TWI705665B - 訊號隔離系統及訊號隔離電路 - Google Patents

訊號隔離系統及訊號隔離電路 Download PDF

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Abstract

一種訊號隔離系統,包含有一外部裝置;以及一訊號隔離電路,耦接於該外部裝置,包含有一控制電路,用來根據該外部裝置之一狀態,將該訊號隔離電路操作於一輸入模式或一輸出模式;一數位輸入/輸出電路,用來根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式以輸入/輸出訊號;以及一輸入/輸出埠,耦接於該數位輸入/輸出電路,根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式,作為一輸入埠或一輸出埠。

Description

訊號隔離系統及訊號隔離電路
本發明係指一種訊號隔離系統及訊號隔離電路,尤指一種以單一埠作為輸入埠或輸出埠的訊號隔離系統及訊號隔離電路。
數位輸入輸出(Digital Input/Output)介面被廣泛地運用於工業級的訊號傳輸,在上述應用環境下存在共模電壓、高暫態電壓與電子雜訊。現有訊號隔離技術利用光電耦合元件達到阻隔高電壓及電壓暫態的目的,進而於應用環境中穩定訊號傳輸品質,以避免電路中的電壓暫態影響電路的其他部份,並且保護設備及使用該些設備的人員。由於現有的工業控制領域中,對於數位輸入輸出的需求增加,例如隔離保護(isolated)、寬壓應用、支援乾接點(dry contact)與濕接點(wet contact)等功能,相關的工業設備需要提供更多輸入輸出腳位以實現上述功能。然而,現有的工業設備加入隔離保護的功能後,必須配合硬體線路才能達成數位輸入輸出的功能,即現有的硬體線路受限於其輸入埠或輸出埠僅能單一作為輸入或輸出使用。因此,現有技術有改進的必要。
因此,本發明提供一種訊號隔離系統及訊號隔離電路,以單一埠作為輸入埠或輸出埠的數位輸入輸出介面,使得相關工業設備不受限於現有硬體對於輸入或輸出介面的限制。
本發明實施例揭露一種訊號隔離系統,包含有一外部裝置;以及一訊號隔離電路,耦接於該外部裝置,包含有一控制電路,用來根據該外部裝置之一狀態,將該訊號隔離電路操作於一輸入模式或一輸出模式;一數位輸入/輸 出電路,用來根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式以輸入/輸出訊號;以及一輸入/輸出埠,耦接於該數位輸入/輸出電路,根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式,作為一輸入埠或一輸出埠。
本發明實施例另揭露一種訊號隔離電路,包含有一控制電路,用來根據關於一外部裝置之一狀態,將該訊號隔離電路操作於一輸入模式或一輸出模式;一數位輸入/輸出電路,用來根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式以輸入/輸出訊號;以及一輸入/輸出埠,耦接於該數位輸入/輸出電路,根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式,作為一輸入埠或一輸出埠。
10:訊號隔離系統
102:外部裝置
104:訊號隔離電路
1042:控制電路
1044:數位輸入/輸出電路
1046:輸入/輸出埠
24VDC:訊號
Auto:自動模式接腳
DI_control:數位輸入控制訊號
DI_signal:數位輸入訊號
DO_control:數位輸出控制訊號
DO_signal:數位輸出訊號
GND:地電位
I2C:積體電路之間
I1、O1:第一端點
I2、O2:第二端點
Manual:手動模式接腳
OPT_I:輸入光電耦合器
OPT_O:輸出光電耦合器
PSU:電源供應裝置
BAT:電池
R:限流電阻
RELAY:繼電器
R1、R2、R3、VPSU:接點
SMBus:系統管理匯流排
SW_I1、SW_I2:輸入開關
SW_O1、SW_O2:輸出開關
SW:開關
VCC:一次測電源
VDD:二次測電源
第1圖為本發明實施例之一訊號隔離系統之示意圖。
第2圖為本發明實施例之一訊號隔離電路之示意圖。
第3圖為本發明實施例之訊號隔離電路應用於一電池混合型不斷電系統時之示意圖。
請參考第1圖,第1圖為本發明實施例之一訊號隔離系統10之示意圖。訊號隔離系統10包含一外部裝置102及一訊號隔離電路104。外部裝置102例如一電源供應裝置。訊號隔離電路104耦接於外部裝置102,包含有一控制電路1042、一數位輸入/輸出電路1044及一輸入/輸出埠1046。控制電路1042用來根據外部裝置102之一狀態,將訊號隔離電路104操作於一輸入模式或一輸出模式。 數位輸入/輸出電路1044用來根據控制電路1042所決定之輸入模式或輸出模式以輸入/輸出訊號。輸入/輸出埠1046耦接於數位輸入/輸出電路1044,用來根據控制電路1042所決定之輸入模式或輸出模式,作為一輸入埠或一輸出埠。舉例來說,當訊號隔離電路104應用於一工業設備時,訊號隔離電路104可根據外部裝置102 的狀態操作於輸入模式,以透過數位輸入/輸出電路1044隔離來自外部裝置102的寬壓訊號,並且將輸入/輸出埠1046作為一輸入埠,將來自外部裝置102的輸入訊號傳送至控制電路1042。如此一來,本發明實施例的訊號隔離系統10即可以單一埠達到輸入/輸出訊號的目的,並且於寬壓應用時提供廣泛的訊號控制。
詳細來說,請參考第2圖,第2圖為訊號隔離電路104之示意圖。如第2圖所示,訊號隔離電路104的數位輸入/輸出電路1044包含有一輸入光電耦合器OPT_I、一輸出光電耦合器OPT_O、複數個輸入開關SW_I1、SW_I2、複數個輸出開關SW_O1、SW_O2及複數個限流電阻R。輸入光電耦合器OPT_I包含有一第一端點I1及一第二端點I2,其中第一端點I1耦接於輸入開關SW_I1及輸入開關SW_I2,並且透過輸入開關SW_I1耦接至一一次側電源VCC,第二端點I2耦接至控制電路1042及一二次側電源VDD,以於控制電路1042將訊號隔離電路104操作於輸入模式時,由控制電路1042以數位輸入控制訊號DI_control導通輸入開關SW_I1、SW_I2,以將一數位輸入訊號DI_signal輸入至控制電路1042。
另一方面,輸出光電耦合器OPT_O耦接於控制電路1042及輸出開關SW_O1、SW_O2,輸出光電耦合器OPT_O包含有一第一端點O1及一第二端點O2,其中第一端點O1耦接於輸出開關SW_O1及輸出開關SW_O2,並且透過輸出開關SW_O1耦接至一一次側電源VCC,第二端點O2耦接至控制電路1042及一二次側電源VDD,以於控制電路1042將訊號隔離電路104操作於輸出模式時,由控制電路1042以數位輸出控制訊號DO_control導通輸出開關SW_O1、SW_O2,以將一數位輸出訊號DO_signal輸出至外部裝置102。
值得注意的是,上述輸入光電耦合器OPT_I及輸出光電耦合器OPT_O為用來實現訊號隔離技術,而限流電阻R分別用來防止因電流過大時燒毀輸入光電耦合器OPT_I及輸出光電耦合器OPT_O,並且輸入開關SW_I1、SW_I2及輸出開關SW_O1、SW_O2可以是一金屬氧化物半導體場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET),以於輸入開關 SW_I1、SW_I2或輸出開關SW_O1、SW_O2分別導通時,將數位輸入訊號DI_signal輸入至控制電路1042或將數位輸出訊號DO_signal輸出至外部裝置102。
此外,訊號隔離電路104另包含一手動模式接腳Manual及一自動模式接腳Auto。手動模式接腳Manual耦接於外部裝置102,用來接收關於外部裝置102之一狀態訊號,並傳送至控制電路1042以決定將訊號隔離電路104操作於輸入模式或輸出模式。自動模式接腳Auto耦接於外部裝置102,用來透過一串列通訊匯流排(Serial Communication BUS)確認來自外部裝置102之狀態訊號,以決定將訊號隔離電路104操作於輸入模式或輸出模式。換言之,訊號隔離電路104的控制電路1042可根據自動模式接腳Auto所接收到訊號,決定將訊號隔離電路104操作於輸入模式或輸出模式。因此,本發明實施例的訊號隔離電路104可先將不同的訊號定義為通用型之輸入(General-purpose input,GPI)訊號或通用型之輸出(General-purpose output,GPO)訊號,當手動模式接腳Manual接收到訊號時,由控制電路1042據以決定將訊號隔離電路104操作於輸入模式或輸出模式;或者,在另一實施例中,本發明實施例的訊號隔離電路104可透過自動模式接腳Auto的串列通訊匯流排,確認來自外部裝置102的訊號為通用型之輸入訊號或通用型之輸出訊號,並據以將訊號隔離電路104操作於輸入模式或輸出模式。如此一來,本發明實施例的訊號隔離電路104即可以單一埠輸入/輸出訊號,以達到保護設備的目的,並支援一乾接點(dry contact)與一濕接點(wet contact)的應用。
根據不同的方法與應用,本發明的訊號隔離電路104可應用於不同的設備。請參考第3圖,第3圖為本發明實施例之訊號隔離電路104應用於一電池混合型不斷電系統30時之示意圖。由於電池混合型不斷電系統30為包含訊號隔離電路104的系統,因此沿用訊號隔離電路104的元件符號。此外,電池混合型不 斷電系統30另包含一繼電器RELAY、一開關SW及一電池BAT並耦接於一電源供應裝置PSU(即第1圖中的外部裝置102),其中繼電器RELAY包含複數個接點R1、R2、R3。電源供應裝置PSU耦接於一市電電壓(例如,110V~240V交流電)將接收到的市電轉換為電能,以經由一接點VPSU將電能輸出至電池混合型不斷電系統30。
由於電源供應裝置PSU的一積體電路之間(Inter-Integrated Circuit Bus,I2C)或一系統管理匯流排(System Management Bus,SMBus)接腳耦接至訊號隔離電路104的自動模式接腳Auto,使得控制電路1042可透過串列通訊匯流排確認來自電源供應裝置PSU之狀態訊號,以決定將訊號隔離電路104操作於輸入模式或輸出模式。因此,當電源供應裝置PSU接收到市電電壓時,電源供應裝置PSU的狀態訊號可經由一串列通訊訊號傳送至控制電路1042。接著,控制電路1042於接收到狀態訊號後,導通輸入開關SW_I1和SW_I2,使繼電器RELAY所產生的訊號經過輸入開關SW_I2和輸入光電耦合器OPT_I傳送至控制電路1042,使控制電路1042得知目前市電電壓為正常的。值得注意的是,電源供應裝置PSU接收到市電電壓時,繼電器RELAY的接點R2、R3為導通的,因此,電池混合型不斷電系統30的電能是由電源供應裝置PSU提供,而非由電池BAT所提供的電能。
當市電不正常供電時,電源供應裝置PSU無法供電也無法傳送目前狀態給控制電路1042。在一例中,電池BAT可透過開關SW內部之一本體二極體漏電以提供一訊號24VDC,控制電路1042經由手動接腳Manual所接收的訊號24VDC得知市電不穩定時,據以將訊號隔離電路104的輸入狀態改為輸出狀態,並且導通輸出開關SW_O1、SW_O2開關,以經由輸出光電耦合器OPT_O和輸出開關SW_O2輸出一數位輸出訊號至開關SW,並導通開關SW,使電池BAT可以供電至控制電路1042以正常運作。值得注意的是,電源供應裝置PSU未接收到市 電電壓時(即電源供應裝置PSU不正常供電時),繼電器RELAY的接點R1、R3為導通的,因此電池混合型不斷電系統30的電能是由電池BAT所提供的。
上述實施例可說明本發明的訊號隔離電路可以單一埠作為輸入埠或輸出埠的數位輸入輸出介面,使得相關工業設備不受限於現有的硬體的接腳限制的輸入或輸出限制,並且適用於寬壓應用時提供更廣泛的訊號控制。此外,使用者可自行定義輸入輸出需求,透過可編程應用介面的方式定義輸入輸出埠,不受到原有的硬體電路的限制,並且縮小整體電路面積及降低開發成本。 除此之外,本領域具通常知識者可根據不同系統需求適當設計訊號隔離電路,例如,數位輸入/輸出電路的開關可以其他電路元件實現,皆適用於本發明,且不以此為限。
綜上所述,本發明實施例提供一種訊號隔離系統及訊號隔離電路,以單一埠作為輸入埠或輸出埠的數位輸入輸出介面,使得相關工業設備不受限於現有的硬體的接腳限制的輸入或輸出限制,進而縮小整體電路面積及降低開發成本。
以上所述僅為本發明之較佳實施例,凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾,皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:訊號隔離系統
102:外部裝置
104:訊號隔離電路
1042:控制電路
1044:數位輸入/輸出電路
1046:輸入/輸出埠

Claims (7)

  1. 一種訊號隔離系統,包含有:一外部裝置;以及一訊號隔離電路,耦接於該外部裝置,包含有:一控制電路,用來根據該外部裝置之一狀態,將該訊號隔離電路操作於一輸入模式或一輸出模式;一數位輸入/輸出電路,用來根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式以輸入/輸出訊號;一輸入/輸出埠,耦接於該數位輸入/輸出電路,根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式,作為一輸入埠或一輸出埠;一輸入光電耦合器,耦接於該控制電路及複數個輸入開關,以於該控制電路將該訊號隔離電路操作於該輸入模式時,由該控制電路導通該複數個輸入開關,以將該外部裝置所產生之一數位輸入訊號輸入至該控制電路;以及一輸出光電耦合器,耦接於該控制電路及複數個輸出開關,以於該控制電路將該訊號隔離電路操作於該輸出模式時,由該控制電路導通該複數個輸出開關,以將一數位輸出訊號輸出至該外部裝置。
  2. 如請求項1所述之訊號隔離系統,其中該複數個輸入開關及該複數個輸出開關係一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。
  3. 如請求項1所述之訊號隔離系統,其中該訊號隔離電路另包含:一手動模式接腳,耦接於該外部裝置,用來接收該外部裝置之一狀態訊號並傳送至該控制電路,以由該控制電路決定該訊號隔離電路操作於該輸入模式或該輸出模式;以及 一自動模式接腳,耦接於該外部裝置,用來透過一串列通訊匯流排(Serial Communication BUS)確認來自該外部裝置之該狀態訊號,以由該控制電路決定該訊號隔離電路操作於該輸入模式或該輸出模式。
  4. 一種訊號隔離電路,包含有:一控制電路,用來根據一外部裝置之一狀態,將該訊號隔離電路操作於一輸入模式或一輸出模式;一數位輸入/輸出電路,用來根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式以輸入/輸出訊號;一輸入/輸出埠,耦接於該數位輸入/輸出電路,根據該控制電路所決定之該輸入模式或該輸出模式,作為一輸入埠或一輸出埠;一輸入光電耦合器,包含有一第一端點及一第二端點,其中該第一端點耦接於一第一輸入開關及一第二輸入開關,並且透過該第一輸入開關耦接至一一次側電源,該第二端點耦接至該控制電路及一二次側電源,以於該控制電路將該訊號隔離電路操作於該輸入模式時,由該控制電路導通該第一輸入開關及該第二輸入開關,以將該外部裝置所產生之一數位輸入訊號輸入至該控制電路;以及一輸出光電耦合器,包含有一第一端點及一第二端點,其中該第一端點耦接於一第一輸出開關及一第二輸出開關,並且透過該第一輸出開關耦接至一一次側電源,該第二端點耦接至該控制電路及一二次側電源,以於該控制電路將該訊號隔離電路操作於該輸出模式時,由該控制電路導通該第一輸出開關及該第二輸出開關,以將一數位輸出訊號輸出至該外部裝置。
  5. 如請求項4所述之訊號隔離電路,其中該第一輸入開關及該第二輸入開關係一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。
  6. 如請求項4所述之訊號隔離電路,其中該第一輸出開關及該第二輸出開關係一金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。
  7. 如請求項4所述之訊號隔離電路,其中該訊號隔離電路另包含:一手動模式接腳,耦接於該外部裝置,用來接收該外部裝置之一狀態訊號並傳送至該控制電路,以由該控制電路決定該訊號隔離電路操作於該輸入模式或該輸出模式;以及一自動模式接腳,耦接於該外部裝置,用來透過一串列通訊匯流排(Serial Communication BUS)確認來自該外部裝置之該狀態訊號,以由該控制電路決定該訊號隔離電路操作於該輸入模式或該輸出模式。
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