CN216930035U

CN216930035U - 一种总线供电多机非主从式通信***

Info

Publication number: CN216930035U
Application number: CN202220776345.6U
Authority: CN
Inventors: 张莉; 邬宝寅; 蒋玲玲; 郑喜贵; 吕刚磊
Original assignee: Zhengzhou University of Science and Technology
Current assignee: Zhengzhou University of Science and Technology
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2032-04-06

Abstract

总线供电多机非主从式通信***，包括总线、连接于总线上的主电源和至少两个通讯模块，总线为两线制双绞线或平行线；主电源包括串联的直流电源和采样电阻，通讯模块上设有插口和位于通讯模块内的总线接口电路，插口包括数据输入插口、数据输出插口；总线接口电路包括总线整流桥、电源电路、电流发生电路和电流检测电路，总线整流桥通过电源第一取样插口、电源第二取样插口从总线上取电，总线整流桥的直流输出端连电源电路，电源电路为电流发生、检测电路供电；电流发生电路连接数据输入插口，数据输出插口连接电流检测电路。本申请所述的总线通讯***实现了两线制总线低压直流供电和非主从式通信，准确度高，功耗低，在通讯的过程中不容易出错。

Description

一种总线供电多机非主从式通信***

技术领域

本实用新型属于总线通讯技术领域，尤其涉及一种总线供电多机非主从式通信***。

背景技术

总线***是指微型计算机各部件之间传送信息的通道，在目前的生产、控制环节都有广泛的应用，也推动了智能化生产线、楼宇的迅速发展。

目前总线***在通讯的时候，可以选用的总线通讯方式比较多，比较有代表性的为：M-BUS总线模式和485总线模式。

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。

在与M-BUS总线对比后会发现485总线具有如下的缺点：(1)相较于M-BUS总线的两芯线不分极性，可以反接这一优点，会发现485总线有极性之分，不能接错，在实际应用的过程中，容易因接错而出现无法正常使用的情形；(2)M-BUS总线不需要电源线，电源与网络共线传输，而485总线需要使用电源线；(3)M-BUS总线的网络拓扑结构可以为总线型、星型和混合型，使用起来比较灵活，而485总线只能使用总线型；(4)M-BUS总线在使用管线材料时，需要较少的管线，而485总线需要较多的管线；(5)M-BUS总线最高42V电压，抗干扰能力强；485总线，最高5V，抗干扰能力弱。

但是，M-BUS总线也有一个致命的缺点，即M-BUS总线的模式为主从模式，总线设备分主机和从机。

主机只能有一个，从机可以有多个。主机负责供电并可向任一从机发送数据，从机只能向主机发送数据，从机和从机之间不能通信。M-BUS主机以电压信号方式发送BIT位，可发送高低两种电压；M-BUS从机以电流信号方式向主机发送BIT位，可产生大小两种电流。

M-BUS总线虽然相较于现在的其他总线通讯方式具有较多的优点，但是其主机只能与从机通讯，从机与从机之间无法通讯的方式限制了M-BUS总线的发展，使其不能在其他领域有较大的应用。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种使用效果好、可以双向通讯的总线供电多机非主从式通信***。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：

总线供电多机非主从式通信***，包括总线、连接于总线上的主电源和至少两个通讯模块，总线为两线制双绞线或平行线；主电源包括串联的直流电源和采样电阻，通讯模块上设有插口和位于通讯模块内的总线接口电路，插口包括电源第一取样插口、电源第二取样插口、电源插口、数据输入插口、数据输出插口、接地插口；总线接口电路包括总线整流桥、电源电路、电流发生电路和电流检测电路，总线整流桥通过电源第一取样插口、电源第二取样插口从总线上取电，总线整流桥的直流输出端连接电源电路，电源电路为电流发生电路和电流检测电路供电；电流发生电路连接数据输入插口，数据输出插口连接电流检测电路。

电源插口连接5V直流电。

总线整流桥包括第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管；第五二极管的正极和第七二极管的负极连接电源第一取样插口；第六二极管的正极和第八二极管的负极连接电源第二取样插口；电源第一取样插口和电源第二取样插口均连接总线；第五二极管的负极和第七二极管的正极输出总线整流桥直流输出端正极；第六二极管的负极和第八二极管的正极输出地电平。

电源电路包括第一三极管、第二三极管、第一电阻、第十一电阻、第二稳压管和第一稳压芯片；总线整流桥直流输出端正极连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接第二三极管的发射极；总线整流桥直流输出端正极还连接第一三极管的发射极，第一三极管的基极连接第一电阻的第二端；第一三极管的集电极连接第二三极管的基极；第一三极管的集电极通过地十一电阻接地；第二三极管的集电极连接第二稳压管的负极，第二稳压管的正极接地；第二三极管的集电极输出16V电源；第二三极管的集电极连接第一稳压芯片的输入插口；第一稳压芯片的输出插口输出5V电源；第一稳压芯片的输入插口和第一稳压芯片的输出插口分别通过第一滤波电容和第二滤波电容接地。

电流发生电路包括第三三极管、第四三极管、第二电阻、第三电阻和第四电阻；数据输入插口通过第三电阻连接第三三极管的基极，第三三极管的发射极连接5V电源；第三三极管的集电极连接第四三极管的基极，第四三极管的发射极通过第四电阻接地；第四三极管的集电极通过第二电阻连接总线整流桥直流输出端正极。

电流检测电路包括第一稳压管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一运放、第四二极管、第一二极管和第三滤波电容；总线整流桥直流输出端正极连接第一稳压管的负极，第一稳压管的正极通过第六电阻接地；第一稳压管的正极通过第七电阻连接第一运放的同相输入插口；第一稳压管的正极通过第十电阻连接第一运放的反相输入插口，第一运放的反相输入插口通过第三滤波电容接地；第一运放的输出插口通过第九电阻连接第一运放的同相输入插口，第一运放的输出插口连接第四二极管的负极，第四二极管的正极连接数据输出插口，第四二极管的正极还通过第八电阻连接5V电源。

第十一电阻与第一电阻的阻值之比至少为100比1。

通过以上技术方案，本实用新型的有益效果为：(1)本实用新型所述的***结构简单，可以为总线通讯提供电流信号也可以对电流信号进行检测，从而实现总线双向通讯，准确度和灵敏度均比较高，值得推广使用；本实用新型所述的***通过设置正反馈使比较器避开放大区输出更加陡峭，并实现一定的回差特性，有效比较了输出出现抖动。。

附图说明

图1为本实用新型所述***的电路原理图；

图2为总线整流桥电路原理图；

图3为电源电路原理图；

图4为电流发生电路原理图；

图5为电流检测电路原理图。。

具体实施方式

一种总线供电非主从式通信***，如图1～5所示，所述***包括总线、连接于总线上的主电源和至少两个通讯模块。总线为两线制双绞线或平行线；主电源包括串联的18～36V直流电源和采样电阻R，通讯模块上设有插口和位于通讯模块内的总线接口电路，其中，插口包括电源第一取样插口、电源第二取样插口、数据输入插口、数据输出插口；总线接口电路包括总线整流桥、电源电路、电流发生电路和电流检测电路。总线整流桥通过电源第一取样插口和电源第二取样插口从总线上取电，总线整流桥连接电源电路，电源电路为电流发生电路和电流检测电路供电。电流发生电路连接数据输入插口，电流检测电路连接数据输出插口。

主电源E为总线和每一个总线接口电路供电，各个总线接口电路无需单独供电，降低了管线的数量。

本实施例中，总线选用两线制双绞线或平行线，其不分正负极性。总线一端连接主电源，总线另外一端与各个通讯模块连接，各个模块接入到总线上，本实施例中，每个总模块对应一个设备，本实施例中有3个设备，分别设备1、设备2和设备3，设备1、设备2和设备3内均设有通讯模块。

其中，各个通讯模块电路结构相同，均包括插口和总线接口电路，其中，插口包括电源第一取样插口BUS+、电源第二取样插口BUS-、电源插口V_5V、数据输入插口DI、数据输出插口DO、接地插口GND；总线接口电路包括总线整流桥、电源电路、电流发生电路和电流检测电路。

电源第一取样插口BUS+和电源第二取样插口BUS-一插口连接总线，另外一插口连接总线整流桥，电流发生电路连接数据输入插口DI，数据输出插口DO连接电流检测电路，电源插口V_5V连接5V电源，接地插口GND连接地电平。

需要发送数据的设备向电流发生电路发送高低电平，电流发生电路将高低电平转换为设备自身消耗的大电流和小电流信号，引起总线上电压的变动。

需要接收数据的设备采集到总线上电压的变化，电流检测电路根据总线上电压的变化，输出高低电平，从而使得需要接收数据的设备接收到BIT数据。

其中，总线整流桥从总线上取电源，为电流发生电路、电源电路和电流检测电路供电。总线整流桥包括第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8。

第五二极管D5的正极和第七二极管D7的负极连接电源第一取样插口BUS+；第六二极管D6的正极和第八二极管D8的负极连接电源第二取样插口BUS-；电源第一取样插口BUS+和电源第二取样插口BUS-均连接总线；第五二极管D5的负极和第七二极管D7的正极输出总线整流桥直流输出端正极；第六二极管D6的负极和第八二极管D8的正极输出地电平GND。

通过第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8可以将总线电压转为单端电压V_BUS和GND，使得本总线***的总线电压不分方向，没有极性之分，不易接错。

电源电路用于生成5V电源，电源电路包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第十一电阻R11、第二稳压管D2和第一稳压芯片U1，本实施例中第十一电阻R11与第一电阻R1的阻值之比至少为100比1。总线整流桥直流输出端正极端V_BUS连接第一电阻R1的第一端，第一电阻R1的第二端连接第二三极管Q2的发射极；总线整流桥直流输出端正极端V_BUS还连接第一三极管Q1的发射极，第一三极管Q1的基极连接第一电阻R1的第二插口；第一三极管Q1的集电极连接第二三极管Q2的基极；第一三极管Q1的集电极通过地十一电阻接地；第二三极管Q2的集电极连接第二稳压管D2的负极，第二稳压管D2的正极接地；第二三极管Q2的集电极输出16V电源；第二三极管Q2的集电极连接第一稳压芯片U1的输入端(引脚VIN)；第一稳压芯片U1的输出端(引脚VOUT)输出5V电源；第一稳压芯片U1的输入端和第一稳压芯片U1的输出端分别通过第一滤波电容C1和第二滤波电容C2接地，通过第一滤波电容C1和第二滤波电容C2可以滤去杂波的影响。

本电源电路作为一种简易恒流电路用于产生上述静态电流。由于设置第十一电阻R11的阻值远大于第一电阻R1的阻值，故忽略第十一电阻R11上的漏电流时，第二二极管向总线上输出的电流值仅由第一三极管Q1的基极压降0.65V和第一电阻R1的阻值决定，与电源生成电路输出的电压无关从而实现恒流。

电流发生电路用于根据要发送的BIT位数据信号，向总线上输送大电流和小电流，其中，电流发生电路包括数据输入插口DI、第三三极管Q3、第四三极管Q4、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。

数据输入插口DI通过第三电阻R3连接第三三极管Q3的基极，第三三极管Q3的发射极连接5V电源；第三三极管Q3的集电极连接第四三极管Q4的基极，第四三极管Q4的发射极通过第四电阻R4接地；第四三极管Q4的集电极通过第二电阻R2连接总线整流桥直流输出端正极端V_BUS。

当数据输入插口DI输入低电平时，第三三极管Q3导通，第四三极管Q4基极得到稳定电压，第四三极管Q4的输出电流进入到总线；当数据输入插口DI输入高电平时，第三三极管Q3截止，在数据输入插口DI输入高低电平的过程中，电流发生电路向总线上输出的电流的变化量ΔI仅由V_5V和第四电阻R4的阻值决定，即ΔI＝(V_5V-0.65)/R4，与电源生成电路生成的电压无关，实现恒流，保证了结果的准确性。

电流检测电路用于检测因电流发生电路向总线上输送电流而引起总线上电压的变化量，电流检测电路包括第一稳压管D1、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第一运放U2、第四二极管D4和第三滤波电容；总线整流桥直流输出端正极端V_BUS连接第一稳压管D1的负极，第一稳压管D1的正极通过第六电阻R6接地；第一稳压管D1的正极通过第七电阻R7连接第一运放U2的同相输入端(引脚+)；第一稳压管D1的正极通过第十电阻R10连接第一运放U2的反相输入端(引脚-)，第一运放U2的反相输入端(引脚-)通过第三滤波电容接地；第一运放U2的输出端通过第九电阻R9连接第一运放U2的同相输入端(引脚+)，第一运放U2的输出端连接第四二极管D4的负极，第四二极管D4的正极连接数据输出插口DO，第四二极管D4的正极还通过第八电阻R8连接5V电源，设置的第四二极管D4和第八电阻R8实现输出逻辑电平匹配。

总线整流桥生成的总线电压V_BUS通过第一稳压管D1将电压消减16V后进入电流检测电路，实现在不使总线电压跳变衰减的情况下将静态工作点调整到1/2电源电压处。第六电阻R6用于产生维持第一稳压管D1工作的最小电流；第七电阻R7将削减16V后的总线V_BUS实时电压输入第一运放U2的同相输入端，第十电阻R10和第三电容C3构成简易比较器，将总线实时电压的均值电压输入第一运放U2反相输入端，实现当总线实时电压跌落时，第一运放U2输出低电平，当总线实时电压上升时第一运放U2输出高电平；第九电阻R9通过正反馈使第一运放U2避开放大区输出更加陡峭，实现一定的回差特性，防止输出出现抖动。

利用上述总线供电非主从式通信***及利用该***进行的非主从式通讯方法，该方法包括如下步骤：

步骤(1)：需要发送信号的设备发送BIT数据，根据要发送的BIT位数据，向总线上输出电压信号；

具体为：电流发生电路将BIT数据“1”、“0”转换为自身消耗的小电流和大电流输送到总线上。

本步骤中，电流发生电路将BIT数据“1”、“0”转换为自身消耗的小电流和大电流，小电流和大电流的变化引起总线电压在低电压和高电压之间变化。

步骤(2)：低电压信号和高电压信号在总线上传输；

步骤(3)：总线上其他设备接收到信号；

步骤(4)：根据接收到的信号判断BIT位数据；

对信号进行判断的方法为：

(1)发送信号的设备上的电流信号引起总线上电压值的变化；

采集总线上的电压值，并对总线上的电压进行削减；

需要发送数据的设备向总线上发送电流信号后，根据公式(1)、(2)、(3)、(4)得出需要接收数据的设备上的电压值：

当总线左侧设备0发送BIT数据“1”时，需要接收数据的右侧第n个设备处总线电压为：

V_nH＝E-r×(n+1)×I_L-R×n×(n+1)×I_L/2 公式(1)

其中，V_nH为需要接收数据的设备接收到的总线电压；E为主电源E电压；r为主电源E内阻；I_L为需要发送数据的设备向总线上发送的小电流信号；R为总线上的分布电阻；n为总线上连接的总线接口电路的个数；

当总线左侧设备0发送BIT数据“0”时，右侧设备n处总线电压为：

V_nL＝E-r×(I_H+n×I_L)-R×n×(n+1)×I_L/2 公式(2)

其中，V_nL为需要接收数据的设备接收到的总线电压；E为主电源E电压；r为主电源E内阻；I_H为需要发送数据的设备向总线上发送的大电流信号；R为总线上的分布电阻；n为总线上连接的总线接口电路的个数。

当总线左侧设备0发送BIT数据在“0”“1”之间跳变时，右侧其他设备接收到的总线电压压差为：

ΔU_n＝V_nH-V_nL＝r×(I_H-I_L) 公式(5)

可见其他所有设备接收到的总线电压压差都一样，与设备号n无关。

当右侧设备n发送BIT数据“1”时，总线左侧设备0处总线电压为：

V_0H＝E-r×(n+1)×I_L 公式(3)

其中，V_0H为需要接收数据的设备接收到的总线电压；E为主电源E电压；r为主电源E内阻；I_L为需要发送数据的设备向总线上发送的小电流信号；n为总线上连接的总线接口电路的个数；

当右侧设备n发送BIT数据“1”时，总线左侧设备0处总线电压V_0H为：

V_0L＝E-r×(I_H+n×I_L) 公式(4)

其中，V_0L为需要接收数据的设备接收到的总线电压；E为主电源E电压；r为主电源E内阻；I_H为需要发送数据的设备向总线上发送的大电流信号；n为总线上连接的总线接口电路的个数。

当总线右侧设备n发送BIT数据在“0”“1”之间跳变时，左侧设备0接收到的总线电压压差为：

ΔU₀＝V_0H-V_0L＝r×(I_H-I_L) 公式(6)

可见设备0接收到的其他所有设备发送的总线电压压差都一样，与设备号n无关，且与公式(5)相同。

(2)采集总线上的电压值，并对总线上的电压进行削减；

(3)将削减的总线电压送入比较器，比较器根据接收到的值输出高低电平，比较器根据接收到的值输出高低电平的方式见(4)；

(4)当总线电压跌落时比较器输出低电平；当总线电压升高时，比较器输出高电平；

当总线电压跌落时比较器输出低电平；当总线电压升高时，比较器输出高电平的具体方法为：比较器将总线实时电压与总线电压中间值比较，当发送信号的设备消耗大电流，致使总线电压跌落时，实时电压小于中间值，比较器输出低电平；当发送信号的设备消耗小电流致使总线电压回升时，实时电压大于中间值，比较器输出高电平。

(5)对比较器的输出信号进行正反馈增大比较器的输出的陡峭性，使得输出结果避开放大区，提高输出结果的准确性，比较器最终输出高低电平，根据比较器输出的高低电平，需要接收数据的设备接收到信号。

为了验证本总线通讯方法在通讯过程中的准确性，准备三个电路板进行通讯模拟；三个电路板具体的通讯模拟方法为：将三个电路板分别命名为：1#电路板、2#电路板、3#电路板。

首先：将1#电路板、2#电路板的总线通讯接口与电脑的RS232串口用跳线相连，3#电路板的总线通讯接口与电脑的USB转串口芯片用跳线相连；

然后：将1#电路板、2#电路板、3#电路板的总线通讯接口之间互相用花排线相连；

最后：将1#电路板与主电源E相连。

试验的时候，在电脑上打开三个串口调试工具窗口，分别打开连接有测试板的COM3、COM4两个串口和一个USB转出的COM5串口，采用4800波特率。

测试表明，通过任意一个COM口发送的字符，另两个COM口都能接收到。分别通过COM3串口、COM4串口、COM5串口连续发送字符串，每次8字节，发送间隔200ms，统计另两个COM口接收到的字符数。测试结果如表1所示，经过十万字节数量级测试，最大误码率0.0036％，可以满足M-BUS设备使用要求。

表1测试结果

通过以上的测试结果可以看出，通过本***和本通讯方法可以满足总线双向通讯的要求，通讯过程中准确度高，通讯速度快。

本实用新型所述的总线通讯***实现了两线制总线低压直流供电和非主从式通信，准确度高，功耗低，在通讯的过程中不容易出错。

Claims

1.总线供电多机非主从式通信***，其特征在于：包括总线、连接于总线上的主电源和至少两个通讯模块；主电源包括串联的直流电源和采样电阻，通讯模块上设有插口和位于通讯模块内的总线接口电路，插口包括电源第一取样插口、电源第二取样插口、电源插口、数据输入插口、数据输出插口、接地插口；总线接口电路包括总线整流桥、电源电路、电流发生电路和电流检测电路，总线整流桥通过电源第一取样插口、电源第二取样插口从总线上取电，总线整流桥的直流输出端连接电源电路，电源电路为电流发生电路和电流检测电路供电；电流发生电路连接数据输入插口，数据输出插口连接电流检测电路。

2.如权利要求1所述的总线供电多机非主从式通信***，其特征在于：电源插口连接5V直流电。

3.如权利要求1所述的总线供电多机非主从式通信***，其特征在于：总线整流桥包括第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管；第五二极管的正极和第七二极管的负极连接电源第一取样插口；第六二极管的正极和第八二极管的负极连接电源第二取样插口；电源第一取样插口和电源第二取样插口均连接总线；第五二极管的负极和第七二极管的正极输出总线整流桥直流输出端正极；第六二极管的负极和第八二极管的正极输出地电平。

4.如权利要求1所述的总线供电多机非主从式通信***，其特征在于：电源电路包括第一三极管、第二三极管、第一电阻、第十一电阻、第二稳压管和第一稳压芯片；总线整流桥直流输出端正极连接第一电阻的第一端，第一电阻的第二端连接第二三极管的发射极；总线整流桥直流输出端正极还连接第一三极管的发射极，第一三极管的基极连接第一电阻的第二端；第一三极管的集电极连接第二三极管的基极；第一三极管的集电极通过地十一电阻接地；第二三极管的集电极连接第二稳压管的负极，第二稳压管的正极接地；第二三极管的集电极输出16V电源；第二三极管的集电极连接第一稳压芯片的输入插口；第一稳压芯片的输出插口输出5V电源；第一稳压芯片的输入插口和第一稳压芯片的输出插口分别通过第一滤波电容和第二滤波电容接地。

5.如权利要求1至4任意一项所述的总线供电多机非主从式通信***，其特征在于：电流发生电路包括第三三极管、第四三极管、第二电阻、第三电阻和第四电阻；数据输入插口通过第三电阻连接第三三极管的基极，第三三极管的发射极连接5V电源；第三三极管的集电极连接第四三极管的基极，第四三极管的发射极通过第四电阻接地；第四三极管的集电极通过第二电阻连接总线整流桥直流输出端正极。

6.如权利要求1所述的总线供电多机非主从式通信***，其特征在于：电流检测电路包括第一稳压管、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第一运放、第四二极管、第一二极管和第三滤波电容；总线整流桥直流输出端正极连接第一稳压管的负极，第一稳压管的正极通过第六电阻接地；第一稳压管的正极通过第七电阻连接第一运放的同相输入插口；第一稳压管的正极通过第十电阻连接第一运放的反相输入插口，第一运放的反相输入插口通过第三滤波电容接地；第一运放的输出插口通过第九电阻连接第一运放的同相输入插口，第一运放的输出插口连接第四二极管的负极，第四二极管的正极连接数据输出插口，第四二极管的正极还通过第八电阻连接5V电源。

7.如权利要求1或6所述的总线供电多机非主从式通信***，其特征在于：第十一电阻与第一电阻的阻值之比至少为100比1。