CN204481787U - 一种双向接口电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双向接口电路，所述双向接口电路包括：输入接口、输入使能接口、输入接收器、输出接口、输出驱动器、输出过流保护器。本实用新型的双向接口电路能够通过单根信号线进行双向信号传输；并且具有过流保护功能，能够自动检测电路中的电流，发现过流现象时自动切断电路进行保护。故障消除后，接口电路自动恢复正常工作。而且本实用新型的双向接口电路扩展了工业摄像机内部微处理器的IO电平范围，使输入、输出电平范围可以达到30V。并且，本实用新型的接口电路信号传输延时小于5us，远小于由光电耦合器构成的接口电路的延时30～50us。

Description

一种双向接口电路

技术领域

本实用新型涉及机器视觉领域，具体涉及一种用于机器视觉检测的工业摄像机的双向接口电路。

背景技术

机器视觉系统已经被广泛应用在生产线上，工业摄像机作为机器视觉系统中的“眼睛”，可以用来拍摄被测物体，从而可以对被测物体进行各方面的检测。通过工业摄像机的IO接口，可以控制工业摄像机的拍摄、控制外部光源的选通以及和其它设备进行通信。

为了满足对工业摄像机的微处理器的保护，现有用于工业摄像机的IO接口电路通常由光电耦合器构成，光电耦合器能够实现输入信号与微处理器输入的隔离。但是，光电耦合器的延时时间通常在几十微秒，对于曝光时间同样为几十微秒的工业摄像机来说，延时时间过长，这会造成图像的拍摄和外接闪光灯的选通不同步。

基于光电耦合器的接口电路也可以包含多路IO信号，但是每路信号往往只能进行单向传输，要想进行双向传输则会使电路过于复杂。当需要通信的外部设备很多时，会出现输入信号不够而输出信号富余的现象；反之，亦有可能。这就造成了IO接口不能充分利用，为使用者带来了不便。此外，近年来工业摄像机的小型化趋势越来越明显，导致其内部结构及电路设计越来越紧凑。多路单向IO信号已经不符合小型化设计的趋势。

申请号为CN201320883908的专利介绍了一种双向接口电路。该双向接口电路的结构如图1所示。如图所示，当第一控制器输出信号，第二控制器接收信号时：开关管T2始终关断，第一控制器输出高电平给过流保护开关管T1的栅极，T1导通，限流二极管D1导通，第二控制器的收发端收到来自第一控制器发出的低电平信号；第一控制器输出低电平给过流保护开关管T1的栅极，T1关断，限流二极管D1截止，第二控制器的收发端收到来自第一控制器发出的高电平信号。当第二控制器输出信号，第一控制器接收信号时：过流保护开关管T1始终关断，第二控制器输出高电平给开关管T2的基极或栅极，T2导通，限流二极管D1截止，第一控制器的收发端通过限流电阻R1接收到来自第二控制器发出的低电平输入信号；第二控制器输出低电平给开关管T2的基极或栅极，T2关断，限流二极管D1导通，第一电源电压V1通过电压调整电阻R2和限流二极管D1为第一控制器的收发端提供高效的电平上拉，第一控制器的收发端会检测到来自第二控制器发出的高电平输入信号。

但是，申请号为CN201320883908的专利介绍的双向接口电路方案存在以下问题：

1、采用MOS管作为过流保护器件，不能够切断电路中的电流。如果线束短路到其他电源，而同时过流保护开关管T1打开，只要产生过流的故障不消除，就一直会有很大电流流过T1，T1或者外部线束有可能会因持续发热而烧坏。根据图1可以看出，MOS管的打开和关断受控于第一控制器，因此MOS管不能根据电路中流过的电流进行自动保护。

2、过流保护开关管是安装在第一控制器端且受第一控制器的控制，接口电路的信号流方向由第一控制器和第二控制器协调控制，如果两个控制器没有配合好，会导致信号无法正常传输。

3、第一控制器和第二控制器接收到的高电平值均为第一电源电压V1的电压值。第一电源电压V1的电压值不能超过第一控制器和第二控制器的IO引脚所能承受的最大电压值。通常控制器的IO引脚所能承受的最大电压值不会超过5V，而工业现场通常会使用24V直流电源，因此通常的接口电路不能在工业现场广泛使用。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型希望提供一种能够通过单根信号线实现数据双向传输的高速接口电路，其既能够实现双向信号传输，又能够保护两侧电路不受损伤。这样不仅可以根据使用者的实际应用，对IO信号传输方向进行灵活配置，提高IO端口信号线的利用率以及IO通信速率，也可以减少电路板的面积，有利于实现工业摄像机的小型化。

具体而言，本实用新型提供一种双向接口电路，其特征在于，所述双向接口电路包括：输入接口、输入使能接口、输入接收器、输出接口、输出驱动器、输出过流保护器，

所述输入接收器中具有单向导通器件，所述单向导通器件的第一端分别连接所述输入接口和所述输入使能接口，所述单向导通器件的第二端连接信号传输线；所述输入使能接口与所述单向导通器件相连并且启动或关闭所述单向导通器件；所述输出接口接收对外发出的信号并传送至所述输出驱动器；所述输出驱动器响应所述输出接口接收到的信号，并产生相应的输出信号，所述输出驱动器的第一端与所述输出接口相连接，第二端经所述输出过流保护器连接至所述信号传输线。

进一步地，当所述双向接口电路处于输入状态时，所述输入使能接口向所述单向导通器件的阳极输出第一种电平信号，当所述接口电路处于输出状态时，所述输入使能接口向所述单向导通器件的阳极输出第二种电平信号。

进一步地，所述接口电路用于连接工业摄像机和所述信号传输线，所述工业摄像机具有微处理器，所述输入接口、输入使能接口和输出接口分别与所述工业摄像机的微处理器相连接，并且，当所述接口电路处于输入状态时，所述微处理器向所述输入使能接口输入高电平，向所述输出接口输出低电平；当所述接口电路处于输出状态时，所述微处理器向所述输入使能接口输入低电平，向所述输出接口输出需要发送的信号。

进一步地，所述输入接收器包括：第一电阻R1、第二电阻R2和二极管D1，所述第一电阻R1的第一引脚、所述第二电阻R2的第一引脚和所述二极管D1的阳极连接在一起，所述第二电阻R2的第二引脚与所述输入接口相连接，所述第一电阻R1的第二引脚与输入使能接口相连接，所述二极管D1的阴极连接至所述信号传输线。

进一步地，所述二极管D1为肖特基二极管。

进一步地，所述输出驱动器包括：第三电阻R3、第四电阻R4以及三极管Q1，所述第三电阻R3的第一引脚、第四电阻R4的第一引脚和所述三极管Q1的基极连接在一起；所述第三电阻R3的第二引脚与所述输出接口相连接，所述第四电阻R4的第二引脚、所述三极管Q1的发射极和接地引脚连接在一起；所述三极管Q1的集电极经所述输出过流保护器与所述信号传输线相连接。

进一步地，所述三极管Q1为NPN三极管或NMOS管。

进一步地，所述输出过流保护器包括第五电阻R5。

进一步地，在所述信号传输线的另一侧，连接有上拉电源和上拉电阻R6。

在一种优选实现方式中，该接口电路的输入接口、输入使能接口、输出接口分别用于与目标设备(例如，工业摄像机的微处理器)相连接。输入接口，用于从外部接收电平信号给目标设备。输入使能接口和输出接口分别用于从微处理器接收电信号，以控制接口电路的工作状态。

本文所提到的输出驱动器用于响应于输出接口的信号产生相应的输出信号。输出驱动器可以直接利用输出接口的电平信号，也可以基于输出接口的指令，产生出相应的电平信号。输出过流保护器用于限制输出电流的大小，当输出电流过大时，输出过流保护器能够相应地降低输出电流。

在另一种实现方式中，输入使能接口不是与目标设备的微处理器相连接，而是连接到一个恒压电源。采用这种连接方式可以节省微处理器一个IO引脚。

技术效果

1)本实用新型的接口电路能够通过单根信号线进行双向信号传输；

2)本实用新型的接口电路具有过流保护功能，能够自动检测电路中的电流，发现过流现象时自动切断电路(或将电流值限定在预定值之下)进行保护，防止输入或输出电流过大烧坏接口电路。故障消除后，接口电路自动恢复正常工作。

3)本实用新型的接口电路扩展了工业摄像机内部微处理器的IO电平范围，防止外部电压过高导致微控制器被烧坏。微处理器的IO电平范围通常不超过5V，而本实用新型的接口电路的输入、输出电平范围可以达到30V。

4)接口电路的信号流方向只受工业摄像机内部微处理器控制，不受其他微处理器或控制器控制，简化了通讯过程。

5)接口电路信号传输延时小于5us，而现有技术中，为了实现对接口电路的保护和隔离通常采用含有光电耦合器的接口电路，由光电耦合器构成的接口电路通常延时为30～50us。

当将本实用新型的接口电路应用于工业摄像机时，可以显著改善对相机、闪光灯等相关部件的控制精度，使得图像的拍摄和外接闪光灯的选通达到更好的同步效果。

附图说明

图1为现有技术中的一种双向接口电路的电路结构图；

图2为根据本实用新型一个实施例的双向接口电路的原理框图；

图3为图2所示实施例中的单线双向接口电路的电路图；

图4为工业摄像机的微控制器通过接口电路向外部信号线发送数据时与另一设备的接口连接的示意图；

图5为根据本实用新型另一个实施例的单线双向接口电路原理框图。

具体实施方式

实施例一

图2和3分别示出了本实用新型的一个实施例的原理框图和电路结构图。如图2所示，在本实施例中，双向接口电路由带限流功能的输入接收器、输出驱动器、过流保护器、INPUT引脚、INPUT_EN引脚、OUTPUT引脚、Line+引脚、GND引脚组成。

如图3所示，带限流功能的输入接收器由电阻R1、电阻R2、肖特基二极管D1构成；输出驱动器由电阻R3、电阻R4、NPN三极管(或NMOS管)Q1构成；过流保护器由热敏电阻R5构成。

在本实施例中，该双向接口电路用于连接工业摄像机的微处理器和外部设备，例如闪光灯的控制器。

如图3所示，该双向接口电路位于工业摄像机的微处理器(或控制器)的IO引脚和外部信号线之间，用于实现数据在单根信号线上的双向传输。INPUT引脚与微处理器(或控制器)的IO输入引脚连接，用于将来自信号线的信号输入给微处理器的IO引脚。INPUT_EN引脚与微处理器(或控制器)的IO输出引脚连接，其作为输入使能接口。INPUT_EN引脚的电平能够决定输入接收器是处于工作状态还是关闭状态。OUTPUT引脚与微处理器(或控制器)的IO输出引脚连接，用于从微处理器接收相应的电平信号。Line+引脚和外部信号线连接。接地引脚GND与微处理器(或控制器)的GND连接。

如图3所示，电阻R1的第一引脚、电阻R2的第一引脚和肖特基二极管D1的阳极连接在一起。电阻R2的第二引脚与INPUT引脚连接；电阻R1的第二引脚与INPUT_EN引脚连接。肖特基二极管D1的阴极、正温度系数热敏电阻R5的第一引脚和Line+引脚连接在一起。热敏电阻R5的第二引脚与三极管Q1的集电极连接；电阻R3的第一引脚、电阻R4的第一引脚和三极管Q1的基极连接在一起。电阻R3的第二引脚与OUTPUT引脚连接；电阻R4的第二引脚、三极管Q1的发射极和GND引脚连接在一起。Q1可以是NPN三极管，也可以是NMOS管。NMOS管的栅极、源极、漏极分别对应NPN三极管的基极、发射极、集电极。

下面从输入和输出两个方面来分别介绍本实施例中的双向接口电路的工作过程。

1)微控制器通过接口电路从外部信号线接收数据的工作过程

微控制器通过接口电路从外部信号线接收数据时，需要将接口电路的输入接收器设置为工作状态，输出驱动器设置为关闭状态。微控制器的IO输出引脚向接口电路的INPUT_EN引脚输出高电平，即可将输入接收器设置为工作状态；微控制器的IO输出引脚向接口电路的OUTPUT引脚输出低电平，即可将输出驱动器关闭；输出驱动器关闭时，输出线路中没有电流流过，因此过流保护器也处于关闭状态。

当该接口电路进入到接收状态之后，INPUT引脚就可以根据外部设备通过信号线传输到Line+引脚的电压而产生相应的输入信号给微处理器。

具体而言，当外部设备通过信号线传输到Line+引脚的电压为高电平V_IH时，肖特基二极管D1会截止，那么此时传输到INPUT引脚的电压为INPUT_EN引脚的电压。需要说明的是，这里所提到的高电平是相对而言的，因为在接口电路处于接收状态时，INPUT_EN会输出高电平给D1的阳极，所以，只要输入到Line+引脚的电平与INPUT_EN的电平差异不足以使D1导通，都可以认为是高电平。

此外，即便D1截至，但是由于INPUT_EN引脚的电压为高电平，INPUT引脚以及微处理器的IO输入引脚仍然认为接收到高电平。相当于INPUT引脚接收到了一个经D1隔离的高电平信号，该高电平信号不因Line+处接收到的信号而变化，因此，即便外部输入一个过高的电平也不会对微处理器带来任何损伤。

当传输到Line+引脚的电压为低电平V_IL时，肖特基二极管D1导通且正向导通压降为V_FD1，那么INPUT引脚电压为V_IL+V_FD1。通常肖特基二极管的正向导通压降V_FD1<0.2V，只要V_IL+V_FD1不超过微处理器IO输入管脚低电平阈值电压的最大值V_ILmax，就可以认为接收到了低电平。

输入接收器的限流功能是通过限流电阻R1和肖特基二极管D1实现的。当从信号线传输到Line+引脚的电压为低电平时，电流从INPUT_EN引脚流出，经过R1、D1、Line+引脚和外接信号线，最终流入到负载端的地。调节R1的阻值，即可限制接口电路输出的电流值，因此不会对外部负载造成破坏。当传输到Line+引脚电压为高电平时，肖特基二极管D1截止，流入接口电路的电流为肖特基二极管D1的反向漏电流，通常电流为微安级，因此不会对接口电路造成破坏。

输入接收器的宽电压范围是由肖特基二极管D1实现的。正常情况下，微控制器的IO输入引脚接收的高电平不能超过其供电电源VCCIO，否则会将微控制器的IO引脚烧坏，但是加入肖特基二极管D1后，可以很好地解决这一问题。当从信号线或OUTPUT引脚传输到Line+引脚的电压VIN>INPUT_EN-V_FD1时，肖特基二极管D1处于截止状态，传输到INPUT引脚的电压始终为INPUT_EN引脚的电压，即便在Line+处出现高电平，也不会烧坏微控制器。所以只要传输到Line+引脚的电压VIN＜肖特基二极管能够承受的最大反向直流电压V_RDC，就不会烧坏接口电路和微控制器，并且能够保证微控制器的IO输入引脚接收到高电平。这样，微控制器的IO输入引脚的高电平范围由VCCIO提高到了V_RDC，通常VCCIO不超过5V，而V_RDC可以达到30V，即微控制器的IO输入引脚的高电平范围由5V拓展到了30V，可以兼容更多的设备进行通信。

如果Line+端不慎通过外部信号线与其他设备的输入引脚连接，那么相当于外部信号线的两端全部为输入电路，此时电路中不会有电流流过，外部信号线的两端不会有损坏。

2)微控制器通过本实用新型的双向接口电路向外部信号线发送数据的工作过程

微控制器通过接口电路向外部信号线发送数据时，只要将接口电路的输入接收器设置为关闭状态，输出驱动器即可工作。因此，只需要将微控制器的IO输出引脚向接口电路的INPUT_EN引脚输出低电平即可。

由于输出驱动器为集电极开路输出，因此向外部信号线发送数据时，要在接收端外接上拉电阻，如图3所示，电阻R6为上拉电阻，EXVCC为上拉电源，上拉电源可以根据接收端的电平标准进行选择。

在向外发送信号时，需要微处理器对要发送的信号进行一个反相处理。当微控制器的IO输出引脚向接口电路的OUTPUT引脚发送高电平时，NPN三极管Q1导通，Line+向外部信号线发送低电平，低电平值V_OL＝Q1的管压降U_CE+热敏电阻R5的压降V_R5；当微控制器的IO输出引脚向接口电路的OUTPUT引脚发送低电平时，NPN三极管Q1截止，Line+向外部信号线发送高电平，高电平V_OH＝外接电源EXVCC的电压值。

此外，本实施例中还在D1和Q1之间加入了热敏电阻R5。利用热敏电阻阻值和温度成正比的特性，实现了对输出驱动器进行过流保护的功能。输出驱动器的电流经过热敏电阻R5时会产生热量，当热量大于某一程度时，热敏电阻R5的阻值会迅速增加。当电阻R6发生短路时，EXVCC电源直接接到Line+引脚。此时，如果Q1导通，那么流过热敏电阻R5的瞬间电流很大，热敏电阻R5会迅速发热，其阻值瞬间变大数十倍，因此可以迅速减小流入到NPN三极管Q1的电流值，防止Q1被烧坏。使用热敏电阻作为过流保护器十分简单，无需任何控制器进行控制。当输出驱动器中的电流大于热敏电阻的跳闸电流时，热敏电阻的阻值就会迅速变大，从而减小流过驱动器的电流。当故障消除时，热敏电阻的阻值恢复到原始的阻值，输出驱动器就可以继续正常工作。

输出驱动器为集电极开路输出，输出高电平值由外部电源EXVCC决定，可以根据接收端的接口电平进行设置。只要EXVCC不超过Q1的集电极和发射极之间能够承受的最大电压U_CEmax，Q1就不会损坏。通常U_CEmax可以达到60V，因此输出电平的电压范围很宽。

如图4所示，如果Line+端不慎通过外部信号线与其他设备的集电极开路输出端连接，这种情况下两路集电极开路输出并联，输出低电平的驱动器会将外部信号线电平拉低，电流从外接电源EXVCC通过上拉电阻R6流入到输出低电平的驱动器。电阻R6起到限流作用，不会对两端设备造成损坏。

实施例2

图5示出了本实用新型另一个实施例的示意性框图。在该实施例中，接口电路INPUT_EN引脚直接和微处理器(或控制器)的IO引脚的供电电源VCCIO连接。这样连接后，输入接收器就无需关闭。当微控制器通过接口电路向外部信号线发送数据时，输入接收器会接收到输出驱动器发送的数据，但这并不影响输出驱动器的工作，并且能够节省微处理器(或控制器)一个IO引脚。当微处理器(或控制器)的IO引脚资源紧张时，可以使用这种方案。

本实用新型的双向接口电路具有过流保护功能，防止输入或输出电流过大烧坏接口电路；并且其扩展了工业摄像机内部微处理器的IO电平范围，实现多种设备进行通信。本实用新型的接口电路信号传输延时小于5us，相比之下，现有由光电耦合器构成的接口电路通常延时为30～50us。因此，将本实用新型的接口电路用于曝光时间为微秒量级的工业摄像机，可以使得图像的拍摄和外接闪光灯的选通达到很好的同步效果。

虽然上面结合本实用新型的优选实施例对本实用新型的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本实用新型的示意性实现方式的解释，并非对本实用新型包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本实用新型范围的限制，在不背离本实用新型的精神和范围的情况下，任何基于本实用新型技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本实用新型保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双向接口电路，其特征在于，所述双向接口电路包括：输入接口、输入使能接口、输入接收器、输出接口、输出驱动器、输出过流保护器，

所述输入接收器中具有单向导通器件，所述单向导通器件的第一端分别连接所述输入接口和所述输入使能接口，所述单向导通器件的第二端连接信号传输线；所述输入使能接口与所述单向导通器件相连并且启动或关闭所述单向导通器件；所述输出接口接收对外发出的信号并传送至所述输出驱动器；所述输出驱动器响应所述输出接口接收到的信号，并产生相应的输出信号，所述输出驱动器的第一端与所述输出接口相连接，第二端经所述输出过流保护器连接至所述信号传输线。

2.根据权利要求1所述的双向接口电路，其特征在于，当所述双向接口电路处于输入状态时，所述输入使能接口向所述单向导通器件的阳极输出第一种电平信号，当所述接口电路处于输出状态时，所述输入使能接口向所述单向导通器件的阳极输出第二种电平信号。

3.根据权利要求1所述的双向接口电路，其特征在于，所述接口电路分别连接工业摄像机和所述信号传输线，所述工业摄像机具有微处理器，所述输入接口、输入使能接口和输出接口分别与所述工业摄像机的微处理器相连接，并且，当所述接口电路处于输入状态时，所述微处理器向所述输入使能接口输入高电平；当所述接口电路处于输出状态时，所述微处理器向所述输入使能接口输入低电平。

4.根据权利要求1所述的双向接口电路，其特征在于，所述输入接收器包括：第一电阻R1、第二电阻R2和二极管D1，所述第一电阻R1的第一引脚、所述第二电阻R2的第一引脚和所述二极管D1的阳极连接在一起，所述第二电阻R2的第二引脚与所述输入接口相连接，所述第一电阻R1的第二引脚与输入使能接口连接，所述二极管D1的阴极连接至所述信号传输线。

5.根据权利要求4所述的双向接口电路，其特征在于，所述二极管D1为肖特基二极管。

6.根据权利要求1所述的双向接口电路，其特征在于，所述输出驱动器包括：第三电阻R3、第四电阻R4以及三极管Q1。

7.根据权利要求6所述的双向接口电路，其特征在于，所述三极管Q1为NPN三极管或NMOS管。

8.根据权利要求1所述的双向接口电路，其特征在于，所述输出过流保护器包括第五电阻R5。