CN112039759A - 一种网关电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物联网设备网关技术领域，特别涉及一种网关电路，包括第一直流电压转换电路、第二直流电压转换电路和第三直流电压转换电路，通过设置第一直流电压转换电路将12V‑24V电压转换成5V电压输出；设置第二直流电压转换电路将5V电压转换成3.3V电压输出；设置第三直流电压转换电路将5V电压转换成3.8V电压；通过设置第一外围电路、第二外围电路、串口电平转换电路、SIM卡电路、4G天线匹配电路、直流隔离电源电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路之间相互配合，实现对工业现场数据的实时采集和服务器交换，从而对现场设备的实时管理。

Description

一种网关电路

技术领域

本发明涉及物联网设备网关技术领域，特别涉及一种网关电路。

背景技术

传统的物联网设备网关网络连接的方式单一，与工业现场控制器通信连接的方式比较单一，设备网关使用时局限性较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种网关电路。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种网关电路，包括第一外围电路、第二外围电路、第一直流电压转换电路、第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路、4G天线匹配电路、直流隔离电源电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路；

所述第一外围电路分别与第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路和4G天线匹配电路电连接，所述第二外围电路分别与串口电平转换电路、第二直流电压转换电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路电连接，所述第一直流电压转换电路分别与第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路和直流隔离电源电路电连接，所述RS485隔离驱动电路与直流隔离电源电路电连接。

本发明的有益效果在于：

通过设置第一直流电压转换电路将12V-24V电压转换成5V电压输出；设置第二直流电压转换电路将5V电压转换成3.3V电压输出；设置第三直流电压转换电路将5V电压转换成3.8V电压；通过设置第一外围电路、第二外围电路、第一直流电压转换电路、第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路、4G天线匹配电路、直流隔离电源电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路之间相互配合，实现对工业现场数据的实时采集和服务器交换，从而对现场设备的实时管理。

附图说明

图1为根据本发明的一种网关电路的电路连接框图；

图2为根据本发明的一种网关电路的串口电平转换电路的电路原理图；

图3为根据本发明的一种网关电路的第一直流电压转换电路的电路原理图；

图4为根据本发明的一种网关电路的第二直流电压转换电路的电路原理图；

图5为根据本发明的一种网关电路的直流隔离电源电路的电路原理图；

图6为根据本发明的一种网关电路的SIM卡电路的电路原理图；

图7为根据本发明的一种网关电路的4G天线匹配电路和第一外围电路的电路原理图；

图8为根据本发明的一种网关电路的第一外围电路的电路原理图；

图9为根据本发明的一种网关电路的FLASH电路的电路原理图；

图10为根据本发明的一种网关电路的RS485隔离驱动电路的电路原理图；

图11为根据本发明的一种网关电路的第二外围电路的电路原理图；

标号说明：

1、第一外围电路；2、第二外围电路；3、第一直流电压转换电路；4、第二直流电压转换电路；5、第三直流电压转换电路；6、串口电平转换电路；7、SIM卡电路；8、4G天线匹配电路；9、直流隔离电源电路；10、RS485隔离驱动电路；11、FLASH电路；12、LED指示灯电路。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参照图1，本发明提供的技术方案：

一种网关电路，包括第一外围电路、第二外围电路、第一直流电压转换电路、第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路、4G天线匹配电路、直流隔离电源电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路；

所述第一外围电路分别与第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路和4G天线匹配电路电连接，所述第二外围电路分别与串口电平转换电路、第二直流电压转换电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路电连接，所述第一直流电压转换电路分别与第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路和直流隔离电源电路电连接，所述RS485隔离驱动电路与直流隔离电源电路电连接。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：

通过设置第一直流电压转换电路将12V-24V电压转换成5V电压输出；设置第二直流电压转换电路将5V电压转换成3.3V电压输出；设置第三直流电压转换电路将5V电压转换成3.8V电压；通过设置第一外围电路、第二外围电路、第一直流电压转换电路、第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路、4G天线匹配电路、直流隔离电源电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路之间相互配合，实现对工业现场数据的实时采集和服务器交换，从而对现场设备的实时管理。

进一步的，所述串口电平转换电路包括电阻R1、电阻R25、电阻R26、电阻R34、电容C49、电容C50、三极管Q1和三极管Q5；

所述三极管Q1的基极分别与电阻R26的一端和电容C50的一端电连接，电阻R26的另一端分别与电容C50的另一端、电容C49的一端、电阻R34的一端和电阻R25的一端电连接，所述三极管Q1的发射极与第一外围电路电连接，所述三极管Q1的集电极与第二外围电路电连接，所述三极管Q3的基极分别与电容C49的另一端和电阻R34的另一端电连接，所述三极管Q3的集电极分别与电阻R25的另一端和第一外围电路电连接，所述三极管Q3的发射极与第二外围电路电连接，所述三极管Q5的基极与电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端与第一外围电路电连接，所述三极管Q5的发射极接地，所述三极管Q5的集电极与第一外围电路电连接。

进一步的，所述第一直流电压转换电路包括电阻R29、电阻R30、电阻R35、电阻R38、电阻R53、电阻R54、电容C3、电容C9、电容C17、电容C19、二极管D4、二极管D6、二极管D9、电感L3、接插件P1和芯片U4，所述第三直流电压转换电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R14、电阻R17、电阻R41、电阻R43、电容C1、电容C2、电容C6、电容C7、电容C18、电容C24、电感L2、二极管D13、二极管D14、晶体管Q7、晶体管Q8和芯片U1；

所述芯片U4的第一引脚分别与电容C9的一端、电感L3的一端和二极管D6的阴极电连接，所述二极管D6的阳极接地，所述芯片U4的第二引脚分别与电阻R35的一端和电阻R38的一端电连接，所述电阻R38的另一端接地，所述电阻R35的另一端分别与电容C17的一端、电容C3的一端、二极管D9的一端、二极管D4的阴极和芯片U4的第七引脚电连接，所述二极管D9的另一端接地，所述二极管D4的阳极与接插件P1的第二引脚电连接，所述接插件P1的第一引脚接地，所述芯片U4的第三引脚与电容C19的一端电连接，所述电容C19的另一端与电阻R54的一端电连接，所述电阻R54的另一端与芯片U4的第五引脚电连接且电阻R54的另一端和芯片U4的第五引脚均接地，所述芯片U4的第六引脚与电阻R53的一端电连接，所述电阻R53的另一端接地，所述芯片U4的第四引脚分别与电阻R29的一端和电阻R30的一端电连接，所述芯片U4的第八引脚与电容C9的另一端电连接，所述电感L3的另一端分别与电阻R30的另一端、电容C24的一端、电容C1的一端、电容C6的一端电阻R17的一端和芯片U1的第二引脚电连接，所述电容C24的另一端、电容C1的另一端和电容C6的另一端均接地，所述芯片U1的第八引脚分别与电阻R17的另一端、电阻R3的一端和晶体管Q7的栅极电连接，所述芯片U1的第四引脚接地，所述芯片U1的第六引脚与电阻R5的一端电连接，所述电阻R5的另一端与电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端分别与芯片U1的第七引脚和电阻R4的一端电连接，所述电阻R4的另一端分别与芯片U1的第五引脚、电感L2的一端、电容C2的一端、电容C7的一端、电容C18的一端、二极管D13的阳极和二极管D14的阳极电连接，所述二极管D14的阴极分别与二极管D13的阴极和电阻R43的一端电连接，所述电阻R43另一端与晶体管Q8的漏极电连接，所述晶体管Q8的源极和晶体管Q7的源极均接地，所述晶体管Q8的栅极分别与电阻R41的一端和晶体管Q7的漏极电连接。

由上述描述可知，在第一直流电压转换电路中，外部电源由接插件P1输入后，经二极管D4(为肖特基整流二极管)整流，避免正负极接反，而损坏设备；二极管D9吸收外部浪涌干拢噪声，以芯片U4为核心，电容C3和电容C17构成输入滤波电路，起到滤波作用；电容C24为输出滤波电路，对输出的电压和电流进行滤波，电阻R29、电阻R30、电阻R35、电阻R38，电阻R53、电阻R54、电容C9、电容C19、二极管D6和电感L3构成芯片U4必备的外围电路，将电压降至5V直流输出。

在第三直流电压转换电路中，电阻R4、电阻R5、电阻R14和电感L2构成芯片U1的外围电路；电阻R3和电阻R17为使能开关；电容C1和电容C8为输入滤波；电容C2、电容C7和C18为输出滤波；二极管D13、二极管D14、电阻R41、电阻R43、三极管Q7和三极管Q8构成防负载关断反向过冲电路为第一外围电路(也可叫4G模块外围电路)提供稳定可靠的3.8V电源。

进一步的，所述第二直流电压转换电路包括电容C4、电容C8、电容C10、电容C14、电感L1和芯片U2，所述芯片U2的第一引脚分别与芯片U2的第三引脚、电容C14的一端和电容C4的一端电连接，所述芯片U2的第五引脚分别与电容C10的一端、电容C8的一端和电感L1的一端电连接，所述电感L1的另一端接电源，所述芯片U2的第二引脚、电容C4的另一端、电容C14的另一端、电容C10的另一端和电容C8的另一端均接地。

由上述描述可知，在第二直流电压转换电路中，电容C4和电容C14构成输入滤波退耦电路；电容C8、电容C10和电感L1构成输出滤波退耦电路，起到滤波作用。

进一步的，所述直流隔离电源电路包括电阻R11、电阻R13、电容C15、电容C33、电容C40、电容C35、电感L4、电感L6和芯片U10，所述芯片U10的第一引脚分别与电阻R13的一端、电容C33的一端和电容C15的一端电连接，所述芯片U10的第二引脚与电感L4的一端电连接，所述电感L4的另一端与电容C15的另一端电连接，所述芯片U10的第三引脚分别与电阻R13的另一端、电容C33的另一端电阻R11的一端、电容C40的一端和电容C35的一端电连接，所述芯片U10的第四引脚分别与电阻R11的另一端和电感L6的一端电连接，所述电感L6的另一端分别与电容C40的另一端、电容C35的另一端和RS485隔离驱动电路电连接。

由上述描述可知，在直流隔离电源电路中，电容C15和电感L4为配合输入滤波器件；电阻R11(为最低功耗吸收电阻)、电阻R13和电容C33构成EMI的滤波和ESD的隔离；电容C35、电容C40和电感L6为输出滤波器件，从而实现隔离的5V电源Modbus模块供电，提高ModBus电路的安全可靠性。

进一步的，所述SIM卡电路包括电阻R146、电阻R147、电阻R148、电阻R149、电容C141、电容C143、电容C144、电容C145、电容C146、芯片U12和二极管芯片U15；

所述二极管芯片U15的第一引脚分别与电容C146的一端、电阻R146的一端、电阻R149的一端和芯片U12的第六引脚电连接，所述二极管芯片U15的第二引脚接地，所述二极管芯片U15的第三引脚分别与电阻R148的一端、电容C145的一端和芯片U12的第三引脚电连接，所述二极管芯片U15的第五引脚分别与电容C141的一端、电容C143的一端、芯片U12的第一引脚和电阻R146的另一端电连接，所述二极管芯片U15的第六引脚分别与电阻R147的一端、电容C144和芯片U12的第二引脚电连接，所述电容C141的另一端、电容C143的另一端、电容C144的另一端、电容C145的另一端、电容C146的另一端、芯片U12的第四引脚、芯片U12的第七引脚和芯片U12的第八引脚均接地，所述电阻R147的另一端、电阻R148的另一端和电阻R149的另一端均与第一外围电路电连接。

从上述描述可知，在SIM卡电路中，以芯片U12为核心；电阻R146、电阻R147、电阻R148、电阻R149、电容C141、电容C142、电容C144、电容C145和电容C146构成芯片U12(也可称为卡座)的外围隔离退耦电路，芯片U15起到浪涌保护作用。

进一步的，所述4G天线匹配电路包括电阻R16、电阻R20、电容C20、电容C22、电容C23、第一天线和第二天线，所述电阻R16的一端分别与电容C16的一端和第一外围电路电连接，所述电阻R16的另一端分别与第一天线和电容C20的一端电连接，所述电容C16的另一端和电容C20的另一端均接地，所述电阻R22的一端分别与电容C22的一端和第一外围电路电连接，所述电阻R22的另一端分别与电容C23的一端和第二天线电连接，所述电容C22的另一端和电容C23的另一端均接地。

从上述描述可知，在4G天线匹配电路中，主天线接口：M_ANT为SMA天线座，对应的匹配电路为：电容C16、电容C20和电阻R16构成；分集电天线接口：S_ANT为SMA天线座，对应的匹配电路为：电容C22、电容C23和电阻R22构成，从而实现将天线座子阻抗匹配到50Ω，以便与50R特性阻抗的天线匹配。

进一步的，所述FLASH电路包括电容C13和芯片U3，所述芯片U3的第一引脚、芯片U3的第二引脚、芯片U3的第三引脚和芯片U3的第四引脚均与第二外围电路电连接，所述芯片U3的第五引脚接地，所述芯片U3的第六引脚分别与芯片U3的第七引脚、芯片U3的第八引脚和电容C13的一端电连接，所述电容C13的另一端接地。

从上述描述可知，在FLASH电路中，以芯片U3为核心，外加一个退耦电容电容C13，芯片U3的主要作用是保存设备一些配置参数，以及固件升级过程中，用于缓存临时数据。

进一步的，所述RS485隔离驱动电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R15、电阻R19、电阻R21、电阻R23、电阻R24、电阻R6、电阻R31、电阻R32、电阻R36、电容C37、电容C36、电容C42、电容C5、电容C34、电容C26、电容C11、电感B7、开关S1、二极管D12、二极管D11、二极管D10、光电耦合器D3、接插件P2、芯片U5、芯片U9和芯片U7；

所述芯片U5的第一引脚与电阻R23的一端电连接，所述电阻R23的另一端与芯片U9的第二引脚电连接，所述芯片U5的第二引脚分别与芯片U5的第三引脚、电阻R24的一端和光电耦合器D3的第四端电连接，所述芯片U5的第四引脚分别与电阻R10的一端和芯片U7的第四引脚电连接，所述芯片U5的第五引脚接地，所述芯片U5的第六引脚分别与电阻R6的一端、电阻R36的一端、电容C36的一端、二极管D11的一端、二极管D10的一端、电阻R32的一端和接插件P2的第一引脚电连接，所述芯片U5的第七引脚分别与电阻R31的一端、电阻R36的另一端、电容C37的一端、二极管D12的一端、二极管D11的另一端、开关S1的第二端和接插件P2的第二引脚电连接，所述芯片U5的第八引脚分别与电容C34的一端、电容C5的一端、电阻R6的另一端、电阻R24的另一端、电感B7的一端、芯片U9的第一引脚、电阻R10的另一端、电容C11的一端和芯片U7的第五引脚电连接，所述芯片U9的第三引脚与电容C26的一端电连接，所述电容C26的另一端分别与芯片U9的第五引脚和电阻R21的一端电连接，所述芯片U9的第四引脚分别与电阻R21的另一端和电阻R19的一端电连接，所述电阻R19的另一端与第二外围电路电连接，所述芯片U7的第三引脚与电容C11的另一端电连接，所述芯片U7的第一引脚接电源，所述芯片U7的第二引脚与电阻R7的一端电连接，所述电阻R7的另一端与第二外围电路电连接，所述二极管D10的另一端分别与电容C36的另一端、电容C42的一端和电阻R8的一端电连接，所述电容C42的另一端分别与电阻R8的另一端和接插件P2的第三引脚电连接，所述光电耦合器D3的第三端与直流隔离电源电路电连接，所述光电耦合器D3的第一端与电阻R15的一端电连接，所述电阻R15的另一端与第二外围电路电连接，所述光电耦合器D3的第二端接地。

从上述描述可知，在RS485隔离驱动电路中，电阻R6、电阻R31、电阻R36、电容C36和电容C37构成芯片U5的必要外围电路；电容C5、电容C34和电感B7构成芯片U5的供电退耦电路；保险丝F2、保险丝F3、二极管D10、二极管D11和二极管D12构成总线保护电路；电阻R8和电容C42构成EMI的滤波和ESD的隔离；开关S1和电阻R32构成总线终端匹配电路；接插件P2为输入接口；电阻R15、电阻R24和二极管D3构成收/发隔离控制电路；芯片U7、电容C11和电阻R7构成隔离发送数据电路；电阻R19、电阻R21、电阻R23、电容C26和芯片U9构成隔离接收数据电路。

请参照图1至图11，本发明的实施例一为：

请参照图1，一种网关电路，包括第一外围电路1、第二外围电路2、第一直流电压转换电路3、第二直流电压转换电路4、第三直流电压转换电路5、串口电平转换电路6、SIM卡电路7、4G天线匹配电路8、直流隔离电源电路9、RS485隔离驱动电路10、FLASH电路11和LED指示灯电路12；

所述第一外围电路1分别与第三直流电压转换电路5、串口电平转换电路6、SIM卡电路7和4G天线匹配电路8电连接，所述第二外围电路2分别与串口电平转换电路6、第二直流电压转换电路4、RS485隔离驱动电路10、FLASH电路11和LED指示灯电路12电连接，所述第一直流电压转换电路3分别与第二直流电压转换电路4、第三直流电压转换电路5和直流隔离电源电路9电连接，所述RS485隔离驱动电路10与直流隔离电源电路9电连接。

请参照图2，所述串口电平转换电路6包括电阻R1(电阻值为4.7KΩ)、电阻R25(电阻值为10KΩ)、电阻R26(电阻值为4.7KΩ)、电阻R34(电阻值为4.7KΩ)、电容C49(电容值为200pF)、电容C50(电容值为1nF)、三极管Q1和三极管Q5；

所述三极管Q1的基极分别与电阻R26的一端和电容C50的一端电连接，电阻R26的另一端分别与电容C50的另一端、电容C49的一端、电阻R34的一端和电阻R25的一端电连接，所述三极管Q1的发射极与第一外围电路1电连接，所述三极管Q1的集电极与第二外围电路2电连接，所述三极管Q3的基极分别与电容C49的另一端和电阻R34的另一端电连接，所述三极管Q3的集电极分别与电阻R25的另一端和第一外围电路1电连接，所述三极管Q3的发射极与第二外围电路2电连接，所述三极管Q5的基极与电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端与第一外围电路1电连接，所述三极管Q5的发射极接地，所述三极管Q5的集电极与第一外围电路1电连接。

请参照图3，所述第一直流电压转换电路3包括电阻R29(电阻值为51KΩ)、电阻R30(电阻值为270KΩ)、电阻R35(电阻值为100KΩ)、电阻R38(电阻值为18KΩ)、电阻R53(电阻值为200KΩ)、电阻R54(电阻值为100KΩ)、电容C3(电容值为100nF)、电容C9(电容值为100nF)、电容C17(电容值为220uF)、电容C19(电容值为150pF)、电感L3(电感值为15uH)、二极管D4(型号为SS36)、二极管D6(型号为SS36)、二极管D9(型号为5.0SMDJ33CA)、二极管D13(型号为PMEG2010ER)、二极管D14(型号为PMEG2010ER)、晶体管Q7(型号为BSN20)、晶体管Q8(型号为BSN20)和芯片U1(型号为MP2143DJ)，所述第三直流电压转换电路包括电阻R3(电阻值为4.7KΩ)、电阻R4(电阻值为4.7KΩ)、电阻R5(电阻值为36KΩ)、电阻R14(电阻值为1.5KΩ)、电阻R17(电阻值为270KΩ)、电阻R41(电阻值为51Ω)、电阻R43(电阻值为82KΩ)、电容C1(电容值为22uF)、电容C2(电容值为22uF)、电容C6(电容值为100nF)、电容C7(电容值为22uF)、电容C18(电容值为47uF)、电容C24(电容值为1000uF)、电感L2(电感值为1uH)、接插件P1(型号为15EDGRC-3.81-02P-14/15EDGK-3.81-02P-14)和芯片U4(型号为MP2467DN)；

所述芯片U4的第一引脚分别与电容C9的一端、电感L3的一端和二极管D6的阴极电连接，所述二极管D6的阳极接地，所述芯片U4的第二引脚分别与电阻R35的一端和电阻R38的一端电连接，所述电阻R38的另一端接地，所述电阻R35的另一端分别与电容C17的一端、电容C3的一端、二极管D9的一端、二极管D4的阴极和芯片U4的第七引脚电连接，所述二极管D9的另一端接地，所述二极管D4的阳极与接插件P1的第二引脚电连接，所述接插件P1的第一引脚接地，所述芯片U4的第三引脚与电容C19的一端电连接，所述电容C19的另一端与电阻R54的一端电连接，所述电阻R54的另一端与芯片U4的第五引脚电连接且电阻R54的另一端和芯片U4的第五引脚均接地，所述芯片U4的第六引脚与电阻R53的一端电连接，所述电阻R53的另一端接地，所述芯片U4的第四引脚分别与电阻R29的一端和电阻R30的一端电连接，所述芯片U4的第八引脚与电容C9的另一端电连接，所述电感L3的另一端分别与电阻R30的另一端、电容C24的一端、电容C1的一端、电容C6的一端电阻R17的一端和芯片U1的第二引脚电连接，所述电容C24的另一端、电容C1的另一端和电容C6的另一端均接地，所述芯片U1的第八引脚分别与电阻R17的另一端、电阻R3的一端和晶体管Q7的栅极电连接，所述芯片U1的第四引脚接地，所述芯片U1的第六引脚与电阻R5的一端电连接，所述电阻R5的另一端与电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端分别与芯片U1的第七引脚和电阻R4的一端电连接，所述电阻R4的另一端分别与芯片U1的第五引脚、电感L2的一端、电容C2的一端、电容C7的一端、电容C18的一端、二极管D13的阳极和二极管D14的阳极电连接，所述二极管D14的阴极分别与二极管D13的阴极和电阻R43的一端电连接，所述电阻R43另一端与晶体管Q8的漏极电连接，所述晶体管Q8的源极和晶体管Q7的源极均接地，所述晶体管Q8的栅极分别与电阻R41的一端和晶体管Q7的漏极电连接。

请参照图4，所述第二直流电压转换电路4包括电容C4(电容值为22uF)、电容C8(电容值为22uF)、电容C10(电容值为100nF)、电容C14(电容值为100nF)、电感L1(电感值为47uH)和芯片U2(型号为SX730CX33M5G)，所述芯片U2的第一引脚分别与芯片U2的第三引脚、电容C14的一端和电容C4的一端电连接，所述芯片U2的第五引脚分别与电容C10的一端、电容C8的一端和电感L1的一端电连接，所述电感L1的另一端接电源，所述芯片U2的第二引脚、电容C4的另一端、电容C14的另一端、电容C10的另一端和电容C8的另一端均接地。

请参照图5，所述直流隔离电源电路9包括电阻R11(电阻值为270Ω)、电阻R13(电阻值为1MΩ)、电容C15(电容值为10uF)、电容C33(电容值为1nF)、电容C40(电容值为10uF)、电容C35(电容值为100nF)、电感L4(电感值为47uH)、电感L6(电感值为47uH)和芯片U10(型号为B0505S-W5R2)，所述芯片U10的第一引脚分别与电阻R13的一端、电容C33的一端和电容C15的一端电连接，所述芯片U10的第二引脚与电感L4的一端电连接，所述电感L4的另一端与电容C15的另一端电连接，所述芯片U10的第三引脚分别与电阻R13的另一端、电容C33的另一端电阻R11的一端、电容C40的一端和电容C35的一端电连接，所述芯片U10的第四引脚分别与电阻R11的另一端和电感L6的一端电连接，所述电感L6的另一端分别与电容C40的另一端、电容C35的另一端和RS485隔离驱动电路10电连接。

请参照图6，所述SIM卡电路7包括包括电阻R146(电阻值为15KΩ)、电阻R147(电阻值为0Ω)、电阻R148(电阻值为0Ω)、电阻R149(电阻值为0Ω)、电容C141(电容值为33pF)、电容C143(电容值为33pF)、电容C144(电容值为33pF)、电容C145(电容值为33pF)、电容C146(电容值为33pF)、芯片U12(型号为KF-016)和二极管芯片U15(型号为IP4220CZ6)；

所述二极管芯片U15的第一引脚分别与电容C146的一端、电阻R146的一端、电阻R149的一端和芯片U12的第六引脚电连接，所述二极管芯片U15的第二引脚接地，所述二极管芯片U15的第三引脚分别与电阻R148的一端、电容C145的一端和芯片U12的第三引脚电连接，所述二极管芯片U15的第五引脚分别与电容C141的一端、电容C143的一端、芯片U12的第一引脚和电阻R146的另一端电连接，所述二极管芯片U15的第六引脚分别与电阻R147的一端、电容C144和芯片U12的第二引脚电连接，所述电容C141的另一端、电容C143的另一端、电容C144的另一端、电容C145的另一端、电容C146的另一端、芯片U12的第四引脚、芯片U12的第七引脚和芯片U12的第八引脚均接地，所述电阻R147的另一端、电阻R148的另一端和电阻R149的另一端均与第一外围电路1电连接。

请参照图7，所述4G天线匹配电路8包括电阻R16(电阻值为0Ω)、电阻R20(电阻值为0Ω)、电容C20(电容值为NC)、电容C22(电容值为NC)、电容C23(电容值为NC)、第一天线(型号为29-4G-1.5mm-SMA)和第二天线(型号为29-4G-1.5mm-SMA)，所述电阻R16的一端分别与电容C16的一端和第一外围电路1电连接，所述电阻R16的另一端分别与第一天线和电容C20的一端电连接，所述电容C16的另一端和电容C20的另一端均接地，所述电阻R22的一端分别与电容C22的一端和第一外围电路1电连接，所述电阻R22的另一端分别与电容C23的一端和第二天线电连接，所述电容C22的另一端和电容C23的另一端均接地。

请参照图9，所述FLASH电路11包括电容C13(电容值为100nF)和芯片U3(型号为W25X05CLSNIG)，所述芯片U3的第一引脚、芯片U3的第二引脚、芯片U3的第三引脚和芯片U3的第四引脚均与第二外围电路2电连接，所述芯片U3的第五引脚接地，所述芯片U3的第六引脚分别与芯片U3的第七引脚、芯片U3的第八引脚和电容C13的一端电连接，所述电容C13的另一端接地。

请参照图10，所述RS485隔离驱动电路10包括电阻R7(电阻值为430Ω)、电阻R8(电阻值为1MΩ)、电阻R10(电阻值为NC)、电阻R15(电阻值为270Ω)、电阻R19(电阻值为0Ω)、电阻R21(电阻值为NC)、电阻R23(电阻值为820Ω)、电阻R24(电阻值为1KΩ)、电阻R6(电阻值为47KΩ)、电阻R31(电阻值为47KΩ)、电阻R32(电阻值为120Ω)、电阻R36(电阻值为127KΩ)、电容C37(电容值为20pF)、电容C36(电容值为20pF)、电容C42(电容值为1nF)、电容C5(电容值为10uF)、电容C34(电容值为100nF)、电容C26(电容值为100nF)、电容C11(电容值为100nF)、电感B7(电感值为1KΩ)、开关S1(型号为MSK-01G)、二极管D12(型号为SMBJ6.8CA)、二极管D11(型号为SMBJ6.8CA)、二极管D10(型号为SMBJ6.8CA)、光电耦合器D3(型号为EL3H7C)、接插件P2(型号为15EDGRC-3.81-03P-14/15EDGK-3.81-03P-14)、芯片U5(型号为SN65HVD485EDR)、芯片U9(型号为TLP2361)和芯片U7(型号为TLP2361)；

所述芯片U5的第一引脚与电阻R23的一端电连接，所述电阻R23的另一端与芯片U9的第二引脚电连接，所述芯片U5的第二引脚分别与芯片U5的第三引脚、电阻R24的一端和光电耦合器D3的第四端电连接，所述芯片U5的第四引脚分别与电阻R10的一端和芯片U7的第四引脚电连接，所述芯片U5的第五引脚接地，所述芯片U5的第六引脚分别与电阻R6的一端、电阻R36的一端、电容C36的一端、二极管D11的一端、二极管D10的一端、电阻R32的一端和接插件P2的第一引脚电连接，所述芯片U5的第七引脚分别与电阻R31的一端、电阻R36的另一端、电容C37的一端、二极管D12的一端、二极管D11的另一端、开关S1的第二端和接插件P2的第二引脚电连接，所述芯片U5的第八引脚分别与电容C34的一端、电容C5的一端、电阻R6的另一端、电阻R24的另一端、电感B7的一端、芯片U9的第一引脚、电阻R10的另一端、电容C11的一端和芯片U7的第五引脚电连接，所述芯片U9的第三引脚与电容C26的一端电连接，所述电容C26的另一端分别与芯片U9的第五引脚和电阻R21的一端电连接，所述芯片U9的第四引脚分别与电阻R21的另一端和电阻R19的一端电连接，所述电阻R19的另一端与第二外围电路2电连接，所述芯片U7的第三引脚与电容C11的另一端电连接，所述芯片U7的第一引脚接电源，所述芯片U7的第二引脚与电阻R7的一端电连接，所述电阻R7的另一端与第二外围电路2电连接，所述二极管D10的另一端分别与电容C36的另一端、电容C42的一端和电阻R8的一端电连接，所述电容C42的另一端分别与电阻R8的另一端和接插件P2的第三引脚电连接，所述光电耦合器D3的第三端与直流隔离电源电路9电连接，所述光电耦合器D3的第一端与电阻R15的一端电连接，所述电阻R15的另一端与第二外围电路2电连接，所述光电耦合器D3的第二端接地。

所述第一外围电路1包括电阻R28(电阻值为4.7KΩ)、电阻R33(电阻值为15KΩ)、电容C52(电容值为10nF)、电容C51(电容值为100nF)、电容C38(电容值为33pF)、电容C32(电容值为100nF)、电容C39(电容值为1000uF)、电容C48(电容值为33pF)、电容C47(电容值为100nF)、电容C29(电容值为1000uF)、二极管D5(型号为PTVS5V0S1UTR)、三极管Q2(型号为BC847C)、接插件P3、接插件P5、芯片M1-A(型号为M8321)和芯片M1-B(型号为M8321)，其各元器件之间的具体连接关系请参照图7和图8；

在第一外围电路1中，电容C47、电容C48和电容C29构成芯片M1-B的基带部分供电滤波退耦电路；电容C32、电容C38和电容C39构成芯片M1-B的射和三极管Q2构成开关机电路，接插件P3和接插件P5为预留的调试接口。

所述第二外围电路2包括电阻R2(电阻值为1KΩ)、电阻R9(电阻值为10KΩ)、电阻R12(电阻值为1KΩ)、电阻R18(电阻值为10KΩ)、电阻R20(电阻值为10KΩ)、电阻R27(电阻值为1KΩ)、电阻R37(电阻值为1.5KΩ)、电阻R76(电阻值为4.7KΩ)、电阻R77(电阻值为47KΩ)、电阻R78(电阻值为1KΩ)、电容C12(电容值为4.7uF)、电容C21(电容值为15pF)、电容C25(电容值为100nF)、电容C27(电容值为100nF)、电容C28(电容值为15pF)、电容C30(电容值为100nF)、电容C31(电容值为100nF)、二极管D1(型号为9-21SYGC/S530-E2/TR8)、二极管D2(型号为9-21SYGC/S530-E2/TR8)、二极管D7(型号为PTVS5V0S1UTR)、二极管D8(型号为9-21SYGC/S530-E2/TR8)、二极管D18(型号为9-21SYGC/S530-E2/TR8)、晶振X1(频率为16MHz)、开关SW2(型号为KFC-813A-J-J)、电感L5(型号为BLM18AG102S)、接插件P4、三极管Q4(型号为BC847C)和芯片U6(型号为STM32F103C8T6)，其各元器件之间的具体连接关系请参照图11；

在第二外围电路2中，芯片U5为MCU，其外围说明如下：

外部高速时钟由晶振X1、电容C21和电容C28构成；

外部复位电路由电阻R20和电容C25构成；

启动模式配置由电阻R9和电阻R18构成；

供电滤波退耦及浪涌吸收电路由电容C27、电容C31、电容C30、电容C12、二极管D7和电感L5构成；

开关SW2为恢复出厂默认配置按钮；

接插件P4为预留的调试接口。

请参照图11，所述LED指示灯电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D8和二极管D18，当收到一个有效的modbus数据包，二极管D2的状态会发生翻转(即亮/灭)；当与服务器连接上后，二极管D8灯亮，否则二极管D8灯灭；如果二极管D1以1S频率闪烁表示网络注册失败；如果二极管D1以2S频率闪烁表示网络注册成功；当收到一个有效的服务器下行数据包，二极管D18的状态会发生翻转(即亮/灭)。

上述的网关电路的工作原理为：

在串口电平转换电路中，当4GTX0为高电平时(1.8V)，三极管Q1截止，使得PB11_RXD3_4GTX0网络由上拉电阻R37而获得高电平(3.3V)，当4GTX0为低电平时，三极管Q1导通，从而PB11_RXD3_4GTX0输出低电平；当PB10_TXD3_4GRX0输出高电平时(3.3V)，三极管Q3截止，4GRX0由上拉电阻R25而获得高电平(1.8V)；串口电平转换电路中的其它阻容器件主要为电路提供偏置及补偿作用；

在第一直流电压转换电路中，外部电源由接插件P1输入后，经二极管D4(为肖特基整流二极管)整流，避免正负极接反，而损坏设备；二极管D9吸收外部浪涌干拢噪声，以芯片U4为核心，电容C3和电容C17构成输入滤波电路，起到滤波作用；电容C24为输出滤波电路，对输出的电压和电流进行滤波，电阻R29、电阻R30、电阻R35、电阻R38，电阻R53、电阻R54、电容C9、电容C19、二极管D6和电感L3构成芯片U4必备的外围电路，将电压降至5V直流输出。

在第一直流电压转换电路中，电阻R4、电阻R5、电阻R14和电感L2构成芯片U1的外围电路；电阻R3和电阻R17为使能开关；电容C1和电容C8为输入滤波；电容C2、电容C7和C18为输出滤波；二极管D13、二极管D14、电阻R41、电阻R43、三极管Q7和三极管Q8构成防负载关断反向过冲电路为第一外围电路(也可叫4G模块外围电路)提供稳定可靠的3.8V电源。

在第二直流电压转换电路中，电容C4和电容C14构成输入滤波退耦电路；电容C8、电容C10和电感L1构成输出滤波退耦电路，起到滤波作用。

在直流隔离电源电路中，电容C15和电感L4为配合输入滤波器件；电阻R11(为最低功耗吸收电阻)、电阻R13和电容构成EMI的滤波和ESD的隔离；电容C35、电容C40和电感L6为输出滤波器件，从而实现隔离的5V电源Modbus模块供电，提高ModBus电路的安全可靠性。

在SIM卡电路中，以卡座J1为核心；电阻R46、电阻R47、电阻R48、电阻R49、电容C41、电容C42、电容C44、电容C45和电容C46构成芯片U12(也可称为卡座)的外围隔离退耦电路，芯片U15起到浪涌保护作用。

在4G天线匹配电路中，主天线接口：M_ANT为SMA天线座，对应的匹配电路为：电容C16、电容C20和电阻R16构成；分集电天线接口：S_ANT为SMA天线座，对应的匹配电路为：电容C22、电容C23和电阻R22构成，从而实现将天线座子阻抗匹配到50Ω，以便与50R特性阻抗的天线匹配。

在RS485隔离驱动电路中，电阻R6、电阻R31、电阻R36、电容C36和电容C37构成芯片U5的必要外围电路；电容C5、电容C34和电感B7构成芯片U5的供电退耦电路；保险丝F2、保险丝F3、二极管D10、二极管D11和二极管D12构成总线保护电路；电阻R8和电容C42构成EMI的滤波和ESD的隔离；开关S1和电阻R32构成总线终端匹配电路；接插件P2为输入接口；电阻R15、电阻R24和二极管D3构成收/发隔离控制电路；芯片U7、电容C11和电阻R7构成隔离发送数据电路；电阻R19、电阻R21、电阻R23、电容C26和芯片U9构成隔离接收数据电路。

在FLASH电路中，以芯片U3为核心，外加一个退耦电容电容C13，芯片3的主要作用是保存设备一些配置参数，以及固件升级过程中，用于缓存临时数据。

综上所述，本发明提供的一种网关电路，通过设置第一直流电压转换电路将12V-24V电压转换成5V电压输出；设置第二直流电压转换电路将5V电压转换成3.3V电压输出；设置第三直流电压转换电路将5V电压转换成3.8V电压；通过设置第一外围电路、第二外围电路、第一直流电压转换电路、第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路、4G天线匹配电路、直流隔离电源电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路之间相互配合，实现对工业现场数据的实时采集和服务器交换，从而对现场设备的实时管理。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种网关电路，其特征在于，包括第一外围电路、第二外围电路、第一直流电压转换电路、第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路、4G天线匹配电路、直流隔离电源电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路；

所述第一外围电路分别与第三直流电压转换电路、串口电平转换电路、SIM卡电路和4G天线匹配电路电连接，所述第二外围电路分别与串口电平转换电路、第二直流电压转换电路、RS485隔离驱动电路、FLASH电路和LED指示灯电路电连接，所述第一直流电压转换电路分别与第二直流电压转换电路、第三直流电压转换电路和直流隔离电源电路电连接，所述RS485隔离驱动电路与直流隔离电源电路电连接。

2.根据权利要求1所述的网关电路，其特征在于，所述串口电平转换电路包括电阻R1、电阻R25、电阻R26、电阻R34、电容C49、电容C50、三极管Q1和三极管Q5；

所述三极管Q1的基极分别与电阻R26的一端和电容C50的一端电连接，电阻R26的另一端分别与电容C50的另一端、电容C49的一端、电阻R34的一端和电阻R25的一端电连接，所述三极管Q1的发射极与第一外围电路电连接，所述三极管Q1的集电极与第二外围电路电连接，所述三极管Q3的基极分别与电容C49的另一端和电阻R34的另一端电连接，所述三极管Q3的集电极分别与电阻R25的另一端和第一外围电路电连接，所述三极管Q3的发射极与第二外围电路电连接，所述三极管Q5的基极与电阻R1的一端电连接，所述电阻R1的另一端与第一外围电路电连接，所述三极管Q5的发射极接地，所述三极管Q5的集电极与第一外围电路电连接。

3.根据权利要求1所述的网关电路，其特征在于，所述第一直流电压转换电路包括电阻R29、电阻R30、电阻R35、电阻R38、电阻R53、电阻R54、电容C3、电容C9、电容C17、电容C19、二极管D4、二极管D6、二极管D9、电感L3、接插件P1和芯片U4，所述第三直流电压转换电路包括电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R14、电阻R17、电阻R41、电阻R43、电容C1、电容C2、电容C6、电容C7、电容C18、电容C24、电感L2、二极管D13、二极管D14、晶体管Q7、晶体管Q8和芯片U1；

所述芯片U4的第一引脚分别与电容C9的一端、电感L3的一端和二极管D6的阴极电连接，所述二极管D6的阳极接地，所述芯片U4的第二引脚分别与电阻R35的一端和电阻R38的一端电连接，所述电阻R38的另一端接地，所述电阻R35的另一端分别与电容C17的一端、电容C3的一端、二极管D9的一端、二极管D4的阴极和芯片U4的第七引脚电连接，所述二极管D9的另一端接地，所述二极管D4的阳极与接插件P1的第二引脚电连接，所述接插件P1的第一引脚接地，所述芯片U4的第三引脚与电容C19的一端电连接，所述电容C19的另一端与电阻R54的一端电连接，所述电阻R54的另一端与芯片U4的第五引脚电连接且电阻R54的另一端和芯片U4的第五引脚均接地，所述芯片U4的第六引脚与电阻R53的一端电连接，所述电阻R53的另一端接地，所述芯片U4的第四引脚分别与电阻R29的一端和电阻R30的一端电连接，所述芯片U4的第八引脚与电容C9的另一端电连接，所述电感L3的另一端分别与电阻R30的另一端、电容C24的一端、电容C1的一端、电容C6的一端电阻R17的一端和芯片U1的第二引脚电连接，所述电容C24的另一端、电容C1的另一端和电容C6的另一端均接地，所述芯片U1的第八引脚分别与电阻R17的另一端、电阻R3的一端和晶体管Q7的栅极电连接，所述芯片U1的第四引脚接地，所述芯片U1的第六引脚与电阻R5的一端电连接，所述电阻R5的另一端与电阻R14的一端电连接，所述电阻R14的另一端分别与芯片U1的第七引脚和电阻R4的一端电连接，所述电阻R4的另一端分别与芯片U1的第五引脚、电感L2的一端、电容C2的一端、电容C7的一端、电容C18的一端、二极管D13的阳极和二极管D14的阳极电连接，所述二极管D14的阴极分别与二极管D13的阴极和电阻R43的一端电连接，所述电阻R43另一端与晶体管Q8的漏极电连接，所述晶体管Q8的源极和晶体管Q7的源极均接地，所述晶体管Q8的栅极分别与电阻R41的一端和晶体管Q7的漏极电连接。

4.根据权利要求1所述的网关电路，其特征在于，所述第二直流电压转换电路包括电容C4、电容C8、电容C10、电容C14、电感L1和芯片U2，所述芯片U2的第一引脚分别与芯片U2的第三引脚、电容C14的一端和电容C4的一端电连接，所述芯片U2的第五引脚分别与电容C10的一端、电容C8的一端和电感L1的一端电连接，所述电感L1的另一端接电源，所述芯片U2的第二引脚、电容C4的另一端、电容C14的另一端、电容C10的另一端和电容C8的另一端均接地。

5.根据权利要求1所述的网关电路，其特征在于，所述直流隔离电源电路包括电阻R11、电阻R13、电容C15、电容C33、电容C40、电容C35、电感L4、电感L6和芯片U10，所述芯片U10的第一引脚分别与电阻R13的一端、电容C33的一端和电容C15的一端电连接，所述芯片U10的第二引脚与电感L4的一端电连接，所述电感L4的另一端与电容C15的另一端电连接，所述芯片U10的第三引脚分别与电阻R13的另一端、电容C33的另一端电阻R11的一端、电容C40的一端和电容C35的一端电连接，所述芯片U10的第四引脚分别与电阻R11的另一端和电感L6的一端电连接，所述电感L6的另一端分别与电容C40的另一端、电容C35的另一端和RS485隔离驱动电路电连接。

6.根据权利要求1所述的网关电路，其特征在于，所述SIM卡电路包括电阻R146、电阻R147、电阻R148、电阻R149、电容C141、电容C143、电容C144、电容C145、电容C146、芯片U12和二极管芯片U15；

所述二极管芯片U15的第一引脚分别与电容C146的一端、电阻R146的一端、电阻R149的一端和芯片U12的第六引脚电连接，所述二极管芯片U15的第二引脚接地，所述二极管芯片U15的第三引脚分别与电阻R148的一端、电容C145的一端和芯片U12的第三引脚电连接，所述二极管芯片U15的第五引脚分别与电容C141的一端、电容C143的一端、芯片U12的第一引脚和电阻R146的另一端电连接，所述二极管芯片U15的第六引脚分别与电阻R147的一端、电容C144和芯片U12的第二引脚电连接，所述电容C141的另一端、电容C143的另一端、电容C144的另一端、电容C145的另一端、电容C146的另一端、芯片U12的第四引脚、芯片U12的第七引脚和芯片U12的第八引脚均接地，所述电阻R147的另一端、电阻R148的另一端和电阻R149的另一端均与第一外围电路电连接。

7.根据权利要求1所述的网关电路，其特征在于，所述4G天线匹配电路包括电阻R16、电阻R20、电容C20、电容C22、电容C23、第一天线和第二天线，所述电阻R16的一端分别与电容C16的一端和第一外围电路电连接，所述电阻R16的另一端分别与第一天线和电容C20的一端电连接，所述电容C16的另一端和电容C20的另一端均接地，所述电阻R22的一端分别与电容C22的一端和第一外围电路电连接，所述电阻R22的另一端分别与电容C23的一端和第二天线电连接，所述电容C22的另一端和电容C23的另一端均接地。

8.根据权利要求1所述的网关电路，其特征在于，所述FLASH电路包括电容C13和芯片U3，所述芯片U3的第一引脚、芯片U3的第二引脚、芯片U3的第三引脚和芯片U3的第四引脚均与第二外围电路电连接，所述芯片U3的第五引脚接地，所述芯片U3的第六引脚分别与芯片U3的第七引脚、芯片U3的第八引脚和电容C13的一端电连接，所述电容C13的另一端接地。

9.根据权利要求1所述的网关电路，其特征在于，所述RS485隔离驱动电路包括电阻R7、电阻R8、电阻R10、电阻R15、电阻R19、电阻R21、电阻R23、电阻R24、电阻R6、电阻R31、电阻R32、电阻R36、电容C37、电容C36、电容C42、电容C5、电容C34、电容C26、电容C11、电感B7、开关S1、二极管D12、二极管D11、二极管D10、光电耦合器D3、接插件P2、芯片U5、芯片U9和芯片U7；

所述芯片U5的第一引脚与电阻R23的一端电连接，所述电阻R23的另一端与芯片U9的第二引脚电连接，所述芯片U5的第二引脚分别与芯片U5的第三引脚、电阻R24的一端和光电耦合器D3的第四端电连接，所述芯片U5的第四引脚分别与电阻R10的一端和芯片U7的第四引脚电连接，所述芯片U5的第五引脚接地，所述芯片U5的第六引脚分别与电阻R6的一端、电阻R36的一端、电容C36的一端、二极管D11的一端、二极管D10的一端、电阻R32的一端和接插件P2的第一引脚电连接，所述芯片U5的第七引脚分别与电阻R31的一端、电阻R36的另一端、电容C37的一端、二极管D12的一端、二极管D11的另一端、开关S1的第二端和接插件P2的第二引脚电连接，所述芯片U5的第八引脚分别与电容C34的一端、电容C5的一端、电阻R6的另一端、电阻R24的另一端、电感B7的一端、芯片U9的第一引脚、电阻R10的另一端、电容C11的一端和芯片U7的第五引脚电连接，所述芯片U9的第三引脚与电容C26的一端电连接，所述电容C26的另一端分别与芯片U9的第五引脚和电阻R21的一端电连接，所述芯片U9的第四引脚分别与电阻R21的另一端和电阻R19的一端电连接，所述电阻R19的另一端与第二外围电路电连接，所述芯片U7的第三引脚与电容C11的另一端电连接，所述芯片U7的第一引脚接电源，所述芯片U7的第二引脚与电阻R7的一端电连接，所述电阻R7的另一端与第二外围电路电连接，所述二极管D10的另一端分别与电容C36的另一端、电容C42的一端和电阻R8的一端电连接，所述电容C42的另一端分别与电阻R8的另一端和接插件P2的第三引脚电连接，所述光电耦合器D3的第三端与直流隔离电源电路电连接，所述光电耦合器D3的第一端与电阻R15的一端电连接，所述电阻R15的另一端与第二外围电路电连接，所述光电耦合器D3的第二端接地。

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