CN209929971U - 一种应用于煤场控制设备的串行通信防护装置、pcb板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于防护通信设备技术领域，公开了一种应用于煤场控制设备的串行通信防护装置、PCB板，微控制器通过电信号与RS485隔离收发器连接，RS485隔离收发器通过电信号与第一防护电连接，第一防护电路通过电信号与第一3.5mm端子；微控制器通过电信号与电平转换电路连接，电平转换电路通过电信号与RS232隔离收发器连接，RS232隔离收发器通过电信号与第二防护电路连接，第二防护电路通过电信号与第二3.5mm端子连接。本实用新型解决了RS232隔离后电平不匹配问题，常规使用直接连接会降低器件寿命，带来稳定性风险。
Description
技术领域
本实用新型属防护通信设备技术领域，尤其涉及一种应用于煤场控制设备的串行通信防护装置。
背景技术
一直以来RS485和RS232在煤场检测控制设备中都有广泛使用，RS485的优点在于其采用平衡发送与差分接收的方式，因此具有抑制共模干扰的能力；而且其通信只需两条线缆，易于组网和长距离传输。RS232是通信中常见的串行接口通信总线，优点在于其结构简单，常应用于常规设备的短距离设备间通信。
一般应用中对串行总线的隔离和防护不能体现其重要性，在煤场的复杂电磁环境中对其隔离和防护就显得尤为重要，其涉及到大重量、高风险的设备控制和检测，因此加强电磁防护和隔离非常必要。
目前，常规的防护方案主要有光电隔离、电阻匹配等，对于煤场这种专用环境显得力不从心，面对可能受到的雷击、设备间的高压交流电干扰、大电流冲击等就显得无能为力。
综上所述，现有技术存在的问题是：
常规的防护可能受到的雷击、设备间的高压交流电干扰、大电流冲击等问题。
解决上述技术问题的难度：
解决难度在于器件的选型和合理的设计，首先增加新电路会引入设计风险，同时设计不合理引入不稳定因素也会对可靠性有影响，所以合理的选型和严格的设计是解决以上问题的核心。
解决上述技术问题的意义：
1、本实用新型能提高设备的可靠性和耐用性。
2、本实用新型能降低操作风险，减少因设备故障导致的经济财产损失。
3、本实用新型能降低维护成本。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种应用于煤场控制设备的串行通信防护装置；本实用新型主要解决通信隔离、大电压冲击防护、大电流防护等问题，保证串行通信在复杂电磁环境下正常工作，即使受到冲击也力保主要控制电路正常运行，将故障隔离在接口端，易于定位故障和维修维护。
本实用新型是这样实现的，一种应用于煤场控制设备的串行通信防护装置设置有：
微控制器；
微控制器通过UART引脚与RS485隔离收发器连接，RS485隔离收发器通过电信号与第一防护电连接，第一防护电路通过电信号与第一3.5mm端子；
微控制器通过UART引脚与电平转换电路连接，电平转换电路通过电信号与RS232隔离收发器连接，RS232隔离收发器通过电信号与第二防护电路连接，第二防护电路通过电信号与第二3.5mm端子连接；
微控制器通过JTAG引脚与光电隔离电路连接，光电隔离电路通过电信号与20PINJTAG连接。
本实用新型通过3.5mm间距的接线端子对外通信；本实用新型中的气体放电管会将串进来的大电压、电流对地释放，其次大电流会短时间断开自恢复保险，二次大电压会通过TVS继续到地释放，干扰消除以后全部电路恢复正常，保证通信的稳定可靠；同时采用芯片全部为成熟验证的器件，设备的等级为工业级，其性能完全满足煤场环境。
进一步，所述第一防护电路包括阻抗匹配电路、TVS防护电路、自恢复保险丝和防雷放电管；
RS485信号的A\B端与防雷放电管并联，防雷放电管与自恢复保险丝串联，防雷放电管与TVS防护电路并联，TVS防护电路与阻抗匹配电路连接，阻抗匹配电路与隔离收发器连接，隔离收发器与微控制器连接。
输入信号并联B3D090L-C气体放电管，释放瞬间大电流5000A@8/20us，防护瞬间脉冲电压达700V，接下来进入自恢复保险丝TSV250-184F，最大电压 250V，其保持电流为184mA，动作电流为690mA，而RS485的通信电流小于 180mA，最大电流为240mA，处理过的大电压大电流可通过TVS释放，可承受脉冲干扰600W(10/1000μs)和4kW(8/20μs)，采用隔离收发器将UART信号的TTL端和RS485信号的A\B端进行电气隔离，隔离收发器采用ADM2582E，±15kV ESD防护，16Mbps最大通信速率，满足通信要求，由于该芯片单电源供电3.3V与微控制器电平匹配故可直接接入微控制器外设端。
进一步，所述第二防护电路包括TVS防护电路、自恢复保险丝、防雷放电管和电平转换电路；
RS232信号的TX1\RX1端与防雷放电管并联，防雷放电管与自恢复保险丝串联，防雷放电管与TVS防护电路并联，TVS防护电路与隔离收发器连接，隔离收发器与电平转换电路连接，电平转换电路与微控制器连接。
本实用新型中RS232防护电路在RS485防护电路的基础上减少线间双向 TVS管，增加与微控制器接口电平匹配的单向电平转换芯片；解决了RS232隔离后电平不匹配问题，常规使用直接连接会降低器件寿命，带来稳定性风险。
本实用新型的另一目的在于提供应用于煤场控制设备的串行通信防护电路的PCB板。
进一步，所述PCB板设置3块，数字地主要包括数字电源、微控制器及隔离收发器的数字端，隔离地主要包括隔离收发器的隔离信号端及防护电路端，机壳地单点与设备机壳连接，隔离地与设备机壳地通过120K电阻及1uF电容连接单点共地。
综上所述，本实用新型的优点及积极效果为：
煤矿交流电多使用220V市电，最大电压为380V动力供电，本实用新型防护等级达到700V以上，遇雷电、设备电源冲击等大干扰时可通过多级防护机制，首先，气体放电管会将串进来的大电压、电流对地释放；其次，大电流会短时间断开自恢复保险时，二次大电压会通过TVS继续到地释放，干扰消除以后全部电路恢复正常，保证通信的稳定可靠；同时采用芯片全部为成熟验证的器件，设备的等级为工业级，其性能完全满足煤场环境。本实用新型解决了RS232隔离后电平不匹配问题，常规使用直接连接会降低器件寿命，带来稳定性风险。
此外，本实用新型还具有以下优点：
1、本实用新型防护全面，设计合理。
2、根据实际使用环境选择器件的电气性能，能够使本实用新型的成本和效果最优。
3、经试验测试防护电压，可以达到480V以上的瞬时脉冲冲击。
4、电流大于200mA保险丝可以正常断开，电路恢复以后功能正常。
5、经测试增加防护电路后对原电路功能无影响，功耗没有明显增加。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的应用于煤场控制设备的串行通信防护装置结构示意图。
图2是本实用新型实施例提供的隔离防护实现框图
图3是本实用新型实施例提供的RS485防护电路示意图。
图4是本实用新型实施例提供的RS232防护电路示意图。
图中：1、微控制器；2、RS485隔离收发器；3、第一防护电路；4、第一 3.5mm端子；5、第二3.5mm端子；6、20PIN JTAG；7、光电隔离电路；8、第二防护电路；9、RS232隔离收发器；10、电平转换电路。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
本实用新型主要解决通信隔离、大电压冲击防护、大电流防护等问题，保证串行通信在复杂电磁环境下正常工作，即使受到冲击也力保主要控制电路正常运行，将故障隔离在接口端，易于定位故障和维修维护。
下面结合附图对本实用新型的技术方案作详细的描述。
如图1-图4所示，该应用于煤场控制设备的串行通信防护装置设置有微控制器1；微控制器1通过UART引脚与RS485隔离收发器2连接，RS485隔离收发器2通过电信号与第一防护电路3连接，第一防护电路3通过电信号与第一3.5mm端子4。
微控制器1通过UART引脚与电平转换电路10连接，电平转换电路10通过电信号与RS232隔离收发器9连接，RS232隔离收发器9通过电信号与第二防护电路8连接，第二防护电路8通过电信号与第二3.5mm端子5连接。
微控制器1通过JTAG引脚与光电隔离电路7连接，光电隔离电路7通过电信号与20PIN JTAG6连接。
第一防护电路3包括阻抗匹配电路(差分100欧姆阻抗控制)、TVS防护电路、自恢复保险丝和防雷放电管。
RS485信号的A\B端与防雷放电管并联，防雷放电管与自恢复保险丝串联，防雷放电管与TVS防护电路并联，TVS防护电路与阻抗匹配电路连接，阻抗匹配电路与隔离收发器连接，隔离收发器与微控制器连接；其中，微控制器采用 STM32F4系列。
第二防护电路8包括TVS防护电路、自恢复保险丝、防雷放电管和电平转换电路10。
RS232信号的TX1\RX1端与防雷放电管并联，防雷放电管与自恢复保险丝串联，防雷放电管与TVS防护电路并联，TVS防护电路与隔离收发器连接，隔离收发器与电平转换电路10连接，电平转换电路10与微控制器连接。
其中，微控制器1的型号为STM32F429IGT6，光电隔离电路7型号为 ISOW7843。
本实用新型采用STM32F4系列微控制器作为信息处理和串行口协议实现的载体，外部通过串口收发器及防护电路实现串口通信；其中，通过3.5mm间距的接线端子对外通信。
本实用新型中，首先将输入信号并联B3D090L-C气体放电管，释放瞬间大电流5000A@8/20us，防护瞬间脉冲电压达700V，接下来进入自恢复保险丝 TSV250-184F，最大电压250V，其保持电流为184mA，动作电流为690mA，而RS485的通信电流小于180mA，最大电流为240mA，处理过的大电压大电流可通过TVS释放，可承受脉冲干扰600W(10/1000μs)和4kW(8/20μs)，采用隔离收发器将UART信号的TTL端和RS485信号的A\B端进行电气隔离，隔离收发器采用ADM2582E，±15kV ESD防护，16Mbps最大通信速率，满足通信要求，由于该芯片单电源供电3.3V与微控制器电平匹配故可直接接入微控制器外设端。
RS232为短距离设备间通信，不同之处主要在于RS232的隔离收发芯片选用ADM3251E芯片，2.5kV隔离保护，通信速率为460kbps，满足通信要求。由于其供电为单电源5V供电，而微控制器外设端为3.3V电平，考虑设计简单和稳定性，采用TI的单向电平转换，选用了SN74LV4T125，3.3V供电时，输入1.8～5V，输出3.3V电平；5V供电时，1.8～5V输入，输出5V电平，转换速率大于30MHz，满足本方案要求。
下面结合具体的实施例对本实用新型的技术方案作进一步的描述。
实施例1
RS-485标准定义信号阈值的上下限为±200mV。即当A-B＞200mV时，总线状态应表示为“1”；当A-B＜-200mV时，总线状态应表示为“0”。由于现场电磁环境复杂，各节点存在很高的工模电压虽然采用差分方式传输，具有一定的抗共模干扰能力，但是当共模电压超过RS485的极限接收电压时(即大于+12V或小于-7V时)，接收器就无法正常工作了，严重时甚至会烧毁收发芯片和控制器。
因此，首先将输入信号并联B3D090L-C气体放电管，释放瞬间大电流 5000A@8/20us，防护瞬间脉冲电压达700V，接下来进入自恢复保险丝 TSV250-184F，最大电压250V，其保持电流为184mA，动作电流为690mA，而RS485的通信电流小于180mA，最大电流为240mA，处理过的大电压大电流可通过TVS释放，可承受脉冲干扰600W(10/1000μs)和4kW(8/20μs)，采用隔离收发器将UART信号的TTL端和RS485信号的A\B端进行电气隔离，隔离收发器采用ADM2582E，±15kV ESD防护，16Mbps最大通信速率，满足通信要求，由于该芯片单电源供电3.3V与微控制器电平匹配故可直接接入微控制器外设端。
实施例2
RS232为短距离设备间通信，采用了类似的方案，不同之处主要在于RS232 的隔离收发芯片选用ADM3251E芯片，2.5kV隔离保护，通信速率为460kbps，满足通信要求。由于其供电为单电源5V供电，而微控制器外设端为3.3V电平，考虑设计简单和稳定性，采用TI的单向电平转换方案实现，选用了 SN74LV4T125，3.3V供电时，输入1.8～5V，输出3.3V电平；5V供电时，1.8～5V 输入，输出5V电平，转换速率大于30MHz，满足本方案要求。
实施例3
在设计PCB时将地平面分为3块设计，数字地主要包括数字电源、微控制器及隔离收发器的数字端，隔离地主要包括隔离收发器的隔离信号端及防护电路端，机壳地单点与设备机壳连接，隔离地与设备机壳地通过120K电阻及1uF 电容连接共地。
以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种应用于煤场控制设备的串行通信防护装置，其特征在于，所述的应用于煤场控制设备的串行通信防护装置设置有：
微控制器；
微控制器通过UART引脚与RS485隔离收发器连接，RS485隔离收发器通过电信号与第一防护电连接，第一防护电路通过电信号与第一3.5mm端子；
微控制器通过UART引脚与电平转换电路连接，电平转换电路通过电信号与RS232隔离收发器连接，RS232隔离收发器通过电信号与第二防护电路连接，第二防护电路通过电信号与第二3.5mm端子连接；
微控制器通过JTAG引脚与光电隔离电路连接，光电隔离电路通过电信号与20PIN JTAG连接。
2.如权利要求1所述的应用于煤场控制设备的串行通信防护装置，其特征在于，所述第一防护电路包括阻抗匹配电路、TVS防护电路、自恢复保险丝和防雷放电管；
RS485信号的A\B端与防雷放电管并联，防雷放电管与自恢复保险丝串联，防雷放电管与TVS防护电路并联，TVS防护电路与阻抗匹配电路连接，阻抗匹配电路与隔离收发器连接，隔离收发器与微控制器连接。
3.如权利要求1所述的应用于煤场控制设备的串行通信防护装置，其特征在于，所述第二防护电路包括TVS防护电路、自恢复保险丝、防雷放电管和电平转换电路；
RS232信号的TX1\RX1端与防雷放电管并联，防雷放电管与自恢复保险丝串联，防雷放电管与TVS防护电路并联，TVS防护电路与隔离收发器连接，隔离收发器与电平转换电路连接，电平转换电路与微控制器连接。
4.一种安装有如权利要求1所述的应用于煤场控制设备的串行通信防护装置的PCB板，其特征在于，所述PCB板设置3块，数字地主要包括数字电源、微控制器及隔离收发器的数字端，隔离地主要包括隔离收发器的隔离信号端及防护电路端，机壳地单点与设备机壳连接，隔离地与设备机壳地通过120K电阻及1uF电容连接共地。
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| CN201920938512.0U CN209929971U (zh) | 2019-06-21 | 2019-06-21 | 一种应用于煤场控制设备的串行通信防护装置、pcb板 |
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|---|---|---|---|---|
| CN113037592A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-25 | 深圳国人无线通信有限公司 | 环境检测设备、动环监控系统及自动检测动环监控设备的通信波特率的方法 |
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