CN107147431A - 一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路及其实现方法 - Google Patents

一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路，包括依次连接的差分信号耦合电路、差分信号收发芯片和微处理芯片；差分信号耦合电路与直流输电线连接，差分信号耦合电路与直流输电线之间并联宽输入降压DC‑DC模块。本发明还公开了一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路的实现方法。本发明具有结构简单、造价便宜、低压直流载波数据通信、载波通信电压范围宽、耦合方式简易、抗干扰能力强、通信稳定、通信速率快、通信带载节点数多、通信距离长等特点。

Description

一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路及其实现方法
技术领域
本发明涉及载波通信技术，具体来说是一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路及其实现方法。
背景技术
目前市面上交流载波通信技术较成熟、应用较广泛，但直流载波通信的应用受到技术的成熟度和实现的复杂度在市面上还没有大范围的应用。我们采取的利用差分信号在直流输电线上的耦合技术实现了直流载波数据通信，该技术其具有电路构造简单、载波直流电压范围宽、耦合方式简易、抗干扰能力强、通信稳定、通信带载节点数多、通信速率高、通信距离远等特点适合应用于现有的直流输电线上实现各设备节点间通过直流输电线进行载波数据通信。故现有技术中直流载波通信存在的技术问题：
1、现有直流载波通信中，受限于载波调制的方式导致载波通信速率较低；
2、现有直流载波通信中，载波通信适应的直流输电电压范围较小；
3、现有直流载波通信中，载波耦合方式较复杂且对直流输电线供电功率及电压范围有限制。
发明内容
本发明的目的在于克服以上现有技术存在的不足，提供了一种结构简单、造价便宜、低压直流载波数据通信、载波通信电压范围宽、耦合方式简易、抗干扰能力强、通信稳定、通信速率快、通信带载节点数多、通信距离长的基于差分耦合的低压直流载波通信电路。
本发明的另一目的在于提供一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路的实现方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路，包括依次连接的差分信号耦合电路、差分信号收发芯片和微处理芯片；差分信号耦合电路与直流输电线连接，差分信号耦合电路与直流输电线之间并联宽输入降压DC-DC模块。
所述差分信号耦合电路包括D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容，D+端差分信号耦合电容与直流输电线的正极连接，D-端差分信号耦合电容与直流输电线的负极连接，D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间并联宽输入降压DC-DC模块；D+端差分信号耦合电容与电阻R1一端、差分信号收发芯片连接，电阻R1另一端与D+端差分信号负载电感一端连接，D+端差分信号负载电感另一端接地；D-端差分信号耦合电容与电阻R3一端、差分信号收发芯片连接，电阻R3另一端与D-端差分信号负载电感一端连接，D-端差分信号负载电感另一端接地。
所述直流输电线与D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间设有共模滤波电感T1。
所述D+端差分信号负载电感接地端与电阻R1一端之间设有D+端差分信号TVS过压防护管，D-端差分信号负载电感接地端与电阻R2一端之间设有D-端差分信号TVS过压防护管。
所述D+端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D+端差分信号上拉电阻的一端，D+端差分信号上拉电阻的另一端接电源+5V；D-端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D-端差分信号下拉电阻的一端，D-端差分信号下拉电阻的另一端接地。
所述电阻R1和电阻R3阻值相等，D+端差分信号负载电感和D-端差分信号负载电感相等。
上述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路的实现方法，包括以下步骤：
(1)、D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容从直流输电线上获取直流电及差分载波信号；
(2)、直流电通过宽输入降压DC-DC模块输出电压给载波电路供电；
(3)、差分信号耦合电路通过直流电中分离耦合差分载波信号分量，隔离直流电分量，同时将差分载波信号耦合输出至后级；
(4)、差分信号收发芯片，将差分载波信号转换为数字信号并输出至后级；
(5)、微处理芯片接收差分信号收发芯片输出的数字信号并进行解码，然后输出使用。
所述差分信号耦合电路包括D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容，D+端差分信号耦合电容与直流输电线的正极连接，D-端差分信号耦合电容与直流输电线的负极连接，D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间并联宽输入降压DC-DC模块；D+端差分信号耦合电容与电阻R1一端、差分信号收发芯片连接，电阻R1另一端与D+端差分信号负载电感一端连接，D+端差分信号负载电感另一端接地；D-端差分信号耦合电容与电阻R3一端、差分信号收发芯片连接，电阻R3另一端与D-端差分信号负载电感一端连接，D-端差分信号负载电感另一端接地；所述直流输电线与D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间设有共模滤波电感T1；所述D+端差分信号负载电感接地端与电阻R1一端之间设有D+端差分信号TVS过压防护管，D-端差分信号负载电感接地端与电阻R2一端之间设有D-端差分信号TVS过压防护管；所述D+端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D+端差分信号上拉电阻的一端，D+端差分信号上拉电阻的另一端接电源+5V；D-端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D-端差分信号下拉电阻的一端，D-端差分信号下拉电阻的另一端接地；所述电阻R1和电阻R3阻值相等，D+端差分信号负载电感和D-端差分信号负载电感相等。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
1、本发明包括依次连接的差分信号耦合电路、差分信号收发芯片和微处理芯片；差分信号耦合电路与直流输电线连接，差分信号耦合电路与直流输电线之间并联宽输入降压DC-DC模块，具有结构简单、载波通信电压范围宽、耦合方式简易、抗干扰能力强、通信稳定、通信速率可达57600bps/S、通信带载节点数多、通信距离可达600米等特点。
2、本发明中电路适合应用于现有的低压直流输电线上的各设备节点间通过直流输电线进行载波数据通信实现节点互联互通。
3、本发明采用差分信号传输，其差分载波信号耦合电路简易、可靠。
4、本发明采用了宽压输入，自适应7～48V范围直流输电线上载波通信。
5、本发明载波通信速率范围广，通信距离远，满足2400～57600bit/S波特率，端到端传输距离达600米。
6、本发明采用了峰峰值为-5V～+5V差分电压及2400～57600HZ低功率的差分传输信号，其对原直流输电线上其它的用电设备不产生干扰。
7、本发明采用了模块化接口设计，本直流载波通信电路以模块化形式可嵌入到其它任何应用装置中以便于安装及日常维护。
8、本发明采用降压DC-DC模块具备高效率特点，同时电路中大部分采用了分立无源器件及低功耗芯片使整体电路具备体积小、功耗低的特点。
附图说明
图1为一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路的电路连接示意图。
图中标号与名称如下：
1 差分信号收发芯片 2 微处理芯片
3 宽输入降压DC-DC模块 4 D+端差分信号耦合电容
5 D-端差分信号耦合电容 6 直流输电线
7 电阻R1 8 D+端差分信号负载电感
9 电阻R3 10 D-端差分信号负载电感
11 共模滤波电感T1 12 D+端差分信号TVS过压防护管
13 D-端差分信号TVS过压防护管 14 D+端差分信号上拉电阻
15 D-端差分信号下拉电阻
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路，包括依次连接的差分信号耦合电路、差分信号收发芯片和微处理芯片；差分信号耦合电路与直流输电线连接，差分信号耦合电路与直流输电线之间并联宽输入降压DC-DC模块。
本实施例中的差分信号耦合电路包括D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容，D+端差分信号耦合电容与直流输电线的正极连接，D-端差分信号耦合电容与直流输电线的负极连接，D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间并联宽输入降压DC-DC模块；D+端差分信号耦合电容与电阻R1一端、差分信号收发芯片连接，电阻R1另一端与D+端差分信号负载电感一端连接，D+端差分信号负载电感另一端接地；D-端差分信号耦合电容与电阻R3一端、差分信号收发芯片连接，电阻R3另一端与D-端差分信号负载电感一端连接，D-端差分信号负载电感另一端接地。
本实施例中的直流输电线与D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间设有共模滤波电感T1，共模滤波电感T1起到滤除直流输电线上的共模干扰信号，将共模干扰源隔离在共模滤波电感的外侧，同时将直流电及差分载波信号输出至后级。本实施例中的宽输入降压DC-DC模块从共模滤波电感T1后级获取输入直流电，并转换输出电压给直流载波电路整体供电，该宽输入降压DC-DC模块具有宽压输入，可对7～48V直流输入电压进行降压输出。
本实施例中的D+端差分信号负载电感接地端与电阻R1一端之间设有D+端差分信号TVS过压防护管，D-端差分信号负载电感接地端与电阻R2一端之间设有D-端差分信号TVS过压防护管；D+端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D+端差分信号上拉电阻的一端，D+端差分信号上拉电阻的另一端接电源+5V；D-端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D-端差分信号下拉电阻的一端，D-端差分信号下拉电阻的另一端接地。
本实施例中的电阻R1和电阻R3阻值相等，D+端差分信号负载电感和D-端差分信号负载电感相等。
上述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路的实现方法，包括以下步骤：
(1)、D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容从直流输电线上获取直流电及差分载波信号；
(2)、直流电通过宽输入降压DC-DC模块输出电压给载波电路供电；
(3)、差分信号耦合电路通过直流电中分离耦合差分载波信号分量，隔离直流电分量，同时将差分载波信号耦合输出至后级；
(4)、差分信号收发芯片，将差分载波信号转换为数字信号并输出至后级；
(5)、微处理芯片接收差分信号收发芯片输出的数字信号并进行解码，然后输出使用。
本实施例中的差分信号耦合电路起到将叠加在直流电上的差分载波信号分离进行分离耦合输出至后级，同时隔离直流电分量的作用。其中D+端差分信号耦合电容、D-端差分信号耦合电容起到隔离直流分量，耦合差分载波信号分量的作用，其电容数值的大小选择依据差分载波信号的频率所对应容抗数值进行选择，容抗Cr计算公式为Cr＝1/(2*π*F*C)，其中F为差分载波信号的频率，反推电容C的数值选择计算公式为C＝1/(2*π*F*Cr)，差分载波信号频率F应选择常规带宽范围2400～57600。本实施例中容抗Cr选择范围10～100，可根据实际直流载波信号频率将以上数值带入公式可计算出实际的电容数值。电阻R1和D+端差分信号负载电感组成差分信号正极端的阻抗匹配电路，电阻R3和D-端差分信号负载电感组成差分负极端的阻抗匹配电路，电阻R1和电阻R3的数值一致其数值不受具体范围限制，D+端差分信号负载电感和D-端差分信号负载电感的数值一致。其数值依据公式L＝(2*π*F)/Lr，其中L为电感数值，Lr为电感感抗，可根据实际的总匹配阻抗值计算出电感量L的数值。D+端差分信号TVS过压防护管、D-端差分信号TVS过压防护管为过压击穿防护管，起到接口电气过压保护。
D+端差分信号上拉电阻和D-端差分信号下拉电阻起到差分总线空闲状态下差分接口信号电平状态稳定作用，D+端差分信号上拉电阻串接在电源和差分接口正极端起到空闲状态将差分正极稳定在高电平，D-端差分信号下拉电阻串接在电源地和差分接口负极端起到空闲状态将差分负极稳定在低电平，这样可使差分接口空闲状态下稳定在逻辑“1”状态，D+端差分信号上拉电阻和D-端差分信号下拉电阻的取值范围不受具体限制。差分信号收发芯片通过差分接口接收差分信号耦合电路输出的差分载波信号，并将差分载波信号转换为数字逻辑信号输出至后级，这里的差分信号收发芯片指的是一切差分收发芯片。本实施例中的直流载波信号发送与直流载波信号接收为反方向过程，同时此直流载波为半双工运行模式(载波接收与载波发送同一时刻只能存在一个工作模式)。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于差分耦合的低压直流载波通信电路，其特征在于：包括依次连接的差分信号耦合电路、差分信号收发芯片和微处理芯片；差分信号耦合电路与直流输电线连接，差分信号耦合电路与直流输电线之间并联宽输入降压DC-DC模块。
2.根据权利要求1所述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路，其特征在于：所述差分信号耦合电路包括D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容，D+端差分信号耦合电容与直流输电线的正极连接，D-端差分信号耦合电容与直流输电线的负极连接，D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间并联宽输入降压DC-DC模块；D+端差分信号耦合电容与电阻R1一端、差分信号收发芯片连接，电阻R1另一端与D+端差分信号负载电感一端连接，D+端差分信号负载电感另一端接地；D-端差分信号耦合电容与电阻R3一端、差分信号收发芯片连接，电阻R3另一端与D-端差分信号负载电感一端连接，D-端差分信号负载电感另一端接地。
3.根据权利要求2所述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路，其特征在于：所述直流输电线与D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间设有共模滤波电感T1。
4.根据权利要求3所述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路，其特征在于：所述D+端差分信号负载电感接地端与电阻R1一端之间设有D+端差分信号TVS过压防护管，D-端差分信号负载电感接地端与电阻R2一端之间设有D-端差分信号TVS过压防护管。
5.根据权利要求4所述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路，其特征在于：所述D+端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D+端差分信号上拉电阻的一端，D+端差分信号上拉电阻的另一端接电源+5V；D-端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D-端差分信号下拉电阻的一端，D-端差分信号下拉电阻的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路，其特征在于：所述电阻R1和电阻R3阻值相等，D+端差分信号负载电感和D-端差分信号负载电感相等。
7.根据权利要求1～6任一项所述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容从直流输电线上获取直流电及差分载波信号；
(2)、直流电通过宽输入降压DC-DC模块输出电压给载波电路供电；
(3)、差分信号耦合电路通过直流电中分离耦合差分载波信号分量，隔离直流电分量，同时将差分载波信号耦合输出至后级；
(4)、差分信号收发芯片，将差分载波信号转换为数字信号并输出至后级；
(5)、微处理芯片接收差分信号收发芯片输出的数字信号并进行解码，然后输出使用。
8.根据权利要求7所述的基于差分耦合的低压直流载波通信电路的实现方法，其特征在于：所述差分信号耦合电路包括D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容，D+端差分信号耦合电容与直流输电线的正极连接，D-端差分信号耦合电容与直流输电线的负极连接，D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间并联宽输入降压DC-DC模块；D+端差分信号耦合电容与电阻R1一端、差分信号收发芯片连接，电阻R1另一端与D+端差分信号负载电感一端连接，D+端差分信号负载电感另一端接地；D-端差分信号耦合电容与电阻R3一端、差分信号收发芯片连接，电阻R3另一端与D-端差分信号负载电感一端连接，D-端差分信号负载电感另一端接地；所述直流输电线与D+端差分信号耦合电容和D-端差分信号耦合电容之间设有共模滤波电感T1；所述D+端差分信号负载电感接地端与电阻R1一端之间设有D+端差分信号TVS过压防护管，D-端差分信号负载电感接地端与电阻R2一端之间设有D-端差分信号TVS过压防护管；所述D+端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D+端差分信号上拉电阻的一端，D+端差分信号上拉电阻的另一端接电源+5V；D-端差分信号TVS过压防护管与差分信号收发芯片连接处连接D-端差分信号下拉电阻的一端，D-端差分信号下拉电阻的另一端接地；所述电阻R1和电阻R3阻值相等，D+端差分信号负载电感和D-端差分信号负载电感相等。
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