CN112953500A - 信号隔离系统及信号隔离电路 - Google Patents

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Abstract

一种信号隔离系统及信号隔离电路，所述系统包含有一外部装置；以及一信号隔离电路，耦接于该外部装置，包含有一控制电路，用来根据该外部装置的一状态，将该信号隔离电路操作于一输入模式或一输出模式；一数字输入/输出电路，用来根据该控制电路所决定的该输入模式或该输出模式以输入/输出信号；以及一输入/输出端口，耦接于该数字输入/输出电路，根据该控制电路所决定的该输入模式或该输出模式，作为一输入端口或一输出端口。

Description

信号隔离系统及信号隔离电路
技术领域
本发明指一种信号隔离系统及信号隔离电路，尤指一种以单一端口作为输入端口或输出端口的信号隔离系统及信号隔离电路。
背景技术
数字输入输出(Digital Input/Output)接口被广泛地运用于工业级的信号传输，在上述应用环境下存在共模电压、高暂态电压与电子噪声。现有信号隔离(SignalIsolation)技术利用光电耦合元件达到阻隔高电压及电压暂态的目的，进而于应用环境中稳定信号传输品质，以避免电路中的电压暂态影响电路的其他部份，并且保护设备及使用该些设备的人员。由于现有的工业控制领域中，对于数字输入输出的需求增加，例如隔离保护(isolated)、宽压应用、支援干接点(dry contact)与湿接点(wet contact)等功能，相关的工业设备需要提供更多输入输出脚位以实现上述功能。然而，现有的工业设备加入隔离保护的功能后，必须配合硬件线路才能达成数字输入输出的功能，即现有的硬件线路受限于其输入端口或输出端口仅能单一作为输入或输出使用。因此，现有技术有改进的必要。
发明内容
因此，本发明提供一种信号隔离系统及信号隔离电路，以单一端口作为输入端口或输出端口的数字输入输出接口，使得相关工业设备不受限于现有硬件对于输入或输出接口的限制。
本发明实施例揭露一种信号隔离系统，包含有一外部装置；以及一信号隔离电路，耦接于该外部装置，包含有一控制电路，用来根据该外部装置的一状态，将该信号隔离电路操作于一输入模式或一输出模式；一数字输入/输出电路，用来根据该控制电路所决定的该输入模式或该输出模式以输入/输出信号；以及一输入/输出端口，耦接于该数字输入/输出电路，根据该控制电路所决定的该输入模式或该输出模式，作为一输入端口或一输出端口。
本发明实施例另揭露一种信号隔离电路，包含有一控制电路，用来根据一外部装置的一状态，将该信号隔离电路操作于一输入模式或一输出模式；一数字输入/输出电路，用来根据该控制电路所决定的该输入模式或该输出模式以输入/输出信号；以及一输入/输出端口，耦接于该数字输入/输出电路，根据该控制电路所决定的该输入模式或该输出模式，作为一输入端口或一输出端口。
附图说明
图1为本发明实施例的一信号隔离系统的示意图；
图2为本发明实施例的一信号隔离电路的示意图；
图3为本发明实施例的信号隔离电路应用于一电池混合型不断电系统时的示意图。
[符号说明]
10：信号隔离系统
102：外部装置
104：信号隔离电路
1042：控制电路
1044：数字输入/输出电路
1046：输入/输出端口
24VDC：信号
Auto：自动模式接脚
DI_control：数字输入控制信号
DI_signal：数字输入信号
DO_control：数字输出控制信号
DO_signal：数字输出信号
GND：地电位
I2C：集成电路之间
I1、O1：第一端点
I2、O2：第二端点
Manual：手动模式接脚
OPT_I：输入光电耦合器
OPT_O：输出光电耦合器
PSU：电源供应装置
BAT：电池
R：限流电阻
RELAY：继电器
R1、R2、R3、VPSU：接点
SMBus：系统管理汇流排
SW_I1、SW_I2：输入开关
SW_O1、SW_O2：输出开关
SW：开关
VCC：一次侧电源
VDD：二次侧电源
具体实施方式
请参考图1，图1为本发明实施例的一信号隔离系统10的示意图。信号隔离系统10包含一外部装置102及一信号隔离电路104。外部装置102例如一电源供应装置。信号隔离电路104耦接于外部装置102，包含有一控制电路1042、一数字输入/输出电路1044及一输入/输出端口1046。控制电路1042用来根据外部装置102的一状态，将信号隔离电路104操作于一输入模式或一输出模式。数字输入/输出电路1044用来根据控制电路1042所决定的输入模式或输出模式以输入/输出信号。输入/输出端口1046耦接于数字输入/输出电路1044，用来根据控制电路1042所决定的输入模式或输出模式，作为一输入端口或一输出端口。举例来说，当信号隔离电路104应用于一工业设备时，信号隔离电路104可根据外部装置102的状态操作于输入模式，以通过数字输入/输出电路1044隔离来自外部装置102的宽压信号，并且将输入/输出端口1046作为一输入端口，将来自外部装置102的输入信号传送至控制电路1042。如此一来，本发明实施例的信号隔离系统10即可以单一端口达到输入/输出信号的目的，并且于宽压应用时提供广泛的信号控制。
详细来说，请参考图2，图2为信号隔离电路104的示意图。如图2所示，信号隔离电路104的数字输入/输出电路1044包含有一输入光电耦合器OPT_I、一输出光电耦合器OPT_O、多个输入开关SW_I1、SW_I2、多个输出开关SW_O1、SW_O2及多个限流电阻R。输入光电耦合器OPT_I包含有一第一端点I1及一第二端点I2，其中第一端点I1耦接于输入开关SW_I1及输入开关SW_I2，并且通过输入开关SW_I1耦接至一一次侧电源VCC，第二端点I2耦接至控制电路1042及一二次侧电源VDD，以于控制电路1042将信号隔离电路104操作于输入模式时，由控制电路1042以数字输入控制信号DI_control导通输入开关SW_I1、SW_I2，以将一数字输入信号DI_signal输入至控制电路1042。
另一方面，输出光电耦合器OPT_O耦接于控制电路1042及输出开关SW_O1、SW_O2，输出光电耦合器OPT_O包含有一第一端点O1及一第二端点O2，其中第一端点O1耦接于输出开关SW_O1及输出开关SW_O2，并且通过输出开关SW_O1耦接至一一次侧电源VCC，第二端点O2耦接至控制电路1042及一二次侧电源VDD，以于控制电路1042将信号隔离电路104操作于输出模式时，由控制电路1042以数字输出控制信号DO_control导通输出开关SW_O1、SW_O2，以将一数字输出信号DO_signal输出至外部装置102。
值得注意的是，上述输入光电耦合器OPT_I及输出光电耦合器OPT_O为用来实现信号隔离技术，而限流电阻R分别用来防止因电流过大时烧毁输入光电耦合器OPT_I及输出光电耦合器OPT_O，并且输入开关SW_I1、SW_I2及输出开关SW_O1、SW_O2可以是一金属氧化物半导体场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，以于输入开关SW_I1、SW_I2或输出开关SW_O1、SW_O2分别导通时，将数字输入信号DI_signal输入至控制电路1042或将数字输出信号DO_signal输出至外部装置102。
此外，信号隔离电路104另包含一手动模式接脚Manual及一自动模式接脚Auto。手动模式接脚Manual耦接于外部装置102，用来接收关于外部装置102的一状态信号，并传送至控制电路1042以决定将信号隔离电路104操作于输入模式或输出模式。自动模式接脚Auto耦接于外部装置102，用来通过一串列通讯汇流排(Serial Communication BUS)确认来自外部装置102的状态信号，以决定将信号隔离电路104操作于输入模式或输出模式。换言之，信号隔离电路104的控制电路1042可根据自动模式接脚Auto所接收到信号，决定将信号隔离电路104操作于输入模式或输出模式。因此，本发明实施例的信号隔离电路104可先将不同的信号定义为通用型的输入(General-purpose input，GPI)信号或通用型的输出(General-purpose output，GPO)信号，当手动模式接脚Manual接收到信号时，由控制电路1042据以决定将信号隔离电路104操作于输入模式或输出模式；或者，在另一实施例中，本发明实施例的信号隔离电路104可通过自动模式接脚Auto的串列通讯汇流排，确认来自外部装置102的信号为通用型的输入信号或通用型的输出信号，并据以将信号隔离电路104操作于输入模式或输出模式。如此一来，本发明实施例的信号隔离电路104即可以单一端口输入/输出信号，以达到保护设备的目的，并支援一干接点(dry contact)与一湿接点(wetcontact)的应用。
根据不同的方法与应用，本发明的信号隔离电路104可应用于不同的设备。请参考图3，图3为本发明实施例的信号隔离电路104应用于一电池混合型不断电系统30时的示意图。由于电池混合型不断电系统30为包含信号隔离电路104的系统，因此沿用信号隔离电路104的元件符号。此外，电池混合型不断电系统30另包含一继电器RELAY、一开关SW及一电池BAT并耦接于一电源供应装置PSU(即图1中的外部装置102)，其中继电器RELAY包含多个接点R1、R2、R3。电源供应装置PSU耦接于一市电电压(例如，110V～240V交流电)将接收到的市电转换为电能，以经由一接点VPSU将电能输出至电池混合型不断电系统30。
由于电源供应装置PSU的一集成电路之间(Inter-Integrated Circuit Bus，I2C)或一系统管理汇流排(System Management Bus，SMBus)接脚耦接至信号隔离电路104的自动模式接脚Auto，使得控制电路1042可通过串列通讯汇流排确认来自电源供应装置PSU的状态信号，以决定将信号隔离电路104操作于输入模式或输出模式。因此，当电源供应装置PSU接收到市电电压时，电源供应装置PSU的状态信号可经由一串列通讯信号传送至控制电路1042。接着，控制电路1042于接收到状态信号后，导通输入开关SW_I1和SW_I2，使继电器RELAY所产生的信号经过输入开关SW_I2和输入光电耦合器OPT_I传送至控制电路1042，使控制电路1042得知目前市电电压为正常的。值得注意的是，电源供应装置PSU接收到市电电压时，继电器RELAY的接点R2、R3为导通的，因此，电池混合型不断电系统30的电能是由电源供应装置PSU提供，而非由电池BAT所提供的电能。
当市电不正常供电时，电源供应装置PSU无法供电也无法传送目前状态给控制电路1042。在一例中，电池BAT可通过开关SW内部的一本体二极管漏电以提供一信号24VDC，控制电路1042经由手动接脚Manual所接收的信号24VDC得知市电不稳定时，据以将信号隔离电路104的输入状态改为输出状态，并且导通输出开关SW_O1、SW_O2开关，以经由输出光电耦合器OPT_O和输出开关SW_O2输出一数字输出信号至开关SW，并导通开关SW，使电池BAT可以供电至控制电路1042以正常运作。值得注意的是，电源供应装置PSU未接收到市电电压时(即电源供应装置PSU不正常供电时)，继电器RELAY的接点R1、R3为导通的，因此电池混合型不断电系统30的电能是由电池BAT所提供的。
上述实施例可说明本发明的信号隔离电路可以单一端口作为输入端口或输出端口的数字输入输出接口，使得相关工业设备不受限于现有的硬件的接脚限制的输入或输出限制，并且适用于宽压应用时提供更广泛的信号控制。此外，使用者可自行定义输入输出需求，通过可编程应用接口的方式定义输入输出端口，不受到原有的硬件电路的限制，并且缩小整体电路面积及降低开发成本。除此之外，本领域具通常知识者可根据不同系统需求适当设计信号隔离电路，例如，数字输入/输出电路的开关可以其他电路元件实现，皆适用于本发明，且不以此为限。
综上所述，本发明实施例提供一种信号隔离系统及信号隔离电路，以单一端口作为输入端口或输出端口的数字输入输出接口，使得相关工业设备不受限于现有的硬件的接脚限制的输入或输出限制，进而缩小整体电路面积及降低开发成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种信号隔离系统，其特征在于，包含有：
一外部装置；以及
一信号隔离电路，耦接于所述外部装置，包含有：
一控制电路，用来根据所述外部装置的一状态，将所述信号隔离电路操作于一输入模式或一输出模式；
一数字输入/输出电路，用来根据所述控制电路所决定的所述输入模式或所述输出模式以输入/输出信号；以及
一输入/输出端口，耦接于所述数字输入/输出电路，根据所述控制电路所决定的所述输入模式或所述输出模式，作为一输入端口或一输出端口。
2.根据权利要求1所述的信号隔离系统，其特征在于，所述数字输入/输出电路包含：
一输入光电耦合器，耦接于所述控制电路及多个输入开关，以于所述控制电路将所述信号隔离电路操作于所述输入模式时，由所述控制电路导通所述多个输入开关，以将所述外部装置所产生的一数字输入信号输入至所述控制电路；以及
一输出光电耦合器，耦接于所述控制电路及多个输出开关，以于所述控制电路将所述信号隔离电路操作于所述输出模式时，由所述控制电路导通所述多个输出开关，以将一数字输出信号输出至所述外部装置。
3.根据权利要求2所述的信号隔离系统，其特征在于，所述多个输入开关及所述多个输出开关为一金属氧化物半导体场效晶体管。
4.根据权利要求1所述的信号隔离系统，其特征在于，所述信号隔离电路另包含：
一手动模式接脚，耦接于所述外部装置，用来接收所述外部装置的一状态信号并传送至所述控制电路，以由所述控制电路决定所述信号隔离电路操作于所述输入模式或所述输出模式；以及
一自动模式接脚，耦接于所述外部装置，用来通过一串列通讯汇流排确认来自所述外部装置的所述状态信号，以由所述控制电路决定所述信号隔离电路操作于所述输入模式或所述输出模式。
5.一种信号隔离电路，其特征在于，包含有：
一控制电路，用来根据一外部装置的一状态，将所述信号隔离电路操作于一输入模式或一输出模式；
一数字输入/输出电路，用来根据所述控制电路所决定的所述输入模式或所述输出模式以输入/输出信号；以及
一输入/输出端口，耦接于所述数字输入/输出电路，根据所述控制电路所决定的所述输入模式或所述输出模式，作为一输入端口或一输出端口。
6.根据权利要求5所述的信号隔离电路，其特征在于，所述数字输入/输出电路包含：
一输入光电耦合器，包含有一第一端点及一第二端点，其中所述第一端点耦接于一第一输入开关及一第二输入开关，并且通过所述第一输入开关耦接至一一次侧电源，所述第二端点耦接至所述控制电路及一二次侧电源，以于所述控制电路将所述信号隔离电路操作于所述输入模式时，由所述控制电路导通所述第一输入开关及所述第二输入开关，以将所述外部装置所产生的一数字输入信号输入至所述控制电路。
7.根据权利要求6所述的信号隔离电路，其特征在于，所述第一输入开关及所述第二输入开关为一金属氧化物半导体场效晶体管。
8.根据权利要求5所述的信号隔离电路，其特征在于，所述数字输入/输出电路包含：
一输出光电耦合器，包含有一第一端点及一第二端点，其中所述第一端点耦接于一第一输出开关及一第二输出开关，并且通过所述第一输出开关耦接至一一次侧电源，所述第二端点耦接至所述控制电路及一二次侧电源，以于所述控制电路将所述信号隔离电路操作于所述输出模式时，由所述控制电路导通所述第一输出开关及所述第二输出开关，以将一数字输出信号输出至所述外部装置。
9.根据权利要求8所述的信号隔离电路，其特征在于，所述第一输出开关及所述第二输出开关为一金属氧化物半导体场效晶体管。
10.根据权利要求5所述的信号隔离电路，其特征在于，所述信号隔离电路另包含：
一手动模式接脚，耦接于所述外部装置，用来接收所述外部装置的一状态信号并传送至所述控制电路，以由所述控制电路决定所述信号隔离电路操作于所述输入模式或所述输出模式；以及
一自动模式接脚，耦接于所述外部装置，用来通过一串列通讯汇流排确认来自所述外部装置的所述状态信号，以由所述控制电路决定所述信号隔离电路操作于所述输入模式或所述输出模式。
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