CN204679776U - 一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，包括信号输出设备和信号输入设备，所述信号输出设备和所述信号输入设备通过电缆双向通信连接，其中，所述信号输出设备包括开关K、信号发生器、脉冲控制器和输出端RS485芯片，所述信号发生器包括产生两种不同频率信号的CD4060芯片A6、与门A2、或门A3和或门A4，保证在任何情况下至输出一种频率的信号；所述脉冲控制器包括第一单稳态电路、第二单稳态电路、非门A5和或门A1，控制输出端RS485芯片的状态；所述信号输入设备包括输入端RS485芯片和微处理器，接收信号并返回接收状态。本实用新型抑制外界干扰信号，提高传输质量，在相同条件下大大提高其传输距离。

Description

一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置

技术领域

本发明涉及一种开关量远距离传输装置，具体涉及一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，属于微处理器应用技术领域。

背景技术

在电力自动化设备系统中，常常会遇到远程开关量的输入问题。开关量进行长距离传输时，一方面容易受到外界的电磁干扰，导致传输信号发生畸变或失真；另一方面开关量通过长电缆单端接入微处理器，由于电缆的线路阻抗与电压降，限制了该电缆的距离。开关量输入模块的电压等级有：直流5V、12V、24V、48V、60V等；交流110V、220V等。选择时主要根据现场信号输出设备与输入设备之间的距离来考虑。一般5V、12V、24V用于传输距离较近场合，如5V输入模块最远不得超过10米。距离较远的应选用输入电压等级较高的模块。因而，开关量信号的输入距离一般都限制在500m以内，超过500m时应采用无线模块、光纤通讯等方式。但是，无线模块、光纤通讯等方式成本太高，不适用于只传输少数开关量的应用场合。

采用RS485总线作为开关量信号的传输信道，可以增大开关量信号的传输距离，在通常的RS485总线应用方式中，信号输出设备端与输入设备端均需有微处理器，而当信号输出设备端的开关量很少时(例如只有一路开关信号)，用微处理器控制RS485通讯，一方面会增加设备成本，另一方面因为微处理器使电路复杂数倍，又需要在微处理器中写入软件，所以也会大大增加维护成本，而如果不采用微处理器，则无法实现RS485的信息传递功能，此问题一直困扰着技术人员，无法得到解决。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，有效抑制外界干扰信号，提高传输质量，大大提高开关量信号的传输距离。

技术方案：本发明所述的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，包括信号输出设备和信号输入设备，所述信号输出设备和所述信号输入设备通过电缆双向通信连接，其中，所述信号输出设备包括开关K、信号发生器、脉冲控制器和输出端RS485芯片，

所述信号发生器包括产生两种不同频率信号的CD4060芯片A6、与门A2、或门A3和或门A4，所述CD4060芯片A6的1KHz频率输出端口Q5和所述开关K的非接地端分别与所述与门A2的两个输入端口连接，所述CD4060芯片A6的512Hz频率输出端口Q6和所述开关K的非接地端分别与所述或门A3的两个输入端口连接，所述与门A2的输出端口和所述或门A3的输出端口分别与所述或门A4的输入端口连接，所述或门A4的输出端口与所述输出端RS485芯片的发送端口DI连接；

所述脉冲控制器包括第一单稳态电路、第二单稳态电路、非门A5和或门A1，所述第一单稳态电路的输入端与所述开关K的非接地端连接，所述第二单稳态电路的输入端通过所述非门A5与所述开关K的非接地端连接，所述第一单稳态电路的输出端与所述第二单稳态电路的输出端分别与所述或门A1的输入端口连接，所述或门A1的输出端口与所述输出端RS485芯片的控制端口RE和DE连接；

所述信号输入设备包括输入端RS485芯片和微处理器，所述输入端RS485芯片的接收端口RO、控制端口RE和DE、发送端口DI分别与所述微处理器连接，所述输入端RS485芯片的接收端口RO用于接收所述信号输出设备的开关量信号并转发至所述微处理器，所述输入端RS485芯片的控制端口RE和DE用于控制所述输入端RS485芯片处于接收状态或者发送状态，所述输入端RS485芯片的发送端口DI用于发送反馈信号至所述信号输出设备。

本发明技术方案的进一步限定为，还包括连接于电缆上的防护电路，所述防护电路包括自恢复保险丝F1、自恢复保险丝F2、降压电路1和降压电路2，所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2分别串联于所述电缆上，所述降压电路1并联于所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2的一端，所述降压电路2并联于所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2的另一端；所述降压电路1包括半导体放电管G1、半导体放电管G2和半导体放电管G3，所述半导体放电管G2和半导体放电管G3并联后与所述半导体放电管G1串联；所述降压电路2包括TVS二极管G4、TVS二极管G5和TVS二极管G6，所述TVS二极管G5和TVS二极管G6并联后与所述TVS二极管G4串联。上述防护电路当承受瞬变电压和浪涌时，其工作阻抗立即将至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝位到预定水平，从而有效地保护电子线路中的元器件，防止其被烧毁或损坏。

进一步地，所述电缆为带屏蔽层的双绞线，使传输线路的阻抗小，减少传输介质对数据传输的影响，并且使线路连接可靠。

再进一步地，所述第一单稳态电路与所述第二单稳态电路的电路结构相同，其中所述第一单稳态电路包括NE555芯片A8、电容C2、电阻R2、电阻R6和电容C6，所述电容C2和电阻R2组成微分电路，所述电容C2的脚1与所述开关K的非接地端连接，所述电容C2的脚2与所述NE555芯片A8的脚T、脚TH和脚DIS连接，并且，所述电容C2的脚2与所述电容C6连接后接地；所述电阻R2与所述电阻R6并联后，一端与所述电容C2的脚2连接，另一端与所述NE555芯片A8的脚R和脚VCC连接。

再进一步地，所述信号输出设备还包括去抖动电路，所述去抖动电路包括电阻R0、电容C1和电阻R1，所述电阻R0与所述电容C1串联后，一端接地，另一端与所述开关K的非接地端连接；所述电阻R1的一端与电源连接，另一端与所述开关K的非接地端连接，上述去抖电路可以消除开关K在闭合与断开过程中的抖动。

再进一步地，所述信号输出设备还包括去毛刺电路，所述去毛刺电路包括电容C3和电阻R3，所述电容C3的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端接地；所述电阻R3的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与电源连接，上述去毛刺电路可以滤除RS485总线上受到电磁干扰出现的小毛刺。

再进一步地，所述信号输出设备还包括指示电路，所述指示电路包括发光二极管D1，所述发光二极管D1的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与电源连接，当接收端收到低电平信号时，发光二极管D1亮，用以指示开关K是否发生了变位。

再进一步地，所述信号输入设备还包括光电耦合器OC，所述光电耦合器OC的一端与所述输入端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与所述微处理器连接，上述光电耦合器OC隔离RS485总线上的电磁干扰，消除噪声并且防止电流在两通信端之间流动，防止瞬态尖峰在系统内部的破坏性传播。

有益效果：本发明提供的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，采用RS485总线作为开关量信号输入信道，抑制外界干扰信号，提高传输质量，由于开关量信号采用低频信号传输，可以在相同条件下大大提高其传输距离；本发明通过在输入设备端增加光电隔离设备及采取相应的防抖动措施，保证通讯正确率，可以确保开关量信号在3000m长度的带屏蔽双绞线(0.56mm/24AWG)上无误码传输；本发明采用RS485收发自动转换电路，可以省去输出设备端的微处理器，且由于RS485具有双向通讯功能，可以将输入设备接收到的状态反馈至输出设备端。

附图说明

图1为本发明提供的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置的电路图；

图2为本发明提供的防护电路的电路图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，其电路图如图1所示，包括信号输出设备和信号输入设备，所述信号输出设备和所述信号输入设备通过电缆双向通信连接。连接信号输出设备和信号输入设备之间的电缆为带屏蔽层的双绞线，使传输线路的阻抗小，减少传输介质对数据传输的影响，并且使线路连接可靠。在选择传输介质时，应选择优质的5类或5类以上的带屏蔽层的双绞线作为传输线路，线路的连接需牢固可靠。劣质的双绞线，线路阻抗大，给数字信号传输带来很大的影响。

所述信号输出设备包括开关K、去抖动电路、信号发生器、脉冲控制器、输出端RS485芯片、去毛刺电路和指示电路。

去抖动电路包括电阻R0、电容C1和电阻R1，所述电阻R0与所述电容C1串联后，一端接地，另一端与所述开关K的非接地端连接；所述电阻R1的一端与电源连接，另一端与所述开关K的非接地端连接，上述去抖电路可以消除开关K在闭合与端口过程中的抖动。去抖动电路实质是RC充放电电路，在开关K闭合过程中，电容C1通过R0有一个放电过程，在开关K断开过程中，电容C1通过R1和R0有一个充电过程，充放电过程可以消除开关K在闭合与断开过程的抖动。

所述信号发生器包括产生两种不同频率信号的CD4060芯片A6、与门A2、或门A3和或门A4，所述CD4060芯片A6的1KHz频率输出端口Q5和所述开关K的非接地端分别与所述与门A2的两个输入端口连接，所述CD4060芯片A6的512Hz频率输出端口Q6和所述开关K的非接地端分别与所述或门A3的两个输入端口连接，所述与门A2的输出端口和所述或门A3的输出端口分别与所述或门A4的输入端口连接，所述或门A4的输出端口与所述输出端RS485芯片的发送端口DI连接。CD4060芯片A6构成方波发生器，其基准频率为32.768KHz，其输出端口Q5经32分频后输出1KHz频率，其输出端口Q6经64分频后输出512Hz频率。当开关K处于断开状态时，与门A2允许输出；当开关K处于闭合状态时，或门A3允许输出。因此在任何情况下，或门A4只可能有一种频率输出，输出的频率接至RS485芯片的发送端。

所述脉冲控制器包括第一单稳态电路、第二单稳态电路、非门A5和或门A1，所述第一单稳态电路的输入端与所述开关K的非接地端连接，所述第二单稳态电路的输入端通过所述非门A5与所述开关K的非接地端连接，所述第一单稳态电路的输出端与所述第二单稳态电路的输出端分别与所述或门A1的输入端口连接，所述或门A1的输出端口与所述输出端RS485芯片的控制端口RE和DE连接。所述第一单稳态电路与所述第二单稳态电路的电路结构相同，其中所述第一单稳态电路包括NE555芯片A8、电容C2、电阻R2、电阻R6和电容C6，所述电容C2和电阻R2组成微分电路，所述电容C2的脚1与所述开关K的非接地端连接，所述电容C2的脚2与所述NE555芯片A8的脚T、脚TH和脚DIS连接，并且，所述电容C2的脚2与所述电容C6连接后接地；所述电阻R2与所述电阻R6并联后，一端与所述电容C2的脚2连接，另一端与所述NE555芯片A8的脚R和脚VCC连接。

上述脉冲控制器的工作原理为：当开关K由断开变成闭合时，开关K的非接地端A点电平由高变低产生下降沿信号，经电容C2、电阻R2构成的微分电路将下降沿信号变成宽约1                                               的窄脉冲去触发NE555芯片A8的T脚使其进入暂稳态，在NE555芯片A8的F脚上输出时长的高电平；当开关K由闭合变成断开时，A点电平由低变高，经非门A5反向后产生由高到低的下降沿信号，经电容C4、电阻R4构成的微分电路将下降沿信号变成宽约1的窄脉冲去触发NE555芯片A7的T脚使其进入暂稳态，在NE555芯片A7的F脚上输出时长的高电平。因此，当开关K发生变位时，NE555芯片A7、NE555芯片A8其中之一会输出一段高电平脉冲，经或门A1后，将该高电平脉冲加在RS485芯片的控制端RE和DE上，使其处于发送状态。微分电路的作用是确保下跳沿能触发NE555单稳态电路，而避免上跳沿造成误触发。综上所述，当开关K没有变位时，两个单稳态电路均处于稳定状态，输出低电平，经或门A1后输出低电平加在RS485芯片的控制端，RS485芯片处于接收状态。若开关K有变位时，根据上面的分析，两个单稳态电路之一会进入暂稳态输出高电平，经A1输出高电平加在RS485芯片的控制端，使RS485芯片暂时处于发送状态，并将发送端DI的频率送至总线：当开关K闭合时，发送的频率为512Hz；当开关K断开时，发送频率为1KHz。当单稳态的暂态结束后，RS485芯片的控制端重新变成低电平，返回至接收状态，等待接收来自输入端的信息。

所述去毛刺电路包括电容C3和电阻R3，所述电容C3的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端接地；所述电阻R3的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与电源连接，上述去毛刺电路可以滤除RS485总线上受到电磁干扰出现的小毛刺。所述指示电路包括发光二极管D1，所述发光二极管D1的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与电源连接，当接收端收到低电平信号时，发光二极管D1亮，用以指示开关K是否发生了变位。C3、R3构成去毛刺电路并接在RS485芯片接收端，当RS485总线上受到电磁干扰使接收端出现小毛刺时可以被滤除，指示电路用以指示开关K是否发生了变位，当接收端收到低电平信号时，发光二极管D1亮。

所述信号输入设备包括输入端RS485芯片、微处理器和光电耦合器OC，所述输入端RS485芯片的接收端口RO、控制端口RE和DE、发送端口DI分别与所述微处理器连接，所述输入端RS485芯片的接收端口RO用于接收所述信号输出设备的开关量信号并转发至所述微处理器，所述输入端RS485芯片的控制端口RE和DE用于控制所述输入端RS485芯片处于接收状态或者发送状态，所述输入端RS485芯片的发送端口DI用于发送反馈信号至所述信号输出设备。所述光电耦合器OC的一端与所述输入端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与所述微处理器连接。输入设备中，输入端RS485芯片的接收端经光电藕合电路与微处理器相联，光电藕合电路起隔离作用，可隔离总线上的电磁干扰，能消除噪声并且防止电流在两通信端之间流动，防止瞬态尖峰在系统内部的破坏性传播。输入端RS485芯片的控制端与发送端也与微处理器相联。正常情况下，输入端RS485芯片处于接收状态，当微处理器从输入端RS485芯片接收端接收到512Hz频率时，说明输出端的开关K处于闭合状态；当接收到1KHz频率时，说明输出端开关K处于断开状态。当微处理器接收到频率时，说明输出端开关K发生了变位，微处理器控制输入端RS485芯片发送一个长的低电平(例如300ms)信号，输出端RS485芯片接收到该低电平时，接收端变低，使发光二极管D1闪烁一次，表明输入设备端已接收到输出设备端的开关K的变位信号，这种反馈方式可以使输出设备端了解输入设备是否收到开关K的变位信息。

另外，由于RS485总线在实现长距离传输时，其传输线通常暴露在户外，因此极易因为雷击等原因而引入过电压或浪涌电流。RS485收发器工作电压较低(+5V)，其本身的耐压很低(-7～+12V)，一旦引入过电压，就会被击穿，损坏芯片。还有当强烈的浪涌能量出现时，收发器会爆裂。为避免上述情况发生，常采用防护措施，因此，本发明还包括连接于电缆上的防护电路，防护电路的电路图如图2所示，所述防护电路包括自恢复保险丝F1、自恢复保险丝F2、降压电路1和降压电路2，所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2分别串联于所述RS485的两根电缆上，所述降压电路1并联于所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2的一端，所述降压电路2并联于所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2的另一端；所述降压电路1包括半导体放电管G1、半导体放电管G2和半导体放电管G3，所述半导体放电管G2和半导体放电管G3并联后与所述半导体放电管G1串联；所述降压电路2包括TVS二极管G4、TVS二极管G5和TVS二极管G6，所述TVS二极管G5和TVS二极管G6并联后与所述TVS二极管G4串联。上述防护电路当承受瞬变电压和浪涌时，其工作阻抗立即将至很低的导通值，允许大电流通过，并将电压箝位到预定水平，从而有效地保护电子线路中的元器件，防止其被烧毁或损坏。当雷电发生时，感应过电压由总线端引入，经过固体放电管后电压被大大削弱到约500V左右，再经过自恢复保险丝F1、F2限制浪涌电流，TVS二极管G4～G6限压后，到收发器的电压被箝位在6.8V左右，从而实现对收发器的保护。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，包括信号输出设备和信号输入设备，其特征在于，所述信号输出设备和所述信号输入设备通过电缆双向通信连接，其中，所述信号输出设备包括开关K、信号发生器、脉冲控制器和输出端RS485芯片，

所述信号发生器包括产生两种不同频率信号的CD4060芯片A6、与门A2、或门A3和或门A4，所述CD4060芯片A6的1KHz频率输出端口Q5和所述开关K的非接地端分别与所述与门A2的两个输入端口连接，所述CD4060芯片A6的512Hz频率输出端口Q6和所述开关K的非接地端分别与所述或门A3的两个输入端口连接，所述与门A2的输出端口和所述或门A3的输出端口分别与所述或门A4的输入端口连接，所述或门A4的输出端口与所述输出端RS485芯片的发送端口DI连接；

所述脉冲控制器包括第一单稳态电路、第二单稳态电路、非门A5和或门A1，所述第一单稳态电路的输入端与所述开关K的非接地端连接，所述第二单稳态电路的输入端通过所述非门A5与所述开关K的非接地端连接，所述第一单稳态电路的输出端与所述第二单稳态电路的输出端分别与所述或门A1的输入端口连接，所述或门A1的输出端口与所述输出端RS485芯片的控制端口RE和DE连接；

所述信号输入设备包括输入端RS485芯片和微处理器，所述输入端RS485芯片的接收端口RO、控制端口RE和DE、发送端口DI分别与所述微处理器连接，所述输入端RS485芯片的接收端口RO用于接收所述信号输出设备的开关量信号并转发至所述微处理器，所述输入端RS485芯片的控制端口RE和DE用于控制所述输入端RS485芯片处于接收状态或者发送状态，所述输入端RS485芯片的发送端口DI用于发送反馈信号至所述信号输出设备。

2.根据权利要求1所述的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，其特征在于，还包括连接于电缆上的防护电路，所述防护电路包括自恢复保险丝F1、自恢复保险丝F2、降压电路1和降压电路2，所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2分别串联于所述RS485的两根电缆上，所述降压电路1并联于所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2的一端，所述降压电路2并联于所述自恢复保险丝F1和自恢复保险丝F2的另一端；所述降压电路1包括半导体放电管G1、半导体放电管G2和半导体放电管G3，所述半导体放电管G2和半导体放电管G3并联后与所述半导体放电管G1串联；所述降压电路2包括TVS二极管G4、TVS二极管G5和TVS二极管G6，所述TVS二极管G5和TVS二极管G6并联后与所述TVS二极管G4串联。

3.根据权利要求1或2所述的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，其特征在于，所述第一单稳态电路与所述第二单稳态电路的电路结构相同，其中所述第一单稳态电路包括NE555芯片A8、电容C2、电阻R2、电阻R6和电容C6，所述电容C2和电阻R2组成微分电路，所述电容C2的脚1与所述开关K的非接地端连接，所述电容C2的脚2与所述NE555芯片A8的脚T、脚TH和脚DIS连接，并且，所述电容C2的脚2与所述电容C6连接后接地；所述电阻R2与所述电阻R6并联后，一端与所述电容C2的脚2连接，另一端与所述NE555芯片A8的脚R和脚VCC连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，其特征在于，所述信号输出设备还包括去抖动电路，所述去抖动电路包括电阻R0、电容C1和电阻R1，所述电阻R0与所述电容C1串联后，一端接地，另一端与所述开关K的非接地端连接；所述电阻R1的一端与电源连接，另一端与所述开关K的非接地端连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，其特征在于，所述信号输出设备还包括去毛刺电路，所述去毛刺电路包括电容C3和电阻R3，所述电容C3的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端接地；所述电阻R3的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与电源连接。

6.根据权利要求1或2所述的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，其特征在于，所述信号输出设备还包括指示电路，所述指示电路包括发光二极管D1，所述发光二极管D1的一端与所述输出端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与电源连接。

7.根据权利要求1或2所述的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，其特征在于，所述信号输入设备还包括光电耦合器OC，所述光电耦合器OC的一端与所述输入端RS485芯片的接收端口RO连接，其另一端与所述微处理器连接。

8.根据权利要求1或2所述的一种电力自动化设备中的开关量远距离传输装置，其特征在于，所述电缆为带屏蔽层的双绞线。