一种工业互联网多协议通信隔离装置

技术领域

本发明涉及工业控制通信接口领域，具体来说是涉及一种工业互联网多协议通信隔离装置。

背景技术

在工业控制通讯领域，工业控制通讯需要将下行设备的数据采集发送至后台，后台将数据进行处理之后进行反馈到下行设备，中间需要数据通讯，数据通讯具有多种数据接口，常见的数据接口有RS485、232、422等等。实际应用场景中，针对不同的应用，下行设备的接口多有不同，有可能需要485有可能需要232,如果需要去匹配所有的接口，整体系统会非常繁杂并且接口会非常多，用不到的接口会不可避免出现接口资源浪费情况，使用时因为地线回路电压、浪涌、感应雷击、静电和热插拔等恶劣使用环境会对通讯设备造成意外损坏，尤其在工程应用中通讯应用出现故障会严重影响工程的进程和质量。

发明内容

发明目的：本发明目的是解决现有技术存在的接口资源浪费问题和恶劣使用环境下的易损问题。使其同时具备三种协议的电路转换功能，既有RS232转串口功能，又有RS485转串口功能和RS422转串口功能，满足接口需求的同时也可以减少接口的使用数量，同时隔离部分的处理可以有效的对电路进行保护。

技术方案：一种工业互联网多协议通信隔离装置，其特征在于，包括控制单元、隔离电源单元、隔离单元、多协议收发单元和连接器；

控制单元，提供UART接口信号、模式选择信号MODE和供电电源VDDA，模式选择通过控制单元的GPIO口进行控制；隔离电源单元，从控制单元引入供电电源VDDA，提供隔离单元的隔离供电VDDB，同时提供隔离地GNDB；隔离单元，使用3个数字隔离器IC1、IC2、IC3对控制单元提供的UART接口信号进行隔离处理，并对电路进行保护；多协议收发单元，用于UART接口信号和RS232/485/422信号的转换，接收从控制单元发出的UART接口信号，转换为RS232/485/422信号或者接收外部的RS232/485/422信号转换为UART接口信号发送到控制单元，其中UART接口转换信号的类型由模式选择信号MODE进行热切换选择。

进一步的，控制单元包括工业互联网通信设备，控制单元中UART接口为标准8线制串口接口。

进一步的，所述工业互联网通信设备包括工控机、工业网关。

进一步的，控制单元提供的UART接口信号和模式选择信号MODE发送到隔离单元的数字隔离器进行隔离，所述数字隔离器为四通道隔离器，定义UART接口的8个信号UART_DCD、UART_RI、UART_TXD、UART_RTS、UART_DTR、UART_RXD、UART_MODE0、UART_MODE1、UART_DSR、UART_CTS，其中UART_DCD和UART_RI连接数字隔离器IC1的INA3脚和OUTA1脚；UART_TXD，UART_RTS，UART_DTR，UART_RXD连接数字隔离器IC2的INA1，INA2，INA3和OUTA1脚；UART_MODE0，UART_MODE1，UART_DSR，UART_CTS连接数字隔离器IC3的INA1，INA2，INA3和OUTA1脚。

进一步的，多协议收发单元使用八通道多协议收发芯片IC4，将隔离后的信号UART_DCD_I、UART_RI_I、UART_TXD_O、UART_RTS_O、UART_DTR_O、UART_RXD_I、UART_DSR_I、UART_CTS_I分别连接芯片IC4的L1、L2、L3、L4、L6、L7、L8、L9；模式选择GPIO口UART_MODE0_O和UART_MODE0_1连接IC4的MODE0和MODE1，IC4的引脚R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9连接到连接器。

进一步的，连接器使用DB9接口，连接器的1脚连接DCD/B，2脚连接RD/A，3号脚连接TD/A，4号脚连接DTR/B，5号脚连接隔离地GNDB，6号脚连接DSR，7号脚连接RTS，8号脚连接CTS，9号脚连接RI。

进一步的，隔离电源单元使用集成电源模块，并配合电容C1，C2，C3，C4使用，其中C1和C3根据隔离电源模块的输出电压大小选择合适的负载电容，数值在1uF-4.7uF之间进行选择，C2和C4选用小电容对输入和输出电源进行较高频率杂波的滤除，数值依据频率的大小在10nF到100nF的范围内进行选择。

进一步的，多协议收发芯片IC4配置为RS485时采用的是半双工模式，接收和发送信号由IC4的DIR1引脚控制，当DIR为高电平时为发送状态，当DIR1为低电平时为接收状态，外部上拉电阻到VDDB为高电平，需要根据芯片的门限电流选择对应的上拉电阻，阻值在47k以上。

进一步的，多协议收发单元使用多协议收发芯片IC4，支持RS232、RS485、RS422串行标准，多协议收发芯片中C1+和C1-之间、C2+和C2-之间连接有电容，电容是芯片内部的两个电荷泵可抬高电压帮助收发器芯片正常工作，数值根据芯片参数以及工作状态选择，为100nF±10％；V+和V-分别连接电容到地为芯片电荷泵的供电滤波，数值依据频率的大小在10nF到100nF的范围内进行选择。

本装置可实现双向通信，外部信号由连接器引入，通过多协议收发单元依据信号的种类调整收发芯片的MODE口进行信号的转换，转换后的信号通过隔离单元进行信号隔离后连接到控制单元进行通信。

有益效果：1、本发明通过隔离单元和多协议收发单元配合工作可以实现UART转RS232，UART转RS485，UART转RS422四种串口转换功能；2、本发明隔离单元选择4通道数字隔离器，相对其他方案有效减少集成芯片数量，占用空间小；3、本发明采用多协议收发芯片，通过两个GPIO口便可以实现3种不同的串口转换功能，相对于市场上单一转换功能的电路，本发明允许所有三种协议在单个连接器上互换使用而不需要额外的交换组件，电路集成度高、稳定性高。

附图说明

图1为本发明提出的一种工业互联网多协议通信隔离装置电路框图

图2为本发明提出的一种工业互联网多协议通信隔离装置信号连接方式

图3为选用的四通道数字隔离器电路图

图4为选用的多协议收发芯片电路图

具体实施方式

下面详细描述本发明的具体实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参照附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接辅件，来组成更优的连接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

本发明提出一种工业互联网多协议通信隔离方法，参照图1，包括控制单元、隔离单元、多协议收发单元、隔离电源单元和接口连接器。

控制单元，用于提供UART信号、模式选择MODE信号和供电电源。

隔离电源单元，用于隔离单元的隔离供电，从控制单元引入供电电源VDDA，提供隔离单元的隔离供电VDDB，并同时提供隔离地GNDB。

信号隔离单元，用于对控制单元提供的UART信号进行隔离处理，并对电路进行保护。

多协议收发单元，用于UART信号和RS232/485/422信号的转换，接收从控制单元的UART信号转换为RS232/485/422信号或者接收RS232/485/422信号转换为UART信号发送到控制单元，其中UART转换信号的类型由模式选择信号MODE进行选择。

参照图3，本实施方式选用4通道数字隔离器，VDDA和GNDA连接控制单元提供的电源，VDDB和GNDB连接隔离电源产生的电源。A端连接控制单元提供的信号，B端输出隔离后的信号。ENA和ENB作为使能脚通过上拉电阻上拉使用，电阻大小优选4.7K，电源滤波电容优选100nF.

参照图2和图4，cpu是控制单元的一部分，IC4是多协议收发单元，本实施方案选用多协议收发芯片，其支持RS232、RS485、RS422串行标准，可以使三种协议在没有额外交换组件的情况下通过一个连接器实现，连接器J1采用DB9。这里C1+和C1-之间、C2+和C2-之间连接有电容，大小为100nF。V+和V-分别连接电容到地，电容大小为100nF。

当需要将UART TTL信号转换为RS232、RS485、RS422信号来跟其他的设备进行通信时，UART的8个信号UART_DCD、UART_RI、UART_TXD、UART_RTS、UART_DTR、UART_RXD、UART_MODE0、UART_MODE1、UART_DSR、UART_CTS通过隔离单元之后连接IC4的L1、L2、L3、L4、L6、L7、L8、L9上。

参照图2和图4，IC4将UART信号转换为RS232、RS485、RS422信号来跟其他的设备进行通信时，需要通过两个引脚MODE0和MODE1进行配置，具体的配置参数如表1：

当MODE0＝0，MODE1＝1，为RS485模式。当MODE0＝1，MODE1＝0时，为RS232模式。当MODE0＝1，MODE1＝1时，为RS422模式；其中1和0表示高低电平。

本实施方式中，MODE0和MODE1的高低电平设置通过控制单元的GPIO口进行设置。

表1.IC4的配置参数

参考图2，芯片IC4的引脚R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9分别连接至DB9连接器的引脚上，DB9在三种不同模式的不同接口信号如表2所示：

表2.DB9连接器在不用的模式下的对应接口信号

参照表2，IC4配置为RS485时采用的是半双工模式，不可以同时接收和发送信号，接收和发送信号由IC4的DIR1引脚控制，当DIR为高电平时为发送状态，当DIR1为低电平时为接收状态，外部上拉电阻到VDDB为高电平，为限制电流，电阻大小选用47K。

以上所述，为本专利的电路部分各模块的具体实施方法。但本专利的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本专利揭露的技术范围内，根据本专利的技术方案及其新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本专利的保护范围内。