CN212935916U - 一种rs485总线智能冗余器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种RS485总线智能冗余器，包括总线冗余电路、总线诊断电路、控制通信电路、上位机和主控芯片。本申请利用利用RS485总线间隙性回环自检方法判断线路中是否存在断线，充分利用总线通信特性，在线路断链的情况下尽可能的保障通信，同时保留人工远程干预的方式，无需现场寻线而快速定位断链点，从而节省大量的排障时间，保障断链后从机设备与主机正常通信。

Description

一种RS485总线智能冗余器

技术领域

本实用新型涉及通信链路冗余保护领域，具体涉及一种RS485总线智能冗余器。

背景技术

一般RS485通信使用两线总线的方式通信，断链后部分设备因无法通信造成停机，使用频率低的场合发现晚，多机通信故障诊断复杂。

RS485总线是一种常规的通信总线，它不能够做总线的自动仲裁，也就是不能够同时发送数据以避免总线竞争，所以整个系统的通信效率必然较低，数据冗余量较大，对于速度要求高的应用场所不适应用RS485总线。同时由于RS485总线上通常只有一台主机，所以这种总线方式是典型的集中—分散型控制系统。一旦线路出现故障，会使整个系统的通信限于瘫痪状态，因此做好备用线路是一个重要措施。

实用新型内容

本实用新型的目的提供一种RS485总线智能冗余器，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。

根据本实用新型的一种RS485总线智能冗余器，包括总线冗余电路、总线诊断电路、控制通信电路、上位机和主控芯片，所述总线冗余电路的 CONC_A_EN与CONC_B_EN端口与所述主控芯片的PC0-PC3端口连接，所述总线诊断电路的RX4、TX4、RX5和TX5接口与所述主控芯片的UART4与UART5 串口通信接口连接，所述总线诊断电路的RS485_A5,RS485_B与RS485_A4,RS485_B4接口分别并接到所述总线冗余电路的B端与C端，所述主控芯片的PA4-PA7引脚连接所述控制通信电路的W5500_CS、SPI1_SCK、 SPI1_MISO和SPI1_MOSI接口，所述控制通信电路与所述上位机通过网络通讯连接。

在一些实施方式中，所述总线冗余电路设有A\B\C三个独立端口，所述总线冗余电路总端口上部两根信号线端为A端口，所述总线冗余电路总端口中部两根信号线端为B端口，所述总线冗余电路总端口下部两根信号线端为 C端口，所述总线冗余电路可将外部主机信号从所述A端口通过电子开关自由切换到所述B端口与所述C端口。

在一些实施方式中，所述A端口连接外部RS485主机，所述A端口的信号线RS485_A_A和RS485_A_B分别连接电子开关U11和电子开关U12的COM1 与COM2公共端，所述B端口的总线连接到所述电子开关U11的常闭端口NC1 和NC2，所述C端口的总线连接到所述电子开关U12的常闭端口NO1和NO2。

在一些实施方式中，所述主控芯片用于控制所述电子开关U11与所述电子开关U12的切换，所述主控芯片可向所述总线诊断电路发送检测数据同时接收所述总线诊断电路的所述检测数据。

在一些实施方式中，所述总线诊断电路包括电平转换芯片U9与U10，所述电平转换芯片U9和U10的BA引脚经过滤波器T1和T2分别连接所述B端口和所述C端口，所述电平转换芯片U9和U10的RE和DE引脚分别连接三极管Q3与Q6的3脚，所述电平转换芯片U9和U10的DI引脚连接三极管Q3 与Q6的1脚。

在一些实施方式中，当所述总线诊断电路未接收到所述检测数据时，三极管Q3与Q6连接到电平转换芯片U9与U10的2和3脚为高电平，电平转换芯片处于接收状态；当所述总线诊断电路接收到所述检测数据时，因 RS485_TX5或RS485_TX4有电平跳变，在高电平时电平转换芯片U9与U10的 2和3脚为低电平，电平转换芯片处于发送状态。

在一些实施方式中，所述控制通信电路包括以太网控制器U3和网络接口 U4，所述太网控制器U3的TXN、TCT、TXP、RXN、RXP和RCT接口与所述网络接口U4的TD-、TCT、TD+、RD-、RD+和RCT引脚连接，所述控制通信电路通过所述网络接口U4连接所述上位机。

在一些实施方式中，当所述主控芯片的PC2与PC3引脚为低电平时，所述电子开关U11为默认状态，公共端COM公共端与常闭端NC相连，所述总线冗余电路的所述A端口与所述B端口相通；当PC2与PC3引脚为高电平时，公共端COM公共端与常开端NO相连，所述A端口与所述B端口断开

在一些实施方式中，当所述主控芯片的PC0与PC1为低电平时，所述电子开关U12为默认状态，公共端COM公共端与常闭端NC相连，所述C端连接在所述电子开关U12的常开NO端，所述电子开关U12的所述A端与所述C 端断开；当所述主控芯片的PC0与PC1为高电平时，所述电子开关U12的公共端COM公共端与常开端NO相连，所述A端与所述C端连通。

本实用新型提供的一种RS485总线智能冗余器，其有益效果在于利用 RS485总线间隙性回环自检方法判断线路中是否存在断线，充分利用总线通信特性，在线路断链的情况下尽可能的保障通信，同时保留人工远程干预的方式，无需现场寻线而快速定位断链点，从而节省大量的排障时间，保障断链后从机设备与主机正常通信。

附图说明

图1为本实用新型的一种实施方式的一种RS485总线智能冗余器的结构框图；

图2为本实用新型的一种实施方式的一种RS485总线智能冗余器的总线冗余电路的电路图；

图3为本实用新型的一种实施方式的一种RS485总线智能冗余器的总线诊断电路的电路图；

图4为本实用新型的一种实施方式的一种RS485总线智能冗余器的主控芯片的电路图；

图5为本实用新型的一种实施方式的一种RS485总线智能冗余器的控制通信电路的电路图；

图6为本实用新型的一种实施方式的一种RS485总线智能冗余器的网络接口的电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本实用新型进行进一步详细的说明。

如图1所示，根据本实用新型的一种RS485总线智能冗余器，包括总线冗余电路1、总线诊断电路2、控制通信电路3、上位机4和主控芯片5，总线冗余电路1的CONC_A_EN与CONC_B_EN端口与主控芯片5的PC0-PC3端口连接，总线诊断电路2的RX4、TX4、RX5和TX5接口与主控芯片5的UART4 与UART5串口通信接口连接，总线诊断电路2的RS485_A5,RS485_B与RS485_A4,RS485_B4接口分别并接到总线冗余电路1的B端与C端，主控芯片5的PA4-PA7引脚连接控制通信电路3的W5500_CS、SPI1_SCK、SPI1_MISO 和SPI1_MOSI接口，控制通信电路3与上位机4通过网络通讯连接。

如图2所示，总线冗余电路1设有A\B\C三个独立端口，总线冗余电路 1总端口上部两根信号线端为A端口，总线冗余电路1总端口中部两根信号线端为B端口，总线冗余电路1总端口下部两根信号线端为C端口，总线冗余电路1可将外部主机信号从A端口通过电子开关自由切换到B端口与C端口。

总线冗余电路1，总线采用环形连接末端再接回到电路中，正常工作电子开关将A端口与B端口导通，与C端口断开，当发行总线断链时将电子开关同时切换到B与C端口。

总线冗余电路1拥有回环自检的能力来判断是否发生断线，具体步骤如下：RS485主机连接到总线冗余电路1的A端口，分别将信号A与B两线连接电子开关U11与U12的COM1与COM2公共端，B端总线连接到电子开关U11 的常闭端口NC，C端总线连接到U12的常开端口NO，在主控芯片5不干预的条件下，A端口与B端口相通，C端口与A端口断开，工程使用接线由B端口引出接若干RS485从机后接回到C端口；此时可看作是由A端通信主机与B 端接若干通信从机后单通信总线；当B端与C端通信总线之间发生断连时，由主控芯片5给电子开关U12的使能CONC_A_EN与CONC_B_EN施加高电平，将电子开关U12的COM1与COM2连接到NO1与NO2而形成连接，由原来的A->B 总线通信变换为A->B和A->C通信，从而保障通信总线的畅通。

如图3所示，总线诊断电路包括电平转换芯片U9与U10，电平转换芯片 U9和U10的BA引脚经过滤波器T1和T2分别连接B端口和C端口，电平转换芯片U9和U10的RE和DE引脚分别连接三极管Q3与Q6的3脚，电平转换芯片U9和U10的DI引脚连接三极管Q3与Q6的1脚；其中电平转换的型号为MAX485ESA。

总线诊断电路2，总线诊断电路2功能是检测通信总线断链检测， RS485_A5,RS485_B与RS485_A4,RS485_B4分别并接到冗余电路的B端与C端，起到通信总线诊断功能，其中U9和U10为RS485电平转换芯片，型号为 MAX485ESA。

当没有发送检测数据时三极管Q3与Q6连接到电平转换芯片U9与U10 的方向控制引脚(2，3脚)为高电平，驱动电平转换芯片工作在接收状态；当发送检测数据时，因RS485_TX5或RS485_TX4有电平跳变，在高电平时电平转换芯片U9与U10的主向控制引脚(2，3脚)为低电平，电平转换芯片工作在发送状态。

主控芯片5将总线冗余电路1的电子开关U11切换到NO,同时将总线冗余电路1的电子开关U12切换到NC，此时主通信A端口与B和C端口处于完全断开状态，此时由主控芯片5的诊断通信口发送检测数据，检测数据经电平转换芯片U9的4脚输入由7、8两脚产生相应总线信号由B端口输出，同时将C端口检测到的数据经电平转换芯片U10转换后由第一脚返回给主控芯片5诊断通信口。

如图4所示，主控芯片5的功能是控制总线冗余电路1的电了切换开关 U11和U12，从而达到由A端口自由切换到B与C端口或完全断开目地；主控芯片5发送检测数据给总线诊断电路2同时接收总线诊断电路2的数据。

主控芯片5的型号为stm32f103，主控芯片5的PC0-PC3的高低电平控制总线冗余电路1的电子切换开关公共端(A端口)切换到常闭与常开端口，当PC2与PC3为低电平时总线冗余电路1的电子切换开关U11为默认状态此时公共端与常闭端(NC)相连，此时总线冗余电路1的A端口与B端口相通，反之高电平时与常开端(NO)相连，A端口与B端口断开。

主控芯片5的PC0与PC1为低电平时总线冗余电路1的电子切换开关U12 为默认状态，公共端与常闭端(NC)相连，因为C端连接在电子切换开关U12 的常开(NO)端，此时总线冗余电路1的A端与C端断开，反之A端与C端连通，此设计确保不会因为智能冗余器自身故障而造成总线断链。

主控芯片5的UART4与UART5串口通信接口分别与总线诊断电路2的电平转换芯片U9的接收发送引脚和电平转换芯片U10的接收与发送引脚相连，工作时由UART4发送检测数据由总线诊断电路2的电平转换芯片U9转换后经过总线冗余电路1的B端口发送到从机通信总线，由从机通信总线返回到总线冗余电路1的C端接收经总线诊断电路2的电平转换芯片U10转换电平后返回到UART5。

如图5-图6所示，控制通信电路3包括以太网控制器U3和网络接口U4，太网控制器U3的TXN、TCT、TXP、RXN、RXP和RCT接口与网络接口U4的TD-、 TCT、TD+、RD-、RD+和RCT引脚连接，控制通信电路通过网络接口U4连接上位机4。

控制通信电路3通过SPI总线连接主控芯片5，太网控制器U3的型号为 W5500，太网控制器U3连接有型号为HR911105A的网络接口U4，为上位机4 提供以太网通信能力。

设备启动后分为两个线程工作，第一线程连接MQTT服务器并等待服务器控制信息。第二线程监控并检测BC端口的通信链路是否出现异常，如果出现通过MQTT向服务器发送告警信息，同时将B端与C端直接相连接，保障通信能力。第一线程在接收到MQTT信息时解析并控制A端与BC端断开，同时将 B端映射到以太网的201端口，C端映射到以太网的202端口，远程客户端可通过此机的固定IP+相应端口号直接发关数据诊断，从而达到远程检测断链点的目地。

以上所述仅是本实用新型的优选方式，应当指出，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干相似的变形和改进，这些也视为实用新型保护之内。

Claims (9)

1.一种RS485总线智能冗余器，其特征在于，包括：总线冗余电路(1)、总线诊断电路(2)、控制通信电路(3)、上位机(4)和主控芯片(5)，所述总线冗余电路(1)的CONC_A_EN与CONC_B_EN端口与所述主控芯片(5)的PC0-PC3端口连接，所述总线诊断电路(2)的RX4、TX4、RX5和TX5接口与所述主控芯片(5)的UART4与UART5串口通信接口连接，所述总线诊断电路(2)的RS485_A5,RS485_B与RS485_A4,RS485_B4接口分别并接到所述总线冗余电路(1)的B端与C端，所述主控芯片(5)的PA4-PA7引脚连接所述控制通信电路(3)的W5500_CS、SPI1_SCK、SPI1_MISO和SPI1_MOSI接口，所述控制通信电路(3)与所述上位机(4)通过网络通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种RS485总线智能冗余器，其特征在于，所述总线冗余电路(1)设有A\B\C三个独立端口，所述总线冗余电路(1)总端口上部两根信号线端为A端口，所述总线冗余电路(1)总端口中部两根信号线端为B端口，所述总线冗余电路(1)总端口下部两根信号线端为C端口，所述总线冗余电路(1)可将外部主机信号从所述A端口通过电子开关自由切换到所述B端口与所述C端口。

3.根据权利要求2所述的一种RS485总线智能冗余器，其特征在于，所述A端口连接外部RS485主机，所述A端口的信号线RS485_A_A和RS485_A_B分别连接电子开关U11和电子开关U12的COM1与COM2公共端，所述B端口的总线连接到所述电子开关U11的常闭端口NC1和NC2，所述C端口的总线连接到所述电子开关U12的常闭端口NO1和NO2。

4.根据权利要求3所述的一种RS485总线智能冗余器，其特征在于，所述主控芯片(5)用于控制所述电子开关U11与所述电子开关U12的切换，所述主控芯片(5)可向所述总线诊断电路(2)发送检测数据同时接收所述总线诊断电路(2)的所述检测数据。

5.根据权利要求4所述的一种RS485总线智能冗余器，其特征在于，所述总线诊断电路(2)包括电平转换芯片U9与U10，所述电平转换芯片U9和U10的BA引脚经过滤波器T1和T2分别连接所述B端口和所述C端口，所述电平转换芯片U9和U10的RE和DE引脚分别连接三极管Q3与Q6的3脚，所述电平转换芯片U9和U10的DI引脚连接三极管Q3与Q6的1脚。

6.根据权利要求5所述的一种RS485总线智能冗余器，其特征在于，当所述总线诊断电路(2)未接收到所述检测数据时，三极管Q3与Q6连接到电平转换芯片U9与U10的2和3脚为高电平，电平转换芯片处于接收状态；当所述总线诊断电路(2)接收到所述检测数据时，因RS485_TX5或RS485_TX4有电平跳变，在高电平时电平转换芯片U9与U10的2和3脚为低电平，电平转换芯片处于发送状态。

7.根据权利要求1所述的一种RS485总线智能冗余器，所述控制通信电路(3)包括以太网控制器U3和网络接口U4，所述太网控制器U3的TXN、TCT、TXP、RXN、RXP和RCT接口与所述网络接口U4的TD-、TCT、TD+、RD-、RD+和RCT引脚连接，所述控制通信电路(3)通过所述网络接口U4连接所述上位机(4)。

8.根据权利要求3所述的一种RS485总线智能冗余器，其特征在于，当所述主控芯片(5)的PC2与PC3引脚为低电平时，所述电子开关U11为默认状态，公共端COM公共端与常闭端NC相连，所述总线冗余电路(1)的所述A端口与所述B端口相通；当PC2与PC3引脚为高电平时，公共端COM公共端与常开端NO相连，所述A端口与所述B端口断开。

9.根据权利要求3所述的一种RS485总线智能冗余器，其特征在于，当所述主控芯片(5)的PC0与PC1为低电平时，所述电子开关U12为默认状态，公共端COM公共端与常闭端NC相连，所述C端连接在所述电子开关U12的常开NO端，所述电子开关U12的所述A端与所述C端断开；当所述主控芯片(5)的PC0与PC1为高电平时，所述电子开关U12的公共端COM公共端与常开端NO相连，所述A端与所述C端连通。

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