CN105974260A - 一种总线通讯故障检测保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种总线通讯故障检测保护装置，其包括双绞总线和检测保护模块，检测保护模块包括继电器、热敏电阻、OC控制电路、AD电压采集电路和单片机；其方法为：采集与AD电压采集电路并联的热敏电阻两端电压信号；接收AD电压采集电路采集的电压信号，并比较采集的电压值与电压阀值；若采集电压值大于电压阀值，则判定所连接的线路节点出现故障，单片机上传故障信号给上位机并传输断开控制信号给OC控制电路，断开继电器；待热敏电阻两端的电压值下降到设定电压值时，传输闭合控制信号给OC控制电路，闭合继电器；记录采集电压值大于电压阀值的次数，若大于设置的阈值次数时，单片机传输断开控制信号给OC控制电路，持续断开继电器。

Description

一种总线通讯故障检测保护装置及方法

技术领域

本发明涉及仪器控制领域，具体涉及一种总线通讯故障检测保护装置及方法。

背景技术

起初，智能设备间的通讯传输为通过数据模拟信号输出简单过程量，然后智能设备间通过RS232等接口实现点对点的通讯传输，但其存在难以实现设备间联网通讯的问题，

其后，RS485的出现解决了智能设备间的互联问题，其采用双绞线平衡传输和差分接收的方式，具有抑制共模干扰的能力，且总线的灵敏度较高，最低可以检测到200mv的电压；并因其具有高噪声抑制、成本低廉、开发难度低和传输距离长等特性，被广泛应用于门禁安防、仪器控制、视频监控和工业控制等领域。

RS485总线布局简单，现在多采用两线制的布线方式，其中一根定义为A，另外一根为B，两线制的总线方式易于实现一主多从的主从通信网络，传输方式为半双工，可在总线上挂接多个RS485通信从机设备。

然而，RS485总线由于使用单条双绞线电缆作为总线，其他设备并联挂接到总线节点上，因此，当其中一个下位机设备的RS485通信节点发生短路和其他故障时，会导致整个总线网络故障，甚至网络瘫痪；此时，下位机设备将处于不可控的状态，这种状态可能导致设备的损毁，造成人员和资产的巨大损失。

并且，如果总线中某一个节点故障，由于一条总线上有若干个节点，因此需要关闭总线上的所有设备，再逐一排查找到故障节点，在排查过程中，会耗费大量的人力物力。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的总线通讯故障检测保护装置及方法能够断开或隔离故障节点，避免故障节点对总线的影响，保护其他通信节点设备正常工作。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：提供一种总线通讯故障检测保护装置，其包括用于通信的双绞总线，双绞总线与挂接在双绞总线上的下位机之间设置有检测保护模块，检测保护模块包括继电器，串联在双绞总线的其中一条线路上，用于控制该线路的通断；两个热敏电阻，分别串联在双绞总线的两条线路上，用于保护对应线路，限制线路电流持续增加；OC控制电路，用于控制继电器的通断；AD电压采集电路，与继电器位于同一线路的热敏电阻并联，用于采集该热敏电阻两端的电压；

单片机，用于接收AD电压采集电路上传的电压信号，当电压信号大于电压阀值时，则判定所连接的线路节点出现故障，上传故障信号给上位机并输出断开继电器的信号给OC控制电路，当接收到的采集电压信号下降到设定电压值时，传输闭合继电器的信号给OC控制电路，记录采集电压值大于电压阀值的次数，若大于设置的阈值次数时，则判定所连接的线路节点出现永久故障，单片机传输持续断开继电器的信号给OC控制电路。

进一步地，继电器的常闭引脚串联在双绞总线的其中一条线路上，继电器的常开引脚与单片机的IO口连接。

进一步地，热敏电阻为PCT热敏电阻。

进一步地，AD电压采集电路与单片机之间连接有一用于放大电压信号的运算放大电路。

还涉及一种总线通讯故障检测保护方法，其采用的技术方案包括如下步骤：

a、采集与AD电压采集电路并联的热敏电阻两端电压信号；

b、接收AD电压采集电路采集的电压信号，并比较采集的电压值与电压阀值；

c、若采集电压值大于电压阀值，则判定所连接的线路节点出现故障，单片机上传故障信号给上位机并传输断开控制信号给OC控制电路，断开继电器；

d、待热敏电阻两端的电压值下降到设定电压值时，传输闭合控制信号给OC控制电路，闭合继电器，并重复所述步骤a和步骤b；

e、记录采集电压值大于电压阀值的次数，若大于设置的阈值次数时，则判定所连接的线路节点出现永久故障，单片机传输断开控制信号给OC控制电路，持续断开继电器。

进一步地，所述步骤c中，单片机上传故障信号给上位机后，上位机锁定除故障节点外的所有下位机通信节点的控制状态，同时发送特定状态查询数据依次查询下位机的通信状态，下位机回复状态数据信号，单片机结合分析采集到的电压信号和状态数据信号进一步确定故障节点位置。

本发明的有益效果为：该总线通讯故障检测保护装置可对挂接在总线节点上的下位机设备进行故障检测和保护，当其中一个下位机通信节点发生短路和其他故障时，其对应线路节点的热敏电阻两端电压发生变化，通过控制继电器有效迅速地断开或隔离故障节点，避免故障节点对总线的影响，保护其他通信节点设备正常通信和运行；其中，热敏电阻的设置，可防止总线因为单一节点故障而瘫痪。

附图说明

图1为总线通讯故障检测保护装置的框架示意图。

图2为总线通讯故障检测保护方法的流程示意图。

图3为总线通讯故障检测保护装置的上下位机多机通信系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一种实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为简单起见，以下内容中省略了该技术领域技术人员所公知的技术常识。

如图1所示，该总线通讯故障检测保护装置包括用于通信的双绞总线，双绞总线与挂接在双绞总线上的下位机之间设置有检测保护模块，用于对总线通讯进行总线保护和故障检测；当其中下位机与双绞总线之间的通信节点发生短路和其他故障时，可通过检测保护模块对故障节点进行故障检测和保护，避免其影响整个总线网络的正常进行，导致网络瘫痪。

检测保护模块包括继电器、两个热敏电阻、OC控制电路、AD电压采集电路和单片机；其中，继电器串联在双绞总线的其中一条线路上，用于控制该线路的通断；两个热敏电阻分别串联在双绞总线的两条线路上，用于保护对应线路，限制线路电流持续增加；在具体实施中，两个热敏电阻规格相同，且在常温状态下4-10欧姆，减小对总线通信信号强度的影响。

OC控制电路用于控制继电器的通断；AD电压采集电路与继电器位于同一线路的热敏电阻并联，用于采集该热敏电阻两端的电压；单片机用于接收AD电压采集电路上传的电压信号，当电压信号大于电压阀值时，则判定所连接的线路节点出现故障，上传故障信号给上位机并输出断开继电器的信号给OC控制电路，当接收到的采集电压信号下降到设定电压值时，传输闭合继电器的信号给OC控制电路，记录采集电压值大于电压阀值的次数，若大于设置的阈值次数时，则判定所连接的线路节点出现永久故障，单片机传输持续断开继电器的信号给OC控制电路。

该总线通讯故障检测保护装置的继电器的常闭引脚串联在双绞总线的其中一条线路上，继电器的常开引脚与单片机的IO口连接，当继电器常开时，可以通过单片机检测到继电器常开信号；在具体实施中，通过OC控制电路控制继电器的开闭状态，且优选OC控制电路具有150mA以上的电流通过能力，通过单片机的IO引脚的高低电平翻转控制OC控制电路对继电器进行开闭控制。

在具体实施中，优选热敏电阻为PCT热敏电阻，且两个热敏电阻的规格相同；AD电压采集电路与单片机之间连接有一运算放大电路，用于将微弱的电压信号放大，便于了电压信号的传递与处理。

根据总线通讯故障检测保护方法，其采用的技术方案包括如下步骤：

如图1所示，第一步，采集与AD电压采集电路并联的热敏电阻两端电压信号；在具体实施中，AD采集电路与单片机之间连接有一运算放大电路，可将微弱的电压信号放大，再将放大后的信号传递到单片机进行后续处理。

第二步，接收AD电压采集电路采集的电压信号，并比较采集的电压值与电压阀值；在具体实施中，单片机每隔固定的时间接收一次由AD采集电路采集到的热敏电阻两端的电压信息，判断电压是否在所设置的安全电压阈值内；

若采集得到的热敏电阻两端的电压小于安全安全电压阈值，则表示相连接的下位机通信正常，继续步骤二操作；若采集到电压大于安全阈值，说明相连接的下位机通信短路或故障。

第三步，若采集电压值大于电压阀值，则判定所连接的线路节点出现故障，单片机上传故障信号给上位机并传输断开控制信号给OC控制电路，断开继电器；

当采集电压值大于电压阀值时，说明相连接的下位机通信短路或故障，进而导致热敏电阻两端的电压变大；当下位机通信短路或故障时，通过热敏电阻的电流明显变大，热敏电阻温度上升，阻值变大；在实施过程中，当热敏电阻的阻值变大到一定程度，可防止总线因为单一节点故障而瘫痪。

如图1和图2所示，在具体实施中，若采集到的某一节点上热敏电阻两端电压值大于安全阈值，相应的单片机上传故障信号给上位机，上位机锁定除该故障节点外的所有下位机通信节点的控制状态，同时发送特定状态查询数据依次查询下位机的通信状态，下位机回复状态数据信号，单片机结合分析采集到的电压信号和状态数据信号进一步确定故障节点位置，并进行故障报警。

紧接着，单片机控制OC控制电路断开故障节点的继电器，相应节点的通信信号也断开了，此时，热敏电阻两端的电压为零，热敏电阻的温度迅速下降，阻值也迅速下降到常温的阻值。

第四步，待热敏电阻两端的电压值下降到设定电压值时，传输闭合控制信号给OC控制电路，闭合所述继电器，并重复第二步和第三步的步骤；

在具体实施中，热敏电阻的阻值随温度的变化而变化，当热敏电阻阻值下降到常温阻值时，其常温阻值相对应的电压为设定电压，即：当热敏电阻两端的电压值下降到设定电压值时，热敏电阻的温度下降到常温；

单片机控制OC控制电路闭合继电器，并将此时接收到的热敏电阻两端电压值与电压阀值进行比较，若该通信节点仍然故障，那么检测到的电压值将大于电压安全阈值，若该通信节点恢复正常，那么检测到的电压值将小于电压安全阈值。

第五步，记录采集电压值大于电压阀值的次数，若大于设置的阈值次数时，则判定所连接的线路节点出现永久故障，单片机传输断开控制信号给OC控制电路，持续断开所述继电器；

在具体实施中，若采集电压值大于电压阀值的次数小于阈值次数时，上位机再多次重复发送特定的状态查询数据，若该线路回复状态正常数据，则清除该节点故障报警状态，并解开所有其它节点的锁定状态，实现总线通信的自愈；若若采集电压值大于电压阀值的次数大于阈值次数时，则通过单片机控制OC控制电路彻底断开该线路，并保持故障报警，同时解开除该故障节点以外的所有节点的锁定状态。

本发明的第一实施例为：

如图3所示，图3示意性地显示了根据本发明的上下位机多机通信系统框图以及在系统中总线通讯故障检测保护装置的安装节点，该检测保护装置的输入端的两条信号线分别与双绞总线的A、B两条线连接，且优选A、B两条线均为屏蔽双绞线。

该检测保护装置输出的两条信号线与下位机通信模块的输入信号线连接，对于下位机通信模块i (i=1，2，3，4…n)，其中n的取值决定于主通信模块的带载能力和下位机通信模块的阻值，理想状态下一般为32，64，128，256；其中下位机通信模块的输入信号线分别标示为Ai、Bi(i=1，2，3，4…n)，同时要求下位机通信模块的输入信号线也为屏蔽双绞线，且阻抗与A，B信号传输线相同。

在具体实施中，对于标号为n的下位机通信模块，可在标号为An、Bn的双绞线之间并联阻抗匹配电阻，其值由总线传输线的阻抗值决定，一般情况下，阻值为120Ω，匹配电阻的作用是防止通信信号过大反射影响整个网络的通信质量。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将使显而易见的，本文所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制与本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种总线通讯故障检测保护装置，其特征在于：包括用于通信的双绞总线，所述双绞总线与挂接在双绞总线上的下位机之间设置有检测保护模块，所述检测保护模块包括

继电器，串联在所述双绞总线的其中一条线路上，用于控制该线路的通断；

两个热敏电阻，分别串联在所述双绞总线的两条线路上，用于保护对应线路，限制线路电流持续增加；

OC控制电路，用于控制继电器的通断；

AD电压采集电路，与所述继电器位于同一线路的热敏电阻并联，用于采集该热敏电阻两端的电压信号；

单片机，用于接收AD电压采集电路上传的电压信号，当电压信号大于电压阀值时，则判定所连接的线路节点出现故障，上传故障信号给上位机并输出断开继电器的信号给OC控制电路，当接收到的采集电压信号下降到设定电压值时，传输闭合继电器的信号给OC控制电路，记录采集电压值大于电压阀值的次数，若大于设置的阈值次数时，则判定所连接的线路节点出现永久故障，单片机传输持续断开继电器的信号给OC控制电路。

2.根据权利要求1所述的总线通讯故障检测保护装置，其特征在于：所述继电器的常闭引脚串联在所述双绞总线的其中一条线路上，所述继电器的常开引脚与所述单片机的IO口连接。

3.根据权利要求1或2所述的总线通讯故障检测保护装置，其特征在于：所述热敏电阻为PCT热敏电阻。

4.根据权利要求3所述的总线通讯故障检测保护装置，其特征在于：所述AD电压采集电路与单片机之间连接有一用于放大电压信号的运算放大电路。

5.一种基于权利要求1~4任一项所述的总线通讯故障检测保护装置的检测保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、采集与AD电压采集电路并联的热敏电阻两端电压信号；

b、接收AD电压采集电路采集的电压信号，并比较采集的电压值与电压阀值；

c、若采集电压值大于电压阀值，则判定所连接的线路节点出现故障，单片机上传故障信号给上位机并传输断开控制信号给OC控制电路，断开所述继电器；

d、待热敏电阻两端的电压值下降到设定电压值时，传输闭合控制信号给OC控制电路，闭合所述继电器，并重复所述步骤a和步骤b；

e、记录采集电压值大于电压阀值的次数，若大于设置的阈值次数时，则判定所连接的线路节点出现永久故障，单片机传输断开控制信号给OC控制电路，持续断开所述继电器。

6.根据权利要求5所述的总线通讯故障检测保护方法，其特征在于：所述步骤c中，单片机上传故障信号给上位机后，上位机锁定除故障节点外的所有下位机通信节点的控制状态，同时发送特定状态查询数据依次查询下位机的通信状态，下位机回复状态数据信号，单片机结合分析采集到的电压信号和状态数据信号进一步确定故障节点位置。