CN101976828B - M-bus总线本质安全栅 - Google Patents

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张刚
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Abstract

本发明公开了一种M-BUS总线本质安全栅，所述总线本质安全栅连接在M-BUS总线***的主站和从站之间，包括依次连接的输入级、保护级、保护级
Figure 2010105418449100004DEST_PATH_IMAGE002
和输出级，输入级实现M-BUS总线输入的极性转换，并限制M-BUS总线的短路电流；保护级
Figure 688549DEST_PATH_IMAGE001
和保护级
Figure 543373DEST_PATH_IMAGE002
均包括限压和过流保护电路，一起构成本质安全栅的冗余保护。输出级实现从一个通道到多个通道的扩展，增加驱动从站的数量。本发明实现了多级限压和过流保护，符合M-BUS总线的本质安全要求，并且能够扩展M-BUS总线***的容量，降低了设备成本。

Description

M-BUS总线本质安全栅
技术领域
本发明属于电子设备技术领域，具体涉及一种非本安设备与本安设备之间的安全栅，其符合M-BUS总线标准，工作在易燃易爆危险区的M-BUS从站可通过本安全栅连接到M-BUS主站，组成本质安全防爆***。
背景技术
M-BUS（Meter-BUS，EN1434-3）是消费类仪表国际通行标准。是一种经济实惠的现场总线，具有良好的开放性，其拓扑结构为总线结构，采用普通的两芯电缆连接，同时完成电源供电和数据通信的功能，在连接时不用区分极性，可按照任意拓扑结构布线施工，其施工成本和难度大大下降。
M-BUS总线电气接口应符合下列要求：
在从站由主站供电时，每个从站获得不大于2mA的电流，主站驱动能力应不小于64个从站。
主站至从站的信息传输是通过电平变化的方式来实现的。传号（逻辑电平为“1”）时：总线电压比空号时的总线电压大于10V，且总线电压小于等于42V；空号（逻辑电平为“0”）时：总线电压应大于12V。
从站至主站信息传输是通过从站电流大小的变化来实现的。传号（逻辑电平“1”）时：传号电流为0mA～1.5mA；空号（逻辑电平“0”）时：空号电流为在传号电流值的基础上增加约11mA～20mA；总线空闲时，主、从站应保持传号状态。
安全栅又称安全保持器，是接在安全区的非本质安全电路和危险区的本质安全电路之间，能在安全区和危险区之间双向转递电信号，并可限制因故障引起的安全区向危险区的能量转递，将供给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置。
本质安全型安全栅应用在本安防爆***的设计中，它是安装于安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置，电路中通过限流和限压电路限制了送往现场本安回路的能量，从而防止非本安电路的危险能量串入本安电路，它在本安防爆***中称为关联设备，是本安***的重要组成部分。一般安全栅有齐纳式、隔离式。
齐纳式安全栅，电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。
隔离式安全栅，采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本质安全限制能量的要求。
在M-BUS总线***中，主站为非本安设备位于安全区，从站为本安设备位于危险区，需要主站和从站之间设置符合本安要求的安全栅，其要符合M-BUS总线标准，不能影响主从站的工作和之间的通信。
现有的安全栅应用在M-BUS总线上，存在以下不足：
1、齐纳式安全栅，较大的限流电阻，过大的电压降导致总线供电不足，降低驱动从站的能力；内部电路不符合M-BUS总线标准，使主从站不能正常工作或主从站不能通信；在故障时，需要更换熔丝或安全栅，操作极不方便，增加维护成本。
2、隔离式安全栅，输出供电能力较差导致驱动从站数量减少或通信距离降低；不符合M-BUS总线标准，应用在M-BUS总线上时，影响主站与从站之间的通信。
发明内容
本发明的一个目的是弥补现有技术的不足，提供一种M-BUS总线本质安全栅，可对M-BUS总线输入进行多级限压和过流保护，输出端符合本质安全要求，其符合M-BUS总线标准并能用于M-BUS总线上。
本发明的另一目的是对M-BUS总线通道数量进行扩展，一个主站可轮流驱动多条M-BUS总线，扩展了M-BUS总线***的容量，降低了设备成本。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种M-BUS总线本质安全栅，所述总线本质安全栅连接在M-BUS总线***的主站和从站之间；其特征在于，所述总线本质安全栅包括依次连接的下述电路：
输入级，实现M-BUS总线输入的极性转换，并限制M-BUS总线的短路电流；
保护级                                                
Figure 984956DEST_PATH_IMAGE001
，包括限压电路和过流保护电路，其输入端连接所述输入级的输出端，该保护级
Figure 449960DEST_PATH_IMAGE001
的输出端连接保护级
Figure 93431DEST_PATH_IMAGE002
的输入端；
保护级
Figure 366280DEST_PATH_IMAGE002
，所述保护级
Figure 95202DEST_PATH_IMAGE002
与所述保护级顺次连接，所述保护级
Figure 858944DEST_PATH_IMAGE002
也包括一限压和过流保护电路，与所述保护级
Figure 568274DEST_PATH_IMAGE001
一起构成M-BUS总线的冗余保护。
如果M-BUS总线需要一个以上的通道，则所述M-BUS总线本质安全栅还进一步包括输出级，该输出级的输入端连接所述保护级
Figure 518913DEST_PATH_IMAGE002
的输出端，所述输出级为组合电子开关矩阵或机械开关矩阵，是一个通道数量扩展电路，实现从一个通道到多个通道的扩展，增加驱动从站的数量。当然，如果只需要一个通道，可不要此级。
输入级包括一个桥式转换电路和一个小容量的限流电阻。桥式转换电路实现M-BUS总线输入的无极性，限流电阻使得输出短路时，不会出现很大的短路电流。
保护级
Figure 588369DEST_PATH_IMAGE001
和保护级
Figure 878536DEST_PATH_IMAGE002
是两个相同的电路模块。它包括一个电流采样电阻、一个电子开关、一个二极管、一个控制芯片和其它元器件，整个模块电路的电气特性符合M-BUS标准。控制芯片监视输出端电压，在出现过压情况时，通过调节电子开关将输出电压调节到设定的电压内，同时还监视输入端的采样电阻上的压降，当出现过流情况时，控制电子开关断开与输出的连接。无论发生了过压还是过流故障，如果故障一直持续，那么控制芯片内部集成的故障定时器都会确保电子开关快速可靠地关断，接在输出端的二极管防止反向电压的输入。
输出级包括信号隔离译码电路和开关矩阵电路。对输入的通道选择信号进行光电隔离、译码器电路后，可选择某一通道开关导通，使之与保护级
Figure 821084DEST_PATH_IMAGE002
输出端连接，达到将一通道M-BUS总线扩展为多通道的目的。当然，扩展通道的数量可根据需要增加或减少。
本发明采用上述结构，其电气特性符合M-BUS标准，可直接应用在M-BUS总线上，两级保护级电路形成冗余保护功能，在其中一级出现故障时，另一级能承担保护功能。每级都具有独立的限压和过流保护功能。通过输出级可扩展M-BUS通道数量。
本发明有益效果：有效地限制输入的能量，使本质安全型设备能够安全地应用于危险区；符合M-BUS总线标准，可以直接应用于M-BUS总线上；输入端与输出端压降小；无熔丝等易损坏元件，维护基本不需更换；可将一通道M-BUS总线扩展为多通道，降低了成本；也可当作一般安全栅应用。
附图说明
图1是本发明的总体原理示意图；
图2是本发明中输入级的电路原理示意图；
图3是本发明中保护级
Figure 445969DEST_PATH_IMAGE001
、保护级Ⅱ的电路原理示意图；
图4是本发明中输出级的隔离译码电路原理示意图；
图5是本发明中输出级的开关矩阵原理示意图；
图6A是本发明中输出级的开关矩阵第1通道开关电路实施方式一原理示意图；
图6B是本发明中输出级的开关矩阵第1通道开关电路实施方式二原理示意图。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明作进一步的说明
M-BUS总线标准规定：M-BUS总线是无极性的，主站是通过控制总线电压的变化（发送逻辑“1”时，输出高电压；发送逻辑“0”时，输出低电压）向从站发送数据的，电压变压的范围大于10V。从站是通过控制总线电流的变化（发送逻辑“1”时，维持总线电流不变；发送逻辑“0”时，令总线电流增大一固定值）向主站发送数据的，电流变化的范围11mA～20mA。
如图1所示，M-BUS总线本质安全栅，包括依次连接的下述电路：
输入级，具有输入极性转换和限流电阻的电路；
保护级
Figure 866586DEST_PATH_IMAGE001
，具有限压和过流保护功能的电路；
保护级
Figure 276839DEST_PATH_IMAGE002
，具有限压和过流保护功能的电路；
输出级，组合电子开关矩阵或机械开关矩阵是一个通道数量扩展电路，实现从一个通道到多个通道的扩展，增加驱动从站的数量，如果只需要一个通道，此级电路可不要。
结合附图，各级电路模块的具体电路结构分析如下：
如图2所示，输入级一端连接M-BUS总线输入，另一端的正、负极分别连接到保护级的正、负极。它包括一个桥式转换电路和一个小容量的限流电阻，M-BUS总线经过桥式转换电路D1实现极性变换后，正极经一限流电阻R1连接到保护级
Figure 505400DEST_PATH_IMAGE001
的正极，负极直接连接到保护级
Figure 729708DEST_PATH_IMAGE001
的负极。输入级实现了M-BUS总线的无极性输入，限制了输出短路时的最大短路电流。
保护级
Figure 728888DEST_PATH_IMAGE001
和保护级是相同的电路结构，如图3所示，在本实施例中，保护级的工作电压设计范围为9V至42V，限压点设计为36V，过流点设计为0.2A。
如图3所示，以保护级
Figure 612716DEST_PATH_IMAGE001
为例说明其电路结构：保护级包括一个电流采样电阻R3、一个电子开关（MOSFET管Q1）、一个二极管D2、一个控制芯片U1和其它元器件。输入端的正极依次串联电流采样电阻R3、MOSFET管Q1、二极管D2到输出端，控制芯片U1的引脚7和引脚8分别连接到电流采样电阻R3的两端，控制芯片U1的引脚5通过电阻R4驱动MOSFET管Q1，控制输入和输出的导通或关断，电压采样电阻R5和R6串联后连接到MOSFET管Q1后的输出端的正负极，中间抽头连接到控制芯片U1的引脚2，电阻R2和C1为控制芯片U1工作所必须的元器件。
其工作原理为：控制芯片U1的引脚2监视电压采样电阻R5和R6的反馈电压，当输入电压大于36V时，其引脚5输出控制信号调节MOSFET管Q1将输出调节到36V；控制芯片U1引脚7和引脚8监视电流采样电阻R3两端的压降，当经过R3的电流大于0.2A时，电流采样电阻R3两端的压降超过设定值，其引脚5输出控制信号使MOSFET管Q1断开与输出的连接；二极管D2防止反向电压的输入。
在本实施例中，控制芯片U2选用LT4356-3。
保护级
Figure 759981DEST_PATH_IMAGE001
输出端的正极与保护级
Figure 136604DEST_PATH_IMAGE002
输入端的正极连接，保护级
Figure 974110DEST_PATH_IMAGE001
输出端的负极与保护级
Figure 540221DEST_PATH_IMAGE002
输入端的负极连接，两级保护级电路形成冗余保护功能，在其中一级出现故障时，另一级能承担保护功能。
输出级包括信号隔离译码电路和开关矩阵电路。在本实施例中，输出级扩展为16通道，4路选择信号通过4-16译码器选择相应的通道。
如图4所示，4路通道选择信号分别经过桥式转换电路极性变换后，通过一个电阻驱动光藕，经光藕隔离后的信号输入到芯片U5的输入端，经译码输出后的16路信号驱动开关矩阵电路。
如图5所示，为开关矩阵电路原理示意图，包含16个相同的通道开关，每个通道开关的输入端与保护级
Figure 28840DEST_PATH_IMAGE002
的输出端连接，输出端连接到输出端子，控制端与隔离译码电路输出端连接。通过通道开关，控制信号可同时控制保护级
Figure 327097DEST_PATH_IMAGE002
的输出端正极、负极与输出端子的导通或关断。通道开关是一个双刀开关。
在本实施例中，以开关矩阵电路的第1通道开关为例说明其电路结构原理。
如图6A所示，为开关矩阵电路的第1通道开关电路实施方式一原理示意图。该电路由4个电子开关组成：由电阻RA1、RA4和三极管QA2组成的第1电子开关，由电阻RA2、RA3和MOSFET管QA1组成的第2电子开关，由二极管DA1，电阻RA5和三极管QA3组成的第3电子开关，由电阻RA6、RA7和MOSFET管QA4组成的第4电子开关；其中电阻RA4的一端连接到三极管QA2的基极，另一端连接到信号隔离译码电路的通道输出信号；MOSFET管QA1的源级连接到保护级
Figure 714216DEST_PATH_IMAGE002
输出端的负极，漏极为该通道的负极输出，连接到输出端子；MOSFET管QA4的源级连接到保护级
Figure 98117DEST_PATH_IMAGE002
输出端的正极，漏极为该通道的正极输出，连接到输出端子。
工作原理为：输入控制信号控制第1电子开关导通或关断，第1电子开关控制第2电子开关和第3电子开关导通或关断，第3电子开关控制第4电子开关导通或关断，即输入控制信号同时控制保护级的输出端正极、负极与输出端子的导通或关断。
如图6B所示，为开关矩阵电路的第1通道开关电路实施方式二原理示意图。由电阻RA8、RA9和三极管QA5组成的电子开关驱动继电器KA1，与继电器KA1并联的二极管DA2起续流作用，保护级
Figure 723450DEST_PATH_IMAGE002
的输出端的正极和负极分别连接到继电器KA1的公共端，继电器KA1的常开端分别连接到该通道的输出端子。输入控制信号通过电子开关驱动继电器控制保护级
Figure 332286DEST_PATH_IMAGE002
的输出端正极、负极与输出端子的导通或关断。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种M-BUS总线本质安全栅，所述总线本质安全栅连接在M-BUS总线***的主站和从站之间；其特征在于，所述总线本质安全栅包括依次连接的下述电路：
输入级，实现M-BUS总线输入的极性转换，并限制M-BUS总线的短路电流；
保护级 I，包括限压和过流保护电路，其输入端连接所述输入级的输出端，该保护级I的输出端连接保护级II的输入端；
保护级II，所述保护级II与所述保护级I顺次连接，所述保护级II也包括一限压和过流保护电路，与所述保护级I一起构成M-BUS总线的冗余保护；
所述输入级包括一个桥式转换电路和一个小容量的限流电阻，所述桥式转换电路的输入端连接M-BUS总线输入，输出端通过小容量的限流电阻连接所述保护级I输入端正极；
所述M-BUS总线本质安全栅还进一步包括输出级，该输出级的输入端连接所述保护级II的输出端，实现从一个通道到多个通道的扩展，增加驱动从站的数量；所述输出级包括顺序连接的信号隔离译码电路和开关矩阵电路，所述开关矩阵电路为组合电子开关矩阵或机械开关矩阵；所述输出级的信号隔离译码电路通过一个电阻驱动光耦，对经输入级的桥式转换电路极性变换后的通道选择信号进行光耦隔离，光耦隔离后的信号输入到芯片U5的输入端，经译码后输出信号，驱动开关矩阵电路；所述开关矩阵电路的每个通道开关的输入端与保护级II的输出端连接，输出端连接到输出端子，控制端与隔离译码电路输出端连接，通过通道开关，控制信号同时控制保护级II的输出端正极、负极与输出端子的导通或关断；
所述保护级I包括一个电流采样电阻、一个电子开关、一个二极管、一个控制芯片，该保护级I输入的正极依次串联电流采样电阻、电子开关和二极管，通过电流采样电阻的电流采样信号和所述输出级的输出端电压采样信号输入至所述控制芯片，该控制芯片与所述电子开关的控制端相连；
所述控制芯片内部集成故障定时器，在保护级I的输出端电压出现过电压情况时，通过调节电子开关将输出调节到设定的电压内，在该保护级I的输入端出现过电流情况时，控制电子开关断开输入端与输出端的连接。
2.根据权利要求1所述的M-BUS总线本质安全栅，其特征在于，所述电子开关为MOSFET管（Q1），所述电子开关控制端为所述MOSFET管（Q1）的栅极。
3.根据权利要求1所述的M-BUS总线本质安全栅，其特征在于，所述保护级II优选具有与所述保护级I相同的电路结构。
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