CN110515880B - 一种提高光耦隔离串行通信速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高光耦隔离串行通信速率的方法。该方法针对光耦隔离电路上升沿和下降沿的传输延时问题，通过改变光耦输入信号的上升沿或下降沿的发送时间，调整光耦输出的逻辑1和逻辑0的时长，使其单位比特时长恢复至原始波特率对应的时长，从而低成本地解决了普通光耦输出逻辑1和逻辑0时长不等引起的误码率高及串行通信速率低下的问题，实现了低成本高速串行通信。

Description

一种提高光耦隔离串行通信速率的方法

技术领域

本发明涉及一种串行通信方法。

背景技术

现有的隔离串行信号传输过程中，主要有三种隔离方案：

方案一、采用通用光耦。该方式成本低廉，低速率传输情况下通信可靠，工作稳定。缺点在于：通用光耦对于上升沿和下降沿信号的延时是不同的，并且这种延时的差别相对于高速率传输时的比特时长是不可忽略的，这就导致解码时容易出现采样不稳定、误码率偏高甚至无法通信的情况。因此实际应用中，只能通过降低通信速率的方式来确保误码率在可接受的范围内，这就限制了通用光耦在高速串行通信中的应用。为提高速率，目前的解决方案是在通用光耦的基础上增加外围电路，但该方式会增加硬件成本，并使电路变得复杂，降低了系统的可靠性。

方案二、采用高速光耦。此种光耦一般有两种，一种是光敏三极管基极引出的光耦，该类光耦可通过引出的基极泄放关闭时的基区电荷，提高开关速度，比普通光耦开关速度有所提高；另一种是集成了光敏二极管输出级电路的光耦，其利用光敏二极管纳秒级的响应速度，可大幅提高开关速度。采用高速光耦的缺点是成本相对较高。

方案三、采用隔离芯片。此种隔离方式主要有容隔和磁隔两类，其传输速度非常高，对于串口的通信速率来说，其性能会有很大的浪费，而且成本也非常高。

由此可见，目前缺少一种成本低廉且误码率能够满足通讯要求的高速率隔离串行通信解决方案。

发明内容

本发明提出了一种提高光耦隔离串行通信速率的方法，其目的是：提供一种成本低廉且误码率能够满足通讯要求的高速率隔离串行通信解决方案。

本发明技术方案如下：

一种提高光耦隔离串行通信速率的方法，串行通信的信号发送端包括控制器、光耦隔离电路和电平转换电路，所述光耦隔离电路用于将控制器发送的电信号转换为光信号、再将光信号转换为发送至电平转换电路的电信号，所述电平转换电路用于将光耦隔离电路输出的电信号转换为在传输介质中进行传输的信号，所述控制器发送信号时，将所有上升沿的发送时间提前或将所有下降沿的发送时间延后。

作为本方法的进一步改进：设对于下降沿信号，光耦隔离电路输出的电信号相对于输入的电信号延迟时间为T1；设对于上升沿信号，光耦隔离电路输出的电信号相对于输入的电信号延迟时间为T2；

则控制器将上升沿的发送时间提前（T2-T1），或者将下降沿的发送时间延迟（T2-T1）。

作为本方法的进一步改进：所述控制器为FPGA或单片机，控制器通过计数器或定时器来控制信号的发送时间。

作为本方法的进一步改进：所述光耦隔离电路包括发光二极管和光敏三极管，还包括限流电阻R1和上拉电阻R2；所述发光二极管的正极通过限流电阻R1与供电端相连接，另一端与控制器的信号发送脚TXD相连接；所述光敏三极管的集电极通过上拉电阻R2与供电端相连接，发射极接地；所述光敏三极管的集电极还与电平转换电路的信号输入脚相连接。

相对于现有技术，本发明具有以下积极效果：（1）本方案利用光耦隔离电路中光敏三极管下降沿延时很小、上升沿延时较大的特点，通过改变上升沿或下降沿的发送时间，实现了对光耦输出逻辑1和逻辑0的时间长度的调整，从而巧妙地解决了高速通信时由于延迟带来的高误码率问题，达到稳定传输的目的，同时由于误码率的降低，在相同的误码率要求下，传输速率得以提高，实现了高速率的传输；（2）本发明的实施仍然基于普通光耦，成本低廉；（3）本发明可应用于大多数基于普通光耦的串行通讯的场景，且无需增加外围电路，只需要通过软件升级，改变信号的发送时间，即可明显提高通信速率、降低误码率。

附图说明

图1为实施例的串行通信电路图。

图2为实施例信号调整前后的对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案：

如图1所示的隔离RS485通信电路，主要包括控制器、光耦隔离电路和RS485电平转换电路。

所述控制器为FPGA，也可以是单片机。控制器的信号发送脚TXD由内部异步串行通信控制模块输出，串行通信控制模块将需要发送的数据从并行转为串行，最后由TXD引脚发出。

所述光耦隔离电路包括通用型光耦E1（型号为EL816，主要包括发光二极管和光敏三极管），还包括限流电阻R1和上拉电阻R2；所述发光二极管的正极通过限流电阻R1与供电端相连接，另一端与控制器的信号发送脚TXD相连接；所述光敏三极管的集电极通过上拉电阻R2与供电端相连接，发射极接地。

所述光敏三极管的集电极还与RS485电平转换电路的信号输入脚相连接，电平转换电路的差分信号连接至外部RS485总线。

所述RS485电平转换电路，由RS485收发芯片D1（型号为THVD1500）完成，当D1的3号发送使能引脚DE为高电平时，4号脚单端信号转换为RS485差分信号。

串行通信时的发送过程如下：当控制器的TXD为低电平或高电平时，发光二极管导通或关闭，光信号传输至光敏三极管，打开或关闭光敏三极管，使光敏三极管工作在饱和区或截止区，通过上拉电阻R2和VCC2配合产生低电平或高电平。光耦输出的高低电平经过转换电路，转换成在传输介质中实际传输的信号。

为保证光耦在高低温和老化等恶劣环境仍能正常工作，光耦E1的光敏三极管需要在发光二极管导通时（即发送低电平时）工作在过饱和状态，此时发光二极管打开时由于基极电流足够大，光敏三极管由截止进入饱和状态速度足够快，所以下降沿信号的延迟很小。但发光二极管关闭时（TXD发送高电平时），由于光敏三极管基极电流和集电极电流比较大，光敏三极管基区存储的电荷较多，光敏三极管需要经过相对较长的存储时间才能开始慢慢进入截至区，导致上升沿信号在传输时的延时相对较大。

参见如图2中的原光耦输入波形和原光耦输出波形，对于传统的通信方式，当控制器FPGA内部串行通信控制模块发送标准的波形（本实施例为01010序列）时，由于光耦的开关延时不一致的特性，其输出波形会发生畸变，其高低电平长度不一致，导致高速传输时的高误码率，为确保误码率在可接受的范围内，只能降低传输速率。

针对上述问题，本实施例做出如下改进：所述控制器发送信号时，将所有上升沿的发送时间提前或将所有下降沿的发送时间延后，调整光耦输出逻辑1和逻辑0的时间长度，进而调整转换电路后级信号传输介质中逻辑1和逻辑0的时间长度。图2中调整后光耦输入波形和输出波形，图2中是将上升沿的发送时间进行了提前，光耦输出的波形经过传输介质后可以得到矫正，接收方可低误码率地提取出原始数据。而误码率和传输速率是此消彼长的关系，降低了误码率，就为传输速率的提升扫除了障碍、提供了空间，设置时可以根据需要提高传输速率，且不必担心误码率过高导致通信无法正常进行，最终实现了低成本、可靠的高速率通信。

优选的，假设对于下降沿信号，光耦隔离电路输出的电信号相对于输入的电信号延迟时间为T1，对于上升沿信号，光耦隔离电路输出的电信号相对于输入的电信号延迟时间为T2，则控制器将上升沿的发送时间提前（T2-T1），或者将下降沿的发送时间延迟（T2-T1）。

由于串行的解码是在起始位的下降沿向后n+1/2个通信周期的时间点进行采样（因为此时信号电平最稳定），而理想的信号0和1的长度应该是相等的（例如发送010101序列，接收端的波形应该是方波）。所以将上升沿提前（T2-T1），可以把逻辑0和逻辑1的时长调整到一致，明显改善误码率过高的问题。

串行通信控制模块在内部生成串行数据时，可通过内部寄存器或软件调整所有上升沿或所有下降沿的发送时机。对于固定的限流电阻R1、上拉电阻R2和光耦隔离电路，其传输延时基本保持不变。因此可通过对典型样机进行测试取延时的平均值，根据延时值对串行控制模块进行升级，改变设置，即可实现对发送时机的调整，无需改动电路，简单可靠。

Claims (3)

1.一种提高光耦隔离串行通信速率的方法，串行通信的信号发送端包括控制器、光耦隔离电路和电平转换电路，所述光耦隔离电路用于将控制器发送的电信号转换为光信号、再将光信号转换为发送至电平转换电路的电信号，所述电平转换电路用于将光耦隔离电路输出的电信号转换为在传输介质中进行传输的信号，其特征在于：所述控制器发送信号时，将所有上升沿的发送时间提前或将所有下降沿的发送时间延后以调整光耦输出逻辑1和逻辑0的时间长度；

具体的，设对于下降沿信号，光耦隔离电路输出的电信号相对于输入的电信号延迟时间为T1；设对于上升沿信号，光耦隔离电路输出的电信号相对于输入的电信号延迟时间为T2；则控制器将上升沿的发送时间提前（T2-T1），或者将下降沿的发送时间延迟（T2-T1）。

2.如权利要求1所述的提高光耦隔离串行通信速率的方法，其特征在于：所述控制器为FPGA或单片机，控制器通过计数器或定时器来控制信号的发送时间。

3.如权利要求1或2所述的提高光耦隔离串行通信速率的方法，其特征在于：所述光耦隔离电路包括发光二极管和光敏三极管，还包括限流电阻R1和上拉电阻R2；所述发光二极管的正极通过限流电阻R1与供电端相连接，另一端与控制器的信号发送脚TXD相连接；所述光敏三极管的集电极通过上拉电阻R2与供电端相连接，发射极接地；所述光敏三极管的集电极还与电平转换电路的信号输入脚相连接。

Images