CN219554952U - 一种pwm通信接口电路 - Google Patents

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CN219554952U CN202320579570.5U CN202320579570U CN219554952U CN 219554952 U CN219554952 U CN 219554952U CN 202320579570 U CN202320579570 U CN 202320579570U CN 219554952 U CN219554952 U CN 219554952U
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万金龙
李铭
苟浩
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Abstract

本申请公开了一种PWM通信接口电路，用于降低通信接口电路的制作成本。本申请包括：上位机、PWM总线、接口电路、地线、PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线和下位机；接口电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、系统供电电源VS和三极管Q1；上位机分别与PWM总线和地线连接；电阻R1分别与PWM总线和系统供电电源VS连接；电阻R2分别与PWM总线和PWM_IN信号线连接；电阻R3分别与地线和PWM_IN信号线连接；电阻R4分别与PWM_OUT信号线和三极管Q1的基极连接；三极管Q1的集电极连接PWM总线，发射极连接地线；下位机分别与PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线和地线连接。

Description

一种PWM通信接口电路
技术领域
本申请实施例涉及电路通信技术领域，尤其涉及一种PWM通信接口电路。
背景技术
现有技术中，PWM通信在泵类、发电机等产品中具有广泛的应用，常见的PWM通信接口电路为单工通信、半双工通信接口电路。在单工传输模式中，通信是单向；在半双工传输模式下，通信是双向的，两个连接的设备可以互换使用通信通道。
在单工传输模式下，发送方和接收方之间的通信只发生在一个方向上。发送方只能发送数据，接收方只能接收数据，接收方无法回复发送方。单工传输可以被认为是一条单向道路，其中信号只在一个方向上传输——不允许来自相反方向的信息通过。以键盘和显示器的关系为例，键盘只能将输入发送到显示器，显示器只能接收输入并显示在屏幕上。显示器无法回复或发送任何反馈到键盘。半双工的模式下，发送方和接收方之间的通信在总线上双向进行，但一次只能进行一个。发送者和接收者都可以发送和接收信息，但在任何给定时间只允许一个发送，一个接收。半双工通信虽然只能分时发送和接收信息，但只要发送和接收转换的频率足够快，即可满足大多数控制系统的通信按要求。
无论单工通信还是双工通信，都需要有接口电路将总线上的信号转化为控制芯片可识别的信号，现有半双工通信接口电路往往比较复杂，需要使用较多高精度的元器件来配合使用，大大的增加了生产成本。
实用新型内容
本申请公开了一种PWM通信接口电路，用于降低通信接口电路的制作成本。
本申请第一方面提供了一种PWM通信接口电路，包括：
上位机、PWM总线、接口电路、地线、PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线和下位机；
接口电路位于上位机与下位机之间，并通过PWM总线、地线、PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线连接；
接口电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、系统供电电源VS和三极管Q1；
上位机的输出端与PWM总线连接；
上位机的接地端和地线连接；
电阻R1为上拉电阻R1，上拉电阻R1的第一端与PWM总线连接；
上拉电阻R1的第二端与系统供电电源VS连接；
电阻R2为分压电阻R2，分压电阻R2的第一端与PWM总线连接；
分压电阻R2的第二端与PWM_IN信号线连接；
电阻R3为分压电阻R3，分压电阻R3的第一端与PWM_IN信号线连接；
分压电阻R3的第二端与地线连接；
电阻R4的第一端与PWM_OUT信号线连接；
电阻R4的第二端与三极管Q1的基极连接；
三极管Q1的集电极与PWM总线连接；
三极管Q1的发射极与地线连接；
下位机的PWM信号捕获接口与PWM_IN信号线连接；
下位机的PWM信号发送接口与PWM_OUT信号线连接；
下位机的接地端口与地线连接。
可选的，分压电阻R2的阻值大于上拉电阻；
分压电阻R3的阻值大于上拉电阻R1。
可选的，下位机的核心处理器为MCU芯片或FPGA芯片；
当下位机的核心处理器为MCU芯片时，上拉电阻R1、分压电阻R2和分压电阻R3的阻值比例满足R3/(R1+R2+R3)≥VIH/VSMIN，VIH为MCU芯片的数字信号电平中判定为高的阈值，VSMIN为PWM通信接口电路的系统维持运行的工作电压的最小值。
可选的，接口电路还包括稳压二极管D2；
稳压二极管D2的第一端与PWM_IN信号线连接；
稳压二极管D2的第二端与地线连接。
可选的，稳压二极管D2的钳位电压与MCU的数字信号高电平相匹配。
可选的，接口电路还包括TVS器件D1；
TVS器件D1的第一端与PWM总线连接；
TVS器件D1的第二端与地线连接。
可选的，上位机为汽车ECM或PC电脑，上位机的输出端设置为开漏结构。
可选的，上位机的输出端的开漏结构为MOSFET M1；
MOSFET M1的漏极与PWM总线连接；
MOSFET M1的源极与地线连接。
可选的，接口电路还包括滤波电容C1；
滤波电容C1的第一端与PWM总线连接；
滤波电容C1的第二端与地线连接；
可选的，接口电路还包括滤波电容C2；
滤波电容C2的第一端与PWM_IN信号线连接；
滤波电容C2的第二端与地线连接。
从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：
本申请中，PWM通信接口电路具体包括上位机、PWM总线、接口电路、地线、PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线和下位机；接口电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、系统供电电源VS和三极管Q1；上位机分别与PWM总线和地线连接；电阻R1分别与PWM总线和系统供电电源VS连接；电阻R2分别与PWM总线和PWM_IN信号线连接；电阻R3分别与地线和PWM_IN信号线连接；电阻R4分别与PWM_OUT信号线和三极管Q1的基极连接；三极管Q1的集电极连接PWM总线，发射极连接地线；下位机分别与PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线和地线连接。上位机向下位机传输信号时，PWM_OUT信号线需置为低电平。上位机内MOSFET M1导通时，PWM总线的电位被拉低至地线，上位机内MOSFET M1关断时，PWM总线电位经上拉电阻R1被拉高至VS，由此PWM总线上产生低电平为0，高电平为VS的PWM信号。上位机通过控制MOSFET M1导通和关断的状态，从而控制PWM总线上的电平状态，以发送PWM信号指令。PWM总线信号经分压电阻R2和分压电阻R3分压之后，降压为下位机接口可读取的输入信号PWM_IN，PWM_IN信号与PWM总线信号相位相同，下位机内部通过解析PWM_IN信号，从而获取上位机的指令。下位机向上位机传输信号时，PWM_OUT信号线置为高电平。下拉三极管Q1导通，PWM总线被拉低。下位机将PWM总线信号拉低，向上位机传输信号。上述信号传递过程，辅以相应的通信协议，上位机和下位机可以分时捕获彼此发送的信号，实现半双工通信功能。并且整个半双工通信接口电路的元器件和连接方式简易，大大的降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请中一种基于半双工通信总线的设计电路的一个结构示意图；
图2为本申请中PWM通信接口电路的一个结构示意图；
图3为本申请中PWM通信接口电路中PWM_OUT信号线运行时序的一个示意图；
图4为本申请中PWM通信接口电路中PWM总线运行时序的一个示意图；
图5为本申请中PWM通信接口电路中PWM_IN信号线运行时序的一个示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
现有技术中，PWM通信在泵类、发电机等产品中具有广泛的应用，常见的PWM通信接口电路为单工通信、半双工通信接口电路。在单工传输模式中，通信是单向；在半双工传输模式下，通信是双向的，两个连接的设备可以互换使用通信通道。
在单工传输模式下，发送方和接收方之间的通信只发生在一个方向上。发送方只能发送数据，接收方只能接收数据，接收方无法回复发送方。单工传输可以被认为是一条单向道路，其中信号只在一个方向上传输——不允许来自相反方向的信息通过。以键盘和显示器的关系为例，键盘只能将输入发送到显示器，显示器只能接收输入并显示在屏幕上。显示器无法回复或发送任何反馈到键盘。半双工的模式下，发送方和接收方之间的通信在总线上双向进行，但一次只能进行一个。发送者和接收者都可以发送和接收信息，但在任何给定时间只允许一个发送，一个接收。半双工通信虽然只能分时发送和接收信息，但只要发送和接收转换的频率足够快，即可满足大多数控制系统的通信按要求。
请参考图1，图1为一种传统的基于半双工通信总线的设计电路的示例电路图，状态检测电路101包括非门U2、第一开关K1以及第二开关K2。非门U2的输入端接第一开关K1的受控端，非门U2的输出端接第二开关K2的受控端，第一开关K1的输入端和第二开关K2的输入端接主控电路103，第一开关K1的输出端和第二开关K2的输出端接半双工通信总线20。
该半双工通信接口电路比较复杂，需要使用较多高精度的元器件来配合使用，大大的增加了生产成本。
基于此，本申请公开了一种PWM通信接口电路，用于降低通信接口电路的制作成本。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图2、图3、图4和图5，本申请提供了一种PWM通信接口电路的一个实施例，包括：
上位机、PWM总线、接口电路、地线、PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线和下位机；
接口电路位于上位机与下位机之间，并通过PWM总线、地线、PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线连接；
接口电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、系统供电电源VS和三极管Q1；
上位机的输出端与PWM总线连接；
上位机的接地端和地线连接；
电阻R1为上拉电阻R1，上拉电阻R1的第一端与PWM总线连接；
上拉电阻R1的第二端与系统供电电源VS连接；
电阻R2为分压电阻R2，分压电阻R2的第一端与PWM总线连接；
分压电阻R2的第二端与PWM_IN信号线连接；
电阻R3为分压电阻R3，分压电阻R3的第一端与PWM_IN信号线连接；
分压电阻R3的第二端与地线连接；
电阻R4的第一端与PWM_OUT信号线连接；
电阻R4的第二端与三极管Q1的基极连接；
三极管Q1的集电极与PWM总线连接；
三极管Q1的发射极与地线连接；
下位机的PWM信号捕获接口与PWM_IN信号线连接；
下位机的PWM信号发送接口与PWM_OUT信号线连接；
下位机的接地端口与地线连接。
本实施例中，PWM总线是PWM通信的信号总线，其上的信号具有双向分时传输的特性。
PWM_IN信号为下位机接收到的PWM通信信号，其相位与上述的PWM总线相同，具有单向传输特性，但是只用于被下位机读取。PWM_OUT信号为下位机发送的PWM通信信号，具有单向传输特性，本实施例中，由下位机发出。
上位机是PWM通信指令发送和接收单元，如汽车ECM、PC电脑等，本实施例上位机的特点是输出端口需要具有开漏结构，请参考图2，附图2中上位机输出接口的开漏结构由MOSFET M1构成。而下位机是被控单元，其核心处理器为MCU芯片或FPGA芯片等，下位机的特点是具有PWM信号捕获和发送接口。
接口电路：位于上位机与下位机之间，可将上位机发出的PWM总线上的信号，转化为下位机MCU可读取的PWM_IN信号；也可将下位机发出PWM_OUT信号，转化到PWM总线上，被上位机读取。其中，接口电路通过PWM总线、地线、PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线进行连接与信号传递。
本实施例中，R1为上拉电阻，上拉电阻R1位于PWM总线与系统供电电源VS之间，用于将PWM总线电平拉高至逻辑“高电平”，以供上位机识别；
R2、R3为总线分压电阻，并且，分压电阻R2和分压电阻R3两两串联，位于PWM总线与地线之间，对PWM总线电压进行分压处理，以适配下位机接口的工作电压。
本实施例中，Q1为总线下拉三极管，请参考图2，图中所采用的三极管为NPN型，其集电极连接PWM总线，发射极连接地线，基极连接基极电阻，总线下拉三极管Q1的作用是将下位机发送的信号反馈到PWM总线上。
R4为三极管基极电阻，位于总线下拉三极管Q1的基极与PWM_OUT总线之间，对基极电流起限制作用。
可选的，分压电阻R2的阻值大于上拉电阻；
分压电阻R3的阻值大于上拉电阻R1。
可选的，下位机的核心处理器为MCU芯片或FPGA芯片；
当下位机的核心处理器为MCU芯片时，上拉电阻R1、分压电阻R2和分压电阻R3的阻值比例满足R3/(R1+R2+R3)≥VIH/VSMIN，VIH为MCU芯片的数字信号电平中判定为高的阈值，VSMIN为PWM通信接口电路的系统维持运行的工作电压的最小值。
可选的，接口电路还包括稳压二极管D2；
稳压二极管D2的第一端与PWM_IN信号线连接；
稳压二极管D2的第二端与地线连接。
本实施例中，D2为稳压二极管，稳压二极管D2位于PWM_IN信号与地线之间，稳压二极管D2的作用是防止PWM总线上的电压脉冲损坏下位机MCU。
可选的，稳压二极管D2的钳位电压与MCU的数字信号高电平相匹配。
可选的，接口电路还包括TVS器件D1；
TVS器件D1的第一端与PWM总线连接；
TVS器件D1的第二端与地线连接。
本实施例中，D1为TVS器件，TVS器件D1位于PWM总线与地线之间，其作用是对整个接口电路进行ESD防护，对后级的元器件起到保护作用。
可选的，上位机为汽车ECM或PC电脑，上位机的输出端设置为开漏结构。
可选的，上位机的输出端的开漏结构为MOSFET M1；
MOSFET M1的漏极与PWM总线连接；
MOSFET M1的源极与地线连接。
可选的，接口电路还包括滤波电容C1；
滤波电容C1的第一端与PWM总线连接；
滤波电容C1的第二端与地线连接；
可选的，接口电路还包括滤波电容C2；
滤波电容C2的第一端与PWM_IN信号线连接；
滤波电容C2的第二端与地线连接。
本实施例中，C1为滤波电容，滤波电容C1位于PWM总线与地线之间，用于过滤PWM总线上的高频干扰信号。
而C2同为滤波电容，位于PWM_IN信号与地线之间，其作用是用于过滤PWM_IN信号线上的高频干扰信号。
结合图2、图3、图4和图5进行说明。下面进行举例说明，本实施例中，以12V系统，下位机为MCU芯片，工作电压5V为例。
通常的12V系统要求的正常工作电压范围一般为9-16V，基于此，在该PWM通信接口电路中，TVS器件D1和滤波电容C1的工作电压需大于16V，其中TVS器件D1的击穿电压还应小于总线下拉三极管Q1的击穿电压。
并且，本实施例中，总线上拉电阻R1的阻值通常设置为1～10k。分压电阻R2和分压电阻R3的阻值比例应满足R3/(R1+R2+R3)≥VIH/VSMIN，其中，VIH为MCU数字信号电平判定为高的阈值，VSMIN为系统工作电压的最小值。对于本系统而言，若VIH为3V，VSMIN为9V，则R3/(R1+R2+R3)≥1/3。
本实施例中，稳压二极管D2的钳位电压应低于MCU的IO口击穿电压，例如MCU的IO口击穿电压为6V，则D2的钳位电压应低于6V。
同时，稳压二极管D2应当处于正常工作状态，不应长期处于击穿状态。其中，稳压二极管D2钳位电压应高于VSMAX*R3/(R1+R2+R3)，其中VSMAX为系统工作电压的最大值。例如：当VSMAX*R3/(R1+R2+R3)>6V时，则应调整分压电阻R2与分压电阻R3的阻值。
上位机向下位机传输信号时，PWM_OUT需置为低电平，即图3中的T2阶段。上位机内的M1导通时，PWM总线电位被拉低至地，M1关断时，PWM总线电位经上拉电阻R1被拉高至VS，由此PWM总线上产生低电平为0，高电平为VS的PWM信号。上位机通过控制M1导通和关断的状态，从而控制PWM总线上的电平状态，以发送PWM信号指令，上位机发送的PWM信号周期为T3。PWM总线信号经分压电阻R2和R3分压之后，降压为MCU接口可读取的输入信号PWM_IN，PWM_IN信号与PWM总线信号相位相同，MCU芯片通过解析PWM_IN信号，从而获取上位机的指令。稳压二极管D2在VS电压较高时，起到钳位作用，使得PWM_IN高电平幅值不超过MCU的正常工作范围。
下位机向上位机传输信号时，PWM_OUT置为高电平，即图3中的T1阶段。下拉三极管Q1导通，PWM总线被拉低。下位机以时长T1、周期T3将PWM总线信号拉低，向上位机传输信号。通常，PWM_OUT信号的周期T3应远大于PWM总线信号的周期T4，如T3为1s，T4为10ms。
上述信号传递过程，辅以相应的通信协议，上位机和下位机可以分时捕获彼此发送的信号，实现半双工通信功能。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于说明各部件或组成部分之间的相对位置关系，并不特别限定各部件或组成部分的具体安装方位。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
此外，在本申请中所附图式所绘制的结构、比例、大小等，均仅用于配合说明书所揭示的内容，以供本领域技术人员了解与阅读，并非用于限定本申请可实施的限定条件，故不具有技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均仍应落在本申请所揭示的技术内容涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种PWM通信接口电路，其特征在于，包括：
上位机、PWM总线、接口电路、地线、PWM_IN信号线、PWM_OUT信号线和下位机；
所述接口电路位于所述上位机与所述下位机之间，并通过所述PWM总线、地线、所述PWM_IN信号线、所述PWM_OUT信号线连接；
所述接口电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、系统供电电源VS和三极管Q1；
所述上位机的输出端与所述PWM总线连接；
所述上位机的接地端和所述地线连接；
所述电阻R1为上拉电阻R1，所述上拉电阻R1的第一端与所述PWM总线连接；
所述上拉电阻R1的第二端与所述系统供电电源VS连接；
所述电阻R2为分压电阻R2，所述分压电阻R2的第一端与所述PWM总线连接；
所述分压电阻R2的第二端与所述PWM_IN信号线连接；
所述电阻R3为分压电阻R3，所述分压电阻R3的第一端与所述PWM_IN信号线连接；
所述分压电阻R3的第二端与所述地线连接；
所述电阻R4的第一端与所述PWM_OUT信号线连接；
所述电阻R4的第二端与所述三极管Q1的基极连接；
所述三极管Q1的集电极与所述PWM总线连接；
所述三极管Q1的发射极与所述地线连接；
所述下位机的PWM信号捕获接口与所述PWM_IN信号线连接；
所述下位机的PWM信号发送接口与所述PWM_OUT信号线连接；
所述下位机的接地端口与所述地线连接。
2.根据权利要求1所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述分压电阻R2的阻值大于所述上拉电阻；
所述分压电阻R3的阻值大于所述上拉电阻R1。
3.根据权利要求2所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述下位机的核心处理器为MCU芯片或FPGA芯片；
当所述下位机的核心处理器为MCU芯片时，所述上拉电阻R1、所述分压电阻R2和所述分压电阻R3的阻值比例满足R3/(R1+R2+R3)≥VIH/VSMIN，VIH为MCU芯片的数字信号电平判定为高的阈值，VSMIN为所述PWM通信接口电路的系统维持运行的工作电压的最小值。
4.根据权利要求3所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述接口电路还包括稳压二极管D2；
所述稳压二极管D2的第一端与所述PWM_IN信号线连接；
所述稳压二极管D2的第二端与所述地线连接。
5.根据权利要求4所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述稳压二极管D2的钳位电压与MCU的数字信号高电平电压相匹配。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述接口电路还包括TVS器件D1；
所述TVS器件D1的第一端与所述PWM总线连接；
所述TVS器件D1的第二端与所述地线连接。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述上位机为汽车ECM或PC电脑，所述上位机的输出端设置为开漏结构。
8.根据权利要求7所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述上位机的输出端的开漏结构为MOSFET M1；
所述MOSFET M1的漏极与所述PWM总线连接；
所述MOSFET M1的源极与地线连接。
9.根据权利要求1所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述接口电路还包括滤波电容C1；
所述滤波电容C1的第一端与所述PWM总线连接；
所述滤波电容C1的第二端与所述地线连接。
10.根据权利要求1所述的PWM通信接口电路，其特征在于，所述接口电路还包括滤波电容C2；
所述滤波电容C2的第一端与所述PWM_IN信号线连接；
所述滤波电容C2的第二端与所述地线连接。
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