CN1763621A - 用于串行通信的usb－光纤转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子技术应用领域，其特征在于，含有：USB接口电路，该电路与PC机的通信端口即USB接口电路相连，由发送驱动电路与发送光纤电路串接而成的TTL信号发送电路，由接收驱动电路和接收光纤电路串接而成的TTL信号接收电路；所述USB接口电路的输入端接收USB接口差分信号，而TTL信号输出端分别与上述TTL发送及接收电路相连；所述的发送及接收光纤电路的光信号输出和输入端分别经过光纤和作为控制系统的变频器的光纤CAN通信网相连。本发明是一种高灵活性、高实时性、高可靠性的USB－光纤转换装置，具有线路原理简单，工作可靠，安装方便，灵活性高，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明属于电力电子应用技术领域，适用于PC机经串行通信系统后与控制系统之间的控制、监测以及其它通信数据传输等，特别是PC机与控制系统距离较远，控制系统接近强电，现场操作环境比较恶劣以及对控制的可靠性要求较高的场合，如兆瓦级的串行通信系统的应用现场。
背景技术
目前，光纤——这种新的通信载体已经逐渐应用于串行通信系统中，为外界用户经串行通信系统后与控制系统之间的通信提供了新的方式。PC机不仅要向控制系统发出指令，而且要实时监测控制系统的相关数据，既要保证高实时性，也要保证高可靠性。在通信系统中为了解决大容量、高速率数据传输问题，产生了光纤通信网。与双绞线和同轴电缆相比，光纤的低传输损耗使中继之间距离大为增加。除此以外，光缆还具有不辐射能量、不导电、没有电感，且光缆中不存在串扰以及光信号相互干扰的影响，也不会有在线路“接头处”感应耦合导致的安全问题。所以为进一步提高串行通信网络的性能，采用光纤作传输介质十分必要。
USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)是用来连接外围设备与计算机的新式接口，目前每一台计算机的PC机都至少有两个USB连接端口。标准的外围设备都已经改用USB接口来连接到PC机。USB的接头与连接端口不但体积小，而且可以利用集线器让多个USB设备同时连接到一个连接端口。安装USB设备不需要用户自己设定硬件与软件的选项，可以在计算机运行时连接或移除设备，操作系统会自动侦测USB设备的连接。Windows包含有标准外围设备的USB驱动程序，并且提供API函数让用户与设备通信。USB总线与现存的PC机操作系统具有良好的衔接接口，数据传输速度快，现场抗干扰能力强，可以充分利用PC机的资源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于在现场操作环境比较恶劣时PC机经串行通信装置后与控制系统之间的控制、监测以及其他通信数据交互的USB-光纤转换装置。
本发明的特征在于，该装置含有：USB接口电路3、发送驱动电路4、接收驱动电路5、发送光纤电路6、接收光纤电路7，其中：
USB接口电路3含有：
标准USB插口9，该插口设有：电源端VDD、接地端GND、差分信号输出端D+和D-，其中，差分信号输出端D+和D-与外部PC机1用户界面上的任选的USB插口互连，电源端VDD、接地端GND与所述的PC机1的相应端相连，并向所述的发送驱动电路4、接收驱动电路5、发送光纤电路6和接收光纤电路7供电；
USB控制器10，该控制器10的电源端和接地端依次分别经电感L与所述VDD和GND端相连，该控制器10的差分信号输入端分别经依次相连的电阻R、电感L后与所述D+、D-端相连；
发送驱动电路4，采用双通道的与非门驱动器8，该电路4的输入端与所述USB控制器10的标准TTL信号输入端TXD相连；
发送光纤电路6，该电路6的TTL信号输入端与所述的发送驱动电路4的相应信号端相连，该电路6输出的光信号经发送光纤后与外部的控制系统相应的光信号输入端相连；
接收驱动电路5，该电路5的标准TTL信号输出端与所述USB控制器10的相应输入端RXD相连；
接收光纤电路7，该电路7的TTL信号输出端与所述接收驱动电路5的相应输入端相连，该电路7的光信号输入端经接收光纤后与外部的控制系统的相应光信号输出端相连。
所述的控制系统是一个变频器，其中包括用以取代现有的工业现场总线结构的光纤CAN网络，CAN是英文Controller Area Network的缩略语。所述的USB-光纤转换装置有多个，他们通过同一个PC机(1)的多个USB端口实现对多个控制系统的实时的分布集中式控制。
本发明是一种用于串口通信的USB-光纤转换装置，它是一种高灵活性、高实时性、高可靠性的转换装置。利用PC机1的通信端口：USB接口，通过USB-光纤转换器的两根光纤实时的发送用户的控制指令，同时实时地接收控制系统的反馈信号和相关的实时数据，满足对串行通信系统中控制系统的高实时性、高可靠性要求，而且线路原理简单，工作可靠，安装方便，灵活性高，成本也比较低，见图1。
本发明是连接于PC机1经串行通信系统后与控制系统2之间的信号传输装置，其组成包括一个USB接口电路3、发送驱动电路4、接收驱动电路5、光纤发送电路6和光纤接收电路7，其特征是：
1)USB接口电路3可以与PC机1的通信端口：USB接口直接相连，USB-光纤转换装置可以任意选择PC机1的USB接口中的一个。
2)不需要外加电源，本发明的USB-光纤转换装置的电源完全取自PC机1。USB接口电路3采用标准的USB插口9，其中D+和D-差分信号通过接口电路3、发送驱动电路4、接收驱动电路5、光纤发送电路6以及光纤接收电路7转化为光信号实现与变频器控制系统之间的信号传输。USB接口的一个重要特性就是不需要外加电源。USB接口包含+5V的电源线与接地线，可以从PC机提供电源。在500mA下，USB外围设备可以直接使用信道提供的电源。本发明的USB-光纤转换装置最大所需电流小于300mA，USB接口完全可以驱动。
3)该USB-光纤转换装置属于标准外围设备，可以在Windows 2000及以上的操作系统中自动识别，不需要使用新的协议和新的驱动程序。在其它系统中可以手动识别。
4)该USB-光纤转换装置应用于串行通信系统中的光纤CAN网络，可以取代现有的工业现场总线结构。
5)分布集中式控制。多个USB-光纤转换装置可以通过同一台PC机1的多个USB端口实现对多个控制系统的实时控制。
采用在与PC机1的标准USB插口9相配合的USB接口电路3，其中USB控制器10可以实现接口协议的协调，本发明中采用的USB控制器10采用集成芯片PL-2303，它有以下特点：价格便宜；支持USB1.1规范；支持自动握手模式；256字节缓存器；支持多种数据格式和可编程的波特率发生器。
这一款USB控制器的以上特点使之成为本发明的首选。经过USB控制器10后，USB插口9的D+和D-差分信号转化为TXD和RXD的TTL标准信号，这一对标准TTL信号进入发送驱动电路4和接收驱动电路5。其中发送驱动电路4采用双通道的与非门驱动器8，本发明中驱动器8采用集成芯片DS75451，它具有输出电流大(可达300mA)，输出信号与TTL信号兼容，低阻抗、高电流速率的特点降低了光纤发送电路6中LED拖尾现象的影响。使整个发送电路速度快，传输延时少，引入的电磁干扰减少，接收驱动电路5采用了有效的抑制电磁干扰措施。
最后，经过发送驱动电路4和接收驱动电路5后，信号进入光纤发送电路6和光纤接收电路7，通过两根光纤与串行通信系统中控制系统2实现交互。
本发明特别适合于控制火电厂等场合大电机的串行通信系统中的远程用户控制，不仅可以灵活、实时、可靠的实现对系统的远程控制，而且光纤无电气连接，不会对用户造成任何危险。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1.本发明已有技术的电原理图；
图2.本发明的电原理图；
图3.本发明实施例的USB接口电路3电原理图；
图4.本发明实施例的发送驱动电路4和接收驱动电路5的电原理图；
图5.本发明实施例的发送光纤电路6和接收光纤电路7的电原理图。
图1为本发明的已有技术的电原理图，连接用户界面PC机1和串行通信系统中控制系统2的USB-光纤转换装置，这里的串行通信系统为串行通信系统中系统，采用双通道传输，其中一根光纤负责光信号的发送，一根光纤负责光信号的接收。采用分布集中式管理，通过多个USB-光纤转换装置实现对多个变频器的实时控制。串行通信系统中控制系统2采用光纤CAN网络，控制系统2的信号采用光纤传输，控制系统2留有光纤接口，USB-光纤转换装置可以直接通过光纤与控制系统2相通信。用户通过界面接口程序发出控制指令信号，经过PC机1的USB插口9以差分信号的形式进入USB-光纤转换装置，经过该装置转换为光信号通过光纤连接至控制系统2的光纤接口，实现与串行通信系统中控制系统2的通信。
图2为本发明的电原理图，连接用户界面PC机1和串行通信系统中控制系统2的USB-光纤转换装置，采用一个USB接口电路3，用户通过PC机1发出指令，从USB插口9输入差分信号到USB接口电路3，在电路3中利用USB控制器10将差分信号分为两个独立的TTL信号：发送信号TXD和接收信号RXD，分别进入发送驱动电路4和接收驱动电路5，经过了驱动电路后，发送信号TXD和接收信号RXD再分别进入发送光纤电路6和接收光纤电路7转化为光信号通过光纤送出，实现与串行通信系统中控制系统2的通信。
图3是本发明实施例的USB接口电路3电原理图。USB控制器10的输入为标准的USB插口信号9，包括：VDD，+5V电源；D+、D-，差分数据信号；GND，电源地。输出为标准的TTL信号TXD和RXD。USB控制器10工作在12MHz晶振下。USB插口9的信号在进入USB控制器10之前，要经过磁珠电感L，L的取值为14mH；D+、D-差分数据信号在经过磁珠电感L后，还需经过限流电阻R转化为电流信号进入USB控制器10，R的取值为27欧姆。
图4是本发明实施例的发送驱动电路4和接收驱动电路5的电原理图。其中，C1为电解电容，它的取值是4.7uF，C2的取值为0.1uF。限流电阻R1的取值为56-68欧姆，取值范围的确定将在图5的说明中详述。放电电阻R2的取值为2kΩ左右。VDD为+5V电源，GND为电源地。TXD信号输入双通道与非门驱动器8变换为信号2，VDD经过限流电阻变换为信号1，信号1和信号2进入发送光纤电路6。VDD、GND经过滤波电容C2以信号3、4的形式和RXD信号的变换信号5共同进入接收光纤电路7。
图5是本发明实施例的发送光纤电路6和接收光纤电路7的电原理图。本发明中采用标准的光纤收发电路HFBR1521/2521，这一对电路的最大数据传输率为5MBd/s，通过塑料光纤(POF)传输，安装简单，费用较低。发送光纤电路6内部有一发光二极管LED，它是电流驱动的，驱动电流I1的典型值为60mA，发光二极管的管压降V1为1.65V，它在正常工作时的电流范围为50-60mA，以保证光纤输出足够的光强，限流电阻R1依据式R1＝(VDD-V1)/I1计算，取值范围为56-68欧姆。从图4的电原理图可以看出，当发送光纤电路6工作时，即发光二极管LED点亮时，限流电阻R1中通过电流，当发送光纤电路6不工作时，即发光二极管LED熄灭时，限流电阻R1中不通过电流。这样可以使整个系统减少大约10W的功耗。放电电阻R2的功能是提供放电回路，由于发送光纤电路6内的发光二极管在开关时存在电容，R2提供放电回路可以增快开关速度，取值为2kΩ左右。实际应用表明，限流电阻R1的温度保持在常温，在MHz以上的数据传输中，开关延迟减少30ns左右，开关速度明显加快，有效的提高了接口电路的可靠性。
Claims (4)
1.用于串口通信的USB-光纤转换装置，其特征在于，该装置含有：USB接口电路(3)、发送驱动电路(4)、接收驱动电路(5)、发送光纤电路(6)、接收光纤电路(7)，其中：
USB接口电路(3)含有：
标准USB插口(9)，该插口设有：电源端(VDD)、接地端(GND)、差分信号输出端(D+)和(D-)，其中，差分信号输出端(D+)和(D-)与外部PC机(1)用户界面上的任选的USB插口互连，电源端(VDD)、接地端(GND)与所述的PC机(1)的相应端相连，并向所述的发送驱动电路(4)、接收驱动电路(5)、发送光纤电路(6)和接收光纤电路(7)供电；
USB控制器(10)，该控制器(10)的电源端和接地端依次分别经电感(L)与所述(VDD)和(GND)端相连，该控制器(10)的差分信号输入端分别经依次相连的电阻(R)、电感(L)后与所述(D+)、(D-)端相连；
发送驱动电路(4)，采用双通道的与非门驱动器(8)，该电路(4)的输入端与所述USB控制器(10)的标准TTL信号输入端(TXD)相连；
发送光纤电路(6)，该电路(6)的TTL信号输入端与所述的发送驱动电路(4)的相应信号端相连，该电路(6)输出的光信号经发送光纤后与外部的控制系统相应的光信号输入端相连；
接收驱动电路(5)，该电路(5)的标准TTL信号输出端与所述USB控制器(10)的相应输入端(RXD)相连；
接收光纤电路(7)，该电路(7)的TTL信号输出端与所述接收驱动电路(5)的相应输入端相连，该电路(7)的光信号输入端经接收光纤后与外部的控制系统的相应光信号输出端相连。
2.根据权利要求1所述的用于串行通信的USB-光纤转换装置，其特征在于：所述的控制系统是一个变频器，其中包括用以取代现有的工业现场总线结构的光纤CAN网络。
3.根据权利要求1所述的用于串行通信的USB-光纤转换装置，其特征在于：所述的USB-光纤转换装置有多个，他们通过同一个PC机(1)的多个USB端口实现对多个控制系统的实时的分布集中式控制。
4.根据权利要求1所述的用于串行通信的USB-光纤转换装置，其特征在于：所述的USB控制器(10)采用支持USB1.1规范的集成芯片PL-2303。
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