CN113433463A - 一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，包括数据接收装置和线路驱动装置；所述数据接收装置用于接收输入的脉冲归零码的模拟信号，并判定和输出“0”和“1”数据；所述线路驱动装置用于接收所述数据接收装置输出的“0”和“1”数据，并转换成相应的稳定的输出电压信号。本发明采用一种基带和中继传输技术，替代传统的隔离通信方式，可以实现高速单线隔离通信，传输距离可控，并且可以芯片集成和级联。

Description

一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元

技术领域

本发明涉及一种线路驱动系统，尤其涉及一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元。

背景技术

电池模块(或者单体电芯)的扩展连接包括电池模块(或者单体电芯)的并联以扩充电池的容量，或者电池模块(或者单体电芯)的串联以提高电池系统的电压，因此不同模块(电芯)的信息采集的数据通过隔离通讯的方式实现数据共享或者上传，传统的做法是采用光耦或则磁耦器件实现隔离通讯，不仅功耗大，而且成本高。传统通讯方式采用SPI。I2C等通讯协议，传送的距离也很短。

发明内容

本发明的目的是提供一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，可以实现高速单线隔离通信，传输距离可控，并且可以芯片集成和级联。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提供了一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，包括数据接收装置和线路驱动装置；

所述数据接收装置用于接收输入的脉冲归零码的模拟信号，并判定和输出“0”和“1”数据；

所述线路驱动装置用于接收所述数据接收装置输出的“0”和“1”数据信号，并转换成相应的稳定的输出电压信号。

进一步地，所述数据接收装置包括自适应均衡放大器、峰值检测模块、数据比较和判定模块、信号位置判定模块、信号幅度判定模块和高频时钟发生器；

所述自适应均衡放大器用于放大输入信号的幅度以及高频分量；

所述峰值检测模块用于检测输入信号的峰值，并产生一个峰值电压信号，该峰值电压信号和设定基准电压比较，通过信号幅度判定模块确定输入信号的幅度以决定所述自适应均衡放大器的放大倍数；

所述数据比较和判定模块用于所述峰值检测模块检测出的峰值电压分压后和所述自适应均衡放大器输出的已调整的信号进行比较，判断数据是“0”或“1”；

所述信号位置判定模块通过高频时钟发生器产生的高频时钟去采集“0”和“1”的数据，判断数据的上升沿和下降沿的位置。

进一步地，所述数据接收装置中的自适应均衡放大器还包括用于输入信号频率均衡的高通滤波器。

进一步地，所述自适应均衡放大器包括：

运算放大器OPA、电阻R1和电阻Rf，用于调整放大倍数；

电容Cf和电阻Rf，构成低通滤波电路；

电阻RZ、插座Cz和开关S1，构成高通滤波电路；

其中，所述运算放大器OPA的正极连接VCM，所述运算放大器OPA的负极与所述电阻R1相连；

所述电阻RZ、插座Cz和开关S1串联，所述电阻RZ、插座Cz和开关S1与所述电容Cf相连，所述电容Cf与所述电阻Rf并联。

进一步地，所述线路驱动装置包括电压转电流模块、电流型DAC模块、输出幅度设定模块、线路驱动器；

所述电流型DAC模块用于接收“0”和“1”的数据后，并将“0”和“1”的数据信号根据输出幅度设定模块转换为对应幅度的模拟信号；

所述电压转电流模块用于将内部基准电压转换为基准电流，将基准电流分成若干最小的单位基准电流；

所述电流型DAC模块用于根据输出幅度设定模块设定的值将若干单位基准电流转换为参考电流，分别对应“0“和“1”的值；

所述线路驱动器用于将参考电流通过电阻Rf转换为输出电压。

进一步地，所述支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元还包括数据解调模块、接受缓冲器、发送缓冲器、数据缓冲模块及多路复用模块；

所述数据解调模块用于接收所述信号位置判定模块输出的数据，并存储于所述接受缓冲器中，同时将接收数据存储于所述数据缓冲模块中；

所述发送缓冲器存储的本地实时数据通过所述多路复用模块更新所述数据缓冲模块中对应信道的数据，发送至所述数据比较和判定模块。

进一步地，所述支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元还包括第一隔离电容C、第一电阻Rx1、电阻Ro和第二隔离电容C；

所述第一隔离电容C和所述第一电阻Rx1的一端分别与所述电阻Ro的一端相连，所述第一隔离电容C的另一端连接输入信号端，所述电阻Ro的另一端连接所述第二隔离电容C，所述第一电阻Rx1的另一端与所述自适应均衡放大器相连。

进一步地，所述支持电池信息采集的单线隔离通信的线路驱动电路系统还包括第二电阻Rx1；

所述第二电阻Rx1的一端与所述电阻Ro、隔离电容C相连，另一端与所述自适应均衡放大器相连。

本发明的有益效果如下：

本发明采用一种基带和中继传输技术，替代传统的隔离通信方式，可以实现高速单线隔离通信，传输距离可控，并且可以芯片集成和级联。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元差分形式的架构图；

图2为根据本发明实施例提供的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元单端形式的架构图；

图3为图1的局部示意图；

图4为图2的局部示意图；

图5为图2中接收端的原理示意图；

图6为图1中发送端的原理示意图；

图7为图1、图2中线路驱动装置的局部原理示意图。

具体实施方式

参照图1至图7，本发明提供的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，包括数据接收装置、线路驱动装置；

数据接收装置用于接收输入的脉冲归零码的模拟信号，并判定和输出“0”和“1”数据，线路驱动装置用于接收所述数据接收装置输出的“0”和“1”数据信号，并转换成相应的稳定的输出电压信号。

数据接收装置包括：

APGA：自适应均衡放大器。

峰值检测模块和信号幅度判定模块：检测输入信号的峰值，并和输入的基准电压比较，确定输入信号的幅度范围，根据这个决定APGA的输入放大倍数，类似一个简单的DAC的功能(数模转换器)，本模块还要输出一个参考电压给数据比较和判定模块，用于和实际的数据信号比较，判定是“0”或者“1”。

数据比较和判定模块：是一个比较器，就是实际的数据(APGA的输出信号)和参考电压进行比较，判定“1”或者“0”。

信号位置判定模块：用高频时钟去采集“0”和“1”的数据(比较器输出)，判断数据的上升沿和下降沿的位置。

高频时钟发生器：产生高频时钟。

APGA(自适应均衡放大器)：由一个运算放大器OPA和电阻电容：R1,Rf,S1,Cf,Rf，RZ*CZ是加入一个零点位置，放大信号的高频分量。可变电阻的大小可以由信号幅度判定的输出来决定，如果峰值检测及幅度判断信号峰值电压偏低，则Rf增大，APGA的放大倍数为A＝-Rf/R1，如果是长距离传输，或者信号衰减幅度过大的应用，s1“ON”，打开高通滤波RZ，Cz线路，对输入波形进行整形。高频通道可以由峰值检测控制，也可由根据应用预先设定。

运算放大器OPA、电阻R1和可变电阻Rf用于调整放大倍数；电容Cf和电阻Rf构成低通滤波电路；电阻RZ、插座Cz和开关S1构成高通滤波电路；

其中，运算放大器OPA的正极连接VCM，运算放大器OPA的负极与电阻R1相连；所述电阻RZ、插座Cz和开关S1串联，所述电阻RZ、插座Cz和开关S1与所述电容Cf相连，所述电容Cf与电阻Rf并联。

峰值检测出来的峰值分压后(乘一个小于“1”的系数后)和APGA的输出的已经调理的信号进行比较，判断数据是“0”还是“1”。

VCM为共模偏置电压，决定输入信号的中间电平。

峰值检测和数据判断可以用单端形式，也可以用差分形式。

单端形式，架构如图2。

差分形式：架构如图1，APGA和比较器全部采用差分形式。

线路驱动装置包括：

电压转电流模块：一个将内部基准电压Vvref转成基准电流Iref的功能的模块，Iref＝Vref/Ro，将基准电流分成若干最小基准电流；

I-DAC(电流型DAC模块)：用于将若干最小基准电流合成为参考电流Ir，并接收“0”和“1”的数据，将“0”和“1”的数据信号转换为模拟信号；

输出幅度设定模块：设定i-DAC的编码，从而决定输出幅度，设编码为α，则输出电压为：Vo＝Iref*α*Rf＝α*Vref*Rf/Ro；

线路驱动器：用于将参考电流通过电阻Rf转换为输出电压，实现电流转电压的功能，并具有驱动传输电缆的功能，支持隔离通讯，阻抗匹配，故障告警等功能。发送“0”(Vo＝0)，发送“±1”(Vo＝±α*Vref*Rf/Ro)。

线路驱动的电路架构：

1，带短路保护或者告警功能，把驱动级分成两个部分，上拉管由Q1/Q3的功能，下拉由Q2/Q4，驱动能力为Q1：Q3＝Q2:Q4＝1:n，短路检测电阻Rs接在AB之间，A点直接连接反馈电阻RF，Rx和Rs串联，用于减少检测信号的共模范围，简化后级比较器的设计。

2，短路保护和数据发送要同步，如果B点和电源短路，需要在发送“-1”时检测是否短路，如果B点和地短路，需要在发送“+1”时检测，Rs的两端电压和保护窗口(窗口比较电压)进行比较，保护窗口的极性根据“+1”和“-1”进行切换，Rs的电压超出保护窗口之后，判断为告警，并计算发生连续误码个数，当连续发送误码的个数超出预先设定的值时，产生告警信号，用于处理。

3，运放分成前级放大级，以及驱动级。

4，Cc为补偿电容。

5，和电源或者地可以支持双线连接。

所述支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元还包括数据解调模块、接受缓冲器、发送缓冲器、数据缓冲模块及多路复用模块；

数据解调模块用于接收所述信号位置判定模块输出的数据，并存储于所述接受缓冲器中，同时将接收数据存储于所述数据缓冲模块中；

发送缓冲器存储的本地实时数据通过所述多路复用模块更新所述数据缓冲模块中对应信道的数据，发送至所述数据比较和判定模块。

单端形式：支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元还包括第一隔离电容C、第一电阻Rx1、电阻Ro和第二隔离电容C，第一隔离电容C和第一电阻Rx1的一端分别与电阻Ro的一端相连，第一隔离电容C的另一端连接输入信号端，电阻Ro的另一端连接第二隔离电容C，第一电阻Rx1的另一端与自适应均衡放大器相连。

差分形式：支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元还包括第一隔离电容C、第一电阻Rx1、电阻Ro、第二隔离电容C和第二电阻Rx1，第一隔离电容C和第一电阻Rx1的一端分别与电阻Ro的一端相连，第一隔离电容C的另一端连接输入信号端，电阻Ro的另一端连接第二隔离电容C，第一电阻Rx1的另一端与自适应均衡放大器相连，第二电阻Rx1的一端与所述电阻Ro、隔离电容C相连，另一端与所述自适应均衡放大器相连。

本发明的整体技术方案的效果如下：

传输的信号是模拟脉冲归零信号，具有+1，-1和0电平，+1和-1代表数据的“1”，0代表数据“0”。

采用基带传输技术，信号频谱的直流分量为“0”，可以通过变压器或者电容耦合，信号电平有本地接受器决定。可以采用交替反转码等直流分量为0的编码方式。

码率为2M的高速基带传输。

可以驱动单线，双绞线或者同轴电缆，IsoTx/Rx为单线驱动连接，IsoTx和Vdd或者ISO Tx和本地“地”可以构成双线驱动。

线缆是以等效的低通滤波器，其等效为RLC网络，方波经过电缆传输后，高频分量和信号幅度都被衰减，所以接收端可以嵌入一个均衡器，根据接受信号的幅度，调整前端放大器的放大倍数，并适当插入一个零点，放大信号的高频信号，以便对接受信号进行补偿，直到信号幅度在规定的窗口内。

峰值信号检测就是检测到信号的最大幅度，然后把这个信号乘以一个系数(<1.0)得到一个参考电压，这个参考电压和信号进行比较，幅度高于参考电压的判断为数据“1”，低于这个这个参考电压，判定为数据“0”，并用一个高频时钟来判定数据的具体位置。例如“1”的上升沿。

本方案可以采用单端和差分信号接受和处理方式。

在发送的时候，由于线缆有特性阻抗，线路驱动器一般要驱动75Ohm或者120Ohm的阻抗，同时脉冲的上升和下降沿要适当控制，以减少特性阻抗的影响。

发送信号的的幅度可以根据传输距离的长短可以设置，也可以采用固定(标准幅度)，由接收端处理。

输出阻抗要设置以支持75Ohm或则120Ohm的线缆传输。

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来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，其特征在于，包括数据接收装置和线路驱动装置；

所述数据接收装置用于接收输入的脉冲归零码的模拟信号，并判定和输出“0”和“1”数据；

所述线路驱动装置用于接收所述数据接收装置输出的“0”和“1”数据信号，并转换成相应的稳定的输出电压信号。

2.根据权利要求1所述的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，其特征在于，所述数据接收装置包括自适应均衡放大器、峰值检测模块、数据比较和判定模块、信号位置判定模块、信号幅度判定模块和高频时钟发生器；

所述自适应均衡放大器用于放大输入信号的幅度以及高频分量；

所述峰值检测模块用于检测输入信号的峰值，并产生一个峰值电压信号，该峰值电压信号和设定基准电压比较，通过信号幅度判定模块确定输入信号的幅度以决定所述自适应均衡放大器的放大倍数；

所述数据比较和判定模块用于所述峰值检测模块检测出的峰值电压分压后和所述自适应均衡放大器输出的已调整的信号进行比较，判断数据是“0”或“1”；

所述信号位置判定模块通过高频时钟发生器产生的高频时钟去采集“0”和“1”的数据，判断数据的上升沿和下降沿的位置。

3.根据权利要求2所述的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，其特征在于，所述数据接收装置中的自适应均衡放大器包括用于输入信号频率均衡的高通滤波器。

4.根据权利要求3所述的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，其特征在于，所述自适应均衡放大器还包括：

运算放大器OPA、电阻R1和电阻Rf，用于调整放大倍数；

电容Cf和电阻Rf，构成低通滤波电路；

电阻RZ、插座Cz和开关S1，构成高通滤波电路；

其中，所述运算放大器OPA的正极连接VCM，所述运算放大器OPA的负极与所述电阻R1相连；

所述电阻RZ、插座Cz和开关S1串联，所述电阻RZ、插座Cz和开关S1与所述电容Cf相连，所述电容Cf与所述电阻Rf并联。

5.根据权利要求4所述的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，其特征在于，所述线路驱动装置包括电压转电流模块、电流型DAC模块、输出幅度设定模块、线路驱动器；

所述电流型DAC模块用于接收“0”和“1”的数据后，并将“0”和“1”的数据信号根据输出幅度设定模块转换为对应幅度的模拟信号；

所述电压转电流模块用于将内部基准电压转换为基准电流，将基准电流分成若干最小的单位基准电流；

所述电流型DAC模块用于根据输出幅度设定模块设定的值将若干单位基准电流转换为参考电流，分别对应“0“和“1”的值；

所述线路驱动器用于将参考电流通过电阻Rf转换为输出电压。

6.根据权利要求5所述的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，其特征在于，所述支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元还包括数据解调模块、接受缓冲器、发送缓冲器、数据缓冲模块及多路复用模块；

所述数据解调模块用于接收所述信号位置判定模块输出的数据，并存储于所述接受缓冲器中，同时将接收数据存储于所述数据缓冲模块中；

所述发送缓冲器存储的本地实时数据通过所述多路复用模块更新所述数据缓冲模块中对应信道的数据，发送至所述数据比较和判定模块。

7.根据权利要求1所述的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，其特征在于，所述支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元还包括第一隔离电容C、第一电阻Rx1、电阻Ro和第二隔离电容C；

所述第一隔离电容C和所述第一电阻Rx1的一端分别与所述电阻Ro的一端相连，所述第一隔离电容C的另一端连接输入信号端，所述电阻Ro的另一端连接所述第二隔离电容C，所述第一电阻Rx1的另一端与所述自适应均衡放大器相连。

8.根据权利要求6所述的一种支持单线隔离通讯的电池传感器中继单元，其特征在于，所述支持电池信息采集的单线隔离通信的线路驱动电路系统还包括第二电阻Rx1；

所述第二电阻Rx1的一端与所述电阻Ro、隔离电容C相连，另一端与所述自适应均衡放大器相连。

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