孤立系统数据通信的制作方法与工艺

孤立系统数据通信相关申请的交叉引用本发明受益于2012年4月23日提交的，题目为“孤立测量系统（IsolatedMeasurementSystem）”的美国专利申请No.61/636,797所提供的优先权，该专利申请的公开内容在此作全文引用。

背景技术：
孤立系统（isolatedsystem）一般指的是运行于两个不同的电压域中的两个系统，这两个电压域是相互电流隔离的。例如，孤立的测量系统通常包括用于测量外部信号的测量系统以及用于控制测量系统并自该处接收测量数据的控制系统。测量及控制系统在两个不同的电压域中运行，并由此相互间电流隔离。时常，两个电压域不同的系统彼此间经由隔离设备（isolatordevice）来通信。例如，控制系统能够给测量系统发送控制及时序信息，并且测量系统能够基于所接收到的控制及时序信息来调整其操作。同样，测量系统能够将测量数据发送至控制系统。但是，两个系统间的通信能够遭受到诸如会导致不精确操作的潜伏期问题和噪声诱发的错误之类的问题。例如，由一个系统传送至另一个系统的时钟信号可能会延迟以致于导致这两个系统间的非同步运行。同样，噪声错误能够中断两个系统间的通信。因此，本发明的发明人意识到在本技术领域中需要具有孤立系统内经改进的抗干扰性（noiseimmunity）和潜伏期。附图说明图1示出了根据本发明的一种实施例的孤立系统。图2示出了根据本发明的一种实施例的孤立系统。图3(a)示出了根据本发明的一种实施例的接收器。图3(b)示出了根据本发明的一种实施例的接收器。图4是根据本发明的一种实施例的数据与时钟时序图。图5是根据本发明的一种实施例的在噪声存在时的时钟时序图。具体实施方式本发明的实施例可以提供一种具有第一及第二电路系统的系统，该第一及第二系统由电隔离屏障分隔开，但通过用于桥接隔离屏障的至少一个隔离设备来提供通信。第一电路系统可以包括用于将数据作为一脉冲串跨过公共隔离设备传输的通信系统，而第二电路系统可以接收与数据对应的脉冲串。第二电路系统可以包括与公共隔离设备耦接以检测所接收到的脉冲的检测器、用于使所接收脉冲成帧的单触发以及基于所积累的成帧脉冲来重构数据的控制器。本发明的实施例可以提供一种跨过隔离屏障来通信的方法。该方法可以包括：跨过隔离屏障接收第一脉冲，使在单触发间隔内接收到的脉冲成帧，积累在单触发间隔内接收到的该一个或多个脉冲的分组，并且基于分组内的积累脉冲来重构数据。本发明的实施例还可以提供用于时钟错误校正的方法。该方法可以包括：跨过隔离屏障接收第一脉冲，使在单触发间隔内接收到的脉冲成帧，积累在单触发间隔内接收到的一个或多个脉冲的分组，基于接收到第一脉冲来切换时钟信号，基于分组内的积累脉冲来确认时钟信号，并且如果检测到错误，则在下一分组处校正该错误。图1示出了根据本发明的一种实施例的孤立系统100。系统100可以限定用于建立两个电流隔离的电压域120、130的隔离屏障（isolationbarrier）110。每个电压域120、130可以具有彼此隔离的电压源和接地基准（未示出）。系统100可以包括隔离设备140，用以在仍然保持电压域120、130之间的电流隔离的情况下在电压域120、130之间交换通信信号。通信信号可以包括时钟沿信息、控制与时序数据、测量数据等。在第一域120内的通信单元150可以经由隔离设备140将数据作为脉冲串跨过隔离屏障传输。在一种实施例中，所传输的数据可以包括时钟沿信息和/或其他数据。隔离设备140可以被实现为电容器、变压器和/或光电设备。在图1中示出了单个单向隔离设备140，但是该系统可以包括可以为单向和/或双向的其他隔离设备，以在电压域120、130之间提供带宽更高的通信，这可以适合于各种应用的需要。在第二域130内的通信单元162同样可以耦接至隔离设备140，以检测和接收来自第一域120的传输脉冲。第二域130同样可以包括控制器163和单触发（oneshot）164，用以重构所接收到的脉冲。单触发164可以使所接收到的脉冲成帧（frame），使得控制器163可以基于在单触发（164）时窗（window）内累积的脉冲的数量来重构数据。单触发164可以给控制器163提供用来接收用于重构的脉冲的单触发间隔（即，时窗）。在一种实施例中，控制器163可以初始地触发单触发164以启动单触发间隔来接收脉冲。该间隔可以在预定的时间之后关闭（即，单触发164可以终止（timeout））。因而，单触发164可以使预期最大数量的脉冲成帧。在一种实施例中，控制器163可以初始地触发单触发164以启动单触发间隔来接收脉冲，并且在单触发间隔内接收到的后续脉冲可以使时窗延长。时窗可以在无脉冲检出（detection）的预定时间之后关闭（即，单触发164可以终止）。因而，单触发164可以是可重新触发的，以便使数量可变的脉冲成帧。在另一种实施例中，第一接收脉冲可以触发单触发164以启动单触发间隔来接收任何后续脉冲。该时窗可以在预定的时间之后关闭（即，单触发164可以终止）。因而，单触发164可以使预期最大数量的脉冲成帧。在另一种实施例中，第一接收脉冲可以触发单触发164来启动单触发间隔，并且在该单触发间隔内接收到的后续脉冲可以使时窗延长。该时窗可以在无脉冲检出的预定时间之后关闭（即，单触发164可以终止）。因而，单触发164可以是可重新触发的，以便使数量可变的脉冲成帧。控制器163可以基于在单触发间隔内累积的脉冲的数量来重构数据。因而，可以减少噪声错误，因为例如在单触发间隔之外发生的乱真脉冲（spuriouspulse）可以被正确地排除于实际数据传输的重构之外。因此，单触发可以为孤立系统中的数据传输提供改进的噪声抗干扰性。现在将针对孤立测量系统的实施方式来讨论单触发通信技术的更多细节和实施例。图2示出了根据本发明的一种实施例的孤立测量系统200。系统200可以限定用于建立两个电流隔离的电压域220、230的隔离屏障210。每个电压域220、230可以具有彼此隔离的电压源和接地基准。系统200还可以包括各种隔离设备240、250，用以在仍然保持电压域220、230之间的电流隔离的情况下在电压域220、230之间交换时序信号和数据。在图2所示的系统200中，第一电压域220可以包括用于管理系统200的操作的控制系统260，并且因此，在本文中可以将其称为“控制系统域”。第二电压域230可以包括测量系统270，并且因此，在本文中可以将其称为“测量系统域”。控制系统260和测量系统270可以经由隔离器240、250彼此交换通信。通信可以包括控制信号、时序信号和/或其他数据的交换。隔离器240、250可以被实现为电容器、变压器和/或光电设备。在图2中示出了一对隔离器240、250，其中一个隔离器240传载从控制系统260到测量系统270的控制信号（在下文描述），而另一隔离器250传载从测量系统270到控制系统260的数据信号（在下文描述）。在图2的实例中，将单个隔离器240、250示为在每个方向上通信，但是本发明的原理并不限制于此。系统200可以包括数量更多的隔离器，尤其对于从测量系统270到控制系统260的数据通信，以提供带宽更高的通信。而且，可以将隔离器240、250中的一个或多个设置为双向隔离器。图2示出了示例性控制系统260的构件，这些构件可以包括控制器262、通信单元264及输入/输出（“I/O”）单元266。控制器262可以管理控制系统260的操作，并且可以生成用于控制器260和测量系统270内的构件的时序基准（标示为CLKc）。通信单元264可以经由隔离器240、250与测量系统270交换双向通信信号。I/O单元266可以与系统200之外的处理器和/或控制器（未示出）接口连接，这可以使得能够传输测量系统270的数据、接收用于管理测量系统200的命令和/或时序信息（标示为CLKMSTR）。图2示出了示例性测量系统270的构件，这些构件可以包括控制器272、通信单元274、测量电路276和状态监测器278。控制器272可以管理测量系统270的操作，并且可以生成用于测量系统270的其他构件的时序基准。通信单元274可以跨过隔离器240、250与控制系统域220的控制系统260交换双向通信信号。在一种实施例中，测量电路276和状态监测器278各自都可以生成待由测量系统270传送至控制系统260的数据。测量电路276代表用于为测试对象（未示出）测量输入至系统200的各种外部信号的电路。举例来说，测量电路276可以包括用于将外部提供的电压数字化的一个或多个模数转换器（“ADC”）（未示出），该一个或多个模数转换器每个都可以是单位或多位模数转换器（未示出）。例如，测量电路276可以包括一个或多个Sigma-Delta（“ΣΔ”）模数转换器。测量电路276可以根据控制器272所提供的测量时钟信号CLKM来执行其操作。在一种实施例中，测量时钟信号CLKM可以是与来自控制系统域220的CLKC对应的重构信号（在下文描述）。测量电路276可以基于外部提供的电压来生成测量数据DATAM。状态监测器278可以监测测量系统270的操作状态，并且可以生成代表该状态的反馈数据STATUS（状态），以传送至控制系统270。在一种实施例中，状态信息可以包括代表测量系统的故障的错误指示符、超过最大或最小阈限值的输入信号的检出、测量系统内的电压源的状态，或者指示测量系统270的构件是否正确操作的其他操作数据。控制器272可以生成对通信单元274的驱动信号，以跨过公共隔离器250（或隔离器组）来传送状态信息和测量数据。控制器272还可以解释接收自通信单元274的信号，以生成用于作为时钟来管理测量电路276的操作的时序信号CLKM。通信单元264、274各自可以包括传送器264A、274A和接收器264B、274B。传送器264A、274A可以接收来自它们各自的控制器262、272的驱动信号，并且可以生成适合于传输至各自的隔离器240、250的驱动信号。接收器264B、274B可以接收来自它们各自的隔离器240、250的信号，并且生成到它们各自的控制器262、272的输出信号。例如，在基于变压器的隔离器的情形中，传送器264A、274A可以接收数字输入信号，并且生成适于跨过隔离器传输的脉冲信号。这些脉冲信号可以跨过隔离器240、250传送至接收器，这些接收器可以根据这些脉冲信号生成数字输出信号。此外，接收器264B、274B可以实现单触发成帧，以提供更好的抗干扰性（在下文描述）。图3(a)和图3(b)示出了根据本发明的实施例的接收器的示例性构件。例如，可以将在图3(a)中的接收器300实现为在图2的控制系统260中的接收器264B。接收器300可以接收形式为脉冲的数据传输，并且，在一种实施例中，其可以代表来自测量系统的测量值和/或状态数据。接收器300可以包括边沿检测器302、单触发304、计数器306和解码器308。边沿检测器302可以耦接至隔离设备（如，隔离器250），并且可以接收/检测跨过隔离设备传送的脉冲。边沿检测器302可以检测出脉冲边沿。边沿检测器302可以耦接至单触发304和计数器306。边沿检测器302可以提供输出至可重触发单触发304和计数器306的边沿检测。单触发304可以控制单触发间隔（即，时窗），以便计数器306对由边沿检测器302检测到的接收脉冲进行计数。在一种实施例中，单触发304可以将与单触发间隔的开启/停止时间对应的启动/停止命令传送给计数器306。在一种实施例中，控制器（如，在图2中的控制器262）可以在控制器准备好接收数据时命令单触发304启动单触发间隔。控制器的启动命令可以基于时钟信号（如，在图2中的CLKC）。例如，控制器可以被编程以基于其工作时钟来接收脉冲。在另一种实施例中，由边沿检测器302检测到的第一脉冲可以初始地触发单触发304以启动单触发间隔。单触发304可以在单触发时窗到期之后终止，并且然后可以给计数器306传送停止信号。在一种实施例中，单触发304可以在与预期最大数量的脉冲对应的预定时间（即，固定长度）之后终止，并且然后可以给计数器306传送停止信号。在另一种实施例中，单触发间隔长度可以是可变的，其中在单触发间隔内接收到的后续脉冲可以延长单触发间隔长度（即，后续脉冲可以重新触发单触发304）。如果在单触发间隔内最后接收到的脉冲之后的预定时间内没有接收到脉冲，则单触发304可以终止并然后给计数器306传送停止信号。因此，在单触发间隔之外的乱真脉冲（例如，噪声诱发的脉冲）可以被接收器300所忽略，从而提供改进的抗干扰性。计数器306可以在单触发304所设定的单触发间隔期间对由边沿检测器302检测到的脉冲的数量进行计数。在单触发304终止之后，在计数器306内的计数可以被冻结并被存储。然后，计数器306可以将计数复位。解码器308可以耦接至计数器306。解码器可以包括用于存储计数器306在单触发间隔内所计之数的寄存器。解码器308可以基于单触发间隔的计数器计数来重构数据。在图3(b)中的接收器350可以被实现为图2的测量系统270中的接收器274B。接收器350可以接收形式为脉冲的数据传输，并且数据传输可以代表时钟沿信息和数据（CLKC/DATAC）。例如，数据可以是来自控制系统260的控制数据。接收器350可以包括边沿检测器352、单触发354、计数器356、解码器358和错误检测器360。边沿检测器352可以耦接至隔离设备（如，隔离器240），并且可以接收/检测跨过隔离设备传输来的脉冲。边沿检测器352可以检测到脉冲边沿。在本实施例中，边沿检测器352可以输出与接收到的时钟沿信息对应的CLKM信号。例如，第一脉冲的接收可以触发接收器域内的时钟的切换（toggling）。直接基于第一接收脉冲来切换时钟信号会提高所重构的时钟潜伏期（latency），但是还会在脉冲被噪声中断时引入时钟错误。例如，时钟信号可能会基于寄生接收脉冲而错误地切换。但是，错误检测器360可以检测出并校正此类时钟信号错误。错误检测器360可以耦接至边沿检测器352和可重触发单触发354。错误检测器360可以基于所重构的时钟沿信息来检查/确认时钟信号切换究竟是正确还是不正确。例如，对于上升沿，时钟沿信息可以作为一个脉冲来传输，而对于下降沿，可以作为两个或更多连续的脉冲来传输。边沿检测器352可以在检测到第一脉冲时切换；但是，错误检测器360可以基于后续接收脉冲或者脉冲不存在来确认该切换究竟是否正确（在下文描述）。如果检测到时钟错误（例如，过早切换），则错误检测器360可以指示边沿检测器352在接收到下一接收脉冲时不切换，从而在下一时钟沿内矫正过早切换。边沿检测器352还可以耦接至单触发354和计数器356。边沿检测器352可以给单触发354和计数器356提供边沿检测输出。单触发354可以控制对计数器356的单触发间隔，以便对边沿检测器352检测到的接收脉冲进行计数。在一种实施例中，单触发354可以给计数器356发送与单触发间隔的启动/停止时间对应的启动/停止命令。控制器可以初始地触发单触发354来启动单触发间隔，或者由边沿检测器352检测到的第一脉冲可以初始地触发单触发354来启动单触发间隔。单触发354可以在单触发间隔到期之后终止，并且然后可以给计数器356传送停止信号。在一种实施例中，单触发354可以在与预期最大数量的脉冲对应的预定时间之后终止，并且然后可以给计数器356传输停止信号。在另一种实施例中，单触发间隔长度可以是可变的，其中在单触发间隔内接收到的后续脉冲可以延长单触发间隔（即，后续脉冲可以重新触发单触发354）。如果在单触发间隔内最后接收到的脉冲之后的预定时间内没有接收到脉冲，则单触发354可以终止并然后给计数器356传送停止信号。计数器356可以在单触发354所设定的单触发间隔期间对由边沿检测器352检测到的脉冲的数量进行计数。在单触发354终止之后，在计数器356内的计数可以被冻结并被存储。然后，计数器356可以将计数复位。解码器358可以耦接至计数器356。解码器可以包括用于存储计数器356在单触发间隔内所计之数的寄存器。解码器358可以基于单触发间隔的计数器计数来重构数据。图4示出了根据本发明的一种实施例的用于说明可以在图2的系统200中通信的示例性信号的时序图400。在控制侧，可以由例如在控制系统域220内的控制器262（图2）于其中生成时钟信号CLKC。时钟信号CLKC和其他数据（DATAC）可以被跨过隔离设备（如，隔离设备240）传输。在一种实施例中，发送器264A可以发送代表CLKC的时钟沿和DATAC的脉冲串。例如，CLKC的上升沿可以作为单个脉冲来传输，而CLKC的下降沿可以作为两个连续脉冲来传输。其他数据（例如，DATAC）可以用时钟沿脉冲来编码（例如，温度计编码）和传输。例如，其他数据可以作为多于两个脉冲的过量脉冲来传输。在图4中，CLKC信号410可以包括上升沿412和下降沿414。脉冲传输420可以包括与上升沿412对应的单个脉冲422，并且可以包括与下降沿414对应的两个连续脉冲423。脉冲传输420还可以包括与DATAC对应的其他脉冲426。正如所指出的，数据传输信号420可以跨过隔离设备传输至测量侧。在测量侧，接收器（如，接收器274B）可以接收/检测经由所耦接的隔离设备传达的脉冲。基于所接收的脉冲，接收器连同单触发（及控制器）一起可以重构所传输的时钟信号CLKC和DATAC。接收器可以检测出脉冲432。CLKM信号450可以在检测到脉冲“分组（packet）”的第一脉冲时立即切换状态（高或低）。例如，在检测到脉冲432时，测量侧可以立即将CLKM信号450切换成高态452，因为它之前处于低态。脉冲432的检出还可以触发单触发以启动单触发间隔（固定单触发间隔442.1或可变单触发间隔442.2）。在另一种实施例中，控制器可以在脉冲432的检出之前触发单触发以启动单触发间隔。单触发间隔可以作为固定单触发间隔442.1来提供，其中单触发长度基于预期最大数量的脉冲。固定单触发间隔442.1可以在预定时间（例如，与预期最大数量的脉冲关联的时间）之后终止。作为选择，单触发间隔可以作为可变单触发间隔442.2来提供。可变单触发间隔442.2可以由在单触发间隔内后续接收到的脉冲延长。由于在脉冲432之后的预定的时间段内没有检测到其他脉冲，因而可变单触发间隔442.2可以终止。脉冲计数在单触发间隔442.1、442.2内可以具有累积值1。脉冲计数还可以确认：CLKM信号450切换至高态452是正确的。然后，可以检测到脉冲分组433、436的第一脉冲。CLKM信号450可以在检测到脉冲分组中的第一脉冲时切换至低态453。第一脉冲还可以触发单触发以启动单触发间隔（固定单触发间隔443.1或可变单触发间隔443.2）。在本例中，固定单触发间隔443.1和可变单触发间隔443.2可以具有基本上相同的期限。固定单触发间隔443.1可以在与预期最大数量的脉冲关联的时间之后到期，该预期最大数量在本例中为四个脉冲。基于脉冲分组433、436中的三个其他脉冲在连续的预定时间段内被接连检测到，可变单触发间隔443.2可以重触发三次以上。在第四脉冲之后，可变单触发间隔443.2可以终止，因为在第四脉冲之后的预定时间段内没有检测到脉冲。在此，脉冲计数可以具有累积值4。第一对脉冲433可以对应于时钟信号的下降沿，并且证实/确认CLKM信号450切换成低态453。在单触发间隔内检出并计数的下次两个脉冲436可以对应于DATAC。因此，DATAC可以被重构为“新数据”（如图所示）。单触发成帧技术通过使在单触发间隔内的脉冲计数成帧来降低噪声敏感性，其中数据接收被预期并分开成脉冲分组。而且，在脉冲分组中的第一接收脉冲处立即切换时钟状态会减少潜伏期。虽然直接切换时钟状态提供了低的潜伏期，但是它可能会使系统对时钟错误（例如，过早切换）变得敏感。但是，根据本发明的实施例，诸如过早时钟切换之类的错误可以由系统基于在单触发间隔内与时钟切换相关的累积计数值的确认来快速校正。图5示出了根据本发明的一种实施例的用于说明可以在图2的系统200中通信的示例性信号及时钟错误校正的时序图500。时序图500仅示出了孤立系统中的接收侧。此外，时序图500还示出了用于触发可重触发单触发的实施例的示例性起始脉冲；但是本文所描述的其他实施例（例如，初始控制器切换和/或固定长度的单触发的实施例）同样可以使用于本文所描述的时钟错误校正技术。在时序图500中，可以检测到脉冲532。在检测到脉冲532时，CLKM信号550可以切换至高态552，因为它之前处于低态。脉冲532的检出还可以触发单触发以启动单触发间隔542。由于在脉冲532之后的预定时间段内没有检测到其他脉冲，因而该单触发可以终止。因此，脉冲计数在该单触发间隔内可以具有累积值1。脉冲计数还可以确认：CLKM信号550切换至高态552是正确的。然后，可以检测乱真脉冲533（即，噪声诱发的错误）。在检测到乱真脉冲533时，CLKM信号550会错误地切换至低态553，因为它之前处于高态。乱真脉冲533的检出还可以触发单触发以启动单触发间隔543。由于在乱真脉冲533之后的预定时间段内没有检测到其他脉冲，因而该单触发终止。因此，脉冲计数在该单触发间隔内可以具有累积值1。在此，脉冲计数指示了时钟错误，因为两个脉冲指示了到低态的时钟切换，但是累积值仅显示为1。因而，测量侧可以确定：CLKM信号550已错误地切换至低态553。然后，可以检测脉冲分组534的第一脉冲。但是，由于确定了到低态553的过早切换，因而CLKM信号550可以保持于其当前的低态，并且在检测到脉冲分组534中的第一脉冲时可以不切换。第一脉冲还可以触发单触发以启动单触发间隔544。在本例中，基于脉冲分组534中的两个脉冲，单触发可以再一次重触发。在第二脉冲之后，可重触发的单触发可以终止，因为在第二脉冲之后的预定时间段内没有检测到脉冲。因此，脉冲计数可以具有累积值2。这两个脉冲可以对应于正确的时钟信号传输的下降沿，并且证实/确认CLKM信号550被正确地保持于低态。因此，诸如过早切换之类的时钟错误可以在错误没有混合的情况下于下一时钟周期内校正。因此，本发明的实施例可以提供具有快速时钟错误校正的低潜伏期孤立系统。在此具体说明和/或描述了本发明的几种实施例。但是，应当理解，在不脱离本发明的精神和预期范围的情况下，本发明的修改和改变由上述教导所涵盖并且属于所附的权利要求书的范围之内。