CN1221079C - 通用双向数字信号电气隔离装置 - Google Patents
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Abstract
一种通用双向数字信号电气隔离装置，是由两个相互连接的、非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件所组成；该两个非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件的控制电路分别包括有：顺序连接的数字信号接口电路，用于判断该数字信号电平高低、并将该数字信号电平状态转换为光电信号转换电路控制信号的逻辑判断电路，该数字信号的驱动电路，以及用于使两端电气设备实现电气隔离的光电转换电路；其中光电转换电路的输入端都是通过传输线与对端电气设备的电气隔离部件中数字信号驱动电路的输出相连接，且由对端电源向该输入端供电；其光电转换电路中的输出端的输出则作为本端电气隔离部件接收到的对端数字信号，该输出端则由本端电源供电。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号隔离装置，确切地说，涉及一种通用双向数字信号电气隔离装置，属于用光学装置转换输入的电信号传输系统的技术领域。
背景技术
在许多工业控制领域或其它特殊的应用领域，经常要在两个或多个远程系统之间进行相互之间的数据传输，如果系统与系统之间传输的是模拟信号，那么通常因为传输线的衰减或者受到外界电信号的干扰，使得在信号线上传输的模拟量产生信号失真。所以，现在电路设计人员的通常做法是先将模拟信号转换成数字信号，然后再通过数据线进行传输。这种做法可以有效地避免在传输过程中的信号失真，并可以很大程度地延长传输距离。但是，无论传输的是数字信号还是模拟信号，如果实现数据传输的两个系统或多个系统的电源不是共地的话，便会在相互通信的各个系统之间产生接地干扰，其后果轻则影响系统的稳定性，重则可能会烧毁系统。这个问题一直是困扰着许许多多开发工业控制系统的工程师的难题。虽然许多设计人员在设计此类系统时，尽量保持两个实现通信的系统使用同一地线，但是，由于数据线拉得比较长等原因，还是不能彻底解决问题。所以如何寻求一种安全可靠的电路装置来实现双向传输的数据信号的有效电气隔离已经成为许多业内人士多年来追求的目标。
目前，电路设计中常用的实现两个不共地系统之间的隔离的方法主要有两种：一种是通过耦合变压器隔离，这种隔离方式比较适合于隔离频率比较高的信号，如以太网传输所采用的差分网络信号。另一种是通过光电转换器件来实现系统间的电气隔离，但是，这种方法的问题是：这种隔离方法只能适用于在单根数据线上单向传输的信号，而在实际应用中，许多信号都是双向传输的，所以采用简单的光电隔离的方法来实现数字信号的隔离有很大的局限性。
例如集成电路之间的总线(I2C，Inter-Integrated CirCuit bus)是目前在计算机系统应用中已经相当普遍使用的一种总线，这种总线是由菲利浦半导体公司在八十年代初设计出来的，主要用于连接集成电路系统(ICS，IntegratedCircuit System)。I2C总线就是一种多向控制总线，也就是说，I2C总线可以将同一系统下的多个集成电路芯片连接到同一个总线结构，其中每个集成电路芯片都可以作为实施数据传输的控制源。I2C总线是由串行数据(SDL)总线和串行时钟(SCL)线组成，其中在每一根DATA信号线和CLOCK信号线上传输的信号都是典型的单线双向信号。因此采用上述简单的光电隔离方法不能解决在两个不共地设备之间双向传输的I2C总线的数字信号实现电气隔离。
发明内容
本发明的目的是提供一种通用双向数字信号电气隔离装置，该装置可以实现两个远程、非共地系统的电气设备之间数字通信信号的有效电气隔离，避免非共地系统之间的数据通信由于长距离的信号传输导致的衰减，以及系统之间由于不共地产生的电位差而引发的系统不可靠性和不安全性，同时保证了数字信号的完整性和兼容性，并力求做到电路结构的低成本和高可靠性，解决困扰远程电气设备之间双向数据通信的技术难题。
本发明的目的是这样实现的：一种通用双向数字信号电气隔离装置，是由两个相互连接的、非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件所组成；其特征在于：该两个非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件的控制电路分别包括有：顺序连接的该数字信号的接口电路，用于判断该数字信号电平的高低、并将该数字信号的电平状态转换为光电信号转换电路的控制信号的逻辑判断电路，该数字信号的驱动电路，以及用于使两端电气设备实现电气隔离的光电信号转换电路；所述的两个电气设备的数字信号电气隔离部件中的光电信号转换电路的输入端都是通过传输线与对端电气设备的电气隔离部件中的数字信号的驱动电路的输出端相连接，且该输入端都是由对端的电源网络供电；其光电信号转换电路中的输出端的输出则作为本端电气隔离部件接收到的对端数字信号，并将该对端数字信号接入到本端数字信号的接口电路，该输出端则由本端的电源网络供电。
所述的该两个非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件的控制电路可在其中的数字信号的驱动电路的输入端分别设有该数字信号的逻辑判断电路的冗余电路，用于保证该数字信号的电平状态能够正确无误地被转换为光电信号转换电路的控制信号；所述冗余电路是由数字信号接入点通过零电阻接入的。
所述的两个电气设备的数字信号是集成电路之间的总线信号-I2C总线信号时，该电气隔离装置应该为I2C总线的DATA和CLOCK两条信号通道分别对应设置各自信号的电气隔离部件。
所述的I2C总线信号电气隔离装置中分别设置的DATA和CLOCK两种信号的电气隔离部件的控制电路是完全相同的。
所述的I2C总线信号电气隔离装置中的DATA和CLOCK两种信号的电气隔离部件中的接口电路是一个以电阻桥为主的电阻网络；其逻辑判断电路是一个双输入端的开环运算放大电路；其驱动电路是一个二输入端或门，其中一个输入端与逻辑判断电路的输出相连接，另一个输入端连接逻辑判断电路的冗余电路的输出；该驱动电路的输出通过传输线驱动对端的光电信号转换电路中的发光二极管，本端光电信号转换电路中的光敏三极管的输出则送至接口电路的电阻网络。
所述的光电信号转换电路是一个光电耦合器，该光电耦合器中的发光二极管是由对端电源网络供电，其光敏三极管则由本端的电源网络供电。
所述的两个电气设备的数字信号可以是I2C总线信号，也可以是其它相互连接的、非共地系统的两个电气设备的双向数字信号。例如双工串行通信信号、计算机系统中的通用控制接口(GPIO，General Purpose Input/Output)信号、数据总线信号、地址总线信号等。
本发明的技术特点是：采用比较简单的数字电路和模拟电路相结合的电路结构在两个非共地系统设备之间实现了双向数字信号传输时的有效电气隔离，避免了由于不共地干扰所造成的系统不稳定性和破坏性。该装置的电路结构具有较强的独立性，适合所有使用双向数字信号通信的各个系统之间的电气隔离。电路结构中使用的冗余判断电路及信号驱动电路，能够保证隔离电路工作的稳定性和可靠性；而且电路结构简单，容易实现，所用器件均为通用元器件，成本低廉，便于推广普及。当前，特别适用于应用范围广泛的I2C总线的电气隔离，能够保证I2C信号传输的可靠性和稳定性。
附图说明
图1是本发明装置的电路结构组成方框图。
图2是本发明装置应用于I2C总线进行电气隔离的一种实施例电原理图。
具体实施方式
参见图1，本发明是一种通用双向数字信号电气隔离装置，是由两个相互连接的、非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件所组成；该两个非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件的控制电路分别包括有：顺序连接的该数字信号的接口电路，用于判断该数字信号电平的高低、并将该数字信号的电平状态转换为光电信号转换电路的控制信号的逻辑判断电路，该数字信号的驱动电路，以及用于使两端电气设备实现电气隔离的光电信号转换电路。为了保证该数字信号的电平状态能够正确无误地被转换为光电信号转换电路的控制信号，在数字信号的驱动电路的输入端还分别设置有该数字信号的逻辑判断电路的冗余电路，所述的两个电气设备的数字信号电气隔离部件中的光电信号转换电路的输入端都是通过传输线与对端电气设备的电气隔离部件中的数字信号的驱动电路的输出相连接，且该输入端都是由对端的电源网络供电；其光电信号转换电路中的输出端的输出则作为本端电气隔离部件接收到的对端数字信号，并将该对端数字信号接入到本端数字信号的接口电路，该输出端则由本端的电源网络供电。
下面结合I2C总线的实施例具体介绍本发明的控制电路结构组成，I2C总线是由串行数据线SDL和串行时钟线SCL组成，其中DATA信号和CLOCK信号都是典型的单线双向传输信号。本发明的通用双向数字信号电气隔离装置应用于I2C总线时，应该为I2C总线的DATA和CLOCK两条信号通道分别对应设置各自信号的电气隔离部件，而且，这两种分别设置的DATA和CLOCK信号的电气隔离部件的控制电路是完全相同的，都包含有：I2C总线DATA(或CLOCK，下面省略之)信号的接口电路、DATA信号逻辑判断电路、DATA信号逻辑判断电路的冗余电路、DATA信号驱动电路和光电信号的转换电路。其电路结构框图也如图1所示。其中总线信号接口电路是DATA信号和CLOCK信号的接入点，因为I2C总线是双向传输的信号，所以接口电路应由DATA(IN/OUT)和CLOCK(IN/OUT)两部分组成。信号逻辑判断电路主要用来识别该总线信号的高低电平，并将该总线信号的电平状态转换成光电信号转换电路的控制信号；总线信号驱动电路是保证整个隔离电路的工作稳定可靠而设置的；光电信号转换电路是利用光电耦合器件能将电能转换成光能，再将光能转换成电能的性特实现了连接在I2C总线两端的电气设备的电气隔离。
I2C总线规范规定：在总线空闲状态时，DATA和CLOCK线都被一上拉电阻拉高至1.5V，所以总线信号接口电路的设计必须满足这一规范。另外，I2C总线规范对总线高低电平的幅值的要求是：大于2.1V的信号输入判断为高电平，小于0.9V的信号输入判断为低电平。所以总线信号接口电路及总线逻辑判断电路的设计都必须满足这个要求，并留有一定的余量。另外，由于I2C总线数据的DATA信号和CLOCK信号有同步关系，DATA信号是在CLOCK信号的上升边沿采样的，所以隔离电路中DATA和CLOCK两个信号通路的时延还必须满足I2C总线时序的要求。
针对上述I2C总线设计的基本要求，本发明装置采用了比较简单的数字电路和模拟电路相结合的方式实现了I2C总线的电气隔离，并保证了I2C信号传输的可靠性和稳定性。
由于本发明中对I2C总线的DATA和CLOCK两根信号线的处理是一样的，所以下面仅以其中一种信号线(例如CLOCK)或统称为总线说明整个隔离电路的实现方法。为了描述方便，对后面用到的名词先做如下说明：A、B设备(代表要实现I2C通信的两设备，他们的电源网络是各自独立的)；A电源网络(代表设备A所采用的电源)；B电源网络(代表设备B所采用的电源)；A光耦(代表输出端采用A电源网络供电的光电耦合器)；B光耦(代表输出端采用B电源网络供电的光电耦合器)。
参见图2，本发明在接口电路部分采用了一个由R1～R8构成的电阻桥为主的电阻网络，使得总线信号接入点的电平能满足I2C规范的要求，并且能将该总线信号的电平状态通过电阻网络的两个输出端A、B有效地传输到总线逻辑判断单元去。逻辑判断单元则采用了一级开环运算放大电路作为两个输入信号的比较器，当总线信号状态为高时，比较器输出为高，当总线状态为低时，比较器输出为低。逻辑识别电路输出的高低电平信号作为其中一个输入信号输入到总线信号驱动电路，总线驱动电路则采用一个二输入或门作为总线驱动器，它的输出信号用来驱动远端光电耦合器中的发光二极管，而或门的另一个输入端则接总线逻辑判断电路的冗余电路的输出，该冗余电路是从信号接入点通过一个零电阻接入的，它的输出和逻辑判断电路的输出逻辑关系是相同的，但产生的机制不同，这样就可以保证总线逻辑识别电路或冗余电路中的任何一个输出出错时通过或门也能够得到正确的输出，从而保证了电路的可靠性。本发明中的光电信号转换电路是采用了四个光电耦合器，针对I2C总线的DATA和CLOCK两个信号通路分别使用了两个光电耦合器。因为光电耦合器是实现互连的A、B两个设备之间电气隔离的关键器件，所以同一个光电耦合器中的输入端和输出端的电源网络必须分别采用A、B两设备的电源网络来供电，光电耦合器的输入端和输出端的供电是分开的，即其中发光二极管是由对端电源网络供电，其光敏三极管则由本端的电源网络供电。
下面具体说明该电路是如何实现I2C总线数据传输的。以CLOCK为例，假如数据方向为从A设备到B设备：当CLOCK为高电平时，A点电平高于B点，C点输出为高电平，此时冗余电阻R9的两端(即F点及D点)均为高电平，所以E点为高电平，此时B光耦无响应，B光耦的输出端g点为高电平，所以CLKB也为高电平，从而实现了高电平的传输；当CLOCK为低电平时，B点电平高于A点，C点输出为低电平(此时F点及D点均为低电平)，所以E点为低电平，此时B光耦响应，B光耦输出g为低电平，所以CLKB也为低电平，从而实现了低电平的传输。因为本发明的电路是对称的，所以当数据流向反过来时信号的工作原理是一样的，这里不再赘述。同时，从图中可以看出，光电耦合隔离电路在A、B两端的供电是相互独立的，虽然B端光耦的输入端是由A电源网络供电的，但由于光耦的输入端和输出端之间是通过光来实现联系的，所以它们在电气上是没有联系的，从而就实现了A、B两端的电气隔离。
本发明不仅可以在I2C总线上完全实现了I2C信号的电气隔离，而且，本发明的电路还可以应用在其它数字信号(例如串行通信信号、计算机系统中的GPIO信号等)的电气隔离中，在保证信号质量的基础上实现系统之间通信信号的有效电气隔离，完全实现了发明目的。在实际应用过程中，可以将A部分电路和B部分电路分别设计和安置在A设备和B设备中，并通过四根数据传输线(如图2中所示)将A、B两部分电路连接起来，实现数字信号的隔离传输。
Claims (8)
1、一种通用双向数字信号电气隔离装置，是由两个相互连接的、非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件所组成；其特征在于：该两个非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件的控制电路分别包括有：顺序连接的该数字信号的接口电路，用于判断该数字信号电平的高低、并将该数字信号的电平状态转换为光电信号转换电路的控制信号的逻辑判断电路，该数字信号的驱动电路，以及用于使两端电气设备实现电气隔离的光电信号转换电路；所述的两个电气设备的数字信号电气隔离部件中的光电信号转换电路的输入端都是通过传输线与对端电气设备的电气隔离部件中的数字信号的驱动电路的输出端相连接，且该输入端都是由对端的电源网络供电；其光电信号转换电路中的输出端的输出则作为本端电气隔离部件接收到的对端数字信号，并将该对端数字信号接入到本端数字信号的接口电路，该输出端则由本端的电源网络供电。
2、根据权利要求1所述的通用双向数字信号电气隔离装置，其特征在于：所述的该两个非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件的控制电路可在其中的数字信号的驱动电路的输入端分别设有该数字信号的逻辑判断电路的冗余电路，用于保证该数字信号的电平状态能够正确无误地被转换为光电信号转换电路的控制信号；所述冗余电路是由数字信号接入点通过零电阻接入的。
3、根据权利要求1所述的通用双向数字信号电气隔离装置，其特征在于：所述的两个电气设备的数字信号是集成电路之间的总线信号-I2C总线信号时，该电气隔离装置应该为I2C总线的DATA和CLOCK两条信号通道分别对应设置各自信号的电气隔离部件。
4、根据权利要求3所述的通用双向数字信号电气隔离装置，其特征在于：所述的I2C总线信号电气隔离装置中分别设置的DATA和CLOCK两种信号的电气隔离部件的控制电路是完全相同的。
5、根据权利要求1所述的通用双向数字信号电气隔离装置，其特征在于：所述的该两个非共地系统的电气设备的数字信号电气隔离部件的控制电路可在其中的数字信号的驱动电路的输入端分别设有该数字信号的逻辑判断电路的冗余电路，用于保证该数字信号的电平状态能够正确无误地被转换为光电信号转换电路的控制信号，该冗余电路是由数字信号接入点通过零电阻接入的；所述的两个电气设备的数字信号是集成电路之间的总线信号-I2C总线信号时，该电气隔离装置应该为I2C总线的DATA和CLOCK两条信号通道分别对应设置各自信号的电气隔离部件
6、根据权利要求5所述的通用双向数字信号电气隔离装置，其特征在于：所述的I2C总线信号电气隔离装置中的DATA和CLOCK两种信号的电气隔离部件中的接口电路是一个以电阻桥为主的电阻网络；其逻辑判断电路是一个双输入端的开环运算放大电路；其驱动电路是一个二输入端或门，其中一个输入端与逻辑判断电路的输出相连接，另一个输入端连接逻辑判断电路的冗余电路的输出；该驱动电路的输出通过传输线驱动对端的光电信号转换电路中的发光二极管，本端光电信号转换电路中的光敏三极管的输出则送至接口电路的电阻网络。
7、根据权利要求1或2或3所述的通用双向数字信号电气隔离装置，其特征在于：所述的光电信号转换电路是一个光电耦合器，该光电耦合器中的发光二极管是由对端电源网络供电，其光敏三极管则由本端的电源网络供电。
8、根据权利要求1所述的通用双向数字信号电气隔离装置，其特征在于：所述的两个电气设备的数字信号可以是I2C总线信号，也可以是其它相互连接的、非共地系统的两个电气设备的双向数字信号。
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