CN1361949A - 双向连接线用的带光耦合器的电隔离器件 - Google Patents

Abstract

双向连接线(CTL[0∶1],D[0∶7])用的一种电隔离器件,它在高频下可靠地操作,并能容易地被集成在一个芯片上。根据第一实施方式,为电隔离的目的,每根双向连接线设置有两个单独的耦合器(311,312)。控制单元(33)估算由两个电路单元(10,20)之一输出的控制信号,并据此激活两个光耦合器中的一个,而同时使另一个光耦合器不激活,以便用这种方法,允许信号通过相关联的连接线在一个方向上传送。在本发明的第二实施方案中,每根双向连接器只设置有一个光耦合器。在这个解决方法中同样设有控制单元(33),不同之处是在这种情况下,它通过相应的电路器件(32),转变光耦合器的有效方向,因而再次实现信号通过相关联的连接线在一个方向上传送。

Description

双向连接线用的带光耦合器的电隔离器件

本发明涉及使用光耦合器的双向连接线/总线所用的电隔离器件。

本发明以独立权利要求1和2的类属型双向连接线所用的电隔离器为基础。如果多个独立的设备通过连接线互连，那么就常常需要在互连部件之间提供电隔离。这一点特别适用于被连接的设备以例如分布的方式被安装在大厦中的情况。这是因为在这种情况下，设备之间可能出现相当大的电位差，它是由例如电源线上的不同电位引起的。这种电位差可在从几毫伏到若干伏的范围内出现。这种类型的电位差可能表现出较高的或较低的稳定性。它们可随例如大厦中的瞬时总电源消耗而变。但它们也可能在刹那间发生毁坏性故障，例如大厦本身或大厦附近遭受雷击。

在不怎么严重的情况下，只是经总线连接运行的数据信号和/或控制信号被恶化。但它们也导致被连接的电路部件毁坏。

由于连接引起的不良接收地回路问题经常发生。感应电流可能流过总线连接电缆的屏蔽层，并同样可使被传送的数据信号变坏。如果感应电位差足够大，碰巧触模到相关总线连接电缆的人，也可能被伤害。

因此，对以连接线相互连接的台站，要求完全的电隔离是必要的。

一个对相互连接的部件要求电隔离的总线系统的例子，是IEEE 1394总线标准，它近来日趋重要，这种总线的精确名称读作：IEEE Std 1394-1995，“IEEE Standard for a high performance serial bus”(“高性能串行总线IEEE标准”)，12.12.1995。

总线系统所必须包括的是：两对数据线，两对电源线即地线和Vcc，还有总线连接电缆中的电缆屏蔽。两对数据线允许同步串行数据传送。总线系统的许多杰出性能之一也许是它有可能以每秒100兆比特至每秒400兆比特的极高速率传送数据。

至于经总线相互连接的站间电隔离的实现，上述标准的附录J.6中规定了两种明确的电路实现。在两种情况下，可在数据链接层模块与物理层模块之间完成电隔离。由电阻器和电容器适当连接起来的变换器，被用作一种情况下的电隔离，电容去耦则被提供用作另一种情况下的电隔离。但这些解决办法已设定数据链接层模块和物理层模块表现为独立的芯片。回顾表明，两个模块之间的电容隔离实际上在高频情况下，不能成为可靠的解决办法。信号恶化和干扰辐射的情形已有发生。在使用变换器作电隔离的情况下又有不利之处，即如果想把总线接口的数据链接层模块和物理层模块集成在单个芯片上，就不能再用这一解决办法。

另外，已知的还有使用所谓光耦合器用于相互连接的电路单元的电隔离。

本发明的目的是提供一种具体应用于双向连接线的电隔离器件。即使在很高的频率下，所述双向连接线也能可靠地工作，并可很容易地被集成于一个芯片上。

利用独立的权利要求1和2的特征，可达到这个目的。根据本发明的第一实施方式，双向连接线用的电隔离器包括：每个双向连接线用的两个单独的光耦合器，和控制单元，所述控制单元产生切换信号，这些切换信号是以依赖于由两个电路单元之一输出的控制信号的方式产生的，这些切换信号，通过相应的开关，激活两个光耦合器中的一个，而使另一光耦合器不激活，因此，允许在一个方向通过连接线传送信号。这种解决办法不要求可集成性较差的部件例如变压器。此外，上述控制单元能以简单的方法被构成，并能容易地被集成在一个芯片上。

与权利要求2相一致的本发明的第二个解决办法能在每根双向连接线上仅用一个光耦合器便解决问题。通过下述这样的方法修改控制单元便可达到这一点：在某种意义上根据相互连接的两个电路单元之一输出的控制信号，所述控制单元使双向连接线所关联的光耦合器转变有效方向。在这种情况下，只需要为切换操作提供两个以上的开关。这种开关的实现，对芯片设计来说不成问题。因此，这种解决办法能提供能以特别简单的方式被集成的电隔离器件。

借助于从属权利要求中表明的方法，能够进一步有利地开发和改进权利要求1和2的电隔离器件。根据权利要求4，电隔离器件可很有利地被提供在总线接口的数据链接层模块和物理层模块之间。如果这种解决办法被用在IEEE 1394总线接口的情况下，对各个控制单元来说，能满足估算两个模块之间的连接总线的两根控制线CTL[0：1]上的控制信号，以便激活相应的光耦合器或转变光耦合器的有效方向。

特别是，三态驱动器可方便地用作开关，用于在光耦合器之间进行转换或转变光耦合器的有效方向，所述三态驱动器由控制单元进行相应的驱动。

本发明的示范实施例在附图中被以图像说明并在下面的描述中被更详细地解释。在图中：

图1表示根据IEEE 1394标准，在数据链接层模块与物理层模块之间的连接线；

图2表示数据连接层模块，电隔离器件和物理层模块的基本安排；

图3表示根据本发明第一示范实施例的电隔离器件的结构；

图4表示如图3中所示的电隔离器件的控制单元状态图；

图5表示根据本发明第二示范实施例的电隔离器件的结构。

具体实施方案

本发明是通过IEEE 1394总线接口用的电隔离器件的实例来进行解释。图1表示IEEE 1394总线接口基本结构。后者包括两个模块：数据链接层模块10和物理层20。这两个模块可被集成在单独的两个芯片上。但是，所希望的是这两个模块被一起集成到单个芯片上。模块之间的连接这样来实现，即用两根控制线CTL[0：1]，和例如8根双向数据线D[0：7]，还有一根从数据链接层模块出发的单向控制线LREQ，以及一根的物理层出发供系统时钟用的控制线SCLK。为清楚起见，也可以说通过未被图示而被连接至物理层模块20的外部连接线，实现至更远的IEEE 1395总线接口的连接。因此，数据链接层模块10包含将IEEE 1394总线接口连接至应用单元的连接。为了更详细地考虑模块即数据链接层模块和物理层模块操作的结构和方法，将参照上面已经提到的IEEE 1394标准。

根据IEEE 1394标准的规约，电隔离器件30被提供在数据链接层模块10和物理层模块20之间。这被图示在图2中。

第一示范实施例所用的电隔离器件30被表示在图3中，其中，光耦合器单元以参考号码31指示。这个单元包括两个独立的光耦合器件311，312。后者是并行反向连接的，以便使一个光耦合器的光发射元件被连接至与数据链接层模块10相连的双向连接线的那一部分，而另一个光耦合器的光发射元件是由与物理层模块20相连的双向连接线的那一部分馈送的。从范例中可看出，控制线CTL[0]被连接至光耦合单元31。在两个光耦合器之间，各自的三态驱动器32被连接至光耦合器单元31的每一侧。图示的这两个三态驱动器32由互补的使能信号 EN和EN开关。这将在下面作更详细的讨论。三态驱动器32有如下作用。它们可被切换到高阻抗状态或低阻抗状态，在低阻抗状态下，它们允许信号通过。如果我们假定数据链接层模块10那一侧的三态驱动器32被切换至低阻抗方式，那么信号流就有可能通过控制线CTL[0]，从物理层模块20经过下面的光耦合器312流向数据链接层模块10。相反的信号同时被禁止，因为物理层模块20那一侧的三态驱动器32同时被切换至高阻抗方式。与此同时，当然也可以使上面的光耦合器在同一时刻被切断。在相反的情况下，也就是说如果左边的三态驱动器32被切换至高阻抗方式而右边的三态驱动器32被切换至低阻抗方式，信号流就有可能通过控制线CTL[0]，从数据链接层10流向物理层模块20。三态驱动器32的状态改变，是借助于控制单元33所提供的控制信号EN和 EN实现的。为此目的，控制单元33估算两根控制线CTL[0：1]上的信号状态。为完成这一功能，时钟信号SCLK或从其中调整过的时钟信号，和复位信号，也附加地被馈送至控制单元33。

IEEE 1394标准为物理层模块20提供对双向连接线CTL[0：1]和[0：7]的控制。数据链接层模块10只有在物理层模块20放弃它对这些通向数据链接层模块10的线的控制时，才允许驱动这些双向连接线。关于物理层模块20在什么时候和怎样放弃它对双向连接线的控制，可在IEEE 1394标准的附录J中找到全部解释。满足IEEE标准规格说明的控制单元33的状态图，被表示在图4中，并在下面被更详细地解释。

在解释之前，还应指出，图3中所示带有三态驱动态32和光耦合器31的结构，必须被提供给数据链接层模块10与物理层模块20之间的每根双向连接线，这就是说被提供给控制线[0：1]和数据线[0：7]。对于两根单向控制线LREQ和SCLK来说，简单结构的光耦合器必须被提供在完整的电隔离器件中，不过，这个光耦合器按照这些线的单向性，只在一个方向上起作用。

控制单元33的状态图表示4种状态。在总线接口复位之后或者初始之后，控制单元33被置于IDLE(空闲)状态。在这种状态中，控制单元输出逻辑状态EN＝0和 EN＝1作为输出信号。这等效于图3左边的三态驱动器32转变为低阻抗状态，而右边的三态驱动器32转变为高阻抗状态。因而通过所有的双向连接线，信号流从物理层模块20流向数据链层10。如果在两根控制线CTL[0]和CTL[1]上的时钟周期中，逻辑电平1都被检测到，这种状态就被舍去。控制单元33于是被置于CHECK0。然后它等待两根控制线在下一时钟周期中的状态。如果两根控制线都有逻辑0状态，控制单元33被置于状态LINK(链接)。在所有其他情况下，控制单元33则返回IDLE状态。在LINK状态下，EN＝1和 EN＝0被输出作为输出信号。这等效于放弃通过双向连接线的对数据链接层模块10的控制。因此，图3左边的三态驱动器被置于高阻抗状态，而右边的三态驱动器被切换为代阻抗状态。因此，所有双向连接线的信号流，从数据链接层模块10出发流向物理层20。在这种状态下，如果逻辑0状态在两根控制线CTL[0：1]上，那么控制单元33脱离LLNK状态而转换为CHECK1状态。在这种状态下，进行一种检测，以确定在相继的时钟周期中是否逻辑0通过两根控制线同时被提供。如果是这种情况，控制单元33转回IDLE状态，否则，它转换为LINK状态。

现在参考图5，对根据本发明的电隔离器件的另一个实施例，作更详细的解释。相同的部件用与图3相同的参考符号指示。与图3所示的解决办法不同之处，就是在光耦合器单元31中，只为每个双向连接线提供一个光耦合器。但所述光耦合器的有效方向，在某种意义上随控制线CTL[0：1]上的信号而变。这是通过每根控制线上的4个三态驱动器实现的。在这种情况下，控制单元33是严格按与图3的范例相同的方法构成的。它按图4中所示的状态图运行。因此，在IDLE状态中，它将通过EN和 EN输出逻辑0和1。结果，图5左侧两个三态驱动器32中的第一个被切换为高阻抗方式，第二个三态驱动器32被切换为低阻抗方式。相应地，图5右侧两个三态驱动器32中的第一个同样被切换为高阻抗方式，另一个为低阻抗方式。于是信号流如下：通过数据D[0]的信号流，从作为发送机的物理层模块20出发，流向图5左侧第二个三态驱动器32，经过光耦合器去向图5右侧第二个三态驱动器32，并从这里流向数据链接层模块10。在另一个状态LINK中，逻辑信号1和0被输出在线EN和 EN上。这使信号流向转变。结果，数据链接层10作为发送机操作。数据经过图5左侧第一个第三态驱动器32，光耦合器单元31中的光耦合器，图5右侧第一个三态驱动器32，并从这里通往物理层模块20的输入端。

上述电隔离器件的实施例，不只是能有利地被使用于IEEE 1394总线标准。它们也能被应用于任何想要配备电隔离的双向连接线。这个问题在其他总线系统中也会发生。

Claims (6)

1.双向连接线用的带光耦合器的电隔离器件，一根连接线使两个电路单元(10，20)相互连接，其特征在于：每根双向连接线CTL[0：1]，D[0：7]设置有两个单独的光耦合器(311，312)，并设置有控制单元(33)，它以依赖于两个电路单元(10，20)之一输出的控制信号的方式，产生开关信号(EN， EN)，这种开关信号使两个光耦合器(311，312)中的一个激活，使另一个耦合器不激活，以便使信号通过相关联的连接线(CTL[0：1]，D[0：7])在一个方向上传送。

2.带光耦合器的电隔离器件，一根连接线使两个电路单元(10，20)相互连接，其特征在于：每根双向连接线(CTL[0：1]，D[0：7])设置有一个光耦合器，这个光耦合器被用于通过相关联的该连接线双方向传送信号；设置一控制单元(33)，它以依赖于两个电路单元(10，20)之一输出的控制信号的方式，产生开关信号(EN， EN)，这个开关信号使涉及相关联连接线(CTL[0：1]，D[0：7])的光耦合器转变有效方向，以便使信号通过相关联的连接线在一个方向上传送。

3.根据权利要求1或2所述的电隔离器件，其特征在于双向连接线(CTL[0：1]，D[0：7])既涉及数据线(D[0：7])，又涉及控制线(CTL[0：1])。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电隔离器件，其特征在于通过连接线相互连接的电路单元(10，20)，涉及连接接口特别是IEEE 1394总线接口的数据连接层块(10)和物理层块(20)的电路块。

5.根据权利要求4所述的电隔离器件，其特征在于相应的控制单元(33)根据IEEE 1394标准，对数据链接层块(10)和物理层块(20)之间的连接总线的两根控制线(CTL[0：1])上的控制信号进行估算。

6.根据权利要求1或5之一所述的电隔离器件，其特征在于被控制单元(33)切换为相应状态的三态驱动器(32)，被用于在光耦合器之间进行转换，或用于转变一个光耦合器的有效方向。

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