CN214281371U - 一种主从总线式双极波形电力载波通信 - Google Patents

Abstract

一种主从总线式双极波形电力载波通信，包括主端收发器和n个通过二线制总线与主端收发器并联连接的从端收发器，所述主端收发器包括主端通信控制端口、主端发送模块和主端接收模块，主端发送模块和主端接收模块受主端通信控制端口控制，其输出端分别连接总线的主线线芯；从端收发器包括从端通信控制端口、从端发送模块、从端接收模块和电源模块，电源模块的输入端与总线并联获取电能为从端收发器供电，从端接收模块的输入端与总线并联接收来自主端收发器的信号。该通信方案可靠性高，传输距离远，灵活性和扩展性好，连续发送能力和抗干扰能力强，特别适用于电子雷管类消耗性应用场景，或大数量微型传感器布设、低压可控LED照明网络布设应用。

Description

一种主从总线式双极波形电力载波通信

技术领域

本实用新型涉及一种通信系统，尤其涉及一种基于低压直流输入的主从总线式双极波形电力载波通信。

背景技术

现有技术主要存在以下不足：

1．常见的电力载波通信技术设计一般都基于市电220V交流环境和线路，优点是通信速率高、距离远，但实现成本也高，所需元件数量多体积大，且高压存在安全问题。

2． 一些特殊行业使用的低压直流电力载波通信方案，通过叠加脉冲或拉低电压方式来实现供电和通信，可以实现较小的体积，但通信抗干扰一般较差，有效通信距离较短。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种基于低压直流输入的主从总线式双极波形电力载波通信，以克服已有技术所存在的上述不足。

本实用新型的技术方案是：一种主从总线式双极波形电力载波通信，包括主端收发器、n个从端收发器，所述n个从端收发器通过二线制总线与主端收发器并联连接；

所述主端收发器包括主端通信控制端口、主端发送模块和主端接收模块，主端发送模块一输出端与主端接收模块输入端连接，另一输出端连接总线的主线线芯X1，主端接收模块的输出端连接总线的主线线芯X2，主端通信控制端口分别连接主端发送模块和主端接收模块的控制端；

所述n个从端收发器结构相同，包括从端通信控制端口、从端发送模块、从端接收模块和电源模块，所述电源模块的输入端与主线线芯X1和主线线芯X2并联获取电能，电源模块的输出端分别与从端通信控制端口、从端发送模块和从端接收模块连接为其提供工作电源；所述从端接收模块的输入端与主线线芯X1和主线线芯X2并联接收来自主端收发器的信号，所述从端通信控制端口分别连接从端发送模块和从端接收模块的控制端；上述n的取值为1～300之间的任意整数。

其进一步的技术方案是：所述主端发送模块为一电子开关电路，包括四个MOS管组合成“H电桥”式电路，通过主端通信控制端口控制4个MOS管组合导通或截止，实现双刀双掷开关功能从而使总线产生双极波形，其连接关系如下：

左上的P沟道MOS管V4漏极与左下的N沟道MOS管V6漏极相接后作为一输出端与主线线芯X1连接，其栅极分别与主端通信控制端口的两个控制端连接，右上的P沟道MOS管V5漏极与右下N沟道MOS管V7漏极相接后作为另一输出端与主线线芯X2连接，其栅极分别与主端通信控制端口的另外两个控制端连接，MOS管V4和MOS管V5的的源极连接后接电源正极，MOS管V5和MOS管V7的源极连接后接地；

当“主线线芯X1电压”高于“主线线芯X2电压”时，总线与所产生双极波形对应的原码为“1”；当“主线线芯X1电压”低于“主线线芯X2电压”时，与所产生双极波形对应的原码为“0”；

所述主端接收模块包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C5、电容C6、双向电流检测芯片N2、双向电流检测芯片N3、二极管VD5、二极管VD6、运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D；

串接在总线上的电阻R8为电流采样电阻，双向电流检测芯片N2和双向电流检测芯片N3用于模拟输出，可以对电流采样电阻两端的微小压降进行精确放大，二极管VD5、二极管VD6和电阻R9用于将双向电流检测芯片N2和双向电流检测芯片N3输出信号处理为比例电压的绝对值；运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D工作于单电源状态，运算放大器N4A为正向跟随器接法，用于隔离输入信号避免后级处理对其产生影响；电容C5、电容C6、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14与运算放大器“N4B”组成一个带通滤波器，用于滤除输入信号中的直流成分和高频干扰，电流脉冲信号经带通滤波后得到一个缓降的脉冲响应波形，之后送入比较器接法的运算放大器N4C，与门限参考值进行比较后输出给主端通信控制端口的处理器进行捕捉识别；

电阻R15和电阻R16的作用是分压得到一个电压，经过正向跟随器接法的运算放大器N4D后，接入运算放大器N4C作为比较器的门限参考电压，用于去除脉冲信号中幅值较小的干扰和毛刺；最后输出的波形送主端通信控制端口I/O管脚直接用于脉冲捕捉，也可送至触发器类电路做进一步整形，成为标准数字信号波形供控制器模块接收。

进一步：所述从端电源模块包括由整流二极管VD1、整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3和整流二极管VD4构成的整流桥电路，其输入端与总线12V电压连接，整流桥输出经三端口稳压器N1变为+5V电源为从端收发器供电，电容C1为电源输入滤波电容，电容C2为电源输出滤波电容；

所述整流桥电路和2个MOS管电路构成从端接收模块，2个MOS管电路包括MOS管V1和MOS管V2，其栅极分别通过电阻R3和电阻R4与总线连接，整流桥电路的一个输出端分别与MOS管V1和MOS管V2的源极连接并接地，另一输出端分别通过电阻R1和电阻R5与MOS管V1和MOS管V2的漏极连接， MOS管V1和MOS管V2的漏极分别接从端通信控制端口的端子 “Rec1”和端子“Rec2”，从而MOS管V1和MOS管V2的漏极和源极构成两组输出端输出一对差分波形信号；

所述整流桥电路和1个MOS管电路构成从端发送模块，包括MOS管V3，整流桥电路的一个输出端与MOS管V3的源极连接并接地，另一输出端通过电阻R7与MOS管V3的漏极连接，MOS管V3的栅极和源极构成输出端输出电流脉冲。

又进一步：所述双向电流检测芯片N2、双向电流检测芯片N3 型号为INA199A2；所述运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D为轨到轨运算放大器。

由于采取上述技术方案，与现有技术相比，本实用新型之一种主从总线式双极波形电力载波通信具有以下有益效果：

（1）本通信方案为基于低压直流输入的主从总线式双极波形电力载波通信，为某些特殊应用场景、如电子雷管组网、微型传感器组网提供了一种较好的通信方案，本通信方案的一个主端收发器可以通过总线同时连接多个从端收发器进行双向通信并为其供电，且从端收发器具有体积小、结构简单、易集成、成本低的“瘦”特性，特别适用于电子雷管这样的消耗性应用场景，或大数量微型传感器布设、低压可控LED照明网络布设应用；

（2）本通信方案其主端收发器向从端收发器发送信息可实现差分信号发送，抗干扰能力强，可靠性高，传输距离远，从端收发器向主端收发器回传信号使用的电流脉冲数量少、发热低，有较好的连续发送能力；

（3）本通信方案不使用大体积难以芯片集成的电感电容等滤波分频元件，结构简单体积小，易实现芯片集成化，从端硬件电路结构简单、成本低廉；

（4）本通信方案的灵活性和扩展性好，可通过软件或硬件方式在原基础上叠加其他编码方式或使用数字调频，进一步提高通信可靠性。

下面结合附图和实施例对本实用新型之一种主从总线式双极波形电力载波通信的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1～图2为本实用新型之一种主从总线式双极波形电力载波通信结构示意图；

图1总体连接图，图2为结构框图；

图3从端收发器电路图；

图4主端收发器电路图；

图5～图6为主端发送模块（电子开关电路）电路图：

图5为状态之一，图6为状态之二；

图7为总线产生双极波形与原码对照示意图；

图8为从端接收模块电路图；

图9为从端供电电路图；

图10为从端发送模块电路图；

图11为从端发送模块输出电流脉冲示意图；

图中：

1—主端收发器，2—从端收发器，11—主端通信控制端口，12—主端发送模块，13—主端接收模块，21—从端通信控制端口，22—从端发送模块，23—从端接收模块，24—电源模块。

具体实施方式

一种主从总线式双极波形电力载波通信，包括主端收发器1、n个从端收发器，所述n个从端收发器通过二线制总线与主端收发器并联连接；

所述主端收发器包括主端通信控制端口11、主端发送模块12和主端接收模块13，主端发送模块一输出端与主端接收模块输入端连接，另一输出端连接总线的主线线芯X1，主端接收模块的输出端连接总线的主线线芯X2，主端通信控制端口分别连接主端发送模块12和主端接收模块13的控制端；

所述n个从端收发器结构相同，包括从端通信控制端口21、从端发送模块22、从端接收模块23和电源模块24，所述电源模块24的输入端与主线线芯X1和主线线芯X2并联获取电能，电源模块24的输出端分别与从端通信控制端口21、从端发送模块22和从端接收模块23连接为其提供工作电源；所述从端接收模块23的输入端与主线线芯X1和主线线芯X2并联接收来自主端收发器的信号，所述从端通信控制端口分别连接从端发送模块22和从端接收模块23的控制端。

上述n的取值为1～300之间的任意整数。

所述主端发送模块12为一电子开关电路，包括四个MOS管组合成“H电桥”式电路，通过主端通信控制端口控制4个MOS管组合导通或截止，实现双刀双掷开关功能从而使总线产生双极波形，其连接关系如下：

左上的P沟道MOS管V4漏极与左下的N沟道MOS管V6漏极相接后作为一输出端与主线线芯X1连接，其栅极分别与主端通信控制端口11的两个控制端连接，右上的P沟道MOS管V5漏极与右下N沟道MOS管V7漏极相接后作为另一输出端与主线线芯X2连接，其栅极分别与主端通信控制端口11的另外两个控制端连接，MOS管V4和MOS管V5的的源极连接后接电源正极， MOS管V5和MOS管V7的源极连接后接地（参见附图5-6）；

当“主线线芯X1电压”高于“主线线芯X2电压”时，总线与所产生双极波形对应的原码为“1”，当“主线线芯X1电压”低于“主线线芯X2电压”时，与所产生双极波形对应的原码为“0”；

总线产生双极波形与原码对照参见附图7：曲线“主线线芯X1电压”、“主线线芯X2电压”表示主线两支导线的电压变化，“A”表示总线电压幅值，即给主线供电的直流电源电压；

所述主端接收模块13包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C5、电容C6、双向电流检测芯片N2、双向电流检测芯片N3、二极管VD5、二极管VD6、运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D；

串接在总线上的电阻R8为电流采样电阻，双向电流检测芯片N2和双向电流检测芯片N3用于模拟输出，可以对电流采样电阻两端的微小压降进行精确放大，二极管VD5、二极管VD6和电阻R9用于将双向电流检测芯片N2和双向电流检测芯片N3输出信号处理为比例电压的绝对值；运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D工作于单电源状态，运算放大器N4A为正向跟随器接法，用于隔离输入信号避免后级处理对其产生影响；电容C5、电容C6、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14与运算放大器“N4B”组成一个带通滤波器，用于滤除输入信号中的直流成分和高频干扰，电流脉冲信号经带通滤波后得到一个缓降的脉冲响应波形，之后送入比较器接法的运算放大器N4C，与门限参考值进行比较后输出给主端通信控制端口的处理器进行捕捉识别；

电阻R15和电阻R16的作用是分压得到一个电压，经过正向跟随器接法的运算放大器N4D后，接入运算放大器N4C作为比较器的门限参考电压，用于去除脉冲信号中幅值较小的干扰和毛刺；最一步整形，成为标准数字信号波形供控制器模块接收。

所述从端之电源模块24包括由整流二极管VD1、整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3和整流二极管VD4构成的整流桥电路，其输入端与总线12V电压连接，整流桥输出经三端口稳压器N1变为+5V电源为从端收发器供电，电容C1为电源输入滤波电容，电容C2为电源输出滤波电容（参见附图8）；

所述整流桥电路和2个MOS管电路构成从端接收模块23，2个MOS管电路包括MOS管V1和MOS管V2，其栅极分别通过电阻R3和电阻R4与总线连接，整流桥电路的一个输出端分别与MOS管V1和MOS管V2的源极连接并接地，另一输出端分别通过电阻R1和电阻R5与MOS管V1和MOS管V2的漏极连接， MOS管V1和MOS管V2的漏极分别接从端通信控制端口的端子“Rec1”和端子“Rec2”，从而使得MOS管V1和MOS管V2的漏极和源极构成两组输出端输出一对差分波形信号（参见附图9）；

所述整流桥电路和1个MOS管电路构成从端发送模块22，包括MOS管V3，整流桥电路的一个输出端与MOS管V3的源极连接并接地，另一输出端通过电阻R7与MOS管V3的漏极连接，MOS管V3的栅极和源极构成输出端输出电流脉冲（参见附图10）。

所述双向电流检测芯片N2、双向电流检测芯片N3 型号为INA199A2；所述运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D为轨到轨运算放大器。

从端接收模块和从端发送模块电路的一种优化实施方式如下：

输出端“Rec1”、输出端“Rec2”和输出端“Send”连接着从端通信控制端口I/O管脚，其中连接输出端“Rec1”和输出端“Rec2”的管脚为输入状态，连接输出端“Send”管脚为输出状态，默认情况下输出低电平或高阻态；

接收功能主要依靠MOS管V1和MOS管V2，发送功能则由MOS管V3和电阻R7构成；

MOS管“V1”和MOS管“V2”的输入电阻很大，当总线中的主线线芯X1电压高于主线线芯X2电压时，MOS管V1导通MOS管V2截止，连接从端通信控制端口I/O管脚的输出端“Rec1”电平被拉低，输出端“Rec2”电平被拉高，从端通信控制端口可判读码元为“1”，当主线线芯X2电压高于主线线芯X1电压时，MOS管V2导通MOS管V21截止，连接从端通信控制端口I/O管脚的输出端“Rec2”电平被拉低， 输出端“Rec1”电平被拉高，从端通信控制端口可判读码元为“0”；

MOS管V1、MOS管V2导通与否的切换点在总线电压翻转过零点的附近，电阻R1、电阻R3、电阻R4、电阻R6为电压过零检测提供一个迟滞电压比较门限，可以有效抑制电压抖动对过零检测的干扰，使接收电路具备一定的硬件抗干扰能力，当总线电压变化处于这一门限区间内时，输出端“Rec1”与输出端“Rec2”都为低电平，此时不作码元判读；

回传功能实现是通过输出端“Send”电平信号控制MOS管V3导通，在总线合适状态下制造电流脉冲，脉冲的幅值由电阻R7设置。

本通信工作原理：

本实用新型提供了一种基于低压直流输入的主从总线式双极波形电力载波通信方案；其主端收发器使用低压直流电作为电源输入，通过二线制总线与多个从端收发器连接，多个从端收发器可以无极性并联方式连接在总线上，依靠从总线上直接获取电力工作，主端收发器可主动控制翻转总线上的电压极性形成双极波形来表征信息，将其发送给所有线上从端收发器，从端收发器可接收解读收到的信息，并根据需要通过在适当的总线极性期间制造总线电流脉冲标记的方式，向主端收发器回传信息。

Claims (4)

1.一种主从总线式双极波形电力载波通信，其特征在于：包括主端收发器（1）、n个从端收发器（2），所述n个从端收发器通过二线制总线与主端收发器并联连接；

所述主端收发器包括主端通信控制端口（11）、主端发送模块（12）和主端接收模块（13），主端发送模块一输出端与主端接收模块输入端连接，另一输出端连接总线的主线线芯X1，主端接收模块的输出端连接总线的主线线芯X2，主端通信控制端口（11）分别连接主端发送模块（12）和主端接收模块（13）的控制端；

所述n个从端收发器结构相同，包括从端通信控制端口（21）、从端发送模块（22）、从端接收模块（23）和电源模块（24），所述电源模块的输入端与主线线芯X1和主线线芯X2并联获取电能，电源模块的输出端分别与从端通信控制端口（21）、从端发送模块（22）和从端接收模块（23）连接为其提供工作电源；所述从端接收模块（23）的输入端与主线线芯X1和主线线芯X2并联接收来自主端收发器的信号，所述从端通信控制端口（21）分别连接从端发送模块（22）和从端接收模块（23）的控制端；上述n的取值为1～300之间的任意整数。

2.如权利要求1所述一种主从总线式双极波形电力载波通信，其特征在于：所述主端发送模块（12）为一电子开关电路，包括四个MOS管组合成“H电桥”式电路，通过主端通信控制端口控制4个MOS管组合导通或截止，实现双刀双掷开关功能从而使总线产生双极波形，其连接关系如下：

左上的P沟道MOS管V4漏极与左下的N沟道MOS管V6漏极相接后作为一输出端与主线线芯X1连接，其栅极分别与主端通信控制端口（11）的两个控制端连接，右上的P沟道MOS管V5漏极与右下N沟道MOS管V7漏极相接后作为另一输出端与主线线芯X2连接，其栅极分别与主端通信控制端口（11）的另外两个控制端连接，MOS管V4和MOS管V5的源极连接后接电源正极， MOS管V5和MOS管V7的源极连接后接地；

当主线线芯X1电压高于主线线芯X2电压时，总线与所产生双极波形对应的原码为“1”；当主线线芯X1电压低于主线线芯X2电压时，与所产生双极波形对应的原码为“0”；

所述主端接收模块（13）包括电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C5、电容C6、双向电流检测芯片N2、双向电流检测芯片N3、二极管VD5、二极管VD6、运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D；

串接在总线上的电阻R8为电流采样电阻，双向电流检测芯片N2和双向电流检测芯片N3用于模拟输出，可以对电流采样电阻两端的微小压降进行精确放大，二极管VD5、二极管VD6和电阻R9用于将双向电流检测芯片N2和双向电流检测芯片N3输出信号处理为比例电压的绝对值；运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D工作于单电源状态，运算放大器N4A为正向跟随器接法，用于隔离输入信号避免后级处理对其产生影响；电容C5、电容C6、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13和电阻R14与运算放大器“N4B”组成一个带通滤波器，用于滤除输入信号中的直流成分和高频干扰，电流脉冲信号经带通滤波后得到一个缓降的脉冲响应波形，之后送入比较器接法的运算放大器N4C，与门限参考值进行比较后输出给主端通信控制端口的处理器进行捕捉识别；

电阻R15和电阻R16的作用是分压得到一个电压，经过正向跟随器接法的运算放大器N4D后，接入运算放大器N4C作为比较器的门限参考电压，用于去除脉冲信号中幅值较小的干扰和毛刺；最后输出的波形送主端通信控制端口I/O管脚直接用于脉冲捕捉，也可送至触发器类电路做进一步整形，成为标准数字信号波形供控制器模块接收。

3.如权利要求2所述一种主从总线式双极波形电力载波通信，其特征在于：

所述从端的电源模块（24）包括由整流二极管VD1、整流二极管VD1、整流二极管VD2、整流二极管VD3和整流二极管VD4构成的整流桥电路，其输入端与总线12V电压连接，整流桥输出经三端口稳压器N1变为+5V电源为从端收发器供电，电容C1为电源输入滤波电容，电容C2为电源输出滤波电容；

所述整流桥电路和2个MOS管电路构成从端接收模块（23），包括MOS管V1和MOS管V2，其栅极分别通过电阻R3和电阻R4与总线连接，整流桥电路的一个输出端分别与MOS管V1和MOS管V2的源极连接并接地，另一输出端分别通过电阻R1和电阻R5与MOS管V1和MOS管V2的漏极连接， MOS管V1和MOS管V2的漏极分别接从端通信控制端口的端子“Rec1”和端子“Rec2”，从而MOS管V1和MOS管V2的漏极和源极构成两组输出端输出一对差分波形信号；

所述整流桥电路和1个MOS管电路构成从端发送模块（22），包括MOS管V3，整流桥电路的一个输出端与MOS管V3的源极连接并接地，另一输出端通过电阻R7与MOS管V3的漏极连接，MOS管V3的栅极和源极构成输出端输出电流脉冲。

4.如权利要求2所述一种主从总线式双极波形电力载波通信，其特征在于：所述双向电流检测芯片N2、双向电流检测芯片N3 型号为INA199A2；所述运算放大器N4A、运算放大器N4B、运算放大器N4C和运算放大器N4D为轨到轨运算放大器。

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