CN218471302U - 一种隔离电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种隔离电路，通过在微控制器与传感器之间设置双向总线缓冲器和光耦隔离电路，由于光耦隔离电路包括输入数据隔离子电路和与输入数据隔离子电路并联连接的输出数据隔离子电路，输入数据隔离子电路连接在双向总线缓冲器的接收端与传感器的数据传输端之间，输出数据隔离子电路连接在双向总线缓冲器的发送端与传感器的数据传输端之间，微控制器与传感器之间的双向数据传输通过输入数据隔离子电路和输出数据隔离子电路的通断实现，即微控制器只需要一根数据线就可以与传感器接口的单总线进行传输，同时实现总线隔离，减少了整个驱动电路的复杂度、降低了成本、也提高了接口驱动的可靠性。

Description

一种隔离电路

技术领域

本实用新型属于电子电路的技术领域，具体涉及一种隔离电路。

背景技术

SDI-12是一种串行总线技术，主要应用于水利、湖泊等的水文和气象信息监测中，具有支持远距离、总线可级联、通信距离远等优点。

传统的SDI-12总线由三线组成，一线用于数据的接收和发送，另外两线分别是电源和地，属于单总线接口。目前在总线的主机侧，一般都采用串行接口对SDI-12接口进行操作，需要使用反相器、三态缓冲器等数字逻辑器件将主机的全双工接口转换成SDI-12所支持的半双工接口。

由于存在对接口的转换，在主机侧往往需要占用多个TXD、RXD的数据接口，另外，由于主机的协议转换较为复杂，需要设置数量较多的数字逻辑芯片，导致整个电路成本高、功耗大、可靠性低。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的是提供一种隔离电路，旨在解决现有技术中，为了实现协议转换而设置大量数字逻辑芯片，导致整个电路成本高、功耗大、可靠性低的问题。

本实用新型提出的隔离电路包括双向总线缓冲器，所述双向总线缓冲器通过双向数据引脚与微控制器连接；

光耦隔离电路，所述光耦隔离电路包括输入数据隔离子电路和与所述输入数据隔离子电路并联连接的输出数据隔离子电路，所述输入数据隔离子电路连接在所述双向总线缓冲器的接收端与传感器的数据传输端之间，所述输出数据隔离子电路连接在所述双向总线缓冲器的发送端与传感器的数据传输端之间；

其中，所述微控制器与所述传感器之间的双向数据传输通过所述输入数据隔离子电路和所述输出数据隔离子电路的通断实现。

本实用新型提出的隔离电路通过在微控制器与传感器之间设置双向总线缓冲器和光耦隔离电路，由于光耦隔离电路包括输入数据隔离子电路和与输入数据隔离子电路并联连接的输出数据隔离子电路，输入数据隔离子电路连接在双向总线缓冲器的接收端与传感器的数据传输端之间，输出数据隔离子电路连接在双向总线缓冲器的发送端与传感器的数据传输端之间，微控制器与传感器之间的双向数据传输通过输入数据隔离子电路和输出数据隔离子电路的通断实现，即微控制器只需要一根数据线就可以与传感器接口的单总线进行传输，同时实现总线隔离，无需再进行全双工到半双工的逻辑硬件电路和相对应的协议转换工作，减少了整个驱动电路的复杂度、降低了成本、也提高了接口驱动的可靠性。

进一步的，所述输入数据隔离子电路中包括第一光耦隔离芯片，所述第一光耦隔离芯片的阳极通过第一分压电阻与第一数字电源连接，所述第一光耦隔离芯片的阴极与所述传感器的数据传输端连接，所述第一光耦隔离芯片的发射极接地，所述第一光耦隔离芯片的集电极分别与所述双向总线缓冲器的接收信号引脚、第二数字电源连接，其中，所述第一光耦隔离芯片的集电极与所述第二数字电源之间通过第二分压电阻连接。

进一步的，所述输出数据隔离子电路中包括第二光耦隔离芯片，所述第二光耦隔离芯片的阳极通过第三分压电阻与所述第二数字电源连接，所述第二光耦隔离芯片的阴极与所述双向总线缓冲器的发射信号引脚连接，所述第二光耦隔离芯片的发射极接地，所述第二光耦隔离芯片的集电极与所述传感器的数据传输端连接。

进一步的，所述第一光耦隔离芯片的阳极还通过第一分流电阻与所述传感器的数据传输端连接。

进一步的，当数据从所述传感器侧向所述微控制器侧输入，所述传感器的数据传输端为高电平时，所述第一光耦隔离芯片不导通，实现逻辑“1”的输入；

当数据未从所述传感器侧向所述微控制器侧输入，所述传感器的数据传输端为低电平时，所述第一光耦隔离芯片导通，实现逻辑“0”的输入；

当数据从所述微控制器侧向所述传感器侧输出，所述双向总线缓冲器的发射信号引脚为高电平时，所述第二光耦隔离芯片不导通，实现逻辑“1”的输出；

当数据未从所述微控制器侧向所述传感器侧输出，所述双向总线缓冲器的发射信号引脚为低电平时，所述第二光耦隔离芯片导通，实现逻辑“0”的输出。

进一步的，所述隔离电路还包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接在所述光耦隔离电路和所述传感器的数据传输端之间，用于当所述微控制器与所述传感器进行数据传输时，所述阻抗匹配电路的直流源阻抗为1～2KΩ；当所述微控制器与所述传感器不进行数据传输时，所述阻抗匹配电路的对地阻抗为 160～360KΩ。

进一步的，所述光耦隔离电路和所述传感器的数据传输端之间还连接有数据保护电路，所述数据保护电路包括气体放电管和第一TVS管，其中，所述气体放电管的一端与所述传感器的数据传输端连接，所述气体放电管的另一端接地，所述第一TVS管的一端与所述传感器的数据传输端连接，所述第一TVS管的另一端接地。

进一步的，电源保护电路连接在电源与所述传感器的电源端之间，所述电源保护电路包括自恢复保险丝和第二TVS管，其中，所述自恢复保险丝的一端与所述传感器的电源端连接，所述自恢复保险丝的另一端与所述电源连接，所述第二TVS管的一端与所述传感器的电源端连接，所述第二TVS管的另一端接地。

进一步的，所述阻抗匹配电路包括直流源阻抗子电路和对地阻抗子电路，所述直流源阻抗子电路与所述对地阻抗子电路并联连接，其中，所述直流源阻抗子电路包括至少一个第一电阻，所述第一电阻的一端与所述传感器的数据传输端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一光耦隔离芯片的阴极连接，所述对地阻抗子电路包括至少一个第二电阻，所述第二电阻的一端与所述传感器的数据传输端连接，所述第二电阻的另一端接地。

根据本实用新型提出的一种隔离电路的其他优点和技术效果将在具体实施方式中详细介绍。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的隔离电路的电路示意图。

以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的若干实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，所示为本实用新型实施例中的隔离电路，应用于单总线的 SDI-12技术中，该电路包括设置在微控制器与传感器之间的双向总线缓冲器U8 和光耦隔离电路，光耦隔离电路与传感器可通过总线连接，光耦隔离电路包括输入数据隔离子电路和与输入数据隔离子电路并联连接的输出数据隔离子电路，输入数据隔离子电路连接在双向总线缓冲器U8的接收端与传感器的数据传输端之间，输出数据隔离子电路连接在双向总线缓冲器U8的发送端与传感器的数据传输端之间，光耦隔离电路的设置可以对微控制器起到保护的作用，避免受到外部浪涌的影响而损坏，其中：

在本实施例当中，微控制器选择3.3V供电的常规微控制器即可满足要求，由于传感器的数据传输端SDI-12总线对数据传输的速率要求不高，常规的微控制器都可以满足系统要求，如ST公司的STM32F系列，而双向总线缓冲器U8 可以采用P82B96双向总线缓冲器，P82B96双向总线缓冲器提供了独立的发送和接收信号引脚，通过发送信号引脚TX和接收信号引脚RX，分别与对应的输出数据隔离子电路和输入数据隔离子电路连接，这样就能以最简单的方式，实现了单总线的双向隔离。另外，双向总线缓冲器U8多用在IIC总线的双向缓冲中，将该双向总线缓冲器U8应用到SDI-12中，只需要使用其中一路即可，即使用双向总线缓冲器U8的双向数据引脚SX，通过双向数据引脚SX与微控制器连接。

具体的，输入数据隔离子电路中包括第一光耦隔离芯片U9，第一光耦隔离芯片U9的阳极通过第一分压电阻R39与第一数字电源连接，第一光耦隔离芯片 U9的阴极与传感器的数据传输端连接，第一光耦隔离芯片U9的发射极接地，第一光耦隔离芯片U9的集电极分别与双向总线缓冲器U8的接收信号引脚RX、第二数字电源连接，其中，第一数字电源为±5V，第二数字电源为±3.3V，第一光耦隔离芯片U9的集电极与第二数字电源之间通过第二分压电阻R41连接，另外，第一光耦隔离芯片U9的阳极还通过第一分流电阻R43与所述传感器的数据传输端连接。

进一步的，输出数据隔离子电路中包括第二光耦隔离芯片U10，第二光耦隔离芯片U10的阳极通过第三分压电阻R42与第二数字电源连接，第二光耦隔离芯片U10的阴极与双向总线缓冲器U8的发射信号引脚TX连接，第二光耦隔离芯片U10的发射极接地，第二光耦隔离芯片U10的集电极与传感器的数据传输端连接，另外，双向总线缓冲器U8的双向数据引脚SX通过第四分压电阻R40 与第二数字电源连接。

为了控制输入数据隔离子电路和输出数据隔离子电路的通断，从而实现微控制器与传感器之间的双向数据传输功能，具体可以为，当数据从传感器侧向微控制器侧输入，传感器的数据传输端为高电平时，第一光耦隔离芯片U9不导通，实现逻辑“1”的输入；当数据未从传感器侧向微控制器侧输入，传感器的数据传输端为低电平时，第一光耦隔离芯片U9导通，实现逻辑“0”的输入；当数据从微控制器侧向传感器侧输出，双向总线缓冲器U8的发射信号引脚TX 为高电平时，第二光耦隔离芯片不导通U10，实现逻辑“1”的输出；当数据未从微控制器侧向传感器侧输出，双向总线缓冲器U8的发射信号引脚TX为低电平时，第二光耦隔离芯片U10导通，实现逻辑“0”的输出。

更为具体的，当数据从传感器侧向微控制器侧输入，传感器的数据传输端为高电平时，第一光耦隔离芯片U9不导通，由第二分压电阻R41上拉到+3.3V，实现逻辑“1”的输入；当数据从传感器侧向微控制器侧输入，传感器的数据传输端为低电平时，第一数字电源与传感器的数据传输端通过第一分压电阻R39 和第一分流电阻R43形成回路，第一光耦隔离芯片U9导通，第一光耦隔离芯片 U9的输出端电压被拉低，实现逻辑“0”的输入；当数据从微控制器侧向传感器侧输出，双向总线缓冲器U8的发射信号引脚TX为高电平时，第一光耦隔离芯片U10不导通，由第一分压电阻R39和第一分流电阻R43上拉到+5V，实现逻辑“1”的输出；当数据未从微控制器侧向传感器侧输出，双向总线缓冲器 U8的发射信号引脚TX为低电平时，第一光耦隔离芯片U10导通，第一光耦隔离芯片U10的输出端被拉低，实现逻辑“0”的输出。

可以理解的，双向总线缓冲器U8将微控制器的单总线双向信号分解成独立的发送和接收信号，以便于光耦隔离电路进行发送和接收的独立隔离，同时通过光耦隔离电路中对光耦的并联，将发送和接收信号再回归到单总线形式，使得整个驱动电路从微控制器到传感器的数据传输端整体上为单总线形式。

在本发明其它一些实施例当中，阻抗匹配电路连接在光耦隔离电路和传感器的数据传输端之间，用于当微控制器与传感器进行数据传输时，阻抗匹配电路的直流源阻抗为1～2KΩ；当微控制器与传感器不进行数据传输时，阻抗匹配电路的对地阻抗为160～360KΩ，具体的，根据SDI-12的协议规范要求，阻抗匹配电路包括直流源阻抗子电路和对地阻抗子电路，直流源阻抗子电路与对地阻抗子电路并联连接，其中，直流源阻抗子电路包括至少一个第一电阻，第一电阻的一端与传感器的数据传输端连接，第一电阻的另一端与第一光耦隔离芯片的阴极连接，对地阻抗子电路包括至少一个第二电阻，第二电阻的一端与传感器的数据传输端连接，第二电阻的另一端接地，可以理解的，通过第一电阻，实现阻抗匹配电路的直流源阻抗为1～2KΩ，即可以由两个510电阻组成，通过第二电阻，实现阻抗匹配电路的对地阻抗为160～360KΩ，另外，还可在总线上设置滤除总线耦合到的空间射频干扰信号的滤波电路，即将滤波电容的一端与总线连接，滤波电容的另一端接地。

另外，由于SDI-12总线一般应用于水库、大坝、湖泊等地理位置相对开阔的场景，而且传输距离长，所以容易遭受感应雷的袭击，为了保护总线避免遭受感应雷的损坏，需要在传感器的数据传输端和电源端设计感应雷防护电路，该感应雷防护电路包括电源保护电路和数据保护电路，其中，电源保护电路连接在电源与传感器的电源端之间，电源保护电路包括自恢复保险丝TR2和第二 TVS管D19，其中，自恢复保险丝的一端与传感器的电源端连接，自恢复保险丝TR2的另一端与电源连接，第二TVS管D19的一端与传感器的电源端连接，第二TVS管D19的另一端接地，自恢复保险丝TR2主要防止负载短路造成的过流，第二TVS管D19主要吸收总线上感应的浪涌电压。

而光耦隔离电路和传感器的数据传输端之间连接有数据保护电路，数据保护电路包括气体放电管G1和第一TVS管D20，其中，气体放电管G1的一端与传感器的数据传输端连接，气体放电管G1的另一端接地，第一TVS管D20的一端与传感器的数据传输端连接，第一TVS管D20的另一端接地，另外，在传感器的数据传输端与第一光耦隔离芯片U9的阴极之间还连接有第二自恢复保险丝TR3，具体的，由气体放电管G1和第一TVS管D20组成的二级浪涌保护电路，即数据保护电路，当浪涌发生时，第一TVS管D20由于响应速度快，优先导通，将浪涌电压峰值钳至低压，气体放电管G1在第一TVS管D20导通后，开始被击穿，为浪涌能量提供一个大的泄放通路，气体放电管G1和第一TVS 管D20相互配合实现SDI-12总线的保护，而第二自恢复保险丝TR3主要防止负载短路造成的过流。

综上，本实用新型提出的隔离电路通过在微控制器与传感器之间设置双向总线缓冲器和光耦隔离电路，由于光耦隔离电路包括输入数据隔离子电路和与输入数据隔离子电路并联连接的输出数据隔离子电路，输入数据隔离子电路连接在双向总线缓冲器的接收端与传感器的数据传输端之间，输出数据隔离子电路连接在双向总线缓冲器的发送端与传感器的数据传输端之间，微控制器与传感器之间的双向数据传输通过输入数据隔离子电路和输出数据隔离子电路的通断实现，即微控制器只需要一根数据线就可以与传感器接口的单总线进行传输，同时实现总线隔离，无需再进行全双工到半双工的逻辑硬件电路和相对应的协议转换工作，减少了整个驱动电路的复杂度、降低了成本、也提高了接口驱动的可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种隔离电路，其特征在于，包括：

双向总线缓冲器，所述双向总线缓冲器通过双向数据引脚与微控制器连接；

光耦隔离电路，所述光耦隔离电路包括输入数据隔离子电路和与所述输入数据隔离子电路并联连接的输出数据隔离子电路，所述输入数据隔离子电路连接在所述双向总线缓冲器的接收端与传感器的数据传输端之间，所述输出数据隔离子电路连接在所述双向总线缓冲器的发送端与传感器的数据传输端之间；

其中，所述微控制器与所述传感器之间的双向数据传输通过所述输入数据隔离子电路和所述输出数据隔离子电路的通断实现。

2.根据权利要求1所述的隔离电路，其特征在于，所述输入数据隔离子电路中包括第一光耦隔离芯片，所述第一光耦隔离芯片的阳极通过第一分压电阻与第一数字电源连接，所述第一光耦隔离芯片的阴极与所述传感器的数据传输端连接，所述第一光耦隔离芯片的发射极接地，所述第一光耦隔离芯片的集电极分别与所述双向总线缓冲器的接收信号引脚、第二数字电源连接，其中，所述第一光耦隔离芯片的集电极与所述第二数字电源之间通过第二分压电阻连接。

3.根据权利要求2所述的隔离电路，其特征在于，所述输出数据隔离子电路中包括第二光耦隔离芯片，所述第二光耦隔离芯片的阳极通过第三分压电阻与所述第二数字电源连接，所述第二光耦隔离芯片的阴极与所述双向总线缓冲器的发射信号引脚连接，所述第二光耦隔离芯片的发射极接地，所述第二光耦隔离芯片的集电极与所述传感器的数据传输端连接。

4.根据权利要求3所述的隔离电路，其特征在于，所述第一光耦隔离芯片的阳极还通过第一分流电阻与所述传感器的数据传输端连接。

5.根据权利要求4所述的隔离电路，其特征在于，

当数据从所述传感器侧向所述微控制器侧输入，所述传感器的数据传输端为高电平时，所述第一光耦隔离芯片不导通，实现逻辑“1”的输入；

当数据未从所述传感器侧向所述微控制器侧输入，所述传感器的数据传输端为低电平时，所述第一光耦隔离芯片导通，实现逻辑“0”的输入；

当数据从所述微控制器侧向所述传感器侧输出，所述双向总线缓冲器的发射信号引脚为高电平时，所述第二光耦隔离芯片不导通，实现逻辑“1”的输出；

当数据未从所述微控制器侧向所述传感器侧输出，所述双向总线缓冲器的发射信号引脚为低电平时，所述第二光耦隔离芯片导通，实现逻辑“0”的输出。

6.根据权利要求5所述的隔离电路，其特征在于，所述隔离电路还包括阻抗匹配电路，所述阻抗匹配电路连接在所述光耦隔离电路和所述传感器的数据传输端之间，用于当所述微控制器与所述传感器进行数据传输时，所述阻抗匹配电路的直流源阻抗为1～2KΩ；当所述微控制器与所述传感器不进行数据传输时，所述阻抗匹配电路的对地阻抗为160～360KΩ。

7.根据权利要求1所述的隔离电路，其特征在于，所述光耦隔离电路和所述传感器的数据传输端之间还连接有数据保护电路，所述数据保护电路包括气体放电管和第一TVS管，其中，所述气体放电管的一端与所述传感器的数据传输端连接，所述气体放电管的另一端接地，所述第一TVS管的一端与所述传感器的数据传输端连接，所述第一TVS管的另一端接地。

8.根据权利要求1所述的隔离电路，其特征在于，电源保护电路连接在电源与所述传感器的电源端之间，所述电源保护电路包括自恢复保险丝和第二TVS管，其中，所述自恢复保险丝的一端与所述传感器的电源端连接，所述自恢复保险丝的另一端与所述电源连接，所述第二TVS管的一端与所述传感器的电源端连接，所述第二TVS管的另一端接地。

9.根据权利要求6所述的隔离电路，其特征在于，所述阻抗匹配电路包括直流源阻抗子电路和对地阻抗子电路，所述直流源阻抗子电路与所述对地阻抗子电路并联连接，其中，所述直流源阻抗子电路包括至少一个第一电阻，所述第一电阻的一端与所述传感器的数据传输端连接，所述第一电阻的另一端与所述第一光耦隔离芯片的阴极连接，所述对地阻抗子电路包括至少一个第二电阻，所述第二电阻的一端与所述传感器的数据传输端连接，所述第二电阻的另一端接地。

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