CN115001585A - 收发一体隔离型通讯电路 - Google Patents

Abstract

收发一体隔离型通讯电路，端口S1、端口S2、端口G1以及端口G2，还包括光耦OP1以及光耦OP2；端口S1连接在光耦OP1的发光端上，光耦OP1发光端的另外一端连接有一次侧发送识别单元，一次侧发送识别单元分别与端口S1以及端口G1连接；光耦OP1的连通端分别与端口S2以及端口G2连接；端口S2还与光耦OP2的发光端连接，另一端连接有二次侧发送识别单元，二次侧发送识别单元亦与端口G2连接；光耦OP2的连通端分别与端口S1以及端口G1连接，本发明采用最简洁的连接方式，实现隔离通讯，并且能让模组电路做到集成化和标准化，更有利于系统管理。让系统的指令可靠及时地传达到单元模组，并且单元模组的传感器检测到的参数及时畅通地传回中央控制系统或数据后台。

Description

收发一体隔离型通讯电路

技术领域

本发明涉及嵌入式数字通讯和电源技术领域，尤其涉及收发一体隔离型通讯电路。

背景技术

现有技术中涉及信号隔离双向传输方法，特别涉及小体积高集成度相互隔离的电路模组之间的信号传递方法，例如电动汽车的BMS电池管理系统、电池储能站BMS电池管理系统、充电桩内部充电模组管理系统，它们内部各个单元模组之间互相隔离，模组电路相对紧凑，集成度高,并且它们之间需要通讯联系,表现为各个模组上的电压、电流、温度等传感器需要及时传回参数到控制系统，各模组还需要接收和执行控制系统的指令。

目前在电动汽车和储能站电池管理系统BMS、大功率电源模组并联管理、等类似领域中承担隔离通讯的解决方案并不多：

方案1.BMS系统里有采用共地采样的技术，电压、电流和温度参数的传感器都是共地的，自然就不需要隔离通讯技术。但是共地采样电路相对复杂很多，特别是串联的电池组，高压端的电池电压需要大衰减量采样，还需要计算、属于间接采样，会带来精度差和抗干扰能力差的弊端。温度传感器也需要拉很长的线路容易被干扰。对于动则上百个单元模组的高压电动汽车BMS系统，其线路复杂程度和实施难度不言而喻，完全不利于模组的标准化，也会让产品的性能大打折扣。

方案2.无线通讯方案，NFC、QI、ZigBee、Bluetooth、等技术属于此类，例如电动汽车里的上百个电池单元模组，则需要在紧凑的模组空间里用上百个无线连接，成本高且并不可靠。

方案3：常见的方式是用两组独立的光耦电路来完成，一组负责发送信息，另外一组负责接收信息，电路相对复杂且占用比较多的PCB空间。

可见对应领域需要一种简化、高集成度和高通用性的通讯连接解决方案。

发明内容

为解决上述问题，本技术方案提供收发一体隔离型通讯电路，提供隔离通讯以协调各个模组之间的工作。

为实现上述目的，本技术方案如下：

收发一体隔离型通讯电路，端口S1、端口S2、端口G1以及端口G2，还包括光耦OP1以及光耦OP2；

所述端口S1连接在所述光耦OP1的发光端上，所述光耦OP1发光端的另外一端连接有一次侧发送识别单元，所述一次侧发送识别单元分别与所述端口S1以及端口G1连接；

所述光耦OP1的连通端分别与所述端口S2以及端口G2连接；

所述端口S2还与所述光耦OP2的发光端连接，另一端连接有二次侧发送识别单元，所述二次侧发送识别单元亦与所述端口G2连接；

所述光耦OP2的连通端分别与所述端口S1以及端口G1连接。

在一些实施例中，所述一次侧发送识别单元包括电阻R1、电阻R2、稳压二极管DZ1以及三极管Q1；

其中所述端口S1通过电阻R1以及电阻R2与所述端口G1连接；

所述电阻R1与所述稳压二极管DZ1连接，所述稳压二极管DZ1与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述光耦OP1连接，发射极与所述端口G1连接。

在一些实施例中，所述二次侧发送识别单元包括电阻R7、电阻R8、稳压二极管DZ2以及三极管Q2；

其中所述端口S2通过电阻R7和电阻R8与所述端口G2连接；

所述电阻R7与所述稳压二极管DZ2连接，所述稳压二极管DZ2与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的集电极与所述光耦OP2连接，发射极与所述端口G2连接。

在一些实施例中，该电路的封装为四引脚的元器件，四个引脚分别为端口S1、端口S2、端口G1以及端口G2，且所述端口S1与端口S2在对角线上相对设置。

在一些实施例中，所述端口S1通过电阻R3与所述光耦OP1连接，还通过电阻R5与所述光耦OP2连接，所述端口S2通过电阻R4与所述光耦OP1连接，还通过电阻R6与所述光耦OP2连接。

本申请有益效果为：

本发明采用最简洁的连接方式，实现隔离通讯，并且能让模组电路做到集成化和标准化，更有利于系统管理。让系统的指令可靠及时地传达到单元模组，并且单元模组的传感器检测到的参数及时畅通地传回中央控制系统或数据后台。

本发明组建一个4引脚集成两个光电耦合通道的混合集成电路模块。模块输入和输出功能复用、封装具有防呆反接功能、模块通过区分驱动电流或电压来识别是发送信号还是接收信号状态、模块体积只有上述背景技术解决方案3的体积的一半。

本发明实施例通过识别加载信号来判断，让电路自动转到工作在发送或接收状态。本发明方法能在完全电气隔离的条件下实现类似的单线半双工通讯模式。本发明实施例最终的封装是一个4引脚的元器件，隔离绝缘电压达到安规标准，并且体积仅为同类功能电路的体积的一半，同时外围电路元件减少至2个电阻，甚至可以利用单片机IO接口的内部弱上拉电阻来做到无外围元件的运用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的模组示意框图；

图2是本发明实施例的封装示意图；

图3是本发明实施例的电路原理示意图；

图4是本发明实施例的常规应用示例图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1-4所示，收发一体隔离型通讯电路，其特征在于，端口S1、端口S2、端口G1以及端口G2，还包括光耦OP1以及光耦OP2；

所述端口S1连接在所述光耦OP1的发光端上，所述光耦OP1发光端的另外一端连接有一次侧发送识别单元，所述一次侧发送识别单元分别与所述端口S1以及端口G1连接；

所述光耦OP1的连通端分别与所述端口S2以及端口G2连接；

所述端口S2还与所述光耦OP2的发光端连接，另一端连接有二次侧发送识别单元，所述二次侧发送识别单元亦与所述端口G2连接；

所述光耦OP2的连通端分别与所述端口S1以及端口G1连接。

参考图1，应用中信号采集单元和总线控制单元可以分别连接到一次侧和二次侧，一次侧和二次侧可收可发并且无需分主次。它们功能都是对等的，一次侧和二次侧通过光耦OP1和OP2完成信号传递，同时做到电气完全隔离。一次侧和二次侧都具有类似的电路单元，它们包括一次侧发送识别单元、二次侧发送识别单元、光耦OP1发送单元、光耦OP2发送单元、光耦OP1接收单元、光耦OP2接收单元。一次侧发送识别单元分别与光耦OP1发送单元以及光耦OP2接收单元连接，类似地，二次侧发送识别单元分别与光耦OP1的接收单元以及光耦OP2的发送单元连接。一次侧发送识别单元连接到一次侧单线接口、二次侧发送识别单元连接到二次侧单线接口，一次二次侧单线接口单元的端口包含一个信号线接口S1/S2和一个地线接口G1/G2。

反相类型隔离单线半双工通讯模式，独特结构让应用广泛的单线半双工模式突破隔离环境限制，通过光电耦合的配合来实现双向信号传输，同时避免出现复杂的线路连接。本发明的信号逻辑与普通单线半双工模式不同，它的输出信号与输入信号相位相反。

在本实施例中，所述一次侧发送识别单元包括电阻R1、电阻R2、稳压二极管DZ1以及三极管Q1；其中所述端口S1通过电阻R1以及电阻R2与所述端口G1连接；所述电阻R1与所述稳压二极管DZ1连接，所述稳压二极管DZ1与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述光耦OP1连接，发射极与所述端口G1连接。

以及，所述二次侧发送识别单元包括电阻R7、电阻R8、稳压二极管DZ2以及三极管Q2；其中所述端口S2通过电阻R7和电阻R8与所述端口G2连接；所述电阻R7与所述稳压二极管DZ2连接，所述稳压二极管DZ2与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的集电极与所述光耦OP2连接，发射极与所述端口G2连接。

一次侧发送识别单元由电阻R1、电阻R2、稳压二极管DZ1、三极管Q1组成；所述二次侧发送识别单元由电阻R3、R8、稳压二极管DZ2、三极管Q2组成；光电耦合通道1由OP1和偏置电阻R3、R4组成、所述光电耦合通道2由0P2和偏置电阻R5、R6组成。光电耦合通道1和光电耦合通道2内部由各自的发送和接收单元组成。

其进一步的说明：一次侧发送识别单元通过电阻R1与端口S1连接、电阻R1的另一端同时与电阻R2、稳压二极管DZ1连接、稳压二极管DZ1的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极与光电耦合通道OP1的发送单元的发光二极管阴极K连接，三极管Q1与电阻R2另一端连接后再连接至一次侧单线接口单元的端口G1；所述的端口S1通过电阻R5连接到光电耦合通道OP2的接收单元的集电极C，同时端口S1还通过偏置电阻R3连接至光电耦合通道OP1的发送单元的发光二极管阳极A; 所述的端口G1同时连接到光电耦合通道OP2的接收单元发射极E。

更进一步说明：所述二次侧内部结构与一次侧类同，二次侧发送识别单元通过电阻R7与端口S2连接、电阻R7的另一端同时与电阻R8、稳压二极管DZ2连接、稳压二极管DZ2的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极与光电耦合通道OP2的发送单元的发光二极管阴极K连接，三极管Q2与电阻R8的另一端连接后再连接至二次侧单线接口单元的端口G2；所述的端口S2通过电阻R4连接到光电耦合通道OP1的接收单元的集电极C，同时端口S2还通过偏置电阻R6连接至光电耦合通道OP2的发送单元的发光二极管阳极A; 所述的端口G2同时连接到光电耦合通道OP1的接收单元发射极E。

本发明电路结构让一次侧和二次侧达到完整的电气隔离，同时具有单线双工等同的通讯功能，并且模块做到只有4个引脚，占相对少的PCB空间 ：应用中端口S1、S2被外围电路接上弱上拉电阻，当通讯信号加载到一次侧单线接口单元上S1，若信号为满幅度高电平，一次侧发送识别单元的a点电平会被拉高，该电平通过稳压二极管DZ1让三极管Q1导通，光电耦合通道OP1发送单元正常工作发光，耦合到光电耦合通道OP1的接收单元，信号就隔离传送到了二次侧，再通过二次侧单线接口拉低电平输出。若无高电平加载到端口S1，也无低电平加载到端口S1,即与端口S1连接的MCU端口置为输入状态，此时通过外围电路弱上拉产生的电流小，不足以将一次侧发送识别单元的a点电平拉高到让三极管Q1导通的程度，端口S1能够获得略高于0.7*VCC的高电平，电路处于等待接收状态，此时二次侧端口S2如果有高电平的信息发送，一次侧端口S1电压将被拉低，反之，如果二次侧端口S2低电平驱动，一次侧端口S1将维持0.7*VCC以上的高电平，从而完成信号反相接收工作。

加载到端口S1(或S2)的信号为满幅高低电平且内阻比较低，电路自动识别为发送状态。而端口S1(或S2)只维持弱上拉时，电路转到接收等待状态并且输出略高于0.7*VCC的高电平。

有两种高电平状态，前者为加载高电平，信号幅度大于VCC*0.9，电路处于通讯发送状态；而后由外围弱上拉电阻产生高电平，属于信号高电平，幅度小于VCC*0.9而且大于VCC*0.7,电路处于通讯接收等待状态。

本发明最显著的效果是满足电气隔离和通讯效果同时集成化程度高，解决了目前BMS和电源模组化管理的隔离通讯难题。本发明与现有的技术对比，具有电路简洁，功能完整，整合程度高，成本低等优点，实际实施只是接入图2所示的4引脚元件，便可实现BMS和电源模组化管理上的隔离通讯问题，对比现有的背景技术方案2，成本更低可靠性更高，对比现有背景技术方案3，空间利用率更高，封装后也有一定的成本优势。使用本发明技术方案，能让电池管理和电源管理更标准、简洁、高效。

在本实施例中，该电路的封装为四引脚的元器件，四个引脚分别为端口S1、端口S2、端口G1以及端口G2，且所述端口S1与端口S2在对角线上相对设置。

整个模块通过芯片封装工艺封装成如图2所示的4引脚元件。4端口元件引脚按照S1、G1、S2、G2逆时针排列，旋转180度后一次侧位置转到二次侧，其功能不受影响，呆反连接不影响功能和效果。

在本实施例中，所述端口S1通过电阻R3与所述光耦OP1连接，还通过电阻R5与所述光耦OP2连接，所述端口S2通过电阻R4与所述光耦OP1连接，还通过电阻R6与所述光耦OP2连接。

请参阅图1，图1展示本发明电路内部的示意性框图，由一次侧和二次侧发送识别单元、光电耦合通道1和通道2单元、一次侧和二次侧单线接口单元组成。信号通过单线接口加载到对应侧的发送识别单元，如果识别为发送信号，则被引导到对应的光电耦合通道的发射单元去执行。否则，该侧电路处于等待接收状态，端口电压被外部弱上拉电阻拉到高电平，参考图4的R9和R10所示。

请参阅图2，图2时本发明电路的最终封装形式，为简洁的四引脚混合集成电路封装。封装成中心对称形式，使用时无需区分输入输出端。

请参阅图3，图3展示本发明电路的内部原理，电阻R1、R2,稳压管DZ1和Q1组成一次侧发送识别单元，端口S1加载的信号电压被引导分压到a点。

当端口S1加载的电压幅度为满幅度超过90%的VCC电压时，a点电压升高导致DZ1和Q1导通，光电耦合通道1发送单元被激活发送，此时用高电平发送数字信号1。同时，二次侧连接的MCU2按时序工作在接收等待模式，端口S2被上拉电阻R10拉高，参考图4，与二次侧端口S2连接的MCU2的RX/TX端口，转到输入高阻模式，二次侧端口S2虽然在弱上拉电阻R10的作用下，但是其电平被光电耦合通道1的CE极通过电阻R4拉低，因而输出了低电平0，由此可得：输入信号被反相输出。

当一次侧端口S1加载的信号为0，或者一次侧端口S1未加载信号而被上拉电阻R9弱上拉时，a点的电压不足以将稳压二极管ZD1和三极管Q1导通，此时光电耦合通道1发送单元并没有激活，二次侧的光电耦合通道1接收单元对端口S2电压无法产生钳制，所以端口S2被上拉电阻R10拉高输出高电平。等效于输入为0或悬空状态下，输出为高电平。

上述情况为一次侧作为通讯输入的情形，反之二次侧作为输入时一次侧转作输出，工作情况类同，不再赘述。

请参阅图4，图4为本发明的实际应用的基础案例，MCU1通过总线连接系统控制中心，MCU2嵌入到电池单元模组或者电源单元模组，虚线内的U1是本发明：收发一体隔离通讯电路模块。由图可见硬件电路连接十分简洁，R9为端口S1的上拉偏置电阻，R10为端口S2的上拉偏置电阻，端口S1和MCU1的串口通讯RX/TX引脚相连，端口S2和MCU2的串口通讯RX/TX引脚连接。MCU2负责单元模组的信号采集，采集的信号包括且不限于电压、电流、温度等参数。MCU2还可以执行系统控制中心的指令，类似的指令包括并对电池单元的均压、均流等指令，对电源单元模组的电流控制，电压控制等指令。

收发一体隔离通讯电路模块U1在保持电气隔离的环境下，完整地执行单线半双工通讯工作，并且U1仅仅有4个引脚，体积也做到比背景技术方案3的双光耦方案小了一半。更有利于系统的集成化、标准化。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请实施的范围，其他凡其原理和基本结构与本申请相同或近似的，均在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.收发一体隔离型通讯电路，其特征在于，端口S1、端口S2、端口G1以及端口G2，还包括光耦OP1以及光耦OP2；

所述端口S1连接在所述光耦OP1的发光端上，所述光耦OP1发光端的另外一端连接有一次侧发送识别单元，所述一次侧发送识别单元分别与所述端口S1以及端口G1连接；

所述光耦OP1的连通端分别与所述端口S2以及端口G2连接；

所述端口S2还与所述光耦OP2的发光端连接，另一端连接有二次侧发送识别单元，所述二次侧发送识别单元亦与所述端口G2连接；

所述光耦OP2的连通端分别与所述端口S1以及端口G1连接。

2.根据权利要求1所述的收发一体隔离型通讯电路，其特征在于：所述一次侧发送识别单元包括电阻R1、电阻R2、稳压二极管DZ1以及三极管Q1；

其中所述端口S1通过电阻R1以及电阻R2与所述端口G1连接；

所述电阻R1与所述稳压二极管DZ1连接，所述稳压二极管DZ1与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述光耦OP1连接，发射极与所述端口G1连接。

3.根据权利要求2所述的收发一体隔离型通讯电路，其特征在于：所述二次侧发送识别单元包括电阻R7、电阻R8、稳压二极管DZ2以及三极管Q2；

其中所述端口S2通过电阻R7和电阻R8与所述端口G2连接；

所述电阻R7与所述稳压二极管DZ2连接，所述稳压二极管DZ2与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的集电极与所述光耦OP2连接，发射极与所述端口G2连接。

4.根据权利要求1所述的收发一体隔离型通讯电路，其特征在于：该电路的封装为四引脚的元器件，四个引脚分别为端口S1、端口S2、端口G1以及端口G2，且所述端口S1与端口S2在对角线上相对设置。

5.根据权利要求3所述的收发一体隔离型通讯电路，其特征在于：所述端口S1通过电阻R3与所述光耦OP1连接，还通过电阻R5与所述光耦OP2连接，所述端口S2通过电阻R4与所述光耦OP1连接，还通过电阻R6与所述光耦OP2连接。

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