KR100237300B1 - 양방향 광절연 입출력장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양방향 광절연 입출력장치에 관한 것으로서, 특히, 출력모드에서 상기 마스터부의 I/O 인터페이스로부터 출력신호를 전광변환 및 광전변환하고, 제 1 출력단을 통해 광전변환신호를 출력하는 제 1 출력광절연수단; 상기 제 1 출력광절연수단의 상기 제 1 출력단에 일측단이 연결되고, 상기 제 1 출력광절연수단으로부터 출력된 광전변환신호를 상기 슬레이브부측으로 전송하기 위한 버스라인; 상기 버스라인의 타측단에 제 1 입력단이 연결되고, 상기 버스라인으로부터 공급되는 신호를 전광변환 및 광전변환하고, 광전변환된신호를 상기 슬레이브부의 I/O 인터페이스에 공급하는 제 1 입력광절연수단; 상기 제 1 입력광절연수단의 제 1 입력단에 상기 제 2 출력단이 결합되고, 입력모드에서 상기 슬레이브부로부터 출력된 신호를 전광변환 및 광전변환하고, 광전변환신호를 상기 버스라인에 싣는 제 2 출력광절연수단; 및 상기 버스라인의 일측단에 제 2 입력단이 결합되고, 상기 버스라인에 의해서 상기 제 2 출력광절연수단으로부터 전송된 전기신호를 전광변환 및 광전변환하고, 광전변환신호를 상기 마스터부의 I/O인터페이스에 공급하는 제 2 입력광절연수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

양방향 광절연 입출력장치
본 발명은 양방향 광절연 입출력장치에 관한 것으로서, 특히, 자동화 시스템에 있어서 마스터와 슬레이브 장치간의 통신버스를 전기적으로 절연시키며 양방향의 신호전송이 가능하게 하는 양방향 광절연 입출력장치에 관한 것이다.
도 1 은 종래 기술에 따른 일반적인 입출력장치의 구성을 나타낸 블록도로서, 도시된 바와 같이, 로컬버스(11)에 의해 상호 결합된 중앙처리부(CPU)(12), 메모리(14) 및 I/O인터페이스(16)를 포함하는 마스터부(10)와, 복수의 부하(LD1∼LDn)를 포함하는 슬레이브부(20)와, 마스터부(10)의 I/O인터페이스(14)와 슬레이브부(20)의 복수의 부하(LD1∼LDn)를 상호 결합한 복수의 출력라인(L1∼Ln)으로 구성된다.
도 2 는 종래의 옵토(OPTO) 입출력장치의 개략적 구성을 나타낸 블록도로서 도시된 바와 같이, 로컬버스(101)에 의해 상호 결합된 중앙처리부(CPU)(102), 메모리(104) 및 입출력인터페이스(106)를 포함하는 마스터부(100)와, I/O인터페이스(111) 및 단자부(112)를 포함하는 슬레이브부(110)와, 마스터부(100)와 슬레이브부(110)를 상호 결합한 광버스(120)로 구성된다.
도 1 에 나타낸 일반적인 입출력장치는 마스터부(10)의 I/O인터페이스(14)가 복수의 출력라인(L1∼Ln)에 의해 슬레이브부(20)의 복수의 부하(LD1∼LDn) 예를들어, 모터, 스위치, 릴레이 등에 직접결합되고, 복수의 출력라인(L1∼Ln)은 복수의 부하(LD1∼LDn)의 전용라인으로 사용된다. 따라서, I/O인터페이스(16)로부터 전송되는 컨트롤신호들에 의해 복수의 부하(LD1∼LDn)가 동시에 작동될 수 있다. 이와같은 방식은 빠른 제어속도를 가지는 반면 많은 전용라인들을 사용해야 하기 때문에 그 만큼 비용이 상승하게 되므로, 실시간 처리를 필요로하는 장치들에 주로 이용된다.
다른 입출력 방식은 마스터부와 슬레이브부간을 공통버스로 연결하여 사용하는 것이다. 이에 관해 도 2 를 참조하여 설명하면, 마스터부(100)는 광버스(120)에 의해 슬레이브부(110)와 결합되고, 제어프로그램이 수행되는 중앙처리부(101)에 외부에서 제어프로그램의 입출력 요구가 있을 경우 중앙처리부(101)는 광버스(120)를 통해 제어대상이 되는 슬레이브부(110)로 제어프로그램 데이터를 전송한다.
상기와 같은 공통버스를 사용하는 종래 기술은 광버스(120)를 병렬로 구성할 경우, 입출력단으로 트랜지스터-트랜지스터 결합로직(TTL)이 주로 이용된다. 이와 같은 병렬구성은 복수의 데이터를 동시에 전송할 수 있으므로 그 만큼 전송속도가 빠르게 된다. 반면 공통버스를 직렬로 구성할 때는 직렬통신을 위한 표준인 RS485등의 라인 드라이버 및 리시버가 이용되는 데, 이들은 병렬구성과 달리 데이터 비트단위로 순차적으로 전송하므로 전송속도는 다소 느리게 되지만 전송라인의 수가 줄어드는 장점이 있다.
상기 직렬버스 방식의 경우 2내지 3가닥의 선을 통해서 슬레이브부(110)측의 I/O표준인인터페이스(111)에 전송되고, I/O인터페이스(111)에 전송된 신호는 해독로직이나 작은 크기의 CPU에 의해서 해독된다.
상술한 바와 같이, 병렬버스방식은 제어대상의 개수 만큼 버스라인이 필요하다. 그러나 병렬 라인을 세분화하여 일부는 제어신호를, 일부는 어드레스신호를, 일부는 데이터신호를 전송할 수 있도록 하는 로직을 사용한다면 약간의 라인수를 줄일 수 있다.
통상, 버스라인은 양방향의 신호전송을 요구하는데, 상술한 종래 기술들에서 이러한 양방향 통신을 가능하게 하려면, 마스터와 슬레이브 장치의 입출력단간의 절연이 어려워지게 되고, 한편 통상적으로 요구되는 입출력단간의 절연을 충족시키려면 상기한 직렬버스방식 및 병렬버스방식에서 라인의 수를 줄일 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 자동화 시스템에 있어서 마스터와 슬레이브 장치간의 통신버스를 전기적으로 절연시키며 양방향의 신호전송이 가능하게 하는 양방향 광절연 입출력장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 I/O 인터페이스를 각각이 구비한 마스터부와 슬레이브부간의 데이터 통신을 위한 제어시스템에 있어서, 출력모드에서 상기 마스터부의 I/O 인터페이스로부터 출력신호를 전광변환 및 광전변환하고, 제 1 출력단을 통해 광전변환신호를 출력하는 제 1 출력광절연수단; 상기 제 1 출력광절연수단의 상기 제 1 출력단에 일측단이 연결되고, 상기 제 1 출력광절연수단으로부터 출력된 광전변환신호를 상기 슬레이브부측으로 전송하기 위한 버스라인; 상기 버스라인의 타측단에 제 1 입력단이 연결되고, 상기 버스라인으로부터 공급되는 신호를 전광변환 및 광전변환하고, 광전변환된신호를 상기 슬레이브부의 I/O 인터페이스에 공급하는 제 1 입력광절연수단; 상기 제 1 입력광절연수단의 제 1 입력단에 상기 제 2 출력단이 결합되고, 입력모드에서 상기 슬레이브부로부터 출력된 신호를 전광변환 및 광전변환하고, 광전변환신호를 상기 버스라인에 싣는 제 2 출력광절연수단; 및 상기 버스라인의 일측단에 제 2 입력단이 결합되고, 상기 버스라인에 의해서 상기 제 2 출력광절연수단으로부터 전송된 전기신호를 전광변환 및 광전변환하고, 광전변환신호를 상기 마스터부의 I/O인터페이스에 공급하는 제 2 입력광절연수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1 은 종래 기술에 따른 일반적인 입출력장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 2 는 종래의 옵토(OPTO) 입출력장치의 개략적 구성을 나타낸 블록도.
도 3 는 본 발명의 실시예에 따른 광절연된 양방향 입출력장치를 설명하기 위한 블록도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
200 : 마스터부 210 : 슬레이브부
220 : 제 1 출력광절연부 240 : 버스
260 : 제 1 입력광절연부 280 : 제 2 출력광절연부
300 : 제 2 입력광절연부
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3 는 본 발명의 실시예에 따른 광절연된 입출력장치를 설명하기 위한 블록도로서, 도시된 바와 같이, I/O인터페이스(204)를 각각이 구비한 마스터부(200)와 슬레이브부(210)간의 데이터 통신을 위한 제어시스템에 있어서, 출력모드에서 마스터부(200)의 I/O인터페이스(204)로부터 출력되는 전기신호를 전광변환 및 광전변환하고, 제 1 출력단(o1)을 통해 광전변환신호를 출력하는 제 1 출력광절연부(220)와, 제 1 출력광절연부(220)의 제 1 출력단(o1)에 일측단이 연결되고, 제 1 출력광절연부(220)으로부터 출력된 광전변환신호를 슬레이브부측(210)으로 전송하기 위한 버스라인(240)과, 버스라인(240)의 타측단에 제 1 입력단(i1)이 연결되고, 버스라인(240)으로부터 공급되는 신호를 전광변환 및 광전변환하고, 광전변환된 신호를 슬레이브부(210)의 I/O인터페이스(211)에 공급하는 제 1 입력광절연부(260)과, 제 1 입력광절연부(260)의 제 1 입력단(i1)에 제 2 출력단(o2)이 결합되고, 입력모드에서 슬레이브부(210)로부터 출력된 신호를 전광변환 및 광전변환하고, 광전변환시노를 버스라인(240)에 싣는 제 2 출력광절연부(280)와, 버스라인(280)의 일측단에 제 2 입력단(i2)이 결합되고, 버스라인(240)에 의해서 제 2 출력광절연부(280)로부터 전송된 전기신호를 전광변환 및 광전변환에 의해 광전변환신호를 마스터부(200)의 I/O인터페이스(204)에 공급하는 제 2 입력광절연부(300)로 구성된다.
상기 제 1 출력광절연부(220)는 마스터부(200)의 출력단(a)과 접지 사이에 연결되고, 입력된 전기신호에 따라 광을 발산하는 제 1 발광다이오드(D1)와, 제 1 발광다이오드(D1)로부터 발생되는 광을 전기신호로 변환하여 출력하기 위해 제 1 노드(N1)와 접지사이에서 콜렉터와 이미터가 각각이 연결된 제 1 포터트랜지스터(Q1)로 구성되는 포터커플러이다.
상기 제 1 입력광절연부(260)는 제 1 출력광절연부(220)로부터 출력된 신호를 제 2 노드(N2)로 입력받고, 전원전압(Vcc)의 일측단에 저항(R3)이 연결되고, 저항(R3)의 타측단과 제 2 노드(N2)사이에 연결되고, 제 2 노드(N2)를 통해 입력되는 전기신호에 따라 광신호를 발생하는 제 2 발광다이오드(D2)와, 제 2 발광다이오드(D2)로부터 발생되는 광을 전기신호로 변환하여 출력하기 위해 슬레이브부(210)의 입력단(c)과 전원전압사이에 저항(R4)이 연결되고, 슬레이브부(210)의 입력단(c)과 접지사이에서 콜렉터와 이미터가 각각이 연결된 제 2 포터트랜지스터(Q2)로 구성되는 포터커플러이다.
상기 제 2 출력광절연부(280)는 제 1 출력광절연부(220)와 동일한 구성을 갖고, 슬레이브부(210)의 출력단(c)으로부터 출력신호를 공급받는 제 3 발광다이오드(D3)와, 제 2 노드(N2)를 통해 광전변환된 신호를 출력하는 제 3 포터트랜지스터(Q3)로 구성되는 포터커플러이다.
상기 제 2 입력광절연부(300)는 제 1 입력광절연부(260)와 동일한 구성을 갖고, 제 2 출력광절연부(280)으로부터 공급된 신호를 상기 제 1 노드(N1)를 통해 입력받는 제 4 발광다이오드(D4)와, 광전변환된 신호를 마스터부(200)의 입력단(b)에 공급하는 제 4 포터트랜지스터(Q4)와, 전원전압(Vcc)과 다이오드(D4)의 일측단 사이에 연결된 저항(R2)과, 전원전압(Vcc)과 제 4 포터트랜지스터(Q4)의 콜렉터 사이에 연결된 저항(R1)으로 구성되는 포터커플러이다.
상기와 같이 구성된 바람직한 실시예에 대한 동작 효과를 설명하면 다음과 같다.
도 3 을 참조하여, 마스터부(200)의 중앙처리부(CPU)(201)는 제어프로그램이 수행되는 장소로서 제어프로그램의 실행도중 I/O인터페이스(204) 및 버스를 통해 마스터부(200)의 입출력포트와 결합된 슬레이브부(210)등과 같은 주변장치들과 데이터 통신을 수행하게 된다.
통상적으로, 중앙처리부(CPU)(201)가 데이터의 입출력을 원할 경우 중앙처리부(201)는 데이터 요구신호 등을 버스에 발행함으로써 제어대상이 되는 슬레이브부(210)의 입출력단자로 액세스를 시도한다. 이와 상반되게, 슬레이브부(210)가 데이터 요구신호를 발행하게 되면, 중앙처리부(201)는 상기 데이터 요구신호에 응답하여 버스를 통해 확인응답신호를 발행하고, 순차적으로 요구된 데이터를 출력하게 된다. 따라서, 양방향 통신은 마스터부 및 슬레이부가 서로 데이터 및 제어신호를 주고받으면서 수행된다.
본 발명의 실시예에 대하여 예를들어 설명하면, 중앙처리부(CPU)(201)가 슬레이브부(210)에 "1010"이란 데이터를 송신하려한다면, 먼저, 마스터부(200)의 출력단(a)를 통해 공급되는 데이터에 응답하여 제 1 출력부(220)의 제 1 발광다이오드(D1)는 "하이"신호에 해당하는 데이터 즉, 1에 의해 통전되고, "로우"신호에 해당하는 데이터 즉, 0에 의해 차단된다. 따라서, 제 1 발광다이오드(D1)는 데이터신호에 대응하여 광신호를 발생하게 된다.
그러면, 제 1 출력부(220)의 제 1 포터트랜지스터(Q1)는 상기 제 1 발광다이오드(D1)로부터 발산되는 광신호를 수광하고, 수광된 광신호에 따라 통전되어 상기 광신호에 대응되는 전기신호 즉, 데이터신호를 발생한다. 이 데이터신호는 제 1 노드(N1)를 통해 출력된다. 이 때 제 1 출력광절연부(220)의 출력단(o1)과 제 2 입력광절연부(300)의 입력단(i2)가 상호 결합되어 제 1 노드(N1)를 형성하므로 제 1 출력광절연부(220)의 출력신호는 제 2 입력광절연부(300)의 포터커플러에 영향을 미치치게 된다. 그러나 마스터(200)가 출력모드에 있기 때문에 마스터부(200)는 제 2 입력광절연부(300)로부터 공급되는 신호를 차단함으로써, 출력신호의 피드백을 회피한다.
여기서, 제 1 노드(N1)과 제 2 노드(N2)사이의 선은 버스를 형성하므로, 제 1 출력부(220)에서 출력되는 데이터신호에 따라 제 1 입력부(240)의 제 2 발광다이오드(D2)가 통전되어 광신호를 발생한다. 이어 제 2 포터트랜지스터(Q2)는 제 2 발광다이오드(D2)로부터 광신호를 수광하고, 수광된 광신호에 따라 통전되어 상기 광신호에 대응되는 전기신호 즉, 데이터신호를 발생한다. 이 데이터신호는 슬레이브부(210)의 입력단(c)을 통해서 슬레이브부(210)의 I/O인터페이스(211)에 공급된다. 그러면 I/O인터페이스(211)는 상기 데이터신호를 슬레이브부(210)에 적합한 신호체계로 조정한다.
상술한 동작과정은 마스터부(200)에서 슬레이부(210)로의 단방향 통신에 관한 것이지만, 이와 마찬가지로 슬레이부(210)에서 마스터부(200)로의 단방향 통신도 마스터부(200)에서 슬레이부(210)로의 단방향 통신과 동일한 동작과정을 거치게되므로 아래에 간략하게 언급하기로 한다.
슬레이브부(210)로부터 마스터부(200)로 데이터를 송신하려한다면, 슬레이브부(210)의 출력단(d)를 통해 공급되는 데이터신호에 응답하여 제 2 출력부(260)의 제 3 발광다이오드(D3)가 통전됨으로써, 광신호를 발생하고, 이 광신호에 따라 제 3 포터트랜지스터(Q3)가 통전되어 제 2 노드(N2)를 통해 데이터신호를 출력한다. 그 다음으로, 제 2 입력부(280)의 제 4 발광다이오드(D4)는 제 1 노드(N1)을 통해 상기 데이터신호를 공급받고, 제 4 발광다이오드(D4) 및 제 4 포터트랜지스터(D4)가 순차적으로 통전되어 상기 데이터신호를 입력단(b)를 통해 마스터부(200)에 공급한다.
상기한 본 발명의 입출력장치를 직렬통신에 응용한다면, 종래의 커런트 루프 방식에서만 실현할 수 있었던 광절연 직렬통신이 직렬통신을 위한 표준인 RS458에서도 가능하게 된다.
상기한 본 발명의 실시예는 단일 셀로 구성되는 양방향 광절연 드라이버만 기술하였지만 청구범위에 규정된 본 발명의 사상과 범주를 이탈함없이 개시된 실시예에 형태와 세부사항의 다양한 변화가 이루어 질 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 본 발명에서는 마스터 장치 및 슬레이브 장치의 입출력단에 각기 한 쌍씩의 포터커플러를 결합함으로써, 마스터 장치와 스레이브 장치가 서로 광절연될 뿐만아니라 양방향 통신이 가능하게 되는 효과가 있고, 또한 본 발명의 사용시 두 개의 포커 커플러로 구성된 셀을 양방향성 주문형 직접회로로 제작가능하므로 저렴한 가격으로 양방향 광절연 드라이버를 구현할 수 있다.

Claims (7)

  1. 입출력 임터페이스를 각각 구비한 마스터 자치 및 슬레이브 장치가 상호간에 데이터 통신을 수행하는 제어시스템에 있어서, 상기 마스터 장치의 입출력 인터페이스 및 슬레이브 장치의 입출력 인터페이스 사이에 구비되는 버스 라인; 상기 마스터 장치의 출력모드에서 마스터 장치의 입출력 인터페이스의 출력단자오 출력되는 전기적인 신호를 전광 변환 및 광전 변환하여 상기 버스 라인의 일측으로 출력하느 제1출력 광 정연수단; 상기 제1출력 광 절연수단이 출력하여 상기 버스 라인의 일측에서 타측으로 전송된 신호를 전광 변환 및 광전 변환하여 상기 슬레이브 장치의 입출력 인터페이스의 입력단자로 입력시키는 제1입력 절연수단; 상기 마스터 장치의 입력모드에서 슬레이브 장치의 입출력 인터페이스의 출력단자로 출력되는 전기적인 신호를 전광 변환 및 광전 변환하여 상기 버스 라인의 타측으로 출력하는 제2출력 광 절연수단; 및 상기 제2출력 광 절연수단이 출력하여 상기 버스 라인의 타측에서 일측으로 전송된 신호를 전광 변환 및 광전 변환하여 상기 마스터 장치의 입출력 인터페이스의 입력단자로 입력시키는 제2입력 광 절연수단으로 구성됨을 특징으로 하는 양방향 광 전송장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1출력 광 절연수단 및 상기 제2입력 광 절연수단은; 각각의 출력단과 입력단이 상기 버스 라인의 일측에 공통으로 결합되어 하나의 셀을 형성하는 것을 특징으로 하는 양방향 광 절연 전송장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1입력 광 절연수단과 상기 제2출력 광 절연수단은; 각각의 입력단과 출력단이 상기 버스 라인의 타측에 공통으로 결합되어 하나의 셀을 형성하는 것을 특징으로 하는 양방향 광 절연 전송장치.
  4. 제1항 또는 제2항 있어서, 상기 제1출력 광 절연수단; 상기 마스터 장치의 입출력 인터페이스의 출력단자와 접지 사이에 연결되어 추력신호에 따라 광 신호를 출력하는 제1발광다이오드; 및 상기 제1발광다이오드가 출력하는 광 신호에 따라 온 및 오프되면서 전기적인 신호로 변환하여 상기 버스 라인의 일측으로 출력하는 제1포토트랜지스터로 이우어지는 포토커플러인 것을 특징으로 하는 양방향 광 절연 전송장치.
  5. 제1항에 또는 제3항에 있어서, 상기 제1입력 광 절연수단은; 전원전압에 연결된 저항과 상기버스 라인의 타측 사이에 구비되고 상기 제1출력 광 절연수단이 출력하여 상기 버스 라인의 타측으로 전송된 신호에 따라 광 신호를 출력하는 제2발광다이오드; 및 상기 제2발광다이오드가 출력하는 광 신호에 따라 온 및 오프되면서 광 신호를 전기적인 신호로 변환 및 상기 슬레이브 장치의 입출력된 인터페이스의 입력단자로 입력시키기 위하여 전원전압에 연결된 저항 및 상기 슬레이브 장치의 입출력 인터페이스의 입력단자와 접지사이에 콜렉터와 엠미터가 각각 연결된 제2포토트랜지스터로 이루어지는 포토커플러인 것을 특징으로 하는 양방향 광 절연 전송장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2출력 광 절연수단은; 상기 슬레이브 장치의 입출력 인터페이스의 출력단자와 접지 사이에 연결되어 출력신호에 따라 광 신호를 출력하는 제3발광다이오드; 및 상기 제 3 발광다이오드가 출력하는 광 신호에 따라 온 및 오프되면서 전기적인 신호로 면환하여 상기 버스 라인의 타측으로 출력하는 제3포토트랜지스터로 이루어지는 포토커플러인 것을 특징으로 하는 양방향 광 절연 전송장치.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 제2입력 광 절연수단은; 전원전압에 연결된 저항과 상기 버스 라인의 일측 사이에 구비되고 상기 제2출력 광 절연수단이 출력하여 상기 버스 라인의 일측으로 전송된 신호에 따라 광신호를 출력하는 제4발광다이오드; 및 상기 제4발광다이오드가 출력하는 광 신호에 따라 온 및 오프되면서 광 신호를 전기적인 신호로 전기적인 신호로 변환 및 상기 마스터 장치의 입출력 인터페이스의 입력단자로 입력시키기 위하여 전원전압에 연결된 저항 및 상기 마스터 장치의 입출력 인터 페이스의 입력단자와 접지사이에 콜렉터와 에미터가 각각 연결된 제4포토트랜지스터로 이루어지는 포토커플러인 것을 특징으로 하는 양방향 광 절연 전송장치.
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