CN110018974A - 使用二总线同时提供电源和进行通信的从站机装置 - Google Patents

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CN110018974A CN201810021168.9A CN201810021168A CN110018974A CN 110018974 A CN110018974 A CN 110018974A CN 201810021168 A CN201810021168 A CN 201810021168A CN 110018974 A CN110018974 A CN 110018974A
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潘艳
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    • G06F13/4063Device-to-bus coupling
    • G06F13/4068Electrical coupling
    • G06F13/4072Drivers or receivers

Abstract

一种使用二总线可以同时提供电源和进行通信的从站机装置,通过将下行信号调制成由高压信号调制区段和低压保障电源区段构建的电压调制信号,实现主站机装置通过二总线完成与从站机群的通信和向从机群提供电源,通过从站机有电源存在的地方串进单向导电器件DSn及电感LSn保证从站机电源稳定的同时,保证主站机在二总线间有轻重负荷的情况下有效解调出上行电流信号;从站机下行电压信号解调电路以电容CS1上的电平为比较依据,实现了电平的动态跟踪。本发明只需两条导线、既可通信又提供电源,通信速率高、距离远,可广泛用于允许布线的物联网系统中。

Description

使用二总线同时提供电源和进行通信的从站机装置
技术领域
一种使用二总线同时提供电源和进行通信的从站机装置。
背景技术
公知有一种M-BUS接口电路使用两线模式,可同时传输信息和供电。这种接口电路把通信功能和供电功能集合在一起,只需二根导线,非常方便,越来越多地被应用到设备之间的通信和管理上。该电路由主机站和从站机构成,主机站在向从站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。但这种电路至少有以下缺陷,影响了应用范围:
首先,解调接收电流信号(通常有10mA至50mA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,通常只有几至几十欧姆,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,一旦负载电流的改变量超过通信信号电流(10 mA至50mA),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以及大负载场合的使用。同时采样电阻上的压降,直接降低从机的工作电源,影响多从机场合使用。
其次,功率难以做大。当主机模块既要带载功率,又要通信时,电源供给会影响通信,从而限制了系统的电源供应功率。
本发明人201610134844.4号发明专利申请,提出了一种使用两线同时传拾信息和电源的电路。但这个电路缺乏从机电路的配合,在增加电源功率供给时,负荷会消耗通信信息,限制了供给电源的增加;同时,该电路接收电路由一个电感和电阻并联的方式完成,其灵敏度不高,影响大负荷场合接收解调,影响实际应用。
发明内容
本发明要解决的问题:本发明的目的是发明一种二总线的、能自适应变化负荷下工作的、不受重负荷影响的、既能通信又能供应电源的从站机装置。
下面通过对说明书附图的说明来说明本发明是怎样实现的。
图1是本发明系统的架构示意图。图中[U]代表系统的上位机,是本发明整个系统中提供系统电源供给、完成数据管理、采集、控制的管理中心。[M]是主站机。它首先完成对来自上位机的下行信号进行电压调制,实现供电和下行信息的调制;其次完成从站机[S]发送的上行电流信号解调;再次,主站机模块单元还要完成从站机[S]应急主动上报信息的识别、解调、转发和分发;完成其他向上位机请求、置忙等等任务,是本发明系统的核心装置。[S]是从站机群的总称,用Sn代表从站机群中的某一个从站机。图1中Uo-Mi是上位机[U]发送给主站机的信息流,其中既包括下发给系统中从站机[S]的下行信息,也包括由[U]发送至[M]的由主站机[M]执行的指令信息;该信息也可以认为是[M]的输入信息; Ui-Mo是主站机[M]发送给上位机[U]的信息;该信息也可以认为是[U]的输入信息。REQ是本发明的一个实施例专用引脚信息,是一个可以包含也可以不包含的引脚。一个有REQ的实施例,在允许从站机主动发起上报请求时,主站机[M]在接收到从站机应急请求时会通过REQ引脚输出请求,由主站机[M]生成REQ“是”电平(一个实施例,在REQ有效的“是”电平期间,REQ引脚置为低电平,而无请求时为高电平)发送给上位机[U]。Mo-Si是主站机[M]在接收到上位机[U]发出的、发送至从站机[S]的下行信息时,会调制成由两个电压段构成的电压调制信号。这个电压调制信号由两个电压段构成:高电压段按信息调制,而低压段则保证从站机始终得到高于这个电压源的供电。Mi-So是从站机[S]发送至主站机[M]的电流调制信号。
图2是涉及本发明一个实施例的电路原理框图,可以用来说明本发明的实现过程。图中电路单元[1]是主站机[M]中的微处理电路单元。它完成:下行电压信号的调制控制,上行电流信号的解调控制处理、接收信息和转发信息,完成信息的采集、协调、处理和管理。[2]是上位机[U]中的电源供给单元,下行电压调制信号,主要由两个电压段电源构成。所述两个电压段分别为:由VH提供下行电压调制信号的信号调制区段,该段电压差区段用于调制信号;另一个低压保证区段的电压区段,由电源VL提供保障从站机工作所必需的总线最低工作电压稳压源。[3]是上位机[U] 中的通信管理中心单元,是本发明系统完成系统运行目标、实现人机对话的系统枢纽。[4]是从站机[S]中下行电压调制信号解调电路单元。[5]是从站机[S]中的上行信号电流调制电路单元。[6]是从站机[S]中的核心处理电路单元;它不仅完成与主站机[M]的双向通信管理,还完成从站机的应用功能任务。
在图2主站机[M]中,KM2是等效电子切换单元。根据[M]接收到的由[U]发出的下行通信信号:在逻辑电平为“1”和“0”时,分别接通VH电源和VL电源,实现本发明所述电压调制。一个实施例,在信号逻辑为“1”时,接通二总线输入/输出端BUSL1(经过电感LM1)至VH电源;在信号逻辑为“0”时,接通二总线输入/输出端BUSL1(经过电感LM1)至VL电源;由于VH是叠接在VL上的,调制有信号的电压段均在超过VL的部分,从而可以保证二总线BUSL1和BUSL2之间始终保持有超过VL的电源电压。单向导电器件DM1可以防止电流向VL倒灌,也可以保证在BUSL1未和VH接通期间,由所述单向导电器件向二总线提供接近VL的电平输出。电感LM1在KM2电压切换过程中会产生一个下降沿和上升沿的过脉冲,这个过脉冲很多时候正好有利于总线上存在分布电容和其他负载侧等效过来的电容放电和充电,在匹配状态下有正面作用。当需要减少影响时,本发明的一个实施例,设计有等效电子开关KM1,它在主站机[M]接收上位机[U]收发来的下行电压信号Uo-Si期间短接,而在无下行信号期间释放,为接收[S]发来的上行电流调制信息So-Mi作准备。这期间,[M]由发送转变为接收,需要[M] 预留一个切换延迟时间。
图2主站机[M]中,电容CM1、RM1构成其中一路微分电路,电容CM2、RM2构成另一路微分电路,比较放大器AM1、AM2,可调偏置电源VM1、VM2,以及采样电感LM1共同构建了本发明主站机[M]的电流解调实施例电路单元。采样电感LM1的直流电阻非常小,可达微欧级,因而流过该电感的主回路负载电流在电感上产生的直流压降非常小,对比较放大器偏置电压的影响非常小,使得本发明的装置可以广泛用于大负荷应用场合。当[S]发送上行电流调制方波信号时,在电感LM1、电容器CM1、电阻RM1的作用下,产生一个微分信号,加在比较放大器AM1的输入端,而偏置电压VM1加在比较放大器的另一个输入脚上,产生比较放大器的输入电压偏置。图2是一个实施例,在这个实施例中,比较放大器AM2由VM2产生了一个负电压偏置,比较放大器AM2可以检验出上行电流源信号的下降沿;比较放大器AM1由VM1产生了一个正输入电压偏置,比较放大器AM1可以检验出上行电流调制信号的上升沿。通过[M]中电路单元[1] 的判断和处理就可以解调出上行电流信号TX;TX是上行电流信息的解调后的信息,它发送给上位机[U]。在二总线BUSL1和BUSL2之间的负载大小会影响输入比较放大器AM1和AM2的检测灵敏度。当二总线负载很重时,有效信号和干扰信号都会减小;而负载很轻时,有效信号和干扰信号都会很强。如在不同负载时用相同的偏置电压,那么,在负荷重时合适的偏置电压,在负荷轻的时候可能将干扰当成信号检出,也可能被过宽的沿影响解调,还可能被干扰信号干扰而误调解。本发明采用自动调节偏置电压VM1和VM2。为保证电流信号边沿的解调,本发明的一个实施例,其特征是在采样电感LM1两端并联有一个电容器C M,保证在上行电流信号上升沿和下降沿出现时有一个最好的谐振点,且所述谐振点保证上升沿信号和下降沿信号有最佳的宽度和幅度。
本发明采样元件采用直流电阻非常小的电感元件,而上行电流调制信号解调,使用的是由比较放大器输出的上升沿和下降沿,而这些“沿”只要电路中有电感存在都会存在,因而可在大负荷环境下使用。
在图2从站机[S]中,二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例,串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻,DS1是一个过压保护元件,用以削除过压脉冲危害。图2从站机[S]中,二极管DS6、电感LS1、电阻RS3、滤波电容CS1、稳压器件US1和滤波电容器CS2构成一个从站机电源供给实施例。这个所述实施例给从站机中的单元[6]提供稳压电源。由于二总线电路的电压可以达到20V至50V的高电压,稳压器件US1上的压降很大,器件的功耗容限会限制稳压电源的最大输出电流。本发明的一个实施例是在稳压器件US1输入端和输出端的外部引脚间并接一个旁流电阻RS,其电阻值和功率容限以保证稳压器件US1最大输入电压时最小工作电流的供应,这时,在US1输入最大电压时,稳压器的输出电流实际上是由外部电阻Rs提供的,而当US1输入电压降低时,虽然由US1提供的电流会增加,但US1上输入和输出间的压降减小,功耗增加有限。二极管DS7、电感LS2、电阻RS4、滤波电容CS3构成另一个从站机电源供给实施例,这个电源全部通过外部元器件提供,因此输出功率容限限制小,可以实现较大电流供给。
在图2从站机[S]中,一个实施例的二极管DS6和电感LS1、另一个实施例二极管DS7和电感LS2都是本发明的特征元件。在本发明的二总线系统中,二总线(BUSL1和BUSL2)不仅提供电源,而且还承载通信信息。这其中由主站机[M]发送至从站机[S]的下行电压调制信息实现过程中,由于主站机[M]数量少,成本、体积方面的限制小,允许设计强大的功率源来实现,可以在二总线间有电容且有大负荷存在的情况下,完成信号基本不失真情况下传送。但对数量多、分布广的从站机[S]来说,功率消耗高、部件体积大和产品成本高都难以接受。因此,从站机的一个上行电流调制的实施例,是使用10mA~50mA的电流,来调制上行电流调制信号。如果电路中没有所述的二极管DS6、电感LS1,或者没有二极管DS7、电感LS2,那么:
第一,贮存在电容CS1、CS2、CS3的电量就会倒灌到二总线,完全影响二总线系统的信息传送。
第二,所述使用10mA~50mA调制的电流调制信号的上升沿和下降沿就会被电容CS1、CS3 滤掉,以至于完全无法通信。
本发明所有从站机[S]的所有接有滤波电容的功率电源电路前都接有单向导电器件DSn和电感LSn;DSn和电感LSn是从站机中所有接有电容负荷前所必需接有的、属于本发明特征的单向导电器和电感的泛称,可以是一个,也可以是多个,但只要后面接有电容器,前面均需设计有;图2中电感LS1、LS2和二极管DS6、DS7就是LSn和DSn的具体实施例。电阻RS3、RS4是限流电阻,根据设计需要设计。本发明特征元件DSn和LSn的接入,可以确保本发明供电和通信任务的完成:
首先,由主站机[M]发送下行电压调制信号时,初始的空闲状态以及“1”信号状态是二总线的BUSL1接通VH的高电平,从站机所有电源即电容CS1、CS2、CS3经由单向导电器件DSn、电感LSn处于充电状态,而电压调制信号调制后,在二总线为VL的低信号电平时,所有从机的单向导电器件DSn均处于反向状态,不仅保证了从站机电源的稳定,也保证了电压调制过程的低功耗、低失真率。
单向导电器件Dsn的一个实施例是二极管。单向导电器件Dsn的一个实施例是具有单向导电特性的三极管、场效应管和开关管。
其次,从站机[S]向主站机[M]发送电流调制信号时,无论二总线间的负荷有多重、多大,只要本发明系统中,所有从站机的总负荷和总线间设计有本发明所述的LSn,存在有电感量,在有电流调制信号的上升沿和下降沿时,都可以在主站机[M]中的LM1上产生上升沿和下降沿信号,建立起完成解调任务的基础条件,使之顺利完成电流信号解调。
图2从站机[SN]中,二极管DS6、电感LS1、电阻RS3、滤波电容CS1、稳压器件US1和滤波电容器CS2构成一个从站机电源供给实施例。二极管DS7、电感LS2、电阻RS4、滤波电容CS3构成另一个从站机电源供给实施例,这个电源全部通过外部元器件提供,因此输出功率容限限制小,可以实现较大电流供给。在从站机中,根据应用的需要,既可以有一路电源,也可以有多路电源,有多路电源时,本发明需要有多个单向导电器件和电感元件,在这里统一用DSn和LSn代表所有接在电源前的单向导电器件群和电感元件群。如果只有一路电源,那么DSn和LSn仅代表一个,如果从站机需要有三个电源,则意味着DSn和LSn代表每一路中的单向导电器件和电感元件,即有三个单向导电器件和电感元件。本发明的特征点是:只要有贮能电容的电源存在,其与二总线之间必须串接有单向导电器件DSn和电感元件LSn。
图3是主站机[M]下行电压调制信号的实施例示意图。图中Uo-Mi是来自上位机的待调制下行信号,Mo-Si是主站机[M]调制后发送至从站机[S]的电压调制信号。调制后的信号由两个电压区段构成。其中△VH电压信号调制区段用于信号调制,是有信号的区段;另一个低压保证区段,由电源VL提供保障从站机工作所必需的总线最低工作电压源。
图4从站机[SN]中,二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例,串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻,DS1是一个过压保护元件,用以削除过压脉冲危害。图中电压源[US]是一个基于电容CS1正极且比电容CS1上的电平低VS3电压值的偏置电压源。当二总线有由[M]发送的电压调制信号处于“1”电平时,由于PNP型三极管Q40的基极通过电阻R40接在高电平VH上(不考虑RS1和RS2上的压降、线路压降和二极管DS2至DS5上的压降),而三极管Q40的发射极则由于单向导电器件DS6、RS3上的压降以及US偏置电压而低于基极,Q40的基极和发射极处于反向状态,三极管截止,由R41、R42分压后输至比较放大器负端,使AS1的输出电平为“1”;当二总线有由[M]发送的电压调制信号处于“0”电平时,由于PNP型三极管Q40的基极通过电阻R40接在VL电平上,即“0”电平上(不考虑RS1和RS2上的压降、线路压降和二极管DS2至DS5上的压降),如果信号电压差大于三极管Q40发射极电平,而保证Q40的基极电平不仅低于发射极电平而且还有安全余量,则可以确保三极管Q40在“0”电平信号期间导通,其导通时的集电极电流通过R41、R42分压后输至比较放大器AS1负输入端,AS1的电平为“0”;实现从站机对电压调制信号的解调。
本发明从站机偏置电压源的设计实施例,是针对二总线电路的下述问题而发明的:
第一,由于二总线存在等效电感和电容,因此在信号传输时,电压调制信号的边沿会产生振铃信号,还会由于从机电源充电而产生边沿失真,需要有一个解调阀电压,保证低于阀电压的干扰信号不被解调。
第二,二总线在长距离传送过程中,会引入干扰信号,也需要有一个解调阀电压,保证低于阀电压的干扰信号不被解调。
在本发明的下行电压信号解调中,电容器CS1是本发明的特征元件,起着非常重要的作用:三极管Q40起着比较解调的作用,在本发明中可以泛称为比较解调器件。比较解调器件Q4O不一定是个三极管,可以是个场效应管,也可以是一个比较放大器,在本发明中仍称Q40进行比较的引脚为基极和发射极,但应把它们看成比较解调器件的比较输入引脚。Q4O的基极(b)和发射极(e)电平值的比较在解调中起着十分关键的作用,假定没有电容CS1,发射极电平会随基极电平变化而变化,就解调不出下行电压调制信号。下行电压调制信号解调电路中,接有电容CS1,且比较解调器件输入参比电平总是以CS1上的电平为比较参考电平。
本发明的一个实施例,比较解调器件Q40是一个场效应器件,用栅极(G)替代基极(b),用源极(S)替代发射极(e),漏极(D)替代集电极(c)。
本发明的一个实施例,Q40由一个比较放大器实现:比较器的一个输入正端连接发射极的位置,而另一个比较放大器的输入负端连接基极的位置,放大器输出连接集电极的位置。
一个实施例,解调阀电压为5V,其中0.7V是二极管DS6产生的,2V由负荷流经RS3产生,余下的2.3V即VS3由偏置电压源US产生。
单元[7]是产生偏置电压源的辅助电路。一个实施例是由三极管发射电路中恒流确定电阻、基极接恒电流产生电压、集电极电流作为被调制恒流所构建的恒流源在电阻上产生US偏置源。
其中AS1是比较放大器。一个比较放大器的实施例是选用开漏输出的29O3双比较器中的一个。电阻R43是开漏输出的上拉电阻。
为防止三极管由于基极-发射极反向电压过大而损坏,一个实施例在基极通过电阻R40接入的回路中串接有一个二极管且二极管的正极总是靠向Q40基极侧。
从站机[SN]有上行信号电流调制单元[5]。电流调制信号是一个脉冲方波恒流。电流调制信号既可以将“1”定义为“有恒流”,“0”定义为“无恒流”:也可以将无恒流定义为“1”,有恒流定义为“0”:一个实施例,电流调制信号采用无恒流定义为“1”,有恒流定义为“0”,与串行通信空闲时为“1”电平,且无恒流一致。采用恒流调制,可以克服通信距离远时,线路中的阻抗不确定的问题。恒流调制的一个实施例,采用一个耐压满足二总线最大电压要求的三极管,集电极接在二总线上,即图2单向导电器件DS6的正极上,基极接在与待调制信号一致的信号源上,发射极电路接一个恒流发生电阻。让所述三极管在基极为待传信号为“0”时,基极为一个确定的高电平,且这时的集电极电流为设计的恒流值;而在待传信号为“1”时,基极为确定的0V电平,且这时的集电极电流为“0”电流,即无电流。恒流值根据通信距离、二总线负荷轻重确定。一个实施例是5mA~50mA中的一个值,为设计的恒流值。
本发明是一种使用二总线可以同时提供电源和进行通信的从站机装置,至少有解调下行电压调制信号的电路单元[4],有发送上行电流调制信号的电路单元[5],其特征是:
a、从站机[SN]接收到的下行电压调制信号是由调制下行通信信息的高电压区段和保障从站机供电的低电压区段构成的;
b、从站机使用的电源均由二总线提供,且所有提供的电源与总线间至少串接有单向导电器件DSn和电感元件LSn;
c、从站机上行信号均被调制成电流调制信号发送;
d、下行电压调制信号解调电路中,接有电容CS1,且比较解调器件输入参比电平总是以CS1上的电平为比较参考电平。
附图说明
图1是本发明系统的架构示意图。图中[U]代表系统的上位机,是本发明整个系统中提供系统电源供给、完成数据管理、采集、控制的管理中心。[M]是主站机;它首先完成对来自上位机的下行信号进行电压调制,实现供电和下行信息的调制;其次完成从站机[S]发送的上行电流信号解调;再次,主站机还要完成从站机[S]应急主动上报信息的识别、解调、转发和分发;完成其他向上位机请求、置忙等等任务。[S]是从站机群的总称,可以用Sn代表从站机群中的某一个从站机。图1中Uo-Mi是上位机[U]发送给主站机的信息流,其中既包括下发给系统中从站机[S]的下行信息,也包括由[U]发送至[M]的由主站机[M]执行的指令信息;该信息也可以认为是[M]的输入信息;Ui-Mo是主站机[M]发送给上位机[U]的信息;其中既包括下发给系统中从站机[S] 的下行信息,也包括由主站机[M]执行的指令信息,该信息也可以认为是[U]的输入信息。REQ是本发明的实施例专用引脚信息。
图2是本发明一个实施例的电路原理框图。图中 [1]是主站机[M]中的微处理电路单元。它完成下行电压信号的调制,上行电流信号的解调、接收和转发,信息的采集、协调、处理和管理。[2]是上位机[U]中的电源供给单元,下行电压调制信号,由两个电压段构成。[3]是上位机[U]中的通信管理中心单元,是本发明系统完成系统运行目标、实现人机对话的系统枢纽。[4]是从站机[S]中下行电压调制信号解调电路单元。[5]是从站机[S]中的上行信号电流调制电路单元。[6]是从站机[S]中的核心处理电路单元;它不仅完成与主站机[M]的双向通信的管理,还完成从站机的应用功能任务。
在图2主站机[M]中,KM2是等效电子切换单元。根据[M]接收到的由[U]发出的RX下行通信信号:在逻辑电平为“1”和“0”时,分别接通VH电源和VL电源,实现本发明所述电压调制。调制有信号的电压段均在超过VL的部分,从而可以保证二总线BUSL1和BUSL2之间始终保持有超过VL的电源电压。二极管DM1可以防止电流向VL倒灌,也可以保证在BUSL1未和VH接通期间,由所述二极管向二总线提供接近VL的电平输出。KM1是一个实施例中,在[M]发送下行电压调制信号期间短接电感LM1的等效开关,用以减小电感对二总线通信的影响。
图2主站机[M]中,电容CM1、RM1构成的微分电路,电容CM2、RM2构成的微分电路,比较放大器AM1、AM2,可调偏置电源VM1、VM2,以及采样电感LM1共同构建了本发明主站机[M]的电流解调实施例电路单元。当[S]发送上行电流调制方波信号时,在电感LM1、电容器CM1、电阻RM1的作用下,产生一个微分信号,加在比较放大器AM1的输入端,而偏置电压VM1加在比较放大器的另一个输入脚上,产生比较偏置。图2是一个实施例,在这个实施例中,比较放大器AM2由VM2产生了一个负电压偏置,比较放大器AM2可以检验出上行电流源信号的下降沿;比较放大器AM1由VM1产生了一个正偏置,比较放大器AM1可以检验出上行电流调制信号的上升沿。通过[M]中微处理电路单元[1]的判断和处理就可以解调出上行电流信号TX,发送给[U]。
在图2从站机[S]中,二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例,串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻,DS1是一个过压保护元件,用以削除过压脉冲危害。图2从站机[S]中,二极管DS6、电感LS1、电阻RS3、滤波电容CS1、稳压器件US1和滤波电容器CS2构成一个从站机电源供给实施例。二极管DS7、电感LS2、电阻RS4、滤波电容CS3构成另一个从站机电源供给实施例,这个电源全部通过外部元器件提供,因此输出功率容限限制小,可以实现较大电流供给。
图3是主站机[M]下行电压调制信号的实施例示意图。图中Uo-Mi是来自上位机的待调制下行信号,Mo-Si是主站机[M]调制后发送至从站机[S]的电压调制信号。调制后的信号由两个电压区段构成。其中△VH电平信号调制区段用于信号调制;另一个低压保证区段,由电源VL提供保障从站机工作所必需的总线最低工作电压源。
图4是从站机一个实施例的原理框图。从站机[SN]中,二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例,串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻,DS1是一个过压保护元件,用以削除过压脉冲危害。图中电压源[US]是一个基于电容CS1正极且低VS3电压值的偏置电压源。当二总线有由[M]发送的电压调制信号处于“1”电平时,由于PNP型三极管Q40的基极通过电阻R40接在高电平VH上,而三极管Q40的发射极则由于单向导电器件DS6、RS3上的压降以及US偏置电压而低于基极,Q40的基极和发射极处于反向状态,三极管截止,由R41、R42分压后输至比较放大器负端,至AS1的输出电平为“1”;当二总线有由[M]发送的电压调制信号处于“0”电平时,由于PNP型三极管Q40的基极通过电阻R40接在VL电平上,即“0”电平上,如果信号电压差大于三极管Q40发射极电平,而保证Q40的基极电平不仅低于发射极电平而且还有安全余量,则可以确保三极管Q40在“0”电平信号期间导通,其导通电集电极电流通过R41、R42分压后输至比较放大器AS1负输入端,AS1的电平为“0”;实现从站机对电压调制信号的解调。单元[7]是产生偏置电压源的辅助电路。一个实施例是由三极管发射电路中恒流确定电阻、基极接恒电流产生电压、集电极电流作为被调制恒流。由恒流源在电阻上产生US偏置源。AS1是比较放大器。一个比较放大器的实施例是选用开漏输出的29O3双比较器中的一个。电阻R43是开漏输出的上拉电阻。
具体实施方式
图1是本发明系统的架构示意图。REQ是本发明的实施例专用引脚,其中[U]和[M]中的REQ脚均为开漏输出,且空闲时均置高,引脚均有上拉电阻。当[U]需要[M]发送同步信号及其他指令时,可以通过置低电平,告知[M];同样,在允许从站机主动发起上报请求时,主站机[M]在接收到从站机应急请求时会通过REQ引脚向[U]输出请求;由主站机[M]生成REQ“是”电平发送给上位机[U]。当[U]和[M]之间采用光电隔离电路时,REQ可以设计为独立的两个支路,分别是[U]发往[M]的一路和[M]发往[U]的一路;还可以根据需要只保留其中的一路。
图2是本发明一个实施例的电路原理框图。图中电路单元[1]根据通信管理中心单元[3]发送过来的RX下行待调制信号。按照下行电压调制信号由两个电压段构成的方式进行调制。控制等效电子切换单元KM2,使二总线BUSL1按照RX的信号接通VH和VL,形成图3的电压调制信号。接入二总线的从站机[Sn]在接收到电压调制信号后,会与电容CS1中的电位比较解调出TXS送核心处理电路单元送[6]。上位机[U]中的电源供给单元[2]向[M]提供工作电源。二总线通常传送距离比较远,甚至可达3000m,距离越远VH电源电压就越高。一个实施例,VH对GND的电压差可达50V。VH对VL的电压差涉及从站机[4]单元电压信号的解调稳定性。上行电流调制信号的产生和解调过程:待上传信息由从站机[S]中的核心处理电路单元[6]发出上行RXS待调制电流信号,在送达电流调制电路单元[5]后,会调制成电流信号。一个实施例,当RXS为“1”时为空闲,即无上行发送电流;当RXS为“0”时发送一个电流为Is的恒流,Is恒流的一个实施例是5mA~50mA的恒定电流,具体数值根据通信远近和负荷轻重设置。Is电流是一个方波脉冲电流,该电流会在[M]中的采样电感LM1上产生下降沿和上升沿。该信号沿经比较放大器AM2和AM1检出后,送微处理电路单元[1],并由[1]解调出信息TX送上位机[U]。
从站机[Sn]有由二极管构建的整流电路,从二总线上直接得到工作所需要的电源。一个实施例通过二极管DS6、DS7以及LS1、LS2直接获取工作用电源。
在图2从站机[S]中,二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例,串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻,DS1是一个过压保护元件,用以削除过压脉冲危害。图2从站机[S]中,二极管DS6、电感LS1、电阻RS3、滤波电容CS1、稳压器件US1和滤波电容器CS2构成一个从站机电源供给实施例。这个所述实施例给从站机中的单元[6]提供稳压电源。由于二总线电路的电压可以达到20V至50V的高电压,稳压器件US1上的压降很大,器件的功耗容限会限制稳压电源的最大输出电流。本发明的一个实施例是在稳压器件US1输入端和输出端的外部引脚间并接一个旁流电阻RS,其电阻值和功率容限以保证稳压器件US1最大输入电压时最小工作电流的供应,这时,在US1输入最大电压时,稳压器的输出电流实际上是由外部电阻Rs提供的,而当US1输入电压降低时,虽然由US1提供的电流会增加,但US1上输入和输出间的压降减小,功耗增加有限。二极管DS7、电感LS2、电阻RS4、滤波电容CS3构成另一个从站机电源供给实施例,这个电源全部通过外部元器件提供,因此输出功率容限限制小,可以实现较大电流供给。
本发明使用二总线可以同时提供电源和进行通信的从站机装置的电源电路,其特征是:在稳压器件US1的输入和输出引脚外部接有分流电阻RS,其阻值是满足二总线最高电压下稳压器件US1的最小工作电流。
在图2从站机[S]中,一个实施例的二极管DS6和电感LS1、另一个实施例二极管DS7和电感LS2都是本发明的特征元件。在本发明的二总线系统中,二总线(BUSL1和BUSL2)不仅提供电源,而且还承载通信信息。这其中由主站机[M]发送至从站机[S]的下行电压调制信息实现过程中,由于主站机[M]数量少,成本、体积方面的限制小,允许设计强大的功率源来实现,可以在二总线间有电容且有大负荷存在的情况下,完成信号基本不失真情况下传送。但对数量多、分布广的从站机[S]来说,功率消耗高、部件体积大和产品成本高都难以接受。因此,从站机的一个上行电流调制的实施例,是使用mA10~50mA的电流,来调制上行电流调制信号。如果电路中没有所述的二极管DS6、电感LS1,或者没有二极管DS7、电感LS2,那么:
第一,贮存在电容CS1、CS2、CS3的电量就会倒灌到二总线,完全影响二总线系统的信息传送。
第二,所述使用10mA~50mA调制的电流调制信号的上升沿和下降沿就会被电容CS1、CS3 滤掉,以至于完全无法通信。本发明所有从站机[S]的所有接有滤波电容的功率电源电路前都接有二极管DSn(表示所述特征电路中的任一位置之二极管)和电感LSn(表示所述特征电路中的任一位置之电感)。电阻RS3、RS4是限流电阻,根据设计需要设计。本发明特征元件DSn和LSn的接入,可以确保本发明任务的完成:
首先,由主站机[M]发送下行电压调制信号时,初始的空闲状态以及“1”信号状态是二总线的BUSL1是接通VH的高电平,从站机所有电源即电容CS1、CS2、CS3经由二极管DSn、电感LSn处于充电状态,而电压调制信号调制后,在二总线为VL的低信号电平时,所有从站机的二极管DSn均处于反向状态,不仅保证了从站机电源的稳定,也保证了电压调制过程的低功耗、低失真率。
二极管DSn的一个实施例是使用具有单向导电特性的三极管、场效应管和开关管。
其次,从站机[S]向主站机[M]发送电流调制信号时,无论二总线间的负荷有多重、多大,只要本发明系统中,所有从站机的总负荷和总线间设计有本发明所述的LSn(表示所述特征电路中的任一位置之电感),存在有电感量,在电流调制信号的上升沿和下降沿都可以在主站机[M]中的LM1上产生上升沿和下降沿信号,完成电流信号解调。
由于一个完整的、有效信号有很多已知的规律。本发明的一个实施例,充分利用正常信息的规律性,进行设计,实现比较放大器AM1、AM2的偏置电压自适应调整。
本发明自适应调整是通过下述发明实现的:
a、让二总线处于空闲时,本发明总线处于“1”电平状态。当有一个有效的电流调制信号到达主站机[M]时,总是先有一个下降沿脉冲信号,再有一个上升沿信号;如果出现连续多个下降沿信号,一定表明产生下降沿信号的比较放大器AM2的偏置电压小了,造成干扰脉冲输出。本发明会不断监测INT1和INT2出现的次序,连续出现下降沿脉冲信号时,MCU会发出指令增加DA1的数值,从增加AM2的偏置电压值时,实现自动适应。当连续出现上升沿脉冲信号时,MCU会发出指令提高DA1的数值,增加AM1的偏置电压值,实现自适应;
b、所述二总线系统的通信波特率,是可以告知MCU的。当MCU已知通信波特率后,若发现下降沿和上升沿的间隔小于波特率,说明偏置电压低,本发明会通过软件依据下降沿还是上升沿的问题,针对性提高DA1或DA2的数值,从而自适应调整比较放大器的偏置。
在本发明中,比较放大器AM1、AM2采集的是电感LM1上的上行电流调制信号,偏置电压亦以电感LM1处的电平为参考电平,而且比较放大器均工作在二总线空闲的“1”状态,BUSL1电平接近VH,这使得比较放大器的输入电平均工作在VH附近。本发明为解决这个问题,一个实施例,比较放大器AM1、AM2的电源分别接在VL和比VH高V0的电源上,其一降低了比较放大器的工作电源电压,其二保证了比较放器工作在放大区。一个实施例,V0是2V~10V的非稳压电源。在本实施例中,比较放大器选用开漏输出器件。一个实施例比较放大器选用了开漏输出的2903双比较器,用一个器件完成AM1和AM2的任务。在本发明实施例中,MCU参考地是GND,而比较放大器的参考地是VL,处在不同参考电平上,本发明实施例一路通过三极管Q4、Q6,电阻R9、R11、R15、R12进行电平转换;另一路通过三极管Q5、Q7,电阻R10、R13、R16、R14进行电平转换。本发明的另一个实施例,采用耐压满足要求的专用电平转换集成电路。
图4从站机[SN]中,二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例,串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻,DS1是一个过压保护元件,用以削除过压脉冲危害。图中电压源[US]是一个基于电容CS1正极且低VS3电压值的偏置电压源。当二总线有由[M]发送的电压调制信号处于“1”电平时,由于PNP型三极管Q40的基极通过电阻R40接在高电平VH上(不考虑RS1和RS2上的压降、线路压降和二极管DS2至DS5上的压降),而三极管Q40的发射极则由于单向导电器件DS6、RS3上的压降以及US偏置电压而低于基极,Q40的基极和发射极处于反向状态,三极管截止,由R41、R42分压后输至比较放大器负端,至AS1的输出电平为“1”;当二总线有由[M]发送的电压调制信号处于“0”电平时,由于PNP型三极管Q40的基极通过电阻R40接在VL电平上,即“0”电平上(不考虑RS1和RS2上的压降、线路压降和二极管DS2至DS5上的压降),如果信号电压差大于三极管Q40发射极电平,而保证Q40的基极电平不仅低于发射极电平而且还有安全余量,则可以确保三极管Q40在“0”电平信号期间导通,其导通电集电极电流通过R41、R42分压后输至比较放大器AS1负输入端,AS1的电平为“0”;实现从站机对电压调制信号的解调。
本发明从站机偏置电压源的设计实施例,是针对二总线电路的下述问题而发明的:
第一,由于二总线存在等效电感和电容,因此在信号传输时,电压调制信号的边沿会产生振铃信号,还会由于从机电源充电而产生边沿失真,需要有一个解调阀电压,保证低于阀电压的干扰信号不被解调。
第二,二总线在长距离传送过程中,会引入干扰信号,也需要有一个解调阀电压,保证低于阀电压的干扰信号不被解调。
在本发明的下行电压信号解调中,电容器CS1是本发明的特征元件,起着非常重要的作用:三极管Q40功能作用起着比较解调的作用,在本发明中可以泛称为比较解调器件。比较解调器件Q4O不一定是个三极管,可以是个场效应管,也可以是一个比较放大器,在本发明中仍称Q40进行比较的引脚为基极和发射极,但应把它们看成比较解调器件的比较输入引脚。Q4O的基极(b)和发射极(e)电平值的比较在解调中起着十分关键的作用,假定没有电容CS1,发射极电平会随基极电平变化而变化,就解调不出下行电压调制信号。下行电压调制信号解调电路中,接有电容CS1,且比较解调器件输入参比电平总是以CS1上的电平为比较参考电平。
本发明使用二总线可以同时提供电源和进行通信的从站机装置的电压信号解调电路,其特征是:
有一个比较解调器件Q40,其发射极经过偏置电压源[US]接在电容CS1上,而基极则通过电阻直接接在二总线的正极端上,集电极输出解调信号。
本发明的一个实施例,比较解调器件Q40是一个场效应器件,用栅极(G)替代基极(b),用源极(S)替代发射极(e),漏极(D)替代集电极(c)。
本发明的一个实施例,Q40由一个比较放大器实现:比较器的一个输入正端连接发射极的位置,而另一个比较放大器的输入负端连接基极的位置,放大器输出连接集电极的位置。
一个实施例,解调阀电压为5V,其中0.7V是二极管DS6产生的,2V由负荷流经RS3产生,余下的2.3V即VS3由偏置电压源US产生。
单元[7]是产生偏置电压源的辅助电路。一个实施例是由三极管发射电路中恒流确定电阻、基极接恒电流产生电压、集电极电流作为被调制恒流所构建的恒流源在电阻上产生US偏置源。
其中AS1是比较放大器。一个比较放大器的实施例是选用开漏输出的29O3双比较器中的一个。电阻R43是开漏输出的上拉电阻。
为防止三极管由于基极-发射极反向电压过大而损坏,一个实施例在基极通过电阻R40接入的回路中串接有一个二极管且二极管的正极总是靠向Q40基极侧。
从站机[SN]有上行信号电流调制单元[5]。电流调制信号是一个脉冲方波恒流。电流调制信号既可以将“1”定义为“有恒流”,“0”定义为“无恒流”:也可以将无恒流定义为“1”,有恒流定义为“0”:一个实施例,电流调制信号采用无恒流定义为“1”,有恒流定义为“0”,与串行通信空闲时为“1”电平,且无恒流一致。采用恒流调制,可以克服通信距离远时,线路中的阻抗不确定的问题。恒流调制的一个实施例,采用一个耐压满足二总线最大电压要求的三极管,集电极接在二总线上,即图2单向导电器件DS6的正极上,基极接在与待调制信号一致的信号源上,发射极电路接一个恒流发生电阻。让所述三极管在基极为待传信号为“0”时,基极为一个确定的高电平,且这时的集电极电流为设计的恒流值;而在待传信号为“1”时,基极为确定的0V电平,且这时的集电极电流为“0”电流,即无电流。恒流值根据通信距离、二总线负荷轻重确定。一个实施例是5mA~50mA中的一个值,为设计的恒流值。
发明的效果:
一种使用二总线可以同时提供电源和进行通信的从站机装置,通过将下行信号调制成由高压信号调制区段和低压保障电源区段构建的电压调制信号,实现主站机装置通过二总线完成与从站机群的通信和向从机群提供电源的发明任务,通过从站机有电源存在的地方串进单向导电器件DSn及电感LSn保证从站机电源稳定的同时,保证主站机在二总线间有轻重负荷的情况下有效解调出上行电流信号;从站机下行电压信号解调电路以电容CS1上的电平为比较依据,实现了电平的动态跟踪,从而完成了本发明的任务。本发明只需两条导线、既可通信又提供电源,通信速率高、距离远,可广泛用于允许布线的物联网系统中。

Claims (3)

1.一种使用二总线可以同时提供电源和进行通信的从站机装置,至少有解调下行电压调制信号的电路单元[4],有发送上行电流调制信号的电路单元[5],其特征是:
a、从站机[SN]接收到的下行电压调制信号是由调制下行通信信息的高电压区段和保障从站机供电的低电压区段构成的;
b、从站机使用的电源均由二总线提供,且所有提供的电源与总线间至少串接有单向导电器件DSn和电感元件LSn;
c、从站机上行信号均被调制成电流调制信号发送;
d、下行电压调制信号解调电路中,接有电容CS1,且比较解调器件输入参比电平总是以CS1上的电平为比较参考电平。
2.根据权利要求1所述使用二总线可以同时提供电源和进行通信的从站机装置的电压信号解调电路,其特征是:
有一个比较解调器件Q40,其发射极经过偏置电压源[US]接在电容CS1上,而基极则通过电阻直接接在二总线的正极端上,集电极输出解调信号。
3.根据权利要求1所述使用二总线可以同时提供电源和进行通信的从站机装置的电源电路,其特征是:
在稳压器件US1的输入和输出引脚外部接有分流电阻RS,其阻值是满足二总线最高电压下稳压器件US1的最小工作电流。
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