CN102866686B - 带方向检测的非接触式485总线在线监听装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带方向检测的非接触式485总线在线监听装置，主要解决现有检测装置易干扰被测系统正常工作以及无法检测数据传输方向的问题。它由非接触式电磁探头（102）、电场信号处理电路（1）、磁场信号处理电路（2）和数据传输方向提取电路（3）构成。该装置利用电磁耦合原理通过非接触式电磁探头（102）耦合出485总线的电场和磁场辐射信号，这两信号分别输出给电场信号处理电路（1）和磁场信号处理电路（2）后再通过数据传输方向提取电路（3），在恢复出被测485总线数据流的同时实现数据传输方向的检测功能。具有在线监听、操作简单，安全的优点，可用于系统测试、调试和故障诊断。
Description
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，可实现在对485总线数据流监听的同时，检测出数据传输方向。
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，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、相应超时等故障，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，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，处于安全性考虑，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。
再次，一些低成本系统中大多没有预留测试端口，为了进行测试必须破坏485总线的绝缘层，这种不可恢复的破坏将影响系统的安全性。
在专利文献《非接触式485总线数据在线监听装置》（公开号：101943901A）中公开了一种在线、非接触的485总线数据监听方法，在其所述的测试方法中使用的非接触探头结构类似于一个夹具，测试时需将485差分双绞线分别置于夹具的两个导线槽中然后拧紧夹具，这种装置虽然可实现数据流的监听，但操作不够简便，而且无法检测出数据传输方向这一很重要的信息。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种带方向检测的非接触式485总线在线监听装置，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和数据传输方向同时进行安全监听和记录。
为实现上述目的，本发明的带方向检测的非接触式485总线在线监听装置，探头采用非接触式电磁探头102，信号处理电路包括电场信号处理电路1、磁场信号处理电路2和数据传输方向提取电路3；
所述的非接触式电磁探头102，置于485总线两根差分传输线之间，同时感应出电场信号和磁场信号，分别输出给电场信号处理电路1和磁场信号处理电路2；
所述电场信号处理电路1对电场信号依次进行变换、放大、整形和提取，输出485总线的数据信号4；
所述磁场信号处理电路2对磁场信号依次进行变换、放大、整形和提取，输出表征485总线间磁场方向变化的脉冲信号5；
所述数据信号4和脉冲信号5同时输入给数据传输方向提取电路3，通过异或、滤波、边沿处理得到数据传输方向信号。
作为优选，所述的非接触式电磁探头102，包括两块电场耦合板201、207、绝缘层202、带缝隙的电场屏蔽层203、铁氧体磁芯204和磁场耦合线圈205；铁氧体磁芯204位于非接触式电磁探头102的中心位置，磁场耦合线圈205紧密绕于铁氧体磁芯204上，电场屏蔽层203包裹在绕有磁场耦合线圈205的铁氧体磁芯204外，并在包裹的接缝处留出缝隙，绝缘层202包裹于电场屏蔽层203外，两块电场耦合板201、207紧贴于绝缘层202表面，呈对称分布。
作为优选，所述的磁场信号处理电路2，包括互阻放大器106、反相放大器107、第二正向比较器108、第二负向比较器109和第二RS触发器111；
所述的互阻放大器106，其输入端与非接触式电磁探头102中的磁场耦合线圈205的一个输出端连接，其输出端与反相放大器107的输入端相连，用于把电流信号转换为电压信号；
所述的反相放大器107，其输出端同时与第二正向比较器108的同相端和第二负向比较器109的反相端连接，用于电压信号的放大；
所述的第二正向比较器108，其反相端与正门限电压连接，其输出端与第二RS触发器111的S端连接，用于对电压信号整形；
所述的第二反向比较器109，其同相端与负门限电压连接，其输出端与第二RS触发器111的R端连接，用于对电压信号整形；
所述的第二RS触发器111，用于对电压信号中信息的提取，其输出信号即为表征485总线间磁场方向变化的脉冲信号5。
作为优选，所述的电场信号处理电路1，包括差分电荷放大器103、第一正向比较器104、第一负向比较器105和第一RS触发器110；差分电荷放大器103的两输入端分别与非接触式电磁探头102中的两块电场耦合板201、207连接，第一RS触发器110的输出信号即为恢复出的485总线的数据信号4。
作为优选，所述数据传输方向提取电路3，包括异或门112、低通滤波器113和施密特触发器114；异或门112的两输入端连接数据信号4和脉冲信号5，异或门112的输出端通过低通滤波器113后与施密特触发器114连接，进行滤波和边沿处理，施密特触发器114的输出信号即为数据传输方向信号。
作为优选，所述的铁氧体磁芯204，采用圆柱形结构。
作为优选，所述的磁场耦合线圈205，其一端与电场屏蔽层203连接，另一端与互阻放大器106的输入端连接。
作为优选，所述的电场屏蔽层203，采用铜箔，其与电路的公共点连接。
作为优选，所述的两块电场耦合板201、207，采用弧形铜箔，并分别与差分电荷放大器103的两输入端连接。
本发明具有如下优点：
1.本发明由于采用了基于近场辐射的非接触式电磁探头，通过电场耦合和磁场耦合原理隔着电缆绝缘外皮在获取了485总线数据流的同时获取了数据传输方向，保证了整个监听和测试过程中无需断开被测网络，无需接入监听设备等繁琐过程，操作简单方便，可完全实现在线监听。
2.本发明由于非接触式电磁探头在测试时置于485总线的两条差分数据线之间，电磁探头中的两块电场耦合板在位置上紧贴两条数据线，电磁探头中的磁场耦合线圈在位置上处于两条数据线之间，这使得电磁探头在感应出两条数据线的电场变化的同时感应出两条数据线之间微弱的磁场变化，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.本发明由于磁场信号处理电路可以将非接触式电磁探头感应出的磁场信号进行转换、放大、整形和信息提取，简便快捷的获取到485总线两条差分数据线间的磁场方向变化信息。
4.本发明由于数据传输方向提取电路通过判断电场方向和磁场方向的一致性，简单巧妙的得到485数据传输方向这一关键信息。
5.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是本发明的结构框图；
图2是本发明的电路原理图；
图3是本发明非接触式电磁探头的结构示意图；
图4是本发明电场信号处理电路原理图；
图5是本发明磁场信号处理电路原理图；
图6是本发明数据传输方向提取电路原理图。
具体实施方式
参照图1，本发明带方向检测的非接触式485总线在线监听装置，包括非接触式电磁探头102、电场信号处理电路1、磁场信号处理电路2和数据传输方向提取电路3。
非接触式电磁探头102，用于在测试时同时感应出485总线的两条差分线的电场变化信号和两条线间的磁场变化信号，并将电场信号输出给电场信号处理电路1，依次进经行电场信号变换、放大、整形和信息提取，恢复出485总线的数据信号4；将磁场信号输出给磁场信号处理电路2，依次进行磁场的信号变换、放大、整形和信息提取，得到表征485总线间磁场方向变化的脉冲信号5；该485总线的数据信号4和表征485总线间磁场方向变化的脉冲信号5同时输入给数据传输方向提取电路3，依次进行异或、低通滤波和边沿处理，得到485数据传输方向信号。
参照图2和图3，本发明的非接触电磁探头102，包括两块电场耦合板201、207，绝缘层202，带缝隙的电场屏蔽层203，铁氧体磁芯204，磁场耦合线圈205；铁氧体磁芯204在非接触式电磁探头102的中心位置，呈圆柱形，底面直径8mm，高30mm；磁场耦合线圈205在铁氧体磁芯204上紧密绕35匝，铜箔作为电场屏蔽层203包裹在绕有磁场耦合线圈205的铁氧体磁芯204外部，并在包裹的接缝处留出宽2mm的缝隙，用于割断涡流电流的回路；电场屏蔽层203与电路的公共点连接；磁场耦合线圈205的一端与电场屏蔽层203连接，另一端作为磁场信号输出端；绝缘层202采用热缩管包裹在电场屏蔽层203的外部，用于对其内部的电场屏蔽层203、铁氧体磁芯204、磁场耦合线圈205和外部元件进行电气隔离；两块电场耦合板201、207均为边长12mm的正方形铜箔，对称紧贴于圆柱形绝缘层202表面，并作为电场信号的输出端。
参照图2和图4，本发明的电场信号处理电路1，包括差分电荷放大器103、第一正向比较器104、第一负向比较器105和第一RS触发器110；差分电荷放大器103的两输入端分别与非接触式电磁探头102中的两块电场耦合板201、207连接，用于把电场信号转换为电压信号并进行放大；差分电荷放大器103的输出端同时与第一正向比较器104的同相端和第一负向比较器105的反相端连接，第一正向比较器104的反相端与正门限电压连接，第一反向比较器105的同相端与负门限电压连接，把电压信号脉冲整形为TTL电平的脉冲；第一正向比较器104的输出端与第一RS触发器110的S端相连，第一负向比较器105的输出端与第一RS触发器110的R端相连，实现对TTL电压脉冲的信息提取，第一RS触发器110的输出信号为恢复出的485总线的数据信号4。
参照图2和图5，本发明的磁场信号处理电路2，包括互阻放大器106、反相放大器107、第二正向比较器108、第二负向比较器109和第二RS触发器111；互阻放大器106的输入端与非接触式电磁探头102中的磁场耦合线圈205的一个输出端连接，用于把磁场耦合线圈205输出的电流信号转换为电压信号，其输出端与反相放大器107的输入端相连，实现对电压信号的放大；反相放大器107的输出端同时与第二正向比较器108的同相端和第二负向比较器109的反相端连接；第二正向比较器108的反相端与正门限电压连接，其输出端与第二RS触发器111的S端连接，第二反向比较器109的同相端与负门限电压连接，其输出端与第二RS触发器111的R端连接，以实现对电压脉冲的整形和信息提取；第二RS触发器111的输出信号为表征485总线间磁场方向变化的脉冲信号5。
参照图2和图6，本发明的数据传输方向提取电路3，包括异或门112、低通滤波器113和施密特触发器114；异或门112的两输入端连接第一RS触发器110和第二RS触发器111的输出端，完成异或操作来判断电场方向和磁场方向的一致性；异或门112的输出端连接低通滤波器113的输入端，完成低通滤波功能；低通滤波器113的输出端连接施密特触发器114的输入端连接，对滤波后的信号进行边沿处理；施密特触发器114的输出信号即为485总线的数据传输方向信号。
本发明电场信号处理电路1，可采用多种不同电路结构，作为优选，可采用图4所示电路结构，但不局限于此电路结构。
参照图4，电场信号处理电路1中的差分电荷放大器103，由第一放大器G1、第二放大器G2、第三放大器G3和外围电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6以及外围电容C1、C2组成。R1、C1并联后接在第一放大器G1的反相端和输出端之间，R2、C2并联后接在第二放大器G2的反相端和输出端之间，第一放大器G1、第二放大器G2的同相端接电路公共点；R3接入第一放大器G1的输出端和第三放大器G3的反相端之间，R4接入第三放大器G3的反相端和输出端之间；R5接入第二放大器G2的输出端和第三放大器G3的同相端之间，R6接入第三放大器G3的同相端和输出端之间；第三放大器G3的输出端同时连接第一正向比较器104的同相端和第一负向比较器105的反相端连接，第一正向比较器104的反相端与正门限电压V+连接，第一反向比较器105的同相端与负门限电压V-连接；第一正向比较器104的输出端与第一RS触发器110的S端相连，第一负向比较器105的输出端与第一RS触发器110的R端相连。
本发明磁场信号处理电路2，可采用多种不同电路结构，图5所示电路是本发明的优选电路，但不局限于此电路结构。
参照图5，磁场信号处理电路2中的互阻放大器106由第四放大器G4和外围电阻R7、R8以及电容C3组成；电阻R7连接在磁场耦合线圈205输出端和第四放大器G4的反相端之间，电容C3与电阻R8并联后连接在第四放大器G4的反相端和输出端之间，第四放大器G4的同相端接电路的公共点；反相放大器107由第五放大器G5和外围电阻R9、R10组成，电阻R9接入第四放大器G4的输出端和第五放大器G5的反相端之间，电阻R10接入第五放大器G5的反相端和输出端之间，第五放大器G5的同相端接电路公共点；G5的输出端同时与第二正向比较器108的同相端和第二负向比较器109的反相端连接；第二正向比较器108的反相端与正门限电压连接，其输出端与第二RS触发器111的S端连接，第二反向比较器109的同相端与负门限电压连接，其输出端与第二RS触发器111的R端连接。
本发明数据传输方向提取电路3，可采用多种不同电路结构，作为优选，可采用图6所示电路结构，但不局限于此电路结构。
参照图6，数据传输方向提取电路3中的异或门112两输入端连接第一RS触发器110和第二RS触发器111的输出端，电阻R11接入异或门112输出端和施密特触发器114的输入端之间，电容C4一端连接施密特触发器114的输入端，另一端和电路的公共点连接。
上述电路中第一放大器G1、第二放大器G2、第三放大器G3、第四放大器G4、第五放大器G5均采用运算放大器器NE5532；第一正向比较器104、第一负向比较器105、第二正向比较器108和第二负向比较器109使用比较器芯片LM339，但不局限于这些芯片。
该实施例的工作原理如下：
被测485总线101由D+数据线、D-数据线两条差分数据线组成，在测试时将非接触式电磁探头102置于被测485总线101的两根差分数据线之间，两块电场耦合板201、207分别紧贴D+、D-数据线的绝缘外皮构成耦合电容；当差分数据线中信号产生0/1或1/0跳变时，D+、D-数据线间的电场方向发生改变，导致两块电场耦合板201、207上电荷的变化，此信号传输至电场信号处理电路1，恢复出485总线数据信号4。
当被测485总线101中传输的数据产生0/1、1/0跳变或数据的传输方向改变时，两根差分数据线内部电流流向改变，数据线间的磁场方向也会改变，穿过磁场耦合线圈205的磁通量也发生变化，使得磁场耦合线圈205内部电流方向改变，这一电流信号输出给磁场信号处理电路2，得到表征485总线间磁场方向变化的脉冲信号5。
在数据传输方向提取电路3中，通过对恢复出485总线数据信号4和表征485总线间磁场方向变化的脉冲信号5一致性的判断得到485总线的数据传输方向。
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)
1.一种带方向检测的非接触式485总线在线监听装置，包括探头和信号处理电路，探头的输出端与信号处理电路连接，其特征在于：
探头采用非接触式电磁探头(102)，信号处理电路包括电场信号处理电路(1)、磁场信号处理电路(2)和数据传输方向提取电路(3)；
所述的非接触式电磁探头(102)，包括两块电场耦合板(201、207)、绝缘层(202)、带缝隙的电场屏蔽层(203)、铁氧体磁芯(204)和磁场耦合线圈(205)；铁氧体磁芯(204)位于非接触式电磁探头(102)的中心位置，磁场耦合线圈(205)紧密绕于铁氧体磁芯(204)上，电场屏蔽层(203)包裹在绕有磁场耦合线圈(205)的铁氧体磁芯(204)外，并在包裹的接缝处留出缝隙，绝缘层(202)包裹于电场屏蔽层(203)外，两块电场耦合板(201、207)紧贴于绝缘层(202)表面，呈对称分布；该非接触式电磁探头(102)，置于被测485总线(101)两根差分数据线之间，同时感应出电场信号和磁场信号，分别输出给电场信号处理电路(1)和磁场信号处理电路(2)；
所述电场信号处理电路(1)，包括差分电荷放大器(103)、第一正向比较器(104)、第一负向比较器(105)和第一RS触发器(110)；差分电荷放大器(103)的两输入端分别与非接触式电磁探头(102)中的两块电场耦合板(201、207)连接，第一RS触发器(110)的输出信号即为恢复出的485总线的数据信号(4)；
所述磁场信号处理电路(2)，包括互阻放大器(106)、反相放大器(107)、第二正向比较器(108)、第二负向比较器(109)和第二RS触发器(111)；互阻放大器(106)，其输入端与非接触式电磁探头(102)中的磁场耦合线圈(205)的一个输出端连接，其输出端与反相放大器(107)的输入端相连，用于把电流信号转换为电压信号；反相放大器(107)，其输出端同时与第二正向比较器(108)的同相端和第二负向比较器(109)的反相端连接，用于电压信号的放大；第二正向比较器(108)，其反相端与正门限电压连接，其输出端与第二RS触发器(111)的S端连接，用于对电压信号整形；第二负向比较器(109)，其同相端与负门限电压连接，其输出端与第二RS触发器(111)的R端连接，用于对电压信号整形；第二RS触发器(111)，用于对电压信号中信息的提取，其输出信号即为表征485总线间磁场方向变化的脉冲信号(5)；
所述数据信号(4)和脉冲信号(5)同时输入给数据传输方向提取电路(3)通过异或、滤波、边沿处理得到数据传输方向信号。
2.根据权利要求1所述的在线监听装置，其特征在于数据传输方向提取电路(3)，包括异或门(112)、低通滤波器(113)和施密特触发器(114)；异或门(112)的两输入端连接数据信号(4)和脉冲信号(5)，异或门(112)的输出端通过低通滤波器(113)后与施密特触发器(114)连接，进行滤波和边沿处理，施密特触发器(114)的输出信号即为数据传输方向信号。
3.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电磁探头(102)中的铁氧体磁芯(204)，采用圆柱形结构。
4.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电磁探头(102)中的磁场耦合线圈(205)，其一端与电场屏蔽层(203)连接，另一端与互阻放大器(106)的输入端连接。
5.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电磁探头(102)中的电场屏蔽层(203)，采用铜箔，其与电路的公共点连接。
6.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电磁探头(102)中的两块电场耦合板(201、207)，采用弧形铜箔，并分别与差分电荷放大器(103)的两输入端连接。
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