一種浮地設備接口隔離裝置的製作方法

2023-07-15 10:32:11 2

專利名稱：一種浮地設備接口隔離裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及浮地設備，更確切地說是涉及一種浮地設備接口隔離裝置。
背景技術：
浮地設備是指設備的參考地沒有和大地直接連接的設備。比如，帶天線的無線固定電話和無線數據機都是浮地設備。
現有技術中，浮地設備通過串行接口通訊電纜與其它設備直接相連。以帶有RS-232接口的浮地設備與通用串行總線(USB)接口設備相連為例，其中，RS-232是由電子工業協會(EIA)定義的串行數據通訊接口的電子與電纜連結特性的標準，是指數據終端設備(DTE)和數據通訊設備(DCE)之間串行二進位數據交換接口技術標準。
如圖1所示，浮地設備通過RS-232接口與數字邏輯轉換電路相連，數字邏輯轉換電路再通過USB接口與USB接口設備相連。其中，數字邏輯轉換電路將浮地設備RS-232接口輸出的RS-232邏輯電平信號轉換成USB接口邏輯電平信號，使浮地設備從RS-232接口輸出的RS-232串行數據為USB接口所識別；數字邏輯轉換電路還將USB接口邏輯電平信號轉換成RS-232邏輯電平信號，使USB接口設備輸出的信號為RS-232接口所識別。
由此可見，現有技術中，當使用普通的串行數據通訊電纜直接連接浮地設備的接口電路和計算機或其它有接地金屬外殼設備的接口電路時，其中的數字邏輯轉換電路可以位於浮地設備和計算機或其它有接地金屬外殼設備的任意一側，如果因為雷擊或者其它原因使浮地設備的地電位上升，由於普通的串行數據通訊電纜無隔離作用，就會導致與浮地設備相連的設備外殼的電位隨之升高，也就可能對接觸到金屬外殼的人員造成人身傷害，因此，使用普通的串行數據通訊電纜直接連接浮地設備和計算機或其它有接地金屬外殼的設備就不能達到設備的安規標準要求。
實用新型內容有鑑於此，本實用新型的主要目的在於提供一種浮地設備接口隔離裝置，實現浮地設備與通訊設備之間的信號和地線隔離，達到設備的安規標準要求。
為實現上述目的，本實用新型提供一種浮地設備接口隔離裝置，該裝置包括浮地設備接口電路、為浮地設備接口電路供電的浮地設備側電源、終端設備接口電路及為終端設備接口電路供電的終端設備側電源，該裝置關鍵在於還包括接口隔離電路，其連接在浮地設備接口電路和終端設備接口電路之間；所述接口隔離電路同時與為其供電的浮地設備側電源和為其供電終端設備側電源相連。
上述方案中，所述浮地設備接口電路可以包括接口連接器和接口電平轉換電路；所述接口連接器與浮地設備的數據通訊接口相連；所述浮地設備側電源與對數據進行邏輯電平轉換的接口電平轉換電路相連；所述接口電平轉換電路連接在接口隔離電路和接口連接器之間。其中，所述浮地設備側電源可以為從接口連接器取出的電源，或為單獨的外接電源。
另外，所述浮地設備接口電路可以為與浮地設備的數據通訊接口和接口隔離電路分別相連的接口連接器。
其中，所述接口連接器可以為RS-232接口連接器，或TTL接口連接器。
上述方案中，所述終端設備接口電路可以包括數據接收和發送控制器和終端接口連接器；所述終端設備側電源與對數據進行電平轉換的數據接收和發送控制器相連；所述終端接口連接器與有接地金屬外殼的設備的數據通訊接口相連；所述數據接收和發送控制器連接在接口隔離電路和終端接口連接器之間。其中，所述終端設備側電源為從接口連接器取出的電源，或為單獨的外接電源。
上述方案中，所述接口連接器可以為RS-232接口連接器或USB接口連接器。所述接口隔離電路為光耦合隔離電路。
可見，該實用新型可以很好地實現浮地設備與通訊設備之間的信號和地線隔離，這樣，不僅可以防止通訊時的共模幹擾和噪音幹擾，而且，當一端的浮地設備因雷電和強電導致電位上升時，另一端的通訊設備因為與之隔離而不會有電位變化，因此，可以防止設備因為電位差而損壞，也可以避免對與設備直接接觸的人員造成人身傷害。同時，通過選擇不同隔離電壓的光耦隔離器件，還可以達到不同等級的安規要求。


圖1為現有技術RS-232接口的浮地設備與USB接口設備的連接關係示意圖；圖2為本實用新型連接RS-232接口和USB接口的浮地設備接口隔離裝置的結構原理圖；圖3為本實用新型連接RS-232接口和USB接口的浮地設備接口隔離裝置的電路原理圖；圖4為本實用新型連接TTL接口和RS-232接口的浮地設備接口隔離裝置的結構原理圖；圖5為本實用新型連接TTL接口和RS-232接口的浮地設備接口隔離裝置的電路原理圖。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案以及優點更加清楚明白，以下參照附圖並舉實施例，對本實用新型進一步詳細說明。
本實用新型為一種浮地設備接口隔離裝置，該裝置包括浮地設備接口電路及其供電電源、接口隔離電路和終端設備接口電路及其供電電源。其中，浮地設備接口電路可以包括接口連接器和接口電平轉換電路；終端設備接口電路可以包括接口連接器和數據接收和發送控制器。接口電平轉換電路和數據接收和發送控制器都是用於進行邏輯電平轉換的單元，其區別在於進行轉換的邏輯電平可以不同。本實用新型中，與浮地設備相連的計算機或其它有接地金屬外殼設備可以稱為終端設備，相應的，與浮地設備接口電路通過接口隔離電路相連的計算機或其它有接地金屬外殼設備的接口電路就是所述的終端設備接口電路。
本實用新型中，浮地設備可以通過如下類型串行數據通訊接口和其它設備進行數據通訊RS-232接口、USB接口、RS-422接口、RS-485接口、V35接口、IEEE 1394接口等。本實用新型提供的這種浮地設備接口隔離裝置可以對上述串行數據通訊接口中的一種類型接口與另一種類型接口進行隔離，也可以對同一種類型的接口進行隔離。
下面以RS-232接口和USB接口隔離為例說明本實用新型的實現方案。本實施例中，浮地設備接口電路中的接口連接器為RS-232接口連接器，終端設備接口電路中的接口連接器為USB接口連接器，接口隔離電路為光耦合隔離電路。
圖2為連接RS-232接口和USB接口的浮地設備接口隔離裝置的結構原理圖，包括RS-232接口連接器201、電源202、接口電平轉換電路203、光耦合隔離電路204、數據接收和發送控制器205、電源206和USB接口連接器207。本實施例中，與浮地設備相連的RS-232接口是一種非標準RS-232接口，其接口引腳的信號內容和用途與標準RS-232接口相同，但從該接口輸出的電平信號是一種電晶體-電晶體邏輯電平(TTL)信號，也是一種串行數據。採用非標準RS-232接口主要是為了節約成本。
其中，RS-232接口連接器201與浮地設備的RS-232接口相連；電源202從RS-232接口連接器201取得，用於為接口電平轉換電路203和光耦合隔離電路204分別供電；接口電平轉換電路203用於轉換信號的邏輯電平，即將電平邏輯反相，比如，可以將邏輯為「1」、電壓為2～5V的TTL電平信號轉換成邏輯為「0」、電壓為0～0.8V的TTL電平信號。本實施例中，由於RS-232接口連接器201和數據接收和發送控制器205的信號電平邏輯不一致，所以採用接口電平邏輯轉換電路203將與其連接的兩端的設備的信號電平邏輯變為一致。如果通過光耦合隔離電路204連接的兩個電路的信號電平邏輯是一致的，則接口電平轉換電路203可以省略。
光耦合隔離電路204通過光耦合傳輸數據，並對浮地設備和計算機或其它有接地金屬外殼設備的串行數據進行隔離；數據接收和發送控制器205用於對RS-232串行數據和USB接口格式的串行數據進行控制和轉化；電源206從USB接口連接器207取得，用於為數據接收和發送控制器205和光耦合隔離電路204分別供電；USB接口連接器207與具有USB接口的計算機或其它有接地金屬外殼的設備相連。這裡，上述電源也可以由外接電源提供。
如圖2所示，當浮地設備發送數據時，浮地設備通過RS-232接口連接器201將TTL電平的RS-232串行數據發送給接口電平轉換電路203，接口電平轉換電路203對收到的TTL電平的RS-232串行數據的進行轉換，並發送給光耦合隔離電路204。光耦合隔離電路204通過光耦合將TTL電平數據傳輸給數據接收和發送控制器205，數據接收和發送控制器205將收到的TTL電平的RS-232串行數據轉化為USB接口邏輯電平的串行數據，並輸出給USB接口連接器207。然後，USB接口設備通過與其相連的USB接口連接器207接收USB接口邏輯電平的串行數據。
當USB接口設備發送數據時，USB接口設備通過與USB接口相連USB接口連接器207將USB接口邏輯電平的串行數據發送給數據接收和發送控制器205，數據接收和發送控制器205將USB接口邏輯電平的串行數據轉化為TTL電平的RS-232串行數據，並發送給光耦合隔離電路204。光耦合隔離電路204通過光耦合將收到的RS-232串行數據傳輸給接口電平轉換電路203，接口電平轉換電路203將收到的數據轉換成需要的TTL電平的RS-232串行數據，並輸出給RS-232接口連接器201。然後，浮地設備通過RS-232接口連接器201接收RS-232串行數據。這樣，既實現了通訊設備之間的數據通訊，同時也實現了通訊設備之間信號和地線的隔離。
圖3為本實用新型連接RS-232接口和USB接口的浮地設備接口隔離裝置的電路原理圖。其中，一端的RS-232接口連接器U1連接浮地設備的RS-232接口。RS-232接口連接器U1的接收數據信號線RS_TD和接收控制信號線RS_RTS通過上拉電阻與RS-232接口連接器U1的接口電源DVDD相連，RS-232接口連接器U1的發送數據信號線RS_TD和發送控制信號線RS_RTS與接口電平轉換電路U2和U3分別相連，接口電平轉換電路U2和U3的輸出端與光耦合隔離電路U5的接收端相連。RS-232接口連接器U1的接收數據信號線RS_RD和接收控制信號線RS_CTS通過上拉電阻與RS-232接口連接器U1的接口電源DVDD相連，RS-232接口連接器U1的接收數據信號線RS_RD和接收控制信號線RS_CTS與接口電平轉換電路U21和U31分別相連，接口電平轉換電路U21和U31的接收端與光耦合隔離電路U4的發送端相連。從RS-232接口連接器U1輸出接口電源DVDD經過上拉電阻給光耦合隔離電路U4、U5供電。D為浮地設備側信號的公共參考點，G為計算機或其它有接地金屬外殼設備的信號的公共參考點，G為公共地。
光耦合隔離電路U5的輸出端與數據接收和發送控制器U6的接收端CTS_N和SIN/IR_SIN相連。光耦合隔離電路U4的接收端與數據接收和發送控制器U6的發射端RTS_N和SOUT/IR_SOUT相連。數據接收和發送控制器U6的信號線DM和DP通過上拉電阻與USB接口連接器U7的信號線DM和DP相連，其中，DM和DP分別為USB接口連接器U7的數據信號的負極和正極。從USB接口連接器U7取出+5V電壓，為數據接收和發送控制器U6供電。USB接口連接器U7與帶有USB接口的計算機或其它有接地金屬外殼設備相連。
在本實施例中，RS-232接口連接器U1為普通的DB9串口連接器，接口電平轉換電路U2、U3、U21、U31為型號為PMBT4401的NPN三極體，光耦合隔離電路U4、U5為型號為HCPL-0531的光耦隔離器，數據接收和發送控制器U6為型號為TUSD3410的數據接收和發送控制器，USB接口連接器U7為普通的USB-A接口連接器。
如圖3所示，當浮地設備發送數據時，浮地設備通過RS-232接口連接器U1的發送數據信號線RS_TD和發送控制信號線RS_RTS將RS-232串行數據分別發送給接口電平轉換電路U2、U3，接口電平邏輯轉換電路U2、U3將RS-232接口連接器U1輸出的TTL電平的RS-232串行數據變成需要的邏輯電平數據，並轉發給光耦合隔離電路U5。光耦合隔離電路U5通過光耦合將收到的信號轉發給數據接收和發送控制器U6的接收端CTS_N和SIN/IR_SIN，數據接收和發送控制器U6將收到的RS-232串行數據轉換為USB接口邏輯電平的串行數據，相應的，通過信號線DM和DP將電平轉換後的數據信號發送給USB接口連接器U7。通過USB接口連接器U7，USB接口設備接收數據。
當USB接口設備發送數據時，USB接口設備通過USB接口連接器U7的信號線DM和DP將USB接口邏輯電平串行數據發送給數據接收和發送控制器U6，數據接收和發送控制器U6將收到的USB接口邏輯電平的串行數據轉換為需要的邏輯電平的RS-232串行數據，相應的，通過輸出端RTS_N和SOUT/IR_SOUT將轉換後的電平信號發送到光耦合隔離電路U4。光耦合隔離電路U4通過光耦合將收到的信號轉發給口電平轉換電路U31和U21的接收端，接口電平邏輯轉換電路U31和U21將收到的邏輯電平數據變成需要的邏輯電平的RS-232串行數據，並轉發到RS-232接口連接器U1的接收數據信號線RS_RD和接收控制信號線RS_CTS。浮地設備通過RS-232接口連接器U1接收數據。
下面再以TTL接口和RS-232接口隔離為例說明本實用新型的實現方案。本實施例中，浮地設備接口電路僅包含接口連接器，浮地設備接口電路中的接口連接器為TTL接口連接器，終端設備接口電路中的接口連接器為RS-232接口連接器，接口隔離電路為光耦合隔離電路，終端設備接口電路中的數據接收和發送控制器為RS-232數據接收和發送控制器。
圖4為連接TTL接口和RS-232接口的浮地設備接口隔離裝置的結構原理圖，包括TTL接口連接器401、電源402、光耦合隔離電路404、RS-232數據接收和發送控制器405、電源406和RS-232接口連接器407。本實施例中，RS-232接口為標準的RS-232接口，從該接口輸出的信號是RS-232差分電平格式的串行信號。
其中，TTL接口連接器401與浮地設備的TTL接口相連；電源402從RS-232接口連接器401取得，用於為光耦合隔離電路404供電；光耦合隔離電路404用於通過光耦合傳輸數據，並對浮地設備和計算機或其它有接地金屬外殼設備的串行數據進行隔離；RS-232數據接收和發送控制器405是一種TTL電平與RS-232電平的轉換電路，用於對RS-232差分電平格式的串行數據和TTL電平數據進行控制和轉化；電源406從RS-232接口連接器407取得，用於為RS-232數據接收和發送控制器405和光耦合隔離電路404分別供電；RS-232接口連接器407與具有RS-232接口的計算機或其它有接地金屬外殼設備相連。這裡，上述電源也可以由外接電源提供。
如圖4所示，當浮地設備發送數據時，浮地設備通過TTL接口連接器401將TTL接口電平數據發送給光耦合隔離電路404。光耦合隔離電路404通過光耦合將TTL電平數據傳輸給RS-232數據接收和發送控制器405，RS-232數據接收和發送控制器405將TTL電平數據轉化為RS-232差分電平格式的串行數據，並輸出給RS-232接口連接器407。其中，為RS-232數據接收和發送控制器405供電的電源406從RS-232接口連接器407取得。然後，RS-232接口連接器407將RS-232格式的串行數據發送給與其相連的具有RS-232接口的計算機或其它有接地金屬外殼設備。
當具有RS-232接口的計算機或其它有接地金屬外殼的設備發送數據時，RS-232接口設備通過RS-232接口連接器407將RS-232差分電平格式的串行數據發送給RS-232數據接收和發送控制器405，RS-232數據接收和發送控制器405將RS-232差分電平格式的串行數據轉化為TTL電平數據，並發送給光耦合隔離電路404。光耦合隔離電路404通過光耦合將TTL電平數據傳輸給TTL接口連接器401。浮地設備通過TTL接口連接器401接收數據。這樣，就實現了通訊設備之間的數據通訊，同時也實現了通訊設備之間信號和地線的隔離。
圖5為本實用新型連接TTL接口和RS-232接口的浮地設備接口隔離裝置的電路原理圖。其中，一端的TTL電平接口連接器U8連接浮地設備，TTL電平接口連接器U8的發送數據信號線TTL_TD和發送控制信號線TTL_RTS與光耦合隔離電路U9相連。TTL電平接口連接器U8的接收數據信號線TTL_RD和接收控制信號線TTL_CTS經過上拉電阻與TTL電平接口連接器U8接口電源DVDD相連，TTL電平接口連接器U8的接收數據信號線TTL_RD和接收控制信號線TTL_CTS與光耦合隔離電路U10相連。從TTL電平接口連接器U8輸出接口電源DVDD給光耦合隔離電路U9、U10供電。
光耦合隔離電路U9的輸出端與RS-232數據接收和發送控制器U11的接收端T1IN和T2IN相連，光耦合隔離電路U10的接收端與RS-232數據接收和發送控制器U11的輸出端R1OUT和R2OUT相連。電源U12從RS-232接口連接器U13的控制信號RS_RTS和控制信號RS_DTR取得電源，控制信號RS_RTS和控制信號RS_DTR經過整流二極體後連接到電源U12的輸入端IN，電源U12將輸入端IN的電壓變換為+5V電壓VDD，經過輸出端OUT給RS-232數據接收和發送控制器U11供電。由於控制信號RS_RTS和RS_DTR是RS-232差分電平輸出，所以這兩個信號能夠為RS-232數據接收和發送控制器U11提供一定的電源功率。
RS-232數據接收和發送控制器U11通過RS-232接口連接器U13與計算機或其他有接地金屬外殼設備相連。RS-232數據接收和發送控制器U11的接收端R1IN和R2IN與RS-232接口連接器U13的發送數據信號線TTL_TD和發送控制信號線TTL_RTS分別相連，RS-232數據接收和發送控制器U11的輸出端T1OUT和T2OUT與RS-232接口連接器U13的接收數據信號線RS_RD和接收控制信號線RS_CTS分別相連，RS-232接口連接器U13與具有RS-232接口的計算機或其它有接地金屬外殼設備相連。
在本實施例中，TTL接口連接器U8為普通的DB9串口連接器，光耦合隔離電路U9、U10為型號為HCPL-0531的光耦隔離器，RS-232數據接收和發送控制器U11為型號為MAX3232E的RS-232接口收送器，電源U12為型號為LP2985的DC-DC電壓調整器，RS-232接口連接器U13為普通的DB9串口連接器。
如圖5所示，當浮地設備發送數據時，浮地設備通過TTL電平接口連接器U8發送TTL電平數據，TTL電平接口連接器U8通過發送數據信號線TTL_TD和發送控制信號線TTL_RTS將收到的數據發送到光耦合隔離電路U9的接收端。光耦合隔離電路U9通過光耦合將收到的數據和控制信號轉發到RS-232數據接收和發送控制器U11的接收端T1IN和T2IN，RS-232數據接收和發送控制器U11將接收到的TTL電平數據轉換為RS-232差分電平數據，相應地，通過發送端T1OUT和T2OUT將RS-232差分電平數據發送到RS-232接口連接器U13的接收數據信號線RS_RD和接收控制信號線RS_CTS。計算機或其它有接地金屬外殼的設備，通過RS-232接口連接器U13接收數據。
當計算機或其它有接地金屬外殼設備發送數據時，計算機或其它設備通過RS-232接口連接器U13的發送數據信號線TTL_TD和發送控制信號線TTL_RTS將數據信號和控制信號發送給RS-232數據接收和發送控制器U11的接收端R1IN和R2IN，RS-232數據接收和發送控制器U11將收到的RS-232差分電平格式的串行數據轉換為TTL接口電平數據，相應地，通過輸出端R1OUT和R2OUT將TTL接口電平數據發送給光耦合隔離電路U10的接收端。光耦合隔離電路U10通過光耦合將收到的TTL電平數據傳輸到TTL電平接口連接器U8的接收數據信號線TTL_RD和接收控制信號線TTL_CTS。通過TTL電平接口連接器U8，浮地設備接收計算機或其它有接地金屬外殼設備發送來的數據。
本實用新型可以位於浮地設備內部的接口側，還可以位於連接浮地設備和計算機或其它設備的串行數據通訊電纜上。
由此可見，如上所述的浮地設備接口隔離裝置，可以在浮地設備和計算機或其它有接地金屬外殼設備之間傳輸數據，同時也可以實現浮地設備和另一端的計算機或其它有接地金屬外殼設備的串行數據的隔離。也就是說，當一端的浮地設備因雷電和強電導致電位上升時，另一端的通訊設備因為與之隔離而不會有電位變化，因此可以避免造成人身傷害。同時，通過選擇不同隔離電壓的光耦隔離器件，還可以達到不同等級的安規要求。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.一種浮地設備接口隔離裝置，包括浮地設備接口電路、為浮地設備接口電路供電的浮地設備側電源、終端設備接口電路及為終端設備接口電路供電的終端設備側電源，其特徵在於，該裝置還包括接口隔離電路，其連接在浮地設備接口電路和終端設備接口電路之間；所述接口隔離電路同時與為其供電的浮地設備側電源和為其供電終端設備側電源相連。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述浮地設備接口電路包括接口連接器和接口電平轉換電路；所述接口連接器與浮地設備的數據通訊接口相連；所述浮地設備側電源與對數據進行邏輯電平轉換的接口電平轉換電路相連；所述接口電平轉換電路連接在接口隔離電路和接口連接器之間。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，所述浮地設備側電源為從接口連接器取出的電源，或為單獨的外接電源。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述浮地設備接口電路為與浮地設備的數據通訊接口和接口隔離電路分別相連的接口連接器。
5.根據權利要求1或2或4所述的裝置，其特徵在於，所述接口連接器為RS-232接口連接器，或TTL接口連接器。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述終端設備接口電路包括數據接收和發送控制器和終端接口連接器；所述終端設備側電源與對數據進行電平轉換的數據接收和發送控制器相連；所述終端接口連接器與有接地金屬外殼的設備的數據通訊接口相連；所述數據接收和發送控制器連接在接口隔離電路和終端接口連接器之間。
7.根據權利要求1或6所述的裝置，其特徵在於，所述終端設備側電源為從接口連接器取出的電源，或為單獨的外接電源。
8.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，所述接口連接器為RS-232接口連接器，或USB接口連接器。
9.根據權利要求1、2、4、6或8所述的裝置，其特徵在於，所述接口隔離電路為光耦合隔離電路。
專利摘要本實用新型公開了一種浮地設備接口隔離裝置，該裝置包括浮地設備接口電路、為浮地設備接口電路供電的浮地設備側電源、終端設備接口電路、為終端設備接口電路供電的終端設備側電源和連接在浮地設備接口電路和終端設備接口電路之間的接口隔離電路。該實用新型可以很好地實現浮地設備與通訊設備之間的信號和地線隔離，當一端的浮地設備因雷電和強電導致電位上升時，另一端的通訊設備因為與之隔離而不會有電位變化，可以避免造成人身傷害。同時，通過選擇不同隔離電壓的光耦隔離器件，還可以達到不同等級的安規要求。
文檔編號H04L29/00GK2706976SQ20042005982
公開日2005年6月29日 申請日期2004年5月21日 優先權日2004年5月21日
發明者曾德新, 牛彥凱, 何海平 申請人:華為技術有限公司