CN107066414B - 一种增强型并行通信电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强型数字接口电路，包括数字信号输出电路、达林顿电路、二极管D1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和数字信号输入电路；所述数字信号输出电路、达林顿电路、二极管D1、电阻R2和数字信号输入电路依次顺序相连接，电阻R1一端连接电路二极管D1和电阻R2，一端连接输入电压VCC，电阻R3一端连接电阻R3和数字信号输入电路，一端接地；二极管D1的单向导通方向为由电阻R1朝向达林顿电路导通，分散控制系统中采用本发明实现长距离的数字信号传输。
Description
技术领域
本发明涉及一种DCS系统中一种增强型数字接口电路，属于工业控制技术领域。
背景技术
在工业控制技术领域，经常要求单设备内部各模块之间或者多个设备之间实现通信接口。通常采用的手段如下：
（1）设备内部各个模块之间的通信因为距离比较近，通常利用数字接口电路直接采用并行通信的方法实现；
（2）对于多个设备之间或者设备内部各模块距离较远时，通常利用差分电路采用串行异步模式通信的方法实现；
并行通信所采用的数字接口电路主要是TTL电路和CMOS电路。TTL电路的电平就叫TTL 电平，CMOS电路的电平就叫CMOS电平。
TTL集成电路的全名是晶体管-晶体管逻辑集成电路（Transistor-TransistorLogic），标准TTL输入高电平最小2V，输出高电平最小2.4V，典型值3.4V，输入低电平最大0.8V，输出低电平最大0.4V，典型值0.2V。TTL电路的电源供电只允许在+5V±10%范围内。
COMS集成电路是互补对称金属氧化物半导体（Compiementary symmetry metaloxide semiconductor）集成电路的英文缩写，电路的许多基本逻辑单元都是用增强型PMOS晶体管和增强型NMOS管按照互补对称形式连接的，静态功耗很小。COMS电路的供电电压VDD范围比较广在+5V～+15V均能正常工作，当输出电压高于VDD-0.5V时为逻辑“1”，输出电压低于VSS+0.5V（VSS为数字地）为逻辑“0”。
TTL电平信号被利用的最多是因为通常数据表示采用二进制规定，+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，这被称做TTL信号系统，这是计算机处理器控制的设备内部各部分之间通信的标准技术。
TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，首先计算机处理器控制的设备内部的数据传输对于电源的要求不高以及热损耗也较低，另外TTL电平信号直接与集成电路连接而不需要价格昂贵的线路驱动器以及接收器电路；再者，计算机处理器控制的设备内部的数据传输是在高速下进行的，而TTL接口的操作恰能满足这个要求。
但是上述的TTL电路和CMOS电路都只适用于同一印制板内或者同一装置内部，使用方法通常如图1所示，数字量输出直接和数字量输入连接。这种实现方法在物理连接超过几米的距离时，对数据的传输可靠性就大为降低，极其容易因外部干扰而造成逻辑错误。
在工业控制领域，使用现场环境恶劣，噪声、射频、电磁辐射等无处不在，而在分散系统控制中，各种模件之间的物理连接距离甚至超过10米以上，现有技术，不适合分散控制系统的长距离数字信号传输，抗干扰能力差，不能够兼容TTL电平和CMOS电平。因此，利用数字接口电路直接采用并行通信模式速度快，传输数据量大，一次可传输1~16bits数据，协议解析简单，但是抗干扰性能不高，适用于近距离通信。
而在分散系统控制中，为了实现此条件下的可靠通信，通常采用差分信号的串行异步通信方式。
串行差分通信通俗地说，就是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”，而承载差分信号的那一对走线。差分信号与普通的单端信号走线相比抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪音干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。能有效抑制EMI。由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以互相抵消。耦合的越紧密，相互抵消的磁力线就越多。泄露到外界的电磁能量越少。
由于差分信号的开关变化是位于两个信号的焦点，而不像普通的单端信号依靠高低两个阀值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路，时序定位精确，但是串行差分通信传输波特率较低，实时性比并行通信模式低。
发明内容
针对现有技术中存在的缺点，本发明提出一种增强型并行通信电路及方法，数字电路输出端使用达林顿电路增加驱动能力；数字电路传输链路中使用直流高电压供电（电压等级从12伏到110伏不限），提高抗干扰能力；数字电路输入端使用三电阻分压方式将链路中的直流电压转变为可识别的数字信号，可兼容TTL电平和CMOS电平；在分散控制系统中实现长距离的数字信号传输，可实现两设备之间nbit的数字量通信接口。
本发明技术方案如下：
一种增强型并行通信电路，包括数字信号输出电路、达林顿电路、导通电路和数字信号输入电路。
导通电路包括二极管D1和电阻电路，电阻电路包括电阻R1、电阻R2和电阻R3；
数字信号输出电路、达林顿电路、二极管D1依次顺序连接；
数字信号输出电路、达林顿电路、二极管D1、电阻R2和数字信号输入电路依次顺序相连接，电阻R1一端连接二极管D1和电阻R2，另一端连接输入电压VCC，电阻R3一端连接电阻R2和数字信号输入电路，另一端接地；二极管D1的单向导通方向为由电阻R1朝向达林顿电路导通。
较优地，增强型并行通信电路包括n个导通电路；
n个导通电路并行连接在达林顿电路和数字输入电路之间，二极管D1均朝向达林顿电路导通。
增强型并行通信电路为双向增强型数字接口电路，还包括第二数字信号输出电路、第二达林顿电路、二极管D2、电阻R4、电阻R5、电阻R6和第二数字信号输入电路；
第二数字信号输出电路、第二达林顿电路、二极管D2、电阻R5和第二数字信号输入电路依次顺序相连接，电阻R4一端连接电路二极管D2和电阻R5，另一端连接输入电压VCC，电阻R6一端连接电阻R5和第二数字信号输入电路，另一端接地；二极管D2的单向导通方向为由电阻R4朝向第二达林顿电路导通。
增强型并行通信电路为一对多并行传输双向增强型数字接口电路；包括若干数字信号输入电路和若干电阻电路；
若干个电阻电路连接在二极管D1和数字信号输入电路之间。
输入电压VCC为直流电压。输入电压VCC为电压等级位12V-110V。VCC电压等级从12伏到110伏不限，可根据现场供电和使用环境进行配置；二极管D1确保电流只能流入达林顿电路。
一种增强型并行通信方法， 基于本申请公开的增强型并行通信电路，实现增强型并行通信，包括以下步骤:
S1，数字信号输出电路输出低电平，二极管D1导通，达林顿电路导通，电流经过电阻R1、二极管D1和达林顿电路到地，数字信号输入端逻辑电平为“0”；
S2，数字信号输出高电平时，达林顿电路断开，电流经过电阻R1、电阻R2和电阻R3到地，数字信号输入端电压为(VCC×R3)/(R1+R2+R3)；根据实际选用的数字信号输入接口芯片的高电平电压，同时按数字信号输入端电压计算公式选择电阻阻值使电阻R3的分压达到逻辑“1”的可靠电压范围；
S3，n个导通电路并行连接在达林顿电路和数字输入电路之间，二极管D1均朝向达林顿电路导通, 实现两设备之间nbits的数字量通信接口；
步骤S3还包括两设备之间nbits的双向并行数字量通信。
步骤S3还包括一对多设备之间nbits的双向并行数字量通信。
本发明的有益效果：
数字电路输出端使用达林顿电路增加驱动能力；数字电路传输链路中使用直流高电压供电（电压等级从12伏到110伏不限），提高抗干扰能力；数字电路输入端使用三电阻分压方式将链路中的直流电压转变为可识别的数字信号，可兼容TTL电平和CMOS电平；在分散控制系统中实现长距离的数字信号传输；两路增强型数字接口电路组合可实现双向的数字信号接口，多路此电路组合，即可实现多位数字信号的并行传输，满足使用需求。
附图说明
图1为现有技术数字量输出直接和数字量输入连接示意图；
图2为本申请一种增强型并行通信电路结构示意图；
图3为本申请并行传输双向增强型并行通信电路结构示意图；
图4为本申请两设备之间nbits的双向增强型并行通信电路结构示意图
图5为本申请一对多设备之间nbits的一对多设备之间nbits的双向增强型并行通信电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
如图2所示，一种增强型并行通信电路，包括数字信号输出电路、达林顿电路、导通电路和数字信号输入电路。
导通电路包括二极管D1和电阻电路，电阻电路包括电阻R1、电阻R2和电阻R3；
数字信号输出电路、达林顿电路、二极管D1依次顺序连接；
数字信号输出电路、达林顿电路、二极管D1、电阻R2和数字信号输入电路依次顺序相连接，电阻R1一端连接二极管D1和电阻R2，另一端连接输入电压VCC，电阻R3一端连接电阻R2和数字信号输入电路，另一端接地；二极管D1的单向导通方向为由电阻R1朝向达林顿电路导通。
如图3所示，增强型并行通信电路包括n个导通电路；
n个导通电路并行连接在达林顿电路和数字输入电路之间，二极管D1均朝向达林顿电路导通。附图3 中，导通电路为n个。
如图4所示，增强型并行通信电路为双向增强型数字接口电路，还包括第二数字信号输出电路、第二达林顿电路、二极管D2、电阻R4、电阻R5、电阻R6和第二数字信号输入电路；
第二数字信号输出电路、第二达林顿电路、二极管D2、电阻R5和第二数字信号输入电路依次顺序相连接，电阻R4一端连接电路二极管D2和电阻R5，另一端连接输入电压VCC，电阻R6一端连接电阻R5和第二数字信号输入电路，另一端接地；二极管D2的单向导通方向为由电阻R4朝向第二达林顿电路导通。
如图5，增强型并行通信电路为一对多并行传输双向增强型数字接口电路；包括若干数字信号输入电路和若干电阻电路；
若干个电阻电路连接在二极管D1和数字信号输入电路之间。
输入电压VCC为直流电压。输入电压VCC为电压等级为12V-110V。VCC电压等级从12伏到110伏不限，可根据现场供电和使用环境进行配置；二极管D1确保电流只能流入达林顿电路。
一种增强型并行通信方法， 基于本申请公开的增强型并行通信电路，实现增强型并行通信，包括以下步骤:
S1，数字信号输出电路输出低电平，二极管D1导通，达林顿电路导通，电流经过电阻R1、二极管D1和达林顿电路到地，数字信号输入端逻辑电平为“0”；
S2，数字信号输出高电平时，达林顿电路断开，电流经过电阻R1、电阻R2和电阻R3到地，数字信号输入端电压为(VCC×R3)/(R1+R2+R3)；根据实际选用的数字信号输入接口芯片的高电平电压，同时按数字信号输入端电压计算公式选择电阻阻值使电阻R3的分压达到逻辑“1”的可靠电压范围；
S3，n个导通电路并行连接在达林顿电路和数字输入电路之间，二极管D1均朝向达林顿电路导通, 实现两设备之间nbits的数字量通信接口；
步骤S3还包括两设备之间nbits的双向并行数字量通信。
步骤S3还包括一对多设备之间nbits的双向并行数字量通信。
由图3所示可实现两设备之间nbits的数字量通信接口，可根据实际需求选择实现1bit~16bits的数字量并行传输通信。
由图4所示可实现两设备之间nbits的双向并行数字量通信接口。
由图5所示可实现一对多设备之间nbits的并行数字量通信接口。
同理，此电路可实现一对多设备之间nbits的双向并行数字量通信接口。
两路增强型数字接口电路组合可实现双向的数字信号接口。同理可知，多路此电路组合，即可实现多位数字信号的并行传输。
以上仅是本发明的优选实施方式，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 (6)
1.一种增强型并行通信电路，其特征在于：包括数字信号输出电路、达林顿电路、导通电路和数字信号输入电路；
所述导通电路包括二极管D1和电阻电路，电阻电路包括电阻R1、电阻R2和电阻R3；
数字信号输出电路、达林顿电路、二极管D1、电阻R2和数字信号输入电路依次顺序相连接，电阻R1一端连接二极管D1和电阻R2，另一端连接输入电压VCC，电阻R3一端连接电阻R2和数字信号输入电路，另一端接地；二极管D1的单向导通方向为由电阻R1朝向达林顿电路导通；
n个导通电路并行连接在达林顿电路和数字输入电路之间，二极管D1均朝向达林顿电路导通；
所述增强型并行通信电路为双向增强型数字接口电路，还包括第二数字信号输出电路、第二达林顿电路、二极管D2、电阻R4、电阻R5、电阻R6和第二数字信号输入电路；
第二数字信号输出电路、第二达林顿电路、二极管D2、电阻R5和第二数字信号输入电路依次顺序相连接，电阻R4一端连接电路二极管D2和电阻R5，另一端连接输入电压VCC，电阻R6一端连接电阻R5和第二数字信号输入电路，另一端接地；二极管D2的单向导通方向为由电阻R4朝向第二达林顿电路导通；
所述增强型并行通信电路为一对多并行传输双向增强型数字接口电路；包括若干数字信号输入电路和若干电阻电路；
所述若干个电阻电路连接在二极管D1和数字信号输入电路之间。
2.根据权利要求1所述的一种增强型并行通信电路，其特征在于：
输入电压VCC为直流电压。
3.根据权利要求1所述的一种增强型并行通信电路，其特征在于：输入电压VCC为电压等级为12V-110V。
4.一种增强型并行通信方法，其特征在于，
基于权利要求1-3所述的任一项增强型并行通信电路，实现增强型并行通信，包括以下步骤:
S1，数字信号输出电路输出低电平，二极管D1导通，达林顿电路导通，电流经过电阻R1、二极管D1和达林顿电路到地，数字信号输入端逻辑电平为“0”；
S2，数字信号输出高电平时，达林顿电路断开，电流经过电阻R1、电阻R2和电阻R3到地，数字信号输入端电压为(VCC×R3)/(R1+R2+R3)；根据实际选用的数字信号输入接口芯片的高电平电压，同时按数字信号输入端电压计算公式选择电阻阻值使电阻R3的分压达到逻辑“1”的可靠电压范围；
S3，n个导通电路并行连接在达林顿电路和数字输入电路之间，二极管D1均朝向达林顿电路导通, 实现两设备之间nbits的数字量通信接口。
5.根据权利要求4所述的一种增强型并行通信方法，其特征在于，
步骤S3还包括两设备之间nbits的双向并行数字量通信。
6.根据权利要求4所述的一种增强型并行通信方法，其特征在于，
步骤S3还包括一对多设备之间nbits的双向并行数字量通信。
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