CN109525475A - 一种单总线通讯信号隔离电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单总线通讯信号隔离电路，第一上拉电阻与主机接口端连接；第一比较单元同相输入端与主机接口端连接，第一比较单元的反相输入端连接一第一基准电压；第一光耦控制端与第一比较单元输出端连接；第二上拉电阻与从机接口端连接，第一光耦的集电极与从机接口端连接，第一光耦的发射极与从机接口端处的地线连接；第二比较单元同相输入端与从机接口端连接，第二比较单元的反相输入端连接一第二基准电压；第二光耦控制端与第二比较单元输出端连接，第二光耦的集电极与主机接口端连接，第二光耦的发射极与主机接口端处的地线连接。本发明解决了单总线通讯过程中主机端和从机端无法有效隔离的技术问题。

Description

一种单总线通讯信号隔离电路
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，具体涉及一种单总线通讯信号隔离电路。
背景技术
目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。其中I2C总线以同步串行2线方式进行通信（一条时钟线，一条数据线），SPI总线则以同步串行3线方式进行通信（一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线），而SCI总线是以异步方式进行通信（一条数据输入线，一条数据输出线）的。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。近年来，推出了一项特有的单总线（1-Wire Bus）技术。该技术与上述总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。
单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。
但目前这种单总线通讯方式存在主机端和从机端信号相互干扰的弊端。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明的目的是提供一种单总线通讯信号隔离电路，通过在主机端和从机端分别设置隔离单元，将主机端和从机端有效隔离形成相互独立的电源系统和接地系统，消除主机端和从极端在信息交互时的干扰，提高信号传输的准确性，解决了单总线通讯过程中主机端和从机端无法有效隔离的技术问题。
为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种单总线通讯信号隔离电路，包括：
第一上拉电阻，其与主机接口端连接；
第一比较单元，其同相输入端与所述主机接口端连接，所述第一比较单元的反相输入端连接一第一基准电压；
第一光耦，其控制端与所述第一比较单元输出端连接；
第二上拉电阻，其与从机接口端连接，所述第一光耦的集电极与所述从机接口端连接，所述第一光耦的发射极与所述从机接口端处的地线连接；
第二比较单元，其同相输入端与所述从机接口端连接，所述第二比较单元的反相输入端连接一第二基准电压；
第二光耦，其控制端与所述第二比较单元输出端连接，所述第二光耦的集电极与所述主机接口端连接，所述第二光耦的发射极与所述主机接口端处的地线连接。
优选的，还包括第一基准信号产生单元和第二基准信号产生单元，所述第一基准信号产生单元的输入端与所述第二光耦的集电极连接，所述第一比较单元的反相输入端与所述第一基准信号产生单元的输出端连接；所述第二基准信号产生单元的输入端与所述第一光耦的集电极连接，所述第二基准信号产生单元的输出端与所述第二比较单元的反相输入端连接。
优选的，所述第一比较单元包括：
第一二极管，其阴极与所述主机接口端连接；
第一比较器，其同相输入端与所述第一二极管阳极连接，所述第一比较器的反相输入端与所述第一基准信号产生单元的输出端连接；
第一电阻，其第一端与电源端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一比较器的同相输入端连接。
优选的，所述第一光耦的发光二极管阴极与所述第一比较器的输出端连接，所述第一光耦的发光二极管阴极通过一第二电阻连接至电源端，所述第一光耦的发光二极管阳极通过一第三电阻连接至电源端。
优选的，所述第一基准信号产生单元包括：
第一缓冲器，其输入端与所述第二光耦的集电极连接；
第四电阻，其第一端与电源端连接，所述第四电阻的第二端连接在所述第一缓冲器的输入端；
第一分压电路，其包括串联设置的第五电阻和第六电阻，所述第一分压电路的输入端与所述第一缓冲器的输出端连接，所述第一分压电路的输出端与所述第一比较器的反相输入端连接。
优选的，所述第二比较单元包括：
第二二极管，其阴极与所述从机接口端连接；
第二比较器，其同相输入端与所述第二二极管阳极连接，所述第二比较器的反相输入端与所述第二基准信号产生单元的输出端连接；
第七电阻，其第一端与电源端连接，所述第七电阻的第二端与所述第二比较器的同相输入端连接；
其中，所述主机接口端的电源端与所述从机接口端的电源端保持隔离，且所述主机接口端的各个电源端电压保持一致，所述从机接口端的各个电源端电压保持一致。
优选的，所述第二光耦的发光二极管阴极与所述第二比较器的输出端连接，所述第二光耦的发光二极管阴极通过一第八电阻连接至电源端，所述第二光耦的发光二极管阳极通过一第九电阻连接至电源端。
优选的，所述第二基准信号产生单元包括：
第二缓冲器，其输入端与所述第一光耦的集电极连接；
第十电阻，其第一端与电源端连接，所述第十电阻的第二端连接在所述第二缓冲器的输入端；
第二分压电路，其包括串联设置的第十一电阻和第十二电阻，所述第二分压电路的输入端与所述第一缓冲器的输出端连接，所述第二分压电路的输出端与所述第二比较器的反相输入端连接。
优选的，还包括一第一驱动单元，所述第一驱动单元包括第一场效应管和第一非门，所述第一场效应管为N型场效应管，所述第一场效应管的源极与所述主机接口端连接、漏极接地，所述第一场效应管的栅极接所述第一非门的输出端，所述第一非门的输入端接所述第二光耦的集电极。
优选的，还包括一第二驱动单元，所述第二驱动单元包括第二场效应管和第二非门，所述第二场效应管为N型场效应管，所述第二场效应管的源极与所述从机接口端连接、漏极接地，所述第二场效应管的栅极接所述第二非门的输出端，所述第二非门的输入端接所述第一光耦的集电极。
与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：
1、本发明通过在主机端和从机端分别设置光耦隔离，将主、从机隔离成相互独立电源系统和接地系统，消除将主、从机之间的信号干扰影响；
2、降低了信号传输误码率，提高了单总线信号传输的可靠性；
3、通过基准信号产生单元的变化基准，提高了信号在传输过程的稳定性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供了一种单总线通讯信号隔离电路，包括主机收发电路和从机收发电路，主机收发电路包括第一上拉电阻Rup1、第一比较单元、第一光耦U3和第一基准信号产生单元。从机收发电路包括第二上拉电阻Rup2、第二比较单元、第二光耦U6和第二基准信号产生单元。
为了主机收发电路与从机收发电路实现电气隔离，消除主机收发电路与从机收发电路之间的信号干扰，提高主机收发电路与从机收发电路之间通讯的准确性和可靠性，而提出了本发明的技术方案。
第一上拉电阻Rup1与主机接口端SBUS1连接，正常状态下，通过第一上拉电阻Rup1将主机接口端SBUS1的电压保持在高电平。
第一比较单元连接在主机接口端SBUS1与第一光耦U3之间，具体的，所述第一比较单元包括：第一二极管D1、第一比较器OP1和第一电阻R1，第一二极管D1的阴极与所述主机接口端SBUS1连接，第一比较器OP1的同相输入端与所述第一二极管D1阳极连接，通过第一二极管D1避免主机的接收信号对第一比较单元产生干扰。所述第一比较器OP1的反相输入端与所述第一基准信号产生单元的输出端连接。第一电阻R1的第一端与电源端Vcc连接，所述第一电阻R1的第二端与所述第一比较器OP1的同相输入端连接，正常状态下，为第一比较器OP1的同相输入端提供高电平信号。
其中，所述主机接口端SBUS1的电源端Vcc与所述从机接口端SBUS2的电源端Vdd保持隔离，且所述主机接口端SBUS1的各个电源端Vcc电压保持一致，所述从机接口端SBUS2的各个电源端Vdd电压保持一致。
具体的，本实施例中，主机端的各个电源端Vcc与从机端的各个电源端Vdd相互隔离设置，Vcc和Vdd的电压可以设置为5V，各个电阻的阻值可以相等。
第一光耦U3的控制端与所述第一比较单元输出端连接，具体的，所述第一光耦U3的发光二极管阴极与所述第一比较器OP1的输出端连接，所述第一光耦U3的发光二极管阴极通过一第二电阻R2连接至电源端Vcc，所述第一光耦U3的发光二极管阳极通过一第三电阻R3连接至电源端Vcc，第一比较器OP1输出低电平，则第一光耦U3的发光二极管发光。
所述第一基准信号产生单元的输入端与所述第二光耦U6的集电极连接，所述第一比较器OP1的反相输入端与所述第一基准信号产生单元的输出端连接。具体的，所述第一基准信号产生单元包括：第一缓冲器U1、第四电阻R4和第一分压电路，第一缓冲器U1的输入端与所述第二光耦U6的集电极连接；第四电阻R4第一端与电源端Vcc连接，所述第四电阻R4的第二端连接在所述第一缓冲器U1的输入端；第一分压电路包括串联设置的第五电阻R5和第六电阻R6，第五电阻R5的第一端与所述第一缓冲器U1的输出端连接，第六电阻R6的第二端接地。第五电阻R5和第六电阻R6的共接端与第一比较器OP1的反相输入端连接。
所述第一驱动单元包括第一场效应管Q1和第一非门U2，所述第一场效应管Q1为N型场效应管，N型场效应管的驱动能力更强，提高信号传输距离和准确性。所述第一场效应管Q1的源极与所述主机接口端SBUS1连接、漏极接地，所述第一场效应管Q1的栅极接所述第一非门U2的输出端，所述第一非门U2的输入端接所述第二光耦U6的集电极。
从机收发电路与主机收发电路结构一致，且从机收发电路与主机收发电路交错对称设置。具体的，第二上拉电阻Rup2与从机接口端SBUS2连接，所述第一光耦U3的输出端与所述从机接口端SBUS2连接，将主机发送的信号依次经过比较和整形后传送至从机接口端SBUS2。
第二比较单元的同相输入端与所述从机接口端SBUS2连接，所述第二比较单元的反相输入端与所述第一基准信号产生单元的输出端连接。具体的，所述第二比较单元包括：第二二极管D2、第二比较器OP2和第七电阻R7，第二二极管D2的阴极与所述从机接口端SBUS2连接；第二比较器OP2的同相输入端与所述第二二极管D2阳极连接，所述第二比较器OP2的反相输入端与所述第二基准信号产生单元的输出端连接。
第七电阻R7的第一端与电源端Vdd连接，所述第七电阻R7的第二端与所述第二比较器OP2的同相输入端连接。
第二光耦U6控制端与所述第二比较单元输出端连接，具体的，所述第二光耦U6的发光二极管阴极与所述第二比较器OP2的输出端连接，所述第二光耦U6的发光二极管阴极通过一第八电阻R8连接至电源端Vdd，所述第二光耦U6的发光二极管阳极通过一第九电阻R9连接至电源端Vdd。第二比较器OP2输出低电平，则第二光耦U6的发光二极管发光。
其中，所述第一光耦U3的发射极与所述从机接口端SBUS2处的地线连接，所述第二光耦U6的发射极与所述主机接口端SBUS1处的地线连接，使得第一光耦U3的发射极和集电极采用的是从机接口端SBUS2的系统电压，第二光耦U6的发射极和集电极采用的是主机接口端SBUS1的系统电压。从而将主机接口端SBUS1的系统电压和从机接口端SBUS2的系统电压通过第一光耦U3和第二光耦U6实现隔离。
所述第二基准信号产生单元的输入端与所述第一光耦U3的集电极连接，所述第二基准信号产生单元的输出端与所述第二比较器OP2的反相输入端连接。具体的，所述第二基准信号产生单元包括：第二缓冲器U4、第十电阻R10和第二分压电路，第二缓冲器U4的输入端与所述第一光耦U3的集电极连接；第十电阻R10的第一端与电源端Vdd连接，所述第十电阻R10的第二端连接在所述第二缓冲器U4的输入端；第二分压电路包括串联设置的第十一电阻R11和第十二电阻R12，第十一电阻R11的第一端与所述第二缓冲器U4的输出端连接，第十二电阻R12的第二端接地。第十一电阻R11和第十二电阻R12的共接端与第二比较器OP2的反相输入端连接。
所述第二驱动单元包括第二场效应管Q2和第二非门U5，所述第二场效应管Q2为N型场效应管，所述第二场效应管Q2的源极与所述从机接口端SBUS2连接、漏极接地，所述第二场效应管Q2的栅极接所述第二非门U5的输出端，所述第二非门U5的输入端接所述第一光耦U3的集电极。
工作过程如下：
当主机接口端SBUS1发出高电平信号时，即第一上拉电阻Rup1将电压上拉至高电平，输入至第一比较器OP1的同相输入端，第一比较器OP1输出高电平，第一光耦U3未触发，第一光耦U3保持断开状态，受到第十电阻R10的作用，第二非门U5的输入端输入高电平，第二场效应管Q2控制端输入低电平，保持断开状态，由于第二上拉电阻Rup2的电压上拉作用，从机接口端SBUS2保持高电平，相当于接收到高电平信号。
同时，受到第十电阻R10的作用，第二缓冲器U4输入端保持高电平，第二比较器OP2反相输入端保持高电平，第二比较器OP2输出低电平，触发第二光耦U6，第二光耦U6导通，第一缓冲器U1的输入端输入低电平，也就是第一分压电路的输入端输入低电平，第一比较器OP1的反相输入端输入低电平，使得第一比较器OP1稳定输出高电平信号，最终从机接口端SBUS2保持高电平。
上述信号传输过程中，通过两个光耦进行光电隔离，消除主机端系统和从机端系统之间的信号干扰，提高信号传输准确性。同时，第一光耦U3上的发光二极管与主机端系统连接，第一光耦U3上的三极管与从机端系统连接；对应的，第二光耦U6上的发光二极管与从机端系统连接，第二光耦U6上的三极管与主机端系统连接；从而将主机端系统和从机端系统的地线进行隔离。
当主机接口端SBUS1发出低电平信号时，输入至第一比较器OP1的同相输入端，第一比较器OP1输出低电平，第一光耦U3触发，第一光耦U3导通，第二非门U5的输入端接地，相当于输入低电平，第二场效应管Q2控制端输入高电平，触发导通，从机接口端SBUS2接地，从机接口端SBUS2变成低电平，相当于接收到低电平信号。
同时，第二缓冲器U4输入端接地，第二缓冲器U4输入端接收低电平，第二比较器OP2反相输入端接收低电平，第二比较器OP2输出高电平，第二光耦U6断开，第一缓冲器U1的输入端输入高电平，也就是第一分压电路的输入端输入高电平，第一比较器OP1的反相输入端输入高电平，使得第一比较器OP1稳定输出低电平信号，最终从机接口端SBUS2保持低电平。
由上所述，通过两个光耦将两个系统进行光电信号隔离，同时通过将两个光耦的地线隔离连接，最终将主、从机系统相互隔离，形成两个独立的收发系统，消除相互干扰，提高信号传输的可靠性和准确性。
在上述过程中，基准信号产生单元输出端的基准发生变化，以保持信号传输的稳定性。
当从机接口端SBUS2发送信号，主机接口端SBUS1接收信号时，工作过程与上述主机接口端SBUS1发送信号至从机接口端SBUS2的过程一致。
由上所述，本发明通过在主机端和从机端分别设置光耦隔离，将主、从机隔离成相互独立电源系统和接地系统，消除将主、从机之间的信号干扰影响；同时，降低了信号传输误码率，提高了单总线信号传输的可靠性。并且，通过基准信号产生单元的变化基准，提高了信号在传输过程的稳定性。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，包括：
第一上拉电阻，其与主机接口端连接；
第一比较单元，其同相输入端与所述主机接口端连接，所述第一比较单元的反相输入端连接一第一基准电压；
第一光耦，其控制端与所述第一比较单元输出端连接；
第二上拉电阻，其与从机接口端连接，所述第一光耦的集电极与所述从机接口端连接，所述第一光耦的发射极与所述从机接口端处的地线连接；
第二比较单元，其同相输入端与所述从机接口端连接，所述第二比较单元的反相输入端连接一第二基准电压；
第二光耦，其控制端与所述第二比较单元输出端连接，所述第二光耦的集电极与所述主机接口端连接，所述第二光耦的发射极与所述主机接口端处的地线连接。
2.如权利要求1所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，还包括第一基准信号产生单元和第二基准信号产生单元，所述第一基准信号产生单元的输入端与所述第二光耦的集电极连接，所述第一比较单元的反相输入端与所述第一基准信号产生单元的输出端连接；所述第二基准信号产生单元的输入端与所述第一光耦的集电极连接，所述第二基准信号产生单元的输出端与所述第二比较单元的反相输入端连接。
3.如权利要求2所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，所述第一比较单元包括：
第一二极管，其阴极与所述主机接口端连接；
第一比较器，其同相输入端与所述第一二极管阳极连接，所述第一比较器的反相输入端与所述第一基准信号产生单元的输出端连接；
第一电阻，其第一端与电源端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一比较器的同相输入端连接。
4.如权利要求3所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，所述第一光耦的发光二极管阴极与所述第一比较器的输出端连接，所述第一光耦的发光二极管阴极通过一第二电阻连接至电源端，所述第一光耦的发光二极管阳极通过一第三电阻连接至电源端。
5.如权利要求4所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，所述第一基准信号产生单元包括：
第一缓冲器，其输入端与所述第二光耦的集电极连接；
第四电阻，其第一端与电源端连接，所述第四电阻的第二端连接在所述第一缓冲器的输入端；
第一分压电路，其包括串联设置的第五电阻和第六电阻，所述第一分压电路的输入端与所述第一缓冲器的输出端连接，所述第一分压电路的输出端与所述第一比较器的反相输入端连接。
6.如权利要求5所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，所述第二比较单元包括：
第二二极管，其阴极与所述从机接口端连接；
第二比较器，其同相输入端与所述第二二极管阳极连接，所述第二比较器的反相输入端与所述第二基准信号产生单元的输出端连接；
第七电阻，其第一端与电源端连接，所述第七电阻的第二端与所述第二比较器的同相输入端连接；
其中，所述主机接口端的电源端与所述从机接口端的电源端保持隔离，且所述主机接口端的各个电源端电压保持一致，所述从机接口端的各个电源端电压保持一致。
7.如权利要求6所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，所述第二光耦的发光二极管阴极与所述第二比较器的输出端连接，所述第二光耦的发光二极管阴极通过一第八电阻连接至电源端，所述第二光耦的发光二极管阳极通过一第九电阻连接至电源端。
8.如权利要求7所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，所述第二基准信号产生单元包括：
第二缓冲器，其输入端与所述第一光耦的集电极连接；
第十电阻，其第一端与电源端连接，所述第十电阻的第二端连接在所述第二缓冲器的输入端；
第二分压电路，其包括串联设置的第十一电阻和第十二电阻，所述第二分压电路的输入端与所述第一缓冲器的输出端连接，所述第二分压电路的输出端与所述第二比较器的反相输入端连接。
9.如权利要求8所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，还包括一第一驱动单元，所述第一驱动单元包括第一场效应管和第一非门，所述第一场效应管为N型场效应管，所述第一场效应管的源极与所述主机接口端连接、漏极接地，所述第一场效应管的栅极接所述第一非门的输出端，所述第一非门的输入端接所述第二光耦的集电极。
10.如权利要求9所述的单总线通讯信号隔离电路，其特征在于，还包括一第二驱动单元，所述第二驱动单元包括第二场效应管和第二非门，所述第二场效应管为N型场效应管，所述第二场效应管的源极与所述从机接口端连接、漏极接地，所述第二场效应管的栅极接所述第二非门的输出端，所述第二非门的输入端接所述第一光耦的集电极。
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