CN101176269A - 用于建筑物和工业电气系统的总线调制解调器 - Google Patents

Abstract

一种用于建筑物和工业电气系统的总线调制解调器，其包括模块(100)，该模块(100)包括被指定为连接到总线的一对输入引脚(1、2)，和被指定为连接到待连接到所述总线的装置的电气电路的一对输出引脚(9、10)。所述模块(100)还包括：电压控制电路(3)，其能够从所述总线获取电压并对设置在所述多个输出引脚(9、10)的端子处的电容器(C1)上的电压(V_ASB)进行控制；和能够对电子开关(7)进行控制的传输控制电路(5)，该电子开关(7)对电流限制电路(8)进行控制，该电流限制电路(8)在从所述总线向连接到所述总线的所述多个装置或从连接到所述总线的所述多个装置向所述总线传输信号的过程中能够限制所述总线上的电流。

Description

用于建筑物和工业电气系统的总线调制解调器

技术领域

本发明涉及用于建筑物和工业电气系统的总线通信的调制解调器装置，如以商业名称“Konnex TP1总线”已知的总线，其使得可以在住宅、第三产业设备中实现对各种系统(如电气、加热、空气调节、灌溉以及反侵入系统)和技术警报(如气体、水以及烟检测器)的集成管理。

根据本发明的调制解调器使得可以从总线取得对于操作各种控制装置所必需的电源电压并可以对在该总线上传输的信号进行解码和对在该总线上待传输的信号进行编码。

背景技术

调制解调器与总线之间的通信是半双工、双向型的，并且借助于单条双绞线(也称为双工电缆)来实现对所交换数据的传输支持。

在总线导体电缆上给出的电压是SELV(安全额外低电压)型的。

在该应用领域中，在市场上存在由西门子生产的带有针对Konnex TP1总线的调制解调器的功能的集成装置。在欧洲专利EP 0770 285中描述了这种调制解调器装置的示例。

对于本领域的人员来说如下两个组件是公知的：FZE 1066-EIB双绞收发器和EIB-TP-UART-IC。

第一个组件是主要使得可以在总线与微控制器之间创建接口的集成调制解调器。实际上它使得可以从总线生成各种电源电压、针对微控制器的接口信号、对总线上的信号的解码和对要传输的消息的编码。

将在总线上传输的消息叠加于在约20V与30V之间的范围的直流电源电压上。该消息是这样的数字信号，即，其中通过实现持续时间约为35μs的约7V的电压降来获得单个位“0”。该位持续总共104μs，从而使得以9600波特进行传输。另一方面，位“1”并不会导致总线的直流电压的显著变化。

在图1中，通过示例的方式示出了传输位“0”的Konnex总线的规格。另一方面，在图2中，示出了对位序列的总线传输进行例示的图。

FZE 1066调制解调器的主要功能是按只最低限度地对总线上的信号传输产生干扰的方式获得对装置的各种供给。具体地说，这种调制解调器在创建电压降时必须不加载上升和下降边沿，并且在正在传输消息时必须只引起总线上的电流的最小变化。

若考虑对总线上给出的消息进行解码的话，调制解调器对各单个位进行解码，将总线上给出的信号的电平调节成微控制器所需的电平。在没有任何模拟或数字滤波动作的情况下对所传输位的所有边沿进行解码。

FZE 1066调制解调器的第三个基本特征是将由微控制器传输的消息转换成适合于要在总线上传输的电压电平。这必须能够在总线上生成带有足够深度和边沿的电压降。

若考虑第二个调制解调器装置EIB-TP-UART-IC的话，相对于第一个调制解调器装置的关键差别在于对总线上给出的消息的字节进行解码，即，它将总线上给出的TP型消息转换成待发送给微控制器的UART，反之亦然。

发明内容

本发明的目的是实现针对总线通信(尤其是Konnex TP1总线)的调制解调器电路，其极其通用，容易适合于用于通过该总线对各种类型的装置进行控制的各种应用。

本发明的另一目的是提供这样一种总线调制解调器，即，该总线调制解调器是模块化的，由可以根据待连接到该总线的各种装置的需要而加入该总线的各种柔性模块组成。

本发明的还一目的是提供这样一种总线调制解调器，即，其中所述多个模块提供可以根据各种需要而加入的多个可互换组件。

本发明的又一目的是提供这样一种总线调制解调器，即，其具有有限数量个分立组件，以使成本和占用空间最优化。

根据具有在所附独立权利要求1中列出的特征的本发明来实现这些目的。

从所附权利要求中可以显见本发明的有利实施例。

根据本发明的用于建筑物和工业电气系统的总线调制解调器包括模块，该模块包括被设计成要连接到总线的一对输入引脚，和被设计成要与待连接到所述总线的装置的电气电路相连的一对输出引脚。该模块还包括：

-电压控制电路，其能够从所述总线获取电压并对设置在所述输出引脚的端子处的电容器上的电压进行控制；和

-能够对电子开关进行控制的传输控制电路，该电子开关对电流限制电路进行控制，该电流限制电路能够在从所述总线向连接到所述总线的所述装置或从连接到所述总线的所述装置向所述总线传输信号的过程中限制所述总线上的电流。

该类型的系统的主要优点是具有灵活性，该灵活性被理解成能够随意对功能和控制进行编程和再编程的可能性。

按“逻辑”方式来进行所述多个装置之间的连接。每个组件，甚至是执行最简单功能的那些组件，如按钮，都能够接收和传输总线电缆上的经编码信号和命令。如此传输的数据在总线上流通并且只由该数据要到达的设备来接收。

在没有任何具体电路的情况下，可以将各个控制、信号传输以及致动装置连接在总线的任何点处。通过充分的配置过程来定义功能和逻辑连接。

在不干涉布线的情况下通过修改系统配置来修改本系统的关联性和操作条件。这不仅在住宅设施而且在第三产业设施中都是重要的机会，在这些设施中对于对操作环境(办公室、开放空间、移动分区)的指定使用和划分进行修改的需要更加频繁。

本系统的通用性因此变成完备的。在任何时候都可以对所述多个组件的使用进行“再编程”以更好地满足每个房间的使用的需求。

可以实现任何客户请求，为每个客户提供能够满足特定需求的个人化、专用的解决方案。

安装也远比传统系统更容易。不需要针对控制装置进行专用布线；简单的双绞电缆足以将本系统的所有domotic装置相互连接。按数字分组的形式在各种装置之间进行通信。每个分组都包含一定数量(通常不超过10)的字节。往往使用等同术语：消息、报文或帧来称呼分组。典型传输速率是9.6kbit/s。

对通信装置的共享使得一次只有一个器件可以访问总线以传输数据；否则，在同时访问的情况下，会发生冲突。可以连接的装置的最大数量取决于许多因素，并且通常不超过256个。

然而，使用被称为“耦合器”的装置，可以连接10,000个以上装置。总线电缆的最大长度受信号衰减的限制。在不使用“耦合器”的情况下，可以达到千米量级的距离，这对于大多数系统来说都是绰绰有余的。

可以按以下方式来在所述多个装置之间进行连接：

-直线型：存在单条主干线，所有装置都连接到该主干线；

-星型：各单个装置连接到一中心点；

-树型：从中心主干线分出的连接多个装置的多个分支；

-自由型：这是所有上述形态的组合。

附图说明

参照附图，通过以下以非限制性示例的方式对实施例进行的详细描述，将更加清楚本发明的特征和优点，在附图中：

图1是例示了在Konnex TP1总线中对位“0”的传输的规格；

图2是例示了在总线上传输的普通位序列的图；

图3是例示了根据本发明的总线调制解调器的第一模块的布局框图；

图4是例示了根据本发明的总线调制解调器的第二模块的布局框图；

图5是详细例示了图3的第一模块的控制电路V_ABS的实施例的电路图；

图6是详细例示了图3的第一模块的电流限制电路的实施例的电路图；

图7是与图6类似的详细例示了控制开关电路的实施例的电路图；

图8是与图7类似的详细例示了传输控制电路的实施例的电路图；

图9是详细例示了图4的第二模块的控制电路V_{M_BUS}的实施例的电路图。

具体实施方式

借助于附图对根据本发明的总线调制解调器进行描述。

根据本发明的调制解调器包括第一模块100(在图3中例示了其布局)和第二可选模块200(在图4中例示了其布局)。

如图3所示，该调制解调器的第一模块100包括被指定为连接到总线的两个输入引脚1和2，和被指定为与连接至总线的装置(如domotic装置)的电路连接的两个输出引脚9和10。

在引脚1与2之间设置有由3表示的V_ASB控制电路，其能够对输出引脚9和10的端子处的电压V_ASB进行控制。通过接线6将V_ASB控制电路连接到设置在输出引脚9与10之间的电容器C1。由此V_ASB控制电路将电容器C1保持充电以对引脚9和10的端子处的电压进行控制。

模块100包括对作用于开关7的电流限制电路8进行控制的传输控制电路5。通过接线4将开关7连接到V_ASB控制电路3的输出引脚6和电流限制电路8。将传输控制电路5设置在输出引脚1与2之间并连接到输出引脚9和开关7。

V_ASB控制电路3向电容器C1供电，被指定为连接到总线的domotic装置的各种电子控制电路中的大多数从该电容器C1获取它们的供电。V_ASB控制电路3的目的是在不干扰总线上传输的消息的情况下从总线获取所需电流。当由于总线上传输的位而出现电压降时，对电流的吸收必须不发生可感知的变化。

电容器C1充当低通滤波器，因此，如果正确地确定V_ASB控制电路3的尺寸，则最大调节频率低于最小传输频率。这确保了：V_ASB控制电路3的电阻对于对连接在引脚9与10之间的电路的供电来说足够低，而对于总线上传输的信号来说足够大。

在实际中，将最大调节频率设定为比最小传输频率低十分之一是有用的。

在图5中，以示例的方式，例示了图3的V_ASB控制电路3的可能的实施例。

V_ASB控制电路3包括由充电电路31充电的电容器C3，充电电路31包括与电阻器R1串联地设置在输入引脚1与2之间的齐纳二极管D1。电阻器R2具有连接在D1与R1之间的端子和连接到电容器C3的另一端子。

借助于包括3个晶体管Q2、Q3和Q4的电压稳定器电路30，利用C3的经稳定电压来控制C1上的电压。将Q2、Q3以及Q4的集电极连接到引脚1，并将Q2的发射极连接到Q3和Q4的基极。在Q2的基极与Q3的发射极之间设置有串联的4个二极管D2、D3、D4和及D5。而且将Q2的基极连接在电阻器R2与电容器C3之间，并将电阻器R6连接到发射极Q3。将电阻器R7连接在Q4的发射极与V_ASB控制电路的输出引脚6之间。

V_ASB控制电路3包括能够降低V_ASB控制电路3的功耗的功耗降低电路32。

功耗降低电路32包括连接到引脚1的电容器C4，电容器C4串联到电阻器R3并且串联到设置在晶体管Q1的基极与发射极之间电阻器R4。通过电阻器R5和电容器C5将Q1的集电极连接到引脚2。

通过齐纳二极管D1和电阻器R1和R2，将电容器C3充电在比总线上给出的平均电压低约10伏特的电压上。

充电常数R2×C3是这样的，即，使得即使在总线上存在传输帧时也确保电容器C3上的电压没有波动。

此外，假设总线由于导体电缆和各种分布装置的电阻而具有随距电源的距离的增大而降低的电压，那么电容器C3具有因齐纳二极管D1的值而降低的经稳定电压，该经稳定电压在总线电压所允许的范围内是可变的。

当正在传输帧时该经稳定值证明是低于最低总线电压值的。借助于晶体管Q2、Q3和Q4，使用电容器C3的电压作为基准电压以实现电压稳定器。

晶体管Q2充当针对Q3和Q4的电流放大器。在本装置被接通时和在控制电路3对引脚9与10之间的V_ASB进行过度吸收的情况下，二极管D2、D3、D4、D5连同晶体管R6和R7以及晶体管Q2、Q3以及Q4一起执行最大电流限制器的功能。如果该电路下游的电路功耗允许的话，可以略去晶体管Q4和电阻器R7。

电容器C4对晶体管Q1的基极起作用，并将它激活与总线上传输的位的正边沿相一致的短暂时段。这使得可以将电容器C5放电到最低程度，以短时段地降低本装置的功耗。

这促成了由所传输的位“0”在总线上产生的过压。该规格采用了Konnex说明书、第8卷系统适应性测试、第5章接收器、段落5.1脉冲-阻抗的形式。

与电容器C3类似，当正在传输帧时，电容器C1具有比总线上给出的电势差(tension)最低值低的稳定电势差。如在上述Konnex说明书中那样，这确保了即使在总线上存在传输帧也将由总线吸收的电流保持在最小变化之内。由于所允许的总线电压操作范围，所述电压值并不具有固定值，而是被包括在某个范围内。

连接在V_ASB控制电路的下游的某些电路(尤其是用于对整个domotic装置进行控制的微控制器)需要值低得多的进一步的电压稳定器，这可以通过市场上存在的开关装置和线性装置来实现。

在图6中，以示例的方式，例示了图3的电流限制电路8的可能的实施例。电流限制电路8包括晶体管Q5，晶体管Q5具有连接到输入引脚2的集电极和通过电阻器R8连接到输入引脚1的发射极。

在Q5的基极与集电极之间连接有晶体管Q6，晶体管Q6的发射极通过电阻器R9连接到引脚1。Q6的基极连接到开关7。

在Q6的基极与引脚1之间设置有与电容器C6并联的3个串联二极管D6、D7、D8和电阻器R10。

晶体管Q5是在本装置正在传输帧时能够吸收总线的电流的功率装置。由按达林顿结构布置的晶体管Q6来控制晶体管Q5。

电阻器R9确保了在没有开关7的命令(开关7断开)时晶体管Q5被切断。电阻器R10另一方面确保了晶体管Q6被切断。

串联的二极管D6、D7和D8构成了电压限制器并防止R8上的电压超过约0.7V。其结果是也限制了R8上的电流(因而限制了在传输过程中由晶体管Q5吸收的电流)。

电容器C6使得Q5的接通和切断边沿变慢，以使其落入Konnex规格内并减小由于总线长度而引起的任何跳动现象。

由电子开关7来控制电流限制电路8。在位“0 ”的电压降处，晶体管Q6的基极被引入到接近于C1上给出的V_ASB电压的值。

晶体管Q6进而对Q5进行控制，由此引脚1与2之间的总线电压V_BUS按照由已充电的C6给出的前沿而下降。作为由晶体管Q5、Q6的基极的电压、由电阻器R8上的电压以及由电子开关7的端子处给出的电压所给出的各种偏移量的结果，V_BUS的值稳定在比V_ASB更大的电压值处。

Q5上的电流进而也受上述电流的限制。结果，如果传输电流超过设定限制，则晶体管Q5减小电压降的振幅。在开关7断开时，利用由于对电容器C6的放电而迟缓的前沿将晶体管Q5和Q6切断。

图7以示例的方式示出了图6的受控开关7的可能的实施例。

电子开关7由串联的PNP型晶体管Q7、电阻器R11以及两个二极管D9和D10组成。

二极管D9和D10执行总线上的电压降与V_ASB电压之间的偏移功能。电阻器R11用于限制Q7上的最大电流。晶体管Q7由传输控制电路5来控制。

图8以示例的方式例示了图7的传输控制电路5的可能的实施例。

传输控制电路5包括微控制器50，通过电压稳定器对微控制器50提供电压V_ASB。为简单起见，未示出微控制器50的电气图，因为可以通过标准商用组件来实现它。

微控制器50生成SEND信号，它通过它的多个输出引脚中的一个来发出该SEND信号作为输出。该SEND信号通过充分耦合电路51来控制晶体管Q8的接通和断开，晶体管Q8进而通过串联连接到其集电极的两个电阻器R13和R12来控制开关7。开关7的晶体管Q7的基极连接在电阻器R13与R12之间。微控制器50与晶体管Q8之间的耦合电路51具有获得Q8的合适的接通和断开速度以及限制Q8的最大接通持续时间的双重功能。

接下来是对耦合电路51的描述。微控制器的SEND引脚连接到两个电容器C7和C8，电容器C7和C8串联连接到与Q8的基极连接的相应电阻器R15和R16。二极管D11并联连接到电阻器R16。电阻器R17具有位于电容器C7与电阻器R15之间的一个端子和连接到二极管D12的另一端子，二极管D12进而连接到Q8的发射极。在Q8的基极与发射极之间设置有电阻器R14。

当SEND信号从低电平切换到高电平时，借助于流过C7和R14的电流将晶体管Q8接通。通过R16对电容器C8进行充电。

计算C7的充电常数，以确保在高电平SEND信号的整个持续时间(通常是35μs)期间晶体管Q8都保持接通。

然而，在发生故障之后在SEND信号保持阻塞高电平的不测情况下，一旦电容器C7被充电，它就切断Q8的基极电流，因此断开了Q8。这确保了对流过电流限制器8的功率晶体管Q5的电流的最大持续时间的保护，否则电流限制器8会损坏。

当SEND信号从高电平切换到低电平时，由于电容器C8(其将基极电荷放空)和电阻器R14，快速地断开了晶体管Q8。同时，由于D12和R17，将C7放电。

除了第一模块100以外，根据本发明的调制解调器还可以包括与图4所示的模块类似的第二模块200。

本调制解调器的第二模块200包括被指定为连接到总线的两个输入引脚11和12，以及被指定为与连接至总线的装置(如双稳态继电器)的电路连接的两个输出引脚16和17。

在输入引脚11与12之间设置有能够对输出引脚16和17的端子处的V_{M_BUS}电压进行控制的V_{M_BUS}控制电路。该V_{M_BUS}控制电路经由接线14连接到设置在输出引脚16与17之间的电容器C2。由此该V_{M_BUS}控制电路将电容器C2保持充电以对引脚16和17的端子处的电压进行控制。

V_{M_BUS}控制电路的目的是为了获得等于总线的平均电压值V_BUS(通常是直流电压值)的经稳定电压，但是不损害或显著干扰所传输的帧。

为了这个目的，必须通过恒流电路将最大吸收电流限制到约1mA。而且这使得它可以落入由针对脉冲阻抗的Konnex测试规格所施加的限制之内。

第二模块200的典型应用是要求特别高的但是非常短时间的开关电流脉冲的双稳态继电器。大小合适的电容器C2存储对继电器进行控制所必需的所有能量。通过电流限制电路来非常缓慢地获得所需的再充电。

通常该电路使得可以提供约1mA的平均功耗的电源电压。由大小合适的电容器C2来保证任何吸收峰值。

图9以示例的方式例示了图4的V_{M_BUS}控制电路的可能的实施例。

在输入引脚11与12之间串联地设置有二极管D13、电阻器R18以及电容器C9。电阻器R19具有连接在R18与C9之间的一个端子和连接到晶体管Q9的另一端子。

Q9的集电极连接在D13与R18之间，并且其发射极经由电阻器R20与连接至输出引脚16的接线14连接。在Q9的发射极与集电极之间连接有二极管D16。

二极管D13确保电流单向地从总线到累积电容器C2。通过R18和C9来获得总线上给出的平均电压值。利用该电压来控制电流限制晶体管Q9。

两个二极管D14和D15提供将R20上的电压限制到约0.7V的电压限制。这也确定了对R20上的电流的限制，由此也确定了对Q9上的电流的限制，即，对由总线获取的电流的限制。二极管D16用于在总线上没有电压并且电容器C2仍然充电的情况下避免在晶体管Q9上产生过高的反向电压。

在不脱离如所附权利要求所阐述的本发明的范围的情况下，可以对本发明的现有实施例作出本领域的技术人员的理解范围内的细节的各种变型和修改。

Claims (16)

1.一种用于建筑物和工业电气系统的总线调制解调器，该总线调制解调器包括模块(100)，该模块(100)包括被指定为连接到总线的一对输入引脚(1、2)，和被指定为与待连接到所述总线的装置的电气电路相连的一对输出引脚(9、10)，该总线调制解调器的特征在于所述模块(100)还包括：

-电压控制电路(3)，其能够从所述总线获取电压并对设置在所述输出引脚(9、10)的端子处的电容器(C1)上的电压(V_ASB)进行控制；和

-能够对电子开关(7)进行控制的传输控制电路(5)，该电子开关(7)对电流限制电路(8)进行控制，该电流限制电路(8)能够在从所述总线向连接到所述总线的所述装置或从连接到所述总线的所述装置向所述总线传输信号的过程中限制所述总线上的电流。

2.根据权利要求1所述的调制解调器，其特征在于所述电压控制电路(3)包括利用连接到所述输入引脚(1、2)的端子的充电电路(31)来充电和稳定化的电容器(C3)，以利用电压稳定电路(30)对所述电容器(C1)上的电压进行控制。

3.根据权利要求2所述的调制解调器，其特征在于所述电容器(C3)的所述充电电路(31)包括连接到电阻分压器(R1、R2)的齐纳二极管(D1)。

4.根据权利要求2或3所述的调制解调器，其特征在于所述电压稳定电路(30)包括至少一个稳定器晶体管(Q3、Q4)，该至少一个稳定器晶体管(Q3、Q4)的发射极经由至少一个电阻器(R6、R7)和至少一个二极管(D2、D3、D4、D5)连接到必须使其上的电压稳定化的所述电容器(C1)。

5.根据权利要求4所述的调制解调器，其特征在于所述电压稳定电路(30)包括电流放大晶体管(Q2)，该电流放大晶体管(Q2)的发射极连接到至少一个稳定器晶体管(Q3、Q4)的基极。

6.根据前述任一权利要求所述的调制解调器，其特征在于所述电压控制电路(3)包括能够降低所述控制电路(3)的功耗的功耗降低电路(32)。

7.根据权利要求6所述的调制解调器，其特征在于所述功耗降低电路(32)包括经由电阻分压器(R3、R4)连接到晶体管(Q1)的电容器(C4)，该晶体管(Q1)的集电极经由电阻器(R5)连接到与所述电压被稳定的电容器(C3)相连的电容器(C5)。

8.根据前述任一权利要求所述的调制解调器，其特征在于所述电流限制电路(8)包括受极化电路控制的带有连接到所述一对输入引脚(1，2)的发射极和集电极的功率晶体管(Q5)，该极化电路能够限制所述功率晶体管(Q5)的基极与发射极之间的电压。

9.根据权利要求8所述的调制解调器，其特征在于所述功率晶体管(Q5)的所述极化电路包括具有达林顿结构的晶体管(Q6)和位于所述晶体管(Q6)与所述输入引脚(1)之间的与电阻器(R10)和电容器(C6)并联的至少一个二极管(D6、D7、D8)。

10.根据前述任一权利要求所述的调制解调器，其特征在于所述电子开关(7)包括晶体管(Q7)，其中所述晶体管(Q7)的基极连接到所述传输控制电路(5)并且所述晶体管(Q7)的发射极和集电极分别连接到所述电流限制电路(8)和所述模块(100)的一输出引脚(9)。

11.根据权利要求10所述的调制解调器，其特征在于在所述开关(7)的所述晶体管(Q7)的集电极与所述模块(100)的所述输出引脚(9)之间设置有与至少一个二极管(D10、D9)串联的电阻器(R11)。

12.根据前述任一权利要求所述的调制解调器，其特征在于所述传输控制电路(5)包括能够向所述开关(7)发送控制信号(SEND)的微控制器(50)。

13.根据权利要求12所述的调制解调器，其特征在于所述传输控制电路(5)包括其集电极连接到所述开关(7)的晶体管(Q8)，和将所述晶体管(Q8)的基极耦合到所述微控制器(50)的耦合电路(51)。

14.根据前述任一权利要求所述的调制解调器，其特征在于其包括第二模块(200)，该第二模块(200)包括：

-被指定为连接到所述总线的一对输入引脚(11，12)，

-被指定为与待连接到所述总线的装置的电气电路连接的一对输出引脚(16、17)，以及

-电压控制电路(13)，其能够从所述总线获取电压并对设置在所述输出引脚(16，17)的端子处的电容器(C2)上的电压(V_{M_BUS})进行控制。

15.根据权利要求14所述的调制解调器，其特征在于所述电压控制电路(13)包括能够从所述总线获取电流并将该电流发送给所述第二模块(200)的所述输出引脚(16、17)的晶体管(Q9)。

16.根据权利要求15所述的调制解调器，其特征在于所述电压控制电路(13)包括串联地设置在所述输入引脚(11，12)的端子处的二极管(D13)、电阻器(R18)以及电容器(C9)，并且其中在所述晶体管(Q9)的基极与发射极之间至少设置有二极管(D14，D15)和电阻器(R20)，并且在所述晶体管(Q9)的发射极与集电极之间有二极管(D16)。

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