专利名称：通过电隔离的通信线路传输高频二进制数据流的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过电隔离通信线路，尤其是可靠电隔离通信线路，传输、特别是双向传输高频二进制数据流的方法，以及基于该方法的用于同步传输高频数据流的方法。
在现有技术中，为了通过电隔离线路传输高频数据流，通常，数据流和电隔离的以下特性具有特别重要的意义-电隔离应当尽可能符合根据EN50178标准的可靠隔离特性；-要求相对于电压随时间的较大变化(du/dt)具有抗干扰性，例如在采用变频器时；-数据传输率应为约10...24Mbaud，也可以考虑更高的数据率。
图2示出了具有电隔离GT的数据传输的原理。
通常，也在数据流的发送器和接收器之间连接较长的导线(例如其数量级可至100m)，用于例如在两设备间的通信，因此必须进行双重电隔离，一个在发送器附近，另一个在接收器附近。图3示出了这种情况，由此，为了进行数据传输，在使用长导线的情况下必须进行双重电隔离。
通常，也可以通过一个信道进行双向传输(并非同时在两个方向上)。
传统做法是借助光电耦合器来解决上述问题。图4示出了根据现有技术的这类电隔离数据传输。
在通信线路K两侧，配置了无线电收发器T1和T2，它们分别由光电耦合器01至04控制。通过光电耦合器01对无线电收发器T1加载数据，以用于例如输入数据TDATA，而另一个光电耦合器02将接收数据RDATA传送出去。同理，这也适用于具有收发器T2和光电耦合器03、04的通信线路K的另一侧。
基于该传输结构，在PROFIBUS上实现了例如串行数据传输。
然而，这种将光电耦合器用于电隔离的传统配置具有一些缺陷。为了实现双重电隔离，还必须对光电耦合器01至04的中心部分供电(为两个无线电收发器T1和T2供电)，这会引起不期望的额外费用和消耗。
就是在采用光电耦合器的情况下，用于可靠隔离的耐压强度也是有限的，并且光电耦合器只能用于有限的数据率(目前限制在大约12Mb)。
因此，另一种公知的传输技术就利用光波导体解决这一问题。然而，在这种技术中，也存在严重的缺陷，因为为了产生光脉冲，仍须在通信线路的中心部分设置其自身的电流供应，这又会产生不期望的消耗和花费。此外，光波导体，如光电耦合器，只能用于有限的数据率。由于光波导体自身非常昂贵，因此利用光波导体来解决问题也需要很高的费用。
此外还建议了一种采用广泛用于办公通信技术的以太网标准的组件的解决方法。
图5示出了这种通过以太网的串行数据传输，其中，在传输线路两侧设置了符合以太网标准的公知物理层组件PL。实际的传输通过发送器DU1和DU2在通信线路K1和K2两侧进行。
然而，在以太网中不能通过一个信道进行双向传输，而需要两个独立的信道K1和K2，这又需要很高的花费。另一个缺陷在于，用于以太网的发送器对于随时间的强电压变化(du/dt)无法保证足够的抗干扰性，尤其是在电压超过约300v后不能可靠隔离。
本发明要解决的技术问题在于，通过电隔离线路尽可能简单和低成本地传输高频数据流。
本发明的技术问题是通过一种通过电隔离通信线路、尤其是双向电隔离通信线路来传输高频二进制数据流的方法解决的，该方法具有以下步骤-通过产生人工信号变换，在发送端对数据流进行无直流分量的编码；-将该数据流的二进制值作为定义的信号变换序列经具有至少一个电变压器的通信线路传输；-通过将所属的二进制值与到达接收端的信号变换序列相对应，重新获得原始的数据流二进制值。
由于变压器不能传输直流电压/直流电流，由此也不能传输数据流中的直流分量，而只能传输交流电压/交流电流，因此存在以下危险，即，由于较长时间区间上的数据流的相同二进制值序列，而在变压器上出现了似乎是直流分量。因此，根据本发明，通过在待传输的二进制值中设置人工跳转而对信号进行无直流分量编码，可以保证不出现直流分量。
在此尤为有利的是，-每个二进制值‘0’都与二进制信号序列‘0’和随后的‘1’相对应；
-每个二进制值‘1’都与二进制信号序列‘1’和随后的‘0’相对应。
或者，通过以下方式也可以达到相同的效果，即，-每个二进制值‘1’都与二进制信号序列‘0’和随后的‘1’相对应；-每个二进制值‘0’都与二进制信号序列‘1’和随后的‘0’相对应。
为用于其它目的，这样的编码也可以称作Manchester编码。
本发明采用串行通信线路进行传输，特别节省费用。
在此，根据本发明方法的另一种优选实施方式，尤为有利的是，以半双工操作方式进行传输，其中，在发送端对每个数据流的开始部分设置一个特征值，特别是一个用于识别信息的起始位。
在此，也可以在接收端采用各特征值，尤其是起始位，以起动对无直流分量的编码数据的重新获取。
根据本发明的另一优选实施方式，还可以通过以下方法解决本发明的技术问题，即，通过电隔离通信线路，特别是双向电隔离通信线路，同步传输具有数据信号和时钟信号的高频二进制数据流，该方法的步骤为-通过在发送端对数据信号和时钟信号进行逻辑运算来这样对数据信号编码，即，产生无直流分量的编码数据信号；-通过具有至少一个电变压器的第一通信线路传输该编码的数据信号；-通过具有至少一个电变压器的第二通信线路传输时钟信号；-通过在接收端重新对编码的数据信号和时钟信号进行逻辑运算来这样对编码的数据信号解码，即，重新获得原始的数据信号。
为了避免在通过两个通信线路上传输数据时出现不同的运行时间，采用以下方法步骤非常有利-利用与恒定二进制值进行相同的逻辑运算来对时钟信号进行编码和解码，并传输该编码后的时钟信号。
在此，进行以下逻辑运算被证明是特别简单和有效的-通过在发送端对数据信号和时钟信号进行异或逻辑运算来对数据信号进行编码；
-通过在接收端重新对编码的数据信号和时钟信号进行异或运算来对编码的数据信号进行解码。
为了避免在通过两个通信线路传输数据时出现不同的运行时间，建议在这种情况下采用以下步骤-在发送端，将时钟信号与恒定的二进制值，尤其是0值进行异或运算；-通过具有至少一个电变压器的第二通信线路传输这样编码的时钟信号；-在接收端，将编码的时钟信号与相同的恒定二进制值，尤其是0值重新进行异或运算。
以下方式是具有优点的，即，使变压器在其初级回路和次级回路之间具有很小的耦合电容，尤其是小于1pF的耦合电容。
还具有优点的是，使变压器具有很小的阻尼和/或具有最大可达720伏特的可靠电隔离。
一种特别有效的应用是，将用于电驱动、尤其是耦合变换器或反相器的、具有相对较高电压电位的功率部分与具有相对较低电压电位的调节电路相连接，以用于根据本发明方法的双向数据交换。
下面通过结合
实施方式，进一步说明本发明的优点和细节。在此，用相同的附图标记表示具有相同功能的元件。其中，示出了图1为根据本发明的以半双工操作方式进行串行数据的传输框图；图2为具有电隔离的数据传输的原理图；图3为在具有双重电隔离的长线路中进行数据传输的原理图；图4为根据现有技术利用光电耦合器进行串行数据传输的框图；图5为根据现有技术利用以太网技术进行串行数据传输的框图；图6为用于Manchester编码的线路连接方式；图7为Manchester编码的信号图；图8为用于Manchester解码的线路连接方式；图9为Manchester解码的信号图；图10为根据本发明的串行传输同步数据的框图。
根据本发明，首先对数据流进行合适的预处理，然后用变压器进行传输。这些变压器必须在初级侧和次级侧之间具有极小的耦合电容(典型的是＜1pF)，以避免强电压-时间变化的问题。此外，它们还应当具有极小的阻尼，以便能传输较高的数据率，并且适用于可靠的隔离。
为了能采用变压器，首先进行无直流分量的编码，其中，这里提供了例如Manchester编码。
为了能跨越较长的距离，可以采用价廉的导线驱动器，例如RS485驱动器。
图1示出了根据本发明的、以半双工操作方式进行的串行数据传输框图，其中考虑了上述措施。在编码器/解码器EC DC中对待传输数据DATA进行无直流分量的编码，例如Manchester编码，并作为编码数据DATA′可供使用。由此，加载了导线驱动器LT1，通过通信线路K将该数据DATA′传送到另一个导线驱动器LT2。每个导线驱动器将输入T用于待发送的数据，输出R用于待接收的数据。
在导线驱动器LT1、LT2和通信线路K之间分别连接了变压器U1、U2，至少由其中一个进行可靠的电隔离。
根据本发明，可以满足所有上述要求需要的条件-可以具有较长的线路和较高的数据率；-可以极其低廉地实现半双工操作，此外还可以通过设置双重的相同通信线路K扩展到全双工操作方式；-在数据传输率约为12Mbaud时，由于很小的变压器耦合电容而可实现较高的抗干扰性；-该变压器提供了可靠隔离；-当传输线路较短时(例如在一个设备内)，可以放弃第一变压器，从而只需要一个变压器用于可靠隔离。
根据本发明的方法的一种应用是将调节组件与功率部件相连，以实现用于电驱动的非集中式的驱动概念。为此，采用具有控制装置单元的功率部件，其“位于”负中间电路电位处，以节省采用光电耦合器时的费用。由此，需要满足上述要求的用于数据通信的传输线路，其不仅要求电隔离，而且要求提供可靠的电隔离。出于费用原因，该数据接口仅使用一个传输线路(仅半双工数据传输)。
借助变压器实施电位分开(Potentialtrennung)，该变压器用于在调节电路(PE电位)和功率部件(负中间电路电位)之间的电隔离。这样选择所设置的变压器，即，在连接电压最大为3AC720v时，满足可靠隔离的要求，并由此而适用于所有的低压变换器。
由于在这样的线路上不能传输直流分量，因此，此前要对数据这样进行编码，即，可以避免直流分量。一种可能的编码方式是Manchester编码。为此，有两个不同的选择可用于对边缘变换(Flankenwechseln)进行求值a)0＝正边缘，1＝负边缘b)1＝正边缘，0＝负边缘对于下面的例子，选择了第一种方式，因为半导体制造商优选这种集成的解决方案。
由于可以仅以半双工操作方式使用传输线路，因此，在每条消息的开始都设置了开始位S0。紧接着的可以是具有预先确定长度的数据分组，也可以用该数据分组的起始部分传输该长度。将0(＝正边缘)选择为起始位。该边缘也用于从随后的Manchester编码数据中重新获得时钟和数据。在图6至图9中示出了具有相应时序图(Timingdiagramm)的编码器和解码器EC-DC。
图6示出了用于Manchester编码的、基于多个逻辑门电路的编码器的线路连接方式。专业人员很容易理解该电路连接，因此不需要再详细说明。它采用了触发组件D1至D5以及逻辑与元件G1。
图7示出了根据图6中线路连接方式的信号的所属信号图，以上下重叠的方式绘出。这些信号是时钟信号CLK48、CLK24和CLK12是通过时钟分配(Taktteilung)获得的。信号DE用于激活编码器。SCLK表示待编码数据流TDATA的时钟。专业人员根据图6的线路连接方式可推导出各信号的逻辑运算。
借助未编码的信号TDATA和编码的信号TX可识别Manchester编码的主要效果。TDATA例如是信号序列‘1011’，其中，两个前后相接的逻辑值‘1’不会引起信号的改变，而是在这种情况下TDATA保持恒定。然而，也正是这种情况会导致不期望的直流分量。在成功进行Manchester编码后，信号TX(在前面说明过的起始位S0之后)同样也必须是信号序列‘1011’，但就其所属的信号曲线来说，不同的是，就好象在两个前后相接的逻辑值‘1’的情况下会出现边缘变换。在此，负边缘变换表示逻辑值‘1’，正边缘变换表示逻辑值‘0’。由此，可靠地避免了传输过程中所不期望的直流分量。
图8示出了相应的用于对Manchester编码信号进行解码的、基于多个逻辑门电路的线路连接方式。专业人员同样能理解该连接方式，不需要再详细说明。它采用了触发组件D6至D12以及逻辑与元件G2和G3。
图9示出了根据图8中线路连接的所属信号的信号图，也以相互重叠的方式绘出。这些时钟信号CLK48和CLK24是通过时钟分配获得的。信号XRE用于激活解码。RX是所接收的数据流的Manchester编码数据DATA′。
通过图8中示出的解码连接方式，可以从这些信号中获得内部同步信号RX SYNC。它与时钟信号CLK24一起用于重新获得原始数据流DATA。RCLK表示重新获得的解码的数据流RDATA的时钟。专业人员可根据图8的线路连接方式推导出各信号的逻辑运算。
正如借助对信号RX(Manchester编码数据)和RDATA(解码的原始数据)的比较所知道的那样，对于信号序列‘1011’，RX也为前后相接的相同二进制值序列提供已在与TX的联系中说明了的信号交换，以避免不能通过变压器处理的直流分量。然后，该解码的信号RDATA又导入数据流的原始数据，由此，信号TDATA与DATA一致。
当然，同样也可采用许多其它编码方法，只要能进行无直流分量的信号传输。
图1和图6至图9所示实施方式中的线路是不可以交换的。否则会不可接受地增加重新获得信号的费用，以及由此而出现的其它费用。
另一种实施方式可以传输同步数据，其中，根据本发明，通过对时钟信号CLK和数据DATA进行异或逻辑运算，从而对信号进行合适的编码，以避免出现直流分量。
在该应用中，在发送器和接收器之间一般不会出现很大的距离，从而在多数情况下可以放弃采用双重电隔离。该输出端情况也依据图10示出的为此，必须传输两个数据流，即，数据信号DATA和同步传输所需的时钟信号CLK，然而并不是双向传输的。正如图10所示出的那样，设置了两个通信线路，分别通过变压器U1和U2用可靠电隔离GT进行保护。每个通信线路在两端都各具有一个导线驱动器LT1a、LT1b和LT2a、LT2b(例如RS485导线驱动器)。
起初，DATA信号并不是无直流分量的。然而，为了能用变压器传输该信号，根据本发明，首先将其与时钟信号CLK进行异或、或EXOR逻辑运算，结果产生了编码的数据信号DATA′。为避免不同的运行时间，可以将时钟信号CLK与恒定的二进制值M，例如‘0’进行异或逻辑运算，从中产生时钟信号CLK′。
因此，通过对数据信号和时钟信号的逻辑运算，可以保证通过变压器U1传输无直流分量的编码数据信号DATA′。时钟信号本身始终无直流分量。
此后，分别通过具有变压器U1和U2的通信线路传输两个信号DATA′和CLK′，并通过再次对编码信号DATA′和CLK′进行异或逻辑运算来重新获得原始的数据流DATA。为了从CLK′中重新获得原始时钟信号，将该时钟信号重新与恒定的二进制值M进行异或逻辑运算。
当然，也可以采用其它对数据信号DATA和时钟信号CLK进行逻辑运算的方法，以实现无直流分量的数据信号传输。对本发明来说，上述异或逻辑运算以其特别简单而有效的实现方式而与众不同。
为了实现根据本发明的、符合PROFIBUS标准的通信，适于采用与图4所示原理相应的结构，然而，其中用根据图1所示的、前面接有Manchester编码器EC DC的变压器来代替光电耦合器01至04。由此，数据率的上限就不再限制在到目前为止都适用于PROFIBUS的12Mbaud。
权利要求
1.一种传输高频二进制数据流(DATA)的方法，通过具有电隔离(GT)的、尤其是双向的通信线路(K)进行传输，该方法具有以下步骤-在发送端通过人工产生信号变换，对数据流(TDATA)进行无直流分量的编码(EC DC，D1...D5，G1)；-通过具有至少一个电变压器(U，U1，U2)的通信线路(K)将该数据流的二进制值作为定义的信号变换序列(DATA′，TX，RX)来传输；-通过将所属二进制值与到达接收端的信号变换序列(TX，RX)相对应，重新获得(EC DC，D6...D12，G2，G3)原始的数据流二进制值(RDATA)。
2.根据权利要求1所述的用于传输高频二进制数据流(DATA)的方法，其中，-每个二进制值‘0’都与二进制信号序列‘0’和随后的‘1’相对应；-每个二进制值‘1’都与二进制信号序列‘1’和随后的‘0’相对应。
3.根据权利要求1所述的用于传输高频二进制数据流(DATA)的方法，其中，-每个二进制值‘1’都与二进制信号序列‘0’和随后的‘1’相对应；-每个二进制值‘0’都与二进制信号序列‘1’和随后的‘0’相对应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于传输高频二进制数据流(DATA)的方法，其中，将串行通信线路(K)用于所述传输。
5.根据权利要求4所述的用于双向传输高频二进制数据流(DATA)的方法，其中，传输是以半双工操作方式进行的，其中，在发送端对每个数据流的开始部分设置一个特征值，特别是一个起始位(S0)来识别信息。
6.根据权利要求5所述的用于双向传输高频二进制数据流(DATA)的方法，其中，在接收端采用各特征值，尤其是起始位(S0)，以起动对无直流分量的编码数据(TDATA)的重新获取(RDATA)。
7.一种同步传输具有数据信号(DATA)和时钟信号(CLK)的高频二进制数据流的方法，通过具有尤其是根据权利要求1的电隔离(GT)、且尤其是双向的通信线路进行传输，该方法具有以下步骤-通过在发送端对数据信号(DATA)和时钟信号(CLK)进行逻辑运算来这样对数据信号编码，即，产生无直流分量的编码数据信号(DATA′)；-通过具有至少一个电变压器(U1)的第一通信线路传输该编码的数据信号；-通过具有至少一个电变压器(U2)的第二通信线路传输该时钟信号(CLK)；-通过在接收端重新对编码的数据信号(DATA′)和时钟信号(CLK)进行逻辑运算来这样对编码的数据信号(DATA′)解码，即，重新获得原始的数据信号(DATA)。
8.根据权利要求7所述的用于同步传输高频二进制数据流的方法，还具有以下步骤-利用与恒定二进制值(M)进行相同的逻辑运算来对时钟信号(CLK)进行编码和解码，并传输该编码的时钟信号(CLK’)。
9.根据权利要求7或8所述的用于同步传输高频二进制数据流的方法，还具有以下步骤-通过在发送端对数据信号(DATA)和时钟信号(CLK)进行异或逻辑运算(EXOR)来对所述数据信号进行编码；-通过在接收端重新对编码的数据信号(DATA′)和时钟信号(CLK)进行异或运算(EXOR)来对编码的数据信号(DATA′)进行解码。
10.根据权利要求9所述的用于同步传输高频二进制数据流的方法，还具有以下步骤-在发送端，将时钟信号(CLK)与恒定的二进制值(M)、尤其是0值进行异或运算；-通过具有至少一个电变压器(U2)的第二通信线路传输这样编码的时钟信号(CLK′)；-在接收端，将编码的时钟信号(CLK′)与相同的恒定二进制值、尤其是0值重新进行异或运算(EXOR)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的用于传输高频二进制数据流的方法，其中，所述变压器(U，U1，U2)在其初级回路和次级回路之间具有很小的耦合电容，尤其是小于1pF的耦合电容。
12.根据上述权利要求中任一项所述的用于传输高频二进制数据流的方法，其中，所述变压器(U，U1，U2)具有很小的阻尼。
13.根据上述权利要求中任一项所述的用于传输高频二进制数据流的方法，其中，所述变压器(U，U1，U2)具有最大可达720伏特的可靠电隔离。
14.一种用于电驱动、尤其是耦合变换器或反相变换器的、具有较高电压电位的功率部分与具有较低电压电位的调节电路之间的连接，用于实现根据上述权利要求中任一项所述的本发明方法的双向数据交换。
全文摘要
本发明涉及一种用于准备数据流并通过发送器传输该数据流的方法。为能够使用发送器，首先应将该数据流进行非零频率编码，例如进行Manchester编码。为实现同步传输(FIG)，不能以双向方式传输两个数据流。数据信号最初不是无平均值的，但为了能用发送器进行传输，首先将该信号与时钟信号例如进行异或(EXOR)逻辑运算。然后，传输这两个信号(时钟信号与0进行异或运算，以避免不同的运行时间)，并通过对它们重新进行异或逻辑运算获得原始数据流。
文档编号H04L27/00GK1502196SQ01816643
公开日2004年6月2日 申请日期2001年9月17日 优先权日2000年9月29日
发明者苏珊尼·盖克希, 库尔特·戈普弗里科, 戈普弗里科, 苏珊尼 盖克希 申请人:西门子公司