CN212163392U - 一种基于地温监测的双向通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于地温监测的双向通信系统，包括总线主站和至少一个节点终端设备，所述总线主站通过平行线分别与节点终端设备以及终端设备所在位置的地温测量模块连接；本实用新型采用独特设计的功率驱动电路，通过设定高供电电压，极大的提高了其通信距离；在布设线路时可以采用平行线，不需使用双绞线，大大降低了线路布设的难度与成本。

Description

一种基于地温监测的双向通信系统

技术领域

本实用新型涉及地温监测技术领域，特别涉及一种基于地温监测的双向通信系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

M-BUS是一种低成本的一点对多点的总线通讯系统，具有通讯设备容量大(500点)，通讯速率高(9600bps)，成本低，设计简单，布线简便(无极性可任意分支，普通双绞线)，抗干扰能力强，并且总线可提供高达500mA电源的特点。在欧洲，户用仪表的通讯方式以M-BUS为主，它可以解决多节点、长距离的通讯问题。目前国内国际水、电、气、热表企业已采用或拟采用M-BUS总线通讯技术。

但是，本实用新型发明人发现，现有的M-BUS通信方式的通信频率较低，通信距离较短，抗干扰能力较差，采用双绞线，线路布设的难度与成本较高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于地温监测的双向通信系统，通过设定功率驱动电路的高供电电压，极大的提高了其通信距离；在布设线路时可以采用平行线，不需使用双绞线，极大的降低了线路布设的难度与成本。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于地温监测的双向通信系统，包括总线主站以及设置在节点终端设备所在位置的至少一个地温测量模块，所述总线主站通过平行线与地温测量模块连接。

作为可能的一些实现方式，所述通信系统包括至少一个隔离中继器，所述总线主站通过隔离中继器与地温测量模块连接。

作为可能的一些实现方式，所述通信系统还包括至少一个集中器，所述总线主站通过集中器与外置设备通信连接。

作为可能的一些实现方式，所述总线主站至少包括功率驱动电路模块，所述功率驱动电路模块包括两个信号调制输入端、两个用于驱动总线的功率信号输出端和供电电压端，信号调制输入端、功率信号输出端和供电电压端均与H桥MOSFET功率管连接。

作为进一步的限定，所述总线主站至少包括总线过载检测电路，总线过载检测电路包括运放及附属电路，功率驱动电路模块的SENSE端对地串接电阻，SENSE端与电阻之间的连线接入运放的反向输入端。

作为可能的一些实现方式，所述总线主站至少包括接收端小信号接收采样电路，所述采样电路为差分输入电路，取样信号从两个差分端输入。

作为可能的一些实现方式，所述地温测量模块为PT1000传感器及附属电路。

作为可能的一些实现方式，由于测温盲管一般为200米深度，内部直径只有3厘米，所以测温节点采用狭长型设计，测温线安装后电源电路与PT1000传感器之间保持预设距离。

作为可能的一些实现方式，所述总线主站与节点终端设备以及终端设备所在位置的地温测量模块的连线上均串接有预设阻值的电阻。

作为可能的一些实现方式，所述地温测量模块通过电流调制电路与总线主站连接，所述电流调制模块包括三极管及附属电路。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所述的系统，整体性能参数较一般的M-BUS有了较大的提高，在布设线路时可以采用平行线，不需使用双绞线，大大降低了线路布设的难度与成本。

2、本实用新型所述的系统，采用独特设计的功率驱动电路，采用12V到60V的交流电压，高供电电压决定了其有远超M-BUS的通讯距离，2.4Kbps下最远可以达到4000米。

3、本实用新型所述的系统，采用了交流信号的方式，减少了直流信号的损耗，相应降低了负载的功率，提升了整机的性能；采用110KHz的高通讯频率，频谱利用率高，通讯能力更强，实现了高速通信，同时抗干扰能力也更强。

4、本实用新型所述的系统，功率驱动电路的SENSE端对地串接电阻，通过SENSE节点的电压可以准确的检测到过载信号。

5、本实用新型所述的系统，使用差分输入电路结构形式进行接收端的小信号采样，减小了失真，提高了抗干扰能力，提高了信号响应速度，具有高抗共模电压的能力。

6、本实用新型所述的系统，测温节点采用狭长型设计，使测温线安装后电源电路在PT1000传感器的上侧，PT1000传感器焊接时远离了线路板，避免了通过线路板进行的热传递导致的测量温度偏高，减小了电源电路对PT1000测温精度的影响。

7、本实用新型所述的系统，总线主站与节点终端设备以及终端设备所在位置的地温测量模块的连线上均串接有预设阻值的电阻，使测温节点短路时S-BUS总线不会受到影响。

8、本实用新型所述的系统，测温节点的信号发送采用了电流调制方式实现，在三级管的基极馈入调制后的数字信号，则在总线上就会有经过编码的电流出现，实现了数字调制及耦合，主机接收端会拾取这个电流信号并进行解调，极大的提高了信号传输的准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的S-BUS总线结构的示意图。

图2为本实用新型实施例1提供的S-BUS总线主机构成及原理图。

图3为本实用新型实施例1提供的S-BUS总线功率驱动端电路原理图。

图4为本实用新型实施例1提供的变频调制信号波形图。

图5为本实用新型实施例1提供的总线过载检测电路原理图。

图6为本实用新型实施例1提供的接收端小信号接收采样电路原理图。

图7为本实用新型实施例1提供的节点退出电路的原理图。

图8为本实用新型实施例1提供的电流调制电路的原理图。

图9为本实用新型实施例1提供的电流调制信号波形图。

图10为本实用新型实施例1提供的隔离中继器连接示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1-2所示，本实用新型实施例1提供了一种基于地温监测的双向通信系统，包括S-BUS总线主站和至少一个节点终端设备，所述总线主站通过平行线分别与节点终端设备所在位置的地温测量模块连接。

具体包括：

(1)节点通讯设备：既需要供电又需要通信的终端，如智能电表、水表、煤气表、热量表、家庭自动化设备终端、火灾报警、联动设备、手动报警按钮、网络显示器、网络仪表设备、控制设备、数据采集传感器、电动执行机构、阀门控制、温度探测器、温度控制器等。

(2)总线隔离(保护)器：当其所在分支发生短路时，自动断开其分支，使其他设备正常通讯。

(3)隔离中继器：当通讯距离超过4km时，可使用该设备再延长4km，本设备需要现场供电，工作电流和负载大小有关。

(4)集中器：向上连接计算机(或手持式抄表设备)，向下连接S-BUS总线的控制设备，内部有电源控制器、232/485总线与S-BUS之间的通讯转换器等电路。

(5)下行数据调制电路，主机发送的数据需要经过调制电路后送给接收端，调制过程由硬件电路自动实现。

(6)上行数据解调电路，从机(温度传感器)发送的数据需要主机解调后才能使用，解调过程由硬件电路自动完成。

本实施例所述的通信系统具有如下特点：高速稳定的通讯速率，在20kb/s的通讯速率时可达到4Km的可靠通讯距离；在20kb/s、4Km的可靠通讯距离时，可以满负载工作；通过S-BUS总线可向末端设备提供数安培级别电流；允许串型、星型、交叉等任意接线分支的布线方式；极低的静态功耗，低于1mA；使用普通平行线，无极性二线制安装接线；通过隔离设备可保证在遭雷击时可靠工作，恒流的电流环通讯方式，抗干扰性强；具有设备自动登录等功能，可容纳多种设备，预留多种通讯协议，扩展方便；可与计算机232、485等接口连接，系统兼容性及扩展性好。

S-BUS总线主机由信号调制电路、信号驱动电路、功率驱动电路、过载检测电路、小信号接收采样电路、小信号接收放大电路、接收调理电路和接收解调构成。

信号调制电路采用CPLD专用芯片实现，编码效率高，可以无延时的实现编码调制，可靠性高。

信号驱动电路主要是实现模拟和数字信号的衔接及多种电压等级下的信号电平匹配，这个电路根据电路及元器件的具体形式和选型的不同而不同。

S-BUS总线功率驱动端电路原理如图3所示，主机采用直流电方式供电，交流输出则采用变频调制方式实现，通信时总线上的信号电压为高压交流，工作时是直流变交流的一个过程，调制信号波形如图4所示。

OUT1和OUT2为S-BUS总线的输出端，信号调制由IN1和IN2输入，IN1和IN2输入指定的编码信号，则在OUT1和OUT2输出能够驱动总线的功率信号。

可以理解的，在其他一些实施方式中，将如上图的H桥MOSFET功率管更换成大电流元器件，则会增加总线的驱动能力，使带负载能力更强；通过提高VS端的供电电压，则会提高总线的供电电压，可以使总线具有长距离通信的能力。

总线过载检测电路如图5所示，当总线并入负载过多或总线短路导致的总线过载时，总线需要有过载检测能力，SENSE端对地串接电阻，通过SENSE节点的电压可以准确的检测到过载信号，将过载信号送入运放的反向输入端，通过匹配合适的电阻值，可使运放的输出端输出过载控制信号，将这个低电平输出的过载控制信号反馈到ENABLE端就可以实现闭环的总线短路保护功能，当短路的总线恢复正常时，控制信号也会自动控制启动总线，进入收发调制的正常工作模式。

根据S-BUS工作原理，主机的接收端为叠加在直流信号上的一个交流弱信号，直流信号的电平代表负载大小，通过检测这个电平可以知道负载的大小。

交流弱信号可以使用RC电路进行取样，也可用使用差分输入电路进行取样。为了减小失真，提高抗干扰能力，提高信号响应速度，本实施例使用了差分输入电路结构形式，如图6所示，具有高抗共模电压的能力。

取样信号从差分端Vi1、Vi2输入，从这里抑制掉共模信号，取出需要的调制信号，送到后级进行放大，为了提高信号响应速度及不失真的还原信号，后级放大器需要高的压摆率及增益带宽积。

接收调理电路，接收调理电路主要衔接前级提取的调制信号，并转换为后级需要的数字脉冲信号，根据器件选型及电路的结构形式的不同这里有所不同。

接收解调电路，将前级送出的数字脉冲信号转换为需要的目标数字信号，这里采用专用CPLD芯片实现，动态响应速度快，可靠性好，硬件定制好实现，集成度高。

测温节点内部采用PT1000专用电路实现，信号调理，非线性校正，温度采样，数字信号变换，通信电路，节点退出电路，供电电路均集成到测温节点线路板内部，由于PT1000测温传感器极其灵敏，为了减小电源电路对PT1000测温精度的影响，测温节点采用狭长型设计，使测温线安装后电源电路在PT1000传感器的上侧，PT1000传感器焊接时远离了线路板，避免了通过线路板进行的热传递导致的测量温度偏高。

PT1000信号采样采用类似主机的差分电路形式，具有高阻抗，高抗共模特性，对被测传感器影响小，响应迅速灵敏的特性。

数字信号变换采用24bit高精度AD芯片，电压参考源采用专用参考源芯片，使温度综合精度达到20ppm。

当某一测温节点异常短路或者异常导致负载过大，不能正常工作时，应该有某种机制将这个节点退出总线，否则这个损坏的节点会使整条测温线短路而不能正常使用，实现这个功能的电路为节点退出电路。

节点退出电路如图7所示，当测温节点短路时，R21和R22上的电流比正常情况下的电流要大，适当设定R21和R22电阻的大小，使测温节点短路时S-BUS总线不会受到影响。

具体的，对于一台确定的主机，总线的供电能力是固定的，因此需要限定每一个节点的耗电量，通过电阻可以控制最坏情况下的节点耗电量，避免一个节点的损坏导致整条总线的故障。

测温节点的信号接收采用射频通信中串码流匹配方式实现字节同步，大大提高了抗干扰能力，提高了信号接收的可靠性。

测温节点的信号发送采用了电流调制方式实现，如图8所示，即总线有电流代表1，无电流代表0。

在三级管的基极馈入调制后的数字信号，则在总线上就会有经过编码的电流出现，实现了数字调制及耦合，主机接收端会拾取这个电流信号并进行解调，调制波形图如图9所示。

如图10所示，在进行长线传输时，如果负载较大或较多，可以使用隔离中继器，中继器是具有双路接口的主机，可以扩展S-BUS总线距离或大负载应用。

所述通信系统还包括至少一个集中器，所述总线主站通过集中器与外置设备通信连接。

与M-BUS相比，本实施例所述的S-BUS的下行调制技术不同，其通信更高速，实现了双向通信，具备短路跳闸防护功能，其交流通信无直流损耗，频谱利用率高，电源利用率高；没有M-BUS的低电平信号传输，所以通信距离更远，抗干扰能力更强，可以不使用双绞线，直接用平行线，减少线路成本等特点，是一种性能更优更实用的通信总线。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，包括总线主站以及设置在节点终端设备所在位置的至少一个地温测量模块，所述总线主站通过平行线与地温测量模块连接。

2.如权利要求1所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，所述通信系统包括至少一个隔离中继器，所述总线主站通过隔离中继器与地温测量模块连接。

3.如权利要求1所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，所述通信系统还包括至少一个集中器，所述总线主站通过集中器与外置设备通信连接。

4.如权利要求1所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，所述总线主站至少包括功率驱动电路模块，所述功率驱动电路模块包括两个信号调制输入端、两个用于驱动总线的功率信号输出端和供电电压端，信号调制输入端、功率信号输出端和供电电压端均与H桥MOSFET功率管连接。

5.如权利要求4所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，所述总线主站至少包括总线过载检测电路，总线过载检测电路包括运放及附属电路，功率驱动电路模块的SENSE端对地串接电阻，SENSE端与电阻之间的连线接入运放的反向输入端。

6.如权利要求1所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，所述总线主站至少包括接收端小信号接收采样电路，采样电路为差分输入电路，取样信号从两个差分端输入。

7.如权利要求1所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，所述地温测量模块为PT100传感器及附属电路。

8.如权利要求1所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，测温节点采用狭长型设计，测温线安装后电源电路与PT1000传感器之间保持预设距离。

9.如权利要求1所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，所述总线主站与节点终端设备以及终端设备所在位置的地温测量模块的连线上均串接有预设阻值的电阻。

10.如权利要求1所述的基于地温监测的双向通信系统，其特征在于，所述地温测量模块通过电流调制电路与总线主站连接，所述电流调制模块包括三极管及附属电路。

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