CN101943901B - 非接触式485总线数据在线监听装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式485总线数据在线监听装置，主要解决现有检测装置易干扰被测系统正常工作的问题。它由非接触探头(102)、电荷放大器(103、104)、减法器(105)、正向比较器(106)、负向比较器(107)和R-S触发器(108)组成。其中电荷放大器(103、104)和减法器(105)构成差分式电荷放大器。该装置利用电磁耦合原理耦合出485总线(101)的近场辐射信号，通过所述电路恢复出被测总线所传输的数据流，完成监听过程。具有操作简单，安全，无需停机，不影响系统的工作，可在线监听的优点。可用于在分布式测控系统、自动控制系统、楼宇自动化等领域的系统测试、调试和故障诊断。

Description

非接触式485总线数据在线监听装置

技术领域

本发明属于电路技术领域，涉及一种测试/故障诊断装置，可用于对485总线数据流的非接触式在线监听。

背景技术

485总线是最常用的工业标准总线之一，被广泛应用在工业自动化、分布式测控系统、楼宇自动化、机电一体化设备、矿用设备等领域。

在485总线系统测试/故障诊断过程中，现有的方法是采取第三方监听的方法，即采用一台专门的计算机或串口记录设备对总线上的数据进行监听和记录。通过对数据流的分析判断出数据误码、帧格式错误、响应超时等故障，从而对故障设备进行定位。现有的这种监听方法的连接方式由于采用直连式，监听装置与总线之间有电气连接，因而存在以下缺点：

首先，在测试过程中需要将监听设备并联在原有的485总线网络中，出于安全性考虑，在总线上并联接入设备的操作一般需要在断电后进行，将会造成系统的短暂停止工作，这在很多工业现场是不允许的。

其次，485总线设备的负载能力有限，在总线上接入额外的设备，会对信号质量造成影响，从而可能在某些场合导致额外的误码。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种非接触式的485总线数据在线监听装置，以消除监听装置与总线之间的电气连接，实现在不停机的情况下对总线上的数据进行安全监听和记录。

为实现上述目的，本发明的非接触式485总线数据在线监听装置，包括：

非接触式探头，用于感应被测数字信号附近的空间电场变化，从而耦合出总线上的信号；

两个电荷放大器，分别与非接触探头的两个输出端连接，用于对耦合出的总线上信号进行放大，输出给减法器；

减法器，用于获得两个电荷放大器差分数据线间电场的相对变化量，并分别在485数据0/1跳变时刻输出一个正向单脉冲，在1/0跳变时刻输出一个负向单脉冲同时给正向比较器和负向比较器；

正向比较器，用于将减法器输出信号中的正向单脉冲信号与设定的正门限电压进行比较，输出一个与被测数据0/1跳变同时刻的TTL方波脉冲给R-S触发器；

负向比较器，用于将减法器输出信号中的负向单脉冲信号与设定的负门限电压进行比较，输出一个与被测数据1/0跳变同时刻的TTL方波脉冲给R-S触发器；

R-S触发器，用于在所述的两个比较器输出TTL方波脉冲信号的触发下，产生与被测数据流一致的触发信号，完成非接触在线监听功能。

所述的非接触式探头与电荷放大器之间，通过同轴电缆连接；该非接触式探头，包括2块耦合板、2块玻璃绝缘板和2块屏蔽板，玻璃绝缘板附于耦合板上，紧贴在被测电缆的外皮上，与电缆无电气接触；耦合板固定在屏蔽板上，两者之间绝缘；屏蔽板上设有485总线，屏蔽板与同轴缆屏蔽层连接，耦合板分别与同轴缆芯线连接。

所述的两个电荷放大器由两个运算放大器，反馈电阻和反馈电容组成；减法器由运算放大器和外围电阻组成；两个电荷放大器分别通过外围电阻与减法器的负端和正端连接，构成差分式电荷放大器，以对非接触式探头输出的微弱信号进行提取与放大。

所述的正向比较器的输出端与R-S触发器的S端连接，负向比较器的输出端与R-S触发器的R端连接；正向比较器的同向输入端和负向比较器的反向输入端同时与减法器的输出端连接。

本发明具有如下优点：

1.由于采用了基于近场辐射的非接触探头，通过电场耦合原理隔着电缆绝缘外皮获取数据流，保证了整个监听和测试过程中，无需断开被测网络、接入监听设备等繁琐过程，操作简单方便，可实现在线监听；

2.由于采用了上述电路结构，能够从485总线两条差分数据线的电磁辐射中提取其中所包含的信息，保证了基于近场辐射的非接触式测试方法可以应用于485总线的非接触检测中。

3.整个测试过程由于不存在电气接触，与被测试系统本质上隔离，所以保证了设备安全，并且在不影响被测485网络工作的前提下安全的进行监听。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

附图说明

图1是本发明实施例原理示意框图；

图2是本发明非接触探头结构示意框图；

图3是本发明差分式电荷放大器的结构示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明的485总线数据在线监听装置由被测485电缆101、非接触探头102、电荷放大器103和104、减法器105、正向比较器106、负向比较器107和R-S触发器108构成。其中：

被测485电缆101由D+数据线、D-数据线两条数据线组成，所传输的数据为两条数据线所传信号的差分值。

非接触探头102，结构如图2，它由被测485电缆D+线芯线201、被测485电缆D+线绝缘外皮202、被测485电缆D-线芯线203、被测485电缆D-线绝缘外皮204、屏蔽层205、D+玻璃绝缘板206、D+线耦合板207、D-玻璃绝缘板208、D-线耦合板209和同轴缆210组成；该D+线耦合板207和D-线耦合板209分别正对被测485电缆D+线芯线201和被测485电缆D-线芯线203；玻璃绝缘板206和208附于耦合板上，紧贴在被测电缆的外皮202和204上，与电缆无电气接触；玻璃的介电常数可达到4～7，可增强耦合电容的电容值；耦合板207和209固定在屏蔽板205B上，两者之间绝缘。

屏蔽层205与同轴缆210的屏蔽层连接；耦合板207和209分别与同轴缆芯线210A和210B连接；非接触式探头102与电荷放大器103和104之间，通过同轴电缆210连接。

电荷放大器103，104和减法器105的结构如图3，电荷放大器203和204分别由运算放大器303和304，反馈电阻R_F1、R_F2和反馈电容C_F1、C_F2组成；减法器205由运算放大器305和外围电阻R₁、R₂、R₃、R₄组成；由于485总线传输信号的速率不高，所以上述运算放大器303，304和305均采用带宽较窄的TL082，但不局限于此芯片；运算放大器303和304分别通过外围电阻R₁、R₂与运算放大器305的负端和正端连接，构成差分式电荷放大器，以对非接触式探头输出的微弱信号进行提取与放大。

正向比较器106的输出端与R-S触发器108的S端连接，负向比较器107的输出端与R-S触发器108的R端连接；正向比较器106的同向输入端和负向比较器107的反向输入端同时与减法器105的输出端连接；正向比较器106的反向输入端连接正门限电压，负向比较器107的正向输入端连接负门限电压。

该实施例的非接触式在线监听装置工作原理如下：

待测485总线101上正在传输某数据流信号，利用两个平板天线所构成的非接触式探头102与两根数据线之间构成耦合电容；其中485总线的D+线上的信号被探头耦合送入电荷放大器103，D-线上的信号被耦合送入电荷放大器104；从电荷放大器103、104输出的信号送入减法器105，取两者信号的差值；在原始数据0/1跳变时刻减法器105将输出一个正向单脉冲，在原始数据1/0跳变时刻减法器105将输出一个负向单脉冲。

0/1跳变检测的工作过程如下：正向单脉冲通过比较器106与正门限电压比较，得到一个TTL高电平脉冲，其上升沿时刻与原始数据流的0/1跳变时刻相同；1/0跳变检测的工作过程如下：负向单脉冲通过比较器107与负门限电压比较，输出一个TTL高电平脉冲，其上升沿时刻与原始数据流的1/0跳变时刻相同。

其中，正门限电压，按如下公式设置：

$U_{\mathrm{th}1}=\frac{U_{N1}+U_{o1}{|}_{t=0}}{2}$

式中，U_N1为485总线中D-线信号耦合到耦合板207所产生的串扰电压，U_o1|_t＝0为减法器105输出信号的上升沿脉冲电压的最大值，U_th1为正门限电压。

负门限电压，按如下公式设置：

$U_{\mathrm{th}2}=\frac{U_{N2}+U_{o2}{|}_{t=0}}{2}$

式中，U_N2为485总线中D+线信号耦合到耦合板209所产生的串扰电压，U_o2|_t＝0为减法器105输出信号的下降沿脉冲电压的最大值，U_th2为负门限电压。

该组判决门限保证不会因串扰导致误码，同时留有最大的噪声容限。

由正向比较器106输出的脉冲信号送入R-S触发器108的S端；负向比较器107输出的脉冲信号送入R-S触发器108的R端，最终从R-S触发器108的Q端输出的数据流与原始数据流完全一致。

恢复的信号输送到后续的常规串口数据监听系统中，如PC机或数据记录仪器，完成非接触式的485总线在线监听，本装置所输出的信号数据与被测总线上所传输的数据相同，完全可以直连入串口数据检测设备上，能与传统的测试系统兼容。

该实施例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制。

Claims (6)

1.一种非接触式的485总线数据在线监听装置，其特征在于包括：

非接触式探头(102)，用于感应被测数字信号附近的空间电场变化，从而耦合出总线上的信号；

第一和第二电荷放大器(103、104)，分别与非接触探头(102)的两个输出端连接，用于对耦合出的总线上信号进行放大，输入给减法器(105)；

减法器(105)，用于获得第一和第二电荷放大器差分数据线间电场的相对变化量，并分别在485数据0/1跳变时刻输出一个正向单脉冲，在1/0跳变时刻输出一个负向单脉冲同时给正向比较器和负向比较器；

正向比较器(106)，用于将减法器输出信号中的正向单脉冲信号与设定的正门限电压进行比较，输出一个与被测数据0/1跳变同时刻的TTL方波脉冲给R-S触发器；

负向比较器(107)，用于将减法器输出信号中的负向单脉冲信号与设定的负门限电压进行比较，输出一个与被测数据1/0跳变同时刻的TTL方波脉冲给R-S触发器；

R-S触发器(108)，用于在所述的两个比较器输出TTL方波脉冲信号的触发下，产生与被测数据流一致的触发信号，完成非接触在线监听功能；

所述非接触式探头(102)，它包括被测485电缆D+线芯线(201)、被测485电缆D+线绝缘外皮(202)、被测485电缆D-线芯线(203)、被测485电缆D-线绝缘外皮(204)、第一和第二屏蔽层(205)、D+玻璃绝缘板(206)、D+线耦合板(207)、D-玻璃绝缘板(208)、D-线耦合板(209)、第一和第二同轴电缆(210)；该D+线耦合板(207)和D-线耦合板(209)分别正对被测485电缆D+线芯线(201)和被测485电缆D-线芯线(203)；D+玻璃绝缘板(206)和D-玻璃绝缘板(208)分别附于D+线耦合板(207)和D-线耦合板(209)上，并分别紧贴在被测485电缆的D+线绝缘外皮(202)和被测485电缆D-线绝缘外皮(204)上，与被测485电缆无电气接触；第一和第二屏蔽层(205)分别包括第一和第二屏蔽板(205B)、D+线耦合板(207)和D-线耦合板(209)分别固定在第一和第二屏蔽板(205B)上，并与第一和第二屏蔽板之间绝缘；第一和第二屏蔽层(205)分别与第一和第二同轴电缆(210)的屏蔽层连接；D+线耦合板(207)和D-线耦合板(209)分别与第一同轴电缆芯线(210A)和二同轴电缆芯线(210B)连接。

2.根据权利要求1所述的在线监听装置，其特征在于非接触式探头(102)与第一和第二电荷放大器(103、104)之间，通过第一和第二同轴电缆(210)连接。

3.根据权利要求1所述的在线监听装置，其特征在于第一电荷放大器(103)由第一运算放大器(303)、反馈电阻R_F1和反馈电容C_F1组成；第二电荷放大器(104)由第二运算放大器(304)、反馈电阻R_F2和反馈电容C_F2组成；减法器(105)由第三运算放大器(305)和外围电阻R₁、R₂、R₃、R₄组成；第一运算放大器(303)、第二运算放大器(304)分别通过外围电阻R₁、R₂与第三运算放大器(305)的负端和正端连接，构成差分式电荷放大器，以对非接触式探头输出的微弱信号进行提取与放大。

4.根据权利要求1所述的在线监听装置，其特征在于正门限电压，按如下公式设置：

$U_{\mathrm{th}1}=\frac{U_{N1}+U_{o1}{|}_{t=0}}{2}$

式中，U_N1为485总线中D-线信号耦合到D+线耦合板(207)所产生的串扰电压，U_o1|_t＝0为减法器(105)输出信号的上升沿脉冲电压的最大值，U_th1为正门限电压。

5.根据权利要求1所述的在线监听装置，其特征在于负门限电压，按如下公式设置：

$U_{\mathrm{th}2}=\frac{U_{N2}+U_{o2}{|}_{t=0}}{2}$

式中，U_N2为485总线中D+线信号耦合到D-耦合板(209)所产生的串扰电压，U_o2|_t＝0为减法器(105)输出信号的下降沿脉冲电压的最大值，U_th2为负门限电压。

6.根据权利要求1所述的在线监听装置，其特征在于正向比较器(106)的输出端与R-S触发器(108)的S端连接，负向比较器(107)的输出端与R-S触发器(108)的R端连接；正向比较器(106)的同向输入端和负向比较器(107)的反向输入端同时与减法器(105)的输出端连接。

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