CN210041858U - 一种一主多从式高速串行通信装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种一主多从式高速串行通信装置，涉及通信数据传输技术领域。所述一主多从式高速串行通信装置，主机的发送端和接收端分别配置一个光耦，每个从机的发送端和接收端同样分别配置一个光耦，在主机端，主机光耦将主机发送端发出的3.3V或5V的TTL电平转换成抗电磁干扰能力强的24V电平后再进行传输，在从机端，从机光耦将24V电平转换成3.3V或5V的TTL电平后由从机接收端接收，同理，从机光耦将从机发送端发出的3.3V或5V的TTL电平转换成抗电磁干扰能力强的24V电平后再进行传输，然后由主机光耦将24V电平转换成3.3V或5V的TTL电平后由主机接收端接收，解决了主从机之间的数据传输易受到强电磁干扰的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于通信数据传输技术领域，尤其涉及一种一主多从式高速串行通信装置。
背景技术
目前大型工业自动化系统中所集成的子系统越来越多，自动化系统的中央控制器需要与所管辖的所有子系统进行数据通信，中央控制器需要对各个子系统进行集中统一的命令控制和采集各个子系统的状态量，以便中央控制器对数据进行算法分析，根据分析结果执行相应的命令。
传统的串行通信总线有RS-232、RS-485、RS-422、IIC、SPI等方式。RS-232总线只能进行一对一的通信，不能进行一主多从式通信，而且RS-232总线的接口电平比较高，比较容易损坏芯片；RS-485总线和RS-422总线利用传输线A和B之间的差分电压来代表通信数据“0”和“1”，通信数据“0”和“1” 分别用差分电压-2V至-6V和+2V至+6V来表示，-2V至-6V和+2V至+6V差分电压在强电磁干扰的环境下极容易受干扰而造成通信不稳定；IIC总线和SPI总线一般应用于同一块电路板的不同主控MCU之间通信，通信距离越近越好，不适宜于长距离的一主多从分布式控制系统之间的通信传输，并且IIC总线和SPI总线传输通信开销大，占用主控MCU的资源多，导致整个控制系统处于亚稳态中。
同时，传统的RS-232、RS-485、RS-422和CAN等总线硬件设计成本高，如果需要提高整个通信系统的抗共模干扰的能力，不仅需要专门的电平转换芯片和高速隔离转换光耦，并且需要提供和从机数量相同DCDC隔离电源给电平转换芯片供电，增加了硬件成本；同时总线的两端还需要各添加一个终端电阻，进一步增加了系统的复杂性。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提供一种一主多从式高速串行通信装置，主机串口与从机串口之间采用光耦转换方式实现光隔离，以提高整个通信装置的抗共模干扰能力，提高装置的通信稳定性。
本实用新型是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种一主多从式高速串行通信装置，包括一个主机、多个从机，其特征是还包括主机发送光耦、主机接收光耦、以及多个从机发送光耦和多个从机接收光耦；所述主机的发送端通过主机发送光耦与多个从机接收光耦连接，主机的接收端通过主机接收光耦与多个从机发送光耦连接；所述多个从机接收光耦分别与多个从机的接收端连接，多个从机发送光耦分别与多个从机的发送端连接。
本实用新型的通信装置，一个主机的发送端和接收端分别配置一个光耦，每个从机的发送端和接收端同样分别配置一个光耦，主机发送端发出的电平信号经过光耦转换后，再由从机接收端的光耦进行转换后由从机接收端接收；同样，从机发送端发出的电平信号由从机发送端的光耦转换后，再由主机接收端的光耦进行转换后由主机接收端接收，使得主机与从机之间的电平信号传输通过光耦转换作用而避开了强电磁干扰环境，避免了信号在传输过程中易受干扰而导致的通信不稳定问题，提高了传输过程中通信稳定性，且该装置可以应用于需要长距离串行数据传输的场所。
进一步地，在所述主机发送端与主机发送光耦之间、主机接收端与主机接收光耦之间、从机发送光耦与从机发送端之间、从机接收光耦与从机接收端之间均设置有逻辑芯片，以弥补主、从机IO口的电流驱动能力不足的缺陷，从而提高了整个通信系统的可靠性。
进一步地，所述逻辑芯片为或门逻辑芯片，具体选用型号为74HCT1G32GV。
进一步地，所述主机发送光耦、主机接收光耦、从机发送光耦和从机接收光耦均选用型号为TLP114A的高速光耦，以提高传输过程中的通信速率。
进一步地，在PCB电路板布局设计上，所述主机发送光耦和主机接收光耦分别靠近主机的发送端引脚和接收端引脚，所述从机发送光耦和从机接收光耦分别靠近对应从机的发送端引脚和接收端引脚，使得抗强电磁干扰性强的24V电平信号传输距离尽量长，而抗强电磁干扰性弱的3.3V或5V电平信号传输距离尽量短，进一步提高了传输过程中的抗干扰能力。
进一步地，所述主机发送端、接收端分别与主机发送光耦、主机接收光耦的具体连接关系为：
主机的发送端TXD与逻辑芯片U1的引脚1连接，逻辑芯片U1的引脚5与电源端VCC连接，且电源端VCC分别通过第一支路、第二支路与主机发送光耦E1的引脚1和3连接，逻辑芯片U1的引脚4与主机发送光耦E1的引脚3连接，逻辑芯片U1的引脚2接地GND；主机发送光耦E1的引脚6与24V电源连接，24V电源还分别通过电阻R3、电阻R4与主机发送光耦E1的引脚5、三极管N1的集电极连接，主机发送光耦E1的引脚4通过电阻R5接地DGND，且主机发送光耦E1的引脚4还与三极管N1的基极连接；三极管N1的发射极接地DGND；
主机的接收端RXD与逻辑芯片U2的引脚4连接，逻辑芯片U2的引脚4还通过发光二极管Led2和电阻R6的串联支路与电源端VCC连接，逻辑芯片U2的引脚2接地GND，逻辑芯片U2的引脚5与电源端VCC连接，逻辑芯片U2的引脚1通过电阻R7与电源端VCC连接，且逻辑芯片U2的引脚1还与主机接收光耦E2的引脚5连接，主机接收光耦E2的引脚4接地GND，主机接收光耦E2的引脚6与电源端VCC连接，主机接收光耦E2的引脚1通过电阻R8与24V电源连接。
主机的发送端通过主机发送光耦E1将其发送的电平信号（3.3V或5V）转换成抗干扰能力强的24V电平，24V电平经过长距离传输给从机，避免了主机发送端发出的电平信号（3.3V或5V）受到电磁干扰；主机接收光耦E2接收到从机传输来的24V电平信号，并将该24V电平信号转换成主机接收端能接收的电平信号（3.3V或5V），通过光耦进行电平转换，解决了主机发送的电平信号在传输过程中电磁干扰的问题。
进一步地，所述三极管N1的选用型号为BC81716MTF，该三极管用来增加主机发送端的电流驱动能力，三极管N1集电极电流的驱动能力直接决定了通信支路上所能连接的从机的数量，且三极管N1的开关速度也决定了传输过程中的通信速率。
进一步地，所述从机发送端、接收端分别与从机发送光耦、从机接收光耦的具体连接关系为：
从机接收光耦EN-1的引脚1通过电阻RN-1与24V电源连接，从机接收光耦EN-1的引脚6与电源端VCC-N连接，从机接收光耦EN-1的引脚5通过电阻RN-2与电源端VCC-N连接，从机接收光耦EN-1的引脚4接地GND-N，从机接收光耦EN-1的引脚5与逻辑芯片UN-1的引脚1连接；逻辑芯片UN-1的引脚2接地GND-N，逻辑芯片UN-1的引脚5与电源端VCC-N连接，逻辑芯片UN-1的引脚4通过发光二极管LedN-1和电阻RN-3的串联支路与电源端VCC-N连接，逻辑芯片UN-1的引脚4与从机的接收端RXD-N连接；
从机的发送端与逻辑芯片UN-2的引脚1连接，逻辑芯片UN-2的引脚2接地GND-N，逻辑芯片UN-2的引脚5与电源端VCC-N连接，电源端VCC-N通过二极管LedN-2和电阻RN-6的串联支路与从机发送光耦的引脚3连接，逻辑芯片UN-2的引脚4与从机发送光耦的引脚3连接；从机发送光耦的引脚1通过电阻RN-5接电源端VCC-N，从机发送光耦的引脚6与24V电源连接，从机发送光耦的引脚4接地DGND，从机发送光耦的引脚5通过电阻RN-4与24V电源连接。
从机的发送端通过从机发送光耦EN-2将其发送的电平信号（3.3V或5V）转换成抗干扰能力强的24V电平，24V电平经过长距离传输给主机，避免了从机发送端发出的电平信号受到电磁干扰；从机接收光耦EN-1接收到主机传输来的24V电平信号，并将该24V电平信号转换成从机接收端能接收的电平信号（3.3V或5V），通过光耦进行电平转换，解决了从机发送的电平信号在传输过程中电磁干扰的问题。
有益效果
与现有技术相比，本实用新型提出的一种一主多从式高速串行通信装置，主机的发送端和接收端分别配置一个光耦，每个从机的发送端和接收端同样分别配置一个光耦，在主机端，主机光耦将主机发送端发出的3.3V或5V的TTL电平转换成抗电磁干扰强的24V电平后再进行传输，在从机端，从机光耦将24V电平转换成3.3V或5V的TTL电平后由从机接收端接收，同理，从机光耦将从机发送端发出的3.3V或5V的TTL电平转换成抗电磁干扰强的24V电平后再进行传输，然后由主机光耦将24V电平转换成3.3V或5V的TTL电平后由主机接收端接收，解决了主从机之间的数据传输抗电磁干扰性的问题，且主从机之间采用不共地的设计方式，进一步提高了整个通信装置抗共模干扰的能力，提高了一主多从通信装置之间的通信可靠性和抗干扰能力，特别适于电磁兼容环境比较恶劣而且需要远距离数据通信传输的场所。
本实用新型的通信装置结构简单，硬件成本低，传输线少，适于大范围推广。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例中一主多从高速串行通信装置的结构示意图。
图2是本实施例中一主多从高速串行通信装置的电路原理图。
具体实施方式
下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型所提供的一种一主多从式高速串行通信装置，包括一个主机、多个从机，还包括主机发送光耦、主机接收光耦、以及多个从机发送光耦和多个从机接收光耦；所述主机的发送端通过主机发送光耦与多个从机接收光耦连接，主机的接收端通过主机接收光耦与多个从机发送光耦连接；所述多个从机接收光耦分别与多个从机的接收端连接，多个从机发送光耦分别与多个从机的发送端连接。
本实用新型的通信装置，一个主机的发送端和接收端分别配置一个光耦，每个从机的发送端和接收端同样分别配置一个光耦，主机发送端发出的电平信号经过光耦转换后，再由从机接收端的光耦进行转换后由从机接收端接收；同样，从机发送端发出的电平信号由从机发送端的光耦转换后，再由主机接收端的光耦进行转换后由主机接收端接收，使得主机与从机之间的电平信号传输通过光耦转换作用而提高了抗强电磁干扰环境能力，避免了信号在传输过程中易受干扰而导致的通信不稳定问题，提高了传输过程中通信稳定性。
如图2所示，整个装置的连接关系为：主机的发送端TXD与逻辑芯片U1的引脚1连接，逻辑芯片U1的引脚5与电源端VCC连接，且电源端VCC分别通过第一支路、第二支路与主机发送光耦E1的引脚1和3连接，逻辑芯片U1的引脚4与主机发送光耦E1的引脚3连接，逻辑芯片U1的引脚2接地GND；主机发送光耦E1的引脚6与24V电源连接，24V电源还分别通过电阻R3、电阻R4与主机发送光耦E1的引脚5、三极管N1的集电极连接，主机发送光耦E1的引脚4通过电阻R5接地DGND，且主机发送光耦E1的引脚4还与三极管N1的基极连接；三极管N1的发射极接地DGND。
主机的接收端RXD与逻辑芯片U2的引脚4连接，逻辑芯片U2的引脚4还通过发光二极管Led2和电阻R6的串联支路与电源端VCC连接，逻辑芯片U2的引脚2接地GND，逻辑芯片U2的引脚5与电源端VCC连接，逻辑芯片U2的引脚1通过电阻R7与电源端VCC连接，且逻辑芯片U2的引脚1还与主机接收光耦E2的引脚5连接，主机接收光耦E2的引脚4接地GND，主机接收光耦E2的引脚6与电源端VCC连接，主机接收光耦E2的引脚1通过电阻R8与24V电源连接。
从机接收光耦EN-1的引脚1通过电阻RN-1与24V电源连接，从机接收光耦EN-1的引脚6与电源端VCC-N连接，从机接收光耦EN-1的引脚5通过电阻RN-2与电源端VCC-N连接，从机接收光耦EN-1的引脚4接地GND-N，从机接收光耦EN-1的引脚5与逻辑芯片UN-1的引脚1连接；逻辑芯片UN-1的引脚2接地GND-N，逻辑芯片UN-1的引脚5与电源端VCC-N连接，逻辑芯片UN-1的引脚4通过发光二极管LedN-1和电阻RN-3的串联支路与电源端VCC-N连接，逻辑芯片UN-1的引脚4与从机的接收端RXD-N连接。
从机的发送端与逻辑芯片UN-2的引脚1连接，逻辑芯片UN-2的引脚2接地GND-N，逻辑芯片UN-2的引脚5与电源端VCC-N连接，电源端VCC-N通过二极管LedN-2和电阻RN-6的串联支路与从机发送光耦的引脚3连接，逻辑芯片UN-2的引脚4与从机发送光耦的引脚3连接；从机发送光耦的引脚1通过电阻RN-5接电源端VCC-N，从机发送光耦的引脚6与24V电源连接，从机发送光耦的引脚4接地DGND，从机发送光耦的引脚5通过电阻RN-4与24V电源连接。
在主机端，主机光耦E1将主机发送端TXD发出的3.3V或5V的TTL电平转换成抗强电磁干扰能力强的24V电平后再进行传输，在从机端，从机光耦EN-1将24V电平转换成3.3V或5V的TTL电平后由从机接收端RXD-N接收，同理，从机光耦EN-2将从机发送端TXD-N发出的3.3V或5V的TTL电平转换成抗强电磁干扰能力强的24V电平后再进行传输，然后由主机光耦E2将24V电平转换成3.3V或5V的TTL电平后由主机接收端RXD接收。
从三极管N1的集电极引出MTSR（主机发送从机接收）信号线，从三极管N1的发射极引出共地线DGND，从主机接收光耦E2的引脚1引出+24V电源线，从主机接收光耦E2的引脚3引出MRST（从机发送主机接收）信号线，每个从机的从机接收光耦EN-1的引脚1通过电阻RN-1接+24V电源，从机接收光耦EN-1的引脚3接MTSR信号线，从机发送光耦EN-2的引脚4接共地线DGND，从机发送光耦EN-2的引脚5接MRST信号线。从机接收光耦EN-1和从机发送光耦EN-2中的N表示从机的数量，而从机的数量是由三极管N1集电极的电流驱动能力所决定的。
本实用新型的通信装置只需要MTSR和MRST两根信号线，减少了通信线的数量，简化了一主多从通信装置的结构，在低成本、低误码率的情况下达到高速的通信速率。同时，主从机之间采用不共地的设计方式，进一步提高了整个通信装置抗共模干扰的能力。
主机和从机为包括主控MCU芯片的设备，主控MCU芯片可以为51单片机、ARM、DSP、FPGA和CPLD等。逻辑芯片U1/U2/U1-1/U1-2/U2-2/U2-2/UN-1/UN-2为或门逻辑芯片，或门逻辑芯片的型号为74HCT1G32GV。主机发送光耦E1、主机接收光耦E2、从机发送光耦EN-2和从机接收光耦EN-1均选用型号为TLP114A的高速光耦，三极管N1的型号为BC81716MTF。TLP114A高速光耦和BC81716MTF外延硅晶体管的开关速率都为10M/S以上，使得整个通信装置的通信速率可达到10Mbps。
本实用新型通信装置的通信原理为：主机采用轮询的方式与各个从机进行通信，主机发送的数据帧包括地址编码（从机的地址编码）、功能编码（主机发出的操作命令）、数据包（存放命令的内容）和校验码（保证通信可靠性）。主机发送数据帧，从机接收数据帧，如果从机接受到数据帧，则对比自身的地址编码与数据帧中的地址编码是否一致，从而判断是否与主机开始通信；从机发送数据帧，只有主机能接收到，因此从机发送的数据帧包括地址编码（从机的地址编码）、数据包（存放主机请求的数据和状态）和校验码（保证通信可靠性）。
以上所揭露的仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种一主多从式高速串行通信装置，包括一个主机、多个从机，其特征在于：还包括主机发送光耦、主机接收光耦、以及多个从机发送光耦和多个从机接收光耦；所述主机的发送端通过主机发送光耦与多个从机接收光耦连接，主机的接收端通过主机接收光耦与多个从机发送光耦连接；所述多个从机接收光耦分别与多个从机的接收端连接，多个从机发送光耦分别与多个从机的发送端连接。
2.如权利要求1所述的一种一主多从式高速串行通信装置，其特征在于：在所述主机发送端与主机发送光耦之间、主机接收端与主机接收光耦之间、从机发送光耦与从机发送端之间、从机接收光耦与从机接收端之间均设置有逻辑芯片。
3.如权利要求2所述的一种一主多从式高速串行通信装置，其特征在于：所述逻辑芯片为逻辑或门芯片，具体选用型号为74HCT1G32GV。
4.如权利要求1所述的一种一主多从式高速串行通信装置，其特征在于：所述主机发送光耦、主机接收光耦、从机发送光耦和从机接收光耦均选用型号为TLP114A的高速光耦。
5.如权利要求1所述的一种一主多从式高速串行通信装置，其特征在于：在PCB电路板布局设计上，所述主机发送光耦和主机接收光耦分别靠近主机的发送端引脚和接收端引脚，所述从机发送光耦和从机接收光耦分别靠近对应从机的发送端引脚和接收端引脚。
6.如权利要求1所述的一种一主多从式高速串行通信装置，其特征在于：所述主机发送端、接收端分别与主机发送光耦、主机接收光耦的具体连接关系为：
主机的发送端TXD与逻辑芯片U1的引脚1连接，逻辑芯片U1的引脚5与电源端VCC连接，且电源端VCC分别通过第一支路、第二支路与主机发送光耦E1的引脚1和3连接，逻辑芯片U1的引脚4与主机发送光耦E1的引脚3连接，逻辑芯片U1的引脚2接地GND；主机发送光耦E1的引脚6与24V电源连接，24V电源还分别通过电阻R3、电阻R4与主机发送光耦E1的引脚5、三极管N1的集电极连接，主机发送光耦E1的引脚4通过电阻R5接地DGND，且主机发送光耦E1的引脚4还与三极管N1的基极连接；三极管N1的发射极接DGND；
主机的接收端RXD与逻辑芯片U2的引脚4连接，逻辑芯片U2的引脚4还通过发光二极管Led2和电阻R6的串联支路与电源端VCC连接，逻辑芯片U2的引脚2接地GND，逻辑芯片U2的引脚5与电源端VCC连接，逻辑芯片U2的引脚1通过电阻R7与电源端VCC连接，且逻辑芯片U2的引脚1还与主机接收光耦E2的引脚5连接，主机接收光耦E2的引脚4接地GND，主机接收光耦E2的引脚6与电源端VCC连接，主机接收光耦E2的引脚1通过电阻R8与24V电源连接。
7.如权利要求6所述的一种一主多从式高速串行通信装置，其特征在于：所述三极管N1的选用型号为BC81716MTF。
8.如权利要求1所述的一种一主多从式高速串行通信装置，其特征在于：所述从机发送端、接收端分别与从机发送光耦、从机接收光耦的具体连接关系为：
从机接收光耦EN-1的引脚1通过电阻RN-1与24V电源连接，从机接收光耦EN-1的引脚6与电源端VCC-N连接，从机接收光耦EN-1的引脚5通过电阻RN-2与电源端VCC-N连接，从机接收光耦EN-1的引脚4接地GND-N，从机接收光耦EN-1的引脚5与逻辑芯片UN-1的引脚1连接；逻辑芯片UN-1的引脚2接地GND-N，逻辑芯片UN-1的引脚5与电源端VCC-N连接，逻辑芯片UN-1的引脚4通过发光二极管LedN-1和电阻RN-3的串联支路与电源端VCC-N连接，逻辑芯片UN-1的引脚4与从机的接收端RXD-N连接；
从机的发送端与逻辑芯片UN-2的引脚1连接，逻辑芯片UN-2的引脚2接地GND-N，逻辑芯片UN-2的引脚5与电源端VCC-N连接，电源端VCC-N通过二极管LedN-2和电阻RN-6的串联支路与从机发送光耦的引脚3连接，逻辑芯片UN-2的引脚4与从机发送光耦的引脚3连接；从机发送光耦的引脚1通过电阻RN-5接电源端VCC-N，从机发送光耦的引脚6与24V电源连接，从机发送光耦的引脚4接地DGND，从机发送光耦的引脚5通过电阻RN-4与24V电源连接。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201921284304.XU CN210041858U (zh) | 2019-08-09 | 2019-08-09 | 一种一主多从式高速串行通信装置 |
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| CN201921284304.XU Active CN210041858U (zh) | 2019-08-09 | 2019-08-09 | 一种一主多从式高速串行通信装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111625491A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-09-04 | 科华恒盛股份有限公司 | 多机串行通信的装置及方法 |
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2019
- 2019-08-09 CN CN201921284304.XU patent/CN210041858U/zh active Active
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| GR01 | Patent grant | ||
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