CN102496904B - 一种自供电通讯总线短路保护方法 - Google Patents

Abstract

一种自供电通讯总线短路保护方法，用于由管理设备通过通讯总线给被管理设备供电的通讯系统内的总线线路短路、通讯总线连接的被管理设备内部短路的故障保护，包括：总线取电电源模块、继电器、信号采集、处理模块、继电器控制模块，继电器采用双刀双执型继电器，系统上电时，自供电通讯总线的短路保护器保持后级通讯总线与输入通讯总线隔离的状态，利用从总线上获取的能源所提供的采样点电平与预先设定阈值电平比较，判断后级总线是否存在短路的情况，如后级总线短路，则直接将短路点旁路；如不短路，则切换继电器的触点，连通后级通讯总线与输入通讯总线，对于上电以后的后级总线短路采用分压网络测量，具有响应速度快，稳定的特点。

Description

一种自供电通讯总线短路保护方法

技术领域：

本发明涉及一种自供电通讯总线短路保护方法，适用于由管理设备通过通讯总线给被管理设备供电的通讯系统内的总线线路短路、通讯总线连接的被管理设备内部短路的故障保护，尤其是M-BUS通讯总线、带供电的四线RS-485通讯总线系统内的总线线路短路、被管理设备内部短路的通讯总线短路的故障保护，特别是M-BUS通讯总线、带供电的四线RS-485通讯总线的无源数传式水表、气表、电表抄表系统、及其他报警、监控设备管理系统的通讯总线短路的故障保护。

背景技术：

近几年，随着技术的发展，无源数传式水表、气表、电表抄表系统、及其他报警、监控设备管理系统得到了广泛的运用，通讯系统采用符合EN1343-3标准的Meter-BUS总线，简称M-BUS通讯总线网络、或者带电压供给的四线RS-485通讯总线网络，管理设备通过通讯总线连接若干个被管理设备，并通过通讯总线对被管理设备供电，统称为“自供电通讯总线”，自供电通讯总线网络在使用过程中，经常出现由于通讯总线的某个位置短路或连接若干个被管理设备中的某一个被管理设备短路，导致整个系统瘫痪，且为了寻找短路点，需对线路一段、一段的排查，工作量非常大，严重影响了技术的推广与使用。

发明内容：

本发明的设计目的是：一种自供电通讯总线短路保护方法，用于由管理设备通过通讯总线给被管理设备供电的通讯系统内的总线线路短路、通讯总线连接的被管理设备内部短路的故障保护，尤其是M-BUS通讯总线、带供电的四线RS-485通讯总线系统内的总线线路短路、被管理设备内部短路的通讯总线短路的故障保护，使采用该方法设计的通讯网络系统具有短路保护功能，使得短路保护点前的通讯网络系统不受短路点的影响，且能定位通讯网络系统的短路点位置，使得短路故障排查简单，工作量大大降低。

本发明所提供的自供电通讯总线短路保护方法，包括：总线取电电源模块、继电器、信号采集、处理模块、继电器控制模块，其中继电器采用双刀双执型继电器，总线取电电源模块包含有至少一颗储能电容，本发明为实现上述目的，基础方案为：

通讯总线上电时，总线取电电源模块从总线上获取电能，作为自供电通讯总线短路保护器的系统电源，电源+定义为：Vcc，电源-定义为：GND，取样电阻R1连接Vcc，继电器的初始触点状态为：K1连接取样电阻R1，连接点定义为：Vin1；K2连接GND，取样点Vin1输入到信号采集、处理模块，设通讯总线后级线路短路与非短路的比较阀值电平为Vref1，当Vin1低于Vref1时，判断为后级通讯总线短路，继电器的触点方向维持初始状态，切断后级通讯总线与输入通讯总线的连接；当Vin1高于Vref1时，判断为后级通讯总线不短路，启动继电器控制模块，改变继电器的触点方向，K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2，连通后级通讯总线与输入通讯总线；为了判断在通讯过程中的后级通讯总线是否短路，串联电阻网络R2、R3、R4，R2连接通讯总线的输入端，R4连接GND，R2和R3的连接点提供了第二个采样点，定义为：Vin2，并设定对应第二个采样点Vin2，判断总线的后级线路短路与非短路的比较阀值电平为Vref2，当Vin2高于Vref2时，后级通讯总线不短路，继电器的触点方向维持K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2的模式；当Vin2低于Vref2时，后级通讯总线短路，启动继电器控制模块，使继电器的触点方向切换到K1连接取样电阻R1，K2连接GND，的初始状态，并启用初始状态判别；在串联电阻网络R2、R3、R4的R3和R4的连接点提供了第三个采样点，定义为：Vin3，第三个采样点用于判断通讯总线是否掉电，设定对应第三个采样点Vin3，判断总线是否掉电的比较阀值电平为Vref3，当Vin3高于Vref3时，通讯总线没有发生掉电的情况，继电器的触点方向维持K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2的模式；当Vin3低于Vref3时，通讯总线掉电，启动继电器控制模块，使继电器的触点方向切换到K1连接取样电阻R1，K2连接GND，的初始状态，等待重新上电，并启用初始状态判别。

判断在通讯过程中的后级通讯总线是否短路与判断通讯总线是否掉电的取样电平Vin，与比较阀值电平为Vref可统一为同样一组值，可进一步简化电路与简化运算处理。

在后级通讯总线短路与通讯总线掉电的情况下，继电器的控制能源为储能电容储存的能量。

本发明的信号采集、处理模块有两种实施方式，一种为采用模拟比较器电路和门电路结合完成；另一种是直接选用内置ADC，或ADC加模拟比较器模块的单片机完成信号采集、处理。

为降低依照本发明实施的自供电通讯总线短路保护器自身功耗，继电器采用自保持继电器，该继电器的特点是只有在动作的瞬间需要耗电，动作完成后，不需要消耗电能维持继电器的状态。

本发明优点在于：

1、通讯总线上电时，不直接供给后级总线，由本发明实施的自供电通讯总线短路保护器，判断是否合适供给后级总线，对通讯系统无冲击，有效的保护了通讯系统设备。

2、依照本发明实施的自供电通讯总线短路保护器，响应速度快，器件少，成本低。

图1：本发明实施例M-BUS总线管理设备发送信号示意图。

图2：本发明实施例M-BUS通讯总线实施例电原理示意图。

图3：本发明实施例RS-485通讯总线实施例电原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图，对本发明做进一步的说明：

首先说明M-BUS通讯总线系统的例证：

如图1所示：对本实施例所涉及的M-BUS总线管理设备发送信号简易描述，在图中，所给定的主机传输信号为较常见的电压值，管理设备传号(维持高电平、或发送逻辑“1”信号)的电压：Vmark＝20.8V-42V，管理设备空号(发送逻辑“0”信号)的电压：Vspace＝Vmark-10V。

在例证中：假定M-BUS总线管理设备的发送信号传输到M-BUS总线从机设备无衰减，假设Vmark＝30V，Vspace＝20V，。

结合图2，具体分析本是发明的具体实施方式，M-BUS通讯总线的短路保护器，包括：单片机系统、总线输入模块、总线取电电源模块、继电器、继电器控制模块，其中单片机内置有多路ADC模块，即模数转换器模块、或者同时内置有多路ADC模块和模拟比较器模块，总线输入模块包含桥式整流电路，电阻分压电路，电容储能及隔离电路；总线取电电源模块输出的电源+定义为Vcc，电源-定义为GND。继电器采用双刀双执型继电器，继电器的一组触点连接M-BUS通讯总线BUSL1、BUSL2，另一组触点连接取样R1、GND，取样电阻R1另一端连接Vcc，R1连接继电器的引脚同时输入单片机的一路ADC输入端口Vin1；M-BUS通讯总线同时连接整流桥B1，B1的输出端与GND之间连接串联电阻网络R2、R3、R4，B1的输出端连接隔离二极管D1，D1的负端与GND之间跨接一颗储能电容C1，R2、R3之间的连接引脚输入单片机的路ADC输入端口Vin2，R3、R4之间的连接引脚输入单片机的一路ADC输入端口Vin3。

假设：Vcc取值5V，R1取值47K欧、R2取值220K欧、R3取值10K欧、R4取值30K欧，Vin1对应的Vref1取值为2.5V，Vin2对应的Vref2取值为1.54V，此时总线输入到整流桥B1后的电压为10V，Vin3对应的Vref3取值为1.04V，此时总线输入到整流桥B1后的电压为9V。

工作流程为：

1、通讯总线上电时，总线取电电源模块从总线上获取电能，作为M-BUS通讯总线短路保护器的系统电源，电源+定义为：Vcc，电源-定义为：GND，假设Vcc＝5V，取样电阻R1连接Vcc，假设取样电阻取值为47K欧，继电器的初始触点状态为：K1连接取样电阻R1，连接点定义为：Vin1；K2连接GND，取样点Vin1输入到单片机的一路ADC输入端口，设通讯总线后级线路短路与非短路的比较阀值电平为Vref1，当Vin1低于Vref1时，判断为后级通讯总线短路，继电器的触点方向维持初始状态，切断后级通讯总线与通讯总线的连接；当Vin1高于Vref1时，判断为后级通讯总线不短路，启动继电器控制模块，改变继电器的触点方向，K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2，连通后级通讯总线与通讯总线；

2、为了判断在通讯过程中的后级通讯总线是否短路，串联电阻网络R2、R3、R4，R2连接M-BUS通讯总线的输入端，R4连接GND，R2和R3的连接点提供了第二个采样点，定义为：Vin2，并设定对应第二个采样点Vin2，判断总线的后级线路短路与非短路的比较阀值电平为Vref2，当Vin2高于Vref2时，后级通讯总线不短路，继电器的触点方向维持K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2的模式；当Vin2低于Vref2时，后级通讯总线短路，启动继电器控制模块，使继电器的触点方向切换到K1连接取样电阻R1，K2连接GND，的初始状态，并启用初始状态判别；在串联电阻网络R2、R3、R4的R3和R4的连接点提供了第三个采样点，定义为：Vin3，第三个采样点用于判断通讯总线是否掉电，设定对应第三个采样点Vin3，判断总线是否掉电的比较阀值电平为Vref3，当Vin3高于Vref3时，通讯总线没有发生掉电的情况，继电器的触点方向维持K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2的模式；当Vin3低于Vref3时，通讯总线掉电，启动继电器控制模块，使继电器的触点方向切换到K1连接取样电阻R1，K2连接GND，的初始状态，等待重新上电，并启用初始状态判别。

再结合图3，说明RS-485通讯总线系统的例证：

先假设RS-485总线管理设备的供电总线输出电压VDD＝12V，经线路衰减后RS-485通讯总线的短路保护器的输入电压为10V，RS-485总线管理设备的供电总线输入到RS-485通讯总线的短路保护器的掉电与RS-485通讯总线的短路保护器后级短路的响应电压为6V，R1、R5取值47K欧，R2取值40K，R3取值10K欧。

结合图1，具体分析本是发明的具体实施方式，本发明所提供的RS-485通讯总线的短路保护器，包括：单片机系统、总线输入模块，通讯接口模块、总线取电电源模块、继电器、继电器控制模块，其中单片机内置有多路ADC模块，即模数转换器模块、或者同时内置有多路ADC模块和模拟比较器模块，总线输入模块包含电阻分压电路，电容储能及隔离电路；总线取电电源模块输出的电源+定义为Vcc，电源-定义为GND；继电器采用双刀双执型继电器，四线RS-485通讯总线中的供电总线与RS-485信号总线的A、B线分别独立使用一个继电器，其中对应四线RS-485通讯总线中的供电总线的继电器1的连接方法为：继电器1的一组触点连接供电总线的VDD、GND，另一组触点连接取样R1、GND，取样电阻R5另一端连接Vcc，R1连接继电器1的引脚同时输入单片机的一个ADC模块端口Vin1，四线RS-485通讯总线的供电总线在输出端VDD与GND之间连接串联电阻网络R2、R3，VDD的输入端连接隔离二极管D1，D1的负端与GND之间跨接一颗储能电容C1，R2、R3之间的连接引脚输入单片机的一个ADC模块端口Vin2；其中对应RS-485总线的继电器2的连接方法为：继电器2的一组触点连接RS-485通讯总线的485-A、485-B，另一组触点连接取样R5、GND，取样电阻R5另一端连接Vcc，R1连接继电器的引脚同时输入单片机的一个ADC模块端口Vin4。

其电气工作原理为：

通讯总线上电时，总线取电电源模块从总线上获取电能，作为RS-485通讯总线短路保护器的系统电源，电源+定义为：Vcc，电源-定义为：GND，设Vcc为5V，取样电阻R1连接Vcc，继电器1的初始触点状态为：K1连接取样电阻R1，连接点定义为：Vin1；K2连接GND，取样点Vin1输入到单片机的一路ADC输入端口，设通讯总线后级线路短路与非短路的比较阀值电平为Vref1，假设Vref1为2.5V，当Vin1低于Vref1时，判断为后级通讯总线短路，继电器1的触点方向维持初始状态，切断后级通讯总线与输入通讯总线的连接；当Vin1高于Vref1时，判断为后级通讯总线不短路，启动继电器控制模块，改变继电器1的触点方向，K1连接四线RS-485通讯总线中供电总线的VDD，K2连接通讯总线GND，连通后级通讯供电总线与输入通讯供电总线；

2、为了判断在通讯过程中的后级通讯总线是否短路或供电总线是否掉电，串联电阻网络R2、R3，R2连接通讯供电总线的输入端，R3连接GND，R2和R3的连接点提供了第二个采样点，定义为：Vin2，并设定对应第二个采样点Vin2，判断总线的后级供电线路短路与非短路，或四线RS-485通讯总线中供电总线是否掉电的比较阀值电平为Vref2，例证中R2取值40K，R3取值10K，对于6V的额定值的Vref2，取值为1.2V，当Vin2高于Vref2时，后级通讯供电总线不短路，继电器1的触点方向维持K1连接通讯供电总线VDD，K2连接输入通讯供电总线GND的模式；当Vin2低于Vref2时，后级通讯供电总线短路，启动继电器1控制模块，使继电器1的触点方向切换到K1连接取样电阻R1，K2连接GND，的初始状态，并启用初始状态判别。

3、由于四线RS-485通讯总线除两条供电总线外，还有两条信号总线，信号总线短路同样影响整个系统的运行，本发明采用继电器2控制信号总线的切换，具体原理是：取样电阻R5连接Vcc，Vcc同样为5V，继电器2的初始触点状态为：K1连接取样电阻R5，连接点定义为：Vin4；K2连接GND，取样点Vin4输入到单片机的一路ADC输入端口，设通讯总线后级线路短路与非短路的比较阀值电平为Vref4，Vref4同样设定为2.5V，当Vin4低于Vref4时，判断为后级通讯信号总线短路，继电器2的触点方向维持初始状态，切断后级通讯总线与输入通讯总线的连接，同时继电器1需要维持触点连接取样R1、GND的状态；当Vin1高于Vref1时，判断为后级通讯信号总线不短路，启动继电器控制模块，改变继电器2的触点方向，K1连接四线RS-485通讯总线中信号总线的485-A，K2连接通讯信号总线485-B，连通后级通讯信号总线与通讯信号总线；

4、四线RS-485通讯总线中的信号总线的短路判别的等级优先与供电总线的短路判别，一旦信号总线短路，将不再连通后级总线。

5、在后级通讯总线短路与通讯总线掉电的情况下，继电器的控制能源为储能电容C1储存的能量。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，如单片机的选用不同、ADC取样顺序不同等等，但凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种自供电通讯总线短路保护方法，用于由管理设备通过通讯总线给被管理设备供电的通讯系统内的总线线路短路、通讯总线连接的被管理设备内部短路的故障保护，包括：总线输入模块、总线取电电源模块、继电器、信号采集、处理模块、继电器控制模块，其特征为：总线输入模块包含电阻分压电路，储能电容及隔离电路；继电器采用双刀双执型继电器，总线取电电源模块包含有至少一颗储能电容；通讯总线上电时，总线取电电源模块从总线上获取电能，作为自供电通讯总线短路保护器的系统电源，电源+定义为：Vcc，电源-定义为：GND，取样电阻R1连接Vcc，继电器的初始触点状态为：K1与取样电阻R1的连接点定义为取样点Vin1；K2连接GND，取样点Vin1输入到信号采集、处理模块，设通讯总线后级线路短路与非短路的比较阀值电平为Vref1，当Vin1低于Vref1时，判断为后级通讯总线短路，继电器的触点方向维持初始状态，切断后级通讯总线与输入通讯总线的连接；当Vin1高于Vref1时，判断为后级通讯总线不短路，启动继电器控制模块，改变继电器的触点方向，K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2，连通后级通讯总线与输入通讯总线；

为了判断在通讯过程中的后级通讯总线是否短路，使用串联电阻网络R2、R3、R4，R2连接通讯总线的输入端，R4连接GND，其中M-BUS通讯总线连接整流桥B1，B1的输出端与GND之间连接串联电阻网络R2、R3、R4，R2、R3之间的连接引脚输入单片机的一路ADC输入端口Vin2，R3、R4之间的连接引脚输入单片机的另一路ADC输入端口Vin3；R2和R3的连接点提供了第二个采样点，定义为：Vin2，并设定对应第二个采样点Vin2，判断总线的后级线路短路与非短路的比较阀值电平为Vref2，当Vin2高于Vref2时，后级通讯总线不短路，继电器的触点方向维持K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2的模式；当Vin2低于Vref2时，后级通讯总线短路，启动继电器控制模块，使继电器的触点方向切换到K1连接取样电阻R1、K2连接GND的初始状态，并启用初始状态判别；在串联电阻网络R2、R3、R4的R3和R4的连接点提供了第三个采样点，定义为：Vin3，第三个采样点用于判断通讯总线是否掉电，设定对应第三个采样点Vin3，判断总线是否掉电的比较阀值电平为Vref3，当Vin3高于Vref3时，通讯总线没有发生掉电的情况，继电器的触点方向维持K1连接通讯总线BUSL1，K2连接通讯总线BUSL2的模式；当Vin3低于Vref3时，通讯总线掉电，启动继电器控制模块，使继电器的触点方向切换到K1连接取样电阻R1、K2连接GND的初始状态，等待重新上电，并启用初始状态判别。

2.根据权利要求1所述的自供电通讯总线短路保护方法，其特征在于：判断在通讯过程中的后级通讯总线是否短路与判断通讯总线是否掉电的取样电平Vin，与比较阀值电平为Vref统一为同样一组数值。

3.根据权利要求1或2所述的自供电通讯总线短路保护方法，其特征在于：在后级通讯总线短路与通讯总线掉电的情况下，继电器的控制能源为储能电容储存的能量。

4.根据权利要求3所述的自供电通讯总线短路保护方法，其特征在于：信号采集、处理模块有两种实施方式，一种为采用模拟比较器电路和门电路结合完成；另一种是直接选用内置ADC，或ADC加模拟比较器模块的单片机完成信号采集、处理。

5.根据权利要求4所述的自供电通讯总线短路保护方法，其特征在于：继电器采用自保持继电器。