RU2817614C1 - Способ передачи данных через изолирующий трансформатор однотактного маломощного преобразователя напряжения питания и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относятся к области приборостроения и может быть использовано при построении распределенных измерительных систем, систем контроля, телеметрии, дистанционного управления и систем охраны для совмещения обмена информацией и питания через изолирующий трансформатор однотактного маломощного преобразователя напряжения, преимущественно в многоканальных устройствах сбора информации от гальванически изолированных измерительных каналов. Техническим результатом является совмещение передачи питания и приема/передачи информации по двухпроводным линиям с гальванической изоляцией в многоканальных устройствах сбора данных от датчиков и измерительных каналов, упрощение устройства, реализующего способ, а также расширение функциональных возможностей однотактных преобразователей напряжения питания. Сущность изобретения заключается в способе передачи данных через изолирующий трансформатор однотактного маломощного преобразователя напряжения питания. Ведущий микроконтроллер формирует управляющие импульсы с изменяющейся скважностью либо длительностью, которые управляют ключом ведущей части однотактного преобразователя напряжения, разделяя период коммутации ключа ведущей части на четыре интервала работы. После замыкания ключа ведущей части намагничиваются трансформаторы, осуществляется передача энергии ведомым частям устройства и через цепи ограничения выбросов напряжения осуществляется передача информации с кодом начала опроса или номера одного из опрашиваемых ведомых микроконтроллеров ведомым частям устройства. Далее все ключи размыкаются. После чего осуществляется передача информации от одной из ведомых частей, которая определила свою очередность посредством своего микроконтроллера, к ведущей части, за счет управления микроконтроллером ведомой части переключением ключа этой ведомой части. При этом возникающие импульсы через трансформатор и далее через схему фильтрации поступают на вход ведущего микроконтроллера. Далее все ключи размыкаются и размагничивается тот трансформатор, который участвовал в передаче информации. 2 н. и 2 з.п. ф-лы. 6 ил.

Description

Способ и техническое решение относятся к области приборостроения и может быть использовано при построении распределенных измерительных систем, систем контроля, телеметрии, дистанционного управления и систем охраны для совмещения обмена информацией и питания через изолирующий трансформатор однотактного маломощного преобразователя напряжения, преимущественно в многоканальных устройствах сбора информации от гальванически изолированных измерительных каналов.

Известен способ построения систем контроля, дистанционного управления, телеметрии и охраны объектов (патент RU №2381627 от 30.05.2006, МПК H04L 5/14, Н04В 1/56), согласно которому питание отдельных модулей системы и передача информации между ними осуществляются только по одной паре проводов. Согласно данному способу сопряжения устройств передачи и приема информации по совмещенной линии связи выполняют аналоговую модуляцию информационных сигналов, которые суммируют с постоянным напряжением питания и передают по линии связи, а на приемной стороне для восстановления информационного сигнала используют фильтр на основе трансформатора с колебательным контуром и декодирующий микроконтроллер.

Известен способ сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи (патент RU №2534026, МПК Н04В 3/54). Согласно способу от ведущего устройства по двухпроводной линии связи подают сигнал запроса в виде широтно-модулированных импульсов тока на датчики с цифровым выходом, которые формируют ответные сигналы путем изменения длительности импульсов тока. В начале каждого импульса задают максимальное значение тока, подаваемого от ведущего устройства в линию связи, сравнивают напряжение в линии связи с напряжением питания ведущего устройства и при их равенстве уменьшают амплитуду импульса тока и стабилизируют амплитуду импульсов напряжения в линии связи. При опросе датчиков первый бит передаваемых данных формируют коротким импульсом тока, соответствующим «Лог.0», после чего передают номер опрашиваемого датчика широтно-модулированными импульсами тока, а для получения ответного сигнала формируют ведущим устройством импульсы тока, соответствующие «Лог.1», длительность которых модулируют выходным кодом опрашиваемого датчика, и подтверждают наличие импульсов тока в линии связи импульсами напряжения, поступающими на микроконтроллер ведущего устройства.

Известен способ сопряжения устройств передачи-приема информации по совмещенной двухпроводной линии связи и питания постоянного тока и устройство для его осуществления (патент RU №2474958 от 26.07.2011, МПК Н04В 3/00. В способе сопряжения устройств передачи-приема информации по совмещенной двухпроводной линии связи и питания постоянного тока, основанном на осуществлении приема-передачи информации методом аналоговой модуляции, модулируют в передатчике устройства низкочастотную несущую информационным цифровым сигналом, суммируют полученный радиосигнал с напряжением питания и передают по совмещенной линии связи и питания постоянного тока, выделяют в приемнике информационный радиосигнал из суммарного напряжения на линии, восстанавливают в приемнике устройства исходный цифровой информационный сигнал, с помощью контроллера устройства декодируют сигнал с приемника и формируют ответный информационный сигнал для передатчика, при этом в качестве развязки между приемопередатчиком каждого устройства и линией используют заграждающий фильтр, обеспечивающий согласование импедансов приемника и передатчика устройства и волнового сопротивления совмещенной линии связи и питания постоянного тока и выполненный на базе колебательного контура с частичным включением в совмещенную линию связи и питания постоянного тока, на котором выделяют принимаемый радиосигнал из суммарного напряжения на линии при приеме, выделяют постоянную составляющую напряжения питания устройства и суммируют радиосигнал передачи с напряжением на линии.

Все приведенные выше примеры имеют сложные схемы исполнения для реализации заявленных способов и, как минимум, не имеют гальванической развязки между цепями питания ведущих и ведомых устройств.

Известен способ управления ключевыми преобразователями постоянного напряжения в постоянное (патент RU №2565577, Н02М 3/135). Изобретение относится к преобразовательной технике. Способ управления ключевыми преобразователями постоянного напряжения в постоянное, содержащими индуктивный элемент в выходном фильтре или в индуктивном накопителе энергии. К традиционным режимам работы преобразователя: увеличению и уменьшению энергии в индуктивном элементе, добавляются два дополнительных режима - хранение верхнего уровня накопленной энергии и хранение нижнего уровня, в течение которых запас энергии в индуктивном элементе не меняется. Технический результат - устранение выбросов и провалов выходного напряжения при быстром выходе на режим и при скачкообразном изменении параметров нагрузки.

Данный способ использует гальваническую развязку цепей, но не предназначен для передачи информации между ними.

Известен прямоходовой преобразователь с синхронным выпрямлением и активным ограничением перенапряжений (патент RU №2743574, 3/335).

Преобразователь состоит из схемы управления и силовой цепи, включающей в себя импульсный трансформатор с двумя обмотками (первичная и вторичная), силовой ключ (МДП-транзистор), цепь активного ограничителя (последовательно включенный МДП-транзистор и конденсатор), синхронный выпрямитель (два МДП-транзистора), дроссель и конденсатор фильтра, демпфирующей цепи, образованной последовательно соединенными первым ограничивающим резистором и первым ограничивающим конденсатором, и активного ограничителя перенапряжений, состоящего из второго ограничивающего конденсатора, диода, дополнительного МДП-транзистора и второго ограничивающего резистора.

Данный преобразователь имеет цепи активного ограничения перенапряжений, которые могли бы быть использованы для управления им и передачи цифровой информации.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному является способ сопряжения устройств в электронной системе с совмещенной линией питания и передачи данных (патент RU №2404510 от 20.11.2010, МПК Н04В 3/54, G06F 13/38), согласно которому с помощью ведущего устройства на основе микроконтроллера формируют сигнал запроса в виде цифровой последовательности амплитудно-модулированных или широтно-модулированных импульсов, подаваемых на совмещенную линию связи, а подключенные к этой линии датчики с импульсным выходом по запросу ведущего устройства формируют ответные сигналы путем изменения длительности или временной задержки импульсов в совмещенной линии связи. Однако в этом способе и устройстве для его осуществления не предусмотрена гальваническая развязка между первичными и вторичными цепями.

Целью предполагаемого изобретения является совмещение передачи питания и приема/передачи информации по двухпроводным линиям с гальванической изоляцией в многоканальных устройствах сбора данных от датчиков и измерительных каналов, упрощение устройства, реализующего способ, а также расширение функциональных возможностей однотактных преобразователей напряжения питания.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в способе передачи данных через изолирующий трансформатор однотактного маломощного преобразователя напряжения питания, при котором ведущий микроконтроллер, управляющий однотактным преобразователем напряжения, с помощью широтно-импульсной модуляции формирует цифровое сообщение с кодом начала опроса или номера одного из опрашиваемых ведомых микроконтроллеров, которые через цепи ограничения выбросов напряжения воспринимают информацию и, в случае определения своей очередности, в интервалах свободных от передачи преобразователем энергии формируют соответствующие данные путем включения/выключения тока через обмотку своего трансформатора определенной цепью, управляемой данным микроконтроллером посредством ключа, а возникающие импульсы через обмотки трансформатора и далее через схему фильтрации поступают на вход ведущего микроконтроллера.

Заявляемый способ передачи данных через изолирующий трансформатор однотактного маломощного преобразователя напряжения питания и устройство для его осуществления позволяют осуществлять гальваническую развязку, питание и двунаправленную симплексную передачу данных посредством одного двух обмоточного трансформатора обычной конструкции в устройствах сбора и обработки аналоговой и дискретной информации для исключения применения дополнительных оптических, микро трансформаторных, магниторезистивных или емкостных устройств передачи информации между гальванически развязанными частями устройств. Для этого используется однотактный преобразователь напряжения в прямо ходовом режиме, при этом режим прямого хода используется для передачи как энергии, так и информации от «ведущей» к «ведомой» частям устройства. Передача информации от «ведущей» к «ведомой» части осуществляется изменением либо длительности, либо скважности питающих импульсов, например, изменением скважности что достаточно легко декодируется в «ведомой» части, в это время «ведомая» часть не передает информацию «ведущей». Питающие импульсы могут также использоваться для точной синхронизации «ведомой» части, что особенно актуально для многоканальных систем и позволяет использовать один точный генератор тактовой частоты в «ведущей» части для нескольких «ведомых».

Для реализации предлагаемого способа устройство содержит микроконтроллер ведущей части и ведомые части с микроконтроллерами, соединенными с периферийными устройствами съема сигналов, отличающееся тем, что по питанию ведущая и ведомая части связаны через трансформаторы однотактного маломощного преобразователя напряжения, при этом ведущая часть дополнительно содержит управляемый микроконтроллером драйвер затвора силового ключа, сток которого соединен через развязывающие диоды с началом первичных обмоток трансформаторов, концы первичных обмоток подключены к выходу драйвера затвора силового ключа, сток силового ключа соединен также с анодом рекуперационного диода и через фильтрующую цепь из резистора и конденсатора с входом микроконтроллера, а катод рекуперационного диода - с входом питания и входом питания драйвера, при этом, в каждой ведомой части устройства начало вторичной обмотки трансформатора через выпрямительный диод соединено с общим проводом, конец обмотки - с накопительным конденсатором вторичного питания, начало обмотки также соединено со стоком ключа и через ограничительную цепь из резистора и диода, подключенного к плюсу питания, с информационным входом микроконтроллера, выход которого соединен с затвором ключа, исток которого через резистор подключен к общему проводу.

Устройство может отличаться тем, что в ведомой части точка соединения стока ключевого элемента и ограничительной цепи подключена к началу обмотки через конденсатор, или тем, что в ведомой части начало вторичной обмотки трансформатора соединено с общим проводом, конец обмотки через выпрямительный диод - с накопительным конденсатором вторичного питания, а точка соединения стока ключа и ограничительной цепи подключена через конденсатор к концу вторичной обмотки трансформатора.

Краткое описание чертежей и работы устройства.

На фиг. 1 представлена «ведущая» часть устройства. Она содержит микроконтроллер, обеспечивающий работу устройства во всех режимах в соответствии с заданным алгоритмом, драйвер затвора силового ключа, обеспечивающий необходимый ток как для управления затвором силового ключа M1, так и для первичных обмоток трансформаторов T1.1 - T1.n, силовой ключ M1, обеспечивающий одновременную передачу энергии от «ведущей» части ко всем «ведомым» частям через первичные обмотки трансформаторов Т1.1-Т1.n в режиме прямого хода, развязывающие диоды D1 - Dn, предотвращающие прохождение тока между первичными обмотками в моменты передачи информации от «ведомой» к «ведущей» части, рекуперационный диод Dr, обеспечивающий возврат токов размагничивания трансформаторов в источник питания «ведущей» части, фильтрующую цепь Rф - Сф, препятствующую проникновению выбросов и колебаний, вызванных индуктивностями рассеивания трансформаторов в цепь приема информации «ведущей» части устройства.

В режиме передачи информации от «ведущей» к «ведомым» частям, микроконтроллер «ведущей» части формирует управляющие импульсы положительной полярности с дискретно изменяющейся скважностью либо длительностью, которые усиливаются драйвером затвора, поступают на управляющий вход ключа M1 и концы обмоток трансформаторов, вызывая срабатывание ключа M1 и передачу энергии через первичные обмотки трансформаторов ко всем «ведомым» частям устройства по цепям вторичных обмоток и выпрямительных диодов Dв в накопительные конденсаторы Сн. В последующие моменты закрытого состояния ключа M1 ток размагничивания трансформаторов возвращается в источник питания через рекуперационный диод Dr и выходные цепи драйвера затвора, выход которого в этот момент находится в состоянии с низким уровнем напряжения. Все «ведомые» части устройства в режиме приема информации от «ведущей» части непрерывно отслеживают моменты появления сформированных «ведущей» частью импульсов передачи энергии в точках начала вторичных обмоток через ограничительные резисторы Rз и измеряют либо их длительность, либо интервалы времени между ними (в зависимости от программной реализации). Эти измерения являются основанием для принятия «ведомыми» частями устройства решения о том, «логический 0» или «логическая 1» передавалась «ведущей» частью в этом цикле. Количество таких циклов заранее известно и запрограммировано во всех частях устройства и определяется необходимым количеством требуемой для «ведомых» частей информацией и конкретной реализацией протокола обмена информацией. Помимо этого, в каждой «ведомой» части заранее запрограммирован ее уникальный адрес, что позволяет «ведущей» части направлять запрос на передачу или необходимую информацию конкретной «ведомой» части устройства. Например, в самом простом случае, когда от конкретной программной реализации устройства требуется передача информации только от «ведомых» частей к «ведущему», «ведущий» непрерывно формирует импульсы со скважностью 1/4. Для инициации поочередного приема информации от «ведомых», «ведущий» на время действия одного цикла импульсов изменяет скважность до 1/2 формируя тем самым простейший однобитный групповой запрос. Все «ведомые» одновременно фиксируют этот момент, но первым вести передачу начинает «ведомый» с самым младшим адресом, при этом остальные «ведомые» ожидают своей очереди, пропуская заранее для них известное и соответствующее их адресу и количеству передаваемых бит число импульсов. Соответственно «ведущему» так же известно от какого именно «ведомого» в данный момент времени поступает информация. В более общем случае информация от «ведущей» части может содержать несколько бит адресного запроса или различных команд в соответствии с назначением «ведомых» частей. В режиме приема информации от «ведомой» части коммутация ключа M1 «ведущей» частью происходит с постоянной скважностью 1/4. В этом режиме, в каждом периоде коммутации ключа M1 можно выделить 4 примерно равных по времени интервала работы устройства:

1. Интервал предназначен для передачи энергии от «ведущей» ко всем «ведомым» частям. M1 замкнут. Происходит намагничивание трансформаторов и передача энергии «ведомым» частям, коммутирующие ключи всех «ведомых» всегда закрыты.

2. Интервал предназначен для размагничивания трансформаторов. M1 разомкнут. Происходит размагничивание трансформаторов и рекуперация энергии размагничивания в источник питания «ведущей» части через Dr, коммутирующие ключи всех «ведомых» всегда разомкнуты.

3. Интервал предназначен для передачи информации от «запрошенной» «ведомой» части к «ведущей». M1 разомкнут. Только на одной, «запрошенной» в данном цикле обмена «ведомой» части устройства, коммутирующий ключ, в зависимости от передающейся от нее информации, либо разомкнут, либо замкнут.На всех «не запрошенных» «ведомых» ключи всегда разомкнуты. В соответствии с этим в «ведущей» части в точке соединения катодов диодов D1 - Dn, будет присутствовать либо высокий, либо низкий уровень напряжения, который через фильтрующую цепь Сф - Rф поступит на микроконтроллер «ведущей» части устройства.

4. Интервал предназначен для размагничивания трансформатора «запрошенной» «ведомой» части. M1 разомкнут. Коммутирующие ключи всех «ведомых» всегда разомкнуты. В случае, если в предыдущем интервале коммутирующий ключ «запрошенного» «ведомого» был замкнут, происходит размагничивание его трансформатора и в «ведущей» части в точке соединения катодов диодов D1 - Dn, будет присутствовать соответствующий уровень напряжения, который через фильтрующую цепь Сф - Rф поступит на микроконтроллер.

Таким образом, за каждый период происходит передача одного бита информации от одного «ведомого» к «ведущему» микроконтроллеру. После передачи необходимого числа бит информации запрошенным «ведомым» и приема от «ведущего» соответствующего запроса с адресом очередного «ведомого», передачу начинает следующий «ведомый». Синхронизация передачи осуществляется по «питающему» импульсу первого интервала.

«Ведомая» часть устройства может быть реализована в трех вариантах. Первый, наиболее простой вариант представлен на фиг. 2, где:

Dв - выпрямительный диод, Сн - накопительный конденсатор, М2.n - ключ формирования данных, Ro - резистор ограничения тока, R.з, Dз - ограничительная (защитная) цепь, Тn.2 - вторичные обмотки трансформаторов. На фиг.5 - осциллограммы работы на входе приема информации микроконтроллера «ведущей» части устройства в точке соединения Rф и Сф.

На первом интервале работы устройства ток прямого хода, замкнутого в «ведущей» части устройства ключа M1 через обмотки трансформатора и выпрямительный диод Dв поступает в накопительный конденсатор Сн, питающий микроконтроллер и другие необходимые схемы «ведомой» части, причем функции диода Dв с целью упрощения схемы может выполнять защитный диод ключа М2.n с некоторой потерей КПД устройства.

На втором интервале работы устройства происходит размагничивание трансформаторов и рекуперация энергии в «ведущей» части.

На третьем интервале микроконтроллер «запрошенной» «ведомой» части в случае если наступило его время для передачи данных и очередной бит данных равен «1», замыкает ключ М2.n на периода. Это вызывает соответствующее изменение напряжения на первичной обмотке «запрошенной» части, что фиксируется микроконтроллером «ведущей» части. В противном случае ключ «ведомой» стороны остается в разомкнутом состоянии. При этом развязывающие диоды D1 - Dn препятствуют прохождению тока в первичные обмотки «не запрошенных» частей.

Четвертый интервал обеспечивает время, необходимое для размагничивания трансформатора, намагниченного в третьем интервале при передаче «1».

Ограничительный резистор Ro, образуя совместно с ключом М2.n источник тока при значительном увеличении тока через него, во всех вариантах «ведомой» части, служит для ограничения тока через вторичную обмотку трансформатора в случае нештатной работы «ведомой» части и замыкании ключа М2.n в отличные от третьего интервалы времени. С целью упрощения схемы при гарантированном выполнении условий коммутации ключа, этот резистор может отсутствовать.

Резистор Rз совместно с диодом Dз защищают приемный информационный вход микроконтроллера «ведомой» части от превышения допустимого напряжения. Посредством этой цепи осуществляется синхронизация и прием информации «ведомой» частью.

Второй вариант с дополнительным конденсатором Со в цепи ключа М2.n представлен на фиг. 3, осциллограммы работы также соответствуют фиг. 5.

Работа схемы аналогична первому варианту. Со совместно с Ro обеспечивает более надежное ограничение тока через вторичную обмотку трансформатора в случае нештатной работы «ведомой» части.

Третий вариант представлен на фиг. 4. На фиг. 6 - осциллограммы работы на входе приема информации микроконтроллера «ведущей» части устройства в точке соединения Rф и Сф.

Работа схемы аналогична первым двум вариантам, за исключением того, что в момент замыкания ключа М2.n на третьем интервале, предварительно заряженный на втором интервале через защитный диод ключа, конденсатор Со начинает разряжаться через вторичную обмотку трансформатора, не изменяя полярности напряжения на нем. Для «ведущей» части принципиально ничего не меняется, однако на информационном входе «ведомой» части этого варианта, в отличие от двух первых, отсутствуют дополнительные фронты импульсов вызванных коммутацией ее же собственного ключа М2.n, что упрощает процесс синхронизации «ведомой» части, освобождая микроконтроллер «ведомой» стороны от необходимости отключать информационный вход на время передачи информации к «ведущей» стороне и позволяя ему эффективно использовать встроенную периферию для работы только по нарастающему фронту входных импульсов. Еще одним положительным качеством этого варианта является возможность производить включение ключа М2.n не только точно в начале третьего интервала, но и в любой момент второго интервала, что так же способствует упрощению алгоритма работы «ведомой» стороны.

Работоспособность способа и устройства подтверждается эмуляцией схемы в программе LTspice XVII и опытным образцом, изготовленным в ООО «НПП «Югпромавтоматизация».

Claims (4)

1. Способ передачи данных через изолирующий трансформатор однотактного маломощного преобразователя напряжения питания, заключающийся в том, что ведущий микроконтроллер формирует управляющие импульсы с изменяющейся скважностью либо длительностью, которые управляют ключом ведущей части однотактного преобразователя напряжения, разделяя период коммутации ключа ведущей части на четыре интервала работы устройства, в первом из которых замыкается ключ ведущей части устройства, намагничиваются трансформаторы, осуществляется передача энергии ведомым частям устройства и через цепи ограничения выбросов напряжения осуществляется передача информации с кодом начала опроса или номера одного из опрашиваемых ведомых микроконтроллеров ведомым частям устройства, во втором интервале трансформаторы размагничиваются и энергия размагничивания рекуперируется в источник питания, при этом все ключи разомкнуты, в третьем интервале осуществляется передача информации от одной из ведомых частей, которая определила свою очередность посредством своего микроконтроллера, к ведущей части, за счет управления микроконтроллером ведомой части переключением ключа этой ведомой части, ключи остальных ведомых частей и ведущей части разомкнуты, при этом возникающие импульсы через трансформатор и далее через схему фильтрации поступают на вход ведущего микроконтроллера, в четвертом интервале размагничивается тот трансформатор, который участвовал в передаче информации в предыдущем интервале работы устройства, все ключи разомкнуты.

2. Устройство передачи данных через изолирующий трансформатор однотактного маломощного преобразователя напряжения питания по предложенному способу, содержащее микроконтроллер ведущей части и ведомые части с микроконтроллерами, соединенными с периферийными устройствами съема сигналов, отличающееся тем, что по питанию ведущая и ведомая части связаны через трансформаторы однотактного маломощного преобразователя напряжения, при этом ведущая часть дополнительно содержит управляемый микроконтроллером драйвер затвора силового ключа, сток которого соединен через развязывающие диоды с началом первичных обмоток трансформаторов, концы первичных обмоток подключены к выходу драйвера затвора силового ключа, сток силового ключа соединен также с анодом рекуперационного диода и через фильтрующую цепь из резистора и конденсатора - с входом микроконтроллера, а катод рекуперационного диода - с входом питания и питающим входом драйвера, при этом в каждой ведомой части устройства начало вторичной обмотки трансформатора через выпрямительный диод соединено с общим проводом, конец обмотки - с накопительным конденсатором вторичного питания, начало обмотки также соединено с стоком ключа и через ограничительную цепь из резистора и диода, подключенного к плюсу питания, с входом микроконтроллера, выход которого соединен с затвором ключа, исток которого через резистор подключен к общему проводу.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в ведомой части точка соединения стока ключа и ограничительной цепи подключена к началу обмотки через конденсатор.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в ведомой части начало вторичной обмотки трансформатора соединено с общим проводом, конец обмотки через выпрямительный диод - с накопительным конденсатором вторичного питания, а точка соединения стока ключа и ограничительной цепи подключена через конденсатор к концу вторичной обмотки трансформатора.

Images