CN110247704A - 光电转换扩展装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种光电转换扩展装置及方法，包括：通信主机，用以传输下行电信号；电信号单元，下行输入端连接通信主机，用以下行传输下行电信号；多个下行增强单元，其输入端连接电信号单元的下行输出端，下行增强单元缓冲增强下行电信号，传输下行光信号；多个光纤接口，连接下行增强单元的输出端；多个通信从机，输出端连接光纤接口，通信从机反馈上行光信号；多个上行通路管控单元，上行通路管控单元的输入端连接光纤接口，输出端连接电信号单元上行输入端，上行通路管控单元根据上行光信号生成状态电路信号及安全开路信号，并据以转换上行光信号为上行电信号并传输至电信号单元。本发明解决了现有技术的兼容性、可靠性及扩展性差的技术问题。

Description

光电转换扩展装置及方法

技术领域

本发明涉及一种信号转换方法，特别是涉及一种光电转换扩展装置及方法。

背景技术

从工业控制技术领域中通信技术的发展趋势来看，其一，设备间采用光纤通信是一种势不可挡的趋势；因为光纤通信具有良好的电气隔离性能和抗电磁干扰性能，能够进行长距离通信，且通信容量大、可靠性高；但是由于主流控制设备大部分还采用RS422总线的通信接口，不能兼容光纤通信；其二，不管是分布式控制系统还是集中式控制系统，都避免不了一主机与多丛机(或多个IO模块)的通信需求，而且对带载通信丛机(或IO模块)的数量要求也较高；为了同时解决这两个需求，便设计了本发明所述的一种光电转换扩展装置。

综上所述，现有技术中的通信技术存在兼容性，可靠性及扩展性较差的技术问题。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光电转换扩展装置及方法，应用于车载设备升级，为解决现有技术中存在的兼容性和扩展性较差的技术问题，本发明提供一种光电转换扩展装置及方法，一种光电转换扩展装置，包括：通信主机，用以传输下行电信号；电信号单元，下行输入端连接通信主机，用以下行传输下行电信号；多个下行增强单元，其输入端连接电信号单元的下行输出端，下行增强单元缓冲增强下行电信号，传输下行光信号；多个光纤接口，连接下行增强单元的输出端；多个通信从机，输出端连接光纤接口，通信从机反馈上行光信号；多个上行通路管控单元，上行通路管控单元的输入端连接光纤接口，输出端连接电信号单元上行输入端，上行通路管控单元根据上行光信号生成状态电路信号及安全开路信号，并据以转换上行光信号为上行电信号并传输至电信号单元。

于本发明的一实施方式中，下行增强单元包括：缓冲元件，其输入端连接电信号单元，用以接收下行电信号；输出端连接光纤接口，用以增强并传输下行电信号。

于本发明的一实施方式中，上行通路管控单元包括：单稳态电路，其输入端连接光纤接口，用以接收上行光信号，以产生暂稳信号；三态门，其使能端连接所述稳态电路的输出端，根据暂稳信号生成状态电路信号；上行保护元件，其输入端连接所述三态门的输出端，根据状态电路信号控制上行通路状态并输出上行电信号；上拉电阻，连接上行保护元件，用以供上拉电平截止上行通路。

于本发明的一实施方式中，单稳态电路包括：单稳态件，其输入端连接光纤接口；第一电阻，连接单稳态件；第一电容，连接单稳态件，电容连接第一电阻。

于本发明的一实施方式中，电信号单元包括：接口扩展组件，其扩展比与通信从机的数量相适配；总线组件，连接接口扩展组件。

于本发明的一实施方式中，一种光电转换扩展方法，包括：利用通信主机传输下行电信号；利用电信号单元下行传输下行电信号；利用多个下行增强单元缓冲增强下行电信号，传输下行光信号；利用多个通信从机根据下行光信号反馈上行光信号；利用上行通路管控单元根据上行光信号生成状态电路信号及安全开路信号，并据以转换上行光信号为上行电信号并通过电信号单元传输至通信主机。

于本发明的一实施方式中，下行转换的步骤，包括：接收下行电信号；利用缓冲元件增强下行电信号为下行光信号；发出下行光信号。

于本发明的一实施方式中，上行通路管控转换的步骤包括：接收上行光信号，据以产生暂稳信号，三态门根据暂稳信号生成状态电路信号；利用上行保护元件根据状态电路信号判断上行通路是否导通；若是，则调整上行光信号为安全上行信号，传输安全上行信号；若否，则维持该上行线路截止。

于本发明的一实施方式中，生成状态信号的步骤包括：利用单稳态件接收上行光信号；根据第一电阻及第一电容设置暂稳态数据，据以生成暂稳信号。

于本发明的一实施方式中，从机反馈的步骤，包括：利用多个通信从机接收并分析接口扩展组件下行传输的下行光信号得从属数据；根据从属数据反馈上行光信号至总线组件。

如上所述，本发明提供的一种光电转换扩展装置及方法，具有以下有益效果：本发明提供的一种光电转换扩展装置及方法，采用了通道管控技术，即只在有信号输入时接通传输通道，没有信号时断开通道，从而切断干扰信号的传播路径，在保证设备通信实时性的前提下，同时提高了通信稳定性和可靠性，且光纤接口数量可扩展，同时解决了一主机与多丛机 (或多个IO模块)的通信需求，且满足了对带载通信丛机(或IO模块)的数量要求。

综上，本发明解决了现有技术中存在的兼容性、可靠性和扩展性差的技术问题。

附图说明

图1显示本发明的光电转换扩展装置示意图。

图2显示为本发明的发明转换电路连接示意图。

图3显示为图1中电信号单元在一实施例中的组件连接示意图。

图4显示为本发明的光电装扩展方法步骤示意图。

图5显示为图3中步骤S3在一实施例中的具体步骤示意图。

图6显示为图3中步骤S5在一实施例中的具体步骤示意图。

图7显示为图5中步骤S51在一实施例中的具体步骤示意图。

图8显示为图3中步骤S4在一实施例中的具体步骤示意图。

元件标号说明

1 通信主机

2 电信号单元

3 下行增强单元

4 光纤接口

5 通信从机

6 上行通路管控单元

31 缓冲元件

21 接口扩展组件

22 总线组件

61 单稳态电路

62 上行保护元件

611 单稳态件

Q1 三态门

R1 第一电阻

R2 上拉电阻

C1 第一电容

步骤标号说明

图4 S1～S5

图5 S31～S33

图6 S51～S54

图7 S511～S512

图8 S41～S42

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图8，须知，本说明书所附图式所绘示的结构，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如”上”、”下”、”左”、”右”、”中间”及”一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请参阅图1，显示为本发明的光电转换扩展装置单元连接示意图，如图1所示，一种光电转换扩展装置，包括：通信主机1，用以传输下行电信号，可选的，通信主机1传输的下行电信号为RS422电信号；电信号单元2，下行输入端连接通信主机1，用以下行传输下行电信号，可选的，电信号单元2为RS422接口电路；多个下行增强单元3，其输入端连接电信号单元2的下行输出端，下行增强单元3缓冲增强并传输下行电信号为下行光信号，其中，下行是RS422电信号转光纤传输信号部分，上行是光纤信号转RS422电信号部分，可选的，由单稳态电路，OC门和三态门组成，下行是RS422电信号转光纤部分，可选的，由缓冲器构成；多个光纤接口4，连接下行增强单元3的输出端，可选的，光纤接口为光纤接口即电路的数据接收端Fiber_RD1通过光电信号转换电路与RS422接口电路的数据发送端 422_TXD相连，其中，光电信号转换电路为多个，每个光电信号转换电路包括下行增强单元3和上行通路管控单元，光纤接口电路的数据发送端Fiber_TD1通过信号转换电路与 RS422接口电路的数据接收端422_RXD相连；多个通信从机5，输出端连接光纤接口4，通信从机5反馈上行光信号，可选的，下行增强单元3和上行通路管控单元6支持一路RS422 总线与多路光纤接口之间的全双工通信，实现单台主设备与多台从设备之间的数据交互；多个上行通路管控单元6，上行通路管控单元6的输入端连接光纤接口4，输出端连接电信号单元2的上行输入端，上行通路管控单元6根据上行光信号生成状态电路信号及安全开路信号，并据以转换上行光信号为上行电信号并传输至电信号单元2，可选的，上行是光纤转 422部分。

请参阅图2，显示为本发明的发明转换电路连接示意图，如图2所示，下行增强单元3包括：缓冲元件31，其输入端连接电信号单元2，用以接收下行电信号，光纤接口4的数据发送端Fiber_TD1与缓冲元件31的输出端相连，可选的，缓冲元件31选用一缓冲器，缓冲器的输入端与电信号单元即RS422接口电路的数据接收端422_RXD相连；输出端连接光纤接口4，用以增强并传输下行电信号。

上行通路管控单元6包括：单稳态电路61，单稳态电路61的输入端连接光纤接口，用以接收上行光信号，以产生暂稳信号，可选的，其输出端与三态门的使能端相连，单稳态电路的输出端与三态门的使能端相连，单稳态电路61具有一个稳态和一个暂稳态，在没有信号输入时，单稳态电路处于稳态，输出PIN脚Q和Q\的电平保持不变，当有信号输入时，单稳态电路进入暂稳态，输出PIN脚Q和Q\输出电平翻转，由于单稳态电路的输出PIN脚Q\控制着三态门的使能，此时三态门导通，通道可以进行正常的数据传输；三态门Q1，其使能端连接稳态电路的输出端，根据暂稳信号生成状态电路信号，可选的，光纤接口电路的数据接收端Fiber_RD1与单稳态电路的输入端和三态门的输入端相连；三态门的输出端与OC门(Open Collctor，集电极开路门)的输入端相连，当数据传输完成一段时间(该时间由单稳态电路的配置电阻R1和配置电容C1确定)后，单稳态电路恢复到稳态，输出PIN脚Q和Q\ 输出电平恢复到之前的状态，此时三态门截止，通道无法进行数据传输；上行保护元件62，其输入端连接三态门Q1的输出端，根据状态电路信号控制上行通路状态，可选的，上行保护元件62可选用OC门(Open Collctor，集电极开路门)，电信号单元2即RS422接口电路的数据发送端422_TXD与OC门(Open Collctor，集电极开路门)的输出端相连，其数据接收端 422_RXD与缓冲器的输入端相连，缓冲器在扩展多路光纤接口时保证信号有足够的驱动能力，让光纤接口电路能够有效识别信号，可选的，电信号单元2即RS422RS接口的发送端与信号转换电路中的OC门相连接，而不是直接与信号转换电路中的三态门相连接，是因为多路光口并联时，各通道三态门输出电平不一致会导致通道间信号短路，容易损坏信号转换电路中的元器件，而采用OC门并联就解决了这个问题，有输出的通道OC门输出低电平，无输出的通道OC门截止；只要任一通道输出低电平整体就是低电平，各通道都不输出时默认上拉至高电平；上拉电阻R2，用以上拉电平截止上行通路，OC门(Open Collctor，集电极开路门)的输出端经过电阻R2上拉后与RS422接口电路即电信号单元2的数据发送端422_TXD 相连。

单稳态电路61包括：单稳态件611，其输入端连接光纤接口，其中，单稳态电路的搭建方式有多种，可选的，单稳态电路由诸如555定时器或其他电路元件搭建，单稳态件611可为555计时器或其他单稳态器件如单稳态芯片，只在有信号输入时接通传输通道，没有信号时断开通道；第一电阻R1，第一电阻R1连接单稳态件611，可选的，在一实施例中，暂稳态输出电平的时间通过在第一电阻R1串联3K～5K区间内电阻可在5～9.5秒区间内调节；第一电容C1，第一电容C1连接单稳态件611，第一电容C1连接第一电阻R1，单稳态电路可配置暂态输出电平的时间，用来对通信传输通道的使能进行控制，可选的，在单稳态件611 输入端接收到光信号时，第一电容C1充电，单稳态件611达到暂稳态，第一电容C1充满，单稳态件611由暂稳态转变为稳态，第一电容C1放电，可选的，通过改变第一电容C1的电容值或第一电阻R1的电阻值配置暂稳态输出电平的时间，在一实施例中，第一电容C1值可选在0.0005至0.002之间，此时暂稳态输出时间为5～11秒。

请参阅图3，显示图1中为电信号单元在一实施例中的组件连接示意图，如图3所示，电信号单元2包括：接口扩展组件21，其扩展比与通信从机的数量相适配，光电转换扩展装置中的光口通道数可扩展，可选的，支持的扩展比为1∶8或1∶16，扩展比可根据具体需要确定适合的扩展比；总线组件22，连接接口扩展组件，光电转换扩展装置中各通信从机对应支路的转换电路完全相同，多路光纤接口电路和信号转换电路并联后与RS422接口电路相连，可实现一路RS422总线与多路光纤接口之间的全双工通信。

请参阅图4，显示为本发明的光电装扩展方法步骤示意图，如图4所示，一种光电转换扩展方法，包括：

S1、利用通信主机1传输下行电信号，可选的，通信主机1传输的下行电信号为RS422 电信号；

S2、利用电信号单元2下行传输下行电信号，可选的，电信号单元2为RS422接口电路；

S3、利用多个下行增强单元3缓冲增强并传输下行电信号为下行光信号，其中，下行是 RS422电信号转光纤传输信号部分，上行是光纤信号转RS422电信号部分，可选的，由单稳态电路，OC门和三态门组成，下行是422电信号转光纤部分，可选的，由缓冲器构成；

S4、利用多个通信从机5根据下行光信号反馈上行光信号，可选的，光纤接口为光纤接口即电路的数据接收端Fiber_RD1通过光电信号转换电路与RS422接口电路的数据发送端 422_TXD相连，其中，光电信号转换电路为多个，每个光电信号转换电路包括下行增强单元3和上行通路管控单元，光纤接口电路的数据发送端Fiber_TD1通过信号转换电路与RS422接口电路的数据接收端422_RXD相连；

S5、利用上行通路管控单元6根据上行光信号生成状态电路信号及安全开路信号，并据以转换上行光信号为上行电信号并通过电信号单元2传输至通信主机1，可选的，下行增强单元3和上行通路管控单元6支持一路RS422总线与多路光纤接口之间的全双工通信，实现单台主设备与多台从设备之间的数据交互。

请参阅图5，显示为图3中步骤S3在一实施例中的具体步骤示意图，如图5所示，下行转换的步骤S3，包括：

S31、接收下行电信号，光纤接口4的数据发送端Fiber_TD1与缓冲元件31的输出端相连；

S32、利用缓冲元件31增强下行电信号为下行光信号，可选的，缓冲元件31选用一缓冲器，缓冲器的输入端与电信号单元即RS422接口电路的数据接收端422_RXD相连；

S33、发出下行光信号。

请参阅图6，显示为图3中步骤S5在一实施例中的具体步骤示意图，如图6所示，上行通路管控转换的步骤S5包括：

S51、接收上行光信号，据以产生暂稳信号，三态门根据暂稳信号生成状态电路信号，可选的，单稳态电路的输出端与三态门的使能端相连，单稳态电路的输出端与三态门的使能端相连，单稳态电路61具有一个稳态和一个暂稳态，在没有信号输入时，单稳态电路处于稳态，输出PIN脚Q和Q\的电平保持不变，当有信号输入时，单稳态电路进入暂稳态，输出PIN脚Q和Q\输出电平翻转，由于单稳态电路的输出PIN脚Q\控制着三态门的使能，此时三态门导通，通道可以进行正常的数据传输；

S52、利用上行保护元件62根据状态电路信号判断上行通路是否导通，三态门Q1的使能端连接稳态电路的输出端，根据暂稳信号生成状态电路信号，可选的，光纤接口电路的数据接收端Fiber_RD1与单稳态电路的输入端和三态门的输入端相连；三态门的输出端与OC门 (Open Collctor，集电极开路门)的输入端相连，当数据传输完成一段时间(该时间由单稳态电路的配置电阻R1和配置电容C1确定)后，单稳态电路恢复到稳态，输出PIN脚Q和Q\输出电平恢复到之前的状态，此时三态门截止，通道无法进行数据传输；

S53、若是，则调整上行光信号为安全上行信号，上拉处理并传输安全上行信号，可选的，上行保护元件62可选用OC门(Open Collctor，集电极开路门)，电信号单元2即RS422接口电路的数据发送端422_TXD与OC门(Open Collctor，集电极开路门)的输出端相连，其数据接收端422_RXD与缓冲器的输入端相连，缓冲器在扩展多路光纤接口时保证信号有足够的驱动能力，让光纤接口电路能够有效识别信号；

S54、若否，则维持该上行线路截止，OC门(Open Collctor，集电极开路门)的输出端经过电阻R2上拉后与RS422接口电路即电信号单元2的数据发送端422_TXD相连，可选的，电信号单元2即RS422RS接口的发送端与信号转换电路中的OC门相连接，而不是直接与信号转换电路中的三态门相连接，是因为多路光口并联时，各通道三态门输出电平不一致会导致通道间信号短路，容易损坏信号转换电路中的元器件，而采用OC门并联就解决了这个问题，有输出的通道OC门输出低电平，无输出的通道OC门截止；只要任一通道输出低电平整体就是低电平，各通道都不输出时默认上拉至高电平。

请参阅图7，显示为图5中步骤S51在一实施例中的具体步骤示意图，如图7所示，生成状态信号的步骤S51包括：

S511、利用单稳态件611接收上行光信号，其中，单稳态电路的搭建方式有多种，可选的，单稳态电路由诸如555定时器或其他电路元件搭建，单稳态件611可为555计时器或其他单稳态器件如单稳态芯片，只在有信号输入时接通传输通道，没有信号时断开通道；

S512、根据第一电阻R1及第一电容C1设置暂稳态数据，据以生成暂稳信号，可选的，在一实施例中，暂稳态输出电平的时间通过在第一电阻R1串联3K～5K区间内电阻可在5～9.5 秒区间内调节，单稳态电路可配置暂态输出电平的时间，用来对通信传输通道的使能进行控制，可选的，在单稳态件611输入端接收到光信号时，第一电容C1充电，单稳态件611达到暂稳态，第一电容C1充满，单稳态件611由暂稳态转变为稳态，第一电容C1放电，可选的，通过改变第一电容C1的电容值或第一电阻R1的电阻值配置暂稳态输出电平的时间，在一实施例中，第一电容C1值可选在0.0005至0.002之间，此时暂稳态输出时间为5～11秒。

请参阅图8，显示为图3中步骤S4在一实施例中的具体步骤示意图，如图8所示，从机反馈的步骤S4，包括：

S41、利用多个通信从机5接收并分析接口扩展组件21下行传输的下行光信号得从属数据，光电转换扩展装置中的光口通道数可扩展，可选的，支持的扩展比为1∶8或1∶16，扩展比可根据具体需要确定适合的扩展比；

S42、根据从属数据反馈上行光信号至总线组件22，光电转换扩展装置中各通信从机对应支路的转换电路完全相同，多路光纤接口电路和信号转换电路并联后与RS422接口电路相连，可实现一路RS422总线与多路光纤接口之间的全双工通信或半双工通信。

综上所述，本发明提供的一种光电转换扩展装置及方法，具有以下有益效果：本发明的信号转换电路由纯硬件电路设计实现，其信号转换电路由纯硬件电路设计实现，减小了信号在转换、传输时出现的延时，本发明未采用任何可编程器件，具有较小的数据传输时延和较低的出错率，没有采用任何可编程器件，数据传输采用透明传输模式，它不对数据进行编解码、二次封装等处理，因此也降低了数据传输时的误码率，从而提高了信号转换的实时性和可靠性。

综上，本发明解决了现有技术中存在的兼容性、扩展性及可靠性及的技术问题，具有很高的商业价值和实用性。

Claims (10)

1.一种光电转换扩展装置，其特征在于，包括：

通信主机，用以传输下行电信号；

电信号单元，下行输入端连接所述通信主机，用以下行传输所述下行电信号；

多个下行增强单元，其输入端连接所述电信号单元的下行输出端，所述下行增强单元缓冲增强所述下行电信号，传输下行光信号；

多个光纤接口，连接所述下行增强单元的输出端；

多个通信从机，输出端连接所述光纤接口，所述通信从机反馈上行光信号；

多个上行通路管控单元，所述上行通路管控单元的输入端连接所述光纤接口，输出端连接所述电信号单元上行输入端，所述上行通路管控单元根据所述上行光信号生成状态电路信号及安全开路信号，并据以转换所述上行光信号为上行电信号并传输至所述电信号单元。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述下行增强单元包括：

缓冲元件，其输入端连接电信号单元，用以接收所述下行电信号；

输出端连接光纤接口，用以增强并传输所述下行电信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述上行通路管控单元包括：

单稳态电路，其输入端连接所述光纤接口，用以接收所述上行光信号，以产生所述暂稳信号；

三态门，其使能端连接所述稳态电路的输出端，根据所述暂稳信号生成所述状态电路信号；

上行保护元件，其输入端连接所述三态门的输出端，根据所述状态电路信号控制上行通路状态；

上拉电阻，连接所述上行保护元件，用以供上拉电平截止上行通路。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述单稳态电路包括：

单稳态件，光纤接口其输入端连接所述光纤接口；

第一电阻，连接所述单稳态件；

第一电容，连接所述单稳态件，所述电容连接所述第一电阻。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述电信号单元包括：

接口扩展组件，其扩展比与所述通信从机的数量相适配；

总线组件，连接所述接口扩展组件。

6.一种光电转换扩展方法，其特征在于，包括：

利用通信主机传输下行电信号；

利用电信号单元下行传输所述下行电信号；

利用多个下行增强单元缓冲增强传输所述下行电信号，传输所述下行光信号；

利用多个通信从机根据所述下行光信号反馈上行光信号；

利用上行通路管控单元根据所述上行光信号生成状态电路信号及安全开路信号，并据以转换所述上行光信号为上行电信号并通过所述电信号单元传输至所述通信主机。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述下行转换的步骤，包括：

接收所述下行电信号；

利用缓冲元件增强所述下行电信号为所述下行光信号；

发出所述下行光信号。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述上行通路管控转换的步骤包括：

接收所述上行光信号，据以产生所述暂稳信号，三态门根据所述暂稳信号生成所述状态电路信号；

利用上行保护元件根据所述状态电路信号判断上行通路是否导通；

若是，则调整所述上行光信号为安全上行信号，传输所述安全上行信号；

若否，则维持该所述上行线路截止。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述生成状态信号的步骤包括：

利用单稳态件接收所述上行光信号；

根据第一电阻及第一电容设置暂稳态数据，据以生成所述暂稳信号。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述从机反馈的步骤，包括：

利用多个所述通信从机接收并分析接口扩展组件下行传输的所述下行光信号得从属数据；

根据所述从属数据反馈所述上行光信号至总线组件。