CN212381192U - 一种基于直流两线的供电兼具通信电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于直流两线的供电兼具通信电路，电路包括发送单元和接收单元，发送单元包括直流电源电路和信号调制电路，接收单元包括信号解调电路和电源还原电路；直流电源电路的正负输出端分别连接信号调制电路的两个输入端，信号调制电路的两个差分输出端分别经由第一电源线和第二电源线连接至信号解调电路的差分输入端以及连接电源还原电路的两个输入端；信号调制电路将数字通信信号调制到直流电源电路输出的直流电源上形成载波电源信号输出；信号解调电路接收载波电源信号，并解调得到数字通信信号；电源还原电路接收载波电源信号，并整流还原出直流电源，本实用新型在两个电源线的基础上既满足供电传送又满足信息传送。

Description

一种基于直流两线的供电兼具通信电路

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于直流两线的供电兼具通信电路。

背景技术

电子技术已大量用于各种行业，但是市面上几乎所有的产品都是有源的，由于电子产品功能的增加必然对控制电路提出了更高的要求。设备、产品各个模块之间的低压直流供电线路和通信线路需要独立连线，现有的各个功能模块之间的控制都采用多板结构，各个板之间的通信方式主要有红外、RF模块以及各种多总线的方式。但是这些通信方式线路比较复杂，制造成本高。而且由于电子产品或模块之间要传输的数据有限，采用这些通信线路是一种很大的浪费，不利于降低成本和节约资源。目前常用的产品主机与外设之间进行数据传输的主要以四线方式(一条电源线、两条数据线和一条地线)或三线方式(一条电源线、一条数据线和一条地线)进行通信，这种通信方成通信线路多，且布线困难，不仅会造成连线资源的浪费，还会增加系统的连线复杂度。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术使用专用的通信线缆或无线收发装置造成的资源的浪费、增加系统复杂度的缺陷，提供一种基于直流两线的供电兼具通信电路。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于直流两线的供电兼具通信电路，包括发送单元和接收单元，所述发送单元包括直流电源电路和信号调制电路，所述接收单元包括信号解调电路和电源还原电路；

所述直流电源电路的正负输出端分别连接所述信号调制电路的两个输入端，所述信号调制电路的两个差分输出端分别经由第一电源线和第二电源线连接至所述信号解调电路的差分输入端以及连接所述电源还原电路的两个输入端；

所述信号调制电路用于将数字通信信号调制到所述直流电源电路输出的直流电源上形成载波电源信号输出；所述信号解调电路用于接收所述载波电源信号，并解调得到所述数字通信信号；所述电源还原电路用于接收所述载波电源信号，并按照原来的电流方向整流还原出所述直流电源

优选地，所述信号调制电路包括调制控制器以及受控于所述调制控制器的两组开关，所述调制控制器用于根据所述数字通信信号控制所述两组开关的状态切换，任意时刻两组开关的状态相反且仅一组开关导通；

其中，一组开关包括连接于所述直流电源电路的正输出端和第一电源线之间的第一开关以及连接于所述直流电源电路的负输出端和第二电源线之间的第二开关；另一组开关包括连接于所述直流电源电路的正输出端和第二电源线之间的第三开关以及连接于所述直流电源电路的负输出端和第一电源线之间的第四开关。

优选地，所述第一开关和第三开关均为PMOS管，所述第二开关和第四开关均为NMOS管，所述第一开关和第三开关的源极共接并连接所述直流电源电路的正输出端，所述第二开关和第四开关的源极共接并连接所述直流电源电路的负输出端，所述第一开关和第四开关的漏极共接并经由一个电感连接第一电源线，所述第二开关和第三开关的漏极共接并经由另一个电感连接第二电源线，所述第一开关和第三开关均在各自的源极和栅极之间连接电阻，所述第一开关的栅极经由一个信号翻转电路与第二开关的栅极共接并连接所述调制控制器的第一个控制脚，所述第三开关的栅极经由另一个信号翻转电路与第四开关的栅极共接并连接所述调制控制器的第二个控制脚，信号翻转电路用于将输入信号翻转后输出，所述调制控制器的第一个控制脚和第二个控制脚用于输出互为翻转的方波信号。

优选地，所述信号翻转电路包括NPN三极管、滤波电容和滤波电阻，所述NPN三极管的基极接收输入的方波信号，所述NPN三极管的基极和发射极之间连接电阻，所述NPN三极管的发射极接地，所述NPN三极管的集电极连接所述滤波电容和滤波电阻的第一端，所述滤波电容和滤波电阻的第二端用于输出翻转后的方波信号。

优选地，所述发送单元还包括输出检测电路，所述输出检测电路包括运算放大器，运算放大器的同相输入端连接所述第二开关的源极，所述运算放大器的异相输入端经由电阻接地，所述运算放大器的异相输入端还与所述运算放大器的输出端之间连接电阻，所述运算放大器的输出端连接所述调制控制器的一个检测引脚。

优选地，所述信号解调电路包括具有电压检测引脚的解调控制器，所述解调控制器的两个电压检测引脚分别经由电阻分压或者光耦隔离后与所述第一电源线、第二电源线连接。

优选地，所述电源还原电路包括由第五开关、第六开关、第七开关、第八开关构成的桥堆，第七开关和第八开关的控制端均连接至第五开关和第六开关之间且与所述第一电源线连接，第五开关和第六开关的控制端均连接至第七开关和第八开关之间且与所述第二电源线连接，第五开关和第七开关之间作为还原出的所述直流电源的正输出端、第六开关和第八开关之间作为还原出的所述直流电源的负输出端。

优选地，所述第五开关和第七开关均为PMOS管，第六开关和第八开关均为NMOS管。

优选地，所述第五开关、第八开关均在各自的源极和漏极之间连接电阻。

本实用新型的基于直流两线的供电兼具通信电路，具有以下有益效果：当进行通信时，发送单元首先将数字信号调制到电源的直流电源中，生成载波电源信号后再发往接收单元，接收单元解调载波电源信号从而得到数字通信信号和直流电源，最终实现供电和通信，本实用新型可以在两个电源线的基础上，既满足供电传送，又满足信息传送，设备、产品、各个模块之间只通过该两个电源线进行通信，连线少，通信质量可靠，成本低，硬件开销少，便于扩展和维护，可广泛适用于物联网领域，特别适合小数量的信号传输，解决了目前使用专用通信线缆或无线收发装置造成的资源的浪费、增加系统复杂度的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：

图1是本实用新型基于直流两线的供电兼具通信电路的结构示意图；

图2是发送单元的电路图；

图3是接收单元的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的典型实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。应当理解本实用新型实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本实用新型实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。需要说明的是，本文所述“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。

本说明书中使用的“第一”、“第二”等包含序数的术语可用于说明各种构成要素，但是这些构成要素不受这些术语的限定。使用这些术语的目的仅在于将一个构成要素区别于其他构成要素。例如，在不脱离本实用新型的权利范围的前提下，第一构成要素可被命名为第二构成要素，类似地，第二构成要素也可以被命名为第一构成要素。

参考图1，本实用新型的基于直流两线的供电兼具通信电路，包括发送单元1和接收单元2，发送单元1和接收单元2之间仅通过第一电源线100和第二电源线200连接。发送单元1一般位于主控，接收单元2位于外设。

其中，所述发送单元1包括直流电源电路11和信号调制电路12，所述接收单元2包括信号解调电路22和电源还原电路21。所述直流电源电路11的正负输出端分别连接所述信号调制电路12的两个输入端，所述信号调制电路12的两个差分输出端分别经由第一电源线100和第二电源线200连接至所述信号解调电路22的差分输入端以及连接所述电源还原电路21的两个输入端。

所述信号调制电路12用于将数字通信信号(比如方波信号)调制到所述直流电源电路11输出的直流电源上形成载波电源信号输出；所述信号解调电路22用于接收所述载波电源信号，并解调得到所述数字通信信号；所述电源还原电路21用于接收所述载波电源信号，并按照原来的电流方向整流还原出所述直流电源，也就是说还原出的直流电源的电流方向是稳定的，也即还原出的直流电源的正极和负极是稳定的，如此不会因为载波原因，降低直流电源原来输出电气参数。

参考图2，所述信号调制电路12包括调制控制器U1(MCU，比如STC8G1K08-SOP8)以及受控于所述调制控制器U1的两组开关，所述调制控制器U1用于根据所述数字通信信号控制所述两组开关的状态切换，任意时刻两组开关的状态相反且仅一组开关导通。

其中，一组开关包括连接于所述直流电源电路11的正输出端和第一电源线100之间的第一开关U3A以及连接于所述直流电源电路11的负输出端和第二电源线200之间的第二开关U4B；另一组开关包括连接于所述直流电源电路11的正输出端和第二电源线200之间的第三开关U3B以及连接于所述直流电源电路11的负输出端和第一电源线100之间的第四开关U4A。

本实施例中，所述第一开关U3A和第三开关U3B均为PMOS管，所述第二开关U4B和第四开关U4A均为NMOS管，所述第一开关U3A和第三开关U3B的源极共接并连接所述直流电源电路11的正输出端，所述第二开关U4B和第四开关U4A的源极共接并经由并联的电阻R9、R10后连接所述直流电源电路11的负输出端，所述第一开关U3A和第四开关U4A的漏极共接并经由一个电感L1(主要是滤波，也可以省略掉此电感)连接第一电源线100，所述第二开关U4B和第三开关U3B的漏极共接并经由另一个电感L2(主要是滤波，也可以省略掉此电感)连接第二电源线200，所述第一开关U3A在源极和栅极之间连接电阻R2，所述第三开关U3B在源极和栅极之间连接电阻R3，所述第一开关U3A的栅极经由一个信号翻转电路与第二开关U4B的栅极共接并连接所述调制控制器U1的第一个控制脚即7脚，所述第三开关U3B的栅极经由另一个信号翻转电路与第四开关U4A的栅极共接并连接所述调制控制器U1的第二个控制脚即8脚。

信号翻转电路用于将输入信号翻转后输出，具体的，所述第一开关U3A的栅极所连接的信号翻转电路包括NPN三极管Q1、滤波电容C1和滤波电阻R1，所述NPN三极管Q1的基极经由电阻R5接收输入的方波信号PWM1(方波信号PWM1的波形与数字通信信号的波形一致)，所述NPN三极管Q1的基极和发射极之间连接电阻R6，所述NPN三极管Q1的发射极接地，所述NPN三极管Q1的集电极连接滤波电容C1和滤波电阻R1的第一端，滤波电容C1和滤波电阻R1的第二端用于输出翻转后的方波信号给到U3A。同理，第三开关U3B的栅极所连接的信号翻转电路包括NPN三极管Q2、滤波电容C2和滤波电阻R4，所述NPN三极管Q2的基极经由电阻R7接收输入的方波信号PWM2，所述NPN三极管Q2的基极和发射极之间连接电阻R8，所述NPN三极管Q2的发射极接地，所述NPN三极管Q2的集电极连接滤波电容C2和滤波电阻R4的第一端，滤波电容C2和滤波电阻R4的第二端用于输出翻转后的方波信号给到U3B。

所述调制控制器U1的第一个控制脚(7脚)和第二个控制脚(8脚)用于输出互为翻转的方波信号。如图中示意的，第一个控制脚(7脚)输出方波信号PWM1，第二个控制脚(8脚)输出方波信号PWM2，PWM1与PWM2是互为翻转的，最终得到的输出PWM3为载波电源信号。

优选地，发送单元1还包括输出检测电路13，输出检测电路13包括运算放大器U2A，运算放大器U2A的同相输入端连接所述第二开关U4B的源极，所述运算放大器U2A的异相输入端经由电阻R12接地，所述运算放大器U2A的异相输入端还与所述运算放大器U2A的输出端之间连接电阻R11，所述运算放大器U2A的输出端连接所述调制控制器U1的一个检测引脚即6脚。

参考图3，所述信号解调电路22包括具有电压检测引脚的解调控制器U2，所述解调控制器U2的两个电压检测引脚(7、8脚)分别经由电阻R4、R3与所述第一电源线100、第二电源线200连接，电阻R3、R4也可以由光耦替代。电阻R3、R4主要降低信号方波的幅值，因为现在的MCU都采用CMOS工艺，一般不超过5V，以免损坏检测引脚。

所述电源还原电路21包括由第五开关U1A、第六开关U2A、第七开关U1B、第八开关U2B构成的桥堆，第七开关U1B和第八开关U2B的控制端均连接至第五开关U1A和第六开关U2A之间且与所述第一电源线100连接，第五开关U1A和第六开关U2A的控制端均连接至第七开关U1B和第八开关U2B之间且与所述第二电源线200连接，第五开关U1A和第七开关U1B之间作为还原出的所述直流电源的正输出端、第六开关U2A和第八开关U2B之间作为还原出的所述直流电源的负输出端。优选地，在所述直流电源的正输出端和负输出端之间的滤波电容(图未示)，所述第五开关U1A、第八开关U2B均在各自的源极和漏极之间连接电阻R1、R2。

本实施例中，所述第五开关U1A和第七开关U1B均为PMOS管，第六开关U2A和第八开关U2B均为NMOS管。当然，在其他实施例中，MOS管也可以替换为三极管，这些都是本实施例的简单变形，都在本实用新型的保护范围之内。本实施例的电源还原电路21可以将载波电源信号自动转化为电流方向稳定的直流电源(即直流电源的正极和负极都稳定)，不管第一电源线100、第二电源线200中到底谁正谁负，最终电源还原电路21还原出来的直流电源的正极和负极始终是稳定的，而且该电路压降很小，对电源的电压降比一般的整流桥要更好。

本实用新型的工作原理是：

参考图2，当U1的8脚输出为高电平时，U3B、U4A都导通，构成一个完整的回路，直流电源是经U3B流出后经U4A流回。当U1的7脚输出为高电平时，U3A和U4B同时导通，直流电源是经U3A流出后经U4B流回，构成另外一个完整的回路。又因两组回路的电流方向完全相反，因此MCU的7、8脚只需输出一个互为翻转(也即互补)的PWM方波即可，最终输出的载波电源信号中即携带了方波信号。

参考图3，假设电源线100的信号为正、电源线200的信号为负，U2B的源极和漏极导通。同理，负电压与正电压共同作用刚好让U1A的源极和漏极导通，由于MOS管完全导通近似导线连接，故输出电压等于输入电压，内阻等于PMOS管和NMOS管的导通阻抗之和。当输入相反时，刚好由另外一组U2A、U1B完全导通构成另外一条回路。本实施例为了防止4个MOS管不能形成2个导通2个载止的稳定状态而消耗能量，所加入2个电阻R1、R23，阻值选择为300K,故意破坏平衡，让MOS管处于稳定的状态。因为MOS管的通通电阻远远小于硅二极管，所以基本上不会损失能量不会发热。

本实用新型不受制于布线或多线带来的困扰，能够在两根电源线上来回传输信号数据，不分极性。很好地解决了主控和外设之间布线带来的麻烦，特别适合SELV电压(SELV电压俗称安全特低电压，是指在最不利的情况下对人不会有危险的存在于两个可同时触及的可导电部分间的最高电压)供电设备和模块之间通信。极大地解决有线通信连接布线多的问题，又避免采用无线通信的成本高，电磁干扰多，硬件复杂等一系列问题。同时采用类差分进行信号传递，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相同，相位相反。此外，差分信号与传统的一根信号线一根地线(即单端信号)走线的做法相比，还解决了一根信号线或一根电源线跟一根地线走线不具备以下特点：1)抗干扰能力强：干扰噪声一般会等值、同时的被加载到两根线上，而其差值为0，即，噪声对信号的逻辑意义不产生影响；2)能有效抑制电磁干扰(EMI)：由于两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小；3)时序定位准确：差分信号的接受端是两根线上的信号幅值之差发生正负跳变的点，作为判断逻辑0/1的跳变点。而普通单端信号以阈值电压作为信号逻辑0/1的跳变点，受阈值电压与信号幅值电压之比的影响较大，不适合低幅度的信号。

另外，当主控和从属设备都同时具有发送单元和接收单元时，两个设备之间可以轻松实现半双工双向通信。通信协议可以自定义，如采用主从协议只有一个主控做主，其余都是从，所有通信都由主控发起，其余只能被动应答。

本实用新型以MCU、MOSEFT为核心器件，无需专用电力载波芯片完成电源两线通信。该电路结构简单，实用性强。成本低，信号传输距离远，电源供电效率高。该技术在不需要重新布线的基础上，在现有电线上实现数据、语音和视频等多业务的承载。在智能家居，物联网以工业控制类都可以很好的应用。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (10)

1.一种基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，包括发送单元和接收单元，所述发送单元包括直流电源电路和信号调制电路，所述接收单元包括信号解调电路和电源还原电路；

所述直流电源电路的正负输出端分别连接所述信号调制电路的两个输入端，所述信号调制电路的两个差分输出端分别经由第一电源线和第二电源线连接至所述信号解调电路的差分输入端以及连接所述电源还原电路的两个输入端；

所述信号调制电路用于将数字通信信号调制到所述直流电源电路输出的直流电源上形成载波电源信号输出；所述信号解调电路用于接收所述载波电源信号，并解调得到所述数字通信信号；所述电源还原电路用于接收所述载波电源信号，并按照原来的电流方向整流还原出所述直流电源。

2.根据权利要求1所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述信号调制电路包括调制控制器以及受控于所述调制控制器的两组开关，所述调制控制器用于根据所述数字通信信号控制所述两组开关的状态切换，任意时刻两组开关的状态相反且仅一组开关导通；

其中，一组开关包括连接于所述直流电源电路的正输出端和第一电源线之间的第一开关以及连接于所述直流电源电路的负输出端和第二电源线之间的第二开关；另一组开关包括连接于所述直流电源电路的正输出端和第二电源线之间的第三开关以及连接于所述直流电源电路的负输出端和第一电源线之间的第四开关。

3.根据权利要求2所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述第一开关和第三开关均为PMOS管，所述第二开关和第四开关均为NMOS管，所述第一开关和第三开关的源极共接并连接所述直流电源电路的正输出端，所述第二开关和第四开关的源极共接并连接所述直流电源电路的负输出端，所述第一开关和第四开关的漏极共接并连接第一电源线，所述第二开关和第三开关的漏极共接并经由另一个电感连接第二电源线，所述第一开关和第三开关均在各自的源极和栅极之间连接电阻，所述第一开关的栅极经由一个信号翻转电路与第二开关的栅极共接并连接所述调制控制器的第一个控制脚，所述第三开关的栅极经由另一个信号翻转电路与第四开关的栅极共接并连接所述调制控制器的第二个控制脚，信号翻转电路用于将输入信号翻转后输出，所述调制控制器的第一个控制脚和第二个控制脚用于输出互为翻转的方波信号。

4.根据权利要求3所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述信号翻转电路包括NPN三极管、滤波电容和滤波电阻，所述NPN三极管的基极接收输入的方波信号，所述NPN三极管的基极和发射极之间连接电阻，所述NPN三极管的发射极接地，所述NPN三极管的集电极连接所述滤波电容和滤波电阻的第一端，所述滤波电容和滤波电阻的第二端用于输出翻转后的方波信号。

5.根据权利要求3所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述发送单元还包括输出检测电路，所述输出检测电路包括运算放大器，运算放大器的同相输入端连接所述第二开关的源极，所述运算放大器的异相输入端经由电阻接地，所述运算放大器的异相输入端还与所述运算放大器的输出端之间连接电阻，所述运算放大器的输出端连接所述调制控制器的一个检测引脚。

6.根据权利要求1所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述信号解调电路包括具有电压检测引脚的解调控制器，所述解调控制器的两个电压检测引脚分别经由电阻分压或者光耦隔离后与所述第一电源线、第二电源线连接。

7.根据权利要求1所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述电源还原电路包括由第五开关、第六开关、第七开关、第八开关构成的桥堆，第七开关和第八开关的控制端均连接至第五开关和第六开关之间且与所述第一电源线连接，第五开关和第六开关的控制端均连接至第七开关和第八开关之间且与所述第二电源线连接，第五开关和第七开关之间作为还原出的所述直流电源的正输出端、第六开关和第八开关之间作为还原出的所述直流电源的负输出端。

8.根据权利要求7所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述电源还原电路还包括连接在所述直流电源的正输出端和负输出端之间的滤波电容。

9.根据权利要求7所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述第五开关和第七开关均为PMOS管，第六开关和第八开关均为NMOS管。

10.根据权利要求9所述的基于直流两线的供电兼具通信电路，其特征在于，所述第五开关、第八开关均在各自的源极和漏极之间连接电阻。

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