CN117081883A - 定向耦合器、数据传输系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种定向耦合器、数据传输系统。定向耦合器配置有输入端、输出端、耦合端和控制端，定向耦合器的输入端、输出端分别与通信总线连接，定向耦合器的耦合端与数据收发节点连接，定向耦合器的控制端用于接入控制信号，定向耦合器用于在控制信号的作用下，选择性导通定向耦合器的输入端与耦合端之间的第一通路，以将定向耦合器输入端接收的数据传输至耦合端，或者，选择性导通定向耦合器的输出端与耦合端之间的第二通路，以将定向耦合器耦合端接收的数据传输至输出端。使得耦合端和输出端之间的数据传输无需通过输入端进行转发，而是可以直接从耦合端传输至输出端，降低了数据传输的延时，提高了数据传输的速率。
Description
技术领域
本申请涉及数据传输技术领域，特别是涉及一种定向耦合器、数据传输系统。
背景技术
随着数据传输技术的发展，出现了总线型结构的数据传输结构，总线型结构即将所有的通信节点都通过一条总线连接，具有易于实现、成本低、布线灵活、扩展性好的优点。然而，传统技术中的总线型结构，总线两端的通信节点之间的数据传输速率较快，但是总线上的各个通信节点之间的数据传输的速率较慢。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高总线上的各个通信节点之间的数据传输速率的定向耦合器、数据传输系统。
一种定向耦合器，应用于数据传输系统，所述数据传输系统包括数据收发节点以及通信总线；其中，所述定向耦合器配置有输入端、输出端、耦合端和控制端，所述定向耦合器的输入端、输出端分别与所述通信总线连接，所述定向耦合器的耦合端与所述数据收发节点连接，所述定向耦合器的控制端用于接入控制信号，其中，
所述定向耦合器用于将所述输入端接收的数据传输到所述输出端输出；
所述定向耦合器还用于在所述控制信号的作用下，选择性导通所述定向耦合器的输入端与耦合端之间的第一通路，以将所述定向耦合器输入端接收的数据传输至耦合端，或者，选择性导通所述定向耦合器的输出端与耦合端之间的第二通路，以将所述定向耦合器耦合端接收的数据传输至输出端。
在其中一个实施例中，所述定向耦合器包括：第一变压器、第二变压器、第一开关单元、第二开关单元、开关控制单元，其中，
所述第一变压器分别与所述通信总线、所述第二变压器、所述第一开关单元连接，所述第二变压器分别与所述第一开关单元、第二开关单元连接，所述第一开关单元分别与所述开关控制单元、所述数据收发节点连接，所述第二开关单元分别与所述开关控制单元、所述数据收发节点连接；
所述开关控制单元用于接入控制信号，在所述控制信号的作用下，分别控制所述第一开关单元和所述第二开关单元的通断状态，以选择性导通第一通路，以将所述第一变压器与所述通信总线连接的一端接收的数据通过所述第一开关单元传输至所述数据收发节点，或者，选择性导通第二通路，以将所述数据收发节点发送的数据通过所述第二开关单元传输至通信总线；其中，所述第一通路为所述数据收发节点经过所述第一开关单元与所述通信总线连接的通路，所述第二通路为所述数据收发节点经过所述第二开关单元与所述通信总线连接的通路。
在其中一个实施例中，所述第一变压器的第一端与所述通信总线的一端连接；所述第一变压器的第二端与所述通信总线的另一端连接，所述第一变压器的第三端分别与所述第一开关单元的第一端、所述第二变压器的第三端连接，所述第一变压器的第四端与等效地连接；
所述第二变压器的第一端与所述第一变压器的第一端连接，所述第二变压器的第二端与所述等效地连接，所述第二变压器的第四端与所述第二开关单元的第一端连接；
所述第一开关单元的第二端与所述等效地连接，所述第一开关单元的第三端与所述数据收发节点连接；
所述第二开关单元的第二端与所述等效地连接，所述第二开关单元的第三端与所述数据收发节点连接；
所述开关控制单元的输入端用于接入控制信号，所述开关控制单元分别与所述第一开关单元和所述第二开关单元的控制端连接，所述开关控制单元用于在所述控制信号的作用下，选择性导通所述第一开关单元的第三端与所述第一开关单元的第一端之间的通路和所述第二开关单元的第二端与所述第二开关单元的第一端之间的通路，或者，选择性导通所述第一开关单元的第二端与所述第一开关单元的第一端之间的通路和所述第二开关单元的第三端与所述第二开关单元的第一端之间的通路。
在其中一个实施例中，所述第一开关单元包括第一开关和第二开关，所述第二开关单元包括第三开关和第四开关，其中：
所述第一开关的第一端与所述等效地连接，所述第一开关的第二端分别与所述第一变压器的第三端和所述第二变压器的第三端连接；
所述第二开关的第一端与所述数据收发节点连接，所述第二开关的第二端分别与所述第一变压器的第三端和所述第二变压器的第三端连接；
所述第三开关的第一端与所述等效地连接，所述第三开关的第二端与所述第二变压器的第四端连接；
所述第四开关的第二端与所述数据收发节点连接，所述第四开关的第二端与所述第二变压器的第四端连接；
所述开关控制单元分别与所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关的控制端连接，用于在所述控制信号的作用下，控制所述第一开关和所述第四开关闭合、所述第二开关和所述第三开关断开，或者，控制所述第二开关和所述第三开关闭合、所述第一开关和所述第四开关断开。
在其中一个实施例中，所述开关控制单元包括反向器，所述反向器的输入端分别与所述第二开关和所述第三开关连接，所述反向器的输出端分别与所述第一开关和所述第四开关连接，其中，所述控制信号包括第一电平信号和第二电平信号中的一种，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关均用于在对应的控制端接收到第一电平信号时闭合，在对应的控制端接收到第二电平信号时断开，所述第一电平信号和所述第二电平信号中的一种为高电平信号，所述第一电平信号和所述第二电平信号中的另一种为低电平信号。
在其中一个实施例中，所述第一变压器包括：第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈之间存在交变磁场，其中：
所述第一线圈的第一端与所述通信总线的一端连接，所述第一线圈的第二端与所述通信总线的另一端连接；
所述第二线圈的第一端与所述第一开关单元的第一端连接，所述第二线圈的第二端与等效地连接。
在其中一个实施例中，所述第二线圈的匝数大于所述第一线圈的匝数。
在其中一个实施例中，所述第二变压器包括：第三线圈和第四线圈，所述第三线圈和第四线圈之间存在交变磁场，其中：
所述第三线圈的第一端与所述通信总线的一端连接，所述第三线圈的第二端与所述等效地连接，
所述第四线圈的第一端与所述第一开关单元的第一端连接，所述第四线圈的第二端与所述第二开关单元的第一端连接。
一种数据传输系统，包括前述的定向耦合器，至少两个所述定向耦合器与至少两个数据收发节点一一对应连接，其中：
沿所述通信总线的延伸方向相邻的两个定向耦合器中的第一定向耦合器用于在第一控制信号的作用下，导通其耦合端与输出端之间的第二通路；
沿所述通信总线的延伸方向相邻的两个定向耦合器中的第二定向耦合器用于在第二控制信号的作用下，导通其输入端与耦合端之间的第一通路，以使所述第一定向耦合器对应的数据收发节点与所述第二定向耦合器对应的数据收发节点之间的第三通路导通。
在其中一个实施例中，所述数据传输系统包括：数据收发器，所述数据收发器的数据收发端与目标数据收发节点连接，所述数据收发器的控制端与目标定向耦合器的控制端连接，所述数据收发器用于通过所述数据收发端向所述目标定向耦合器的耦合端发送数据或从所述目标定向耦合器的耦合端接收数据，以及通过所述数据收发器的控制端向所述目标定向耦合器的控制端发送控制信号，其中，所述目标数据收发节点为与所述目标定向耦合器的耦合端连接的数据收发节点。
上述定向耦合器、数据传输系统。该定向耦合器配置有输入端、输出端、耦合端和控制端，定向耦合器的输入端、输出端分别与通信总线连接，定向耦合器的耦合端与数据收发节点连接，定向耦合器的控制端用于接入控制信号，从而定向耦合器串联接入在通信总线上，能够实现数据收发节点和通信总线之间的数据传输。定向耦合器能够将输入端接收的数据传输到输出端输出，从而通信总线上的数据能够经过定向耦合器进行正常的传输，定向耦合器还能够在控制信号的作用下，选择性导通定向耦合器的输入端与耦合端之间的第一通路，以将定向耦合器输入端接收的数据传输至耦合端，或者，选择性导通定向耦合器的输出端与耦合端之间的第二通路，以将定向耦合器耦合端接收的数据传输至输出端。从而定向耦合器内部设计有两条通路，能够直接导通输入端和耦合端或者直接导通耦合端和输出端，使得耦合端和输出端之间的数据传输无需通过输入端进行转发，而是可以直接从耦合端传输至输出端，降低了数据传输的延时，提高了数据传输的速率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中设置在数据传输系统中的定向耦合器的结构示意图；
图2为一个实施例中定向耦合器的结构示意图；
图3为一个实施例中定向耦合器的结构示意图之二；
图4为一个实施例中定向耦合器的结构示意图之三；
图5为一个实施例中定向耦合器的结构示意图之四；
图6为一个实施例中定向耦合器的结构示意图之五；
图7为一个实施例中定向耦合器的结构示意图之六；
图8为一个实施例中定向耦合器的结构示意图之七；
图9为一个实施例中定向耦合器的耦合电流的仿真波形图；
图10为一个实施例中定向耦合器的耦合电压的仿真波形图；
图11为一个实施例中定向耦合器的结构示意图之八；
图12为一个实施例中数据传输系统的结构示意图；
图13为另一个实施例中数据传输系统的结构示意图。
附图标记说明：
100-数据收发节点，200-通信总线，10-定向耦合器，A-定向耦合器的输入端，B-定向耦合器的输出端，C-定向耦合器的耦合端，D-定向耦合器的控制端，300-第一通路，400-第二通路，11-第一变压器，12-第二变压器，13-第一开关单元，14-第二开关单元，15-开关控制单元，30-第一定向耦合器，40-第二定向耦合器，T1-第一开关，T2-第二开关，T3-第三开关，T4-第四开关，151-反向器，N1-第一线圈，N2-第二线圈，N3-第三线圈，N4-第四线圈，20-第一数据收发器，21-第二数据收发器。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种定向耦合器，应用于数据传输系统，数据传输系统包括数据收发节点100以及通信总线200。
其中，定向耦合器10配置有输入端A、输出端B、耦合端C和控制端D，定向耦合器10的输入端A、输出端B分别与通信总线200连接，定向耦合器10的耦合端C与数据收发节点100连接，定向耦合器10的控制端D用于接入控制信号。
其中，定向耦合器10用于将输入端A接收的数据传输到输出端B输出。定向耦合器10还用于在控制信号的作用下，选择性导通定向耦合器10的输入端A与耦合端C之间的第一通路300，以将定向耦合器10输入端A接收的数据传输至耦合端C，或者，选择性导通定向耦合器10的输出端B与耦合端C之间的第二通路400，以将定向耦合器10耦合端C接收的数据传输至输出端B。
具体地，定向耦合器10能够实现通信总线200上的数据的转发，通信总线200的数据能够直接从定向耦合器10的输入端A传输至输出端B。并且由于定向耦合器10的存在，总线上可以通过定向耦合器10接入额外的数据收发节点100，从而拓展了总线型的数据传输结构，随之而来的是，如果通过定向耦合器10接入的数据收发节点100出现短路，会影响总线上的正常通信，所以定向耦合器10通常将耦合端C和输出端B之间的隔离度设计的非常高，耦合端C的数据无法直接传输至输出端B，在现有技术中，耦合端C的数据需要先传输至输入端A，再由输入端A转发至输出端B，这样就增大了数据的延时，使得数据传输的数据率损失了一半。而本申请的定向耦合器10内部设计有两条通路，能够直接导通输入端A和耦合端C或者直接导通耦合端C和输出端B，使得耦合端C和输出端B之间的数据传输无需通过输入端A进行转发，而是可以直接从耦合端C传输至输出端B，从而在耦合端C需要向输出端B传输数据时，可以直接导通第二通路400，在需要保持耦合端C和输出端B之间的高隔离度时，可以选择导通第一通路300，更加灵活。
在本实施例中，定向耦合器10配置有输入端A、输出端B、耦合端C和控制端D，定向耦合器10的输入端A、输出端B分别与通信总线200连接，定向耦合器10的耦合端C与数据收发节点100连接，定向耦合器10的控制端D用于接入控制信号，从而定向耦合器10串联接入在通信总线200上，能够实现数据收发节点100和通信总线200之间的数据传输。定向耦合器10能够将输入端A接收的数据传输到输出端B输出，从而通信总线200上的数据能够经过定向耦合器10进行正常的传输，定向耦合器10还能够在控制信号的作用下，选择性导通定向耦合器10的输入端A与耦合端C之间的第一通路300，以将定向耦合器10输入端A接收的数据传输至耦合端C，或者，选择性导通定向耦合器10的输出端B与耦合端C之间的第二通路400，以将定向耦合器10耦合端C接收的数据传输至输出端B。从而定向耦合器10内部设计有两条通路，能够直接导通输入端A和耦合端C或者直接导通耦合端C和输出端B，使得耦合端C和输出端B之间的数据传输无需通过输入端A进行转发，而是可以直接从耦合端C传输至输出端B，降低了数据传输的延时，提高了数据传输的速率。
在一个实施例中，如图2所示，定向耦合器10包括：第一变压器11、第二变压器12、第一开关单元13、第二开关单元14、开关控制单元15。其中，
第一变压器11分别与通信总线200、第二变压器12、第一开关单元13连接，第二变压器12分别与第一开关单元13、第二开关单元14连接，第一开关单元13分别与开关控制单元15、数据收发节点100连接，第二开关单元14分别与开关控制单元15、数据收发节点100连接。
具体地，第一变压器11能够将通信总线200上接收进来的数据经过线圈耦合后，传输到第二变压器12和第一开关单元13，第二变压器12能够将通信总线200上接收进来的数据经过线圈耦合后传输到第二开关单元14。开关控制单元15能够分别控制第一开关单元13、第二开关单元14的通断状态，第一开关单元13、第二开关单元14不同的通断状态能够决定数据收发节点100是通过第一开关单元13与通信总线200连接还是通过第二开关单元14与通信总线200连接。
开关控制单元15用于接入控制信号，在控制信号的作用下，分别控制第一开关单元13和第二开关单元14的通断状态，以选择性导通第一通路，以将第一变压器11与通信总线200连接的一端接收的数据通过第一开关单元13传输至数据收发节点100，或者，选择性导通第二通路，以将数据收发节点100发送的数据通过第二开关单元14传输至通信总线200。
具体地，开关控制单元15基于控制信号，分别控制第一开关单元13和第二开关单元14的通断状态，从而选择性导通第一通路或者第二通路。
其中，第一通路为数据收发节点100经过第一开关单元13与通信总线200连接的通路，第二通路为数据收发节点100经过第二开关单元14与通信总线200连接的通路。
在本实施例中，通过设置第一变压器11和第二变压器12，能够将数据信号耦合进行传输。通过设置第一开关单元13、第二开关单元14、开关控制单元15，可以选择性的导通第一通路或者第二通路，从而可以实现输入端A与耦合端C之间的直接通信，或者耦合端C和输出端B之间的直接通信。
在一个实施例中，如图3所示，第一变压器11的第一端与通信总线200的一端连接。第一变压器11的第二端与通信总线200的另一端连接，第一变压器11的第三端分别与第一开关单元13的第一端、第二变压器12的第三端连接，第一变压器11的第四端与等效地连接。
第二变压器12的第一端与第一变压器11的第一端连接，第二变压器12的第二端与等效地连接，第二变压器12的第四端与第二开关单元14的第一端连接。
第一开关单元13的第二端与等效地连接，第一开关单元13的第三端与数据收发节点100连接。
第二开关单元14的第二端与等效地连接，第二开关单元14的第三端与数据收发节点100连接。
开关控制单元15的输入端用于接入控制信号，开关控制单元15分别与第一开关单元13和第二开关单元14的控制端连接，开关控制单元15用于在控制信号的作用下，选择性导通第一开关单元13的第三端与第一开关单元13的第一端之间的通路和第二开关单元14的第二端与第二开关单元14的第一端之间的通路，或者，选择性导通第一开关单元13的第二端与第一开关单元13的第一端之间的通路和第二开关单元14的第三端与第二开关单元14的第一端之间的通路。
具体地，开关控制单元15在控制信号的作用下，导通第一开关单元13的第三端与第一开关单元13的第一端之间的通路和第二开关单元14的第二端与第二开关单元14的第一端之间的通路，则数据收发节点100可以通过第一开关单元13和第一变压器11的第三端连通，从而数据收发节点100可以与定向耦合器10的输入端A连通，即定向耦合器10的耦合端C和输入端A连通，而第二开关单元14接等效地，无输入。或者开关控制单元15在控制信号的作用下，导通第一开关单元13的第二端与第一开关单元13的第一端之间的通路和第二开关单元14的第三端与第二开关单元14的第一端之间的通路，则数据收发节点100可以通过第二开关单元14和第二变压器12的第四端连通，从而数据收发节点100可以与定向耦合器10的输出端B连通，即定向耦合器10的耦合端C和输出端B连通，而第一开关单元13接等效地，无输入。
在本实施例中，通过设置第一变压器11和第二变压器12，能够将数据信号耦合进行传输。通过设置第一开关单元13、第二开关单元14、开关控制单元15，可以选择性的导通第一通路或者第二通路，从而可以实现输入端A与耦合端C之间的直接通信，或者耦合端C和输出端B之间的直接通信。
在一个实施例中，如图4所示，第一开关单元13包括第一开关T1和第二开关T2，第二开关单元14包括第三开关T3和第四开关T4。其中：
第一开关T1的第一端与等效地连接，第一开关T1的第二端分别与第一变压器11的第三端和第二变压器12的第三端连接。
第二开关T2的第一端与数据收发节点100连接，第二开关T2的第二端分别与第一变压器11的第三端和第二变压器12的第三端连接。
第三开关T3的第一端与等效地连接，第三开关T3的第二端与第二变压器12的第四端连接。
第四开关T4的第二端与数据收发节点100连接，第四开关T4的第二端与第二变压器12的第四端连接。
开关控制单元15分别与第一开关T1、第二开关T2、第三开关T3、第四开关T4的控制端连接，用于在控制信号的作用下，控制第一开关T1和第四开关T4闭合、第二开关T2和第三开关T3断开，或者，控制第二开关T2和第三开关T3闭合、第一开关T1和第四开关T4断开。
在本实施例中，通过设置第一开关T1、第二开关T2、第三开关T3、第四开关T4，再由开关控制单元15分别控制各开关的通断，即可实现第一通路的导通或者第二通路的导通。
在一个实施例中，如图5所示，开关控制单元15包括反向器151，反向器151的输入端分别与第二开关T2和第三开关T3连接，反向器151的输出端分别与第一开关T1和第四开关T4连接。
其中，控制信号包括第一电平信号和第二电平信号中的一种，第一开关T1、第二开关T2、第三开关T3、第四开关T4均用于在对应的控制端接收到第一电平信号时闭合，在对应的控制端接收到第二电平信号时断开，第一电平信号和第二电平信号中的一种为高电平信号，第一电平信号和第二电平信号中的另一种为低电平信号。
具体地，第一开关T1和第四开关T4的状态保持一致，第二开关T2和第三开关T3的状态保持一致。第一开关T1和第四开关T4闭合、第二开关T2和第三开关T3断开时第二通路导通，数据可以从耦合端C传输至输出端B。第二开关T2和第三开关T3闭合、第一开关T1和第四开关T4断开时第一通路导通，数据可以从输入端A传输至耦合端C。
在本实施例中，通过设置一个反向器151，实现了对各开关的通断状态的控制，可通过向反向器151的输入端输入不同电平的控制信号，以控制各开关的通断状态。
在一个实施例中，如图6所示，第一变压器11包括：第一线圈N1和第二线圈N2，第一线圈N1和第二线圈N2之间存在交变磁场。其中：
第一线圈N1的第一端与通信总线200的一端连接，第一线圈N1的第二端与通信总线200的另一端连接。
第二线圈N2的第一端与第一开关单元13的第一端连接，第二线圈N2的第二端与等效地连接。
示例性地，第二线圈N2的匝数大于第一线圈N1的匝数。
在一个实施例中，请继续参见图6，第二变压器12包括：第三线圈N3和第四线圈N4，第三线圈N3和第四线圈N4之间存在交变磁场。其中：
第三线圈N3的第一端与通信总线200的一端连接，第三线圈N3的第二端与等效地连接。
第四线圈N4的第一端与第一开关单元13的第一端连接，第四线圈N4的第二端与第二开关单元14的第一端连接。
示例性地，第三线圈N3的匝数大于第四线圈N4的匝数。
具体地，设线圈匝数比N2/N1=n，N3/N4=m，一般可以设m=n+1，则线路中的信号关系如下：
当第一通路导通，第二通路关断时，定向耦合器10内部结构等效为如图7所示的结构，第一线圈N1用于将定向耦合器10的输入端A的电流信号i1耦合第二线圈N2，在第二线圈N2上产生耦合电流i2。第三线圈N3将定向耦合器10的输入端A的分支电流i5耦合到第四线圈N4产生耦合电流i4，该电流i4与第二线圈N2的电流i2在第四线圈N4上的分支电流i3方向相反，通过调整m使得i3和i4幅值接近，即可以认为两者相互抵消，所以第一通路导通的情况下，定向耦合器10的耦合端C和输出端B是隔离的。
由第一变压器11的第一线圈N1和第二线圈N2的匝数比可得：i2=i1/n。
其中，i2为第二线圈N2上产生的耦合电流，i1为定向耦合器10的输入端A的电流，n为第二线圈N2和第一线圈N1的匝数比。
当i2在耦合端C分流出的电流i3与第四线圈N4感应出来的电流i4方向相反，大小几乎相等时，就可以认为相互抵消，这样第四线圈N4上的负载对定向耦合器10的耦合端C来说阻抗很大，得到定向耦合器10的耦合端C的负载阻抗为Rd。
由第二变压器12的第三线圈N3和第四线圈N4的匝数比可得：i5=i4/m。其中，m为第三线圈N3和第四线圈N4的匝数比，i5为定向耦合器10的输入端A的分支电流，i4为第四线圈N4产生的耦合电流。
这样i5很小，因此该支路对定向耦合器10的输入端A的阻抗很大，得到定向耦合器10的输入端A的阻抗为R12加R2。这里，R12为定向耦合器10的输入端A和输出端B之间的阻抗，R2为定向耦合器10的输出端B的阻抗。
举例说明：当m=4，n=3时，仿真得到i1=9.55mA，i2=3.18mA，i5=0.069mA，i3+i4=-0.2768mA。
由第一变压器11的第一线圈N1和第二线圈N2的匝数比可得：R12=Rd/ n2其中，R12为定向耦合器10的输入端A和输出端B之间的阻抗，Rd为定向耦合器10的耦合端C的负载阻抗，n为第二线圈N2和第一线圈N1的匝数比。
因此定向耦合器10的输入端A的阻抗为：R1=R12+R2=Rd+Rd/n2=Rd *（1+1/n2）。其中，R1为定向耦合器10的输入端A的阻抗，R12为定向耦合器10的输入端A和输出端B之间的阻抗，Rd为定向耦合器10的耦合端C的负载阻抗，n为第二线圈N2和第一线圈N1的匝数比。
定向耦合器10的输入端A的输入功率为：P1=i1 2* R1= i1 2* Rd *（1+1/n2）。其中，P1为定向耦合器10的输入端A的输入功率，i1为定向耦合器10的输入端A的电流，Rd为定向耦合器10的耦合端C的负载阻抗，n为第二线圈N2和第一线圈N1的匝数比。
定向耦合器10的输出端B的功率为：P2= i1 2* Rd。其中，P2为定向耦合器10的输出端B的功率，i1为定向耦合器10的输入端A的电流，Rd为定向耦合器10的耦合端C的负载阻抗。
因此定向耦合器10的耦合端C的功率为：P3=P1-P2= i1 2* Rd *（1+1/n2）- i1 2* Rd=i1 2* Rd/ n2。其中，P3为定向耦合器10的耦合端C的功率，i1为定向耦合器10的输入端A的电流，Rd为定向耦合器10的耦合端C的负载阻抗，n为第二线圈N2和第一线圈N1的匝数比。
结合上述公式，则可以得到定向耦合器10的输入端A到定向耦合器10的输出端B的损耗为：S21=10lg（P1/P2）=10lg（1+1/ n2）。其中，S21为定向耦合器10的输入端A到定向耦合器10的输出端B的损耗，n为第二线圈N2和第一线圈N1的匝数比。
结合上述公式，则可以得到定向耦合器10的输入端A到定向耦合器10的耦合端C的损耗（等于定向耦合器10的耦合端C到定向耦合器10的输入端A的损耗）为：S31=10lg（P1/P3）=10lg（1+n2）其中，S31为定向耦合器10的输入端A到定向耦合器10的耦合端C的损耗，n为第二线圈N2和第一线圈N1的匝数比。
可以看出n越大，定向耦合器10的输入端A到定向耦合器10的输出端B的损耗越小，定向耦合器10的输入端A到定向耦合器10的耦合端C的损耗（定向耦合器10的耦合端C到定向耦合器10的输入端A的损耗）越大。
而当从定向耦合器10的耦合端C输入信号时，电流示意图如图8所示，i6与i1方向相反，大小几乎相等，因此流向定向耦合器10的输出端B的电流很小可以忽略，即定向耦合器10的输出端B的负载Rd上的感应信号很小，或者说定向耦合器10的耦合端C的信号很少传到定向耦合器10的输出端B，我们认为定向耦合器10的输出端B和定向耦合器10的耦合端C是隔离的。
举例说明：m=4，n=3时，仿真得到i4=9.5mA，i2=0.17mA，i3=2.38mA，i1+i6=-0.51mA，i5=2.89mA。
为了进一步减小定向耦合器10的输出端B的信号，可以优化n值。如图9所示，图9为定向耦合器10的输出端的耦合电流与定向耦合器10的输入端施加的扫描电压之间的关系，从下到上依次为n=3到n=6，相邻曲线n的变化步长为0.3，n从3到6，步长为0.3V进行扫描，可知n=4.2时流过定向耦合器10的输出端B的电流最小，仅为14.8uA，即此时i6与i1几乎抵消。图10为定向耦合器10的输出端的耦合电压与定向耦合器10的输入端施加的扫描电压之间的关系，从图10可以看出来，从上到下依次为n=3到n=6，相邻曲线n的变化步长为0.3。n=3时2端口输出幅值25.95mV，n=6时2端口输出幅值18.18mV，n=4.2时2端口输出幅值仅为0.74mV。
所以为了实现定向耦合器10的耦合端C与定向耦合器10的输出端B通信，可以通过本申请的定向耦合器10的设计，将第一通路关闭，将第二通路导通，此时定向耦合器10的耦合端C如图11所示，此时定向耦合器10的耦合端C到定向耦合器10的输出端B的损耗为：S42=10lg（1+n2），其中，S42为定向耦合器10的耦合端C到定向耦合器10的输出端B的损耗，n为第二线圈N2和第一线圈N1的匝数比，此时耦合端C与输入端A是隔离的，但耦合端C与输出端B之间是导通的。
所以，通过本申请中的第一开关单元13、第二开关单元14、开关控制单元15，能够在第一通路导通时，将定向耦合器10的耦合端C与第四线圈N4的第一端连通。在第二通路导通时，将定向耦合器10的耦合端C与第四线圈N4的第二端连通。在第一通路导通时，定向耦合器10的耦合端C与输入端A连通，定向耦合器10的耦合端C与输出端B隔离。在第二通路导通时，定向耦合器10的耦合端C与输出端B连通，定向耦合器10的耦合端C与输入端A隔离。
在本实施例中，通过设计第一线圈N1、第二线圈N2、第三线圈N3、第四线圈N4，以及本实施例中第一线圈N1、第二线圈N2、第三线圈N3、第四线圈N4分别与第一开关单元13、第二开关单元14、开关控制单元15之间的电路设计，实现了可以选择性的导通第一通路或第二通路，从而采用本申请中的定向耦合器10可以实现总线型结构上的各数据收发节点100之间的灵活通信，提高数据传输的效率。
在一个实施例中，如图12所示，提供了一种数据传输系统，包括至少两个前述实施例中的定向耦合器，至少两个定向耦合器与至少两个数据收发节点100一一对应连接。其中：
沿通信总线200的延伸方向相邻的两个定向耦合器中的第一定向耦合器30用于在第一控制信号的作用下，导通其耦合端C与输出端B之间的第二通路400。
具体地，两个定向耦合器中的第一定向耦合器30导通其耦合端C与输出端B之间的第二通路400，从而其耦合端C和输出端B可以直接通信。
沿通信总线200的延伸方向相邻的两个定向耦合器中的第二定向耦合器40用于在第二控制信号的作用下，导通其输入端A与耦合端C之间的第一通路300，以使第一定向耦合器对应的数据收发节点100与第二定向耦合器40对应的数据收发节点100之间的第三通路导通。
具体地，两个定向耦合器中的第二定向耦合器40导通其输入端A与耦合端C之间的第一通路300，从而其输入端A与耦合端C可以直接通信。
在本实施例中，两个定向耦合器中的第一定向耦合器导通其耦合端C与输出端B之间的第二通路400，使得其耦合端C和输出端B可以直接通信，两个定向耦合器中的第二定向耦合器导通其输入端A与耦合端C之间的第一通路300，使得其输入端A与耦合端C可以直接通信，从而第一定向耦合器连接的数据收发节点100与第二定向耦合器连接的数据收发节点100之间可以直接进行通信，无需通过输入端A转发，通信速度更快。
在一个实施例中，如图13所示，数据传输系统包括：数据收发器。数据收发器的数据收发端与目标数据收发节点100连接，数据收发器的控制端与目标定向耦合器的控制端D连接，数据收发器用于通过数据收发端向目标定向耦合器的耦合端C发送数据或从目标定向耦合器的耦合端C接收数据，以及通过数据收发器的控制端向目标定向耦合器的控制端D发送控制信号，其中，目标数据收发节点100为与目标定向耦合器的耦合端C连接的数据收发节点100。
具体地，数据收发器可以包括串联在通信总线200上的分支电路的数据收发模组及控制模组，能够将分支电路的数据进行收发，以及输出控制信号控制对应的定向耦合器导通的通路。
示例性地，如图13所示，第一数据收发器20与第一定向耦合器30对应连接，第二数据收发器21与第二定向耦合器40对应连接。数据收发器可以选择导通对应的定向耦合器的输入端A与耦合端C之间的第一通路300，也可以选择导通对应的定向耦合器的耦合端C与输出端B之间的第二通路400。
在本实施例中，通过设置数据收发器，与数据收发节点100连接，能够通过定向耦合器与通信总线200之间进行数据收发，还能够向定向耦合器的控制端D输出控制信号来控制定向耦合器导通的通路。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器（Read-Only Memory，ROM）、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器（Static Random Access Memory，SRAM）或动态随机存取存储器（DynamicRandom Access Memory，DRAM）等。
在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种定向耦合器，其特征在于，应用于数据传输系统，所述数据传输系统包括数据收发节点以及通信总线；其中，所述定向耦合器配置有输入端、输出端、耦合端和控制端，所述定向耦合器的输入端、输出端分别与所述通信总线连接，所述定向耦合器的耦合端与所述数据收发节点连接，所述定向耦合器的控制端用于接入控制信号，其中，
所述定向耦合器用于将所述输入端接收的数据传输到所述输出端输出；
所述定向耦合器还用于在所述控制信号的作用下，选择性导通所述定向耦合器的输入端与耦合端之间的第一通路，以将所述定向耦合器输入端接收的数据传输至耦合端，或者，选择性导通所述定向耦合器的输出端与耦合端之间的第二通路，以将所述定向耦合器耦合端接收的数据传输至输出端。
2.根据权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器包括：第一变压器、第二变压器、第一开关单元、第二开关单元、开关控制单元，其中，
所述第一变压器分别与所述通信总线、所述第二变压器、所述第一开关单元连接，所述第二变压器分别与所述第一开关单元、第二开关单元连接，所述第一开关单元分别与所述开关控制单元、所述数据收发节点连接，所述第二开关单元分别与所述开关控制单元、所述数据收发节点连接；
所述开关控制单元用于接入控制信号，在所述控制信号的作用下，分别控制所述第一开关单元和所述第二开关单元的通断状态，以选择性导通第一通路，以将所述第一变压器与所述通信总线连接的一端接收的数据通过所述第一开关单元传输至所述数据收发节点，或者，选择性导通第二通路，以将所述数据收发节点发送的数据通过所述第二开关单元传输至通信总线；其中，所述第一通路为所述数据收发节点经过所述第一开关单元与所述通信总线连接的通路，所述第二通路为所述数据收发节点经过所述第二开关单元与所述通信总线连接的通路。
3.根据权利要求2所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一变压器的第一端与所述通信总线的一端连接；所述第一变压器的第二端与所述通信总线的另一端连接，所述第一变压器的第三端分别与所述第一开关单元的第一端、所述第二变压器的第三端连接，所述第一变压器的第四端与等效地连接；
所述第二变压器的第一端与所述第一变压器的第一端连接，所述第二变压器的第二端与所述等效地连接，所述第二变压器的第四端与所述第二开关单元的第一端连接；
所述第一开关单元的第二端与所述等效地连接，所述第一开关单元的第三端与所述数据收发节点连接；
所述第二开关单元的第二端与所述等效地连接，所述第二开关单元的第三端与所述数据收发节点连接；
所述开关控制单元的输入端用于接入控制信号，所述开关控制单元分别与所述第一开关单元和所述第二开关单元的控制端连接，所述开关控制单元用于在所述控制信号的作用下，选择性导通所述第一开关单元的第三端与所述第一开关单元的第一端之间的通路和所述第二开关单元的第二端与所述第二开关单元的第一端之间的通路，或者，选择性导通所述第一开关单元的第二端与所述第一开关单元的第一端之间的通路和所述第二开关单元的第三端与所述第二开关单元的第一端之间的通路。
4.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一开关单元包括第一开关和第二开关，所述第二开关单元包括第三开关和第四开关，其中：
所述第一开关的第一端与所述等效地连接，所述第一开关的第二端分别与所述第一变压器的第三端和所述第二变压器的第三端连接；
所述第二开关的第一端与所述数据收发节点连接，所述第二开关的第二端分别与所述第一变压器的第三端和所述第二变压器的第三端连接；
所述第三开关的第一端与所述等效地连接，所述第三开关的第二端与所述第二变压器的第四端连接；
所述第四开关的第二端与所述数据收发节点连接，所述第四开关的第二端与所述第二变压器的第四端连接；
所述开关控制单元分别与所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关的控制端连接，用于在所述控制信号的作用下，控制所述第一开关和所述第四开关闭合、所述第二开关和所述第三开关断开，或者，控制所述第二开关和所述第三开关闭合、所述第一开关和所述第四开关断开。
5.根据权利要求4所述的定向耦合器，其特征在于，所述开关控制单元包括反向器，所述反向器的输入端分别与所述第二开关和所述第三开关连接，所述反向器的输出端分别与所述第一开关和所述第四开关连接，其中，所述控制信号包括第一电平信号和第二电平信号中的一种，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关均用于在对应的控制端接收到第一电平信号时闭合，在对应的控制端接收到第二电平信号时断开，所述第一电平信号和所述第二电平信号中的一种为高电平信号，所述第一电平信号和所述第二电平信号中的另一种为低电平信号。
6.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述第一变压器包括：第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈之间存在交变磁场，其中：
所述第一线圈的第一端与所述通信总线的一端连接，所述第一线圈的第二端与所述通信总线的另一端连接；
所述第二线圈的第一端与所述第一开关单元的第一端连接，所述第二线圈的第二端与等效地连接。
7.根据权利要求6所述的定向耦合器，其特征在于，所述第二线圈的匝数大于所述第一线圈的匝数。
8.根据权利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述第二变压器包括：第三线圈和第四线圈，所述第三线圈和第四线圈之间存在交变磁场，其中：
所述第三线圈的第一端与所述通信总线的一端连接，所述第三线圈的第二端与所述等效地连接，
所述第四线圈的第一端与所述第一开关单元的第一端连接，所述第四线圈的第二端与所述第二开关单元的第一端连接。
9.一种数据传输系统，其特征在于，包括至少两个权利要求1-8任一项所述的定向耦合器，至少两个所述定向耦合器与至少两个数据收发节点一一对应连接，其中：
沿所述通信总线的延伸方向相邻的两个定向耦合器中的第一定向耦合器用于在第一控制信号的作用下，导通其耦合端与输出端之间的第二通路；
沿所述通信总线的延伸方向相邻的两个定向耦合器中的第二定向耦合器用于在第二控制信号的作用下，导通其输入端与耦合端之间的第一通路，以使所述第一定向耦合器对应的数据收发节点与所述第二定向耦合器对应的数据收发节点之间的第三通路导通。
10.根据权利要求9所述的数据传输系统，其特征在于，所述数据传输系统包括：
数据收发器，所述数据收发器的数据收发端与目标数据收发节点连接，所述数据收发器的控制端与目标定向耦合器的控制端连接，所述数据收发器用于通过所述数据收发端向所述目标定向耦合器的耦合端发送数据或从所述目标定向耦合器的耦合端接收数据，以及通过所述数据收发器的控制端向所述目标定向耦合器的控制端发送控制信号，其中，所述目标数据收发节点为与所述目标定向耦合器的耦合端连接的数据收发节点。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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