专利名称：具有隔离电路的中继装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种对通信网络上的数据进行中继用的中继装置，更具体地说，涉及一种具有对通信网络链路进行电气隔离用的隔离电路、保护该链路免受过压用的保护电路和完成自检操作和对该中继装置被连接到其上面的链路进行测试用的控制器的中继装置。
在诸如电源多点(Powers multi-drop)(PMD)干线或局域网(LAN)(它们是RS 485通信网络)的通信网络链路进、出建筑物或建筑物的一部分的地方，都希望对引入建筑物的一段链路进行电气隔离。这是为了保护与该通信链路连接的设备免受可能沿着链路发生的并会使该设备损坏的瞬间过压。另外，电气隔离还提供信号电平保护，以免在通信网络产生的不希望发生的信号畸变或噪声传播到进入建筑物的链路。
已知采用具有用来提供电气隔离的光隔离器和用来提供数据方向控制的数据驱动控制电路的中继装置。但是，在较大的干线系统中，传统的中继器一般都产生畸变，后者在与来自网络的畸变耦合时会引起通信差错。另外，在控制电路采用具有竞争力价格的组件的传统中继器一般都只能在约1200至57600位/秒(bps)的速率下操作。而且具有竞争力价格的控制电路在从数据发送方式向接收方式切换时的周转时间长。在较高的速率下，这些中继器还不能在不发生显著的差错的情况下工作。能工作在较高速率下而且周转时间短的中继器确实存在，但是它们在价格上不利。
其他具有过压保护电路的传统隔离器不满足新的Underwriter实验室(UL)有关进入建筑物的通信布线保护要求。某些传统中继器的另一个缺点是它们不适合于对他们本身或与它们连接的通信线路进行查找故障的测量、以保证数据无差错地通过通信线路传送。
因此，本发明的一个目的是提供一种用于在不产生不可接受的畸变量的情况下对通信网络链路进行隔离的经过改进的中继装置。
另一个目的是提供一种经过改进的中继装置，它利用价格较不昂贵的组件，能够在至少115.2千位/秒(Kbps)的高速率下传输数据，而且向数据接收方式切换时周转时间短。
再一个目的是提供一种经过改进的中继装置，它满足UL过压保护要求，以保护进入建筑物的通信链路。
还有一个目的是提供一种经过改进的中继装置，它具有自检能力，以确定它能正常操作。
还有一个目的是提供一种经过改进的中继装置，它能测试它被连接到其上面的通信线路。
再有一个目的是提供一种经过改进的中继装置，它能把上述所有希望的目的包括在单一的装置中。
参照附图阅读本发明的以下详细描述，这些和其他目的将会变得更加明白。附图中
图1是一般地描绘本发明一个实施例的方框图；图2是描绘本发明一部分的一个实施例、并具体地举例说明第一干线的电路的电路图；图3是描绘本发明一部分的一个实施例、并具体地举例说明光隔离电路的电路图；图4是描绘本发明一部分的一个实施例、并具体地举例说明第二干线电路的电路图；图5是描绘本发明一部分的一个实施例、并具体地举例说明控制电路的电路图；图6是描绘本发明一部分的一个实施例、并具体地举例说明切换装置、复位电路和指示器的电路图；图7是举例说明本发明一个实施例的功能和图6切换装置开关的对应位置的表格；图8是描绘本发明一部分的一个实施例、并具体地举例说明主电源装置和隔离电源装置的电路图；而图9是一个方框图，一般地描绘按照本发明的用于进行乒乓(PING-PONG)测试的装置。
本发明涉及包括用于对进入建筑物的通信网络链路进行电气隔离并保护使之免受可能使与建筑物内的通信网络所连接的设备损坏的过压的电路的中继装置。本发明还能以包括115.2 Kbps和230.4Kbps的高速率传输数据。另外，本发明还进行自检并对它被连接到其上面的通信线路进行测试。本发明还确定信息传输完毕并从不提供此信息的微处理器产生人为信号以指示信息传输完毕。本发明明显的优点是用于实现这些特征的组件都安置在一个单一的装置内。
一般地说，本发明的中继装置包括第一干线电路，用来接收和发送进、出通信链路第一段的数据；和第二干线电路，用来接收和发送进、出通信链路第二段的数据。隔离电路连接到第一干线电路，以便使第一段与第二段实现电气隔离。为了保护通信网络免受过压，保护电路就工作而言连接到第一和第二干线电路。控制器从第一干线电路向第二干线电路传输数据，并从第二干线电路向第一干线电路传输数据。
在本发明的另一个实施例中，控制器包括第一和第二收发报机电路，诸如通用异步收发报机(UART)，后者从第一干线电路接收第一数据。该控制器在第一数据中检测诸如帧错误和超限错误等通信错误，若检测到通信无错误，则将第一数据发送到第二干线电路，若检测到通信错误，则放弃第一数据。该控制器还从第二干线电路接收第二数据，并在第二数据中检测通信错误，若检测到通信无错误，则将第二数据发送到第一干线电路，若检测到通信错误，则放弃第二数据。然后控制器输出操作状态信号。该控制器还产生传输结束信号，以指示第一数据和第二数据已分别由第一和第二收发报机电路发送的数据结束。在本实施例中还包括用来从多种速率中选择发送第一和第二数据的控制器的发送速率的切换装置。
在本发明另一个实施例中，切换装置使中继装置在正常方式和测试方式之间切换、指定中继装置作为主设备或远程设备，并从多种速率中选择中继装置的工作速率。在这个实施例中，控制器包括第一和第二收发报机电路。当切换装置把中继装置设置成正常方式时，控制器把数据从第一干线电路传输到第二干线电路，并从第二干线电路传输到第一干线电路。但是，当把中继装置设置在测试方式时，控制器确定切换装置的工作状态。在这种方式下，控制器还产生测试数据并将其从第一和第二收发报机电路选定的一个发送到第一和第二收发报机电路中的另一个，并把测试数据从第一和第二收发报机电路中的另一个再发送到第一和第二收发报机电路中选定的一个。
另外，当中继装置被指定为主设备时，控制器还产生测试包并将其从第一和第二收发报机电路中特定的一个发送到被指定为远程设备的中继装置。该测试包由被指定为远程设备的中继装置的第一和第二收发报机电路中的特定的同一个接收。根据接收到的测试包，主设备控制器输出状态信息。
现转向附图，特别是图1，这里示出按照本发明的中继装置20的一个实施例的方框图。这个系统的基本配置包括第一干线电路21，它与第一干线保护电路22连接，后者与诸如PMD网络或局域网(LAN)等通信网络(未示出)上的通信链路26的第一段电气连接。第一干线电路21包括第一干线驱动器/接收器电路28，它就工作而言连接到第一干线保护电路22。第二干线电路29，与第一干线电路21相似，连接到第二干线保护电路30，而后者连接到通信链路26的第二段32。第二干线驱动器/接收器电路34就工作而言连接到第二干线保护电路30。
第一干线驱动器/接收器电路28就工作而言连接到光隔离电路36，而后者又就工作而言连接到控制器38。不象第一干线驱动器/接收器电路28，第二干线驱动器/接收器电路34直接连接到控制器38。应该指出，作为另一方案，第二干线驱动器/接收器电路38可以连接到隔离电路36，而第一干线驱动器/接收器电路可以直接连接到控制器38，使得第二干线驱动器/接收器电路34被隔离。
电气连接到控制器38的故障指示器(FAULT)40和基本净化(sanity)测试(BST)指示器42接收来自控制器38的信号。也包括在中继装置20中并连接到控制器38的有复位电路44和切换装置45。主电源装置46和隔离电源装置48向本中继装置供电。隔离电源装置48向第一干线电路21供电，并部分地向光隔离器36供电。中继装置20的其余部分，包括第二干线电路29、控制器38、复位电路44和光隔离器36的一部分由主电源46供电。
在一般的操作中，由第一干线电路21接收的数据首先通过第一干线保护电路22，以防止在接收数据的过程中可能出现在通信链路26第一段24的任何过压状态。然后，该数据由第一干线驱动器/接收器电路28接收，后者按照控制器38的命令起接收器的作用。第一干线驱动器/接收器电路28把数据从差动RS 485电平信号转换成HCCMOS电平信号，并通过光隔离电路36将转换后的信号送到控制器38。光隔离电路36把第一干线电路21和第一段24同中继装置20的其余部分和链路26的第二段32在电气上隔离开来。
具体地说，本发明有两种工作方式。第一种是正常(NORMAL)方式，而第二种是测试(TEST)方式。这两种方式的选择由切换装置45确定。当切换装置45被设置得将中继装置20置于正常方式时，控制器检查通过第一干线电路21接收的数据是否有通信错误，诸如帧错误和超限错误。若没有检测到错误，则将该数据向外发送给第二干线电路29。第二干线驱动器/接收器电路34与第一干线驱动器/接收器电路28类似，既起接收器的作用，又起驱动器的作用。现在起驱动器的作用，并将从控制器38接收到的数据通过第二干线保护电路30送到通信链路26的第二段32。但若检测到通信错误，则将有错误的数据弃置，或从中继装置删除，而且不送到第二通信段32。BST指示器42由控制器38以固定不变的时间间隔接通或断开，以便向用户指出中继装置20在正常工作。
尽管上面在一般地描述本系统的操作时，数据是通过第一干线电路21从通信链路26接收的，但是从第二干线电路29接收数据时，本发明也起同样作用，只是与上述的顺序相反而已。换句话说，数据由第二干线电路29接收，并由控制器38发送给第一干线电路21。于是，第二干线驱动器/接收器电路34起接收器的作用，而第一干线驱动器/接收器电路28起驱动器的作用。无论如何，不管数据流的方向如何，第一干线电路21和通信链路26的第一段24仍旧与中继装置20的其余部分和第二段32是电气隔离的。
当对切换装置45进行切换、使得中继装置20置于测试(TEST)方式时，控制器38进行各种测试，包括回音(ECHO)测试，其中测试数据块或包通过一个干线电路向外送，并由另一个干线电路接收，然后从另一个干线电路往回送到数据块由之发出的初始干线。然后检查返回的数据块，看是否有通信错误，若检查到任何错误，则为每一个检测到的错误接通故障(FAULT)指示器40。
另一种测试类型，乒乓(PING-PONG)测试，是设计来测试本装置所连接的通信链路的。在这种测试中，中继装置20由切换装置45指定为主(MASTER)设备或远程(REMOTE)设备。测试数据或包从被指定为MASTER设备的中继装置20的第一或第二干线电路21，29中的一个发送，并由被指定为REMOTE设备的另一个中继装置20接收。在最佳实施例中，测试包从第一干线电路21发送。然后REMOTE设备再把测试包发送回MASTER设备。MASTER设备通过最初发送测试包的干线电路接收测试包，并检查测试包，看是否有通信错误。与上述ECHO测试类似，FAULT指示器40为检测到的每一个错误闪烁。
不论在NORMAL方式下，还是在TEST方式下，控制器38都监视这里包括的两个内部的通用异步收发报机(UART)(未示出)，以确定特定的UART向外发送的字符串的结束，并产生”传送完毕”(TC)中断。一旦接收到这种信号，若有必要，该UART就可以立即设置成接收。用这样的方法，UART从发送器变成接收器的周转时间可以做到非常短。指出以下一点是很重要的，在本装置20中用作控制器38的微处理器类型并不具有产生TC中断的内在功能。
本发明还进行切换状态测试，其中BST和FAULT指示器42，40接通或断开，以指示切换装置45中的每一个开关的位置。更具体地说，控制器38使BST指示器42的闪烁次数与切换装置45的各个开关的数字位置对应，而若该开关处于接通位置，则FAULT指示器40接通，而若该开关处于关断位置，则FAULT指示器40关断。对切换装置45的每一个开关都进行这种测试。
前面提供了本发明系统操作的一般描述，而第一和第二干线电路21，29、光隔离电路36、电源装置46，48以及包括指示器40，42和切换装置45的控制器38的电路示于图2-6和8，它们包括本系统各种组件的电路图。
开始时先转向图2，第一干线电路21和第一干线保护电路22示于电路图中。从电气连接到通信链路26第一段24的连接器50开始，输入/输出线52，54中的每一个都分别具有正温度系数(PTC)器件56，58，包括在第一干线保护电路22中。PTC器件56，58是其导电率随着温度而变化的导电聚合物固态器件。最佳的PTC器件56，58具有60V的最大工作电压和600V的切换到高阻状态的最大中断电压。PTC器件56，58的电阻范围从6.0欧姆到12.0欧姆。
在PTC器件56，58的下游，两个瞬态浪涌保护器60，62耦合到PTC器件56，58。浪涌保护器60，62是具有60到95伏的钳位电压的器件。一旦浪涌保护器达到钳位电压，浪涌保护器60，62就通过负电阻区而导通至低的导通状态电压，由此允许电流通过它引导入公共地。在最佳实施例中，导通态电压约为1.6V，而钳位反应在纳秒的范围内开始。导通一直继续到电流中断或降低到浪涌保护器60，62的最小维持电流以下为止。这样描述的PTC器件56，58和浪涌保护器60，62对可能由通信链路26第一段24发生的过压提供保护，并满足UL 1459的UL浪涌测试要求。
在浪涌保护器60，62的下游，桥式整流器64连接在节点52a，54a之间。横跨桥式整流器64的正和负端子，连接单极性transzorb 66，而单极性transzorb 68和70分别连接在正端子和地之间和负端子与地之间。设置桥式整流器64和单极性transzorb 66，68和70是为了满足UL 864对正常方式保护的UL要求。
输入/输出线52，54还连接到第一驱动器/接收器接口71(为简单起见，尽管PTC 56，58串联插入连接器50和接口71之间，但是，到第一驱动器/接收器接口71的输入/输出线还是标为52和54)。第一接口71是大功率RS 485接口芯片，诸如德克萨斯州Dallas的TexasInstruments公司制造的75 176B芯片。它接成当向通信链路26发送数据时，把HC CMOS电平信号转变成差动式RS 485电平信号，而当从通信链路26接收数据时，把RS 485电平信号转变成HC CMOS电平信号。第一接口71能够通过接到第一接口71引线2的接收启动(RE1)线72和连接到引线3的驱动启动(DE1)线74而实现半双工操作。当DE1带有高电压(VH)时，在驱动信号线(TX1)76上的数据在引线6和7上输出到输入/输出线52，54，而当RE1线72把低电压(VL)带到引线2时，来自输入/输出线52，54的数据由接收线(RX1)78接收。
一对偏置电阻80，81用来设置偏置电压，这里偏置电阻80连接在隔离电源VCC2 48和输入/输出线52之间，而偏置电阻81连接在输入/输出线54和地之间。当第一驱动器/接收器接口71处于接收状态而不是正在接收数据时，偏置电阻80，81把第一干线电路21置于传号(MARKING)状态或空闲状态，其中输入/输出线52，54上信号电平是逻辑1。不用偏置电阻80，81第一干线电路21的状态就得不到保证。换句话说，输入/输出线52，54可能不正确地解释成空号(SPACING)状态，或具有信号电平逻辑0，这表明数据正在被接收，而事实上不是正在接收数据。
两个电容82，83分别连接在输入/输出线52和地之间和输入/输出线54和地之间，以减少上升时间和通过干线电路1输出的电磁干扰(EMI)。终接开关84连接终接电阻86和与电阻86串联的两个并联但反接的二极管88，90，跨接在输入/输出线52，54上，以便在中继装置20连接到通信链路26的末端时，终接输入/输出线52，54上的信号。
现转向图3中的光隔离电路36，它包括第一、第二和第三光隔离器92，94，96，每一个都是诸如6N137型。光隔离器92，94，96为引入建筑物部分的通信链路26的第一段24提供信号电平的电气隔离。应该指出，光隔离器92，94，96可以提供超过1500V的隔离，尽管这个电平并不需要，因为，如上所述，第一干线保护电路22在电压达到60-90V时将电压钳位在地电平。但是，1500V隔离确能消除到达和出现在光隔离器92，94，96两端的瞬态电压，因为所述光隔离器是与第一干线电路串并联组合的。
现转向第一光隔离器92，它的内部输入二极管(未示出)连接到引线2和3。来自第一驱动器/接收器接口71的RX1线78连接到引线3，而负载电阻98连接在引线2和隔离电源装置(VCC1)48之间，以提供要求的电流来驱动内部输入二极管。由RX1线78接收的数据通过引线6输出到进入控制器38的第一干线数据接收线(TRK1-RX-DATA)100。输出从RX1线78所接收的数据所必需的控制信号由控制器38送到连接到引线7上的第一干线接收启动(TRK1-RX-ENA)线102。
负载电阻104连接在主电源装置(VCC1)46和输出线之间，并为光隔离器92开路集电极输出端提供电压源。与负载电阻104并联的是与指示器电阻106串联的指示器LED(发光二极管)106，用于提供接收信号线78状态的可视指示。例如，当干线电路21处于空号(SPACING)状态时，指示器LED 106接通。第一光隔离器92的电源由主电源装置(VCC1)46向引线8提供。
在操作中，第一光隔离器92跟随从RX1线78输入的数据。换句话说，当光隔离器92的内部输入二极管导通时，通过光隔离器92的引线6送到TRK1-RX-DATA线100上的信号降低(VL)，而当光隔离器92的内部输入二极管截止时，引线6上的输出上升(VH)。但应指出，只有在来自控制器38的TRK1-RX-ENA线102向光隔离器92的引线7提供高信号(VH)时，光隔离器92的输出信号才跟随从RX1线78输入的数据。
现转向第二光隔离器94，负载电阻110连接在主电源装置(VCC1)46和引线2之间，而来自控制器38的第一干线接收器/驱动器启动(TRK1-RX/TX-ENA)线112连接到引线3，以驱动第二光隔离器94的内部二极管(未示出)。第二光隔离器94的输出信号出现在引线6上，并通过驱动/接收启动中继线114同时提供给RE1线72和DE1线74(在图2看得最清楚)。负载电阻116连接在隔离电源装置(VCC2)48和驱动/接收启动中继线114之间，以便为第二光隔离器94提供电源。与第一光隔离器92不同，第二光隔离器94的电源是隔离电源装置(VCC2)48提供的。
如前所述，第二光隔离器94的输出通过驱动/接收启动中继线114和DE1线74和RE1线72控制第一接口71的驱动/接收功能。相应地，当第二光隔离器94的输出为VH时，第一接口71起驱动器的功能，并驱动从第三光隔离器96到第一干线电路21的第一接口71的引线4的数据输入，而当输入为VL时，第一接口71起接收器的功能，并将来自第一干线电路21的数据通过第一接口71的引线1发送到第一光隔离器92的引线3。对于本专业的技术人员来说，显然，DE1和RE1线72，74中的每一条都可以连接到第一接口71的操作所需的启动信号的两个分开的光隔离器。通过只具有一个光隔离器，中继装置20的制造成本可以降低。
现转向第三光隔离器96，负载电阻117连接在主电源装置(VCC1)46和引线2之间，而来自控制器38的第一干线数据驱动(TRK1-TX1-DATA)线118连接到引线3，以驱动第三光隔离器96的内部二极管(未示出)。与第二光隔离器94相似，第三光隔离器96的输出出现在引线6上，TX1线76连接到这里。负载电阻120连接在隔离电源装置(VCC2)48和TX1线76之间，以便为第三光隔离器96的输出起电压源的作用。第三光隔离器96的电源也由隔离电源装置(VCC2)48提供。第三光隔离器96的输出信号通过TX1线76输入到第一接口71的引线4，并且当第二光隔离器94向第一接口71的引线3输出VH信号时，被驱动向第一干线电路21输出。
现参照图4，这里示出第二干线电路29。第二干线电路29基本上与图2所示的第一干线电路21相同，一般的差别只在于第一干线电路21通过隔离电路36就工作而言连接到控制器38，而第二干线电路29直接就工作而言连接到控制器38。因此，只详细描述与第一干线电路21相区别的所述第二电路的特征。
一个差别是通过负载电阻122和第二驱动器/接收器接口124到达第二干线电路29的电源是由主电源装置(VCC1)46提供的，而不是象第一干线电路21那样由隔离电源装置(VCC2)48提供。第二接口124类似于第一接口71，也是一种诸如75176型芯片等的大功率RS 485接口芯片。第二接口124能够通过从控制器38进入第二接口124的引线2的第二干线接收启动(TRK2-RX-ENA)线126和也从控制器38进入引线3的第二干线驱动启动(TRK2-TX-ENA)线128而实现半双工操作。
当TRK2-TX-ENA线128向引线3提供高压(VH)时，连接到引线4的第二干线数据驱动(TRK2-TX-DATA)线130上的数据被驱动从引线7和8输出到第二干线输入/输出线132，134，而当TRK2-RX-ENA线126向引线2提供低压(VL)时，来自第二干线输入/输出线132，134的数据由连接到引线1的第二干线数据接收(TRK2-RX-DATA)线136接收。第二接口124的引线1是三态输出端，它一般是75176型的接口，因此，10K欧姆负载电阻138连接在主电源装置(VCC1)46和TRK2-RX-DATA线136之间。也连接在主电源装置46和TRK2-RX-DATA线136之间的是与电阻142串联的指示器LED 140，以提供TRK2-RX-DATA线136状态的可视指示。当第二干线电路29处于空号(SPACING)状态时，LED 140接通。
现转向如图5所示的控制器38，控制器38是一个微处理器，诸如日本日立公司制造的H8/322微处理器。但是，本专业的普通技术人员会意识到，诸如Motorola公司的HC11微处理器等其他适当的微处理器也可以使用。该控制器38是8位的、动态CMOS微处理器，它具有68条引线的PLCC芯片结构，带有7个输入/输出(I/O)端口。控制器38以不同的工作速率通信，包括115.2Kbps和230.4Kbps。该控制器38的显著的特征是它含有两个UART电路，其中的每一个都具有发送数据寄存器(TDR)和发送移位寄存器(TSR)(未示出)，用来传送进或出第一和第二干线电路21，29的数据。该控制器38的其他特征(未示出)是包括8K字节只读存储器(ROM)，256字节随机存储器(RAM)和一个16位自由运行的时钟。在本发明中，控制器38用在内部方式，所以，码执行用的存储器和RAM映射到控制器38的内部存储器，而不必使用外部存储器取指或控制信号。
控制器38通过与之连接的电阻143由主电源装置(VCC1)46供电。为该控制器38提供时钟速率的内部振荡器(未示出)由外部晶体144和两个电容146，148控制。晶体144最好应为14.7456MHz、AT-cut并联谐振器件，并且晶体144的串联电阻应在40到60欧姆之间，分流电容量最大7.0pF。控制器38不需要外部偏置电阻。晶体144连接到控制器38的引线10和11。
现考虑控制器38的I/O端口，口端1包括8位，分别对应于引线60到53，它们分别连接到切换装置45(在图6中看得最清楚)开关1-8。开关1-8也接地，因而当开关处于接通位置时，控制器38读出0，而当它们处于断开位置时，内部负载电阻(未示出)把输入拉高到主电源装置46的电压电平。
口端2包括8位，分别对应于引线50至43，其中位3或引线47不用。位0或引线50通过BST信号线150连接到基本净化(sanity)测试(BST)指示器42，而位1或引线49通过故障(FAULT)信号线152连接到故障(FAULT)指示器40(图6看得最清楚)。指示器40，42接成在控制器38输出0时接通，而当输出1时断开。位2或引线48通过控制器监视线154连接到复位电路44(图6看得最清楚)。复位电路44还通过复位(RES)线156连接到控制器38的引线9。位4或引线46连接到TRK1-RX/TX-ENA线112，后者另一端连接到光隔离器94(图3看得最清楚)，用于控制进、出第一干线电路21的数据的接收或驱动操作。位5或引线45连接到TRK1-RX-DATA线102，后者另一端连接到第一光隔离器92(图3看得最清楚)，以便使来自第一干线电路21的数据输入能够被接收到TRK1-RX-DATA线100上。TRK2-RX-ENA线126把控制器38的位6或引线44连接到第二接口124，以便使控制器38能够控制从第二干线电路29到TRK2-RX-DATA线136的数据输入(图4看得最清楚)。最后，端口2的位7或引线43通过TRK2-TX-ENA线128连接到接口124，TRK2-TX-ENA线128携带来自控制器38的信号，用于控制从控制器38到第二干线电路29的数据输出(图4看得最清楚)。
口端3和4包括引线61到68和19到26，在本发明中不使用。端口5包括位0到5，分别对应于引线27到32。位0或引线27通过TRK1-TX-DATA线118连接到第三光隔离器96，以便把控制器38输出的数据发送到第一干线电路21上(图3看得最清楚)。位1或引线28通过TRK1-RX-DATA线100连接到第一光隔离器92，以便接收从第一干线电路21输入的数据(图3看得最清楚)。位2或引线29在本发明中不使用。TRK2-TX-DATA线130把位3或引线30连接到第二接口124，后者把控制器输出的数据发送到第二干线电路29(图4看得最清楚)。位4或引线31连接到TRK2-RX-DATA线136，后者的的另一端连接到第二接口124，并接受来自第二电路29的输入数据(图4看得最清楚)。位5或引线32在本发明中不使用。
包括引线1-8，33，34至41的端口6和7在本最佳实施例中不使用。引线35亦不使用。控制器38上总共68条引线中剩余的引线10至17和42保留，用来通过电阻143和外部晶体144，由制造者指定，与主电源装置46连接。
现参照图6，其中示出指示器FAULT和BST 40，42、切换装置45、复位电路44和控制器38(一侧未示出)的电路图。FAULT指示器40是LED，它一端通过FAULT信号线152连接到控制器38的端口2位1或引线49，而另一端连接到主电源装置46。BST指示器42也是LED，后者一端通过BST信号线150连接到控制器38的端口2位0或引线50，而另一端连接到主电源装置46。每一个指示器40，42由它们所连接的引线上的低电压(VL)信号激活或接通。
现转向图6和切换装置45，它包括开关1-8，它们分别一端连接到控制器38的端口1位0至7或引线60到53，而另一端接地。在本最佳实施例中，这些开关被包含在双列直插式(DIP)封装的开关中，但本专业的普通技术人员都会意识到，DIP开关以外的其他器件都可以用作切换装置45，诸如固定引线可移动搭接器或接线搭接器等。给端口1的每一位设置了内部负载电阻(未示出)，这样，当开关接通时，端口1的各位被置于电压低(VL)状态。开关1用来选择控制器38的工作方式，亦即NORMAL(正常)或TEST(测试)方式。通电时，控制器38检查开关1的位置，而若开关处于断开状态，则控制器38进入NORMAL方式，但若它处于接通状态，则控制器38进入TEST方式。开关2-4结合在一起，确定控制器38的工作速率。控制器38可以工作的速率和开关2-4的对应位置列于图7的表中。例如，当开关2和3处于断开状态而开关4处于接通状态时，控制器38的工作速率为115.2Kbps，而当所有的开关2-4都处于断开状态时，为230.4Kbps。
当切换装置45的开关1被设置成处于TEST方式时，开关5和6确定控制器38准备运行的测试类型。本发明可以完成三种不同的测试，包括开关测试、回波(ECHO)测试和乒乓(PING-PONG)测试。图7示出一个表，其中列出这些测试和开关5和6的对应位置。例如，当开关5和6处于接通的位置时，中继装置进行开关测试。
开关1，5-7用来指定在进行PING-PONG测试时该中继装置作为主(MASTER)设备还是远程(REMOTE)设备。当这些开关分别处于通、断、通和通的位置时，中继装置被指定为MASTER设备，而当这些开关1，5-7分别设置为通、断、通和断的位置时，中继装置被指定为REMOTE设备。开关8在本发明中不使用。
现转向复位电路44，它是监控集成电路，在本最佳实施例中为Maxium 706，用来提供控制器38通电时的复位定时、电压监控和”监视器”定时功能。复位电路44通过控制器监视线154连接到控制器38的端口2位2或引线48，接收在引线6输入的监视信号。电阻158连接在控制器监视线154和地之间，以提供启动复位电路44的监视器部分(未示出)所需的低阻抗。监视器的输入采用由控制器38输出的至少每隔900ms一次的脉冲形式。在复位电路44上设置搭接器160，以便把引线8连接到引线1，该搭接器把监视器部分的输出带到复位部分(未示出)。连接到复位电路44的引线7的是RES线156，后者也连接到控制器38的引线9。通过RES线156，复位电路44在通电时向控制器38提供通电复位脉冲。无论何时，只要主电源装置45的输入电源降低到4.4V以下，和在控制器38接收不到至少每隔900ms一次的监视器输入信号时，控制器38也就会复位。
现转向图8，其中示出主电源装置46和隔离电源装置48的电路图。主电源装置46是单板稳压电路，它通过电源插头/插座162从外部电源装置(未示出)接收未稳压的直流6伏，600mA电源，外部电源装置很容易在商店购得，例如，120V，60Hz型或220V 50/60Hz型。这些电源的最大未稳压输出是在132伏交流输入时的约直流10.5伏。
设置串联PTC器件164和10.5V transzorb 166，以保护电源装置46，48防止来自外部电源的过压。在最佳实施例中，所用PTC器件164切换到高阻抗状态之前电阻范围约0.55至0.86欧姆，而切换后1.29欧姆。它应保持约400mA的电流，而在约800mA最大电流时切换。在2000mA下翻转的最大时间约为3.8秒。一旦PTC器件164切换到高阻抗状态，它将一直维持到过压状态被去除为止。这些规格的PTC器件对把电压损失保持最小是最适宜的，但仍然为transzorb 166提供保护，后者也用来保护电源装置46，48，而中继装置的一部分连接其上，但它不能承受PTC器件164所能承受的高压。换句话说，PTC器件164是保护transzorb 166在过压保护时免致损坏所必要的。稳压器167也包括在主电源装置46中，用来稳定外部电源装置(未示出)的电源输入。
现转向隔离电源装置48，它通过DC/DC转换器168连接到主电源装置46。在最佳实施例中，DC/DC转换器168具有工作频率170KHz，从接收的5V输入输出+/-5V。应该指出，尽管DC/DC转换器168是未稳压的，但是它的电压输出波动最小，因为它的输入电压已由主电源装置46稳定过了。一般，输出电压从无负载时的5.7V到满负荷的4.95V，在正常工作负载下输出5V波动约正或负0.5V。
通过利用DC/DC转换器168把隔离电源装置48和主电源装置46隔离开来，可以只用一个外部电源装置(未示出)向整个中继装置20提供电源，亦即隔离电源装置48向隔离的第一干线电路21供电，而主电源装置46向该装置20电路的其余部分供电。更具体地说，把所述隔离电源装置48分别提供给输入/输出线52、第一接口71的电源输入引线8、连接到第一光隔离器92的内部驱动二极管的负载电阻98、第二和第三光隔离器94，96的电源输入引线8、第二和第三光隔离器94，96的驱动/接收启动信号线114和驱动信号线76。加上隔离电源装置48的电力的地方标为”VCC2”(在图2和3看得最清楚)。中继装置20其余非隔离部分在标为”VCC1”的地方由主电源装置46供电(在图3-6看得最清楚)。例如，图4表示来自主电源装置46的电源通过偏置电阻122连接到第二干线电路29的输入/输出线132。
现将详细描述控制器38处于NORMAL和TEST方式时的操作，如图7所示，这是当切换装置45开关1处于断开位置时建立的，通过第一干线电路21接收的数据以上述方法由控制器38内的相应的通用异步收发报机(UART1)(未示出)接收。然后，控制器38检查该数据是否有通信错误，诸如在数据包停止位处于错误状态时出现的帧错误和在接收数据字节比处理器能够发送的速度还快时出现的超限错误，而若无错误，则把该数据送到另一个内部通用异步收发报机(UART2)(未示出)。然后该数据从UART2用于上述方法发送到第二干线电路29。但若检测出错误，控制器38将数据放弃或删除，而不发送到UART2。出现超限错误的情况下，放弃涉及超限的字节。
每次检测到错误时，控制器38向FAULT指示器40(LED)输出信号，使之接通半秒。若在FAULT指示器接通的情况下检测到另一个错误，则将半秒的时钟复位。控制器38向也是LED的BST指示器42输出信号，使之以一秒的周期使该LED接通和关断，以通知用户控制器38在正常工作。数据通过控制器38的速率由切换装置45确定。例如，在最佳速率230.4Kbps下，如图7所示，开关2，3和4全都设置在断开位置。
已经描述在NORMAL方式下的操作，其中数据由第一干线电路21接收并发送到第二干线电路29，但是，当从第二干线电路接收数据时，本发明同样可以完成这个操作。当从第二干线电路接收数据时，控制器38在使第一驱动器/接收器接口71(在图2看得最清楚)失效的同时，使第二驱动器/接收器接口124(在图4看得最清楚)能够进行接收，而在向第一干线电路21发送数据时，使第一驱动器/接收器接口71能够接收并使第二驱动器/接收器接口124失效。应该指出，在本最佳实施例中，指示器40，42是LED，但诸如声响指示器等其他指示器器件也可以用来代替LED。
为了一般地把控制器38置于TEST方式，切换装置45的开关1设置在接通位置(在图7看得最清楚)，为了进行特定的测试，亦即，开关测试、ECHO测试和PING-PONG测试，必须设置切换装置45其他一些开关。对于开关测试，如图7所示，开关5和6亦设置成接通位置。这种测试是设计来确定切换装置45的每一个开关的位置，并通过FAULT和BST指示器40，42向用户显示它们的位置。这是由控制器38输出信号把BST指示器42接通和关断与被测试的开关对应的次数来实现的。例如，为了确定开关6的位置，控制器38使BST指示器42接通和关断6次。然后控制器38输出信号，使得FAULT指示器40与所述开关状态一致地接通或关断半秒时间。对所有的开关都进行这一过程，循环反复直至控制器38复位并选择另一种工作方式为止。
为了进行ECHO测试，切换装置45的开关1，5和6分别设置成通、通和断位置。在此过程中，测试数据由控制器38产生，并从第一干线电路21送到第二干线电路29，并从第二干线电路29送回第一干线电路21。在最佳实施例中，第一干线电路21发送的测试数据的发送和接收之间的最大延迟时间约为250ms。若第一干线电路21在此时间内未接收到响应，则被认为出现了错误，并将测试复位。这种测试由控制器38继续直至选择了不同的功能并将控制器38复位为止。应该指出，由控制器38产生的测试数据开始时可以送出到第二干线电路29而不是第一干线电路21。同样地，在进行这种测试时，要求用户用电缆连接这两条干线电路21，29。
控制器38产生的测试数据由最多128字节的零和128个字节的十六进制FF组成。考虑也可以发送大的数据块，最好符合通信链路所用通信协议的格式，诸如通信方法包括一个主设备和一个或多个远程设备，其中主设备以轮询响应为基础与每一个远程设备通信。当第二干线电路29送回数据之后由第一干线电路21接收测试数据时，控制器38检查该数据是否发生了帧错误，并确定接收的数据是否和发送的相同。控制器38在检测到的每一个错误时接通FAULT指示器40。BST指示器42不受这种测试的影响，象在NORMAL方式下一样地以一秒的周期继续使之接通和关断。
现参照图9，这里示出对中继装置20进行PING-PONG测试的安排。为了进行PING-PONG测试，如图7所示，切换装置45的开关1，5和6分别设置在通、断和通的位置。这种测试要求测试数据或测试包在两个中继装置之间发送。这样，这两个之中一个被指定为主设备170，而另一个被指定为远程设备12。如图7所示，对于主设备170，开关1，5，6和7分别被设置在通、断、通和通的位置上，而对于远程设备172，分别被设置在通、断、通和断的位置上。这样，主设备170发出的测试包由第一干线电路21向远程设备172发送，后者通过它的第一干线电路21接收测试包。然后远程设备172检查测试包的信息内容，和包括帧错误和超限错误等通信错误。然后远程设备172把同样的包发回主设备，除非包里含有错误而被放弃或删除。从远程设备172返回的测试包通过主设备170的第一干线电路1被接收，在这里再一次检查包是否有通信错误。主设备和远程设备170，172都分别为它们各自检测到的每一个错误闪烁它们各自的FAULT指示器40。这样，就可以测试主设备和远程设备170，172之间的通信链路是否有错误。
在最佳实施例中，从主设备170依次产生并发送3种不同的测试包。第一种是由Hex FF和00组成的256字节的包，第二种是由Hex AA和55组成的256个字节的包，而第三种是从Hex 00增加到FC的256字节的包。测试包还用循环冗余码(CRC)保护。在发送下一种类型之前，每一个包类型送出1000次。这些数据包从主设备170和远程设备172发送的速率通过把切换装置45的开关2-4设置成图7所示在位置来建立。设想可以使用不同类型的测试包来进行PING-PONG测试，若用户认为合适，每一种测试包可以送出1000次左右。
除了初始化测试序列外，主设备170还对发送和接收的包数进行计数，以产生状态信息。包数、包的类型、错误数和差错率都包括在状态信息中，这种状态信息具有每发送1百万字节测试包检测到的错误数的形式。这种状态信息以ASCII格式，最好在9600bps的速率下，通过第二干线电路29输出，这种速率是显示装置174，诸如计算机或打印机可以接收的速率，它们把状态信息向用户显示出来。
万一远程设备172不能识别测试包，亦即主设备170收不到响应，再尝试5次，让远程设备172响应测试包。甚至的第5次尝试之后仍收不到响应，控制器38从该包去掉CRC保护，然后将修改后的包再送回远程设备172。这样，本装置20仍可以与不能识别CRC保护包的中继装置通信。尽管在描述PING-PONG测试操作时是通过干线电路1发送和接收测试包，并通过干线电路2输出状态信息的，但本专业的普通技术人员都会意识到，可以把干线电路1，2的作用掉转过来。
为了获得UART较快的从发送器切换成接收器的周转时间，不论是NORMAL方式还是TEST方式，控制器38监视正在发送的数据串中的最后一个字符，并在发送最后一个字符的时刻产生”发送完毕”(TC)中断。这是本发明的显著的特征，因为用作控制器38的微处理器，诸如最佳的日立公司的H8/322和类似的处理器并无产生TC中断的固有的功能。
正如上面所公开的，这种微处理器包括发送数据寄存器(TDR)和发送移位寄存器(TSR)。在发送数据时，字节首先装入TDR，然后在从UART送出之前移位进入TSR。每当发生说明TDR已空的”发送数据寄存器空”(TDRE)中断时，就把下一个字节或字符装入TDR。通常，当把最后一个要发送的字符装入TDR时，TDRE失效，并启动时钟(未示出)。在该时钟达到发送两个字节数据所要求的时间长度之后，发送被认为完成了。换句话说，即使在TSR中不会有字节，微处理器仍假定在TDR和TSR都有一个字节。结果，在知道发送完成之前可能延迟了一个字节的时间。
在本发明中，TDRE在TDR最后一个字节转移到TSR之后以前是不失效的。在启动时钟的时刻、并且在发送一个字节数据所需的时间过去时，产生TC中断。这种安排可以使中继装置20在准确的时刻而不是晚一个字节时间确定数据发送完成，微处理器往往没有本发明的这一特征。
从上面的描述应该明白，已经显示并描述了用来使通信链路的链路电气隔离的经过改进的中继装置，它有许多优点和希望的特征。例如，本发明包括过压保护电路，后者满足对与延伸在建筑物外的通信链路连接的中继装置的UL要求。还包括一种以包含115.2Kbps和230.4Kbps的速率工作的控制器。另外，本发明还进行若干种测试，包括确定开关位置用的开关测试、控制器38进行自检用的ECHO测试和确定与中继装置相连的通信链路完整性用的PING-PONG测试。本发明还包括产生数据发送完毕指示信号的特征。本发明的另一个特征是上述所有特征都可以包括在单一的装置内。
尽管已经显示和描述了本发明的各种实施例，但是应该明白，可以采用不同的方案、替代和等同物，本发明只应由权利要求书及其等同物限制。
在下列权利要求书中陈述了本发明的各种特征。
权利要求
1.一种包括用来电气隔离通信网络链路的电路的中继装置，其特征在于包括第一干线装置，用来接收和发送进、出该链路第一段的数据；第二干线装置，用来接收和发送进、出该链路第二段的数据；隔离装置，就工作而言连接到所述第一干线装置，用于使所述第一段与所述第二段实现电气隔离；保护装置，就工作而言连接到所述第一和第二干线装置，用于保护所述通信网络免受过压；以及控制装置，就工作而言连接在所述第一和第二干线装置之间，用于从所述第一干线装置向所述第二干线装置传输数据，并从所述第二干线装置向所述第一干线装置传输数据。
2.权利要求1所定义的装置，其特征在于所述第一和第二干线装置中的每一个都包括驱动器/接收器接口。
3.权利要求1所定义的装置，其特征在于所述隔离装置包括多个连接在所述控制装置和所属第一干线装置之间的光耦合器，用于把所述第一干线装置与所述第二干线装置电气隔离开来。
4.权利要求3所定义的装置，其特征在于所述多个光耦合器中的第一个向所述第一干线装置提供接收信号和驱动信号，使得所述第一干线装置能够接收和发送进、出通信链路的所述第一段的数据。
5.权利要求4所定义的装置，其特征在于所述多个光耦合器中的第二个接收从通信链路的所述第一段输入的数据。
6.权利要求5所定义的装置，其特征在于所述多个光耦合器中的第三个向通信链路的所述第一段发送数据。
7.权利要求1所定义的装置，其特征在于向所述第一干线装置提供的第一电压源与向所述第二干线装置提供的第二电压源是电气隔离的。
8.权利要求1所定义的装置，其特征在于所述保护装置在来自通信链路所述第一段和第二段的输入电压达到所述过压状态时，将所述输入电压钳位到预定电压。
9.权利要求8所定义的装置，其特征在于所述保护装置包括第一保护装置，连接在所述第一干线装置和通信链路的所述第一段之间，用于保护所述第一段免受第一过压状态；以及第二保护装置，连接在所述第二干线装置和通信链路的所述第二段之间，用于保护所述第二段免受第二过压状态。
10.权利要求1所定义的装置，其特征在于还包括第一干线终端装置，它就工作而言连接到所述第一干线装置，用于端接从所述第二干线装置传送来的数据；以及第二终端装置，它就工作而言连接到所述第二干线装置，用于端接从所述第一干线装置传送来的数据。
全文摘要
中继装置包括:第一干线电路,用来接收和发送进、出通信链路第一段的数据;以及第二干线电路,用来接收和发送进、出通信链路第二段的数据。隔离电路连接到第一干线电路上,用来把第一段和第二段电气隔离。为了保护通信网络免受过压,保护电路就工作而言连接到第一和第二干线电路上。控制器具有:第一收发报机电路,用来从第一干线电路向第二干线电路发送数据;以及第二收发报机电路,用来从第二干线电路向第一干线电路发送数据。
文档编号H04B10/17GK1199288SQ9810520
公开日1998年11月18日 申请日期1998年2月16日 优先权日1997年5月9日
发明者W·J·芬斯克, A·J·贝纳罗斯基 申请人:兰迪斯及斯特法有限公司