CN101383084B - 一种隔离型总线供电通信*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开的隔离型总线供电通信***包括接在电源/通信总线上的电源模块和N个通信模块，N至少为2个，电源模块包括功率开关电路和开关控制电路，通信模块包括隔离变压器、整流稳压电路、数据发送电路、数据接收电路和通信控制电路，通信模块在电源/通信总线上的每个数据位的传输都包含4个阶段：正电源阶段、负电源阶段、磁复位阶段和数据通信阶段。本发明的总线供电通信***电路结构简单，在一对传输总线上同时实现电源供应和数据信号传输的功能，并通过单一变压器实现信号隔离，大大简化了电路的复杂度并降低了成本。在构成多节点总线通信方式时，支持主从通信和对等通信。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔离型总线供电通信***，尤其是通过变压器隔离传输的单总线传输电源与数据的***，属于现场总线通信技术领域。
背景技术
在工业控制、智能楼宇、设备监控等领域，存在大量将现场分散的检测点和控制点通过总线进行连接的需求。目前常用的总线技术有RS485、CAN、ProfiBus等。与集中式的星型连线相比，总线方式可大大减少连线的总长度和布线的复杂度。每个总线模块的接口需要一对电源线和一对信号线。
为了进一步减少连线以及从设备本征安全特性考虑，目前也有多种只需通过一对线同时传输信号和电源的技术，如ProfiBus-PA所采用的IEC1158-2标准等。这种技术采用曼彻斯特编码将基带数据信号叠加到电源线上，再进行传输。
ProfiBus-PA在工业控制领域得到广泛应用。但是，ProfiBus-PA与RS485、CAN一样，都存在一个缺点：总线与通信控制器没有隔离，当多个被控量之间电位不等时，必须附加隔离电路将通信控制器的通信数据线与总线隔离。此外还要通过DC/DC隔离电路将控制器电源与总线相隔离，因而需要大量的***电路。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，在一对电源/通信总线上能同时实现电源供应和数据传输的隔离型总线供电通信***。
本发明的隔离型总线供电通信***，其特征是包括接在电源/通信总线上的电源模块和N个通信模块，N至少为2个，其中：
电源模块包括功率开关电路和开关控制电路，功率开关电路的输入端与电源相连，输出端接电源/通信总线，开关控制电路与功率开关电路相连；
通信模块包括隔离变压器、整流稳压电路、数据发送电路、数据接收电路和通信控制电路，隔离变压器的原边绕组与电源/通信总线相连，隔离变压器的副边绕组分别与整流稳压电路的输入端、数据接收电路的输入端以及数据发送电路的输出端相连，数据发送电路的输入端与通信控制电路的数据发送端相连，数据接收电路的输出端与通信控制电路的数据接收端相连，整流稳压电路的输出端向数据发送电路、数据接收电路和通信控制电路提供电源；通信模块在电源/通信总线上的每个数据位的传输都包含4个阶段：正电源阶段、负电源阶段、磁复位阶段和数据通信阶段。
本***的一个位信号的传输过程包含4个阶段：正电源阶段、负电源阶段、磁复位阶段和数据通信阶段。在正电源阶段，电源模块输出正电压；在负电源阶段，电源/通信总线上为负电压，这个负电压可以由电源模块输出，也可以由通信模块的隔离变压器的原边激磁电流自动产生。在磁复位阶段，电源模块关断输出，通信模块的数据发送电路也不输出电压，以保证隔离变压器的激磁电流在这个阶段恢复为零。在数据通信阶段，电源模块关断输出，当通信模块发送数据“0”时，数据发送电路输出电压，经隔离变压器耦合，在电源/通信总线上产生一个电压脉冲，表示“逻辑0”。在数据通信阶段，数据接收电路检测输入电压，当其值大于固定阈值Vref，判断总线为“逻辑0”，否则为“逻辑1”。
本***在实现位传输的基础上，通过定义相应的帧格式，就可实现通信节点间的相互通信。
本发明的总线供电通信***电路结构简单，在一对传输总线上同时实现电源供应和数据信号传输的功能，并通过单一变压器实现信号隔离，大大简化了电路的复杂度并降低了成本。在构成多节点总线通信方式时，支持主从通信和对等通信。
附图说明
图1是隔离型总线供电通信***的构成框图；
图2是通信模块的构成框图；
图3是一种具体的电源模块的电路实例；
图4是一种具体的通信模块的电路实例；
图5是总线上传输一位数据的时序图。
具体实施方法
以下结合附图进一步说明本发明
参照图1，图2，本发明的隔离型总线供电通信***，包括接在电源/通信总线上的电源模块1和N个通信模块2，N至少为2个，其中：
电源模块1包括功率开关电路3和开关控制电路4，功率开关电路3的输入端与电源相连，输出端接电源/通信总线，开关控制电路4与功率开关电路3相连；
通信模块2包括隔离变压器5、整流稳压电路6、数据发送电路7、数据接收电路8和通信控制电路9，隔离变压器5的原边绕组与电源/通信总线相连，隔离变压器5的副边绕组分别与整流稳压电路6的输入端、数据接收电路8的输入端以及数据发送电路7的输出端相连，数据发送电路7的输入端与通信控制电路9的数据发送端相连，数据接收电路8的输出端与通信控制电路9的数据接收端相连，整流稳压电路6的输出端向数据发送电路7、数据接收电路8和通信控制电路9提供电源。
图3是一种具体的电源模块的电路实例，此例中功率开关电路3为由功率MOS管T1、T2、T3、T4组成的全桥逆变电路，开关控制电路4由微控制器U2和功率MOS管的驱动器U1组成，这里功率MOS管的驱动器U1采用芯片IR2110，全桥逆变电路的功率MOS管的控制门极与芯片IR2110的输出端相连。功率开关电路3也可以采用其他功率器件组成的全桥逆变电路、半桥逆变电路、正激电路、双管正激电路、推挽电路、反激电路或谐振逆变电路。
图4是一种具体的通信模块的电路实例，这里，整流稳压电路6是由二级管D1、D2、D3、D4，电容C1、C2和稳压芯片U3组成的全波整流稳压电路，整流稳压电路或者也可以采用半波整流稳压电路。整流稳压电路6给数据发送电路7、数据接收电路8和通信控制电路9供电。数据发送电路7由三级管T5、T6、T7、T8和驱动电路U4组成，驱动电路U4的输出端与三极管T5、T6、T7、T8的基极相连，这里三级管T5、T6、T7、T8可以采用MOSFET取代。数据接收电路8是由分压电阻R1、R2，比较器U5和参考电压源Vref组成的单端比较电路，参考电压源Vref的输出与比较器U5的负端相连，电阻R1、R2分压后的输出与比较器U5的正端相连；数据接收电路8或者也可以采用差分比较电路。此例中通信控制电路9为微处理器MCU编程实现，或者也可以由CPLD/FPGA芯片或其他硬件电路实现。
图5是总线上传输一位数据的时序图。其传输过程包含4个阶段：正电源阶段T1、负电源阶段T2、磁复位阶段T3和数据通信阶段T4。
***工作时，外部直流电源输入到电源模块1的功率开关电路3后，经开关控制电路4的调节作用，输出波形如图5所示。在时间段T1，电源模块1的功率开关电路3输出正电压，给所有的通信模块2供电。在时间段T2，电源模块1的功率开关电路3产生负电压，产生负压的目的是使时间段T1和T2内的总线平均电压接近为零，防止通信模块2中的隔离变压器5产生直流磁化效应，在T2时间段内功率开关电路3也可以给通信模块2供电。在时间段T3和T4，电源模块1的功率开关电路3不输出功率。在时间段T3内隔离变压器5的磁化电流完全复位。在时间段T4，N个通信模块2之间进行一个位的数据传输，其传输原理如下：数据接收电路8将隔离变压器5的输出电压变为数字电路可以识别的逻辑电平信号，输入到通信控制电路9。通信控制电路9在T4时间段内，根据数据接收端的电平状况，即可判断总线状态为“逻辑0”或“逻辑1”。当通信模块2发送数据0时，在T4时间段内控制数据发送电路7通过隔离变压器5向总线馈送电能，使总线处于“逻辑0”状态，从而实现发送数据过程。
Claims (3)
1.一种隔离型总线供电通信***，其特征是包括接在电源/通信总线上的电源模块(1)和N个通信模块(2)，N至少为2个，其中：
电源模块(1)包括功率开关电路(3)和开关控制电路(4)，功率开关电路(3)的输入端与电源相连，输出端接电源/通信总线，开关控制电路(4)与功率开关电路(3)相连；
通信模块(2)包括隔离变压器(5)、整流稳压电路(6)、数据发送电路(7)、数据接收电路(8)和通信控制电路(9)，隔离变压器(5)的原边绕组与电源/通信总线相连，隔离变压器(5)的副边绕组分别与整流稳压电路(6)的输入端、数据接收电路(8)的输入端以及数据发送电路(7)的输出端相连，数据发送电路(7)的输入端与通信控制电路(9)的数据发送端相连，数据接收电路(8)的输出端与通信控制电路(9)的数据接收端相连，整流稳压电路(6)的输出端向数据发送电路(7)、数据接收电路(8)和通信控制电路(9)提供电源；通信模块(2)在电源/通信总线上的每个数据位的传输都包含4个阶段：正电源阶段、负电源阶段、磁复位阶段和数据通信阶段；在正电源阶段，电源模块(1)的功率开关电路(3)输出正电压，给所有的通信模块(2)供电；在负电源阶段，电源模块(1)的功率开关电路(3)产生负电压，使正电源阶段和负电源阶段内的总线平均电压接近为零，防止通信模块(2)中的隔离变压器(5)产生直流磁化效应；在磁复位阶段和数据通信阶段，电源模块(1)的功率开关电路(3)不输出功率，在磁复位阶段内隔离变压器(5)的磁化电流完全复位，在数据通信阶段，N个通信模块(2)之间进行一个位的数据传输。
2.根据权利要求1所述的隔离型总线供电通信***，其特征是电源模块(1)的功率开关电路(3)为全桥逆变电路、半桥逆变电路、正激电路、推挽电路、反激电路或谐振逆变电路。
3.根据权利要求1所述的隔离型总线供电通信***，其特征是通信模块(2)的整流稳压电路(6)为全波整流稳压电路或半波整流稳压电路。
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