Приемопередающее устройство с гальванической развязкой

Техническое решение относится к области электроники, в частности к устройствам приема и передачи информации между встроенными процессорами, и может быть использовано для приема и передачи информации посредством интерфейсов RS-485, RS-422 с гальванической развязкой, в системах автоматического управления и системах сбора и обработки информации.
Использование технических решений на основе трансформаторов для передачи данных и/или энергии через гальваническую развязку является известным из уровня техники. Указанные технические решения применяются в промышленном оборудовании, медицинском оборудовании, робототехнике, системах освещения и других устройствах, требующих защиты чувствительных к высокому напряжению элементов.
Основным направлением в развитии приемопередающих устройств является снижение себестоимости, уменьшение габаритов, использование в конструкции стандартных комплектующих. Одним из вариантов достижения указанных улучшений является реализация гальванической развязки на основе трансформаторов, выполняющих передачу данных и энергии, исключая дополнительную гальваническую развязку источников питания.
Из патента РФ на изобретение № 2254671 известен способ передачи управляющих сигналов с гальванической развязкой и устройство для его осуществления. В описанном изобретении устройство содержит трансформатор, пять резисторов, три диода, преобразователь уровня, источник прямоугольных импульсов и транзистор.
К недостаткам технического решения можно отнести многоэлементную схему устройства, что приводить к увеличению его габаритов и себестоимости.
Известна также схема приемопередатчика с трансформаторной гальванической развязкой описанная в патенте США 7683654 В2 от 30.04.2003 «Signal isolators circuit micro-transformers».
В описанном устройстве в качестве гальванической развязки используется импульсный трансформатор, который включен между формирователем импульсов и усилителем передатчика, помещен внутри микросхемы и не имеет непосредственной связи с внешними цепями. Импульсный трансформатор делит схему приемопередатчика на две части. Одна из них имеет гальваническую связь с аппаратурой, в состав которой входит приемопередатчик, который питается от общего с аппаратурой источника питания. Другая часть не имеет гальванической связи с основной аппаратурой и требует дополнительного источника питания, гальванически развязанного от основной аппаратуры.
В качестве ближайшего аналога принято техническое решение, защищенное патентом РФ на изобретение № 2511429 от 19.17.2012 из которого известен приемопередатчик последовательного интерфейса с элементом гальванической развязки. Описанное в патенте устройство содержит 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. Элемент гальванической развязки включен между оконечным усилителем передатчика и линией связи, а вход усилителя приемника подключен к выходу оконечного усилителя передатчика. Входные сигналы, поступающие на элемент гальванической развязки, кодируются двумя разнополярными импульсами, соответствующими фронту и спаду входного сигнала.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести использование в конструкции импульсного трансформатора, что может привести к неточностям в передаче сигнала при его насыщении, также использование дополнительных элементов формирования и усиления  импульсов усложняет схему устройства и может привести увеличению себестоимости и габаритов.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является создание устройства приема/передачи данных по интерфейсам RS-485, RS-422 уменьшенных габаритов с использованием стандартных комплектующих, а также с обеспечением помехоустойчивости и надежности в работе.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемой полезной модели, заключается в уменьшении габаритов устройства, снижении себестоимости, повышении точности передачи сигналов.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что приемопередающее устройство с гальванической развязкой содержит микроконтроллер, драйверы интерфейсов цифровой передачи данных, развязывающий трансформатор и выполнено с возможностью передачи/приема данных через развязывающий трансформатор посредством аппаратного модуля UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) с программным NRZ (non return to zero) кодированием/декодированием входного сигнала.
Согласно одному из возможных вариантов реализации технического решения микроконтроллер содержит модуль сравнения Output Compare, совмещенный с таймером управления переключением входа приём/передача в драйверах интерфейсов цифровой передачи данных RS-485, RS-422.
Сущность заявляемого технического решения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг.1 – блок-схема приемопередающего устройства с гальванической развязкой (вариант 1);
фиг.2 – блок-схема приемопередающего устройства с гальванической развязкой (вариант 2).
Согласно одному из возможных вариантов реализации заявляемого технического решения устройство содержит, по меньшей мере, один микроконтроллер 1 (фиг.1,2), драйверы 2 интерфейсов цифровой передачи данных RS-485, RS-422, и по меньшей мере, один развязывающий трансформатор 3 с терминальными нагрузочными резисторами 4.
В одном из возможных вариантов реализации технического решения устройство реализовано на базе стандартного микроконтроллера, который содержит: блок данных DATA (5, 6), блок программного                                               NRZ кодирования/декодирования (7, 8), преобразователь передаваемых/принимаемых данных в последовательный вид в виде аппаратного модуля UART 9,10. Также указанный микронтроллер (МК) содержит модуль сравнения 11 Output Compare, совмещенный с таймером 12 управления входом переключения приём/передача в драйверах 2 интерфейсов цифровой передачи данных RS-485, RS-422 посредством сигнала управления Direction. Использование таймера с аппаратным переключением выводов МК посредством контроля времени прохождения сигнала через модули UART 9,10 на обмотки развязывающего трансформатора позволяет избежать перенасыщения трансформатора, повышая тем самым качество сигнала и надежность работы приемопередающего устройства.
Модуль сравнения работает совместно с таймером. Преимущественно работа модуля основана на сравнении значения регистра таймера со значением одного или двух регистров модуля сравнения (в зависимости от режима работы модуля). Состояние на выходном выводе данного модуля изменяется, когда значение таймера соответствует значению в регистре сравнения.
Модуль сравнения генерирует или одиночный импульс или последовательность импульсов на выходе, изменяя состояние вывода МК в соответствии с режимом работы:
- прерывание передачи данных UART;
- наполнение буфера передатчика UART;
- отмена прерывания;
- запуск таймера на время равное длине пакета данных + 1 бит;
- передача данных UART.
В другом из возможных вариантов реализации устройства, переключение может быть реализовано посредством сигнала RTS.
Для построения интерфейса на основе рассматриваемого приемопередатчика с элементом гальванической развязки используется дифференциальная пара 13. Так как дифференциальные сигналы более устойчивы к воздействию электромагнитных помех по сравнению с одиночными проводниками, данный способ подключения способствует повышению качества передаваемого сигнала.
Работу заявляемого технического решения согласно описанному варианту реализации можно описать следующим образом.
Сигналы с данными DATA поступающие в микроконтроллер подаются на блок программного NRZ кодирования/декодирования (7, 8) для преобразования информации в цифровой вид с последующей передачей сигнала на аппаратный модуль UART который может быть реализован как на базе МК, так и в виде отдельной микросхемы, обеспечивающей связь с другими цифровыми устройствами, в частности с драйверами 2 интерфейсов цифровой передачи данных RS-485, RS-422, связанных с обмотками трансформатора, обеспечивающего гальваническую развязку сигналов и подачу питающего напряжения Uп разной полярности на МК. В варианте реализации устройства (фиг.2) в схему устройства включен дополнительный трансформатор 14, что позволяет использовать драйвер 2 интерфейса цифровой передачи данных – RS-422.
В каждом из приведенных вариантов реализации устройства, посредством модуля сравнения 11 Output Compare, совмещенного с таймером 12, обеспечивают контроль времени прохождения сигнала (пакета данных) через модуль UART управляя переключением выводов МК исключая насыщение развязывающего трансформатора.
Реализация заявляемого технического решения способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая уменьшение габаритов устройства, упрощение схемы и способа его работы, что приводит к снижению себестоимости, а также повышению точности передачи сигналов.