приемопередатчик последовательного интерфейса с элементом гальванической развязки

Формула изобретения

1. Приемопередатчик последовательного интерфейса с элементом гальванической развязки, содержащий элемент гальванической развязки, последовательно включенные кодирующее устройство входной информации, формирователь длительности импульсов, оконечный усилитель передатчика, а также последовательно включенные входной усилитель приемника и декодирующее устройство, отличающийся тем, что элемент гальванической развязки включен между оконечным усилителем передатчика и линий связи, а вход усилителя приемника подключен к выходу оконечного усилителя передатчика, при этом входные сигналы, поступающие на элемент гальванической развязки, кодируются двумя разнополярными импульсами, соответствующими фронту и спаду входного сигнала.

2. Приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что декодирующее устройство имеет вход установки декодера в исходное состояние.

3. Приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что формирователь длительности импульсов имеет входы для установки оптимальной длительности выходных импульсов, поступающих в линию связи.

4. Приемопередатчик по п.1, отличающийся тем, что входной усилитель приемника имеет входы для установки оптимального порога срабатывания приемника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электроники, в частности к устройствам приема и передачи информации по проводным линиям связи, и может быть использовано для приема и передачи информации по последовательному интерфейсу в форматах RS-485, RS-422, RS-232, импульсных последовательностей, использующих ШИМ и ЧИМ модуляцию, а также одиночных импульсов произвольной длительности в системах автоматического управления и системах сбора и обработки информации с центральным пунктом и удаленными периферийными объектами.

Предшествующий уровень техники

Известны устройства для передачи информации по линиям связи с трансформаторной гальванической развязкой, которые обмениваются информацией с периферийными устройствами. Так, например, известна двухпроводная система для дуплексной передачи информации, описанная в патенте РФ № 2381627 «Система для дуплексной передачи информации по двухпроводной линии связи», автор А.В.Шадрин, МПК H04L 5/14, опубликованный 10.02.2010 г. В ней применена схема восстановления сигнала на выходе линии связи и подачи питания на удаленное устройство приема информации через ту же линию связи, что существенно снижает помехоустойчивость линии связи.

Известна так же схема приемопередатчика интерфейса CAN 2.0 B по двухпроводной токовой линии, описанной в патенте РФ № 63148 «Физическая реализация модуля приемопередатчика интерфейса CAN 2.0B по двухпроводной токовой линии». Устройство обеспечивает сопряжение микропроцессора мультиплексного канала с двухпроводной линией передачи данных. Гальваническая развязка осуществляется с помощью оптронов. Недостаток предлагаемого устройства заключается в том что приемопередатчик цифрового канала содержит оптроны, которые теряют свою работоспособность в условиях воздействия спецфакторов, что существенно снижает надежность устройства и ограничивает область применения такого устройства.

Ближайшим по своей сути к заявленному изобретению является

приемопередатчик с трансформаторной гальванической развязкой AMD2486 фирмы ANALOG DEVICES (США). В прототипе используется схема гальванической развязки (патент США 7683654 В2 «Signal isolators circuit micro-transfonners», inventors: Baoxing Chen, Geoffrey Haighjut. По МПК Н03К 17/16, H01L 25/00, Field Dec. 27, 2007). Устройство AMD 2486 выбрано в качестве прототипа.

В прототипе в качестве устройства гальванической развязки используется импульсный трансформатор, который включен между формирователем импульсов и оконечным усилителем передатчика, помещен внутри микросхемы и не имеет непосредственной связи с внешними цепями. Импульсный трансформатор является изоляционным барьером и делит схему приемопередатчика на две части. Одна из них имеет гальваническую связь с аппаратурой, в состав которой входит приемопередатчик, который записывается от общего с аппаратурой источника питания. Другая часть не имеет гальванической связи с основной аппаратурой и требует для своей запитки дополнительного источника питания, гальванически развязанного от основной аппаратуры.

Для передачи сигнала через трансформатор фронты входных сигналов кодируются двумя короткими импульсами длительностью 1 нс, а спады - одним импульсом длительностью 1 нс. Параметры входных и выходных сигналов приемопередатчика AMD 2486 соответствуют требованиям интерфейса RS 485. Для построения интерфейса с приемопередатчиком AMD 2486 в соответствии со стандартом RS 485 используется трехпроводная линия связи. В качестве кабеля линии связи рекомендуется использовать относительно громоздкий промышленный кабель Belonen 3106 A с волновым сопротивлением 120 Ом и внешним диаметром 7.68 мм. В интерфейсах с AMD2486, работающих с линиями связи большой протяженности, не полностью решена проблема с выравнивающими токами, причина появления которых связана с наличием разности потенциалов между удаленными объектами интерфейса, что приводит к необходимости использования дополнительных мер для ослабления этого эффекта, изложенных в стандарте RS 485.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения - создание простого и надежного устройства приемопередатчика, который может быть использован для построения гальванически развязанных последовательных интерфейсов для приема и передачи информации в форматах RS-485, RS-422, RS-232, импульсных последовательностей, использующих ШИМ и ЧИМ модуляцию, а также одиночных импульсов произвольной длительности, и обладающего высокой надежностью, помехоустойчивостью, способного работать в экстремальных условиях эксплуатации.

В предлагаемом устройстве используется элемент гальванической развязки, например импульсный трансформатор, включенный непосредственно между выходом приемопередатчика и проводной линией связи, и в определенном методе кодирования сигналов для передачи по линии связи. Сигнал, подаваемый в линию связи, кодируется двумя разнополярными импульсами, соответствующими фронту и спаду входного сигнала, длительность которых может выбираться в диапазоне от 20 нс до 4 мкс в зависимости от требуемой скорости передачи этих сигналов по проводным линиям связи, длины линии и типа используемого кабеля с помощью установочных входов на формирователе длительности импульсов. Максимальная частота передачи до 20 МГц при длительности импульса 25 нс, наибольшая длина линии связи свыше 2000 м при длительности импульса 4 мкс.

Используемый метод кодирования сигналов приводит к значительному уменьшению тока, потребляемого передатчиком в процессе его работы, за счет того, что потребление тока происходит лишь в короткие промежутки времени, равные длительностям выходных импульсов, которые много меньше длительности битов передаваемой информации. Питание приемопередатчика осуществляется от одного источника питания, общего для приемопередатчика и аппаратуры, в состав которой он входит.

Для построения интерфейса на основе рассматриваемого приемопередатчика с элементом гальванической развязки используется двухпроводная линия связи. Для построения линий связи могут быть использованы витая пара проводов, витая пара проводов в экране, коаксиальные кабели с волновым сопротивлениями от 30 до 120 Ом.

Для повышения помехоустойчивости приемопередатчика входной усилитель приемника имеет входы для установки оптимального порога срабатывания приемника.

На Фиг.1 показана общая схема приемопередатчика для передачи информации по двухпроводной линии связи.

Приемопередатчик содержит: последовательно включенные кодирующее устройство входной информации 1, формирователь длительности импульсов 2, имеющий входы 8 для установки оптимальных параметров импульсов, оконечный усилитель передатчика 3, элемент гальванической развязки 4, например импульсный трансформатор, включенный непосредственно между выходом приемопередатчика и проводной линией связи, входной усилитель приемника 5, имеющий входы 9 для установки оптимального порога срабатывания приемника, и декодирующее устройство 6, имеющее вход 7 для установки декодера 6 в исходное состояние при включении питания и после возможных неблагоприятных внешних воздействий в процессе эксплуатации.

Работа устройства представлена на Фиг.2. На вход кодирующего устройства поступают информационные сигналы, представленные на Фиг.2 диаграммой (а). Передний фронт импульсов, поступающих на вход кодирующего устройства, преобразуется в импульс положительной полярности, а задний фронт - в импульс отрицательной полярности. Формирователь длительности импульсов в зависимости от требуемой скорости передачи информации, длины линии связи, типа кабеля и выбора одного из установочных входов, формирует оптимальную длительность импульсов в пределах от 25 нс до 4-х мкс. Сформированные импульсы, представленные диаграммой (b), поступают на вход оконечного усилителя передатчика и затем через элемент гальванической развязки, например импульсный трансформатор, на линию связи (ЛС). После прохождения ЛС сигнал, приходящий на входной усилитель приемника, имеет вид, представленный диаграммой (с). Входной усилитель приемника с помощью одного из установочных входов устанавливает порог срабатывания приемника, усиливает входной сигнал, поступающий с линии связи, и подает его на вход декодера, восстанавливающего информационный сигнал в исходный вид, который он имел в начале на входе передатчика, см. диаграмму (а) и (d). Декодирующее устройство имеет вход для установки декодера в исходное состояние при включении питания и после возможных неблагоприятных внешних воздействий в процессе эксплуатации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание простого и надежного устройства приемопередатчика с элементом гальванической развязки и малым током потребления, который может быть использован для построения гальванически развязанных последовательных интерфейсов, обладающих высокой надежностью и помехоустойчивостью, способных работать в экстремальных условиях эксплуатации.

Промышленная применимость

Наиболее эффективно использование предложенного устройства приемопередатчика с элементом гальванической развязки в системах передачи информации по последовательным гальванически развязанным интерфейсам в различных системах автоматического управления, системах сбора и обработки информации, системах управления технологическими процессами на промышленных предприятиях.