CN2831039Y - 电子雷管用直流载波通信接口 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于火工品制造技术，涉及对电子雷管用直流载波通信接口的技术改进。它由一对连接输入导线Line+和Line－的连接端子、串联保护二极管对401、整流桥402、二极管420、DC/DC变换器403、电容404、数据发送电路、管理电路450和数据接收电路组成，其特征在于，所说的数据接收电路由电阻461、462、463和稳压管464组成，所说的数据发送电路由NMOS管465、稳压二极管464和电阻466、461组成。本实用新型电路结构简单，降低了芯片的最终集成成本；消除了数据接收对储能电容的依赖关系，提高了电子雷管控制芯片工作的整体可靠性；减少了通信接口的数据输入方向的切换环节，提高了通信接口的工作可靠性。

Description

电子雷管用直流载波通信接口

技术领域

本实用新型属于火工品制造技术，涉及对电子雷管用直流载波通信接口电路的技术改进。

背景技术

20世纪80年代，工业爆破技术特别是大规模爆破对雷管延期时间的精确性、可靠性提出了要求。传统雷管依靠延期药的稳定燃烧实现雷管的延期功能，但化学延期方式由于受制作工艺、化学组分的稳定性和均匀性、使用和生产环境条件等多方面的影响，其延期秒量存在较大的偏差，而且缺乏稳定性，无法满足现代爆破技术提出的新要求。

20世纪90年代初，以日本旭化成化学工业公司和德国DynamitNobel公司为代表的公司推出了PDD(Precision Delay Detonator)雷管，以纯粹的电子延期方式替代了延期药，延期时间在工厂预先编程，然后封装在雷管管壳内。使雷管的精确性大为提高，满足了工程爆破的起爆精确性要求。但该雷管没有通信接口，不能实现信息的交换，电子组件的状态无法测知，无法满足通过雷管的可测性提高爆破可靠性的要求。而且电子组件隔离了关键起爆元件和外界的连接，使雷管生产完成后，无法测试其点火相关部件的连接情况，使雷管的起爆可靠性受到了一定影响。

20世纪90年代中期又推出了具有专用通信接口的电子雷管，如1995年的USP5406890提到的电子雷管。这一时期的电子雷管均采用了多线制、独立于电源线的专用雷管通信接口。但由于雷管连接导线的增加，与传统雷管的双线制的接线方式不相吻合，加大了爆破工作的复杂性，极大增加了布设爆破网络操作的出错可能性，因此这种雷管最终没有形成市场。

电力线载波通信可以同时实现电源供给和数据传输两大功能，对解决困扰雷管的难题——既符合传统接线方式，又实现可测性起了重要的启迪作用，但雷管与电力线的供电方式存在本质的区分，而且雷管内部较小的体积空间和一次性使用的成本要求，排除了采用复杂技术的可能性，因此从20世纪中期开始，发达国家开始研究基于直流载波方式的电子雷管技术解决方案，20世纪末ORICA、AEL、Daveyfire等公司推出了基于载波技术的第二代电子雷管产品。

图1概略说明了第二代电子雷管的使用方式。多个电子雷管300借助其通信接口400，并行连接在起爆器100的两根输出导线Line+和Line-之间，起爆器100的通信接口200和电子雷管300的通信接口400连接，同时实现电能供给和数据传输。图2是USP5520114中给出的、实现图1中表达的电子雷管300的通信接口400的实现方式。其通信接口400包括以下几部分：

(1)抑制电流瞬变的二极管对401，该二极管对并接在一对输入导线Line+和Line-之间，用于解决外部杂散电流对电子雷管安全性能的影响，以及对电源输入端口进行过压保护。

(2)整流桥402。该整流桥的两个输入端(二极管D2A和D2B的连接点、D3A和D3B的连接点)并接在输入导线Line+和Line-之间，正输出端(D2B和D3B的连接点)连接到二极管420和数据发送电路419，负输出端(D2A和D3A的连接点)连接到内部信号的参考地。用于对从Line+和Line-之间的输入电压进行方向转换，使雷管的输入引脚没有极性区分，以适应传统雷管一对引脚无极性的要求，减小雷管接入爆破网络时，误操作的可能性。

(3)二极管420，其阳极同整流桥正极输出端连接，其阴极同DC/DC变换器403的输入端和储能电容器404的正极连接。使Line+、Line-提供的能量只能给储能电容404充电，储能电容404不能通过数据发送电路419反向放电。

(4)储存数字电路工作能量的电容404，其正极同二极管420的阴极和DC/DC变换器403的输入端相连接，负极连接到内部信号的参考地，电容404保证数字电路在爆破过程中，供电线路出现故障的情况下，仍能维持数字电路在一定时间内正常工作，完成爆破过程，提高雷管的起爆可靠性。

(5)把输入电压转换为内部数字电路工作电压VCC的DC/DC变换器403。DC/DC变换器403的输入连接到储能电容404的正极和二极管420的阴极，输出端连接到管理电路450的电源端。正常情况下，DC/DC变换器403的输入来源于供电线路Line+/Line-通过整流桥402、二极管420提供的能量；在供电线路出现故障时，DC/DC变换器的输入来源于储能电容404中储存的能量。

(6)用于把数据发送回起爆器的数据发送电路419，它由NMOS管406、电阻R1、R2组成，NMOS管406的漏极串联电阻R1以后连接整流桥402的正极，其源极接信号地，其栅极为数据输入端。数据发送电路连接在整流桥402的两个输出端之间，其数据输入端连接到管理电路450的数据输出端TXD。

(7)数据接收电路418，它用于解调加载到电源供给线Line+/Line-上的数字信号，并把其转换为管理电路450能够识别的信号。它由4个NMOS管、一个PMOS管以及外围电阻构成，共同构成两个并联的数据接收回路，其中电阻409、411、408和NMOS管410、412组成第一数据接收回路，电阻409的一端接LINE+，其另一端连接NMOS管410的漏极和NMOS管412的栅极，NMOS管410和412的源极接信号地，电阻411接在NMOS管410的栅极和信号地之间，电阻408接在电源VCC与NMOS管412的漏极之间，NMOS管410的栅极与管理电路450的COMMAND端口连接，NMOS管412的漏极与管理电路450的数据输入端RXD连接。第二数据接收回路由电阻407、416、408、PMOS管415和NMOS管413、414组成，电阻407的一端接LINE-，其另一端连接NMOS管414的漏极和NMOS管413的栅极，NMOS管413和414的源极接信号地，电阻416接在NMOS管414的栅极和信号地之间，电阻408接在电源VCC与NMOS管413的漏极之间，NMOS管414的栅极与PMOS管415的源极连接，PMOS管415的栅极与管理电路450的COMMAND端口连接，NMOS管414的漏极与管理电路450的数据输入端RXD连接。图2中的数据接收电路418的输入端连接到一对输入导线Line+和Line-上，输入信号的参考地连接到整流桥的负输出端；数据输出端连接到管理电路450的RXD端；数据输入端连接到管理电路的TXD；控制输入端连接到管理电路450的COMMAND端。

(8)管理电路450，用于对电子雷管接收的数据、指令进行分析和执行，对执行情况进行编码，并发送回起爆控制器进行分析处理。管理电路也包括相应的控制、检测、执行电路。

通常情况下，基于安全性的考虑，电子雷管的电源供给采取蓄电池等能够提供稳定电压输出的直流电源，即起爆器100只能提供稳定的直流电压输出，雷管工作的电压取自电源供给线Line+和Line-，属于消耗起爆器100能量的器件，无法把数字信号以电压的形式加载到电源供给线上，即改变起爆器的输出电压，因此USP5520114采取电流环原理发送数据，控制NMOS管406的开/关状态，达到控制电子雷管的电流消耗，引起起爆器输出电流发生变化，以消耗电流的变化表达发送的数据信息。当NMOS管406在栅极信号TXD的高/低电压控制下，分别处于导通/截止状态，使电阻405上的消耗电流出现变化，其电流变化幅度由电阻405调节，从而把加在NMOS管406栅极的数字信号TXD以电流的形式发送到起爆器100，电阻417为下拉电阻使NMOS管在上电阶段处于截止状态。

数据接收电路418用于接收起爆器100发送的数据，它连接在电源供给线Line+/Line-和内部信号参考地之间。数据接收接口418由控制数据输入方向的NMOS管410、414和PMOS管415，转换输入数据电平到内部数字电路(控制管理电路450)能够识别的电平信号的NMOS管412、413，以及用于提供上电MOS管初始状态的电阻411、416和保护限流性电阻407、408、409构成。由于输入线路Line+和Line-无极性区分，发送的数据信号有可能加载到两根线的任一根上，因此在USP5,520,114中设计了command控制信号，用来切换数据的输入方向：

当管理电路450输出的command信号为高电平时，NMOS管410处于导通状态，使NMOS管412的栅极始终为低，处于截止状态，即数据不能由Line+端输入，数据接收的第一回路处于停止工作状态；而此时，PMOS管415栅极电平为高，处于截止状态，因此NMOS管414的栅极电平由电阻416拉低，处于截止状态。NMOS管413的栅极通过电阻407连接到输入端线Line-上，使NMOS管413的导通/截止由Line-控制，数据接收第二回路处于允许数据接收工作状态。即command信号为高时，接收的数据由起爆器100加载到雷管的输入导线Line-线上，经由电阻407、NMOS管413，到达管理电路450的数据输入端RXD；

当管理电路450输出的command信号为低电平时，PMOS管415导通，VCC电平把NMOS管414的栅极电平拉高，使其处于导通状态，因此NMOS管413的栅极电平通过导通的NMOS管414下拉为低电平，使NMOS管413处于截止状态，即数据接收的第二回路停止接收数据。而低电平的command信号使NMOS管410处于截止状态，使Line+信号通过电阻409连接到NMOS管412的栅极上，即NMOS管412的状态受输入导线Line+上的信号控制，第一数据接收回路处于数据接收允许状态。因此在command为低时，加载到Line+上的数据经由电阻409、NMOS管412到达管理电路450的数据输入端口RXD。

在数据接收时，NMOS管412/413和电阻408用于把加载在Line+/Line-上的数字信号的电平转换为管理电路450可以识别的电平信号：当NMOS管412和413均截止时，即电源供电线上为数字零(低电平)时，TXD被数字电路的供电VCC上拉为高电平，输入的数字信号转换为VCC电平的数字高信号；当Line+/Line-信号为高(高电平)时，NMOS管412和413其中一个导通，使TXD信号处于零电平，输出数字低信号。

在系统工作时，电子雷管的引脚Line+和Line-随机连接在起爆器100的两根输出导线上，系统上电后，管理电路450检测TXD信号的输入，由于Line+和Line两根输入导线提供输入电源，而无数字信号输入时，相对于内部参考地总有一根输入导线处于高电平，即NMOS管412和413总有一个管子处于导通状态，即TXD信号的初始状态应为低电平。如果通信管理电路450初始化时，检测到TXD上的信号为高电平，则表明当前数据接收通路方向错误，管理电路450把command信号反相后输出，切换数据输入通道，进入数据的正常收发状态。

上述通信接口的设计虽然可以达到直流载波通信的目的，但存在以下缺点：

第一、在电路设计中出现两级方向变换：由整流桥402实现的电压方向的变换，以及由管理电路450输出信号控制COMMAND控制的通信数据来源的切换，两者间存在功能的重合，导致电路结构的复杂化。

第二、接收数据时有可能增加储存在电容404中的电能消耗。其原因如下：在利用NMOS管412、413和电阻408转换接收到的数据电平为数字电路可以识别的信号时，利用VCC通过电阻408的上拉得到信号高电平，而VCC取自DC/DC变换器403的输出，其能量来源于储存在电容404中的电能，爆破过程中在电源供给线Line+和Line-出现“故障”时，依靠电容404中储存的能量，维持完成延期起爆工作，因此对于电容404中的能量消耗越小越好，而上拉电阻408消耗电容404中的能量，因此从能量消耗角度来说，电阻408应尽可能取大。但由于NMOS管412、413的漏极和源极间存在一定的电容，限制了电阻408的增大，按USP5,520,114中电阻408的取值100K欧姆，当NMOS管412和413两者有一个导通时，按内部管理电路450的供电3.3V计算，其消耗电流为33uA，大致相当于整个数字电路的消耗，加大了对储能电容404的要求。特别是在爆破过程中，当电源供给线Line+/Line-出现故障而断开时，其线上的状态为随机状态，而NMOS管410和413中总有一个处于截止高阻状态，使NMOS管412、413中的一个的栅极电压随电源供给线上的干扰而变化，从而有可能使管子导通，加大了对储能电容的电流消耗。

第三、由于NMOS管的栅、源和漏、源极间均存在分布电容，图2中的限流电阻409和407阻值不能过大，由于NMOS管410和414中截止的数据接收回路可以接收数据，NMOS管412和413的栅极对地处于高阻态，当分布电容充电以后，只有通过电阻407或409才能放电，407和409过大会严重影响NMOS管413或412的动态性能，从而降低通信速率。

发明内容

本实用新型的目的是：提供一种用于电子雷管的直流载波通信的接口电路，它简化了电路结构，减小了数据接收时对储能电容的电流消耗，提高了雷管工作的可靠性，同时，能保持较高的通信速率。

本实用新型的技术方案是：一种电子雷管用直流载波通信接口，由以下电路组成：一对连接输入导线Line+和Line-的连接端子；一对连接在上述连接端子之间的串联保护齐纳二极管对401，齐纳二极管对的阳极接连接端子；一个整流桥402，其输入端(D3A和D3B、D2A和D2B的连接点)与连接端子连接，其负输出端(D2A和D3A的连接点)接信号参考地(下称信号地)，其正输出端(D2B和D3B的连接点)连接二极管420的阳极；二极管420的阴极分别连接电容404的正极和DC/DC变换器403的电压输入端，电容404的负极接信号地；一个数据发送电路；一个协调控制通信接口工作的管理电路450和一个数据接收电路，其特征在于，

(1)所说的数据接收电路由电阻461、462、463和稳压管464组成，电阻462和463串联后与稳压管464并联，电阻461的一端接整流桥402的正极输出端，其另一端接稳压管464的阴极，稳压管464的阳极接信号地，电阻462和463的串联点与管理电路450的数据输入端RXD连接；

(2)所说的数据发送电路由稳压管464、NMOS管465和电阻461、466组成，NMOS管465的漏极接稳压管464的阴极，其源极接信号地，其栅极与管理电路450的数据输出端TXD连接，电阻466接在NMOS管465的栅极与地之间，电阻[461]的一端接整流桥[402]的正输出端，其另一端接稳压管[464]的阴极，稳压管[464]的阳极接信号地。

本实用新型的优点是：

(1)本实用新型利用整流桥的方向转换功能，减少了电子雷管初始化时监测输入端连接方向及其切换数据输入方向的环节，提高了通信接口的工作可靠性；

(2)直接利用稳压二极管进行信号源的电平转换，转换到数字内核可识别的电平，简化了数据接收电路的复杂性，减少了电子雷管最终集成芯片中，承受需外部高压的器件数量，降低了控制芯片的集成成本，基于工程爆破中雷管用量的巨大性，这一点对于降低爆破成本，促进电子雷管的市场化是极为重要的；

(3)数据接收电路的电源供给直接取自电源线供给的能量，消除了数据接收电路和储能电容之间的依赖关系，从而减少了数字电路工作用储能电容的电流消耗，延长了数字电路在外部能源供给出现故障时的工作时间，提高了雷管工作的整体可靠性；

(4)电阻461、462、463并联在整流桥输出端之间，形成了一个分布电容的放电回路，可以提高通信接口的传输速率；

(5)进行数据发送时，由NMOS管控制加在电阻461两端的电压变化，电压变化的幅值取决于稳压管464的稳压值u_z，即发送数据1/0时，无论整流桥402的输出电压值如何变化，电阻461两端的电压变化值Δu＝u_z，形成一个稳定的电流变化Δi＝u_z/R5(R5电阻461的阻值)，有利于起爆器接收数据时的信号处理。

附图说明

图1是基于载波技术的第二代电子雷管通信示意图。

图2是美国专利USP5520114公开的电子雷管通信接口的电路原理图。

图3是本实用新型电子雷管用直流载波通信接口的电路原理图。

具体实施方式

下面对本实用新型做进一步详细说明。参见图3，一种电子雷管用直流载波通信接口，由以下电路组成：一对连接输入导线Line+和Line-的连接端子；一对连接在上述连接端子之间的串联齐纳二极管对401，齐纳二极管对的阳极接连接端子；一个整流桥402，其输入端(D2A和D2B、D3A和D3B的连接点)与连接端子连接，其负输出端(D2A和D3A的连接点)接信号地，其正输出端(D2B和D3B的连接点)连接二极管420的阳极；二极管420的阴极分别连接电容404的正极和DC/DC变换器403的电压输入端，电容404的负极接信号地；一个数据发送电路；一个协调控制通信接口工作的管理电路450和一个数据接收电路，其特征在于，

(1)所说的数据接收电路由电阻461、462、463和稳压管464组成，电阻462和463串联后与稳压管464并联，电阻461的一端接整流桥402的正输出端，其另一端接稳压管464的阴极，稳压管464的阳极接地，电阻462和463的串联点与管理电路450的数据输入端RXD连接；

(2)所说的数据发送电路由稳压管464、NMOS管465和电阻461、466组成，NMOS管465的漏极接稳压管464的阴极，其源极接信号地，其栅极与管理电路450的数据输出端TXD连接，电阻466接在管465的栅极与地之间，电阻461的一端接整流桥402的正输出端，其另一端接稳压管464的阴极，限制数据发送时的电流变化。

本实用新型对USP5,520,114中存在的缺点进行了改进。它保留了图2中齐纳二极管对401、整流桥402、二极管420、储能电容404、DC/DC变换器403和管理电路450等基本电路，对数据收发电路进行了改进。数据收发电路以下几部分构成：

A、限流电阻461，它连接在整流桥402的正输出端和稳压二极管464的阴极输入端之间。用于限制稳压二极管464的输入电流，预防在高电压输入时，稳压二极管464的反向电流过大，有可能导致二极管464的损坏。

B、稳压二极管464。稳压二极管的阴极同电阻461、462和NMOS管465的漏极连接，其阳极同信号参考地(整流桥负输出端)连接。用于把整流桥402的输出电压，经过限流电阻461后，稳定在一个恒定的电压V上，当NMOS管465处于导通和截止状态时，使消耗在限流电阻上的压差变化为一个恒定的ΔV值，从而使数据发送电路的输出电流变化，也为一个恒定的变化ΔI＝ΔV/R5(R5为限流电阻461的阻值)。从式中可以看出当输出的ΔI为一个较为稳定的值时，稳压管464的输出和电阻461的取值成正比，而电阻461的阻值如果太小，将不能起到限流的作用，因此合理的解决办法为：使稳压管465的输出电压值尽可能接近通信时整流桥402的输出电压，增大电阻461上的电压变化范围，从而加大限流电阻461的阻值。同时保留一定的余量，使电源供给线Line+和Line-间的电压一定范围内下降时，仍能输出稳定的电压。

C、分压电阻462和463串联连接在稳压二极管464的两端，电阻462和463的连接点同管理电路450的数据输入端口RXD连接。用于把稳压管464的稳压输出转换为管理电路450可以识别的信号电平。

D、数据发射用NMOS开关管465的源、漏极并接在稳压管的两端，栅极连接到管理电路450的数据发送端口TXD，使NMOS管465受管理电路450的输出信号TXD控制。

E、下拉电阻466并接在NMOS管的栅、源极之间，用于提供NMOS管465上电复位电平，使NMOS管465在上电过程中，始终处于截止状态。

图3中数据接收电路由限流电阻461、稳压管464、分压电阻462和463构成，当电源供给线Line+和Line-之间为数字高信号时，稳压管464的输出稳定在输出电压V上，电压V经电阻462和463分压后，输出管理电路450可以安全识别的高电平数字信号；当电源供给线Line+和Line-之间为数字低电平(电压为0)时，稳压管464的电压输出端由分压电阻462和463拉为零电平，分压电阻的输出同样为数字低电平。

本实用新型的数据发送过程由限流电阻461、稳压二极管464、NMOS管465和下拉电阻466构成。当管理电路450输出数字高(高电平)信号时，NMOS管465导通，使稳压二极管464的两端电压接近零，从而使电阻461上的消耗电流，在静态消耗电流(V1-V)/R5(V1为整流桥输出电压，V为稳压二极管输出电压，R5为限流电阻461的阻值)的基础上，加大到V/R；当管理电路输出数字零(低电平)时，NMOS管465截止，稳压管的输出电压为V，电阻461上消耗的电流恢复到静态稳定电流，从而实现了把数字信号以等幅度变化的电流消耗形式加载到电源供给线Line+和Line-上。

本实用新型的数据发送电路和数据接收电路共用一个限流电阻461和稳压管464，这种结构的优点在于：

(1)简化了电路设计；

(2)同时实现了数据接收和发送功能；

(3)当数据以电流消耗的形式输出时，稳压管464两端的电压变化，通过分压电阻462和463反馈到管理电路450的接收端，可用于对数据发送的正确性进行校对，提高了数据发送的可靠性；

(4)数据发射和接收的能量来源，均取于整流桥402的输出，没有消耗储能电容其404中的能量，可以降低对储能电容的储能要求。

(5)串联电阻461、462、463并接在桥输出的两端，构成了桥输出分布电容的放电回路；电阻462、463并接在NMOS管465的漏源极之间，并同稳压二极管464并行连接，形成了NMOS管465和稳压二极管464的输出分布电容的放电回路，有利于改善通信接口的频响，提高通信速率。

(6)以电流变化的形式发送数据时，电流变化幅度同整流桥输出无关，有利于起爆器100进行信息的提取。

Claims (1)

1、一种电子雷管用直流载波通信接口，由以下电路组成：一对连接输入导线Line+和Line-的连接端子；一对连接在上述连接端子之间的串联保护齐纳二极管对[401]，齐纳二极管对的阳极接连接端子；一个整流桥[402]，其输入端(D2A和D2B、D3A和D3B的连接点)与连接端子连接，其负输出端(D2A和D3A的连接点)接内部信号参考地(下称信号地)，其正输出端(D2B和D3B的连接点)连接二极管[420]的阳极；二极管[420]的阴极分别连接电容[404]的正极和DC/DC变换器[403]的电压输入端，电容[404]的负极接信号地；一个数据发送电路；一个协调控制通信接口工作的管理电路[450]和一个数据接收电路，其特征在于，

(1)所说的数据接收电路由电阻[461]、[462]、[463]和稳压管[464]组成，电阻[462]和[463]串联后与稳压管[464]并联，电阻[461]的一端接整流桥[402]的正输出端，其另一端接稳压管[464]的阴极，稳压管[464]的阳极接信号地，电阻[462]和[463]的串联点与管理电路[450]的数据输入端RXD连接；

(2)所说的数据发送电路由稳压管[464]、NMOS管[465]和电阻[466]、[461]组成，NMOS管[465]的漏极接稳压管[464]的阴极，其源极接信号地，其栅极与管理电路[450]的数据输出端TXD连接，电阻[466]接在NMOS管[465]的栅极与地之间，电阻[461]的一端接整流桥[402]的正输出端，其另一端接稳压管[464]的阴极，稳压管[464]的阳极接信号地。

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