CN102855211A - 通用串行总线—平衡电压数字接口转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通用串行总线—平衡电压数字接口转换器，包括USB接口单元、USB-串行信号转换单元、RS-422信号处理单元以及RS-422接口，还包括信号隔离单元，所述信号隔离单元置于所述USB-串行信号转换单元与所述RS-422信号处理单元之间，用于电气隔离所述USB-串行信号转换单元与所述RS-422信号处理单元之间的信号。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明采用隔离方案，在保证正常通信功能与信号传输质量的前提下，切断了信号传输线路上电脑与PLC的电气连接，从而杜绝了因漏电而造成通讯芯片烧毁的故障。
Description
技术领域
本发明涉及信号隔离领域，更具体的说是涉及一种通用串行总线—平衡电压数字接口转换器。
背景技术
PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)是一种广泛使用的工业自动化控制设备。它可以处理输入PLC的信号，根据储存在其中的程序发出相应的输出信号来控制设备的运行。由于其程序可以完全由用户编制，所以PLC具有极强的灵活性，因而无论是在单机自动化，还是整条生产线的自动化，乃至整个工厂的生产自动化，PLC都承担着重要的作用，并被大量实际运用。
PLC最重要的特性是可以由用户编制程序，现今的PLC产品，都是使用个人电脑(PC)上面专门的软件来编制程序，然后通过一个接口将个人电脑与PLC建立连接，并通过上述接口进行个人电脑与PLC之间的通信，即传送程序和数据，以及监控PLC的状态。PLC端用来完成这一任务的接口通常是平衡电压数字接口(Balanced Voltage Digital Interface)，由于其符合ANSI/TIA/EIA-422-B标准，亦称为RS-422。由于普通的个人电脑上都没有配备这个接口，因此通常需要配备一个USB(Universal Serial Bus，通用串行总线)与RS-422的转换器来连接个人电脑和PLC。
目前市场上有许多普通的USBRS-422转换器，采用一颗芯片（例如PL2303,CP2102,FT232等）作为通讯格式的转换，辅以少量的***器件，实现最基本的通信功能。
现有的普通USBRS-422转换器中，USB端（USB接口单元）与RS-422端（RS-422接口单元）之间通过USB-串行信号转换单元和RS-422信号处理单元连接，具体的，通过一颗USB转串口芯片和一颗RS-422收发芯片直接相连，由于USB转串口芯片和RS-422收发芯片直接相连，电气上会有通路存在，所以当USB或者RS-422一端中因为静电放电、短路或其它原因出现漏电、电压异常等情况时，半导体电子零件就会被击穿导通，两端之间形成电流通路，这样就会在极短时间内烧毁通路上的电子元件，这其中尤以PLC中的通讯芯片最为脆弱，最容易被损坏，一旦PLC损坏，将会导致PLC无法与个人电脑通信。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种通用串行总线—平衡电压数字接口转换器，用以解决现有技术中PLC中的通讯芯片易被击穿的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种通用串行总线—平衡电压数字接口转换器，包括USB接口单元、USB-串行信号转换单元、RS-422信号处理单元以及RS-422接口，还包括信号隔离单元，所述信号隔离单元置于所述USB-串行信号转换单元与所述RS-422信号处理单元之间，用于电气隔离所述USB-串行信号转换单元与所述RS-422信号处理单元之间的信号。
优选的，在上述的通用串行总线—平衡电压数字接口转换器中，所述信号隔离单元包括第一信号隔离单元和第二信号隔离单元；
所述第一信号隔离单元的输入端与所述USB-串行信号转换单元连接，所述第一信号隔离单元的输出端与所述RS-422信号处理单元连接，所述第一信号隔离单元用于电气隔离从所述USB-串行信号转换单元向所述RS-422信号处理单元方向传输的信号；
所述第二信号隔离单元的输入端与所述RS-422信号处理单元连接，所述第二信号隔离单元的输出端与所述USB-串行信号转换单元连接，所述第二信号隔离单元用于电气隔离从所述RS-422信号处理单元向所述USB-串行信号转换单元方向传输的信号。
优选的，在上述的通用串行总线—平衡电压数字接口转换器中，所述第一信号隔离单元包括：第一驱动器、第一光耦合器、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第一电容以及第二电容；
所述第一驱动器的输入端与所述USB-串行信号转换单元连接，所述第一驱动器的输出端通过所述第一电阻器连接所述第一光耦合器的发光二级管的阴极；
所述第一光耦合器的发光二级管的阳极与所述第一驱动器的电源管脚均与电源连接；
所述第一光耦合器的三极管的集电极与所述第二电阻器的第一端连接，所述第二电阻器的第二端作为所述第一信号隔离单元的输出端向所述RS-422信号处理单元输出信号；
所述第三电阻器与所述第一电容并联，所述第三电阻器的一端与所述第一光耦合器的三极管的基极连接，另一端与所述第二电阻器的第二端连接，所述第一光耦合器的三极管的基极与电源连接；
所述第一光耦合器的发射极与接地端连接；
所述第二电容的一端与所述第二电阻器的第二端连接，另一端与接地端连接。
优选的，在上述的通用串行总线—平衡电压数字接口转换器中，所述第二信号隔离单元包括：
第二光耦合器、第四电阻器、第五电阻器、第六电阻器、第三电容；
所述第二光耦合器中的发光二极管的阴极与所述第四电阻器的第一端连接，所述第四电阻器的第二端作为所述第二信号隔离单元的输入端，接收来自所述RS-422信号处理单元的信号；
所述第二光耦合器中的发光二极管的阳极接电源；
所述第二光耦合器中的三极管的集电极与所述第五电阻器的第一端连接，所述第五电阻器的第二端作为所述第二信号隔离单元的输出端向所述USB-串行信号转换单元输出信号；
所述第六电阻器的第一端与所述第二光耦合器中的三极管的集电极连接，第二端接电源；
所述第二光耦合器中的三极管的基极接电源；
所述第二光耦合器中的三极管的发射极接接地端；
所述第三电容的第一端与所述第五电阻器的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第六电阻器的第二端连接。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明采用隔离方案，在保证正常通信功能与信号传输质量的前提下，切断了信号传输线路上电脑与PLC的电气连接，从而杜绝了因漏电而造成通讯芯片烧毁的故障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的通用串行总线—平衡电压数字接口转换器的结构框图；
图2为本发明实施例提供的通用串行总线—平衡电压数字接口转换器的另一结构框图；
图3为本发明实施例提供的信号隔离单元的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参考图1，图1示出了通用串行总线—平衡电压数字接口转换器的一种结构示意图。
通用串行总线—平衡电压数字接口转换器包括：USB接口单元、USB-串行信号转换单元、RS-422信号处理单元以及RS-422接口，上述转换器还包括信号隔离单元，信号隔离单元置于USB-串行信号转换单元与RS-422信号处理单元之间，用于电气隔离USB-串行信号转换单元与RS-422信号处理单元之间的信号。
现有技术中，USB转串口芯片和RS-422收发芯片直接相连，由于USB转串口芯片和RS-422收发芯片直接相连，电气上会有通路存在，而本发明在设计上使用了信号隔离单元，信号隔离单元在转换器两端之间的信号传输上进行电气隔离，在保证正常通信功能与信号传输质量的前提下，切断了信号传输线路上电脑与PLC的电气连接，从而杜绝了因漏电而造成通讯芯片烧毁的故障。
参考图2，上述的信号隔离单元可以包括第一信号隔离单元U11和第二信号隔离单元U12。
第一信号隔离单元U11的输入端与USB-串行信号转换单元连接，第一信号隔离单元U11的输出端与所述RS-422信号处理单元连接，第一信号隔离单元U11用于电气隔离从USB-串行信号转换单元向RS-422信号处理单元方向传输的信号。
第二信号隔离单元U12的输入端与RS-422信号处理单元连接，第二信号隔离单元U12的输出端与USB-串行信号转换单元连接，第二信号隔离单元U12用于电气隔离从RS-422信号处理单元向USB-串行信号转换单元方向传输的信号。
参考图3，示出了上述隔离单元的一种结构示意图。
第一信号隔离单元U11包括第一驱动器111、第一光耦合器112、第一电阻器R1、第二电阻器R2、第三电阻器R3、第一电容C1以及第二电容C2，其中，第一电阻器R1的阻值为470Ω、第二电阻器R2的阻值为100Ω、第三电阻器R3的阻值为1000Ω、第一电容C1的容值为0.1微法，第二电容C2的容值为3900皮法。
第一驱动器111的作用是放大来自USB-串行信号转换单元的串行输出信号，由于光耦合器112需要10mA左右的驱动电流，而USB-串行信号转换单元输出的串行输出信号强度不足以直接驱动光耦合器，所以需增加驱动器111以驱动串行输出信号通过光耦合器112。
第一驱动器111中的引脚
为输出控制脚，引脚A为输入脚，引脚GND为接地脚，引脚Y为输出脚，引脚VCC为电源脚。
第一驱动器111的型号可以为SN74AHCT1G125，参考图3所示，为输出控制脚，低电平有效。当接低电平时，第一驱动器111工作，将从引脚A输入的信号，由引脚Y输出；当
接高电平时，第一驱动器111不工作，也就是说无论引脚A输入的信号为何值，引脚Y都没有输出。在本设计中，由于需要第一驱动器111始终工作，所以引脚A与接地端连接。引脚GND为接地脚，连接接地端；引脚VCC连接到USB一侧的正5V电源VCC端。
第一驱动器111的输入端A作为第一信号隔离单元U11的输入端1与USB-串行信号转换单元连接，第一驱动器111的输出端Y通过第一电阻器R1连接第一光耦合器112的发光二级管的阴极。
第一光耦合器112的发光二级管的阳极与电源VCC连接，电源为USB一侧电源的正5伏电压；
第一光耦合器112的三极管的集电极通过第二电阻器R2与输出端2连接，输出端2作为第一信号隔离单元U1的输出端向所述RS-422信号处理单元输出信号；
第三电阻器R3与第一电容C1并联，第三电阻器R3的一端与第一光耦合器112的三极管的基极连接，另一端与第一信号隔离单元U1的输出端2连接，第一光耦合器112的三极管的基极连接到电源VCC1，电源为RS-422一侧的正5伏端电源，将无输出时的默认输出电平拉高到高电平；
第一光耦合器112的发射极与接地端连接，接地端为RS-422一侧电源的“地”端；
第二电容C2的一端与输出端2连接，另一端与接地端连接，接地端为RS-422一侧电源的“地”端。
第一电容C1和第二电容C2这两个电容能够起到滤除高频杂讯的作用。
上述的第二信号隔离单元U2包括第二光耦合器123、第四电阻器R4、第五电阻器R5、第六电阻器R6、以及第三电容C3，其中，第四电阻器R4的阻值为100Ω、第五电阻器R5的阻值为100Ω、第六电阻器R6的阻值为1000Ω、以及第三电容C3的容值为0.1微法。
第二光耦合器123中的发光二极管的阴极通过第四电阻器R4与输入端3连接，输入端3为第二信号隔离单元U2的输入端，其接收来自RS-422信号处理单元的信号；
第二光耦合器123中的发光二极管的阳极接电源VCC1，电源为RS-422一侧的正5伏电源；
第二光耦合器123中的三极管的集电极通过第五电阻器R5与输出端4连接，输出端4为第二信号隔离单元U2的输出端，其作为第二信号隔离单元的输出端向USB-串行信号转换单元输出信号；
第六电阻器R6的第一端与第二光耦合器123中的三极管的集电极连接，第二端接电源，电源为USB一侧的正5伏电源，将无输出时的默认输出电平拉高到高电平；
第二光耦合器123中的三极管的基极接电源，电源为USB一侧的正5伏电源；
第二光耦合器123中的三极管的发射极接接地端，接地端为USB一侧的接地端；
第三电容C3的第一端与输出端4连接，第三电容C3的第二端与第六电阻器的第二端连接。
优选的，上述第一光耦合器与第二耦合器的型号可以为PS9114。
下面说明第一信号隔离单元和第二信号隔离单元的工作过程，以第一信号隔离单元的工作过程为例，第一信号隔离单元实现信号从USB到RS-422方向的电气隔离；而第一信号隔离单元实现信号从RS-422到USB方向的电气隔离，其工作原理相同，只是信号流向方向不同，故不再重复。
来自USB一侧的信号（以下称为“输入信号”）从第一驱动器111的输入端A输入，第一驱动器111将信号放大后从引脚Y输出，通过第一电阻器R1连接到第一光耦合器112中二极管的阴极。
当输入信号为高电平时，第一光耦合器112中发光二极管的阴极为高电平，阳极也为高电平，因此发光二极管不发光，而第一光耦合器112中三极管因为没有收到光信号而不导通，所以输出端2通过第三电阻器R3拉高到高电平。
当输入信号为低电平时，第一光耦合器112中发光二极管的阴极为低电平，阳极为高电平，发光二极管发光，第一光耦合器112中的三极管因为接收到光信号而导通，所以输出端2通过第二电阻器R2拉低到低电平。
通过第一光耦合器112的电信号-光信号-电信号的转换，实现了传输高、低电平信号，而隔离直接的电气连接的功能。
本发明实施例中的光耦合器内部由光发射器（发光二极管）和光接收器（三极管）组成，输入光耦合器内部的电信号经光发射器转换为光信号，再由光接收器转换为电信号输出。通过此“电-光-电”的转换过程实现输入端和输出端的电气隔离。并且信号只能从输入端向输出端单向传输，输出端输出的信号电平最大范围由输出端电路决定。由于静电放电、短路、漏电等原因在整个***中的某个地方产生电压异常时，光耦合器可以防止该异常电压通过光耦合器到达另一端形成通路，在保证正常通信功能与信号传输质量的前提下，切断了信号传输线路上电脑与PLC的电气连接，从而杜绝了因漏电而造成通讯芯片烧毁的故障。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (4)
1.一种通用串行总线—平衡电压数字接口转换器，包括USB接口单元、USB-串行信号转换单元、RS-422信号处理单元以及RS-422接口，其特征在于，还包括信号隔离单元，所述信号隔离单元置于所述USB-串行信号转换单元与所述RS-422信号处理单元之间，用于电气隔离所述USB-串行信号转换单元与所述RS-422信号处理单元之间的信号。
2.根据权利要求1所述的通用串行总线—平衡电压数字接口转换器，其特征在于，
所述信号隔离单元包括第一信号隔离单元和第二信号隔离单元；
所述第一信号隔离单元的输入端与所述USB-串行信号转换单元连接，所述第一信号隔离单元的输出端与所述RS-422信号处理单元连接，所述第一信号隔离单元用于电气隔离从所述USB-串行信号转换单元向所述RS-422信号处理单元方向传输的信号；
所述第二信号隔离单元的输入端与所述RS-422信号处理单元连接，所述第二信号隔离单元的输出端与所述USB-串行信号转换单元连接，所述第二信号隔离单元用于电气隔离从所述RS-422信号处理单元向所述USB-串行信号转换单元方向传输的信号。
3.根据权利要求2所述的通用串行总线—平衡电压数字接口转换器，其特征在于，所述第一信号隔离单元包括：第一驱动器、第一光耦合器、第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器、第一电容以及第二电容；
所述第一驱动器的输入端与所述USB-串行信号转换单元连接，所述第一驱动器的输出端通过所述第一电阻器连接所述第一光耦合器的发光二级管的阴极；
所述第一光耦合器的发光二级管的阳极与所述第一驱动器的电源管脚均与电源连接；
所述第一光耦合器的三极管的集电极与所述第二电阻器的第一端连接，所述第二电阻器的第二端作为所述第一信号隔离单元的输出端向所述RS-422信号处理单元输出信号；
所述第三电阻器与所述第一电容并联，所述第三电阻器的一端与所述第一光耦合器的三极管的基极连接，另一端与所述第二电阻器的第二端连接，所述第一光耦合器的三极管的基极与电源连接；
所述第一光耦合器的发射极与接地端连接；
所述第二电容的一端与所述第二电阻器的第二端连接，另一端与接地端连接。
4.根据权利要求2所述的通用串行总线—平衡电压数字接口转换器，其特征在于，所述第二信号隔离单元包括：
第二光耦合器、第四电阻器、第五电阻器、第六电阻器、第三电容；
所述第二光耦合器中的发光二极管的阴极与所述第四电阻器的第一端连接，所述第四电阻器的第二端作为所述第二信号隔离单元的输入端，接收来自所述RS-422信号处理单元的信号；
所述第二光耦合器中的发光二极管的阳极接电源；
所述第二光耦合器中的三极管的集电极与所述第五电阻器的第一端连接，所述第五电阻器的第二端作为所述第二信号隔离单元的输出端向所述USB-串行信号转换单元输出信号；
所述第六电阻器的第一端与所述第二光耦合器中的三极管的集电极连接，第二端接电源；
所述第二光耦合器中的三极管的基极接电源；
所述第二光耦合器中的三极管的发射极接接地端；
所述第三电容的第一端与所述第五电阻器的第一端连接，所述第三电容的第二端与所述第六电阻器的第二端连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |