CN207926616U - 一种仪表总线通讯电路装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种仪表总线通讯电路装置，包括主机通讯电路和从机通讯电路，主机通讯电路包括主机数据发送电路、电流环供电电路、接收检测电路和波形整形电路，从机通讯电路包括滤波整流电路、数据接收电路、从机数据发送电路和供电电路。通过在供电电缆上调制控制信号，替代了传统分离的控制电缆和供电电缆并大幅度提高通讯稳定性。它采用调制满幅电压发送，电流环信号回传的方式，提供了高通讯抗干扰能力。能适应现场使用的各种线材并实现远距离通讯的功能。电缆可以总线型、树型或星型等任意方式铺设，极大方便施工布线，并且可以防止错接发生，简化施工维护。总线提供电源管理功能，实现对总线的供电、通讯和故障监测。

Description

一种仪表总线通讯电路装置

技术领域

本实用新型涉及电路技术领域，特别涉及一种仪表总线通讯电路装置。

背景技术

二总线是一种相对于四线系统（两根供电线路、两根通讯线路），将供电线与信号线合二为一，实现了信号和供电共用一个总线的技术。二总线节省了施工和线缆成本，给现场施工和后期维护带来了极大的便利。在消防，仪表，传感器，工业控制等领域广泛的应用。典型两总线技术有M-BUS、消防总线等。目前的总线通讯电路普遍存在着数据传输稳定性差的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于改善现有技术中所存在的上述不足，提供一种仪表总线主机电路装置，以提高数据传输的稳定性。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型实施例提供了以下技术方案：

一种仪表总线通讯电路装置，包括主机通讯电路和从机通讯电路，其中，

主机通讯电路包括主机数据发送电路、电流环供电电路、接收检测电路和波形整形电路，数据发送电路用于实现以直流载波数据方式下发数据，电流环供电电路用于加载低压到总线上，接收检测电路用于通过检测电流环供电电路加载到总线上的电压判断接收到的数据，波形整形电路通过功率三极管吸收电容耦合效应的多余电量，调整总线上的波形；

从机通讯电路包括滤波整流电路、数据接收电路、从机数据发送电路和供电电路，滤波整流电路用于对总线进行EMS滤波就整流；数据接收电路用于通过分压方式进行数据采集，从机数据发送电路用于完成电流环的数据发送，供电电路通过二极管和储能电容实现稳定电压输出。

上述仪表总线通讯电路装置，通过在供电电缆上调制控制信号，替代了传统分离的控制电缆和供电电缆并大幅度提高通讯稳定性。它采用调制满幅电压发送，电流环信号回传的方式，提供了高通讯抗干扰能力。能适应现场使用的各种线材并实现远距离通讯的功能。电缆可以总线型、树型或星型等任意方式铺设，极大方便施工布线，并且可以防止错接发生，简化施工维护。总线提供电源管理功能，实现对总线的供电、通讯和故障监测。

进一步地，上述仪表总线通讯电路装置中，所述主机数据发送电路包括MOS管、第一三极管，MOS管的漏极连接直流电源的正极，MOS管的漏极通过一个电阻连接第一三极管的集电极，第一三极管的基极通过一个电阻连接数据发射端口，第一三极管的发射极接地。通过此种方式实现直流载波数据方式下发数据，无需电气隔离，既可以实现通讯又可以实现供电。

进一步地，上述仪表总线通讯电路装置中，所述电流环供电电路包括电源集成电路芯片、第二三极管、第一分压电阻和第二分压电阻，电源集成电路芯片的电源输入端连接直流电源的正极，电源集成电路芯片的接地端连接第二三极管的集电极，第二三极管的基极连接CONM端口，第二三极管的发射极接地，第二三极管的集电极还连接于串联的第一分压电阻和第二分压电阻之间，第一分压电阻的另一端连接于电源集成电路芯片的电源输出端，第二分压电阻的另一端接地。

进一步地，上述仪表总线通讯电路装置中，所述接收检测电路包括第三三极管、数据接收电阻和开关二极管，数据接收电阻的一端连接于电源集成电路芯片的电源输出端，另一端连接开关二极管的一端，第三三极管的发射极连接于电源集成电路芯片的电源输出端，基极连接于开关二极管的另一端，同时基极还通过一电阻连接SHORT端口，集电极连接接收端口。既能实现利用电流环接收数据，又能检测总线短路情况，提高系统的可靠性。

进一步地，上述仪表总线通讯电路装置中，所述波形整形电路包括第四三极管、第五三极管、第六三极管和第七三极管，第四三极管的基极连接数据发射端口，其集电极连接第五三极管的基极，并连接5V电压，第五三极管的集电极连接第六三极管的集电极，第六三极管的发射极连接MOS管的源极，第六三极管的基极连接第七三极管发射极，第七三极管的基极通过另一个开关二极管连接电源集成电路芯片的接地端，第七三极管的集电极接地。通过这样的功率管设计，可以把寄生电容上的能量通过控制第七三极管的开通而消耗掉，使波形响应更快，从而提高通讯的速度和可靠性。

进一步地，上述仪表总线通讯电路装置中，所述滤波整流电路包括50V的TVS管、两个滤波电容和整流桥，TVS管的两端连接电能端，两个滤波电容串联后与TVS管并联，整流桥的负极端连接于两个滤波电容之间，两个滤波电容的另一端分别连接于整流桥的交流端。

50V的TVS可以滤除总线上超出50V电压的干扰电压，保护总线上的器件，两个滤波电容可以滤除较窄的尖峰脉冲干扰，提高系统的抗干扰能力。整流桥可以使总线具有无极性的特点，接入线可以不分正负极，这样就减少了产品在安装过程中的接线出错概率，也方便了后期的调试和维护。

进一步地，上述仪表总线通讯电路装置中，所述数据接收电路包括数据接收端口、串联的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻的另一端连接整流桥的正极端，第二分压电阻的另一端连接整流桥的负极端，数据接收端口连接于两个分压电阻之间。通过这样的分流可以很好的得到接收的数据波形。

进一步地，上述仪表总线通讯电路装置中，所述从机数据发送电路包括三极管、负载电阻和数据发送端口，三极管的集电极连接第一分压电阻用于连接整流桥的一端，三极管的发射极连接负载电阻，三极管的基极连接数据发送端口，负载电阻的另一端接地。

进一步地，上述仪表总线通讯电路装置中，所述供电电路包括二极管和储能电容，二极管的正极端连接三级管的集电极，二极管的负极端连接正向电压，储能电容的一端连接二极管的负极端，另一端接地。通过二极管和储能电容进行电气分割和储能，从而得到稳定的电源，这样很好地实现了数据和供电共用2根电源线的总线模式。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1.总线可供电，通讯和供电无需电气隔离；

2.具备总线短路保护，短路移除自动恢复总线；

3.故障信号上报功能；

4.支持无极性布线；

5.通讯数据可以达到1KB/s；

6.无特殊线缆要求；

7.2根线就能实现供电和通讯，实现了更低成本解决方案；最大总线电压可达48V；

8.总线抗干扰能力强，可与市电并走；

9.可同时挂接256个设备；

10.通讯距离可达3000m；

11.支持任意拓扑布线：树形，星形，总线型。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的仪表总线通讯电路装置的方框图。

图2为实施例中主机通讯电路的电气原理图。

图3为实施例中从机通讯电路的电气原理图。

图4为主机发送数据波形图。

图5为主机接收数据波形图。

图6为负载取电电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

请参阅图1，本实施例中提供了一种仪表总线通讯电路装置，包括主机通讯电路和从机通讯电路，其中，主机通讯电路包括主机数据发送电路10、电流环供电电路20、接收检测电路30和波形整形电路40，从机通讯电路包括滤波整流电路50、数据接收电路60、从机数据发送电路70和供电电路80。

数据发送电路10的输入端连接直流电源，主机数据发送电路10用于实现以直流载波数据方式下发数据；电流环供电电路20的输入端连接主机数据发送电路10的输出端，电流环供电电路20用于加载低压到总线上；接收检测电路30的输入端连接电流环供电电路20的输出端，接收检测电路30用于通过检测电流环供电电路20加载到总线上的电压判断接收到的数据；波形整形电路40的输入端连接接收检测电路30的输出端，波形整形电路40通过功率三极管吸收电容耦合效应的多余电量，调整总线上的波形。

滤波整流电路50的一端连接电能端，滤波整流电路50用于对总线进行EMS滤波就整流；数据接收电路60的一端连接滤波整流电路50的另一端，数据接收电路60用于通过分压方式进行数据采集；从机数据发送电路70的一端连接数据接收电路60的另一端，从机数据发送电路70用于完成电流环的数据发送；供电电路80连接从机数据发送电路70的另一端，供电电路80通过二极管和储能电容实现稳定电压输出。

请参阅图2，主机通讯电路中，VIN+、VIN-为电源输入，VOUT+、VOUT-为电源输出，TDATA为发送数据信号，CONM为电流环控制信号，RX为数据接收信号，SHOORT为短路检测信号。

具体地，主机数据发送电路10包括MOS管Q8、第一三极管Q2，MOS管Q8的漏极连接直流电源的正极VIN+，MOS管Q8的漏极通过一个电阻R5连接第一三极管Q2的集电极，第一三极管Q2的基极通过一个电阻R9连接数据发射端口T_DATA，第一三极管Q2的发射极接地。

通过对T_DATA端口的控制，实现Q2三极管的开通和关断，从而实现对Q8 MOS管的控制，把T_DATA的数据通过MOS管的开关而加载到供电的电源上去，从而使总线上的供电电平实现带数据波形的电平，而其中的高电平部分实现给从机提供工作能量。总线以1ms为1个周期，一个周期内如果无数据下发，就会发出0.2ms的低电平+0.8ms的高电平；如果一个周期有数据下发就会在1ms内以特定的编码发送数据。而数据以单位周期内（0.1ms）全部为高电平的电平定义为二进制中的“1”，以在单位周期内有上升沿定义为二进制中的“0”，这样就可以向下发送通讯数据，发送数据波形图如图4所示。由此也可以看出，在下发数据为“1”时，系统持续给外部供电，当数据为“0”时，系统也有一半时间能持续输出供电，这样就可以最大限度的实现能量输出。由此可见，该总线既能提供足够的电能，也能实现通讯，且二者合二为一，无需电气隔离。

请参阅图2，本实施例中，所述电流环供电电路20包括电源集成电路芯片U1(采用LM317芯片)、第二三极管Q3、第一分压电阻R2和第二分压电阻R6，电源集成电路芯片U1的电源输入端连接直流电源的正极，电源集成电路芯片U1的接地端连接第二三极管Q3的集电极，第二三极管Q3的基极连接CONM端口，第二三极管Q3的发射极接地，第二三极管Q3的集电极还连接于串联的第一分压电阻R2和第二分压电阻R6之间，第一分压电阻R2的另一端连接于电源集成电路芯片U1的电源输出端，第二分压电阻R6的另一端接地。

通过R2、R6两个电阻分压给LM317（U1）提供基准电压，再通过CONM端口对Q3的控制实现对基准电压的控制，可以实现A点的电压变化，当CONM端口为高电平时，A点的电压为1.25V，当CONM端口为低电平时，A点为8V左右。当T_DATA发送数据时，CONM的波形和T_DATA相反，当T_DATA无数据下发时，CONM为低电平。电流环供电电路20的作用主要是把总线上没有发数据时的那0.2ms的低电平拉高到8V左右，而发送数据部分无影响，这样做是为了能在周期性0.2ms低电平上实现电流环数据传输，也就是为总线接收数据的部分做准备。

请参阅图2，本实施例中，所述接收检测电路30包括第三三极管Q1、数据接收电阻R1和开关二极管D1，数据接收电阻R1的一端连接于电源集成电路芯片U1的电源输出端，另一端连接开关二极管D1的一端，第三三极管Q1的发射极连接于电源集成电路芯片U1的电源输出端，基极连接于开关二极管D1的另一端，同时基极还通过一电阻连接SHORT端口，集电极连接接收端口。

通过R1、D1、Q1这三个元器件实现电流环部分的数据接收处理，当从机在周期性为0.2ms的8V电平上产生带数据的电流时，这个电流能在R1和D1的1和3脚之间产生电压差，也就是图1中B点的电压比A点的电压低，这样就能够使Q1导通，从而在C点上出现相应的电平波形，这样就能得到C点的数据信息，从而得到从机上发的数据，这就是电流环的数据接收原理。而在总线电平为24V的高电平期间，A点的电压始终为8V，而B点也能保持在5V以上电压，如果在这段时间内总线出现短路，则B点的电压会出现突降，直接降到1V一下，这样就会在SHORT端口出现电平变化，就能检测出总线短路的情况。

请参阅图2，本实施例中，所述波形整形电路40包括第四三极管Q7、第五三极管Q6、第六三极管Q9和第七三极管Q10，第四三极管Q7的基极连接数据发射端口T_DATA，其集电极连接第五三极管Q6的基极，并连接5V电压，第五三极管Q6的集电极连接第六三极管Q9的集电极，第六三极管Q9的发射极连接MOS管的源极，第六三极管Q9的基极连接第七三极管Q10发射极，第七三极管Q10的基极通过另一个开关二极管D2连接电源集成电路芯片U1的接地端，第七三极管Q10的集电极接地。

在总线电平变化过程中受到线路寄生电容的影响，在Q8关断后，总线电压不会迅速降低，这样就影响了通讯的可靠性，波形整形电路40可以把寄生电容上的能量通过控制Q10的开通而消耗掉，使波形响应更快，从而提高通讯的速度和可靠性。

请参阅图3，从机通讯电路中，power+、power-为总线输入，SLAVE_RX为从接收到的信号，SLAVE_TX为从机发送的信号。

具体地，所述滤波整流电路50包括50V的TVS管D5、两个滤波电容C4、C6和整流桥D4，TVS管采用SMBJ50CA，整流桥采用MB6S，TVS管的两端连接电能端，C4、C6串联后与TVS管并联，整流桥的负极端连接于C4、C6之间，C4的另一端连接于整流桥的一个交流端，C6的另一端连接于整流桥的另一个交流端。D5是电压为50V的TVS管，可以滤除总线上超出50V电压的干扰电压，保护总线上的器件，C4、C6可以滤除较窄的尖峰脉冲干扰，提高系统的抗干扰能力。D4是整流桥，可以使总线具有无极性的特点，接入线可以部分正负极，这样就减少了产品在安装过程中的接线出错概率，也方便了后期的调试和维护。

请参阅图3，本实施例中，所述数据接收电路60包括数据接收端口SLAVE_RX、第一分压电阻R34和第二分压电阻R36，电阻R34与R36串联，第一分压电阻R34的另一端连接整流桥的正极端，并连接正向电压，第二分压电阻R36的另一端连接整流桥的负极端，并接地，数据接收端口SLAVE_RX连接于电阻R34与R36之间。

从机发送数据则需要主机的配合，在主机没有下发数据时会通过固定时间下发一个0.2ms的8V的电平，这个电平同样通过R34、R36分压就能检测到，如果这个低电平超过0.1ms没有变化，说明主机在这里没有下发数据，这时从机就能通过SLAVE_TX发送数据了，从机发送1时为低电平，发送0时SLAVE_TX为高电平，会通过R43拉总线上的电流，这时主机部分的R1处会分到一定的电压，使A点电压高于B点，从而开通Q1三极管，在R11上分得一定的电压（C点），如图5所示。再通过波形整形电路整形，从而得到RX的数据。

请参阅图3，本实施例中，从机数据发送电路70包括三极管Q11、负载电阻R43和数据发送端口SLAVE_TX，三极管Q11的集电极连接第一分压电阻R34用于连接整流桥的一端，三极管Q11的发射极连接负载电阻R43，三极管Q11的基极连接数据发送端口SLAVE_TX，负载电阻R43的另一端接地。在主机下发0.2ms周期性的8V较低电平时，从机数据发送通过SLAVE_TX端口控制三极管Q11的通断，从而控制总线上通过的电流，让主机可以通过检测电流的方式获得数据。但是由于周期性0.2ms的低电平时间过短，所以在主机检测到从机发送数据的第一二个二进制数据时就需要把这个0.2ms的8V电平暂开到0.5ms的8V电平，这样才能使从机把一个字节的数据以38400bit的波特率发送完整。

请参阅图3，本实施例中，所述供电电路80包括二极管D3和储能电容C5，二极管D3的正极端连接三级管Q11的集电极，二极管D3的负极端连接24V正向电压，储能电容C5的一端连接二极管D3的负极端，另一端接地。当滤波整流电路10、数据接收电路20、数据发送电路30把数据的接收和发送放入总线后，总线的电压是不稳定的，此处通过从机上的二极管D3、储能电容C5进行电气分割和储能，从而得到了稳定的电源，实现数据和供电共用2根电源线的总线模式。

由于总线上随时都有电流环通讯，所以在总线上不能接普通负载，不然会始电流环通讯失效，也可能使主机检测到短路而进行保护动作，如果要从总线上取电，共非2总线设备使用，非2总线设备负载可以按照图6所示方式连接取电。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种仪表总线通讯电路装置，其特征在于，包括主机通讯电路和从机通讯电路，其中，

主机通讯电路包括主机数据发送电路、电流环供电电路、接收检测电路和波形整形电路，数据发送电路用于实现以直流载波数据方式下发数据，电流环供电电路用于加载低压到总线上，接收检测电路用于通过检测电流环供电电路加载到总线上的电压判断接收到的数据，波形整形电路通过功率三极管吸收电容耦合效应的多余电量，调整总线上的波形；

从机通讯电路包括滤波整流电路、数据接收电路、从机数据发送电路和供电电路，滤波整流电路用于对总线进行EMS滤波就整流；数据接收电路用于通过分压方式进行数据采集，从机数据发送电路用于完成电流环的数据发送，供电电路通过二极管和储能电容实现稳定电压输出。

2.根据权利要求1所述的仪表总线通讯电路装置，其特征在于，所述主机数据发送电路包括MOS管、第一三极管，MOS管的漏极连接直流电源的正极，MOS管的漏极通过一个电阻连接第一三极管的集电极，第一三极管的基极通过一个电阻连接数据发射端口，第一三极管的发射极接地。

3.根据权利要求2所述的仪表总线通讯电路装置，其特征在于，所述电流环供电电路包括电源集成电路芯片、第二三极管、第一分压电阻和第二分压电阻，电源集成电路芯片的电源输入端连接直流电源的正极，电源集成电路芯片的接地端连接第二三极管的集电极，第二三极管的基极连接CONM端口，第二三极管的发射极接地，第二三极管的集电极还连接于串联的第一分压电阻和第二分压电阻之间，第一分压电阻的另一端连接于电源集成电路芯片的电源输出端，第二分压电阻的另一端接地。

4.根据权利要求3所述的仪表总线通讯电路装置，其特征在于，所述接收检测电路包括第三三极管、数据接收电阻和开关二极管，数据接收电阻的一端连接于电源集成电路芯片的电源输出端，另一端连接开关二极管的一端，第三三极管的发射极连接于电源集成电路芯片的电源输出端，基极连接于开关二极管的另一端，同时基极还通过一电阻连接SHORT端口，集电极连接接收端口。

5.根据权利要求4所述的仪表总线通讯电路装置，其特征在于，所述波形整形电路包括第四三极管、第五三极管、第六三极管和第七三极管，第四三极管的基极连接数据发射端口，其集电极连接第五三极管的基极，并连接5V电压，第五三极管的集电极连接第六三极管的集电极，第六三极管的发射极连接MOS管的源极，第六三极管的基极连接第七三极管发射极，第七三极管的基极通过另一个开关二极管连接电源集成电路芯片的接地端，第七三极管的集电极接地。

6.根据权利要求1所述的仪表总线通讯电路装置，其特征在于，所述滤波整流电路包括50V的TVS管、两个滤波电容和整流桥，TVS管的两端连接电能端，两个滤波电容串联后与TVS管并联，整流桥的负极端连接于两个滤波电容之间，两个滤波电容的另一端分别连接于整流桥的交流端。

7.根据权利要求6所述的仪表总线通讯电路装置，其特征在于，所述数据接收电路包括数据接收端口、串联的第一分压电阻和第二分压电阻，第一分压电阻的另一端连接整流桥的正极端，第二分压电阻的另一端连接整流桥的负极端，数据接收端口连接于两个分压电阻之间。

8.根据权利要求7所述的仪表总线通讯电路装置，其特征在于，所述从机数据发送电路包括三极管、负载电阻和数据发送端口，三极管的集电极连接第一分压电阻用于连接整流桥的一端，三极管的发射极连接负载电阻，三极管的基极连接数据发送端口，负载电阻的另一端接地。

9.根据权利要求8所述的仪表总线通讯电路装置，其特征在于，所述供电电路包括所述二极管和所述储能电容，二极管的正极端连接三级管的集电极，二极管的负极端连接正向电压，储能电容的一端连接二极管的负极端，另一端接地。