CN1731788A - 一种通信设备的接口及使用该接口的接口转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通信设备的接口，包括与网口信号线连接的网口处理电路，以及串口收发处理电路，所述串口收发处理电路通过网口的空闲线进行串口信号的收发。另外，本发明还提供一种接口转换器，包括依次连接的外部设备接口连接器、电缆及串口连接器，所述串口连接器包括网口连接头，所述电缆通过所述网口连接头与网口的空闲线连接，收发串口信号。本发明通过在通信设备的接口增添串口收发处理电路，将接口连接器通过网口连接头与所述通信设备的接口的空闲线对连接，实现通信设备网口与串口的复用，从而减少设备接口数量，减小接口转换器的体积。

Description

一种通信设备的接口及使用该接口的接口转换器

技术领域

本发明涉及通信系统中不同设备间的接口互联技术，具体涉及通信设备的接口及使用该接口的串口电缆。

背景技术

在通信系统中，由于不同设备的信息格式、信息类型以及电平之间存在差异，同时由于不同类型接口的电气特性及传输协议不同，不同设备间的数据交换需要进行相应的转换。目前通常通过接口转换器实现不同设备间接口的转换。图1为该类接口转换器的一种实物图，接口转换器通常包括连接外部设备的接口连接器，该接口连接器目前使用的通常为USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)，以及电缆和串口连接器。USB接口连接器包括USB接口连接头、实现USB接口到串口的转换USB串行通信转换模块、以及为该串行通信转换模块提供电源的电压变换模块；串口连接器包括串口连接头以及将串口电压转换成TIA/EIA(Telecommunication Industry Association/ElectronicsIndustry Association，电信工业联合会/美国电子工业协会)RS232标准电平信号的电平转换电路。

目前的接口转换器通常使用通信设备提供的串口进行接口转换，较常见串口为DB9(标准通信接口)形式接口，通常信号线数量为9芯，使得电平转换电路复杂，而在实际使用中部分信号线为空闲线，处于闲置状态，大多数通信设备都是使用收、发信号线就可以完成数据交换，因而该类接口成本较高。另外，由于与串口连接的接口转换器的串口连接器尺寸较大，不利于节省设备的外形设计。更进一步，由于目前对于该接口转换器的电平转换电路中存在较多的有源元件，消耗较大的电流，串口连接器端不具备热拔插功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：提供一种通信设备的接口及使用该接口的接口转换器，能够充分利用设备端口实现外部设备接口到串口的转换，同时减小串口连接器的尺寸，节省成本；

进一步，提供一种通信设备的接口及使用该接口的接口转换器，使串口连接器端能够支持热拔插功能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种通信设备的接口，包括：与网口信号线连接的网口处理电路，还包括：串口收发处理电路，所述串口收发处理电路通过网口的空闲线进行串口信号的收发。

优选的，还包括与所述网口的空闲线与板内地连接的防护器件。

其中，所述防护器件为瞬变电压抑制二极管或压敏电阻。

优选的，还包括与所述防护器件和所述串口收发处理电路连接的滤波装置。

其中，所述滤波装置为共模抑制电感和/或阻容滤波网络。

优选的，所述通信设备接口还包括连接于网口信号线与保护地之间的衰减电路，其中该衰减电路还与所述网口的空闲线连接。

另外，所述串口收发处理电路与所述网口空闲线之间还包括整形电路。

进一步，所述串口收发处理电路与所述网口空闲线之间还包括电平转换电路。

本发明还提供一种接口转换器，包括依次连接的外部设备接口连接器、电缆及串口连接器，所述串口连接器包括网口连接头，所述电缆通过所述网口连接头与网口的空闲线连接，收发串口信号。

其中外部设备接口连接器为USB接口连接器。

优选的，所述串口连接器还包括隔离器件。

其中，所述隔离器件为光电耦合器或隔离变压器。

其中，所述电缆为四芯电缆。

进一步，所述串口连接器还包括电平转换电路，所述电平转换电路的输出电平为逻辑电平或串口输出电平。

其中，所述电缆包括：接地线、输入信号线、输出信号线以及扩展线或驱动线；

所述接地线位于所述输入信号线与所述输出信号线之间，所述驱动线用于为所述电平转换电路提供驱动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供一种接口转换器和一种通信设备的接口，通过在通信设备的接口增添串口收发处理电路，将接口连接器通过网口连接头与所述通信设备的接口的空闲线对连接，实现通信设备网口与串口的复用，从而减少设备接口数量，减小接口转换器的体积。

另外，本发明通过在所述网口连接头中和通信设备的接口中分别增添隔离电路，使得串口具备热拔插功能。

本发明的接口转换器选用四芯电缆，与USB接口形状较吻合，降低结构设计复杂度。

进一步，本发明在接口转换器和通信设备的接口中分别设置电平转换电路，平衡网口两侧电平，并提供逻辑电平供电方式，简化电平转换，节省元件数量、降低功耗，支持串口的热拔插。

本发明的接口转换器的电缆将接地线置于接入信号线与输出信号线之间，从而减少串扰可能性。

本发明的通信设备的接口保留原来网口的衰减电路，并增加滤波网络进一步避免网口有害信号进入串口。

另外，本发明的通信设备的接口，还包括整形电路，避免逻辑器件长时间处于临界状态造成的逻辑误操作。

附图说明

图1是现有技术中接口转换器的实物图；

图2是本发明中接口转换器的示意图；

图3是第一实施例中接口转换器的原理框图；

图4是第一实施例中隔离器件的电路原理图；

图5是本发明中通信设备的接口的原理框图；

图6是本发明中通信设备的接口的网口隔离电路及防护器件的电路原理图；

图7是第二实施例中接口转换器的原理框图；

图8是第二实施例中隔离器件的电路原理图。

具体实施方式

通信系统中不同设备之间存在不同类型接口互联问题，不同类型接口电气特性及传输协议不同，因此不同通信设备进行数据通信时需要进行转换。本发明的设计思想是在通信设备接口数量有限情况下，将通信设备的网口及串口进行复用，也就是说将通信设备串行接口的数据通过网络接口及转换电缆完成串行接口到外部设备接口的转换时，串口通过使用网口空闲线对完成串行信号传输。欲实现该目的本发明提供一种使用该网口的接口转换器，并对该网口作出一定的改进，已使其具备串口的数据处理功能。

本发明所述的接口转换器，包括依次连接的外部设备接口连接器、电缆及串口连接器，与现有技术不同，为了与网口匹配，所述串口连接器为网口连接头，现有技术的串行接口连接比较复杂，接口连接器尺寸较大，不利于节省设备的外形尺寸，尤其对于低成本设备来说，体现尤为明显。对于存在网口的通信设备而言，尤其是对于10/100M网口，收发数据仅使用其中一部分线对，其余线对处于空闲状态，因此本发明将空闲线对加以利用，将所述电缆通过所述网口连接头与网口的空闲线对连接，将接口数据由外部设备接口连接器传输至通信设备的接口。由于目前外部设备接口连接器通常使用USB接口连接器，因此以下以USB接口为例进行阐述，其他形式的外部设备接口连接器可以得出类似结论，不再赘述。

由于USB接口支持即插即用，存在反复拔插的可能性，为了防止产生的ESD(Electrostatic discharge，静电放电)信号就可能进入串口部分，导致另一侧的设备接口元件损坏，因此本发明的接口转换器的串口连接器带有隔离器件，所述隔离器件可以选择光电耦合器、变压器隔离或其它类型隔离器件。

本发明的接口转换器串口输出形式可选标准RS232串口输出电平或逻辑电平形式，对于节省成本考虑可以使用逻辑电平设计方式，采用隔离电路隔离，使得串口具备热拔插功能，同时采用端口间隔离方式可以大大降低ESD等有害信号进入串口的机会，保证设备长期使用的可靠性。对于需要较长距离传输场合，本发明提供使用RS232电平传输方式，同时提供两种供电方案，对于可以不采取隔离方式电缆，电平转换电路供电由USB电源提供；对于需要隔离情况，电缆供电由提供串口的通信设备供给电源驱动。两种方案的串口线两侧均增加电平转换电路。

由于对于不需要硬件流控接口设备，RS232接口的硬件握手及流控信号线均可以去掉，因此串口信号只需要TXD、RXD及GND信号即可，这样可以降低连接的复杂度，容易实现电气隔离。串口连接电缆可以在现有的电缆中任选四根，也可以采用四芯扁形电缆连接，由于该四芯电缆与USB接口形状比较吻合，降低结构设计复杂度。

本发明的接口转换器在连接网口的空闲线对时，考虑串扰的可能性，将GND线放在TXD信号线及RXD信号线之间，另外一根线作为驱动线使用，为电平转换电路提供驱动；若实际设计中不需要使用该信号线，如采用USB供电方式或者电平转换电路的输出信号方式为开漏方式，则对该线采用端接技术，以便减少外界干扰的进入的可能性，可以作为扩展线，设备用于定义为其它功能使用。

为了使通信设备的接口具备串口的功能，本发明还提供一种通信设备的接口，除了现有技术的网口处理电路，还包括串口收发处理电路，所述串口收发处理电路通过网口的空闲线对与接口转换器连接。

本发明通过在所述网口设置隔离、滤波器件将串口连接走线、信号对网口性能、指标的影响减到最小，使得网口各项测试指标仍然符合相关标准要求。在端口正常情况下作为网口使用时，由于走线较长且经过的环境比较复杂，如会经过高压电源模块或经过室外走线。因此在外界环境突变时，网口走线就会耦合到较大尖峰信号，如EFT(Electrical fast transient，电快速瞬变脉冲)、浪涌等有害信号，串口如果未经过隔离直接连接到板内芯片引脚上，则损坏的可能性很大，因此必须在串口收发处理电路的串口信号线上增加防护器件，TVS管(Transient Voltage Suppressors，瞬态电压抑制器)是一种很好的选择，在引脚部分增加电阻、电容元件，可以较好抑制有害信号的进入。但纯粹使用TVS管防护由于体积限制，防护等级较低，因此该类设备使用时对于网线布线存在一定的限制，不可以室外走线，尽量避免走高压电源附近，系统最好有良好的接地措施。TVS通常靠近串口输入端，接于网口空闲线与板内地之间。另外，对于防护器件同样可以选择压敏电阻等器件。

为了最小化复用串口对网口收发产生的影响，需要对复用的网口引脚进行处理。网口差分线对之间、差分线和外界之间均存在相互影响，因此本发明的通信设备的接口保留网口现有的衰减电路，并在网口空闲线和保护地之间增加滤波元件。一般串口信号线会经过数字电源与地，因此可能存在数字噪声，本发明的通信设备的接口还装有防止数字噪声耦合到网口信号内部的滤波装置，所述滤波装置为共模抑制电感和/或阻容滤波网络。该共模抑制电感串接于网口空闲线与串口处理电路之间，共模抑制电感选择以不影响串口信号传输为原则。所述阻容滤波网络包括互相连接的电容和电阻，所述电阻与电容的结点与网口的空闲线连接，电阻的另一端与串口处理电路连接，电容的另一端与板内地连接。在正常用于网口情况下，设备不要驱动串口输出，以便不对网口正常信号收发产生影响，可以采用被动的接口驱动方式。即设备软件不主动向外发送输出，只在有接收时才进行响应，以便不影响网口信号。

本发明的接口转换器中，由于隔离元件信号边沿电压摆率较小，可能会导致普通逻辑元件处于长时间临界状态，因此在所述通信设备的接口中增加整形电路，可以避免逻辑误动作。

同样，在通信设备的接口电路中，根据不同需求采用不同电平及转换方法，保证和电缆接口电平的一致性，需要增添电平转换电路。

以下列举本发明的两个具体实施例。

第一实施例：本实施例中的接口转换器，电缆选用四芯扁形电缆，与其对应的通信设备网口为10/100M网口，网口收发数据的线对使用四根线1、2、3、6，其余四根线4、5、7、8处于空闲状态，作为串口信号线用于串口信号连接。接口转换器采用光隔离器，接口转换器的电平转换电路的输出电平为逻辑电平，由于电平转换电路通过串口信号线直接供电，因此其中一根空闲线作为扩展线使用。

首先介绍接口转换器的实现方法。

图2为该接口转换器的外形示意图。接口转换器包括USB接口连接器1、电缆2及网口连接头3，网口连接头3使用标准RJ45连接头。

图3为本实施例中接口转换器的原理框图。该USB接口连接器1包括USB接口连接头310，采用A类接口，要求符合USB1.1和USB2.0标准要求；USB接口串行通信转换模块311，将USB信号序列转换为串行信号序列；另外，由于USB信号序列所需电压与串行信号序列所需电压不同，因此还包括与该USB接口串行通信转换模块311连接的电压变换模块312。

本实施例中串口输出形式为了节省成本使用逻辑电平设计方式，在网口连接头3包括隔离器件331，该隔离器件选择光隔离器。图4为所述光隔离器在网口连接头3中的电路原理图。图4中包括两个光隔离器，分别与串口信号的输入端和输出端连接，隔离来自两路信号的有害信号。光隔离器的光耦反应时间一般为us级别，对于传输导线比较短来说，可以认为是集中式系统即不考虑线路分布参数的系统，例如上升时间Tr＝2us，下降时间Tf＝2us，根据Lmax＝Tr/(6×Delay)来计算，信号延迟与电缆分布参数有关，一般每inch为几十到几百ps延时大小，计算结果和实际使用距离比较，如果使用2m左右的传输电缆则不必考虑传输线的影响，如果电缆线径较小，应当考虑导线阻抗对信号的衰减，根据直流阻抗大小，选择合适的驱动电流大小。如果存在没有使用的空闲线需要通过加拉电阻等方式，减少干扰的进入。另外，由于USB接口串行通信转换模块311的串行信号电压与串口输出电压不同，因此在串口连接器3一端还包括电压转换电路332。

电缆2的四芯分别连接网口RJ45的空闲线对，考虑串扰的可能性，将GND线放在TXD信号线及RXD信号线之间，另外一根线作为扩展线。由于采用逻辑电平，通过串口信号线的传输数据提供，因此支持带电拔插功能，方便用户使用。串口收发支持全双工及半双工方式传输。串口传输速率可以根据用户需要进行配置，支持速率配置功能，接入信号线上具备防护浪涌功能。

通信设备的接口引脚形式及信号定义和接口转换器完全一致，根据不同需求采用不同电平及转换方法，保证和电缆接口电平的一致性，该类接口转换器需要与该类通信设备网口配合使用。为了最小化复用串口对网口收发产生的影响，需要对复用的RJ45引脚进行处理。图5为本实施例中通信设备的接口的原理框图。所述通信设备的接口包括网口媒介接入控制层及物理层的处理电路51、网口衰减电路52、串口收发处理电路53、滤波装置54、电平转换电路55，整形电路56、以及隔离器件57。

图6为通信设备的接口中网口防护电路的原理图。该防护电路包括：衰减电路52、网口隔离器件57、滤波装置54组成。衰减电路52为网口本来存在的衰减电路，由串接的电容和电感组成的四条并联支路接于网口的空闲线对4、5以及网口信号线7、8与保护地之间；隔离器件57由抑制网口高电压的防护器件TVS组成，连接于网口的空闲线对4、5与保护地之间。另外，滤波装置包括抑制噪声的共模抑制电感L3、以及抑制高电压脉冲的阻容滤波网络由串接的C1、L1与C2、L2分别连接于串口的两条信号线支路。

第二实施例：本实施例中的接口转换器，电缆选用四芯电缆作为信号线，与其对应的通信设备网口为10/100M网口，网口收发数据的线对使用四根线1、2、3、6，其余四根线4、5、7、8处于空闲状态，用于串口信号连接。接口转换器采用隔离变压器，对于需要较长距离传输场合，本实施例提供RS232电平传输方式，接口转换器的电平转换电路由通信设备通过驱动线提供电源。

首先介绍接口转换器的实现方法。

图7为本实施例中接口转换器的原理框图。该USB接口连接器1包括USB接口串行通信转换模块311，将USB信号序列转换为串行信号序列；另外，由于USB信号序列所需电压与串行信号序列所需电压不同，因此还包括与该USB接口串行通信转换模块11连接的电压变换模块312。

本实施例中串口输出形式为RS232串口电平设计方式，在网口连接头3包括变压器隔离器件731。图8为所述隔离变压器在网口连接头3中的电路原理图；同样，本实施例中包括两个隔离变压器，分别与串口的两路信号线连接，隔离两条支路的有害信号相互影响。

另外，由于USB接口串行通信转换模块311的串行信号电压与串口输出电压不同，因此在串口连接器3一端还包括电压转换电路732，与第一实施例不同，电源由通信设备提供。电缆2分别连接网口RJ45的空闲线对，作为串口的信号线，所述串口信号线包括GND线、TXD信号线、及RXD信号线，另外一根线作为驱动线，通信设备通过驱动线为电平转换电路提供驱动。

通信设备的接口引脚形式及信号定义和接口转换器完全一致，根据不同需求采用不同电平及转换方法，保证和电缆接口电平的一致性，该类接口转换器需要与该类通信设备网口配合使用。为了最小化复用串口对网口收发产生的影响，需要对复用的RJ45引脚进行处理。图5为本实施例中通信设备的接口的原理框图。所述通信设备的接口包括网口媒介接入控制层及物理层的处理电路51、网口衰减电路52、串口收发处理电路53、滤波装置54、电平转换电路55，整形电路56、以及隔离器件57、网口连接头50。

图6为通信设备的接口中网口防护电路的原理图。该防护电路包括：衰减电路52、网口隔离器件57、滤波装置54组成。衰减电路52为网口本来存在的衰减电路，由串接的电容和电感组成的四条并联支路接于网口的空闲线对4、5以及网口信号线7、8与保护地之间；隔离器件57由抑制网口高电压的防护器件TVS组成，连接于网口的空闲线对4、5与保护地之间。另外，滤波装置包括抑制噪声的共模抑制电感L3、以及抑制高电压脉冲的阻容滤波网络由串接的C1、L1与C2、L2分别连接于串口的两条信号线支路。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1、一种通信设备的接口，包括：与网口信号线连接的网口处理电路，其特征在于，还包括：串口收发处理电路，所述串口收发处理电路通过网口的空闲线进行串口信号的收发。

2、根据权利要求1所述的通信设备的接口，其特征在于，还包括与所述网口的空闲线与板内地连接的防护器件。

3、根据权利要求2所述的通信设备的接口，其特征在于：所述防护器件为瞬变电压抑制二极管或压敏电阻。

4、根据权利要求3所述的通信设备的接口，其特征在于：还包括与所述防护器件和所述串口收发处理电路连接的滤波装置。

5、根据权利要求4所述的通信设备的接口，其特征在于：所述滤波装置为共模抑制电感和/或阻容滤波网络。

6、根据权利要求1所述的通信设备的接口，其特征在于：所述通信设备接口还包括连接于网口信号线与保护地之间的衰减电路，其中该衰减电路还与所述网口的空闲线连接。

7、根据权利要求1所述的通信设备的接口，其特征在于：所述串口收发处理电路与所述网口空闲线之间还包括整形电路。

8、根据权利要求1所述的通信设备的接口，其特征在于，所述串口收发处理电路与所述网口空闲线之间还包括电平转换电路。

9、一种接口转换器，包括依次连接的外部设备接口连接器、电缆及串口连接器，其特征在于：所述串口连接器包括网口连接头，所述电缆通过所述网口连接头与网口的空闲线连接，收发串口信号。

10、根据权利要求9所述的接口转换器，其特征在于：所述外部设备接口连接器为通用串行总线接口连接器。

11、根据权利要求10所述的接口转换器，其特征在于：所述串口连接器还包括隔离器件。

12、根据权利要求11所述的接口转换器，其特征在于：所述隔离器件为光电耦合器或隔离变压器。

13、根据权利要求10所述的接口转换器，其特征在于：所述电缆为四芯电缆。

14、根据权利要求9至13中任意一项所述的接口转换器，其特征在于：所述串口连接器还包括电平转换电路，所述电平转换电路的输出电平为逻辑电平或串口输出电平。

15、根据权利要求14所述的接口转换器，其特征在于，所述电缆包括：接地线、输入信号线、输出信号线以及扩展线或驱动线；

所述接地线位于所述输入信号线与所述输出信号线之间，所述驱动线用于为所述电平转换电路提供驱动。

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