CN108762461A - 用于供电粮情检测主机的usb供电通信电路 - Google Patents

用于供电粮情检测主机的usb供电通信电路 Download PDF

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朱鹏飞
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刘文敬
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Abstract

本发明涉及用于供电粮情检测主机的USB供电通信电路，技术方案是，包括USB转换器U4、信号共模滤波器U3、芯片U5和USB接口P2，USB转换器U4的1脚与CPU处理单元相连，USB转换器U4的5脚与CPU处理单元相连，本发明供电方式简单，直接通过USB连接即可，通信方式简单：使用USB转串口，实现主机与电脑通信；操作简单，只需要将主机通过USB线与电脑连接即可，可以根据现场不同需求采用433无线、RS485或以太网通信，相比于单一的无线通信，传输数据方式更加灵活，也更加安全，在无线通信干扰较强的情况下，可选择RS485或者以太网通信，避免通信出现干扰；不需要外加其他配套设备，主机工作只需要通过USB同时提供供电和通信，降低成本，使用方便，效果好。

Description

用于供电粮情检测主机的USB供电通信电路
技术领域
本发明涉及粮食仓储检测技术领域，特别是一种用于供电粮情检测主机的USB供电通信电路。
背景技术
以在粮食仓储行业里的粮情测控系统为例，目前市场的粮情主机与从机通讯方式比较单一，而且供电方式也比较复杂。
供电方式：主机供电需要独立电源，外加220V供电电源和配套的电源适配器；
通信方式：使用的是独立端口，采用RS232通信，而目前电脑大多不具备对应端口，需要增加USB转RS232转换器；
功率大成本高：目前市面上其他分机与主机采用点对点通信，单个结点的功率较大，且通信不稳定，而且主机外部接线复杂，设备体积也比较大，成本较高；
主从机通信模式单一：只有单一的通信模式，不能匹配不同的设备，适应能力差；
抗干扰能力差：采用点对点无线通信时，当外部发生信号干扰或者主机与分机距离比较远，传输数据会发生异常。安装复杂：主机与从机布线复杂，设备安装不方便；
因此，粮情检测分机的改进和创新势在必行。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种用于供电粮情检测主机的USB供电通信电路。
本发明解决的技术方案是：
一种用于供电粮情检测主机的USB供电通信电路，包括USB转换器U4、信号共模滤波器U3、芯片U5和USB接口P2，USB转换器U4的1脚与CPU处理单元相连(通过接头TXD与CPU处理单元中芯片U1的30脚相连)，USB转换器U4的5脚与CPU处理单元相连(通过接头RXD与CPU处理单元中芯片U1的29脚相连)，USB转换器U4的6脚、7脚并联接地，USB转换器U4的8脚分别接电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R14的一端，共端为5V电源输出端VCC5V(连接有5V电源输出接头VCC5V)，电阻R11的另一端与USB转换器U4的9脚相连，电阻R12的另一端与USB转换器U4的10脚相连，电阻R13的另一端与USB转换器U4的11脚相连，电阻R14的另一端与USB转换器U4的14脚相连，USB转换器U4的15脚经电阻R8分别接信号共模滤波器U3的4脚和电阻R6的一端，电阻R6的另一端分别接电容C9的一端、有极电容C10的正极、USB转换器U4的4脚、17脚，USB转换器U4的16脚经电阻R7接信号共模滤波器U3的3脚，电容C9的另一端分别接USB接口P2的4脚(接地脚)、芯片U5的2脚、有极电容C3的负极、电容C4的一端和有极电容C10的负极，共端接地(连接有接地接头GND)，信号共模滤波器U3的1脚分别接芯片U5的6脚和USB接口P2的3脚(数据线正极)，信号共模滤波器U3的2脚分别接芯片U5的1脚和USB接口P2的2脚(数据线负极)，USB接口P2的1脚(电源脚)经熔断器分别接芯片U5的5脚、有极电容C3的正极、电容C4的另一端、电容C7的一端、电阻R10的一端和USB转换器U4的19脚、20脚，共端与USB转换器U4的8脚相连，电阻R10的另一端与USB转换器U4的22脚相连，电容C7的另一端分别接电容C5的一端、电容C6的一端、电阻R9的一端、电容C8的一端和USB转换器U4的25脚、26脚，共端接地，电阻R9的另一端与USB转换器U4的23脚相连，电容C8的另一端与USB转换器U4的24脚相连，电容C5的另一端分别接晶振M1的一端和USB转换器U4的27脚，电容C6的另一端分别接晶振M1的另一端和USB转换器U4的28脚，构成供电通信电路。
本发明电路新颖独特，简单合理，供电方式简单，直接通过USB连接即可，通信方式简单：使用USB转串口，实现主机与电脑通信；操作简单，只需要将主机通过USB线与电脑连接即可，可以根据现场不同需求采用433无线、RS485或以太网通信，相比于单一的无线通信，传输数据方式更加灵活，也更加安全，在无线通信干扰较强的情况下，可选择RS485或者以太网通信，避免通信出现干扰；不需要外加其他配套设备，主机工作只需要通过USB同时提供供电和通信，降低成本，使用方便，效果好，有良好的社会和经济效益。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
图2为本发明供电模块的电路原理图。
图3为本发明RTC备用电源模块的电路原理图。
图4-10为本发明的CPU处理单元的电路原理图。
图11为本发明使用状态的电路框式原理图。
图12为本发明信号指示模块的电路原理图。
图13为本发明主从机通信模块的电路原理图：
图14为本发明使用状态的整体模块示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-14给出，本发明包括USB转换器U4、信号共模滤波器U3、芯片U5和USB接口P2，USB转换器U4的1脚与CPU处理单元相连(通过接头TXD与CPU处理单元中芯片U1的30脚相连)，USB转换器U4的5脚与CPU处理单元相连(通过接头RXD与CPU处理单元中芯片U1的29脚相连)，USB转换器U4的6脚、7脚并联接地，USB转换器U4的8脚分别接电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R14的一端，共端为5V电源输出端VCC5V(连接有5V电源输出接头VCC5V)，电阻R11的另一端与USB转换器U4的9脚相连，电阻R12的另一端与USB转换器U4的10脚相连，电阻R13的另一端与USB转换器U4的11脚相连，电阻R14的另一端与USB转换器U4的14脚相连，USB转换器U4的15脚经电阻R8分别接信号共模滤波器U3的4脚和电阻R6的一端，电阻R6的另一端分别接电容C9的一端、有极电容C10的正极、USB转换器U4的4脚、17脚，USB转换器U4的16脚经电阻R7接信号共模滤波器U3的3脚，电容C9的另一端分别接USB接口P2的4脚(接地脚)、芯片U5的2脚、有极电容C3的负极、电容C4的一端和有极电容C10的负极，共端接地(连接有接地接头GND)，信号共模滤波器U3的1脚分别接芯片U5的6脚和USB接口P2的3脚(数据线正极)，信号共模滤波器U3的2脚分别接芯片U5的1脚和USB接口P2的2脚(数据线负极)，USB接口P2的1脚(电源脚)经熔断器分别接芯片U5的5脚、有极电容C3的正极、电容C4的另一端、电容C7的一端、电阻R10的一端和USB转换器U4的19脚、20脚，共端与USB转换器U4的8脚相连，电阻R10的另一端与USB转换器U4的22脚相连，电容C7的另一端分别接电容C5的一端、电容C6的一端、电阻R9的一端、电容C8的一端和USB转换器U4的25脚、26脚，共端接地，电阻R9的另一端与USB转换器U4的23脚相连，电容C8的另一端与USB转换器U4的24脚相连，电容C5的另一端分别接晶振M1的一端和USB转换器U4的27脚，电容C6的另一端分别接晶振M1的另一端和USB转换器U4的28脚，构成供电通信电路。
所述的USB转换器U4为型号为PL2303TA；
所述的芯片U5型号为NUP2201MR6；
所述的信号共模滤波器U3型号为ACM2012-900-2P；
熔断器F1和芯片U5组成USB接口保护电路，防止电源短路以及消除静电对系统造成的干扰；电容C3、C4组成USB转换器前级输入电源滤波电路，对输入电源进行滤波处理，为USB转换器U4以及后级的CPU处理单元提供电源，信号共模滤波器U3为信号共模滤波器，滤除信号传输中的共模干扰；电容C5、C6、C7、、C8、晶振M1、电阻R9、R10、R11、R12、R13、R14为USB转换器U4外围硬件电路，和USB转换器U4一起构成CPU处理单元和PC机的通信接口电路。
USB供电通信电路还包括供电模块和RTC备用电源模块，供电模块包括三端稳压器U2，三端稳压器U2的2脚(输入脚)接保护器T1的负极，共端与USB供电模块中的5V电源输出端VCC5V相连，保护器T1的正极分别接三端稳压器U2的1脚(接地脚)、电阻R15的一端、电容C11的一端和有极电容C2的负极，电阻R15的另一端与电容C11的另一端相连，共端接地(连接有与接地接头GND连接的接地端口)，三端稳压器U2的3脚(输出脚)接有极电容C2的正极，共端作为3.3V电源输出端VCC3.3V(连接有3.3V电源输出接头VCC3.3V)；RTC备用电源模块包括电池BT1，电池BT1的正极分别与电阻R26的一端和电容C24的一端相连，共端作为备用电源输出端VBAT(连接有备用电源输出接头VBAT)，电容C24的另一端与电池BT1的负极相连，共端接地，电阻R26的另一端与二极管D4的负极相连，二极管D4的正极与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连。
所述的保护器T1为单向贴片TVS管；
所述的三端稳压器U2型号为XC6214P332PR；
保护器T1、三端稳压器U2、电容C2、C11和电阻R15组成CPU处理单元的供电电路，通过外部供电给系统提供电源，保护器T1为供电电路输入端口提供保护作用，对连接USB接口时可能出现的浪泳或静电干扰进行吸收，防止干扰破坏系统电路。
二极管D4、电阻R26、电池BT1和电容C24组成RTC备用电源电路，保证CPU处理单元内的RTC时钟正常运行以及提供系统掉电保护功能。
所述的CPU处理单元包括芯片U1，芯片U1的3脚分别接晶振M2的一端和电容C17的一端，芯片U1的4脚分别接晶振M2的另一端和电容C18的一端，电容C17的另一端与电容C18的另一端相连，共端接地，芯片U1的5脚分别接晶振M3的一端和电容C19的一端，芯片U1的6脚分别接晶振M3的另一端和电容C20的一端，电容C19的另一端与电容C20的另一端相连，共端接地，芯片U1的60脚分别接三极管Q1的集电极和电阻R18的一端，电阻R18的另一端接地，三极管Q1的发射极分别接电阻R19的另一端和端口P3的1脚，共端与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连，三极管Q1的基极分别接电阻R19的另一端和电阻20的一端，电阻R20的另一端与端口P3的5脚相连，端口P3的2脚与芯片U1的42脚相连，端口P3的3脚与芯片U1的43脚相连，端口P3的4脚接地，端口P3的6脚与芯片U1的7脚相连，芯片U1的1脚与RTC备用电源模块的备用电源输出端VBAT相连，芯片U1的32脚分别接芯片U1的48脚、64脚、19脚、13脚、电容C13的一端、电容C14的一端、电容C15的一端、电容C16的一端、电容C23的一端、电阻R1的一端、电阻R17的一端和电阻R5的一端，共端与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连(连接有与电源输出接头VCC3.3V连接的3.3V输入端口)，电容C13的另一端分别与电容C14的另一端、电容C15的另一端、电容C16的另一端和电容C23的另一端相连，共端接地，芯片U1的31脚、47脚、63脚、18脚、12脚并联接地(共端连接有与接地接头GND对应的接地端口)，电阻R1的另一端分别接电容C1的一端和芯片U1的7脚，电容C1的另一端接地，芯片U1的28脚经电阻R16接地，电阻17的另一端与芯片U1的56脚相连，电阻R5的另一端与芯片U1的2脚相连，芯片U1的46脚与端口P1的5脚相连，芯片U1的49脚与端口P1的4脚相连，端口P1的3脚与芯片U1的7脚相连，端口P1的2脚接地，端口P1的1脚与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连，芯片U1的29脚与USB转换器U4的5脚相连，芯片U1的30脚与USB转换器U4的1脚相连。
CPU处理单元中芯片U1采用32位高性能Cortex-M3内核的处理器，该处理器具备对PC机的通信端口，接收来自PC机的命令，经处理后再通过和分机的通信端口以433无线、RS485或以太网的通信方式将数据发送给分机，并可接收来自分机的数据，经处理后再传给PC机，达到PC机和分机双向通信的目的；电容C17、C18、C19、C20和晶振M2、M3组成系统时钟电路，为系统提供准确的运行时钟。
本发明使用时，CPU处理单元连接有信号指示模块和主从机通信模块，信号指示模块：用于发出信号指示信息；主从机通信模块：主机与从机能够采用RS485、以太网或433无线通信，用于完成接收主机命令、上传数据的功能；
所述的信号指示模块包括蜂鸣器U6、发光二极管DS1、DS2、DS3和并联的2个发光二极管DS4，发光二级管DS1的正极与电阻R2的一端相连，发光二级管DS2的正极与电阻R3的一端相连，发光二级管DS3的正极与电阻R4的一端相连，2个发光二极管DS4的正极分别与电阻R23、R24的一端分别相连，电阻R2的另一端分别接电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、电阻R24的另一端和电阻R23的另一端，共端与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连(连接有与电源输出接头VCC3.3V对应的3.3V输入端口)，2个发光二极管DS4的负极分别与芯片U1的53脚、52脚分别相连，发光二级管DS1的负极与CPU处理单元中芯片U1的17脚相连，发光二级管DS2的负极与CPU处理单元中芯片U1的16脚相连，发光二级管DS2的负极接地，蜂鸣器U6的电源输入端与电容C22的一端相连，共端接USB供电模块的5V电源输出端VCC5V，蜂鸣器U6的信号输入端接三极管Q2的集电极，三极管Q2的发射极与电容C22的另一端相连，共端接地(共端连接有与接地接头GND对应的接地端口)，三极管Q2的基极经电阻R25与CPU处理单元中芯片U1的62脚相连(芯片U1的62脚连接有BEEP接头)。
通过各个发光二极管和蜂鸣器发出信号指示信息，蜂鸣器提示电路包括蜂鸣器U6、电阻R25，三极管Q2和电容C22，由CPU处理单元中芯片U1的端口BEEP(62脚)来控制三极管Q7导通或者截止，控制蜂鸣器是否工作。
所述主从机通信模块包括通信端口P4、P5，通信端口P4的1脚接地(连接有与接地接头GND对应的接地端口)，通信端口P4的2脚分别接电容C21的一端、电阻R21的一端和电阻R22的一端，电阻R21的另一端接供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V，电阻R22的另一端接USB供电模块中的5V电源输出端VCC5V，通信端口P4的3脚与CPU处理单元中芯片U1的16脚相连，通信端口P4的4脚与CPU处理单元中芯片U1的17脚相连，通信端口P4的5脚接地，通信端口P4的8脚与CPU处理单元中芯片U1的23脚相连，通信端口P4的9脚与CPU处理单元中芯片U1的24脚相连，通信端口P5的1脚与CPU处理单元中芯片U1的20脚相连，通信端口P5的3脚与CPU处理单元中芯片U1的21脚相连，通信端口P5的5脚与CPU处理单元中芯片U1的22脚相连，通信端口P5的2脚、4脚、6脚并联接地。
通信端口P4和P5组成标准通信模块接口电路，能够连接多种通信模块，例如RS485通信模块，433无线通信模块和以太网通信模块等，实现主机与从机双向通信。
电阻R21、R22和电容C21组成电源选择及输入滤波电路，可根据通信模块的不同选择相匹配的工作电源(3.3V电源和5V电源)。
综上所述，本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、供电方式简单：直接通过USB连接，方式简单；
2、通信方式简单：使用USB转串口，实现主机与电脑通信；
3、操作简单：只需要将主机通过USB线与电脑连接。
4、适应能力强：可以根据现场不同需求采用433无线、RS485或以太网通信，相比于单一的无线通信，传输数据方式更加灵活，也更加安全，在无线通信干扰较强的情况下，可选择RS485或者以太网通信，避免通信出现干扰；
5、经济实用：不需要外加其他配套设备，主机工作只需要通过USB同时提供供电和通信，降低成本。

Claims (3)

1.一种用于供电粮情检测主机的USB供电通信电路，其特征在于，包括USB转换器U4、信号共模滤波器U3、芯片U5和USB接口P2，USB转换器U4的1脚与CPU处理单元相连，USB转换器U4的5脚与CPU处理单元相连，USB转换器U4的6脚、7脚并联接地，USB转换器U4的8脚分别接电阻R11的一端、电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R14的一端，共端为5V电源输出端VCC5V，电阻R11的另一端与USB转换器U4的9脚相连，电阻R12的另一端与USB转换器U4的10脚相连，电阻R13的另一端与USB转换器U4的11脚相连，电阻R14的另一端与USB转换器U4的14脚相连，USB转换器U4的15脚经电阻R8分别接信号共模滤波器U3的4脚和电阻R6的一端，电阻R6的另一端分别接电容C9的一端、有极电容C10的正极、USB转换器U4的4脚、17脚，USB转换器U4的16脚经电阻R7接信号共模滤波器U3的3脚，电容C9的另一端分别接USB接口P2的4脚、芯片U5的2脚、有极电容C3的负极、电容C4的一端和有极电容C10的负极，共端接地，信号共模滤波器U3的1脚分别接芯片U5的6脚和USB接口P2的3脚，信号共模滤波器U3的2脚分别接芯片U5的1脚和USB接口P2的2脚，USB接口P2的1脚经熔断器分别接芯片U5的5脚、有极电容C3的正极、电容C4的另一端、电容C7的一端、电阻R10的一端和USB转换器U4的19脚、20脚，共端与USB转换器U4的8脚相连，电阻R10的另一端与USB转换器U4的22脚相连，电容C7的另一端分别接电容C5的一端、电容C6的一端、电阻R9的一端、电容C8的一端和USB转换器U4的25脚、26脚，共端接地，电阻R9的另一端与USB转换器U4的23脚相连，电容C8的另一端与USB转换器U4的24脚相连，电容C5的另一端分别接晶振M1的一端和USB转换器U4的27脚，电容C6的另一端分别接晶振M1的另一端和USB转换器U4的28脚，构成供电通信电路。
2.根据权利要求1所述的用于供电粮情检测主机的USB供电通信电路，其特征在于，USB供电通信电路还包括供电模块和RTC备用电源模块，供电模块包括三端稳压器U2，三端稳压器U2的2脚接保护器T1的负极，共端与USB供电模块中的5V电源输出端VCC5V相连，保护器T1的正极分别接三端稳压器U2的1脚、电阻R15的一端、电容C11的一端和有极电容C2的负极，电阻R15的另一端与电容C11的另一端相连，共端接地，三端稳压器U2的3脚接有极电容C2的正极，共端作为3.3V电源输出端VCC3.3V；RTC备用电源模块包括电池BT1，电池BT1的正极分别与电阻R26的一端和电容C24的一端相连，共端作为备用电源输出端VBAT，电容C24的另一端与电池BT1的负极相连，共端接地，电阻R26的另一端与二极管D4的负极相连，二极管D4的正极与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连。
3.根据权利要求2所述的用于供电粮情检测主机的USB供电通信电路，其特征在于，所述的CPU处理单元包括芯片U1，芯片U1的3脚分别接晶振M2的一端和电容C17的一端，芯片U1的4脚分别接晶振M2的另一端和电容C18的一端，电容C17的另一端与电容C18的另一端相连，共端接地，芯片U1的5脚分别接晶振M3的一端和电容C19的一端，芯片U1的6脚分别接晶振M3的另一端和电容C20的一端，电容C19的另一端与电容C20的另一端相连，共端接地，芯片U1的60脚分别接三极管Q1的集电极和电阻R18的一端，电阻R18的另一端接地，三极管Q1的发射极分别接电阻R19的另一端和端口P3的1脚，共端与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连，三极管Q1的基极分别接电阻R19的另一端和电阻20的一端，电阻R20的另一端与端口P3的5脚相连，端口P3的2脚与芯片U1的42脚相连，端口P3的3脚与芯片U1的43脚相连，端口P3的4脚接地，端口P3的6脚与芯片U1的7脚相连，芯片U1的1脚与RTC备用电源模块的备用电源输出端VBAT相连，芯片U1的32脚分别接芯片U1的48脚、64脚、19脚、13脚、电容C13的一端、电容C14的一端、电容C15的一端、电容C16的一端、电容C23的一端、电阻R1的一端、电阻R17的一端和电阻R5的一端，共端与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连，电容C13的另一端分别与电容C14的另一端、电容C15的另一端、电容C16的另一端和电容C23的另一端相连，共端接地，芯片U1的31脚、47脚、63脚、18脚、12脚并联接地，电阻R1的另一端分别接电容C1的一端和芯片U1的7脚，电容C1的另一端接地，芯片U1的28脚经电阻R16接地，电阻17的另一端与芯片U1的56脚相连，电阻R5的另一端与芯片U1的2脚相连，芯片U1的46脚与端口P1的5脚相连，芯片U1的49脚与端口P1的4脚相连，端口P1的3脚与芯片U1的7脚相连，端口P1的2脚接地，端口P1的1脚与供电模块的3.3V电源输出端VCC3.3V相连，芯片U1的29脚与USB转换器U4的5脚相连，芯片U1的30脚与USB转换器U4的1脚相连。
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