CN205453705U - Profibus-DP光电信号转换系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种Profibus-DP光电信号转换系统，包括光电转换器，接收光信号并将其转换成TTL电平信号或接收TTL电平信号并将其转换成光信号；数据收发逻辑控制电路包括连接到光电转换器的三态缓冲器，三态缓冲器的收发控制端依次连接有延迟电路以及第一施密特反相器；电气隔离及差分信号转换电路，其包括差分电平转换器，差分电平转换器连接到光电转换器以收发TTL电平信号；差分电平转换器连接到第一施密特反相器输出端以收发控制时序逻辑信号；差分电平转换器输出端连接有Profibus-DP总线以收发Profibus-DP差分信号。本实用新型提供的Profibus-DP光电信号转换系统的实时性和灵活性较好。

Description

Profibus-DP光电信号转换系统

技术领域

本实用新型涉及光电转换技术领域，更具体地说，本实用新型涉及一种Profibus-DP光电信号转换系统。

背景技术

Profibus-DP是电力、石化、机械制造等工业自动化领域常用的现场总线通信方式，主要用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，其物理层采用了差分信号传输方式，它与Profibus-PA(ProcessAutomation)、Profibus-FMS(FieldbusMessageSpecification)共同组成了Profibus标准，具有高速低成本的特性。随着自动化技术的发展，通信网络越来越复杂，通信距离越来越远，并且对数字通信可靠性的要求也越来越高，Profibus-DP总线的电信号容易受到工业现场的强电磁场的干扰，通信可靠性受到影响，且电信号会随着电缆长度的增加而较快衰减，其通信距离也受到较大限制。而光信号的传输完全不受电磁场的干扰和影响，光信号的衰减较电信号衰减小得多，故采用光缆传输信号可提高传输通道抗干扰及可靠性，显著增加通信距离。现代新型工业自动化设备中也开始逐步采用光纤通信，但是，一些传统的电力及工业测控装置中的Profibus-DP总线物理层并无光缆接口，故在通信改造中可采用添加Profibus-DP光信号转换模块实现光通信。

现有技术中，Profibus-DP光电信号转换通常有以下两种方式：(1)采用单片机、ARM、DSP等微处理器件的不同外围接口分别实现光信号和电信号的接收和发送；(2)采用可编程数字逻辑器件进行数据包的收发控制，实现两种信号互相转换的逻辑通道。但是这两种方案均是在数据链路层实现光电差分信号的互相转换，其转换过程具有较大延时，只能在收到数据包后再打包传送，实时性较差，且波特率需要预先设定，不符合预设波特率的数据无法正确传输。

实用新型内容

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种实时性和灵活性较好的Profibus-DP光电信号转换系统。

为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型所述的Profibus-DP光电信号转换系统，包括：

光电转换器，其接收光信号并将其转换成TTL电平信号或接收TTL电平信号并将其转换成光信号；

数据收发逻辑控制电路，其包括连接到所述光电转换器的三态缓冲器，所述三态缓冲器的依次连接有延迟电路以及第一施密特反相器；

电气隔离及差分信号转换电路，其包括差分电平转换器，所述差分电平转换器连接到所述光电转换器以收发TTL电平信号；所述差分电平转换器连接到所述第一施密特反相器输出端以获取收发控制时序逻辑信号；所述差分电平转换器输出端连接有Profibus-DP总线以收发Profibus-DP差分信号。

优选的是，还包括故障报警的第一指示灯电路，所述第一指示灯电路连接到所述光电转换器的故障信号输出端。

优选的是，所述光电转换器与所述第一指示灯电路之间连接有两个同向串联的第二施密特反相器；所述光电转换器的故障信号输出端连接到所述第二施密特反相器的输入端。

优选的是，还包括指示数据传输方向的第二指示灯电路；所述第二指示灯电路连接到所述第一施密特反相器的输出端。

优选的是，所述差分电平转换器的第一TTL电平端口连接到所述光电转换器的发射端，所述差分电平转换器的第二TTL电平端口连接到所述光电转换器的接收端；所述差分电平转换器的收发控制端依次通过两个同向串联的所述第一施密特反相器的中间端、所述延迟电路连接到所述三态缓冲器。

优选的是，所述光电转换器与差分电平转换器之间连接有两个同向串联的第三施密特反相器，所述光电转换器的发送输入端连接到所述第三施密特反相器的输出端。

优选的是，还包括双备份电源系统；所述双备份电源系统包括两路工业用DC24V电源输入电路、供外围Profibus-DP信号端口工作的5V开关电源系统和供所述光电收发电路TTL电平信号端口工作的5V隔离电源系统，所述5V开关电源系统与所述5V隔离电源系统之间通过DC-DC隔离器连接。

本实用新型至少包括以下有益效果：

1)本实用新型中差分电平转换器连接到光电转换器以收发TTL电平信号；差分电平转换器连接到第一施密特反相器输出端以获取收发控制时序逻辑信号；差分电平转换器输出端连接有Profibus-DP总线以收发Profibus-DP差分信号；光电转换器将光信号转换成TTL电平信号，三态缓冲器、延迟电路、第一施密特反相器对TTL电平信号进行数据收发的逻辑控制；电气隔离及差分信号转换电路将TTL电平信号转换为Profibus-DP差分信号；延迟电路用于预防振荡，实现差分电平转换器的收发两个状态可以可靠切换，提高信号传输的可靠性；

2)本实用新型还包括故障报警的第一指示灯电路，第一指示灯电路连接到光电转换器的故障信号输出端，实现故障警示；

3)本实用新型还包括指示数据传输方向的第二指示灯电路，第二指示灯电路连接到第一施密特反相器的输出端，实现数据传输方向的指示；

4)本实用新型还包括双备份电源系统，其包括两路工业用DC24V电源输入电路、供外围Profibus-DP信号端口工作的5V开关电源系统和供光电收发电路TTL电平信号端口工作的5V隔离电源系统，5V开关电源系统与5V隔离电源系统之间通过DC-DC隔离器连接；5V开关电源系统和5V隔离电源系统同时接入，其中一路输入电源故障时另一路输入电源继续保障系统的正常工作，提高了系统电源可靠性。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述的Profibus-DP光电信号转换系统的示意图；

图2(a)为本实用新型所述的光电转换器的引脚功能分布的俯视图；图2(b)为本实用新型所述的光电转换器的外围电路接线图；

图3为本实用新型所述的数据收发逻辑控制电路和电气隔离及差分信号转换电路的连接示意图；

图4(a)为本实用新型所述的外围Profibus-DP信号端口工作的5V开关电源系统示意图；图4(b)为本实用新型所述的光电收发电路TTL电平信号端口工作的5V隔离电源系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实用新型提供一种Profibus-DP光电信号转换系统，如图1和图3所示，其包括：

光电转换器10，其接收光信号并将其转换成TTL电平信号或接收TTL电平信号并将其转换成光信号；

数据收发逻辑控制电路20，其包括连接到光电转换器10的三态缓冲器，三态缓冲器依次连接有延迟电路以及第一施密特反相器；

电气隔离及差分信号转换电路30，其包括差分电平转换器，差分电平转换器连接到光电转换器10以收发TTL电平信号；差分电平转换器连接到第一施密特反相器输出端以获取收发控制时序逻辑信号；差分电平转换器输出端连接有Profibus-DP总线以收发Profibus-DP差分信号。

上述实施方式中，光电转换器10采用工业级光电模块OCM2352。如图2(a)至图2(b)所示，工业级光电模块OCM2352采用多模双纤实现光信号的传输，工作波长为1310nm，传输速率0～2Mb/s，本端模块光发送端(接收端)与通信另一端模块的光接收端(发送端)通过多模光纤连接，物理连接方式有SC、ST、FC等接口可选。作为上述实施方式的优选方式，延迟电路包括依次串联的上拉电阻R7、并联的二极管D6和电阻R16、电容C21，电阻R7与并联的二极管D6和电阻R16形成充放电电路对电容C21充放电。差分电平转换器的核心芯片优选为磁隔离TTL-差分信号转换芯片ADM2486芯片，其在性能、功耗、体积等各方面都有传统光电隔离器件(光耦)无法比拟的优势，其功耗仅为光电耦合器的1/6～1/10，具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力；ADM2486芯片的4脚和5脚并接在一起作为收发控制端RTS，TTL电平端口的TxD和RxD信号分别与光电转换器10的RD和TD相连，差分信号A、B按照Profibus-DP物理层协议连接，即通过220Ω的电阻R2匹配及两个390Ω的电阻R1上拉和电阻R3下拉后，A、B信号分别接至Profibus-DP接头的3、8两个端口。三态缓冲器优选为74HC125芯片。光电转换器10将从光接收端输入的光信号解调后以TTL电平形式从2脚(RD)输出至接收信号逻辑处理及电平变换部分，电平变换部分输出的TTL电平信号由模块8脚(TD)输入。差分电平转换器连接到光电转换器10以收发TTL电平信号；差分电平转换器连接到第一施密特反相器输出端以获取收发控制时序逻辑信号；差分电平转换器输出端连接有Profibus-DP总线以收发Profibus-DP差分信号；光电转换器10将光信号转换成TTL电平信号，三态缓冲器、延迟电路、第一施密特反相器对TTL电平信号进行数据收发的逻辑控制；电气隔离及差分信号转换电路30将TTL电平信号转换为Profibus-DP差分信号；延迟电路用于预防振荡，实现差分电平转换器的收发两个状态可以可靠切换，提高信号传输的可靠性。

作为本实用新型的另一种实施方式，本实用新型提供的Profibus-DP光电信号转换系统还包括故障报警的第一指示灯电路DM1，第一指示灯电路DM1连接到光电转换器10的故障信号输出端(SD端)。具体的，光电转换器10将输入的数字信号经光调制后由光发送端发送出去，光电转换器10的第4脚(SD端)输出传输故障信息，当传输链路故障时该引脚输出低电平信号，该信号经过故障处理和第一指示灯电路DM1可为外界提供光信号传输故障的声光报警信号。

作为上述实施方式的一种具体的实施方式，光电转换器10与第一指示灯电路DM1之间连接有两个同向串联的第二施密特反相器(图中依次为U5E、U5B)；光电转换器10的故障信号输出端SD端连接到第二施密特反相器中U5E的输入端。

作为本实用新型的另一种实施方式，本实用新型提供的Profibus-DP光电信号转换系统还包括指示数据传输方向的第二指示灯电路DM2；第二指示灯电路DM2连接到第一施密特反相器的输出端，实现数据传输方向的指示。

作为本实用新型的另一种实施方式，差分电平转换器的第一TTL电平端口(RxD端)连接到光电转换器10的发射端(TD端)，差分电平转换器的第二TTL电平端口(TxD端)连接到光电转换器10的接收端(RD端)；差分电平转换器的收发控制端(RTS端)依次通过两个同向串联的第一施密特反相器的中间端、延迟电路连接到三态缓冲器的收发控制端(Y4端)。具体的，两个同向串联的第一施密特反相器依次分别是U5D和U5C，第二指示灯电路DM2连接到第一施密特反相器中U5C的输出端。当光电转换器10处于光信号接收状态时，其RD端输出的TTL电平信号直接输入到差分电平转换器的发送输入端，同时将该信号引入三态缓冲器，光电转换器10将其RD端输出的TTL电平信号直接输入到差分电平转换器的发送输入端RxD端口，同时将该信号引入三态缓冲器的A4端口，用于产生差分电平转换器的收发控制时序逻辑信号，由三态缓冲器的Y4端输出的信号经过电阻R7、发光二极管D6、电阻R16、电容C12组成的充放电网络后，并经一个第一施密特反相器U5D的反相后输出到差分电平转换器的收发逻辑控制端RTS端，使得当光电转换器10接收到低电平时差分电平转换器的RTS端口迅速变为高电平，从而使光电转换器10接收到的TTL低电平信号转换为差分低信号(VA-VB＜0V)被发送到Profibus-DP总线上，而当光电转换器10接收到高电平信号时差分电平转换器的RTS端延时约500ns后变为低电平，差分电平转换器处于接收状态，Profibus-DP总线上保持高信号(VA-VB＜0V)状态，Profibus-DP总线接收端可接收到高电平，系统同时将差分电平转换器的RTS端的信号经过一个第一施密特反相器U5C反相后驱动第二指示灯电路DM2，用于指示数据的传输方向为由光信号转换为Profibus-DP电信号，此时，第二指示灯电路DM2的LED1灯设置为黄色。

当光电转转器10处于光信号发送状态时，其RD端一直处于高电平，差分电平转换器的方向控制端RTS端保持低电平，差分电平转换器处于接收状态，从而将Profibus-DP总线上的差分信号VA-VB转换为TTL电平信号，光电转换器10与差分电平转换器之间连接有两个同向串联的第三施密特反相器(依次为U5A、U5F)，光电转换器10的发送输入端TD端连接到第三施密特反相器中U5F的输出端，那么差分电平转换器的RxD端输出的信号经过两个串联的第三施密特反相器整形后从光电转换器10的TD端发送出去，同时将TD端的信号经过第一施密特反相器的反相后驱动第二指示灯电路DM2，用于指示数据的传输方向为由Profibus-DP电信号转换为光信号，此时第二指示灯电路DM2的LED2灯设置为绿色。光电转换器10的故障报警信号从SD端经过第二施密特反相器中的U5E密特反相器反相后输入三态缓冲器74HC125的控制端OE2和OE4，再经过第一施密特反相器反相后驱动第二指示灯电路DM2，用于光电转换器10在故障时锁定收发状态及收发指示灯并提供报警故障指示，此时，第二指示灯电路DM1的LED2灯设置为红色。

作为本实用新型的另一种实施方式，本实用新型提供的Profibus-DP光电信号转换系统还包括双备份电源系统40。双备份电源系统40包括两路工业用DC24V电源输入电路、供外围Profibus-DP信号端口工作的5V开关电源系统和供光电收发电路TTL电平信号端口工作的5V隔离电源系统，5V开关电源系统与5V隔离电源系统之间通过DC-DC隔离器连接。如图4(a)和图4(b)所示，两个工业仪表用24V电源正端分别通过V1+和V2+两端接入，电源负端并接在V-，并经过共模电感和电容滤波后输入到开关电源管理器LM2596的Vin端，经过LM2596和相关器件组成的BUCK网络变换后，得到5V开关电源，供给外围Profibus-DP信号端口的工作电源，并将该电源经过一个1W的DC-DC变换模块后输出一个隔离的电源VCC(电压值仍为5V)供给系统内部，即光电转换器10及TTL电平信号端口的工作电源，实现两路电源同时接入，并且当一路输入电源故障时另一路输入电源继续保障系统的正常工作，提高了系统电源可靠性。差分电平转换器的ADM2486芯片采用两个隔离的5V电源，两者由一个DC-DC模块隔离，TTL电平部分采用与光电转换器10工作同一个供电电源，差分信号端口电源由内部开关电源变换器将输入的24V电源变换而来。为了实现差分电信号端的过流、过压保护，可接入压敏电阻及TVS二极管。

作为本实用新型的另一种实施方式，5V隔离电源系统与光电转换器10之间设有滤波电路，滤波电路包括电容C15、电容C16、电容C17、电容C18、电感L3以及电感L4；电容C15和电容C16串联后与电感L3并联，并联的第一公共端连接到5V隔离电源，并联的第二公共端连接到光电转换器10的电源输入端VCC_T，电容C15和电容C16之间接参考地。电容C17和电容C18串联后与电感L4并联，并联的第一公共端连接到5V隔离电源，并联的第二公共端连接到光电转换器10的电源输入端VCC_R，电容C17和电容C18之间接参考地。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种Profibus-DP光电信号转换系统，其特征在于，包括：

光电转换器，其接收光信号并将其转换成TTL电平信号或接收TTL电平信号并将其转换成光信号；

数据收发逻辑控制电路，其包括连接到所述光电转换器的三态缓冲器，所述三态缓冲器的依次连接有延迟电路以及第一施密特反相器；

电气隔离及差分信号转换电路，其包括差分电平转换器，所述差分电平转换器连接到所述光电转换器以收发TTL电平信号；所述差分电平转换器连接到所述第一施密特反相器输出端以获取收发切换控制时序逻辑信号；所述差分电平转换器输出端连接有Profibus-DP总线以收发Profibus-DP差分信号。

2.如权利要求1所述的Profibus-DP光电信号转换系统，其特征在于，还包括故障报警的第一指示灯电路，所述第一指示灯电路连接到所述光电转换器的故障信号输出端。

3.如权利要求2所述的Profibus-DP光电信号转换系统，其特征在于，所述光电转换器与所述第一指示灯电路之间连接有两个同向串联的第二施密特反相器；所述光电转换器的故障信号输出端连接到所述第二施密特反相器的输入端。

4.如权利要求1所述的Profibus-DP光电信号转换系统，其特征在于，还包括指示数据传输方向的第二指示灯电路；所述第二指示灯电路连接到所述第一施密特反相器的输出端。

5.如权利要求1所述的Profibus-DP光电信号转换系统，其特征在于，

所述差分电平转换器的第一TTL电平端口连接到所述光电转换器的发射端，所述差分电平转换器的第二TTL电平端口连接到所述光电转换器的接收端；所述差分电平转换器的收发控制端依次通过两个同向串联的所述第一施密特反相器的中间端、所述延迟电路连接到所述三态缓冲器。

6.如权利要求5所述的Profibus-DP光电信号转换系统，其特征在于，所述光电转换器与差分电平转换器之间连接有两个同向串联的第三施密特反相器，所述光电转换器的发送输入端连接到所述第三施密特反相器的输出端。

7.如权利要求1-6中任一项所述的Profibus-DP光电信号转换系统，其特征在于，还包括双备份电源系统；

所述双备份电源系统包括两路工业用DC24V电源输入电路、供外围Profibus-DP信号端口工作的5V开关电源系统和供所述光电收发电路TTL电平信号端口工作的5V隔离电源系统，所述5V开关电源系统与所述5V隔离电源系统之间通过DC-DC隔离器连接。