CN107273330B - 三线制串行通信接口隔离电路模块 - Google Patents

三线制串行通信接口隔离电路模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三线制串行通信接口隔离电路模块，包括数字电源单元、第一电平转换单元、第二电平转换单元、信号隔离单元；数字电源单元包括非隔离DC‑DC转换模块U4和隔离DC‑DC转换模块U5，第一电平转换单元的电源输入端与第一数字直流电源连接；第二电平转换单元的电源输入端与第二数字直流电源连接；信号隔离单元的第一工作电源端与第一数字直流电源连接，信号隔离单元的第二工作电源端与第二数字直流电源连接；第一电平转换单元的数据信号输入端、发送端分别与第一串行通信接口J1连接，第二电平转换单元的数据信号输入端、发送端分别与第二串行通信接口J2连接。本发明从硬件电路实现串行通信接口的隔离。

Description

三线制串行通信接口隔离电路模块
技术领域
本发明涉及通信接口隔离电路，尤其是涉及三线制串行通信接口隔离电路模块。
背景技术
随着工业电子的不断地发展，串行数据通信已成为电子设备不可或缺的一项通讯方式。现行电路设计的串行数据通信接口（简称：串口）与计算机或其他设备实现通讯，由于两者的参考地平面不一致，当串口正在工作过程中进行热插拔或突然断/上电，两者之间产生的放电及浪涌容易对设备造成损坏。中国发明专利公开号：CN201010551298.7，公开了一种串口隔离电路，采用的是变压器来实现两端设备间的串口信号隔离，通过第一变压器模块将RS232电平串口输出的RS232电平信号转变为脉冲信号，将所述脉冲信号转换为TTL电平信号，然后输出给TTL电平串口；根据接收到TTL电平串口的输出的TTL电平信号，选择将高频信号输出给第二变压器模块或第三变压器模块，通过所述第二变压器模块将接收到高频信号转换为RS232负电平信号，通过所述第三变压器模块将接收到高频信号转换为RS232正电平信号后，输出给所述RS232电平串口。该串口信号隔离电路采用CPLD集成的选择器、频率发生器、脉冲检验锁存模块等，成本比较高，需编辑代码，存在误码率；再者RS232与TTL的转换电平采用变压器及整流二极管进行转换，结构复杂；最后，输入端的TxD、RxD电平均为TTL电平，与现行电子设备兼容性不足，应用范围窄。
发明内容
本发明目的在于提供一种电路结构简单、制造成本低廉的三线制串行通信接口隔离电路模块，实现防止干扰的引入，避免地线回路电压、浪涌、感应雷击、静电、热拔插等恶劣环境对设备造成的意外损害和损坏。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的三线制串行通信接口隔离电路模块，包括数字电源单元、第一电平转换单元、第二电平转换单元、信号隔离单元；
所述数字电源单元包括非隔离DC-DC转换模块U4和隔离DC-DC转换模块U5，所述非隔离DC-DC转换模块U4的电源输入端VIN与外部9V～24V直流电源连接，非隔离DC-DC转换模块U4的参考地端GND与第一参考地平面GND1连接，非隔离DC-DC转换模块U4的电源输出端Vout输出+5V_1第一数字直流电源；所述隔离DC-DC转换模块U5的电源输入端VIN与所述外部9V～24V直流电源连接，隔离DC-DC转换模块U5的电源输出端+VO输出+5V_2第二数字直流电源，隔离DC-DC转换模块U5的参考地端GND与所述第一参考地平面GND1连接，隔离DC-DC转换模块U5的电源输出端+VO通过电容与第二参考地平面GND2连接；
所述第一电平转换单元包括第一电平转换模块U1，所述第一电平转换模块U1的电源输入端VCC与所述+5V_1第一数字直流电源连接，第一电平转换模块U1的数据信号输入端R2IN和数据信号发送端T2OUT分别与第一串行通信接口J1对应的接收数据端RxD、发送数据端TxD连接，第一电平转换模块U1的参考地端GND和第一串行通信接口J1的参考地端GND均与第一参考地平面GND1连接；
所述第二电平转换单元包括第二电平转换模块U2，所述第二电平转换模块U2的电源输入端VCC与所述+5V_2第二数字直流电源连接，第二电平转换模块U2的数据信号输入端R2IN和数据信号发送端T2OUT分别与第二串行通信接口J2对应的接收数据端RxD、发送数据端TxD连接，第二电平转换模块U2的参考地端GND和第二串行通信接口J2的参考地端GND均与第二参考地平面GND2连接；
所述信号隔离单元包括信号隔离模块U3，所述信号隔离模块U3的第一工作电源端VDD1与+5V_1第一数字直流电源连接，信号隔离模块U3的第二工作电源端VDD2与+5V_2第二数字直流电源连接；信号隔离模块U3的第二数据信号输入端VIB与第一电平转换模块U1的数据信号发送端R2OUT连接，信号隔离模块U3的第二数据信号输出端VOB与第二电平转换模块U2的数据信号输入端T2IN连接，信号隔离模块U3的第一数据信号输入端VIA与第二电平转换模块U2的数据信号发送端R2OUT连接，信号隔离模块U3的第一数据信号输出端VOA与第一电平转换模块U1的数据信号输入端T2IN连接；信号隔离模块U3的第一参考地端GND和第二参考地端GND分别与对应的第一参考地平面GND1、第二参考地平面GND2连接。
所述第一电平转换模块U1和第二电平转换模块U2均采用集成IC芯片MAX3232，用于将接收的RS232信号转换为TTL电平信号或COMS电平信号，或者将接收的TTL电平信号或COMS电平信号转换为RS232信号；所述信号隔离模块U3采用信号隔离集成IC芯片ADUM1201，用于TTL电平信号或COMS电平信号的隔离；所述非隔离DC-DC转换模块U4的集成IC芯片采用K7805-500R2，所述隔离DC-DC转换模块U5的集成IC芯片采用F2405XT。
本发明从硬件电路原理实现串行通信接口的隔离，其优点体现在以下方面：
1、制造降低成本；
2、全硬件集成实现，不采用软件编辑程序，误码率为零；
3、实现电子设备之间的串口通讯隔离，应用范围广，兼容性好；
4、避免了地线回路电压、浪涌、感应雷击、静电、热拔插等对电子设备造成的意外损害和损坏。
附图说明
图1是本发明所述第一电平转换单元、第二电平转换单元和信号隔离单元的电路原理图。
图2是本发明所述数字电源单元的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1、2所示，本发明所述的三线制串行通信接口隔离电路模块，包括数字电源单元、第一电平转换单元1、第二电平转换单元2、信号隔离单元3。
如图2所示，数字电源单元包括非隔离DC-DC转换模块U4（集成IC芯片采用K7805-500R2）和隔离DC-DC转换模块U5（集成IC芯片采用F2405XT），非隔离DC-DC转换模块U4的电源输入端VIN（第1脚）与外部24V直流电源连接，非隔离DC-DC转换模块U4的参考地端GND（第2脚）与第一参考地平面GND1连接，非隔离DC-DC转换模块U4的电源输出端Vout（第3脚）输出+5V_1第一数字直流电源；隔离DC-DC转换模块U5的电源输入端VIN（第2脚）与外部24V直流电源连接，隔离DC-DC转换模块U5的电源输出端+VO（第5脚）输出+5V_2第二数字直流电源，隔离DC-DC转换模块U5的参考地端GND（第1脚）与第一参考地平面GND1连接，隔离DC-DC转换模块U5的电源输出端+VO（第5脚）通过并联电容C19、C20与第二参考地平面GND2连接。
如图1所示，第一电平转换单元1包括第一电平转换模块U1（集成IC芯片MAX3232），第一电平转换模块U1的电源输入端VCC（第16脚）与+5V_1第一数字直流电源连接，并通过并联电容C1、C2与第一参考地平面GND1连接，第一电平转换模块U1的数据信号输入端R2IN（第8脚）和数据信号发送端T2OUT（第7脚）分别与第一串行通信接口J1对应的接收数据端RxD（第2脚）、发送数据端TxD（第1脚）连接，第一电平转换模块U1的参考地端GND（第15脚）和第一串行通信接口J1的参考地端GND（第3脚）均与第一参考地平面GND1连接。
第二电平转换单元2包括第二电平转换模块U2（集成IC芯片MAX3232），第二电平转换模块U2的电源输入端VCC（第16脚）与+5V_2第二数字直流电源连接，第二电平转换模块U2的数据信号输入端R2IN（第8脚）和数据信号发送端T2OUT（第7脚）分别与第二串行通信接口J2对应的接收数据端RxD（第2脚）、发送数据端TxD（第1脚）连接，第二电平转换模块U2的参考地端GND（第15脚）和第二串行通信接口J2的参考地端GND（第3脚）均与第二参考地平面GND2连接。
信号隔离单元3包括信号隔离模块U3（信号隔离集成IC芯片ADUM1201），信号隔离模块U3的第一工作电源端VDD1（第1脚）与+5V_1第一数字直流电源连接，信号隔离模块U3的第二工作电源端VDD2（第8脚）与+5V_2第二数字直流电源连接；信号隔离模块U3的第二数据信号输入端VIB（第3脚）与第一电平转换模块U1的数据信号发送端R2OUT（第9脚）连接，信号隔离模块U3的第二数据信号输出端VOB（第6脚）与第二电平转换模块U2的数据信号输入端T2IN（第10脚）连接，信号隔离模块U3的第一数据信号输入端VIA（第7脚）与第二电平转换模块U2的数据信号发送端R2OUT（第9脚）连接，信号隔离模块U3的第一数据信号输出端VOA（第2脚）与第一电平转换模块U1的数据信号输入端T2IN（第10脚）连接；信号隔离模块U3的第一参考地端GND（第4脚）和第二参考地端GND（第5脚）分别与对应的第一参考地平面GND1、第二参考地平面GND2连接。
本发明工作原理简述如下：
本发明实现两电子设备之间串口隔离通讯，第一串行通信接口J1与原级电子设备的RS232接口连接，第二串行通信接口J2与其他电子设备的RS232接口连接。
在发送线路中，第一串行通信接口J1的接收数据端RxD（第2脚）接收到原级电子设备的RS232电平信号，传输到第一电平转换模块U1的数据信号输入端R2IN（第8脚），经电平转换后从第一电平转换模块U1的数据信号发送端R2OUT（第9脚）输出，此时信号为TTL电平信号，该TTL电平信号再次传输到信号隔离模块U3的第二数据信号输入端VIB（第3脚），经信号隔离模块U3的第二数据信号输出端VOB（第6脚）输出，完成信号隔离；隔离后的TTL电平信号传输至第二电平转换模块U2的数据信号输入端T2IN（第10脚），经电平转换后从第二电平转换模块U2的数据信号发送端T2OUT（第7脚）输出，此时信号为RS232电平信号，该信号通过第二串行通信接口J2的发送数据端TxD（第1脚）与其他电子设备通讯。
在接收线路中，第二串行通信接口J2的接收数据端RxD（第2脚）接收来自其他电子设备的返回信号，该信号为RS232电平信号，传输至第二电平转换模块U2的数据信号输入端R2IN（第8脚）, 经电平转换后从第二电平转换模块U2的数据信号发送端R2OUT（第9脚）输出TTL电平信号，该TTL电平信号传输给信号隔离模块U3的第一数据信号输入端VIA（第7脚），并自信号隔离模块U3的第一数据信号输出端VOA（第2脚）输出，完成信号隔离；隔离后的TTL电平信号传输至第一电平转换模块U1的数据信号输入端T2IN（第10脚），经电平转换后从第一电平转换模块U1的数据信号发送端T2OUT（第7脚）输出TTL电平信号，此时的信号为RS232电平信号，该信号沿第一串行通信接口J1的发送数据端TxD（第1脚）与原级电子设备通讯。
数字电源方面，本发明实施采用两种电源，形成电源隔离。
+5V_1第一数字直流电源给予第一电平转换模块U1及信号隔离模块U3的第一工作电源端VDD1供电；+5V_2第二数字直流电源给予第二电平转换模块U2及信号隔离模块U3的第二工作电源端VDD2供电；因此，信号隔离模块U3内部第一工作电压、第二工作电压相互隔离。

Claims (2)

1.一种三线制串行通信接口隔离电路模块，其特征在于：包括数字电源单元、第一电平转换单元、第二电平转换单元、信号隔离单元；
所述数字电源单元包括非隔离DC-DC转换模块U4和隔离DC-DC转换模块U5，所述非隔离DC-DC转换模块U4的电源输入端与外部9V～24V直流电源连接，非隔离DC-DC转换模块U4的参考地端与第一参考地平面连接，非隔离DC-DC转换模块U4的电源输出端输出第一数字直流电源；所述隔离DC-DC转换模块U5的电源输入端与所述外部9V～24V直流电源连接，隔离DC-DC转换模块U5的电源输出端输出第二数字直流电源，隔离DC-DC转换模块U5的参考地端与所述第一参考地平面连接，隔离DC-DC转换模块U5的电源输出端通过电容与第二参考地平面连接；
所述第一电平转换单元包括第一电平转换模块U1，所述第一电平转换模块U1的电源输入端与所述第一数字直流电源连接，第一电平转换模块U1的数据信号输入端、数据信号发送端分别与第一串行通信接口J1对应的接收数据端、发送数据端连接，第一电平转换模块U1的参考地端和第一串行通信接口J1的参考地端均与第一参考地平面连接；
所述第二电平转换单元包括第二电平转换模块U2，所述第二电平转换模块U2的电源输入端与所述第二数字直流电源连接，第二电平转换模块U2的数据信号输入端和数据信号发送端分别与第二串行通信接口J2对应的接收数据端、发送数据端连接，第二电平转换模块U2的参考地端和第二串行通信接口J2的参考地端均与第二参考地平面连接；
所述信号隔离单元包括信号隔离模块U3，所述信号隔离模块U3的第一工作电源端与第一数字直流电源连接，信号隔离模块U3的第二工作电源端与第二数字直流电源连接；信号隔离模块U3的第二数据信号输入端与第一电平转换模块U1的数据信号发送端连接，信号隔离模块U3的第二数据信号输出端与第二电平转换模块U2的数据信号输入端连接，信号隔离模块U3的第一数据信号输入端与第二电平转换模块U2的数据信号发送端连接，信号隔离模块U3的第一数据信号输出端与第一电平转换模块U1的数据信号输入端连接；信号隔离模块U3的第一参考地端和第二参考地端分别与对应的第一参考地平面、第二参考地平面连接。
2.根据权利要求1所述的三线制串行通信接口隔离电路模块，其特征在于：所述第一电平转换模块U1和第二电平转换模块U2均采用集成IC芯片MAX3232，用于将接收的RS232信号转换为TTL电平信号或COMS电平信号，或者将接收的TTL电平信号或COMS电平信号转换为RS232信号；所述信号隔离模块U3采用信号隔离集成IC芯片ADUM1201，用于TTL电平信号或COMS电平信号的隔离；所述非隔离DC-DC转换模块U4的集成IC芯片采用K7805-500R2，所述隔离DC-DC转换模块U5的集成IC芯片采用F2405XT。
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