CN212518971U - 一种直流载波通讯电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种直流载波通讯电路，其包括主站电路（1）和与所述主站电路（1）通过传输总线电连接的多个子站电路（2），所述主站电路（1）包括为所述主站电路（1）提供电压的主站直流电路（11）和与所述主站直流电路（11）并联以调制或解调通讯信号的直流电压上的主站载波电路（12），所述子站电路（2）包括提取传输总线上的载波信号中的电压为所述子站电路（2）供电的子站直流电路（21）和与所述子站直流电路（21）并联以调制或解调载波信号的子站载波电路（22）。本实用新型可通过一对导线同时实现供电和通讯功能。

Description

一种直流载波通讯电路

技术领域

本实用新型涉及通信控制领域，特别涉及一种直流载波通讯电路。

背景技术

主从机之间的实现交互通信时，在硬件上，任何的通讯形式都离不开电源和信号两大通道，常规的通讯方式大都采用供电和通讯相互独立的方式实现，这种通讯方式需要四根传输线作为载体才能完成供电和通讯功能，结构复杂，布线不便，很多场合没有这样的使用条件，即使有这种条件，通讯线路复杂成本高，也会造成资源的浪费，影响效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种直流载波通讯电路，可通过一对导线同时实现供电和通讯功能。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种直流载波通讯电路，其包括主站电路和与所述主站电路通过传输总线电连接的多个子站电路，所述主站电路包括为所述主站电路提供电压的主站直流电路和与所述主站直流电路并联以调制或解调通讯信号的直流电压上的主站载波电路，所述子站电路包括提取传输总线上的载波信号中的电压为所述子站电路供电的子站直流电路和与所述子站直流电路并联以调制或解调载波信号的子站载波电路。

此外，本实用新型还包括如下附属技术方案：

所述主站直流电路包括主站直流供电模块和与所述主站直流供电模块串联的总线驱动电路，所述主站直流供电模块用于提供电压，所述总线驱动电路包括第一功率场效应管Q1，所述第一功率场效应管Q1的源极与所述主站直流供电模块的正极相连。

所述主站载波电路包括主站微控制模块和与所述主站微控制模块并联的主站载波调制解调电路，所述主站载波调制解调电路并联在所述第一功率场效应管Q1上。

所述主站载波调制解调电路的信号输出端与所述第一功率场效应管Q1的栅极相连，所述主站载波调制解调电路的信号输入端与所述第一功率场效应管Q1的漏极相连。

所述第一功率场效应管Q1的漏极与所述传输总线相连，所述第一功率场效应管Q1的漏极与所述传输总线之间设置有电磁兼容保护电路。

所述主站直流供电模块上并联有稳压保护电路。

所述子站直流电路包括与所述传输总线并联的总线保护电路和与所述总线保护电路串联的子站电源提取电路。

所述子站电源提取电路包括子站稳压模块、第二电容C2和第七二极管D7，所述第七二极管D7的正极与所述总线保护电路输出端相连，所述第七二极管D7的负极与所述子站稳压模块的正极相连，所述第二电容C2的一端与所述子站稳压模块的正极相连，另一端与所述子站稳压模块的负极相连，并接地。

所述子站载波电路包括子站微控制模块和与所述子站微控制模块并联的子站载波调制解调电路。

所述子站载波调制解调电路的信号输入端与所述第七二极管D7的正极相连，所述子站载波调制解调电路的信号输出端与所述总线保护电路输出端相连。

相比于现有技术，本实用新型优点在于：

主站载波电路将通讯信号调制到主站直流电路提供的直流电压上，并通过传输总线传输给子站直流电路，子站直流电路提取传输总线上的载波信号中的电压，为子站电路供电，子站载波电路解调载波信号形成通讯信号；子站载波电路将通讯信号调制到子站直流电路的载波电压上，并通过传输总线传输给主站电路，主站载波电路解调传输总线上的载波信号形成通讯信号，主站电路与子站电路之间采用一对导线同时实现供电和通讯功能，结构简单，布线方便，适用范围广。

附图说明

图1是本实用新型一种直流载波通讯电路的示意图。

图2是本实用新型中主站电路的示意图。

图3是本实用新型中子站电路的示意图。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对本实用新型技术方案作进一步非限制性的详细说明。

如图1所示，对应于本实用新型的一种较佳实施例的直流载波通讯电路，其包括主站电路1和与所述主站电路1电连接的多个子站电路2。

如图2所示，主站电路1包括主站直流电路11和与所述主站直流电路11并联的主站载波电路12。所述主站直流电路11包括主站直流供电模块111、与主站直流供电模块111并联的稳压保护电路112、与稳压保护电路112串联的总线驱动电路113、与所述总线驱动电路113串联的主站整流桥电路114以及与所述主站整流桥电路114并联的电磁兼容（EMC）保护电路115。

主站直流供电模块111，用于提供12-48V电压。

所述稳压保护电路112包括第一电容C1，第一电容C1的正极与主站直流供电模块111的正极相连，所述第一电容C1的负极与主站直流供电模块111的负极相连并接地。第一电容C1的优选取值范围在470uf-2000uf，用于稳定供电电压，在瞬间大电流输出的情况下，防止总线电压跌落。

总线驱动电路113包括第一功率场效应管Q1和第一电阻R1，第一功率场效应管Q1的源极与主站直流供电模块111的正极相连，第一功率场效应管Q1的漏极与主站整流桥电路114相连，所述第一功率场效应管Q1的栅极与第一电阻R1的一端相连。第一功率场效应管Q1优选型号为：IRF4905，因为IRF4905具有极低的导通阻抗、快速的转换速率、以及增强的可恢复性雪崩击穿等级，工作温度可达170度，这些特性使其成为极其高效可靠、应用范围超广的器件，在本实用新型中，可保障总线电流和可靠性的要求。当主站电路1电连接的子站电路2功耗较大，或数量较多，还可以通过并联多个IRF4905以满足要求。第一电阻R1的优选阻值为22Ω。

主站整流桥电路114包括第一双二极管D1和与所述第一双二极管D1并联的第二双二极管D2，所述第一功率场效应管Q1的漏极与第一双二极管D1和第二双二极管D2的正极相连点相连，第一双二极管D1和第二双二极管D2的负极相连点接地。在本实施例中，第一双二极管D1和第二双二极管D2优选采用型号为：BAV23S，其开关速度可达50ns，连续反向电压200V，反向峰值电压最大250V，可以很好的满足本实用新型中整流桥的性能要求。

电磁兼容保护电路115并联在第一双二极管D1的公共连接点和第二双二极管D2的公共连接点上，电磁兼容保护电路包括两个反向串联的第一瞬态二极管TVS1，优选型号为：SMBJ40CA，可瞬态吸收脉冲干扰、静电放电、及感性负载产生的反向电压，以保护主站电路1的器件。

主站载波电路12包括主站微控制模块121和与所述主站微控制模块121并联的主站载波调制解调电路122，所述主站载波调制解调电路122与所述总线驱动电路113并联，所述主站载波调制解调电路122将所述主站微控制模块121的通讯信号调制到主站直流供电模块111提供的直流电压上，经总线驱动电路113和主站整流桥电路114形成一对无极性的载波信号；反之从传输总线传输过来的载波信号经主站整流桥电路114后还原成单极性的载波信号，然后由主站载波调制解调电路122解调形成通讯信号发送给主站微控制模块121。

其中，主站载波调制解调电路122包括第一控制模块U1，第一控制模块U1为主站直流载波控制芯片，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，采用满幅电压发送，提供了高通讯抗干扰能力。第一控制模块U1可对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。第一控制模块U1具有如下特性：总线可供电，通讯和供电无需电气隔离；总线抗干扰能力强，可与市电并走；可支持总线电流20A（2400bps）；具备总线短路保护，短路移除自动恢复总线；故障信号上报功能；可同时挂接256个设备；通讯距离可达3000m；支持无极性布线；支持任意拓扑布线：树形，星形，总线型；无特殊线缆要求；最新的更低成本解决方案；最大总线电压可达48V；透明串口协议，可兼容原RS485系统；支持通讯速率9600bps和2400bps半双工通讯；可隔离设计又可非隔离设计，保证电磁兼容特性。

第一控制模块U1的9号引脚功能是串行数据接收；14号引脚功能是串行数据发送；6号引脚的功能是输入直流电源；4号引脚的功能是驱动功率场效应管；3号引脚的功能是直流载波总线输出。第一控制模块U1的9号引脚与所述主站微控制模块121的发送（TX）引脚相连，第一控制模块U1的14号引脚与所述主站微控制模块121的接收（RX）引脚相连，第一控制模块U1的6号引脚与主站直流供电模块111的正极（即第一功率场效应管Q1的源极）相连，第一控制模块U1的4号引脚与第一电阻R1的另一端相连，第一控制模块U1的3号引脚与所述第一功率场效应管Q1的漏极相连，第一控制模块U1的2、5、12号引脚接地，第一控制模块U1的1号引脚接12V电压。

第一控制模块U1所能支持的载波电压可高达48V，这一性能解决了远距离载波通讯的问题，关于载波电压和传输距离的关系简要分析如下：

主站的载波电压为V1，假设子站最低允许的载波电压为V2=12V，总线上所有子站设备的功率总和为P=20W，总线线缆损耗R10=0.1Ω/m，为简化计算，忽略各子站在总线上所处位置对电压和电流的影响，以及总线阻抗对每个位置电流和电压的影响，可简单估算如下：

当V1=48V时，各子站总电流I=P/V1=20/48=0.12A，总线允许的压差V=V1-V2=48-12=36V，因此，总线允许的线缆总阻抗R=V/I=36/0.12=300Ω，允许的线缆总长=R/R1=300/0.1=3000m。

当V1=24伏时，各子站总电流I= P/V1=20/24=0.83A，总线允许的压差V=V1-V2=24-12=12V，因此，总线允许的线缆总阻抗R=V/I=12/0.83=14.5Ω，允许的线缆总长=R/R1=14.5/0.1=145m。

负载相同的情况下，载波电压48V时可传输达3000米，载波电压24V时只有145米，当然实际使用时数据会略有变化，视子站组网方式和安装位置以及线缆的质量有关。

如图3所示，子站电路2包括子站直流电路21和与所述子站直流电路21并联的子站载波电路22。所述子站直流电路21包括与电磁兼容保护电路通过传输总线并联的总线保护电路211、与所述总线保护电路211并联的子站整流桥电路212、与所述子站整流桥电路212串联的子站电源提取电路213。

总线保护电路211包括可恢复保险丝F1和两个反向串联的第二瞬态二极管TVS2，所述可恢复保险丝F1的一端与所述与电磁兼容保护电路的一个输出端相连，所述可恢复保险丝F1的另一端与所述两个反向串联的第二瞬态二极管TVS2的一端相连，所述两个反向串联的第二瞬态二极管TVS2的另一端与电磁兼容保护电路的另一个输出端相连。可恢复保险丝F1的作用是防止短路和减少上电冲击。若从站损坏变成短路状态时，可恢复保险丝F1可以使此从站从总线脱离，而不影响总线和其他从站。第二瞬态二极管TVS2优选采用型号为：SMBJ40CA，可瞬态吸收脉冲干扰、静电放电、及感性负载产生的反向电压，以保护子站电路2器件。

子站整流桥电路212包括第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5以及第六二极管D6，组成全波整流桥。第三二极管D3正极与第四二极管D4负极相连的连接点与所述可恢复保险丝F1的另一端相连，第五二极管D5正极与第六二极管D6负极相连的连接点与两个反向串联的第二瞬态二极管TVS2的另一端相连。第六二极管D6正极与第四二极管D4正极相连的连接点接地，第五二极管D5负极与第三二极管D3负极相连的连接点与子站电源提取电路213相连。二极管优选型号为：IN4007，具有较强的正向浪涌承受能力，额定电流1A，耐压700V，最大反向漏电流5uA，正向压降1.0V，最大反向峰值电流30uA，工作温度：－50℃～+150℃，能很好的满足子站整流桥电路212的要求。

子站电源提取电路213包括子站稳压模块2131、第二电容C2和第七二极管D7，第五二极管D5负极与第三二极管D3负极的连接点与第七二极管D7的正极相连，第七二极管D7的负极与子站稳压模块2131的正极相连，第二电容C2的一端与子站稳压模块2131的正极相连，另一端与子站稳压模块2131的负极相连。子站电路2的供电来自于主站电路1，无需额外提供电源供给。无极性总线载波信号经子站整流桥电路212后形成单极性的调制信号，该调制信号接入子站电源提取电路213，经第七二极管D7整流和第二电容C2稳压后输入子站稳压模块2131，产生子站电路2所需的工作电压。

子站载波电路22并联在子站整流桥电路和子站电源提取电路213之间。其包括子站微控制模块221和与所述子站微控制模块221并联的子站载波调制解调电路222。

子站载波调制解调电路222包括第二控制模块U2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、三极管T1，第二控制模块U2为与第一控制模块U1配套的子站直流载波控制芯片，其波特率根据主站设置自适应，接收和发送自适应支持8位9位数据方式，第9位可以是数据位、校验位、地址位。第二控制模块U2具有如下特性：总线可供电，通讯和供电无需电气隔离；总线抗干扰能力强，可与市电并走；可同时挂接256个设备；通讯距离可达3000m；支持无极性布线；支持任意拓扑布线：树形，星形，总线型；无特殊线缆要求；最大总线电压可达48V；透明串口协议，可兼容原RS485系统；自适应9600bps和2400bps半双工通讯；低成本的解决方案；可隔离设计又可非隔离设计，保证电磁兼容特性。

第二控制模块U2的3号引脚功能是串行数据接收；2号引脚功能是串行数据发送；第二控制模块U2的5号引脚功能是直流载波信号输出；第二控制模块U2的6号引脚功能是直流载波信号输入。第二控制模块U2的3号引脚与所述子站微控制模块221的发送（TX）引脚相连，第二控制模块U2的2号引脚与所述子站微控制模块221的接收（RX）引脚相连，第二控制模块U2的1号引脚与子站稳压模块2131的正极相连；第二控制模块U2的8号引脚接地；第二控制模块U2的6号引脚通过第二电阻R2连接至第七二极管D7的正极，同时6号引脚还通过第三电阻R3接地。第二控制模块U2的6号引脚通过第五电阻R5连接至三极管T1的基极，三极管T1的发射极连接至第五二极管D5和第三二极管D3的连接点，三极管T1的集电极通过第四电阻R4接地。三极管T1、第四电阻R4以及第五电阻R5对输出信号进行功率放大，第二电阻R2和第三电阻R3起分压作用，以满足输入适应第一控制模块U1的电平要求。

本实用新型的主站电路1的工作原理为：

主站电路1发送信号：当主站电路1发送信号时，主站微控制模块121的TX脚发送信号到第一控制模块U1的9号引脚，第一控制模块U1将该信号调制到载波电压上，从4号引脚输出已调载波信号，该信号通过第一电阻R1加载到第一功率场效应管Q1的栅极，第一功率场效应管Q1的源极连接未调制的载波电压，这二极之间形成与通讯信号脉冲相对应的通断时序，从而输出调制后的载波信号，其输出功率由第一功率场效应管Q1决定，第一控制模块U1的4号引脚输出只起控制作用，这样就可保障有较大的总线输出功率。该已调信号和地线分别接到第一双二极管D1和第二双二极管D2构成的主站整流桥的正负二端，从整流桥的另二端输出一对无极性的已调载波信号总线。

主站电路1接收信号：当子站电路2通过总线传输信号到主站电路1时，通过第一双二极管D1和第二双二极管D2构成的主站整流桥，形成单极性的已调载波信号，该信号传送到第一控制模块U1的3号引脚，第一控制模块U1将该已调信号解调，形成RX通讯信号，从第一控制模块U1的14号引脚输给主站微控制模块121的RX引脚，从而完成信号的接收。

本实用新型的子站电路2的工作原理为：

子站电路2接收信号：总线载波信号经二极管D3-D6构成的子站整流桥后形成单极性已调载波信号，该信号连接到子站电源提取电路213，经稳压后产生子站电路2所需的3.3V或5V电源，给子站微控制模块221和第二控制模块U2等器件提供工作电压；同时该单极性的已调载波信号通过第二电阻R2和第三电阻R3分压后输入第二控制模块U2的6号引脚，经第二控制模块U2解调后形成通讯信号，通过第二控制模块U2的2号引脚发送给子站微控制模块221的RX引脚。

子站电路2发送信号：当子站电路2发送信号时，子站微控制模块221的TX引脚发送信号到第二控制模块U2的3号引脚，第二控制模块U2将该信号调制到载波电压上，从5号引脚输出已调载波信号，该信号通过由三极管T1、第四电阻R4以及第五电阻R5构成的功率放大器加载到单极性载波上，该单极性载波信号和地线分别接到子站整流桥的正负二端，从子站整流桥的另二端输出一对无极性的已调信号总线，从而完成子站信号的发送。

本实用新型的直流载波通讯电路，主站载波电路将通讯信号调制到主站直流电路提供的直流电压上，并通过传输总线传输给子站直流电路，子站直流电路提取传输总线上的载波信号中的电压为子站电路供电，子站载波电路解调载波信号形成通讯信号；子站载波电路将通讯信号调制到子站直流电路的载波电压上，并通过传输总线传输给主站电路，主站载波电路解调传输总线上的载波信号形成通讯信号，主站电路与子站电路之间采用一对导线同时实现供电和通讯功能，结构简单，布线方便，适用范围广；主站电路的第一控制模块U1采用主站直流载波控制芯片，从站电路的第二控制模块U2采用与第一控制模块U1配套的从站直流载波控制芯片，且两个芯片支持的最高电压为48V，适用于长距离传输和更多子站的挂接，在降低建设成本的同时保障了通讯的稳定可靠；在主站电路设置主站整流桥电路，在子站电路设置子站整流桥电路，主站直流电路输出的单极性已调载波信号经主站整流桥电路整流后形成无极性的已调载波信号传输给子站电路，子站整流桥电路接收无极性的已调载波信号并整流形成单极性已调载波信号；子站直流电路输出的单极性已调载波信号经子站整流桥电路整流后形成无极性的已调载波信号传输给主站电路，主站整流桥电路接收无极性的已调载波信号并整流形成单极性已调载波信号，实现双向整流，使传输线路真正做到无极性，保障通讯和设备的可靠性。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流载波通讯电路，其包括主站电路（1）和与所述主站电路（1）通过传输总线电连接的多个子站电路（2），其特征在于：所述主站电路（1）包括为所述主站电路（1）提供电压的主站直流电路（11）和与所述主站直流电路（11）并联以调制或解调通讯信号的直流电压上的主站载波电路（12），所述子站电路（2）包括提取传输总线上的载波信号中的电压为所述子站电路（2）供电的子站直流电路（21）和与所述子站直流电路（21）并联以调制或解调载波信号的子站载波电路（22）。

2.根据权利要求1所述直流载波通讯电路，其特征在于：所述主站直流电路（11）包括主站直流供电模块（111）和与所述主站直流供电模块（111）串联的总线驱动电路（113），所述主站直流供电模块（111）用于提供电压，所述总线驱动电路（113）包括第一功率场效应管Q1，所述第一功率场效应管Q1的源极与所述主站直流供电模块（111）的正极相连。

3.根据权利要求2所述的直流载波通讯电路，其特征在于：所述主站载波电路（12）包括主站微控制模块（121）和与所述主站微控制模块（121）并联的主站载波调制解调电路（122），所述主站载波调制解调电路（122）并联在所述第一功率场效应管Q1上。

4.根据权利要求3所述的直流载波通讯电路，其特征在于：所述主站载波调制解调电路（122）的信号输出端与所述第一功率场效应管Q1的栅极相连，所述主站载波调制解调电路（122）的信号输入端与所述第一功率场效应管Q1的漏极相连。

5.根据权利要求2所述的直流载波通讯电路，其特征在于：所述第一功率场效应管Q1的漏极与所述传输总线相连，所述第一功率场效应管Q1的漏极与所述传输总线之间设置有电磁兼容保护电路（115）。

6.根据权利要求1至5任一项所述的直流载波通讯电路，其特征在于：所述主站直流供电模块（111）上并联有稳压保护电路（112）。

7.根据权利要求1至5任一项所述的直流载波通讯电路，其特征在于：所述子站直流电路（21）包括与所述传输总线并联的总线保护电路（211）和与所述总线保护电路（211）串联的子站电源提取电路（213）。

8.根据权利要求1至5任一项所述的直流载波通讯电路，其特征在于：所述子站电源提取电路（213）包括子站稳压模块（2131）、第二电容C2和第七二极管D7，所述第七二极管D7的正极与所述总线保护电路（211）输出端相连，所述第七二极管D7的负极与所述子站稳压模块（2131）的正极相连，所述第二电容C2的一端与所述子站稳压模块（2131）的正极相连，另一端与所述子站稳压模块（2131）的负极相连，并接地。

9.根据权利要求8所述的直流载波通讯电路，其特征在于：所述子站载波电路（22）包括子站微控制模块（221）和与所述子站微控制模块（221）并联的子站载波调制解调电路（222）。

10.根据权利要求9所述的直流载波通讯电路，其特征在于：所述子站载波调制解调电路（222）的信号输入端与所述第七二极管D7的正极相连，所述子站载波调制解调电路（222）的信号输出端与所述总线保护电路（211）输出端相连。

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