CN110752864A - 一种基于电源线的通信接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电源线的通信接口电路，包括：供电隔离单元，将通信总线上的电能分离开来，为电路主控单元的正常工作提供工作电能；发送数据单元，将通信数据转变为高频信号加载到电源线上，包括载波合成电路和信号与电源耦合电路；接收数据单元，将通信总线上的数据解调，转换成控制器能识别的电平信号，包括滤波电路、差分放大电路、比较器和逻辑信号调理电路。本发明提供了一种基于电源线的通信接口电路，基于现有供电线路，在不增加额外连线条件下，能够实现外界与产品主控系统之间的双向数据传输，实现通信功能。

Description

一种基于电源线的通信接口电路

技术领域

本发明涉及一种基于电源线的通信接口电路，为数据通信技术领域，可应用于各种基于电源供电线路数据通信的仪器仪表设备。

背景技术

通信技术包括无线通信和有线通信两种。有线通信因具有不受外部环境干扰、电路结构简单、通信可靠性高等优点而广泛使用。有线通信通常采用RS485/422/232等串行通信协议传输数据，有标准的集成电路作为信号驱动器，通信信号传输线上的电压保持在标准范围内，数据传输速率高、传感距离远。

在某些产品电路中，通常只有电源供电线路，但是要求电源供电线路既要能够为产品提供供电，又能够实现对产品的双向数据通信，现有基于RS485/422/232等串行通信协议传输数据的方案就无法实现，需要开发专用的接口电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于电源线的通信接口电路，基于现有供电线路，在不增加额外连线条件下，能够实现外界与产品主控系统之间的双向数据传输，实现通信功能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于电源线的通信接口电路，包括：

供电隔离单元，将通信总线上的电能分离开来，为电路主控单元的正常工作提供工作电能；

发送数据单元，将通信数据转变为高频信号加载到电源线上，包括载波合成电路和信号与电源耦合电路；载波合成电路将载波信号发送到通信数据总线上；信号与电源耦合电路将工作电能与载波合成电路发送的载波信号耦合，完成通信数据的载波输出；

接收数据单元，将通信总线上的数据解调，转换成控制器能识别的电平信号，包括滤波电路、差分放大电路、比较器和逻辑信号调理电路；滤波电路对通信总线上的干扰信号进行滤波后发送给差分放大电路进行放大；比较器将差分放大电路放大后的直流载波信号与参考电压进行比较，并将比较后得到的数字化后的通信信号发送至逻辑信号调理电路；逻辑信号调理电路将数字化后的通信信号进行脉冲扩展，最终实现通信信号还原。

进一步地，供电隔离单元包括二极管；当通信数据总线上有电压时，电压通过二极管给电路主控单元提供工作电能；当通信数据总线作为数据发送端使用时，二极管截止。

进一步地，载波合成电路包括与门和串联在与门输出端上的第一电阻、第一电感和第一电容；与门的两个输入端分别输入载波信号和通信数据，与门的输出端连接至信号与电源耦合电路。

进一步地，信号与电源耦合电路包括第一二极管和第二电感；第一二极管的正极接工作电能，负极与第二电感连接。

进一步地，滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路；低通滤波电路对通信总线上高于载波信号频率的干扰信号进行滤波；高通滤波电路将通信总线上低于载波信号频率的干扰信号进行滤波。

进一步地，低通滤波电路采用两个运算放大器构成的巴特沃斯四阶低通滤波电路。

进一步地，高通滤波电路采用两个运算放大器构成的巴特沃斯四阶高通滤波电路。

进一步地，差分放大电路采用运算放大器将滤波后的直流载波信号进行放大。

进一步地，逻辑信号调理电路包括移位寄存器和连接在移位寄存器输出端上的多路或门。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种基于电源线的通信接口电路，基于现有供电线路，在不增加额外连线条件下，能够实现外界与产品主控系统之间的双向数据传输，实现通信功能。

附图说明

图1为本发明的电路原理组成框图；

图2为本发明的电源隔离电路图；

图3为本发明的载波合成电路图；

图4为本发明的信号与电源耦合电路图；

图5为本发明的低通滤波电路图；

图6为本发明的高通滤波电路图；

图7为本发明的差分放大电路图；

图8为本发明的比较器电路图；

图9为本发明的逻辑信号调理电路图；

图10为本发明的数据传输及处理波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

由图1所示，本发明一种基于电源线的通信接口电路包括：供电隔离单元1、发送数据单元2和接收数据单元3。通信总线实现供电、数据发送和接收功能。其中，供电隔离单元1将通信总线上的电能分离开来，为电路主控单元的正常工作提供工作能量，包括电源隔离电路4；发送数据单元2用于实现将通信数据转变为高频信号，进而加载到电源线上，包括载波合成电路5和信号与电源耦合电路6；接收数据单元3将通信总线上的数据解调，转换成控制器能够识别的电平信号，包括低通滤波电路7、高通滤波电路8、差分放大电路9、比较器10和逻辑信号调理电路11。

结合图2，电源隔离电路4包括二极管D2。

电源隔离电路工作过程：当通信数据总线上有电压时，通信数据线SetBus2上的电压通过二极管D2给电路提供工作电能POWER；反之，作为数据发送端使用时，POWER端的电能不会通过二极管D2传到SetBus2端。

结合图3，载波合成电路5包括与门N1和串联在与门N1输出端上的电阻R1、电感L1和电容C1。与门N1的两个输入端分别输入载波信号Clock和通信数据SetTX，与门的输出端连接至信号与电源耦合电路。

载波合成电路工作过程：控制单元输出4MHz载波信号Clock和通信数据SetTX至与门N1，当通信数据SetTX为逻辑1时，与门N1的输出端引脚4输出逻辑与载波信号Clock一致，经电阻R1、电感L1和电容C1发送到通信数据总线SetBus上；当通信数据SetTX为逻辑0时，与门N1的输出端引脚4输出逻辑保持为0，通信数据总线SetBus上也不出现载波信号Clock。

结合图4，信号与电源耦合电路6包括二极管D1、电感L2和电容C2。二极管D1的正极接工作电能POWER，负极与电感L2连接，电容C2并联在电感L2上。

信号与电源耦合电路工作过程：工作电能POWER经二极管D1和电感L2与载波信号耦合，完成通信数据的载波输出；电感L2和电容C2组成阻抗匹配电路。

结合图5，低通滤波电路7包括运算放大器N3和N4、电阻R22、R2、R3、R4、R5、R6和电容C3、C4、C5、C6、C7。通信数据总线SetBus传输的载波信号经电容C3、电阻R2、R3连接至运算放大器N3的正相输入端，运算放大器N3的正相输入端经电容C5接模拟电源VCC；运算放大器N3的输出端反馈连接至运算放大器N3的反相输入端。运算放大器N3的输出端经电容C4反馈连接至电阻R2、R3的共接点。电容C3与电阻R2的共接点经电阻R22接模拟电源VCC。运算放大器N3的电源端接数字电源VDD，运算放大器N3的接地端接地。同时，运算放大器N3的输出端经电阻R4、R5连接至运算放大器N4的正相输入端，运算放大器N4的正相输入端经电容C7接模拟电源VCC；运算放大器N4的输出端反馈连接至运算放大器N4的反相输入端。运算放大器N4的输出端经电容C6反馈连接至电阻R4、R5的共接点，运算放大器N4的输出端经电阻R6接模拟电源VCC。

低通滤波电路工作过程：由两个运算放大器构成的巴特沃斯四阶低通滤波电路，将通信数据总线SetBus上高于载波信号频率的干扰信号滤掉，再发送给高通滤波电路8，便于后续电路对信号的处理。

结合图6，高通滤波电路8包括运算放大器N5和N6、电阻R7、R8、R9、R10、R11和电容C8、C9、C10、C11。经低通滤波电路滤波的载波信号经电容C8、C9连接至运算放大器N5的正相输入端，运算放大器N5的正相输入端经电阻R8接模拟电源VCC；运算放大器N5的输出端反馈连接至运算放大器N5的反相输入端。运算放大器N5的输出端经电阻R7反馈连接至电容C8、C9的共接点。运算放大器N5的电源端接数字电源VDD，运算放大器N5的接地端接地。同时，运算放大器N5的输出端经电容C10、C11连接至运算放大器N6的正相输入端，运算放大器N6的正相输入端经电阻R10接模拟电源VCC；运算放大器N6的输出端反馈连接至运算放大器N6的反相输入端。运算放大器N6的输出端经电阻R9反馈连接至电容C10、C11的共接点，运算放大器N6的输出端经电阻R11连接至差分放大电路9中。

高通滤波电路工作过程：由两个运算放大器构成的巴特沃斯四阶高通滤波电路，将通信数据总线上低于载波信号频率的干扰信号滤掉，再发送给差分放大电路9，便于后续电路对信号的处理。直流载波信号经过低通滤波电路7和高通滤波电路8后，仅余下正常的载波信号，供给差分放大电路9进行放大处理。

结合图7，差分放大电路9包括运算放大器N7和电阻R12、R13、R14、R15。高通滤波电路8滤波后的载波信号经电阻R13输入至运算放大器N7的正相输入端，运算放大器N7的正相输入端同时经电阻R15接地；运算放大器N7的反相输入端经电阻R12接模拟电源VCC，运算放大器N7的输出端连接至比较器10。同时，运算放大器N7的输出端经电阻R14反馈至运算放大器N7的反相输入端。

差分放大电路工作过程：由一个运算放大器构成的差分放大电路，将直流载波信号进行放大，信号放大倍数由电阻R12、R14决定。

结合图8，比较器10包括运算放大器N8、电阻R16、R17、R18、R19、R20和电容C12。经差分放大电路9放大后的载波信号分别经电阻R19输入至运算放大器N8的正相输入端，经电阻R20连接至运算放大器N8的输出端。运算放大器N8的反相输入端输入参考电压。比较器的参考电压由电阻R16和R17分压获得。电阻R16和R17串联在数字电源VDD与地之间，分压后的电压经电阻R18连接至运算放大器N8的反相输入端；其中与地连接的电阻R16两端并联电容C12。

比较器工作过程：由一个运算放大器构成的比较器电路，将放大后的直流载波信号与参考电压进行比较，将比较结果通过N8的输出端引脚6输出，成为数字化后的通信信号，发送至逻辑信号调理电路11，如图10所示。

结合图9，逻辑信号调理电路11包括移位寄存器N10、或门N9A、N9B、N9C、N9D和电阻R21。比较器输出的数字化后的通信信号输入至移位寄存器N10的输入端，移位寄存器N10的输出端QE、QD输出信号经或门N9B后的信号、移位寄存器N10的输出端QC、QB输出信号经或门N9C后的信号，分别作为或门N9A的输入信号，或门N9A的输出信号作为或门N9D的其中一个输入信号，移位寄存器N10的输出端QA输出信号作为或门N9D的另一个输入信号，或门N9D的输出信号经电阻R21后得到最终还原的接收数据信号SetRX。

逻辑信号调理电路工作过程：由一个移位寄存器和一个多路或门构成的逻辑信号调理电路，将数字化后的通信信号进行脉冲扩展，最终实现通信信号还原。

本发明利用单条数据线完成电源供电、数据的双向传输。通过该方案设计的发送数据单元能够发送高速﹑大电流﹑高压信号，保证通信的可靠性。接收数据单元通过全硬件电路构成的模拟信号处理电路，可以释放控制器资源，将信号调理后的数字信号供给控制器识别，完成数据回读。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，包括：

供电隔离单元，将通信总线上的电能分离开来，为电路主控单元的正常工作提供工作电能；

发送数据单元，将通信数据转变为高频信号加载到电源线上，包括载波合成电路和信号与电源耦合电路；载波合成电路将载波信号发送到通信数据总线上；信号与电源耦合电路将工作电能与载波合成电路发送的载波信号耦合，完成通信数据的载波输出；

接收数据单元，将通信总线上的数据解调，转换成控制器能识别的电平信号，包括滤波电路、差分放大电路、比较器和逻辑信号调理电路；滤波电路对通信总线上的干扰信号进行滤波后发送给差分放大电路进行放大；比较器将差分放大电路放大后的直流载波信号与参考电压进行比较，并将比较后得到的数字化后的通信信号发送至逻辑信号调理电路；逻辑信号调理电路将数字化后的通信信号进行脉冲扩展，最终实现通信信号还原。

2.根据权利要求1所述的一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，供电隔离单元包括二极管；当通信数据总线上有电压时，电压通过二极管给电路主控单元提供工作电能；当通信数据总线作为数据发送端使用时，二极管截止。

3.根据权利要求1所述的一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，载波合成电路包括与门和串联在与门输出端上的第一电阻、第一电感和第一电容；与门的两个输入端分别输入载波信号和通信数据，与门的输出端连接至信号与电源耦合电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，信号与电源耦合电路包括第一二极管和第二电感；第一二极管的正极接工作电能，负极与第二电感连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，滤波电路包括低通滤波电路和高通滤波电路；低通滤波电路对通信总线上高于载波信号频率的干扰信号进行滤波；高通滤波电路将通信总线上低于载波信号频率的干扰信号进行滤波。

6.根据权利要求5所述的一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，低通滤波电路采用两个运算放大器构成的巴特沃斯四阶低通滤波电路。

7.根据权利要求5所述的一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，高通滤波电路采用两个运算放大器构成的巴特沃斯四阶高通滤波电路。

8.根据权利要求1所述的一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，差分放大电路采用运算放大器将滤波后的直流载波信号进行放大。

9.根据权利要求1所述的一种基于电源线的通信接口电路，其特征是，逻辑信号调理电路包括移位寄存器和连接在移位寄存器输出端上的多路或门。

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