CN107180002A

CN107180002A - 一种使用两线同时传输信息和电源的电路

Info

Publication number: CN107180002A
Application number: CN201610134844.4A
Authority: CN
Inventors: 潘之凯; 潘艳; 张洪涛
Original assignee: BEIJING NAHENG INSTRUMENT AND METER Co Ltd
Current assignee: BEIJING NAHENG INSTRUMENT AND METER Co Ltd
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2017-09-19
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: CN107180002B

Abstract

一种用两条通信线同时传输信息和电源的电路，通过等效开关K1在传输信号“1”时切换接通外部稳压后的输入电压、传输信号“0”时切换接通本发明内部稳压电路U1的输出电压，实现了“1”和“0”构成的高低电平均由稳压源输出的目标，实现了输出信号的稳定，还通过电感L1和电阻R3并联作为接收采样电路，克服了采样电路的电压损失和信号解调偏置电压的偏离，使整个电路在二线传输电源和信号的前提下，线路电压衰大大减小、带载能力大大增强，可以广泛用于需二线通信又要同时供电的场合。

Description

一种使用两线同时传输信息和电源的电路

技术领域

一种使用两条线同时传输信息和电源的电路。

背景技术

公知有一种M-BUS接口电路使用两线电路，同时传输信息和电源。这种接口电路把通信功能和供电功能集合在一起，只需二根线非常方便，越来越多地被应用到设备之间的通信上。该电路由主机电路和从机电路构成，主机电路在向从机发送信息时采用电压调制，而在接收从机发送的信息时采用电流调制。但这种电路至少有一个缺陷，影响了应用范围：解调接收电流信号（通常有10mA至20mA的变化电流）时需要在主供电电路中串入一个取样电阻，这个电阻虽然很小，通常只有几十欧姆，但当一个主机带有多个从机时，每个从机的负载以及负载的变化都会构成流过取样电阻的电流变化，都会在取样电阻两端产生一个变化的偏置电压。每增加或减少从机都会改变取样电阻上的电压，而每个从机在工作过程中的负载变化还会成为在取样电阻上的变化信号，虽然负载变化可以通过滤波电容加以平滑，但产生的电压偏置无法消除。于是，一旦负载电流超过通信信号电流（10mA至20mA），该电路就无法正常工作。这个缺陷影响该电路在多从机使用场合、大负载场合的使用。同时采样电阻上的降压，直接降低从机的工作电源，影响多从机场合使用。

发明内容

本发明要解决的问题：本发明的目的是发明一种不受已经过滤波负载影响的、可以带动多个大工作电流从机工作的、两条线的、能同时传输信息和电源的电路。

本发明是这样实现的：图1是一种使用两条线同时传输信息和电源的主机（1）（以下简称“主机1”）的电路原理图和从机（2）（以下简称“从机2”）的实施例电路原理图。

图1原理图中UIN和GND两端是“主机1”的电源输入端。C1是滤波电容器，是所有连接在该处电容器的总等效电容器；U1是稳压电路；一个实施例是一个三端开关电源电路；一个实施例是一个三端稳压器件；D1是耐压足够的阻止电流反流的二极管；K1是一个由“主机1”处理器MCU1发送信号TXD1控制的等效可控制切换接通开关电路；电阻R3和电感L1并联后作为解调“从机2”发送的电流信号的“采样电路”；电阻R1、R2和电容C2、比较放大器U2为接收电流信号解调电路，比较放大器U2输出接收解调信号RXD1，送“主机1”处理器MCU1作为其输入信号；BUSL1和BUSL2是两条线同时传输信息和电源电路的输入输出接口。

输出信号TXD1通过等效可控制切换接通开关电路K1实现发送：当TXD1输出高电平“1”时，K1的K-1和K-2接通（K-1和K-3断开）后与UIN接通，阻止电流反流的二极管D1处于反向状态，BUSL1输出高电平（电压接近于UIN脚的输入电压），输出信号“1”电平；当TXD1输出低电平“0”时，K1的K-1和K-3接通（K-1和K-2断开）后与U1的输出端a点接通，阻止电流反流的二极管D1被短路，BUSL1输出稳压电源U1的输出电平，电压值接近于稳压电路U1的输出电压，输出信号“0”电平。“主机1”要实现多带一些“从机2”负载，就要确保其二线输出“信号和电源”的最低输出电压要恒定，本发明通过稳压电路U1实现了这一点。结果BUSL1和BUSL2输出的最低电压由稳压电路U1的输出电压确定，而信号的高电压由UIN和GND两端的输入电压决定，只要这两端输入稳定电压，那么电路在信号为“1”时的电压输出也是由稳压源提供，使得输出“1”电平和“0”电平两种状态的电压都由稳压源提供，有极好的稳定性。

“采样电路”由电感L1和电阻R3并联构成。“采样电路”被串联在信号和电源输出的主回路中。由于电感L1的直流电阻可以忽略不计，接近于直流的电流电（经过大电容滤波的负载电流也可以看成直流）基本上不产生电压降，使之不会因滤波过的工作电源负载（比如接入或减少“从机2”）改变而产生偏置电压改变。当“采样电路”流过交变信号或脉冲信号时，电感L1上的感抗仍然会产生平均电平为零的交变信号或脉冲信号。这里电阻R3用于阻尼，可以使还原的脉冲信号更接近发送的原始信号。电阻R1、R2分压为比较放大器提供一个负值偏置电压，让低于该值的干扰、电流波动信号不会构成比较放大器U2的输入信号，保证解调信号稳定可靠。一个实施例，比较放大器U2输出引脚采用高阻模式，即输出高电平时高阻态，这时比较放大器U2输出时需接一个上拉电阻R14，通过上拉电阻与接收处理电路的连接，实现与接收电路的信号匹配。

本发明的“从机2”功能的实现过程：电阻R4、R5和压敏保护二极器件D2构成“从机2”的输入过压、过流保护电路；二极管D3、D4、D5、D6构成整流电路，实现二线接口的无极性化。

二极管D7、电阻R6、电容C3、C4和稳压电路U3构成“从机2”的电源供给电路，其中电容C3、C4是等效电容；二极管D7和电阻R6作用非常重要：D7保证稳压电路U3输入电压的充足，电阻R6对通信信号的边沿作用很大：R6很小时，脉冲信号的上升沿会被电容C3滤掉；但太大会降低U3的带载能力。

图1公开的电路，在UIN和GND两端间施加的电源电压是UIN端相对于GND是正极性电压。当在UIN和GND两端间施加的电源电压是UIN端相对于GND是负极性电压时，二极管D1需要反置，其他有源器件的电源配合也需要作出调整。

图1公开的电路，稳压电路U1的输入电压，直接取自UIN和GND两端间的电源，这是一个优选方案，也可以用其他方式提供。一个实施例由独立电源提供。

一种使用两条线同时传输信息和电源的电路，至少有“主机1”和“从机2”，且“主机1”至少有稳压电路U1、有由控制脚K-4控制K-1和K-2还是K-3接通的等效可控制切换接通开关电路K1、有阻止电流反流的二极管D1、有包含电感L1的采样电路，且“从机2”至少有整流电路、电源供给电路、接收信号解调电路、电流信号发送电路，其特征是：

a、“主机1”稳压电路U1的输出和阻止电流反流的二极管D1正极相连接，在二极管D1的负极通过开关K1的K-1和K-2连接到UIN端上时，UIN端的高电压不会产生流入稳压电路U1输出端的电流；

b、“主机1”等效可控制切换接通开关电路K1的K-1和阻止电流反流的二极管D1的负极相连接且作为“主机1”主输出电路与采样电路相连接，等效可控制切换接通开关电路K1的K-2和输入电源引脚UIN相连，等效可控制切换接通开关电路K1的K-3和稳压电路U1的输出相连接，等效可控制切换接通开关电路K1的K-4控制脚接受发送信号TXD1控制：当TXD1输出高电平“1”时，K1的K-1和K-2接通，UIN端输入电压直接输出；当TXD1输出低电平“0”时，K1的K-1和K-3接通，U1的输出电压直接输出；

c、“主机1”的接收采样电路有电感L1被串接在主输出电路中；

d、“从机2”的电源产生电路接有二极管D7和限流电阻R6。

附图说明：

图1是一种使用两条线同时传输信息和电源的主机（1）的电路原理图和从机（2）的实施例电路原理图。

图1原理图中UIN和GND两端是“主机1”的电源输入端。C1是滤波电容器，是所有连接在该处电容器的总等效电容器；U1是稳压电路；D1是耐压足够的阻止电流反流的二极管；K1是一个由“主机1”处理器MCU1发送信号TXD1控制的等效可控制切换接通开关电路，其中K-1是等效开关的公共脚，K-2、K-3是等效开关切换输出引脚，K-4是等效控制引脚；电阻R3和电感L1并联后作为解调“从机2”发送电流信号的“采样电路”；电阻R1、R2和电容C2、比较放大器U2为接收电流信号解调电路，比较放大器U2输出RXD1作为接收解调信号送“主机1”处理器MCU1作为输入信号；BUSL1和BUSL2是两条线同时传输信息和电源电路的输入输出接口。其中GND和BUSL2在物理上是连接在一起的。

电阻R4、R5和压敏保护二极器件D2构成“从机2”的输入过压、过流保护电路；二极管D3、D4、D5、D6构成整流电路；二极管D7、电阻R6、电容C3、C4，稳压电路U3构成“从机2”的电源供给电路，其中电容C3、C4是等效电容；电阻R12、R13、R14和比较放大器U4组成“从机2”的接收信号解调电路，U4输出RXD2作为处理器MCU2的输入信号；电阻R10、R11、三极管Q2及电阻R8、R9、R7、三极管Q1构成“从机2”输出电流信号发送电路。

图2是“主机1”输出TXD1等效可控制切换接通开关电路K1的一个实施例电路原理图。Q6、Q7是大电流开关三极管，作为等效开关K1的主控制切换接道器件；由电阻R21、R24、R19、R20、三极管Q5构成Q6的驱动电路和电平转换电路；由反相器件U5、电阻R15、R16、R17、R18、R21、R22、三极管Q4、Q3构成Q7的驱动电路和电平转换电路。

具体实施方式：本具体实施方式所列举的实施例是本发明的部分优选实施例。本发明包含具体实施方式所列举的发明内容和发明特征，但不限于这些内容和技术特征。以下实施方式均将图2输出TXD1控制的实施例等效可控制切换接通开关电路K1作为图1中的K1。

“主机1”信号发送实现过程：MCU1的TXD1输出信号“1”时，图2中三极管Q5、Q6导通，而通过反相器U5反向，Q4、Q5、Q7关闭，K-1、K-2接通，阻止电流反流的二极管D1处于反向截止状态，输出高电平“1”，且高电平“1”输出电压接近UIN的输入电压，有很强的带载能力。

三极管Q6和Q7是串接在主回路的关键器件，决定“主机1”的输出功率、输出最高电压（与最远距离相关）和通信最高频率。三极管Q6和Q7的一个实施例是选用截止频率和耐压满足需要的达林顿功率三极管，它驱动电流小，导通时饱和电压低，因而功耗小，控制电流大。

一种使用两条线同时传输信息和电源电路中,等效可控制切换接通开关电路K1至少有大电流开关三极管Q6、Q7，其特征是：

a、大电流开关三极管Q6由三极管Q5、电阻R24和R20作为Q6的驱动电路和电平转换电路；

b、大电流开关三极管Q7由三极管Q4和Q3、电阻R15、R18、R21作为Q7的驱动电路和电平转换电路；

c、K-4控制脚输入信号电路会有一个反相器件U5，保证大电流开关三极管Q6和Q7总是一个导通时另一个关闭。

“主机1”信号接收的实现过程：“采样电路”由电感L1和电阻R3并联构成，被串联在信号和电源输出的主回路中。由于电感L1的直流电阻可以忽略不计，因此“采样电路”不会因负载（比如接入或减少“从机2”）变化而在“采样电路”上产生直流压降。这就避免了传统有直流电阻设计时发生二个关键问题：其一，当负载增加时，“采样电路”上的直流压降增加，有效电源供给不断降低，为保证从机用电需要，不得不大大提高电源电压（甚至达到42V及以上）；其二，影响接收信号解调，因为直流电压降会直接成为解调电路的偏置电压，使解调电路偏离设计的偏置值，失去解调功能。本发明通过电阻R3和电感L1并联后，电感两端的交流信号会保留，但其直流电压分量的平均值会自动调整至接近零值，这正好保留了解调电路的偏置电压的稳定性。电阻R3用于脉冲信号阻尼：没有R3时，脉冲信号过来时会产生边沿峰压，R3一般可选择几十欧姆。电感L1与整个电路通信时使用的波特率相关，要求低速率通信时，L1电感量必须大，而当通信波特率很高时，L1电感量允许小些。当串行通信波特率在480bps以上通信时，一个实施例，L1的电感量大于40mH。

稳压电路U1的输出电压决定“从机2”工作电源电压，当通信距离远时，考虑到线路损耗，应适当提高电压。由于U1是稳压电路，且主回路中无电阻降压，电压衰减主要考虑因素是通信线路的线阻。一个实施例，“从机2”的工作电源选择3.3V、工作电流10mA、距离100m时，U1选择6V至9V即可稳定工作。

“主机1”在UIN和GND两端的电源输入应该稳压，电压高低由传输远近、电路干扰情况、“从机2”工作电压高低来决定。一个实施例是9V到24V。

一个优选的实施例，稳压电路U1釆用LM2596开关电源，由于开关电源自身功耗小，可以减小装置体积。

本发明的“从机2”的实现过程：

电阻R4、R5和压敏保护二极器件D2构成“从机2”的输入过压、过流保护电路；二极管D3、D4、D5、D6构成整流电路，实现二线接口的无极性化。

二极管D7、电阻R6、电容C3、C4，稳压电路U3构成“从机2”的电源供给电路，其中电容C3、C4是等效电容；二极管D7和电阻R6作用非常重要：D7保证稳压电路U3输入电压的充足，电阻R6对通信信号的边沿作用很大：R6很小时，脉冲信号的上升沿会被电容C3滤掉；但太大会降低电源供给电路的带载能力；一个实施例，最低波特率为4800bps时，R6为51欧姆，L1为48mH。

一种使用两条线同时传输信息和电源电路的“从机2”，至少有整流电路、电源供给电路、接收信号解调电路、输出电流信号发送电路，其特征是：

a、二极管D7、电阻R6、电容C3、C4，稳压电路U3构成“从机2”的电源供给电路；

b、电阻R12、R13、R14和比较放大器U4组成“从机2”的接收信号解调电路，U4输出RXD2作为“从机2”的接收信号输出；

c、电阻R10和R11、三极管Q2及电阻R8、R9、R7、三极管Q1构成“从机2”输出电流信号发送电路。

电阻R12、R13、R14和比较放大器U4组成“从机2”的接收信号解调电路，U4输出RXD2作为处理器MCU2的输入信号；U4输出高电平时选用高阻输出，有利于通过电阻R14实现电源匹配。R12和R13分压接收来自“主机1”的电压信号。由于该电压信号功率大、信号强，只要保证分压点的电压在输入信号“1”电平和“0”电平时，相对于稳压电路U3的输出电平，“1”电平产生的偏正值和“0”电平产生的偏负值大小接近的数值上。

一种使用两条线同时传输信息和电源电路的“从机2”接收信号解调电路，其特征是：

a、电阻R12、R13、R14和比较放大器U4组成“从机2”的接收信号解调电路，U4输出信号RXD2作为接收信号解调电路的输出；

b、电阻R12和R13分压点电压设计在输入信号“1”电平和“0”电平时，相对于稳压电路U3的输出电平，“1”电平产生的偏正值和“0”电平产生的偏负值大小接近的数值上。

电阻R10、R11、三极管Q2及电阻R8、R9、R7、三极管Q1构成“从机2”电流信号发送电路，R7大小决定信号“1”时的电流信号大小。当TXD2输出信号“1”时（不发送信息时亦为“1”态，“1”是电路的闲置状态），Q2、Q1均处于关闭态，无电流信号输出（空闲状态不耗电）；当TXD2输出信号“0”时，Q2的集电极和Q1的基极处于高电平，数值上接近于稳压器U3的输出电压，这时流过三极管Q1的集电极电流近似等于：Q1的基极电平减去Q1的Ube电压差再除电阻R7的电阻值，因此改变R7的电阻值可以改变“从机2”返回“主机1”的电流信号大小。一个实施例，电路环境差、线路长，电流应选择大一些，可选择10mA到20mA，可保证稳定工作。

一种使用两条线同时传输信息和电源电路的“从机2”信号发送电路，其特征是：由电阻R10、R11、三极管Q2及电阻R8、R9、R7、三极管Q1构成“从机2”电流信号发送电路，在TXD2输出信号“1”时，Q2、Q1均处于关闭态，无电流信号输出不耗电；在TXD2输出信号“0”时，Q2的集电极和Q1的基极处于高电平，发送信号“0”电流信号。

图2是“主机1”中等效可控制切换接通开关电路K1的一个实施例电路原理图。Q6、Q7是大电流开关三极管，作为等效开关K1的主控制切换接道器件；由电阻R21、R24、R19、R20、三极管Q5构成Q6的驱动电路和电平转换电路；由反相器件U5、电阻R15、R16、R17、R18、R21、R22、三极管Q4、Q3构成Q7的驱动电路和电平转换电路。其中三极管Q4、Q3和Q5用于控制电平转换，主要是从K-4引脚输入的控制信是对参考信号地GND的，而真正驱动Q6、Q7的驱动电压均无法直接使用由微处理器I／O口的信号电平直接输至Q6和Q7进行控制。

发明的效果：一种用两条通信线同时传输信息和电源的电路，通过等效开关K1在传输信号“1”时切换接通外部稳压后的输入电压、传输信号“0”时切换接通本发明内部稳压电路U1的输出电压，实现了“1”和“0”构成的高低电平均由稳压源输出的目标，实现了输出信号的稳定，还通过电感L1和电阻R3并联作为接收采样电路，克服了采样电路的电压损失和信号解调偏置电压的偏离，使整个电路在二线传输电源和信号的前提下，线路电压衰大大减小、带载能力大大增强，实现了发明目的，可以广泛用于需二线通信又要同时供电的场合。

Claims

1.一种使用两条线同时传输信息和电源的电路，至少有“主机1”和“从机2”，且“主机1”至少有稳压电路U1、有由控制脚K-4控制K-1和K-2还是K-3接通的等效可控制切换接通开关电路K1、有阻止电流反流的二极管D1、有包含电感L1的采样电路，且“从机2”至少有整流电路、电源供给电路、接收信号解调电路、电流信号发送电路，其特征是：

d、“从机2”的电源产生电路接有二极管D7和限流电阻R6。

2.根据权利要求1所述的一种使用两条线同时传输信息和电源电路中,等效可控制切换接通开关电路K1至少有大电流开关三极管Q6、Q7，其特征是：

3.根据权利要求1所述的一种使用两条线同时传输信息和电源电路中的大电流开关三极管Q6和Q7，其特征是：大电流开关三极管Q6和Q7是截止频率和耐压满足需要的达林顿功率三极管。

4.根据权利要求1所述的一种使用两条线同时传输信息和电源电路的“从机2”，至少有整流电路、电源供给电路、接收信号解调电路、输出电流信号发送电路，其特征是：

a、二极管D7、电阻R6、电容C3、C4和稳压电路U3构成“从机2”的电源供给电路；

5.根据权利要求1所述的一种使用两条线同时传输信息和电源电路的“从机2”接收信号解调电路，其特征是：

6.根据权利要求1所述的一种使用两条线同时传输信息和电源电路的“从机2”信号发送电路，其特征是：由电阻R10、R11、三极管Q2及电阻R8、R9、R7、三极管Q1构成“从机2”电流信号发送电路，在TXD2输出信号“1”时，Q2、Q1均处于关闭态，无电流信号输出不耗电；在TXD2输出信号“0”时，Q2的集电极和Q1的基极处于高电平，发送信号“0”电流信号。