CN214337924U

CN214337924U - 一种基于二总线通信及能量传输系统

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Publication number: CN214337924U
Application number: CN202120678764.1U
Authority: CN
Inventors: 傅潇枫; 施阁; 刘良康; 朱晋杨; 朋焱盛; 童迪科; 吴霞
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2031-04-02

Abstract

本实用新型公开了一种基于二总线通信及能量传输系统，其包括从机单元（1）与主机单元（2），从机单元（1）与主机单元（2）通过总线A（3）与总线B（4）相连，所述的从机单元（1）包括从机能量储存模块（5）、从机微处理器（6）、从机RS485收发模块（7）、从机光耦开关模块（8），所述的主机单元（2）包括主机光耦开关模块（9）、主机RS485收发模块（10）、主机微处理器（11）、DC‑DC模块（12）、主机能量储存模块（13），主、从机单元之间仅靠二总线便能实现信息的传递和能量的传输，节省线材，功耗低，可拓展性强，可应用于改进传统的有线传感器网络或分布式能量采集等场合。

Description

一种基于二总线通信及能量传输系统

技术领域

本实用新型涉及二总线通信及能量传输领域，具体涉及一种基于二总线通信及能量传输系统。

背景技术

在通讯与控制领域，同时传输电能和信号的二总线技术，一直是广大工程技术人员共同关注的焦点。二总线技术是指只利用两根导线将主机与各个从机节点相连接，这两根线既作为电能传输线为各个节点提供电源，也作为信号线使节点与节点间能进行相互通信。与传统的多总线技术相比，二总线系统具有结构简单、分工明确、成本低、可靠性高的优点，此外二总线系统还具有接口简单、总线数少等特点。在大型、远程监测系统中，例如石油、化工、电力、火灾监控、水利监测等系统，需要把这些探测器测得的数据准确可靠地收集起来，同时主控站也需要向执行机构发送一些控制命令。针对这种系统覆盖地域范围广，传感器数目众多且安装分散等特点，在通信距离较长时，线材成本优势明显，使用二总线结构的监控系统具有安装维护方便，降低成本，抗干扰能力强等优点。在需对多个生产、生活场所的相关物理量实施监测的应用领域中有着相当广阔的发展前景。

二总线系统的实现通常采用在电能传输线上进行载波信号叠加的方案，如实用新型专利“一种二总线远供电源和通信装置（CN2433782Y）”和实用新型专利“一种二总线远供电源及其通信系统（CN1127237C）”，但是通信节点将信号耦合到电能传输线上，需要专门的信号调制电路，接收信号时，也需要专门的解调电路，导致设备电能传输损耗大、制造成本高，同时，该过程需要进行灵敏度调节，可拓展性差，并且由于难以实现完全的隔离，载波信号往往会被供电电路和用电电路干扰，导致信号传输距离短、通信速度低、节点容量小，使得对供电设备和用电设备性能要求大大提高。此外，在这些场合通信数据以控制信息或状态信息为主，信息量相对较少;通信实时性相对弱，时间响应长。也有人提出了新的二总线实现方案如《微型机与应用》2012年第9期58-59页报道了关于能量/信息时分传输的二总线技术研究，利用时分复用的方法实现了二总线的能量/信息传输，但仍存在着电路复杂、可拓展性差、通信速率低和灵敏度调节繁琐等问题。在某些应用领域中，要求系统功能强大的同时需要具备超低功耗特性，如分布式能量采集系统，由于环境中的微弱能量分布密度低且具有随机性，导致采集能量有限，而通常的二总线系统功耗太大，导致通常的二总线系统难以应用在其中。

鉴于上述缺陷，本实用新型设计了一种基于二总线通信及能量传输系统，通过主、从机单元中的光耦开关模块与RS485收发模块实现了模式切换，通信速率高、可拓展性强，能够有效减少系统能量传输损耗。

发明内容

本实用新型之目的：提供一种基于二总线通信及能量传输系统，该系统通过主、从机单元中的光耦开关模块与RS485收发模块实现了模式切换，使得主、从机单元之间仅靠二总线便能实现信息的传递和能量的传输，可应用于改进传统的有线传感器网络或分布式能量采集等场合。

为了实现本实用新型之目的，拟采用以下技术：一种基于二总线通信及能量传输系统，其特征在于包括从机单元（1）与主机单元（2），从机单元（1）与主机单元（2）通过总线A（3）与总线B（4）形成的二总线相连，所述的从机单元（1）包括从机能量储存模块（5）、从机微处理器（6）、从机RS485收发模块（7）、从机光耦开关模块（8），所述的主机单元（2）包括主机光耦开关模块（9）、主机RS485收发模块（10）、主机微处理器（11）、DC-DC模块（12）、主机能量储存模块（13）。所述的从机RS485收发模块（7）包括从机RS485芯片和电阻R1，电阻R1的两端分别与从机RS485芯片的A引脚、B引脚相连，所述的从机微处理器（6）的RXD口、TXD口、GPIO1口和GPIO2口分别连接从机RS485收发模块（7）的RO引脚、DI引脚、/R/E引脚和DE引脚，所述的从机能量储存模块（5）包括从机能量储存器和滑动变阻器RP1，从机能量储存器的Vcc1引脚与GND1引脚分别连接滑动变阻器RP1的两个固定触点，滑动变阻器RP1的动触点连接从机微处理器（6）的GPIO4口，所述的从机光耦开关模块（8）包括从机光耦开关1和从机光耦开关2，从机光耦开关1的IN端与从机光耦开关2的IN端相连后再与从机微处理器（6）的GPIO3口相连，从机光耦开关1的NO端连接Vcc1，从机光耦开关2的NO端连接GND1，从机光耦开关1的COM端与从机RS485芯片的A引脚相连后再与总线A（3）相连，从机光耦开关2的COM端与从机RS485的B引脚相连后再与总线B（4）相连。所述的主机RS485收发模块（10）包括主机RS485芯片和电阻R2，电阻R2的两端分别与主机RS485芯片的A引脚、B引脚相连，所述的主机微处理器（11）的RXD口、TXD口、GPIO1口和GPIO2口分别连接主机RS485芯片的RO引脚、DI引脚、/R/E引脚和DE引脚，所述的主机能量储存模块（13）包括主机能量储存器和滑动变阻器RP2，主机能量储存器的Vcc2端与滑动变阻器RP2的其中一个固定触点相连后再与DC-DC模块（12）的IO2端相连，主机能量储存器的GND2端与滑动变阻器RP2的另一个固定触点相连后再与DC-DC模块（12）的GND端相连，滑动变阻器RP2的动触点连接主机微处理器（11）的GPIO4口，所述的主机光耦开关模块（9）包括主机光耦开关1和主机光耦开关2，主机光耦开关1的IN端与主机光耦开关2的IN端相连后再与主机微处理器（11）的GPIO3口相连，主机光耦开关1的NO端连接DC-DC模块（12）的IO1端，主机光耦开关2的NO端连接DC-DC模块（12）的GND端，主机光耦开关1的COM端与主机RS485芯片的A引脚相连后再与总线A（3）相连，主机光耦开关2的COM端与主机RS485的B引脚相连后再与总线B（4）相连。

本实用新型的有益效果：

1、主、从机单元之间仅靠二总线便能进行通信或能量传输，节省线材，接线简单。

2、基于RS485总线设计，外围电路少，系统所需功耗低，可拓展性强，当需要引入新的设备时，只需为新接入的设备分配好新的地址便可接入系统。

为了能更进一步了解本实用新型的特征以及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

图1 为本实用新型提出的一种基于二总线通信及能量传输系统的总体结构示意图。

图2 为本实用新型提出的一种基于二总线通信及能量传输系统的电路连接示意图。

图3 为本实用新型提出的一种基于二总线通信及能量传输系统主机单元与从机单元连接示意图。

1：从机单元；2：主机单元；3：总线A；4：总线B；5：从机能量储存模块；6：从机微处理器；7：从机RS485收发模块；8：从机光耦开关模块；9：主机光耦开关模块；10：主机RS485收发模块；11：主机微处理器；12：DC-DC模块；13：主机能量储存模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

具体的，参照图1，一种基于二总线通信及能量传输系统，包括从机单元（1）与主机单元（2），从机单元（1）与主机单元（2）通过总线A（3）与总线B（4）形成的二总线相连，所述的从机单元（1）包括从机能量储存模块（5）、从机微处理器（6）、从机RS485收发模块（7）、从机光耦开关模块（8），且总线A（3）与总线B（4）形成的二总线连接从机RS485收发模块（7）和从机光耦开关模块（8），从机光耦开关模块（8）连接从机能量储存模块（5）、从机能量储存模块（5）连接从机RS485收发模块（7）和从机微处理器（6），从机微处理器（6）连接从机RS485收发模块（7）和从机光耦开关模块（8），所述的主机单元（2）包括主机光耦开关模块（9）、主机RS485收发模块（10）、主机微处理器（11）、DC-DC模块（12）、主机能量储存模块（13），且总线A（3）与总线B（4）形成的二总线连接主机RS485收发模块（10）和主机光耦开关模块（9），主机光耦开关模块（9）连接DC-DC模块（12），DC-DC模块（12）连接主机能量储存模块（13），主机能量储存模块（13）连接主机RS485收发模块（10）和主机微处理器（11），主机微处理器（11）连接主机RS485收发模块（10）和主机光耦开关模块（9）。

具体的，参照图2，所述的从机RS485收发模块（7）包括从机RS485芯片和电阻R1，电阻R1的两端分别与从机RS485芯片的A引脚、B引脚相连，所述的从机微处理器（6）的RXD口、TXD口、GPIO1口和GPIO2口分别连接从机RS485收发模块（7）的RO引脚、DI引脚、/R/E引脚和DE引脚，所述的从机能量储存模块（5）包括从机能量储存器和滑动变阻器RP1，从机能量储存器的Vcc1引脚与GND1引脚分别连接滑动变阻器RP1的两个固定触点，滑动变阻器RP1的动触点连接从机微处理器（6）的GPIO4口，所述的从机光耦开关模块（8）包括从机光耦开关1和从机光耦开关2，从机光耦开关1的IN端与从机光耦开关2的IN端相连后再与从机微处理器（6）的GPIO3口相连，从机光耦开关1的NO端连接Vcc1，从机光耦开关2的NO端连接GND1，从机光耦开关1的COM端与从机RS485芯片的A引脚相连后再与总线A（3）相连，从机光耦开关2的COM端与从机RS485的B引脚相连后再与总线B（4）相连。所述的主机RS485收发模块（10）包括主机RS485芯片和电阻R2，电阻R2的两端分别与主机RS485芯片的A引脚、B引脚相连，所述的主机微处理器（11）的RXD口、TXD口、GPIO1口和GPIO2口分别连接主机RS485芯片的RO引脚、DI引脚、/R/E引脚和DE引脚，所述的主机能量储存模块（13）包括主机能量储存器和滑动变阻器RP2，主机能量储存器的Vcc2端与滑动变阻器RP2的其中一个固定触点相连后再与DC-DC模块（12）的IO2端相连，主机能量储存器的GND2端与滑动变阻器RP2的另一个固定触点相连后再与DC-DC模块（12）的GND端相连，滑动变阻器RP2的动触点连接主机微处理器（11）的GPIO4口，所述的主机光耦开关模块（9）包括主机光耦开关1和主机光耦开关2，主机光耦开关1的IN端与主机光耦开关2的IN端相连后再与主机微处理器（11）的GPIO3口相连，主机光耦开关1的NO端连接DC-DC模块（12）的IO1端，主机光耦开关2的NO端连接DC-DC模块（12）的GND端，主机光耦开关1的COM端与主机RS485芯片的A引脚相连后再与总线A（3）相连，主机光耦开关2的COM端与主机RS485的B引脚相连后再与总线B（4）相连。

具体的，参照图3，主机单元（2）与总线A（3）和总线B（4）构成二总线相连，从机单元1、从机单元2一直到从机单元N通过总线A（3）和总线B（4）构成二总线与主机单元（2）相连。

具体的，把本系统应用于改进传统有线传感器网络。为所有的从机单元分配好地址。在二总线用于从机单元与主机单元的互相通信时，传感器可通过从机单元中的从机RS485收发模块（7）将采集到的环境信息发送给主机单元，也可以接收来自主机单元的信号指示。同时，从机单元中的从机微处理器（6）会不断检测从机单元中的从机能量储存模块（5）的电压，当发现低于设定的值，该从机单元有停止工作的风险时，该从机单元中的从机微处理器（6）会通过从机RS485收发模块（7）和A、B二总线向主机单元发送信号，表示需要主机提供电能以维持工作，主机单元接收到信号后会向该从机单元发送应答信号，主机单元中的主机微处理器（11）和该从机单元中的从机微处理器（6）分别控制主机单元和该从机单元中的光耦开关闭合，此时A、B二总线用于传输能量，主机单元开始向该从机单元传输能量以维持该从机单元中传感器的工作。当需要拓展新的从机单元时，只需要把该从机单元中的从机RS485收发模块（7）的A、B引脚分别连接到A、B总线，并为该从机单元分配一个新的地址即可。

具体的，把本系统应用于分布式能量采集。为所有的从机单元分配好地址。能量采集装置将采集到的环境能量储存于从机单元的从机能量储存模块（5）中，从机单元中的从机微处理器（6）不断检测从机能量储存模块（5）的电压，当某个从机单元中的从机能量储存模块（5）的电压达到设定值时，该从机单元中的从机微处理器（6）会通过从机RS485收发模块（7）向主机单元发送信号，表示可以向主机传输采集得到得能量，此时二总线用于从机单元与主机单元的互相通信。主机单元接收到信号后向该从机单元发送应答信号，主机单元中的主机微处理器（11）和该从机单元中的从机微处理器（6）分别控制主机单元和该从机单元中的光耦开关闭合，该从机单元开始向主机单元传输能量，将采集到的能量储存在主机单元的能量储存模块（9）中，此时二总线用于传输能量。当需要拓展新的从机单元时，只需要把该从机单元从机RS485收发模块（7）的A、B引脚分别连接到A、B总线，并为该从机单元分配一个新的地址即可。

具体的，可以用本系统将传统有线传感器网络与分布式能量采集相结合。为所有的从机单元分配好地址。在二总线不用于传输能量时，传感器可通过从机单元的从机RS485收发模块（7）将采集到的环境信息发送给主机单元，也可以接收来自主机单元的信号指示。在环境能量充足，能量采集装置将采集到的环境能量储存于从机单元的从机能量储存模块（5）中，从机单元中的从机微处理器（6）不断检测从机能量储存模块（5）的电压，从机能量储存模块（5）中的电压高于设定的值，电能较为充足时，从机单元中的从机微处理器（6）通过RS485收发模块（4）向主机单元发送信号，表示可以向主机传输储存过剩的能量。主机单元接收到信号后向从机单元发送应答信号，主机单元中的主机微处理器（11）和从机单元中的从机微处理器（6）分别控制主机单元和从机单元中的光耦开关闭合，从机单元开始向主机单元传输能量，让主机单元将能量储存起来，此时二总线用于传输能量。当环境中能量难以采集时，例如无风或夜晚时，某个从机单元中的从机微处理器（6）检测到该从机单元中的从机能量储存模块（5）的电压低于设定的值，该从机单元有停止工作的风险时，从机单元中的从机微处理器（6）会通过从机RS485收发模块（7）向主机单元发送信号，表示需要主机提供电能以维持工作，主机单元接收到信号后向从机单元发送应答信号，主机单元中的主机微处理器（11）和从机单元中的从机微处理器（6）分别控制主机单元和从机单元的光耦开关闭合，主机单元开始向从机单元传输能量以维持工作。当需要拓展新的从机单元时，只需要把该从机单元从机RS485收发模块（7）的A、B引脚分别连接到A、B总线，并为该从机单元分配一个新的地址即可。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于二总线通信及能量传输系统，包括从机单元（1）与主机单元（2），其特征在于所述的从机单元（1）与主机单元（2）通过总线A（3）与总线B（4）形成的二总线相连，所述的从机单元（1）包括从机能量储存模块（5）、从机微处理器（6）、从机RS485收发模块（7）、从机光耦开关模块（8），所述的主机单元（2）包括主机光耦开关模块（9）、主机RS485收发模块（10）、主机微处理器（11）、DC-DC模块（12）、主机能量储存模块（13），所述的从机能量储存模块（5）为从机微处理器（6）、从机RS485收发模块（7）提供电源，并可对能量采集装置采集到的能量进行储存或为传感器提供电源，所述的从机微处理器（6）会不断地检测从机能量储存模块（5）的电压判断此时从机能量储存模块（5）储存电能的多少，若储存的能量达到设定阈值时，从机微处理器（6）会向从机RS485收发模块（7）发送TTL电平的请求信号，表示可向主机单元（2）传输能量，从机RS485收发模块（7）将收到的TTL电平的请求信号转换成差分的请求信号通过总线A（3）与总线B（4）形成的二总线将信息传送给主机单元（2）中的主机RS485收发模块（10），主机RS485收发模块（10）可将收到的差分的请求信号转换为TTL电平的请求信号传送给主机微处理器（11），主机微处理器（11）在接收到从机单元（1）的请求信号后，会向主机RS485收发模块（10）发送TTL电平的应答信号，表示允许从机单元（1）向主机单元（2）传输电能，随后主机微处理器（11）会控制主机光耦开关模块（9）闭合，主机RS485收发模块（10）将收到的TTL电平的应答信号转换成差分的应答信号通过总线A（3）与总线B（4）形成的二总线将信息传送给从机单元（1）中的从机RS485收发模块（7），从机RS485收发模块（7）可将收到的差分的应答信号转换为TTL电平的应答信号传送给从机微处理器（6），随后从机微处理器（6）会控制从机光耦开关模块（8）闭合，从机能量储存模块（5）开始通过从机光耦开关模块（8）、总线A（3）、总线B（4）、主机光耦开关模块（9）及DC-DC模块（12）向主机能量储存模块（13）传输电能，所述的主机能量储存模块（13）为主机RS485收发模块（10）、主机微处理器（11）提供电源，并可通过DC-DC模块（12）储存来自从机单元（1）的电能或通过DC-DC模块（12）向从机传输电能，所述的DC-DC模块（12）能保证电能传输过程的稳定进行，若储存的能量过低，从机微处理器（6）会向从机RS485收发模块（7）发送TTL电平的请求信号，表示需要主机单元（2）提供电能以维持从机单元（1）的正常运行，从机RS485收发模块（7）将收到的TTL电平的请求信号转换成差分的请求信号通过总线A（3）与总线B（4）形成的二总线将信息传送给主机单元（2）中的主机RS485收发模块（10），主机RS485收发模块（10）可将收到的差分的请求信号转换为TTL电平的请求信号传送给主机微处理器（11），主机微处理器（11）在接收到从机单元（1）的请求信号后，会向主机RS485收发模块（10）发送TTL电平的应答信号，表示可以向从机单元（1）传输电能，随后主机微处理器（11）会控制主机光耦开关模块（9）闭合，主机RS485收发模块（10）将收到的TTL电平的应答信号转换成差分的应答信号通过总线A（3）与总线B（4）形成的二总线将信息传送给从机单元（1）中的从机RS485收发模块（7），从机RS485收发模块（7）可将收到的差分的应答信号转换为TTL电平的应答信号传送给从机微处理器（6），随后从机微处理器（6）会控制从机光耦开关模块（8）闭合，主机能量储存模块（13）开始通过DC-DC模块（12）、主机光耦开关模块（9）、总线A（3）、总线B（4）及从机光耦开关模块（8）向从机能量储存模块（5）传输电能。

2.根据权利要求1所述的一种基于二总线通信及能量传输系统，其特征在于所述的从机RS485收发模块（7）包括从机RS485芯片和电阻R1，电阻R1的两端分别与从机RS485芯片的A引脚、B引脚相连，所述的从机微处理器（6）的RXD口、TXD口、GPIO1口和GPIO2口分别连接从机RS485收发模块（7）的RO引脚、DI引脚、/R/E引脚和DE引脚，所述的从机能量储存模块（5）包括从机能量储存器和滑动变阻器RP1，从机能量储存器的Vcc1引脚与GND1引脚分别连接滑动变阻器RP1的两个固定触点，滑动变阻器RP1的动触点连接从机微处理器（6）的GPIO4口，所述的从机光耦开关模块（8）包括从机光耦开关1和从机光耦开关2，从机光耦开关1的IN端与从机光耦开关2的IN端相连后再与从机微处理器（6）的GPIO3口相连，从机光耦开关1的NO端连接Vcc1，从机光耦开关2的NO端连接GND1，从机光耦开关1的COM端与从机RS485芯片的A引脚相连后再与总线A（3）相连，从机光耦开关2的COM端与从机RS485的B引脚相连后再与总线B（4）相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于二总线通信及能量传输系统，其特征在于所述的主机RS485收发模块（10）包括主机RS485芯片和电阻R2，电阻R2的两端分别与主机RS485芯片的A引脚、B引脚相连，所述的主机微处理器（11）的RXD口、TXD口、GPIO1口和GPIO2口分别连接主机RS485芯片的RO引脚、DI引脚、/R/E引脚和DE引脚，所述的主机能量储存模块（13）包括主机能量储存器和滑动变阻器RP2，主机能量储存器的Vcc2端与滑动变阻器RP2的其中一个固定触点相连后再与DC-DC模块（12）的IO2端相连，主机能量储存器的GND2端与滑动变阻器RP2的另一个固定触点相连后再与DC-DC模块（12）的GND端相连，滑动变阻器RP2的动触点连接主机微处理器（11）的GPIO4口，所述的主机光耦开关模块（9）包括主机光耦开关1和主机光耦开关2，主机光耦开关1的IN端与主机光耦开关2的IN端相连后再与主机微处理器（11）的GPIO3口相连，主机光耦开关1的NO端连接DC-DC模块（12）的IO1端，主机光耦开关2的NO端连接DC-DC模块（12）的GND端，主机光耦开关1的COM端与主机RS485芯片的A引脚相连后再与总线A（3）相连，主机光耦开关2的COM端与主机RS485的B引脚相连后再与总线B（4）相连。