CN219761063U - 一种高速近红外转rs485通信系统 - Google Patents

Abstract

一种高速近红外转RS485通信系统，该系统包括主控设备和红外‑RS485转换从设备，所述主控设备与红外‑RS485转换从设备之间通过近红外通信方式进行无线通讯，所述的红外‑RS485转换从设备与外部具有RS485接口的电力配套设备相连。本实用新型在保证电表结构满足IP54的情况下，实现了近红外通信与RS485的转换，并且将近红外通信速率提高到921.6KHz，无需额外的定时器等电路来单独控制RS485接口芯片的收发，以低成本电路实现红外信号与RS485信号的同步转换，便于客户操作，更安全且成本更具优势。

Description

一种高速近红外转RS485通信系统

技术领域

本实用新型涉及电力设备应用系统中的通信技术领域，更具体的说，涉及921.6KHz高速红外及RS485两种通信方式在同一系统中相互转换的应用电路。

背景技术

目前智能电表领域通信方式根据应用场景的不同、客户需求的差异而分为很多种，例如有线通信有RS485、RS232、PLC载波等，无线通信有红外收发、GPRS、LTE、WiFi等；上述通信方式都有各自的优缺点，其中常见的红外通信方式，因为成本低，通信方式简单，同时也能满足电能表严格的防尘防水防雷击要求，因此广泛应用于电能表设备；红外通信的缺点是通信距离短，通信速率较低，能够匹配对应接口的外部通信设备较为单一；而目前市场上大部分电力配套设备如台体、抄表终端、电脑等都是带有RS485通信接口的，并且RS485通信距离也相对较远能够达到几百米，基于成本和安规等方面的综合考虑，在智能电表系统中，高速近红外通信与RS485之间的交互通信技术实用性是非常高，且亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型针对同一智能电表系统中，高速近红外通信与RS485之间的交互通信技术问题，提出一种高速近红外转RS485通信系统；实现921.6KHz高速红外与RS485之间的通信转换，克服传统近红外通讯速率低，红外转RS485通讯实现成本高的困难。

本实用新型的技术方案是：

一种高速近红外转RS485通信系统，该系统包括主控设备和红外-RS485转换从设备，所述主控设备与红外-RS485转换从设备之间通过近红外通信方式进行无线通讯，所述的红外-RS485转换从设备与外部具有RS485接口的电力配套设备相连；其中，

所述主控设备包括主控单元、时钟单元、第一信号放大及整形单元、第一红外接收单元和第一红外发射单元，所述主控设备的第一红外接收单元通过第一信号放大及整形单元连接到主控单元的红外信号接收端，所述第一红外发射单元的信号接收端、时钟单元分别与主控单元的对应信号端相连；

所述红外-RS485转换从设备包括第二红外接收单元、第二红外发射单元、第二信号放大及整形单元、RS485电平转换单元和对外接口兼供电单元，所述红外-RS485转换从设备的第二红外接收单元通过第二信号放大及整形单元连接到RS485电平转换单元的红外信号接收端，所述第二红外发射单元的信号接收端、对外接口兼供电单元与RS485电平转换单元的对应信号端相连，且所述对外接口兼供电单元与外部具有RS485接口的电力配套设备相连。

进一步地，所述的主控单元包括单片机U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1；所述电阻R1、电阻R2、电阻R3的一端与单片机U1第78、79、80管脚连接，电阻R1、电阻R2、电阻R3另一端与电源VDD1连接；电容C1一端与参考地GND1连接，另一端与电阻R3的非电源端和单片机U1的第80管脚交点相连接；单片机U1的第24管脚与第一红外接收单元的IRRXD端连接；单片机U1第25管脚与第一红外发送单元的IRTX信号端连接；单片机U1第60、61管脚与时钟单元连接。

进一步地，所述的时钟单元包括晶振X1、电容C4和电容C5；电容C4一端与晶振X1的第1管脚连接，两者交点再与单片机U1第60管脚连接；电容C5一端与晶振X1的第2管脚连接，两者交点再与单片机U1第61管脚连接；电容C4，电容C5的另一端以及晶振X1的第0管脚与参考地GND1连接。

进一步地，所述的第一红外发射单元包括电阻R5及二极管D2；二极管D2为红外发射二极管，二极管D2正极与电阻R5一端串联，二极管D2负极通过信号线IRTX与单片机U1第25管脚连接；电阻R5另一端与电源VDD1连接。

进一步地，所述的第一红外接收单元包括电阻R8及二极管D1；二极管D1为红外接收二极管，二极管D1正极与电阻R8一端连接，二极管D1负极与电源VDD1连接；电阻R8另一端与参考地GND1连接，二极管D1与电阻R1的连接点输出红外接收信号IR1。

进一步地，所述的第一信号放大及整形单元包括运算放大器U3，比较器U2，NPN三极管Q1以及电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R11；所述红外接收信号IR1输入到运算放大器U3第3管脚；运算放大器U3的第5管脚连接电源VDD1、第2管脚连接参考地GND1；运算放大器U3的第1管脚与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11串联连接到参考地GND1；运算放大器U3的第4管脚连接到电阻R10和电阻R11连接的分压节点；运算放大器U3的第1管脚通过电阻R9与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极输出通过电阻R7连接到比较器U2的第2管脚，同时三极管Q1的集电极输出也通过电阻R6连接到电源VDD1；三极管Q1的发射极直接连接到参考地GND1；比较器U2的第1管脚通过电阻R4连接到电源VDD1，比较器U2的第5管脚直接连接到电源VDD1，比较器U2的第3管脚直接连接到参考地GND1，比较器U2的第4管脚通过信号线IRRXD连接到主控单元单片机U1的第24管脚。

进一步地，所述的第二红外发射单元包括电阻R22及二极管D5；二极管D5为红外发射二极管，二极管D5正极直接与电源VDD2连接，二极管D5负极与电阻R22一端连接；电阻R22的另一端与RS485电平转换单元中通信接口芯片U6的第1管脚连接。

进一步地，所述的第二红外接收单元包括电阻R25及二极管D3；二极管D3为红外接收二极管，二极管D3正极与电阻R25一端连接，二极管D3负极与电源VDD2连接；电阻R25另一端与参考地GND2连接，二极管D3与电阻R25的连接点输出红外接收信号IR2。

进一步地，所述的第二信号放大及整形单元包括运算放大器U5，比较器U4，双NPN型三极管Q3A、双NPN型三极管Q3B，双PNP型三极管Q2A、双PNP型三极管Q2B，电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R23、电阻R26以及电容C6、电容C9、电容C10；红外接收信号IR2输入到运算放大器U5第3管脚；运算放大器U5第5管脚连接电源VDD2、第2管脚连接参考地GND2；运算放大器U5的第1管脚与电阻R23一端连接，电阻R23的另一端与R26串联连接到参考地GND2；运算放大器U5的第4管脚连接到电阻R23和电阻R26连接的分压节点；运算放大器U5的第1管脚通过电阻R20与三极管Q3A基极相连，三极管Q3A的集电极输出通过电阻R18连接到比较器U4的第2管脚，同时三极管Q3A集电极输出也通过电阻R17连接到电源VDD2；三极管Q3A发射极直接连接到参考地GND2；比较器U4的第1管脚通过电阻R14连接到电源VDD2，比较器U4的第5管脚直接连接到电源VDD2，比较器U4的第3管脚直接连接到参考地GND2，比较器U4的第4管脚输出信号分为两路，一路直接连接到RS485电平转换单元中通信接口芯片U6的第4管脚；另一路通过电阻R13连接到三极管Q2A的基极，电容C6并联在电阻R13两端，三极管Q2A的发射极直接连接到电源VDD2，三极管Q2A的集电极输出通过电阻R15连接到三极管Q3B的基极，电容C9并联在电阻R15两端，电容C10跨接在三极管Q3B集电极和基极之间；三极管Q3B的集电极输出通过电阻R19连接到三极管Q2B基极，同时三极管Q2B基极通过电阻R16连接到电源VDD2，三极管Q2B的发射极直接连接到电源VDD2，三极管Q2B集电极通过电阻R21连接到参考地GND2，同时三极管Q2B集电极输出连接到RS485电平转换单元中通信接口芯片U6的第2管脚。

进一步地，所述的RS485电平转换单元包括通信接口芯片U6和电阻R24、电阻R27；通信接口芯片U6第1管脚连接到第二红外发射单元中的电阻R22，通信接口芯片U6的第2、3管脚并在一起连接到第二信号放大及整形单元中三极管Q2B的集电极，通信接口芯片U6的第4管脚连接到第二信号放大及整形单元中的比较器U4第4管脚，通信接口芯片U6的第5管脚直接连接到参考地GND2，通信接口芯片U6的第6管脚通过电阻R24连接到电源VDD2，同时连接到对外接口兼供电单元J1第1管脚，通信接口芯片U6的第7管脚通过电阻R27连接到参考地GND2，同时连接到对外接口兼供电单元J1第2管脚，通信接口芯片U6的第8管脚直接连接到电源VDD2。

本实用新型的优点及有益效益：

本实用新型在保证电表结构满足IP54的情况下，实现了近红外通信与RS485的转换，并且将近红外通信速率提高到921.6KHz，并且无需额外的定时器等电路来单独控制RS485接口芯片的收发，以低成本电路实现红外信号与RS485信号的同步转换，便于客户操作，更安全且成本更具优势。

附图说明

图1是本实用新型一种高速近红外转RS485通信系统的原理框图。

图2是本实用新型中主控设备的主控单元和时钟单元的电路图。

图3是本实用新型中主控设备的第一红外接收单元、第一红外发射单元和第一信号放大及整形单元的电路图。

图4是本实用新型中红外-RS485转换从设备的第二红外接收单元、第二红外发射单元、第二信号放大及整形单元和RS485电平转换单元的电路图。

图5是本实用新型中红外-RS485转换从设备的对外接口兼供电单元的电路图。

图6是本发明中通信接口芯片U6的工作模式及状态参考附图之一。

图7是本发明中通信接口芯片U6的工作模式及状态参考附图之二。

具体实施方式

下面将更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然以下描述了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本实用新型更加透彻和完整，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本实用新型提供一种高速近红外转RS485通信系统，分为主控设备和红外-RS485转换从设备。红外-RS485转换从设备的对外接口兼供电单元、RS485电平转换单元负责与外部具有RS485接口的电力配套设备(如标准台体、终端、电脑等)按照RS485标准协议进行通讯，同时将RS485电平转换成TTL电平，经过信号放大及整形单元、红外接收单元、红外发射单元与主控设备进行信息交互。实现在保证主控设备(即智能电表)外壳完整的情况下，以从设备为媒介与外部具有RS-485标准接口的电力配套设备进行通信。

如图2所示，主控设备主控单元采用一款低功耗大容量智能电表专用单片机，具有Cortex-M0+内核、最大512KB FLASH程序存储器、最大64KB SRAM，集成丰富的外设资源，本设计中作为系统主控，通过串口与红外收发单元连接与红外-RS485转换从设备通信，交互电表内相关信息。时钟单元为主控系统提供红外收发单元工作所需时钟频率。

如图3所示，主控设备侧红外接收管D1接收到红外-RS485转换从设备侧的红外发射单元发出的红外光信号后导通，有电流流过电阻R8，并产生压降，产生的压降经过运放U3放大后，用于驱动三极管Q1，电阻R6是上拉电阻，IRRXD口线平时为高电平，当接收到近红外光信号，三极管Q1导通，IRRXD口线变为低电平，从而完成电平的转换。因为在921600速率下，红外接收管D1二极管和Q1三极管开关状态有一定延时，因此在输出端加了一个缓冲比较器U2用于波形整形。

如图4所示，红外-RS485转换从设备中红外接收管D3接收到主控设备侧的红外发射单元发出的红外光信号后导通，有电流流过电阻R25，并产生压降，产生的压降经过运放U5放大后，用于驱动三极管Q3A，电阻R17是上拉电阻，缓冲比较器U4第4管脚输出平时为高电平，当接收到近红外光信号，Q3A导通，U4第4管脚输出信号U4-O变为低电平。U4-O信号分为两路，一路连接到接口通信芯片U6的第4管脚DI，一路通过电平转换控制连接到U6的第2/3管脚RE/DE。当接口通信芯片U6处于接收模式时，RE/DE与DI信号之间电平状态不会影响到U6正常工作。当接口通信芯片U6处于发送模式，RE/DE信号为高电平，DI为低电平时U6通信正常；当RE/DE信号为低电平，DI为高电平时U6输出为高阻态，通信不正常，因此为了保证通信正常，避免接口通信芯片U6进入高阻状态，RE/DE信号电平转换的时候需要延迟一段时间，因此用U4-O信号来控制RE/DE。U4-O信号的不同，分为两种状态:

a、U4-O有数据(U4-O信号为低电平)时，RE/DE迅速置高电平过程：

U4-O默认初始状态为高电平，所以三极管Q2A，三极管Q3B，三极管Q2B处于截止状态，所以三级管Q2B集电极输出RE/DE信号为低电平，也就是U4-O没信号时，RE/DE为低电平，电阻R16，电阻R19为三极管Q2B提供静态偏置，使其在U4-O没信号时处于截止状态。当U4-O由初始状态变为低电平时，三极管Q2A导通，然后三极管Q3B，三极管Q2B依次导通，相当于三级放大，加速三极管导通，输出RE/DE变为高电平，电容C6，电容C9也起到加速导通三极管的作用，其原理是U4-O信号为低电平时，由于电容C6电容上的电压不能突变，根据i＝Cdu/dt，会有一个很大的电流流入基极，使三极管从截止状态快速进入饱和导通状态，当电容C6上电压稳定后，维持三极管处于饱和导通状态，电容C9的加速作用类似电容C6，通过加速后，使输入信号DI与RE/DE保持同步动作，也就是当DI有数据时，RE/DE迅速置高。

b、U4-O没有数据(U4-O信号为高电平)时，RE/DE延迟置低电平的过程：

当U4-O无数据时，RE/DE要变为低电平，所以三极管Q2B要从饱和导通状态进入截止状态，进入截止状态时，一部分电荷要通过三极管Q3B进行放电，三极管Q3B通过三极管Q2A放电，由于三极管Q2A先于三极管Q3B进入截止状态，三极管Q3B先于三极管Q2B进入截止状态，所以三极管Q2B从饱和导通状态进入截止状态将变的非常缓慢，电容C10也延缓了三极管Q2B的关断时间，从而起到一定的延迟作用，保证通讯无异常。

通信接口芯片U6的工作模式及状态参考附图6，附图7。

如图5所示，红外-RS485转换从设备中电源部分通过LDO芯片U8将对外接口J1输入的电源VDD3转换VDD2为红外-RS485转换从设备内电路供电，其中二极管D4与电阻R28起到保护LDO芯片U8的作用，电容C13为RS485电平转换单元电路提供更多的能量，避免在发送数据时将信号电平拉低而出现通讯异常，J1接口用于与系统外部具备RS485接口的电力配套设备信息交互。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种高速近红外转RS485通信系统，其特征是：该系统包括主控设备和红外-RS485转换从设备，所述主控设备与红外-RS485转换从设备之间通过近红外通信方式进行无线通讯，所述的红外-RS485转换从设备与外部具有RS485接口的电力配套设备相连；其中，

所述主控设备包括主控单元、时钟单元、第一信号放大及整形单元、第一红外接收单元和第一红外发射单元，所述主控设备的第一红外接收单元通过第一信号放大及整形单元连接到主控单元的红外信号接收端，所述第一红外发射单元的信号接收端、时钟单元分别与主控单元的对应信号端相连；

所述红外-RS485转换从设备包括第二红外接收单元、第二红外发射单元、第二信号放大及整形单元、RS485电平转换单元和对外接口兼供电单元，所述红外-RS485转换从设备的第二红外接收单元通过第二信号放大及整形单元连接到RS485电平转换单元的红外信号接收端，所述第二红外发射单元的信号接收端、对外接口兼供电单元与RS485电平转换单元的对应信号端相连，且所述对外接口兼供电单元与外部具有RS485接口的电力配套设备相连。

2.根据权利要求1所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的主控单元包括单片机U1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电容C1；所述电阻R1、电阻R2、电阻R3的一端与单片机U1第78、79、80管脚连接，电阻R1、电阻R2、电阻R3另一端与电源VDD1连接；电容C1一端与参考地GND1连接，另一端与电阻R3的非电源端和单片机U1的第80管脚交点相连接；单片机U1的第24管脚与第一红外接收单元的IRRXD端连接；单片机U1第25管脚与第一红外发送单元的IRTX信号端连接；单片机U1第60、61管脚与时钟单元连接。

3.根据权利要求1所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的时钟单元包括晶振X1、电容C4和电容C5；电容C4一端与晶振X1的第1管脚连接，两者交点再与单片机U1第60管脚连接；电容C5一端与晶振X1的第2管脚连接，两者交点再与单片机U1第61管脚连接；电容C4，电容C5的另一端以及晶振X1的第0管脚与参考地GND1连接。

4.根据权利要求1所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的第一红外发射单元包括电阻R5及二极管D2；二极管D2为红外发射二极管，二极管D2正极与电阻R5一端串联，二极管D2负极通过信号线IRTX与单片机U1第25管脚连接；电阻R5另一端与电源VDD1连接。

5.根据权利要求1所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的第一红外接收单元包括电阻R8及二极管D1；二极管D1为红外接收二极管，二极管D1正极与电阻R8一端连接，二极管D1负极与电源VDD1连接；电阻R8另一端与参考地GND1连接，二极管D1与电阻R1的连接点输出红外接收信号IR1。

6.根据权利要求5所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的第一信号放大及整形单元包括运算放大器U3，比较器U2，NPN三极管Q1以及电阻R4、电阻R6、电阻R7、电阻R9、电阻R10、电阻R11；所述红外接收信号IR1输入到运算放大器U3第3管脚；运算放大器U3的第5管脚连接电源VDD1、第2管脚连接参考地GND1；运算放大器U3的第1管脚与电阻R10的一端连接，电阻R10的另一端与电阻R11串联连接到参考地GND1；运算放大器U3的第4管脚连接到电阻R10和电阻R11连接的分压节点；运算放大器U3的第1管脚通过电阻R9与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极输出通过电阻R7连接到比较器U2的第2管脚，同时三极管Q1的集电极输出也通过电阻R6连接到电源VDD1；三极管Q1的发射极直接连接到参考地GND1；比较器U2的第1管脚通过电阻R4连接到电源VDD1，比较器U2的第5管脚直接连接到电源VDD1，比较器U2的第3管脚直接连接到参考地GND1，比较器U2的第4管脚通过信号线IRRXD连接到主控单元单片机U1的第24管脚。

7.根据权利要求1所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的第二红外发射单元包括电阻R22及二极管D5；二极管D5为红外发射二极管，二极管D5正极直接与电源VDD2连接，二极管D5负极与电阻R22一端连接；电阻R22的另一端与RS485电平转换单元中通信接口芯片U6的第1管脚连接。

8.根据权利要求1所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的第二红外接收单元包括电阻R25及二极管D3；二极管D3为红外接收二极管，二极管D3正极与电阻R25一端连接，二极管D3负极与电源VDD2连接；电阻R25另一端与参考地GND2连接，二极管D3与电阻R25的连接点输出红外接收信号IR2。

9.根据权利要求8所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的第二信号放大及整形单元包括运算放大器U5，比较器U4，双NPN型三极管Q3A、双NPN型三极管Q3B，双PNP型三极管Q2A、双PNP型三极管Q2B，电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R23、电阻R26以及电容C6、电容C9、电容C10；红外接收信号IR2输入到运算放大器U5第3管脚；运算放大器U5第5管脚连接电源VDD2、第2管脚连接参考地GND2；运算放大器U5的第1管脚与电阻R23一端连接，电阻R23的另一端与R26串联连接到参考地GND2；运算放大器U5的第4管脚连接到电阻R23和电阻R26连接的分压节点；运算放大器U5的第1管脚通过电阻R20与三极管Q3A基极相连，三极管Q3A的集电极输出通过电阻R18连接到比较器U4的第2管脚，同时三极管Q3A集电极输出也通过电阻R17连接到电源VDD2；三极管Q3A发射极直接连接到参考地GND2；比较器U4的第1管脚通过电阻R14连接到电源VDD2，比较器U4的第5管脚直接连接到电源VDD2，比较器U4的第3管脚直接连接到参考地GND2，比较器U4的第4管脚输出信号分为两路，一路直接连接到RS485电平转换单元中通信接口芯片U6的第4管脚；另一路通过电阻R13连接到三极管Q2A的基极，电容C6并联在电阻R13两端，三极管Q2A的发射极直接连接到电源VDD2，三极管Q2A的集电极输出通过电阻R15连接到三极管Q3B的基极，电容C9并联在电阻R15两端，电容C10跨接在三极管Q3B集电极和基极之间；三极管Q3B的集电极输出通过电阻R19连接到三极管Q2B基极，同时三极管Q2B基极通过电阻R16连接到电源VDD2，三极管Q2B的发射极直接连接到电源VDD2，三极管Q2B集电极通过电阻R21连接到参考地GND2，同时三极管Q2B集电极输出连接到RS485电平转换单元中通信接口芯片U6的第2管脚。

10.根据权利要求1所述的高速近红外转RS485通信系统，其特征是：所述的RS485电平转换单元包括通信接口芯片U6和电阻R24、电阻R27；通信接口芯片U6第1管脚连接到第二红外发射单元中的电阻R22，通信接口芯片U6的第2、3管脚并在一起连接到第二信号放大及整形单元中三极管Q2B的集电极，通信接口芯片U6的第4管脚连接到第二信号放大及整形单元中的比较器U4第4管脚，通信接口芯片U6的第5管脚直接连接到参考地GND2，通信接口芯片U6的第6管脚通过电阻R24连接到电源VDD2，同时连接到对外接口兼供电单元J1第1管脚，通信接口芯片U6的第7管脚通过电阻R27连接到参考地GND2，同时连接到对外接口兼供电单元J1第2管脚，通信接口芯片U6的第8管脚直接连接到电源VDD2。