CN106686814B - 一种在电源线上传输数据信号的驱动电路 - Google Patents

一种在电源线上传输数据信号的驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在电源线上传输数据信号的驱动电路，该驱动电路包括：直流电源，用于将输入的交流电转换成直流电；开关电路，连接于直流电源和接收端之间；分压钳位电路，连接直流电源和接收端之间；控制电路，与所述开关电路连接，以控制所述开关电路的导通和关断；当开关电路导通时，所述直流电源通过所述开关电路而施加一较高电压于接收端，当开关电路关断时，所述直流电源通过所述分压钳位电路而施加一较低电压于接收端。本发明通过控制开关电路的通断，间接控制直流电源输出到接收端的电压高低来传递信息，接收端根据电压的变化提取出数据信号，从而实现在直流电源线上传输数据信号。

Description

一种在电源线上传输数据信号的驱动电路
技术领域
本发明涉及信号传输技术领域，特别涉及一种在电源线上传输数据信号的驱动电路。
背景技术
目前，在许多应用领域中，信号都是使用专用的信号线将其传送到接收信号的部分，但是这样的设置会需要专门的信号线，会带来接口上的信号连线较多，造成布线困难，安装、装修均不方便，线多成本高，工作量大；线路板布线拥挤，有时由于线多不得不增加布线层。
而如何利用电源线传输数据信号，以节省线材，减少布线复杂度是亟需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种在电源线上传输数据信号的驱动电路，通过控制电路控制开关电路的通断，间接控制直流电源输出到接收端的电压高低，来传输信息，使接收端根据电压的变化提取出数据信号。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种在电源线上传输数据信号的驱动电路，该驱动电路包括：
直流电源，用于将输入的交流电转换成直流电；
开关电路，连接于直流电源和接收端之间；
分压钳位电路，连接直流电源和接收端之间；
控制电路，与所述开关电路连接，以控制所述开关电路的导通和关断；当开关电路导通时，所述直流电源通过所述开关电路而施加一较高电压于接收端，当开关电路关断时，所述直流电源通过所述分压钳位电路而施加一较低电压于接收端。
其中，所述开关电路为一NMOS管，所述NMOS的源极连接所述直流电源的负极，所述NMOS管的漏极连接所述接收端的输出端，所述NMOS管的栅极连接所述控制电路的控制信号输出端；所述接收端的输入端连接所述直流电源的正极；或
所述开关电路为一PMOS管，所述PMOS管的源极连接所述直流电源的正极，所述PMOS管的漏极连接所述接收端的输入端，所述PMOS管的栅极连接所述控制电路的控制信号输出端；所述接收端的输出端连接所述直流电源的负极。
其中，所述控制电路为一微控制单元，所述微控制单元的VCC端与GND端并联有一稳压二极管D2，所述微控制单元的VCC端连接所述稳压二极管D2的负极，所述微控制单元的GND端连接所述稳压二极管D2的正极。
其中，所述分压钳位电路包括分压电阻R2、稳压二极管D3；
若开关电路为一NMOS管，则所述稳压二极管D3的负极连接直流电源的正极，稳压二极管D3的正极连接所述分压电阻R2的一端和接收端的输出端，分压电阻R2的另一端连接微控制单元的VCC端，微控制单元的GND端连接直流电源的负极；
若开关电路为一PMOS管，则所述分压电阻R2的一端连接微控制单元的GND端，所述分压电阻R2的另一端连接稳压二极管D3的负极和接收端的输入端，所述稳压二极管D3的正极连接直流电源的负极；微控制单元的VCC端连接直流电源的正极。
其中，所述驱动电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括电阻R3和电容C3，所述电阻R3的一端和电容C3的一端连接直流电源的正极，所述电阻R3的另一端和电容C3的另一端连接直流电源的负极；
所述微控制单元的VCC端和GND端并联有电阻R1和电容C1；
所述接收端连接分压钳位电路的一侧并联有一电容C2和串联有一二极管D1；若所述开关电路为一NMOS管，则接收端的输出端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接电容C2的一端和稳压二极管D3的正极，电容C2的另一端连接接收端的输入端；若所述开关电路为一PMOS管，则所述接收端的输入端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接稳压二极管D3的负极和电容C2的一端，电容C2的另一端连接接收端的输出端。
其中，所述直流电源为恒流源。
其中，所述接收端为一条串联着N个LED灯珠的LED灯条，所述LED灯条的正极为接收端的输入端，所述LED灯条的负极为接收端的输出端；或
所述接收端为至少两条串联着N个LED灯珠的LED灯条，每条所述LED灯条的正极并联的一端为接收端的输入端，每条所述LED灯条的负极并联的一端为接收端的输出端；
其中，N为正整数。
其中，所述直流电源为AC-DC恒压源。
其中，所述接收端为一条串联着限流电路的串联着N个LED灯珠的LED灯条，所述LED灯条的正极为接收端的输入端，所述LED灯条的负极连接限流电路的输入端，所述限流电路的输出端为所述接收端的输出端；或
所述接收端为至少两条串联着限流电路的串联着N个LED灯珠的LED灯条，每条所述LED灯条的正极并联的一端为接收端的输入端，每条所述LED灯条的负极连接一个限流电路的输入端，每个所述限流电路的输出端并联的一端为所述接收端的输出端；
其中，N为正整数。
其中，所述限流电路包括电阻R4、电阻R5、三极管Q1、三极管Q2，所述电阻R4的一端、所述三极管Q2的集电极连接限流电路的输入端，所述电阻R4的另一端连接所述三极管Q2的基极和所述三极管Q1的集电极，所述三极管Q2的发射极连接所述三极管Q1的基极和所述电阻R5的一端，所述三极端Q1的发射极和所述电阻R5的另一端连接限流电路的输出端。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过控制开关控制电路导通和关断使直流电源加载到接收端两端的电压产生高低变化，当所述开关控制电路导通时，所述接收端两端的电压为高电压，当所述开关控制电路关断时，通过分压钳位电路使接收端两端的电压钳位在低电压，即通过控制开关控制电路的通断，间接控制直流电源输出到接收端的电压高低来传输信息，接收端根据电压的变化提取出数据信号，从而实现在直流电源线上传输数据信号。
附图说明
图1是本发明提供的一种在电源线上传输数据信号的驱动电路的结构框图一。
图2是是本发明提供的一种在电源线上传输数据信号的驱动电路的结构框图二。
图3是本发明提供的一种在电源线上传输数据信号的驱动电路的电路图一。
图4是本发明提供的一种在电源线上传输数据信号的驱动电路的电路图二。
图5是本发明提供的一种在电源线上传输数据信号的驱动电路的电路图三。
图6是本发明提供的一种在电源线上传输数据信号的驱动电路的电路图四。
图7是本发明提供的一种限流电路的电路图。
图8是本发明提供的一种数据Bit0与数据Bit1的定义。
图9是本发明提供的一种数据帧格式。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参考图1-2，图1是本发明提供的一种在电源线上传输数据信号的驱动电路的结构框图一，图2是本发明提供的一种在电源线上传输数据信号的驱动电路的结构框图二，一种在电源线上传输数据信号的驱动电路，该驱动电路包括：直流电源，用于将输入的交流电转换成直流电；开关电路，连接于直流电源和接收端之间；分压钳位电路，连接直流电源和接收端之间；控制电路，与所述开关电路连接，以控制所述开关电路的导通和关断；当开关电路导通时，所述直流电源通过所述开关电路而施加一较高电压于接收端，当开关电路关断时，所述直流电源通过所述分压钳位电路而施加一较低电压于接收端。图1与图2的区别在于：图1是直流电源先经过开关电路再到接收端，而图2是直流电源先经过接收端再到开关电路，分压钳位电路对应适当调整。需要说明的是，本实施例中的较高电压和较低电压，是它们两者之间相对来说的，即开关电路导通时所述直流电源通过所述开关电路而施加于接收端的电压高于开关电路关断时所述直流电源通过所述分压钳位电路而施加于接收端的电压。
本发明实施例通过控制电路控制开关电路的通断，间接控制直流电源施加到接收端的电压高低来传递信息，接收端根据电压的变化提取出数据信号，从而实现在直流电源线上传输数据信号。
请参考图3-6，图3与图4为基于NMOS的驱动电路，图5与图6为基于PMOS的驱动电路。
如图3和图4所示，所述开关电路为一NMOS管，所述NMOS的源极(S极)连接所述直流电源的负极，所述NMOS管的漏极(D极)连接所述接收端的输出端，所述NMOS管的栅极(G极)连接所述控制电路的控制信号输出端；所述接收端的输入端连接所述直流电源的正极；或
如图5和图6所示，所述开关电路为一PMOS管，所述PMOS管的源极(S极)连接所述直流电源的正极，所述PMOS管的漏极(D极)连接所述接收端的输入端，所述PMOS管的栅极(G极)连接所述控制电路的控制信号输出端；所述接收端的输出端连接所述直流电源的负极。
所述控制电路为一微控制单元(Microcontroller Unit；MCU)，所述微控制单元的VCC端与GND端并联有一稳压二极管D2，所述微控制单元的VCC端连接所述稳压二极管D2的负极，所述微控制单元的GND端连接所述稳压二极管D2的正极。需要说明的是，稳压管D2使微控制单元的VCC端和GND端钳定在3.3V-5V，保证微控制单元的正常工作。
所述分压钳位电路包括分压电阻R2、稳压二极管D3；
如图3和图4所示，若开关电路为一NMOS管，则所述稳压二极管D3的负极连接直流电源的正极，稳压二极管D3的正极连接所述分压电阻R2的一端和接收端的输出端，分压电阻R2的另一端连接微控制单元的VCC端，微控制单元的GND端连接直流电源的负极；
如图5和图6所示，若开关电路为一PMOS管，则所述分压电阻R2的一端连接微控制单元的GND端，所述分压电阻R2的另一端连接稳压二极管D3的负极和接收端的输入端，所述稳压二极管D3的正极连接直流电源的负极；微控制单元的VCC端连接直流电源的正极。
如图3-6所示，所述驱动电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括电阻R3和电容C3，所述电阻R3的一端和电容C3的一端连接直流电源的正极，所述电阻R3的另一端和电容C3的另一端连接直流电源的负极。需要说明的是，电容C3是对直流电源滤波，使得直流电源正极与负极之间电压/电流稳定，R3的作用是当直流电源关断后，做电容放电通路，电容C3从电阻R3放电，因为当直流电源关断后电容C3开始供电，只靠接收端负载的耗电，很长时间才能放电结束，放电慢的话，接收端负载还未彻底断电，如果系统再次上电接收端负载可能工作异常。
优选地，微控制单元的VCC端和GND端并联有电阻R1和电容C1；电容C1是对直流电源滤波，使得微控制单元VCC端与GND端之间电压/电流稳定，R1的作用是当直流电源关断后，做电容放电通路，电容C1从电阻R1放电，因为当直流电源关断后电容C1开始供电，只靠微控制单元的耗电，很长时间才能放电结束，放电慢的话，微控制单元还未彻底断电，如果系统再次上电微控制单元可能工作异常。
所述接收端连接分压钳位电路的一侧并联有一电容C2和串联有一二极管D1；若所述开关电路为一NMOS管，则接收端的输出端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接电容C2的一端和稳压二极管D3的正极，电容C2的另一端连接接收端的输入端；若所述开关电路为一PMOS管，则所述接收端的输出端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接稳压二极管D3的负极和电容C2的一端，电容C2的另一端连接接收端的输出端。二极管D1用于控制电流方向，电容C2用于稳定接收端的两端的电压。
本发明实施例的基本原理是，当微控制单元控制NMOS导通时，电流从直流电源的正极到接收端，然后由回到直流电源的负极，此时接收端的两端电压为高电压；当微控制单元控制NMOS关断时，电流从直流电源的正极依次流经接收端、二极管D1、电阻R2、稳压管D2，然后回到直流电源的负极，而由于稳压管D3的作用，使接收端的两端被钳位在低电压，如图3和图4所示，通过控制NMOS的通断，来间接控制直流电源输出的电压高低来传输信息，接收端根据电压的变化提取出数据信号。或者是当微控制单元控制PMOS导通时，电流从直流电源的正极到接收端，然后由回到直流电源的负极，此时接收端的两端电压为高电压；当微控制单元控制PMOS关断时，电流从直流电源的正极依次流经稳压管D2、电阻R2、二极管D1、接收端，然后回到直流电源的负极，而由于稳压管D3的作用，使接收端的两端被钳位在低电压，如图3和图4所示，通过控制PMOS的通断，来间接控制直流电源输出的电压高低来传输信息，接收端根据电压的变化提取出数据信号。
其中，所述直流电源为恒流源，如图4和图6所示。所述接收端为一条串联着N个LED灯珠的LED灯条，所述LED灯条的正极为接收端的输入端，所述LED灯条的负极为接收端的输出端，其中N为正整数。作为另一个实施例，所述接收端为至少两条串联着N个LED灯珠的LED灯条，每条所述LED灯条的正极并联的一端为接收端的输入端，每条所述LED灯条的负极并联的一端为接收端的输出端，其中N为正整数。
其中，所述直流电源为AC-DC恒压源，如图3和图5所示。所述接收端为一条串联着限流电路的串联着N个LED灯珠的LED灯条，所述LED灯条的正极为接收端的输入端，所述LED灯条的负极连接限流电路的输入端，所述限流电路的输出端为所述接收端的输出端。作为另一个实施例，所述接收端为至少两条串联着限流电路的串联着N个LED灯珠的LED灯条，每条所述LED灯条的正极并联的一端为接收端的输入端，每条所述LED灯条的负极连接一个限流电路的输入端，每个所述限流电路的输出端并联的一端为所述接收端的输出端。
如图7所示，其是本发明提供的一种限流电路的电路图，所述限流电路包括电阻R4、电阻R5、三极管Q1、三极管Q2，所述电阻R4的一端、所述三极管Q2的集电极连接限流电路的输入端，所述电阻R4的另一端连接所述三极管Q2的基极和所述三极管Q1的集电极，所述三极管Q2的发射极连接所述三极管Q1的基极和所述电阻R5的一端，所述三极端Q1的发射极和所述电阻R5的另一端连接限流电路的输出端。
也就是说，直流电源可为恒流源，也可为AC-DC恒压源。
若直流电源为AC-DC恒压源，交流电经过AC-DC恒压源后输出恒定电压。每条LED灯条末端需要接限流电路，如图1和图3所示，因为当NM1或者PM1导通时，LED灯条两端恒定连接在高电压Uon＝U-Uds(稳定电压减去一个MOS管导通电压)，LED灯珠发光。但是每个灯珠钳位电压有差异，导致每条灯条总钳位电压不同，24颗灯为例，标准80V，有的灯条是80V左右，有的可能才70V，此灯条上的灯珠分压大于正常钳位电压400mV，使得流过芯片的电流过大，容易烧坏芯片，所以在LED灯条末端加限流电路，吸收掉多余的电压。当NMOS或者PMOS关断时，由于稳压管D3的存在，LED灯条两端被钳位在低电压，不发光。此时电流大小为IR2＝ID3+ILED，阻值大小R2＝(U-UD2-UD3)/IR2。
若直流电源可为恒流源，交流电经过恒流驱动后输出恒定电流，驱动电路结构不变同恒压源的驱动电路。每条LED灯条末端不需要接限流电路，如图2和图4所示。当NMOS或者PMOS导通时，LED灯条两端恒定连接在恒流输出，LED灯珠发光，LED灯条两端电压由LED灯珠的钳位电压乘以灯珠个数来确定。当NMOS或者PMOS关断时，LED灯条两端被钳位在低电压UD3，不发光。由于电阻R2的阻值大小为：R2＝(U-UD2-UD3)/IR2。所以当MOS管关闭的瞬间，较大的电流ILED突然加到R2的两端，使得电阻电压UR2突然升高。此时需要选择较大的电容C3稳定电压，当UR2>UC3时为电容C3充电，只要保证NMOS或者PMOS关断时，电容C3两端的电压基本保持不变，所以分压电阻R2的计算方法同恒压源的驱动电路一致。
作为一个实施方式，本发明提供的驱动电路可以用于给LED灯条发送数据信号，数据Bit0与数据Bit1的定义如图8所示，连续的1μs低、4μs高表示的是Bit0，连续的2μs低、4μs高表示的是Bit1，用户也可以定义其他的Bit0和Bit1。本发明通过微控制单元控制MOS的通断来传输数据信号，其中数据帧格式如图9所示，在一个数据帧中，前导码(preamble)+头(head)+节点RGB数据+校验位(bit0)构成完整一帧数据，一帧最大512个节点，可用于驱动512个RGB三色LED灯珠，LED灯珠中的芯片接收微控制单元发送的数据信号，并根据数据信号来控制LED灯珠的灰度。
其中，前导码为8bit数据，头为4bit数据，表示数据帧类型，如表1所示。
表1头与数据帧类型的对应关系
RGB数据总共25bit(从高位到低位，高位最先发送)，其中24bit为RGB三通道灰度数据，每个通道8bit 256级灰度，最后1bit0为校验位。
综上所述，本发明提供的一种在直流电源线上传输数据信号的驱动电路，当微控制单元控制NMOS/PMOS管导通时，接收端的两端电压为高电压；当微控制单元控制NMOS/PMOS管关断时，由于分压电阻R2和稳压管D3的作用，使接收端的两端被钳位在低电压，通过控制NMOS/PMOS管的通断，来间接控制直流电源施加到接收端的电压高低来传输信息，接收端根据电压的变化提取出数据信号，从而实现在直流电源线上传输数据信号，本发明提供的驱动电路可应用于驱动串联的LED灯条上，其中串联的每个LED灯珠可以根据电压变化提取出数据信号，进而改变LED灯珠的灰度。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，该驱动电路包括：
直流电源，用于将输入的交流电转换成直流电；
开关电路，连接于直流电源和接收端之间；
分压钳位电路，连接直流电源和接收端之间；
控制电路，与所述开关电路连接，以控制所述开关电路的导通和关断；当开关电路导通时，所述直流电源通过所述开关电路而施加一较高电压于接收端，当开关电路关断时，所述直流电源通过所述分压钳位电路而施加一较低电压于接收端。
2.如权利要求1所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于：
所述开关电路为一NMOS管，所述NMOS的源极连接所述直流电源的负极，所述NMOS管的漏极连接所述接收端的输出端，所述NMOS管的栅极连接所述控制电路的控制信号输出端；所述接收端的输入端连接所述直流电源的正极；或
所述开关电路为一PMOS管，所述PMOS管的源极连接所述直流电源的正极，所述PMOS管的漏极连接所述接收端的输入端，所述PMOS管的栅极连接所述控制电路的控制信号输出端；所述接收端的输出端连接所述直流电源的负极。
3.根据权利要求2所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，所述控制电路为一微控制单元，所述微控制单元的VCC端与GND端并联有一稳压二极管D2，所述微控制单元的VCC端连接所述稳压二极管D2的负极，所述微控制单元的GND端连接所述稳压二极管D2的正极。
4.根据权利要求3所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，所述分压钳位电路包括分压电阻R2、稳压二极管D3；
若开关电路为一NMOS管，则所述稳压二极管D3的负极连接直流电源的正极，稳压二极管D3的正极连接所述分压电阻R2的一端和接收端的输出端，分压电阻R2的另一端连接微控制单元的VCC端，微控制单元的GND端连接直流电源的负极；
若开关电路为一PMOS管，则所述分压电阻R2的一端连接微控制单元的GND端，所述分压电阻R2的另一端连接稳压二极管D3的负极和接收端的输入端，所述稳压二极管D3的正极连接直流电源的负极；微控制单元的VCC端连接直流电源的正极。
5.根据权利要求4所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括滤波电路，所述滤波电路包括电阻R3和电容C3，所述电阻R3的一端和电容C3的一端连接直流电源的正极，所述电阻R3的另一端和电容C3的另一端连接直流电源的负极；
所述微控制单元的VCC端和GND端并联有电阻R1和电容C1；
所述接收端连接分压钳位电路的一侧并联有一电容C2和串联有一二极管D1；若所述开关电路为一NMOS管，则接收端的输出端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接电容C2的一端和稳压二极管D3的正极，电容C2的另一端连接接收端的输入端；若所述开关电路为一PMOS管，则所述接收端的输入端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接稳压二极管D3的负极和电容C2的一端，电容C2的另一端连接接收端的输出端。
6.根据权利要求1所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，所述直流电源为恒流源。
7.根据权利要求6所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，所述接收端为一条串联着N个LED灯珠的LED灯条，所述LED灯条的正极为接收端的输入端，所述LED灯条的负极为接收端的输出端；
或所述接收端为至少两条串联着N个LED灯珠的LED灯条，每条所述LED灯条的正极并联的一端为接收端的输入端，每条所述LED灯条的负极并联的一端为接收端的输出端；
其中，N为正整数。
8.根据权利要求1所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，所述直流电源为AC-DC恒压源。
9.根据权利要求8所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，所述接收端为一条串联着限流电路的串联着N个LED灯珠的LED灯条，所述LED灯条的正极为接收端的输入端，所述LED灯条的负极连接限流电路的输入端，所述限流电路的输出端为所述接收端的输出端；或
所述接收端为至少两条串联着限流电路的串联着N个LED灯珠的LED灯条，每条所述LED灯条的正极并联的一端为接收端的输入端，每条所述LED灯条的负极连接一个限流电路的输入端，每个所述限流电路的输出端并联的一端为所述接收端的输出端；
其中，N为正整数。
10.根据权利要求9所述的在电源线上传输数据信号的驱动电路，其特征在于，所述限流电路包括电阻R4、电阻R5、三极管Q1、三极管Q2，所述电阻R4的一端、所述三极管Q2的集电极连接限流电路的输入端，所述电阻R4的另一端连接所述三极管Q2的基极和所述三极管Q1的集电极，所述三极管Q2的发射极连接所述三极管Q1的基极和所述电阻R5的一端，所述三极管Q1的发射极和所述电阻R5的另一端连接限流电路的输出端。
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