CN109981147A - 磁耦合通信从芯片和磁耦合通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁耦合通信从芯片以及一种磁耦合通信系统，所述磁耦合通信从芯片包括：整流稳压模块，与所述互感器从端连接，用于从互感器从端电流中提取调制信号，并对互感器从端电流中的载波电流进行整流，输出电源信号；解调模块，与所述整流稳压模块连接，用于对所述调制信号进行解调，获得数据信号；负载调制模块，通过负载电流调制方式，对待回传信号进行调制，使互感器从端电流发生改变。上述磁耦合通信从芯片以及磁耦合通信系统能够同时实现电源和通信隔离，提高系统集成度，降低成本。

Description

磁耦合通信从芯片和磁耦合通信系统

技术领域

本发明涉及磁耦合通信技术领域，尤其涉及一种磁耦合通信从芯片以及一种磁耦合通信系统。

背景技术

通常在强电和弱电信号之间进行通信，通常需要对强电发送端和弱电接收端之间进行物理隔离，所以，为了保证系统和通信的稳定性和可靠性，电表系统采用光耦合实现通信隔离，采用DC-DC实现电源隔离。

在现有技术中，电表MCU(微控制单元)与计量芯片、通信接口芯片(例如RS485芯片)的通信采用光耦合进行隔离；而电源采用DC-DC实现供电隔离。

但这种隔离方式具有成本高；通信速率低，器件面积大，不利于集成等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种磁耦合通信从芯片以及磁耦合通信系统，提高磁耦合通信系统的集成度和稳定性，节约系统成本。

为了解决上述问题，本发明提供了一种磁耦合通信从芯片，用于通过一互感器与待隔离芯片之间形成电气隔离，包括：整流稳压模块，与所述互感器从端连接，用于从互感器从端电流中提取调制信号，并对互感器从端电流中的载波电流进行整流，输出电源信号；解调模块，与所述整流稳压模块连接，用于对所述调制信号进行解调，获得数据信号；负载调制模块，通过负载电流调制方式，对待回传信号进行调制，使互感器从端电流发生改变。

可选的，所述整流稳压模块包括：整流单元，用于从互感器从端电流中提取调制信号，并将互感器从端电流中的载波电流整流为直流信号；稳压单元，与所述整流单元连接，用于对所述整流单元输出的直流信号进行稳压处理，输出电源信号。

可选的，还包括：功能模块，与所述稳压单元、解调模块以及负载调制模块连接，用于从所述稳压单元获取电源信号、从所述解调模块获取数据信号和回传控制信号、以及在所述回传控制信号的特定状态下发送待回传信号至所述负载调制模块。

可选的，所述功能模块包括：计量电路或通信电路。

可选的，还包括：振荡器模块，与所述解调模块连接，用于向所述解调模块提供解调时钟。

可选的，所述振荡器模块包括振荡器和可编程单元，所述振荡器用于向所述解调模块提供解调时钟，所述可编程单元与所述振荡器连接，用于修正所述振荡器的时钟频率。可选的，还包括一电容，一端接地，另一端连接至所述整流稳压模块，用于滤除所述整流稳压模块输出的电源信号中的交流纹波。

为了解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种磁耦合通信系统，包括：磁耦合通信主芯片；互感器，所述互感器的主端与所述磁耦合通信主芯片连接；如权利要求1至7任一项所述的磁耦合通信从芯片，与所述互感器的从端连接，用于通过所述互感器从所述磁耦合通信主芯片接收电源以及数据信号，并发送回传信号至所述磁耦合通信主芯片。

本发明的磁耦合通信从芯片能够从主芯片获取电源和数据信号，与主芯片之间形成电源和通信隔离，还可以对接收的数据信号进行响应，向主芯片发送回传信号，提高磁耦合通信系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的磁耦合通信系统的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式的磁耦合通信系统的结构示意图；

图3为本发明一具体实施方式的磁耦合通信系统收发器的结构示意图；

图4为本发明一具体实施方式的磁耦合通信系统收发器的通信协议定义的信号示意图；

图5为本发明一具体实施方式的磁耦合通信从芯片回传信号的通信协议定义的信号示意图；

图6为本发明一具体实施方式的磁耦合通信系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的磁耦合通信从芯片以及磁耦合通信系统的具体实施方式做详细说明。

请参考图1，为本发明一具体实施方式的磁耦合通信系统的结构示意图。

所述磁耦合通信系统包括磁耦合通信主芯片10(以下简称主芯片10)和磁耦合通信从芯片20(以下简称从芯片10)，主芯片10通过互感器30向从芯片20及从端负载提供电源VDD2，以及实现两者之间的数据通信，同时在两者之间实现电气隔离。所述互感器30为一耦合变压器。

该具体实施方式中，所述磁耦合通信系统的从芯片20与所述互感器30的从端32连接，用于通过所述互感器30从所述主芯片10接收电源以及数据信号，并发送回传信号至所述主芯片10。

具体的，所述从芯片20包括：整流稳压模块21、解调模块22、以及负载调制模块23。

所述整流稳压模块21，与所述互感器30的从端32连接，用于从互感器30的从端电流中提取调制信号，并对互感器30从端电流中的载波电流进行整流，输出电源信号VDD2对从芯片20供电，以及对从芯片20连接的负载供电。

所述解调模块22，与所述整流稳压模块21连接，用于对所述调制信号进行解调，获得数据信号RXD2。

负载调制模块23，通过负载电流调制方式，对待回传信号TXD2进行调制，使互感器30的从端电流发生改变。所述负载调制模块23可以通过改变负载电流，使得互感器30从端32的电流发生变化，相应的互感器30主端31提供的电流会跟随从端32电流发生变化，从而使得主芯片20检测到主端31电流发生变化，对检测信号进行解调获得回传信号。在一个具体实施方式中，所述负载调制模块23可以通过将负载断开或连接调整负载电流，当负载断开时，负载电流为0，但是由于互感器30的从端为一电感，具有一定的电流变化延时，表现出从端电流变小；当负载连接，从端电流变大；因此，通过从端电流幅度变化，进行信号回传。

该具体实施方式中，所述从芯片20还包括：振荡器模块24，与所述解调模块22连接，用于向所述解调模块22提供解调时钟。

该具体实施方式中，所述从芯片20还包括功能模块25，与所述整流稳压模块21、解调模块22以及负载调制模块23连接，用于从所述整流稳压模块21获取电源、从所述解调模块22获取主芯片10发送的数据信号RXD2以及用于控制回传状态的回传控制信号DIR2、以及在所述回传控制信号DIR2的特定状态下发送待回传信号TXD2至所述负载调制模块23。所述功能模块25可以是计量电路或通信电路等需要与MCU 12实现电气隔离的独立功能电路。

所述从芯片20还包括一电容C，一端接地，另一端连接至所述整流稳压模块21，用于滤除整流稳压模块21输出的电源VDD2的交流纹波。所述电容C可以集成与从芯片20上，也可以独立于所述从芯片20之外。

请参考图2，为本发明一具体实施方式的磁耦合通信收发器的结构示意图。

该具体实施方式中，主芯片10包括至少一个磁耦合通信收发器11(以下简称收发器11)，所述收发器11用于传送电源、数据信号以及接收从芯片20的回传信号。所述主芯片10还可以包括MCU(微控制单元)12，所述MCU 12可以同时集成n个收发器11，能够极大提高电表系统的集成度。在本发明的其他具体实施方式中，所述MCU 12也可以作为主芯片10的外部芯片，与所述收发器11并非集成于同一芯片上。

所述收发器11与MCU 12连接，用于从MCU 12获取数据信号TXD1、发送控制信号DIR1以及还用于将接收到的从芯片20的回传信号RXD1发送至所述MCU 12。

具体的，所述收发器11包括调制模块111、发送模块112、接收模块113。调制模块111，用于根据发送控制信号DIR1的不同状态分别形成将数据信号调制于载波信号上的调制信号以及单一频率载波信号；发送模块112，与所述调制模块111连接，用于对调制模块111输出的信号转换成电流信号并输出至互感器30主端31；接收模块113，用于检测互感器30的主端31的电流，从而获得待隔离芯片即从芯片20的回传信号，并发送回传信号RXD1至MCU12。

该具体实施方式中，所述调制模块111可以采用FSK协议对数据信号TXD1进行调制，将数据信号TXD1调制于载波信号上。在其他具体实施方式中，也可以采用其他协议对数据信号TXD1进行调制。

发送控制信号DIR1包括两种状态，一种为发送状态，另一种为接收状态。当所述控制信号DIR1为发送状态时，所述调制模块111形成调制信号，用于实现数据信号的传输；当所述控制信号DIR1为接收状态时，所述调制模块111形成单一频率的载波信号，此时接收模块113能够检测到互感器30主端电流变化，从而接收从芯片20的回传信号。

由于载波信号始终存在，因此所述发送模块112通过输出载波信号至互感器30主端向从芯片20持续提供电源能量。

请参考图3，为本发明一具体实施方式的收发器11的结构示意图。

所述收发器11的发送模块112包括：控制单元1121和转换单元1122，所述控制单元1121用于对调制模块111输出的信号进行数字逻辑处理，输出数字控制信号；所述转换单元1122，与控制单元1121连接，用于在所述数字控制信号的控制下，向互感器30的主端31输出与调制模块111输出的信号的特征匹配的电流信号。

该具体实施方式中，所述转换单元1122为由晶体管M1～M4组成的H桥全桥电路，所述控制单元1121输出控制信号phi1、phi1b、phi2和phi2b，phi1和phi1b为反相信号，phi2和phi2b为反相信号，上述4个控制信号分别用于控制晶体管M1、M2、M3和M4的导通和关断，从而控制输出至互感器30的主端31的电流方向由TP端流向TN端或者由TN端流向TP端，两个电流方向分别代表数字信号1和0。图2中，还给出了控制信号phi1、phi2的信号波形示例。

在本发明的其他具体实施方式中，所述转换单元1122还可以为半桥电路等，可以控制输出电流方向的电路结构。

所述接收模块113包括：预处理单元1131，用于对互感器30主端的电流的检测信号进行预处理；放大单元1132，与所述预处理单元1131连接，用于对所述预处理单元1131输出的信号进行放大；解调单元1133，用于对放大单元1132输出的信号进行解调，获得回传信号RXD1。所述预处理单元1131可以用于对检测信号进行调幅处理。

该具体实施方式中，所述转换单元1122的供电电源VDD1通过一电阻Rs连接至所述转换单元1122；所述接收模块113连接至所述电阻Rs与转换单元1122的连接端，使得当互感器30的主端31电流发生变化时，所述转换单元1122将获得一共模检测信号，去除信号的电平翻转和跳变，便于后续电路对检测信号进行处理。

以上仅对主芯片10的结构作出了部分示例，但对于从芯片10的实际电路结构不作任何限制，所述主芯片10还可以具有其他的电路结构。

请参考图4，为所述收发器11的通信协议定义的信号示意图。

发送控制信号DIR1为高电平时，收发器11处于发送状态，调制模块111形成频率为F0的信号，即收发器11向互感器30的从端32发送频率为F0的信号，代表数据0；调制模块111形成频率为F1的信号，即收发器11向互感器30的从端31发送频率为F1的信号，代表数据1，由此实现数据信号的发送。发送控制信号DIR1为低电平时，收发器11处于接收状态，调制模块111形成一单一频率F2的载波信号，收发器11向互感器30的从端31发送载波频率F2，此时不进行数据传输，而是向从芯片20提供电能，同时从从芯片20接收回传信号。

所述收发器11在发送控制信号11的控制下能够为隔离的从芯片20提供电源，并且实现数据通信。且所述收发器11适于与MCU 12集成，能够极大的提高电表系统的集成度，提高电表系统的稳定性、可靠性，同时节约系统成本。

请参考图5，为本发明一具体实施方式中，从芯片20回传信号的通信协议定义的信号示意图。

当接收到主芯片10发送单一频率F2的载波信号时，从芯片20进入信号回传模式。

当回传数据TXD2为0时，通过负载调制模块23调节负载电流，使互感器30的从端电流周期性变化，例如：开启负载电流对应于从端高电流、关闭负载电流对应于从端低电流，周期性的开启和关闭负载电流形成周期变化的从端电流；回传数据TXD2为1时，从芯片20的负载电流不发生变化，互感器30的从端电流也不发生变化。因此主芯片10可以通过检测负载电流可以实现对回传信号的解调。

请参考图6，为本发明一具体实施方式的磁耦合通信系统的结构示意图。

该具体实施方式中，所述从芯片20的整流稳压模块21包括：整流单元211，用于从互感器30的从端电流中提取调制信号，并将互感器30从端电流中的载波电流整流为直流信号；稳压单元212，与所述整流单元211连接，用于对所述整流单元211输出的直流信号进行稳压处理，对功能模块25输出电源信号VLDO。所述整流单元211还用于输出电源VDD2，用于向负载供电。

所述整流稳压模块21还包括依次串联于互感器30从端的一端TP与解调模块22之间的电阻R、反相器D1和反相器D2，用于对互感器30的从端电流中获取调制信号，并对调制信号进行整列，以适于所述解调模块22进行解调。

所述功能模块25与所述稳压单元212、解调模块22以及负载调制模块23连接，用于从所述稳压单元212获取电源信号VLDO、从所述解调模块22获取数据信号RXD2和回传控制信号DIR2、以及在所述回传控制信号DIR2的特定状态下发送待回传信号TXD2至所述负载调制模块23。

所述解调模块22根据是否接收到调制信号，发送对应的回传控制信号DIR2至功能模块25，以控制所述功能模块25的接收和回传状态。所述回传控制信号DIR2可以与所述收发器11的发送控制信号DIR1一致或相反，例如当DIR1为高时，收发器11为发送状态，所述DIR2也为高，从芯片20为接收状态；当DIR1为低时，收发器11为接收状态，所述DIR2也为低，从芯片20为回传状态，功能模块25向所述负载调制模块23发送待回传信号TXD2。

该具体实施方式中，所述振荡模块24包括振荡器241和可编程单元242，所述振荡器241用于向所述解调模块22提供解调时钟；所述可编程单元242，与所述振荡器241连接，用于修正所述振荡器241的时钟频率。

所述从芯片20还包括与所述整流单元211连接的上电复位模块26以及带隙基准27。

以上仅对从芯片20的结构作出了部分示例，但对于从芯片20的实际电路结构不作任何限制，所述从芯片20还可以具有其他的电路结构。

以下结合图3和图6，简述在一个具体实施方式中，磁耦合通信系统的通信的具体实现过程。

在所述发送控制信号DIR1为高时，需要发送的数据TXD1经过调制模块111调制后，通过M1～M4组成的H桥电路发送至互感器30的主端31，从芯片20从互感器30的从端32接收到交流信号，调节互感器30的线圈比例，可调节从端32接收到的交流信号的幅度大小。从芯片20的整流单元211将交流载波整流为直流信号，稳压单元212可从整流单元211输出的直流信号中提取电源能量，为从芯片20的主要电流供电。从芯片20从互感器30的从端32提取调制信号，解调模块22从频率调制载波信号中提取调制的数据信号RXD2。

在所述发送控制信号DIR1为低时，收发器11发送单频交流信号，从芯片20可以通过负载调制模块23改变自身电流消耗，互感器30的从端电流发生变化，收发器11的H桥电路发送的电流会随之变化，收发器11的H桥上串联的电阻Rs可检测到互感器30的从端电流变化，然后通过预处理单元1131、放大单元1132以及解调单元1133对信号进行处理，获取回传信号RXD1。

以上所述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，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)

1.一种磁耦合通信从芯片，用于通过一互感器与待隔离芯片之间形成电气隔离，其特征在于，包括：

整流稳压模块，与所述互感器从端连接，用于从互感器从端电流中提取调制信号，并对互感器从端电流中的载波电流进行整流，输出电源信号；

解调模块，与所述整流稳压模块连接，用于对所述调制信号进行解调，获得数据信号；

负载调制模块，通过负载电流调制方式，对待回传信号进行调制，使互感器从端电流发生改变。

2.根据权利要求1所述的磁耦合通信从芯片，其特征在于，所述整流稳压模块包括：整流单元，用于从互感器从端电流中提取调制信号，并将互感器从端电流中的载波电流整流为直流信号；稳压单元，与所述整流单元连接，用于对所述整流单元输出的直流信号进行稳压处理，输出电源信号。

3.根据权利要求2所述的磁耦合通信从芯片，其特征在于，还包括：功能模块，与所述稳压单元、解调模块以及负载调制模块连接，用于从所述稳压单元获取电源信号、从所述解调模块获取数据信号和回传控制信号、以及在所述回传控制信号的特定状态下发送待回传信号至所述负载调制模块。

4.根据权利要求3所述的磁耦合通信从芯片，其特征在于，所述功能模块包括：计量电路或通信电路。

5.根据权利要求1所述的磁耦合通信从芯片，其特征在于，还包括：振荡器模块，与所述解调模块连接，用于向所述解调模块提供解调时钟。

6.根据权利要求5所述的磁耦合通信从芯片，其特征在于，所述振荡器模块包括振荡器和可编程单元，所述振荡器用于向所述解调模块提供解调时钟，所述可编程单元与所述振荡器连接，用于修正所述振荡器的时钟频率。

7.根据权利要求1所述的磁耦合通信从芯片，其特征在于，还包括一电容，一端接地，另一端连接至所述整流稳压模块，用于滤除所述整流稳压模块输出的电源信号中的交流纹波。

8.一种磁耦合通信系统，其特征在于，包括：

磁耦合通信主芯片；

互感器，所述互感器的主端与所述磁耦合通信主芯片连接；

如权利要求1至7任一项所述的磁耦合通信从芯片，与所述互感器的从端连接，用于通过所述互感器从所述磁耦合通信主芯片接收电源以及数据信号，并发送回传信号至所述磁耦合通信主芯片。