电路简洁、稳定可靠，适用在环境恶劣的场合，可实现RS485、RS422及RS232三种不同接口的光电转换以满足用户不同的需求。采用两个相同的转换模块还可实现数据链路上不同标准接口之间的数据通信，以满足一些特殊需求。 

(2)本发明采用逻辑电路实现不同接口标准的数据透明化传输，能够自适应0-10M范围内的任何波特率,可广泛满足用户的要求。 

(3)本发明采用硬件电路实现，使用了超低速光通讯技术对数据信号直接采用基带传输，省略了传统光通讯在低波特率传输时必须采用的调制解调电路，本装置硬件电路简洁，具有可靠性高，成本低的优点。 

(4)本发明采用模块化结构，可满足不同数量和标准的接口的光电转换功能，采用该装置组网能构成总线型、星型及环型网络拓扑结构，可以现实光电共存，扩大了网络的拓扑范围，克服了RS232、RS422及RS485 接口只能构造总线型网络的不足。 

(5)本发明差分数据收发器U4和差分数据收发器U6为带内置瞬变噪声保护装置的6LBC184差分数据收发器，显著提高了抵阻抗数据同步传输电缆上的瞬变噪声的可靠性，这种可靠性超过了多数同类器件。采用这种电路可提供可靠的低成本的直连(不带绝缘变压器)数据线接口，不需要任何外部元件。 

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中 

图1为本发明的结构框图； 

图2为本发明的光纤收发模块原理图； 

图3为本发明的信号逻辑处理电路图； 

图4为本发明的接口电路图； 

图5为本发明的差分数据收发器的发送器驱动功能表； 

图6为本发明的差分数据收发器的接收器功能表； 

具体实施方式

(实施例1) 

见图1至图6，一种数据光电转换装置，包括光纤收发模块1、信号逻辑处理电路2和接口电路3；光纤收发模块1与信号逻辑处理电路2双向通讯；信号逻辑处理电路2与接口电路3双向通讯； 

见图2，光纤收发模块1包括镜像电流源、半导体激光器LD、光检测器PD和自动功率控制电路；镜像电流源由三极管Q2、Q3和Q4组成；三极管Q2和Q3的发射极分别通过电阻R9和R10接至三极管Q4的集电极；半导体激光器LD和光检测器PD的两端均分别接镜像电流源的输入端和输出端；自动功率控制电路的输入端通过可调电阻R18连接在镜像电流源的输出端，自动功率控制电路的输出端接镜像电流源的输入端，自动功率控制电路包括控制芯片U9；控制芯片U9为CA3140；光纤收发模块1主要完成 光信号和电信号的相互转换，采用1310nm的光波长。光纤收发模块1采用超低速光通讯技术对数据信号直接采用基带传输方式，完成光信号和电信号的相互转换。光纤收发模块1的半导体发光器件采用的是半导体激光器LD。半导体激光器LD发射激光，响应速度快，光功率大，方向性强，光谱谱线较窄，一般用于大容量、长距离的光通信系统中。本装置采用基带传输的方式直接把要传送的信息转变为电流信号注入半导体激光器LD，它是一种光强度调制(IM)的方法，省略了复杂的光调制解调电路，使得光纤收发模块1电路简洁、提高了稳定性降低了成本。 

在激光器组中，从半导体激光器LD背向输出的光经过光检测器PD完成光电转换输出相应的大小的电流。这种自动功率控制的原理是若输出光功率大于额定值则通过反馈控制半导体激光器LD的偏置电流从而减少驱动电流使半导体激光器LD输出额定功率值，若光功率小于额定值则通过反馈控制半导体激光器LD的偏置电流从而增大驱动电流使半导体激光器LD恢复额定功率值，这样可以基本稳定半导体激光器LD的输出光功率。以半导体激光器LD输出光功率降低来阐述此电路的自动控制过程，半导体激光器LD输出光功率降低，背向光的输出功率降低，光检测器PD输出电流降低，U9反相端输入电压降低，控制芯片U9输出电压上升，三极管Q4的基极电流上升，三极管Q3集电极偏置电流上升，光检测器PD输出光功率上升，从而维持光输出光功率恒定。 

见图3，信号逻辑处理电路2包括依次串联的逻辑芯片U3A、U3D和U3C的第一支路，以及串联的逻辑芯片U7C和U3B的第二支路；逻辑芯片U3A、U3D、U3C和U3B均为TC4011；逻辑芯片U7C为74HC04。 

信号逻辑处理电路2采用逻辑芯片TC4011和74HC04处理各个信号间的逻辑关系，避免信号间的竞争和冲突。 

图3表示的逻辑关系为TXDI＝！(R0&R1&RS232_R2OUT),TXDI连接光纤收发模块1发送端，R0连接RS422数据接收端，R1连接RS485数据接收端，RS232_R2OUT连接RS232数据接收端。本数据光电转换装置支持RS232、RS422、RS485三种接口，但同一时刻只有其中某一种接口在通讯，其它两 种处于空闲状态。如RS485在通讯时则RS232、RS422就处在空闲状态，而空闲状态为状态1，和1进行与操作保持不变，所以TXDI光纤收发模块1发送端的状态就跟RS485的状态相同，完成RS485的电转光。DI0＝！RXDO，DIO分别连接到RS485、RS232的数据输出端，RXDO连接到光纤收发模块1的接收端。RE/DEO＝RXDO，RE/DEO连接到RS485的发送、接收控制端，RS485发送数据为逻辑1时，RS485驱动芯片处于接收状态，电口总线状态为逻辑1，RS485发送数据为逻辑0时，RS485驱动芯片处于发送状态，电口总线状态为逻辑0。 

见图4，接口电路3包括RS232接口电路、RS422接口电路和RS485接口电路；RS422接口电路的数据接收端和RS485接口电路的数据接收端均通过第一支路连接到光纤收发模块1的发送端；RS232接口电路的数据接收端通过U3A连接到光纤收发模块1的发送端，RS232接口电路的数据输出端和RS485接口电路的数据输出端通过逻辑芯片U7C接至光纤收发模块1的接收端；RS485接口电路的发送/接收控制端通过第二至支路接至光纤收发模块1的接收端。 

RS232接口电路包括电荷泵电路和数据转换通道；电荷泵电路由MAX232芯片U2、电容C1、C2、C3和C4组成，为RS232串口提供+12V电源和-12V电源；数据转换通道包括两组用于TTL/CMOS数据与RS232数据之间相互转换的数据通道，其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道，8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道，TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT输出，RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 

RS422接口电路包括差分数据收发器U4；差分数据收发器U4的发送/接收的差分信号端通过接线端子接RS422串口，发送差分信号端通过并联的二极管D2和电阻R5后接地，接收差分信号端通过二极管D1接地，且通过电阻R6接+5V电源，差分数据收发器U4的接收器输出端通过第一支路连接到光纤收发模块1的发送端。 

RS485接口电路包括差分数据收发器U6；差分数据收发器U6的发送/接收的差分信号端通过接线端子接RS485串口，发送差分信号端通过并联的二极管D3和电阻R15后接地，接收差分信号端通过二极管D4接地，且通过电阻R16接+5V电源，差分数据收发器U6的接收器输出端通过第一支路连接到光纤收发模块1的发送端。差分数据收发器U4和差分数据收发器U6为带内置瞬变噪声保护装置的6LBC184差分数据收发器。 

6LBC184芯片1号引脚R和4号引脚D端分别为接收器的输出和驱动器的输入端；2号引脚/RE和4号引脚DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态；6号引脚和7号引脚A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为逻辑1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为逻辑0。图5为6LB184发送器驱动功能表，图6为6LB184接收器功能表。 

图4中差分数据收发器U6作为RS485的驱动芯片，由于RS485是半双工的，需要控制信号RE/DE0来控制差分数据收发器U6的发送、接收状态。控制信号RE/DE0由数据光电转换装置的信号逻辑处理电路2提供。该数据光电转换装置作为RS422光电转换使用时，由于RS422是全双工的，图4中U4作为RS422的接收驱动芯片，差分数据收发器U6作为RS422的发送驱动芯片。 

MAX232芯片是MAXIM公司的生产的、包含两路接收和驱动器的IC芯片,适用于各种EIA-232C和V.28/V.24的通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把5V电压变换成RS-232C输出电平所需的正负10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种数据光电转换装置，包括光纤收发模块、信号逻辑处理电路和接口电路；所述光纤收发模块与信号逻辑处理电路双向通讯；所述信号逻辑处理电路与接口电路双向通讯；其特征在于：所述光纤收发模块包括镜像电流源、半导体激光器LD、光检测器PD和自动功率控制电路；所述半导体激光器LD和光检测器PD的两端均分别接镜像电流源的输入端和输出端；所述自动功率控制电路的输入端通过可调电阻R18连接在镜像电流源的输出端，自动功率控制电路的输出端接镜像电流源的输入端；

所述信号逻辑处理电路包括依次串联的逻辑芯片U3A、U3D和U3C的第一支路，以及串联的逻辑芯片U7C和U3B的第二支路；

所述接口电路包括RS232接口电路、RS422接口电路和RS485接口电路；所述RS422接口电路的数据接收端和RS485接口电路的数据接收端均通过第一支路连接到光纤收发模块的发送端；所述RS232接口电路的数据接收端通过U3A连接到光纤收发模块的发送端，RS232接口电路的数据输出端和RS485接口电路的数据输出端通过逻辑芯片U7C接至光纤收发模块的接收端；所述RS485接口电路的发送/接收控制端通过第二至支路接至光纤收发模块的接收端。

2.根据权利要求1所述的数据光电转换装置，其特征在于：所述RS232接口电路包括电荷泵电路和数据转换通道；所述电荷泵电路由MAX232芯片U2、电容C1、C2、C3和C4组成，为RS232串口提供+12V电源和-12V电源；所述数据转换通道包括两组用于TTL/CMOS数据与RS232数据之间相互转换的数据通道。

3.根据权利要求1所述的数据光电转换装置，其特征在于：所述RS422接口电路包括差分数据收发器U4；所述差分数据收发器U4的发送/接收的差分信号端通过接线端子接RS422串口，发送差分信号端通过并联的二极管D2和电阻R5后接地，接收差分信号端通过二极管D1接地，且通过电阻R6接+5V电源，差分数据收发器U4的接收器输出端通过第一支路连接到光纤收发模块的发送端。

4.根据权利要求1所述的数据光电转换装置，其特征在于：所述RS485接口电路包括差分数据收发器U6；所述差分数据收发器U6的发送/接收的差分信号端通过接线端子接RS485串口，发送差分信号端通过并联的二极管D3和电阻R15后接地，接收差分信号端通过二极管D4接地，且通过电阻R16接+5V电源，差分数据收发器U6的接收器输出端通过第一支路连接到光纤收发模块的发送端。

5.根据权利要求1所述的数据光电转换装置，其特征在于：所述镜像电流源由三极管Q2、Q3和Q4组成；所述三极管Q2和Q3的发射极分别通过电阻R9和R10接至三极管Q4的集电极。

6.根据权利要求1所述的数据光电转换装置，其特征在于：所述自动功率控制电路包括控制芯片U9；所述控制芯片U9为CA3140。

7.根据权利要求3所述的数据光电转换装置，其特征在于：所述差分数据收发器U4和差分数据收发器U6为带内置瞬变噪声保护装置的6LBC184差分数据收发器。

8.根据权利要求1所述的数据光电转换装置，其特征在于：所述逻辑芯片U3A、U3D、U3C和U3B均为TC4011；所述逻辑芯片U7C为74HC04。