CN2828730Y - 一种用于电子***的直流载波通信接口 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于火工品制造技术，涉及对电子***用直流载波通信接口的技术改进。它由一对连接输入导线Line+和Line－的连接端子、串联二极管对401、整流桥402、二极管420、DC/DC变换器403、电容404、数据发送电路、管理电路450和数据接收电路组成，其特征在于，所说的数据接收电路由电阻431和稳压二极管432的串联支路构成。本实用新型简化了电路结构，降低了集成芯片的成本；消除了数据接收对储能电容的依赖关系，延长了供电线路出现故障时电路的工作时间，提高了电子***控制芯片的工作可靠性；减少了通信接口的数据输入方向的切换环节，提高了通信接口的工作可靠性。

Description

一种用于电子***的直流载波通信接口

技术领域

本实用新型属于火工品制造技术，涉及对电子***用直流载波通信接口电路的技术改进。

背景技术

20世纪80年代，工业***技术特别是大规模***对***延期时间的精确性、可靠性提出了要求。传统***依靠延期药的稳定燃烧实现***的延期功能，但化学延期方式由于受制作工艺、化学组分的稳定性和均匀性、使用和生产环境条件等多方面的影响，其延期秒量存在较大的偏差，而且缺乏稳定性，无法满足现代***技术提出的新要求。

20世纪90年代初，以日本旭化成化学工业公司和德国DynamitNobel公司为代表的公司推出了PDD(Precision Delay Detonator)***，以纯粹的电子延期方式替代了延期药，延期时间在工厂预先编程，然后封装在***管壳内。使***的精确性大为提高，满足了工程***的起爆精确性要求。但该***没有通信接口，不能实现信息的交换，电子组件的状态无法测知，无法满足通过***的可测性提高***可靠性的要求。而且电子组件隔离了关键起爆元件和外界的连接，使***生产完成后，无法测试其点火相关部件的连接情况，使***的起爆可靠性受到了一定影响。

20世纪90年代中期又推出了具有专用通信接口的电子***，如1995年的USP5406890提到的电子***。这一时期的电子***均采用了多线制、独立于电源线的专用***通信接口。但由于***连接导线的增加，与传统***的双线制的接线方式不相吻合，加大了***工作的复杂性，极大增加了布设***网络操作的出错可能性，因此这种***最终没有形成市场。

电力线载波通信可以同时实现电源供给和数据传输两大功能，对解决困扰***的难题——既符合传统接线方式，又实现可测性起了重要的启迪作用，但***与电力线的供电方式存在本质的区分，而且***内部较小的体积空间和一次性使用的成本要求，排除了采用复杂技术的可能性，因此从20世纪中期开始，发达国家开始研究基于直流载波方式的电子***技术解决方案，20世纪末ORICA、AEL、Daveyfire等公司推出了基于载波技术的第二代电子***产品。

图1概略说明了第二代电子***的使用方式。多个电子***300借助其通信接口400，并行连接在***100的两根输出导线Line+和Line-之间，***100的通信接口200和电子***300的通信接口400连接，同时实现电能供给和数据传输。图2是USP5520114中给出的、实现图1中表达的电子***300的通信接口400的实现方式。其通信接口400包括以下几部分：

(1)抑制电流瞬变的二极管对401，该二极管对并接在一对输入导线Line+和Line-之间，用于解决外部杂散电流对电子***安全性能的影响，以及对电源输入端口进行过压保护。

(2)整流桥402。该整流桥的两个输入端(二极管D2A和D2B的连接点、D3A和D3B的连接点)并接在输入导线Line+和Line-之间，正输出端(D2B和D3B的连接点)连接到二极管420和数据发送电路419，负输出端(D2A和D3A的连接点)连接到内部信号的参考地。用于对从Line+和Line-之间的输入电压进行方向转换，使***的输入引脚没有极性区分，以适应传统***一对引脚无极性的要求，减小***接入***网络时，误操作的可能性。

(3)二极管420，其阳极同整流桥正极输出端连接，其阴极同DC/DC变换器403的输入端和储能电容器404的正极连接。使Line+、Line-提供的能量只能给储能电容404充电，储能电容404不能通过数据发送电路419反向放电。

(4)储存数字电路工作能量的电容404，其正极同二极管420的阴极和DC/DC变换器403的输入端相连接，负极连接到内部信号的参考地，电容404保证数字电路在***过程中，供电线路出现故障的情况下，仍能维持数字电路在一定时间内正常工作，完成***过程，提高***的起爆可靠性。

(5)把输入电压转换为内部数字电路工作电压VCC的DC/DC变换器403。DC/DC变换器403的输入连接到储能电容404的正极和二极管420的阴极，输出端连接到管理电路450的电源端。正常情况下，DC/DC变换器403的输入来源于供电线路Line+/Line-通过整流桥402、二极管420提供的能量；在供电线路出现故障时，DC/DC变换器的输入来源于储能电容404中储存的能量。

(6)用于把数据发送回***的数据发送电路419，它由NMOS管406、电阻R1、R2组成，NMOS管406的漏极串联电阻R1以后连接整流桥402的正极，其源极接信号地，其栅极为数据输入端。数据发送电路连接在整流桥402的两个输出端之间，其数据输入端连接到管理电路450的数据输出端TXD。

(7)数据接收电路418，它用于解调加载到电源供给线Line+/Line-上的数字信号，并把其转换为管理电路450能够识别的信号。它由4个NMOS管、一个PMOS管以及***电阻构成，共同构成两个并联的数据接收回路，其中电阻409、411、408和NMOS管410、412组成第一数据接收回路，电阻409的一端接LINE+，其另一端连接NMOS管410的漏极和NMOS管412的栅极，NMOS管410和412的源极接信号地，电阻411接在NMOS管410的栅极和信号地之间，电阻408接在电源VCC与NMOS管412的漏极之间，NMOS管410的栅极与管理电路450的COMMAND端口连接，NMOS管412的漏极与管理电路450的数据输入端RXD连接。第二数据接收回路由电阻407、416、408、PMOS管415和NMOS管413、414组成，电阻407的一端接LINE-，其另一端连接NMOS管414的漏极和NMOS管413的栅极，NMOS管413和414的源极接信号地，电阻416接在NMOS管414的栅极和信号地之间，电阻408接在电源VCC与NMOS管413的漏极之间，NMOS管414的栅极与PMOS管415的源极连接，PMOS管415的栅极与管理电路450的COMMAND端口连接，NMOS管414的漏极与管理电路450的数据输入端RXD连接。图2中的数据接收电路418的输入端连接到一对输入导线Line+和Line-上，输入信号的参考地连接到整流桥的负输出端；数据输出端连接到管理电路450的RXD端；数据输入端连接到管理电路的TXD；控制输入端连接到管理电路450的COMMAND端。

(8)管理电路450，用于对电子***接收的数据、指令进行分析和执行，对执行情况进行编码，并发送回起爆控制器进行分析处理。管理电路也包括相应的控制、检测、执行电路。

通常情况下，基于安全性的考虑，电子***的电源供给采取蓄电池等能够提供稳定电压输出的直流电源，即***100只能提供稳定的直流电压输出，***工作的电压取自电源供给线Line+和Line-，属于消耗***100能量的器件，无法把数字信号以电压的形式加载到电源供给线上，即改变***的输出电压，因此USP5520114采取电流环原理发送数据，控制NMOS管406的开/关状态，达到控制电子***的电流消耗，引起***输出电流发生变化，以消耗电流的变化表达发送的数据信息。当NMOS管406在栅极信号TXD的高/低电压控制下，分别处于导通/截止状态，使电阻405上的消耗电流出现变化，其电流变化幅度由电阻405调节，从而把加在NMOS管406栅极的数字信号TXD以电流的形式发送到***100，电阻417为下拉电阻使NMOS管在上电阶段处于截止状态。

数据接收电路418用于接收***100发送的数据，它连接在电源供给线Line+/Line-和内部信号参考地之间。数据接收接口418由控制数据输入方向的NMOS管410、414和PMOS管415，转换输入数据电平到内部数字电路(控制管理电路450)能够识别的电平信号的NMOS管412、413，以及用于提供上电MOS管初始状态的电阻411、416和保护限流性电阻407、408、409构成。由于输入线路Line+和Line-无极性区分，发送的数据信号有可能加载到两根线的任一根上，因此在USP5,520,114中设计了command控制信号，用来切换数据的输入方向：

当管理电路450输出的command信号为高电平时，NMOS管410处于导通状态，使NMOS管412的栅极始终为低，处于截止状态，即数据不能由Line+端输入，数据接收的第一回路处于停止工作状态；而此时，PMOS管415栅极电平为高，处于截止状态，因此NMOS管414的栅极电平由电阻416拉低，处于截止状态。NMOS管413的栅极通过电阻407连接到输入端线Line-上，使NMOS管413的导通/截止由Line-控制，数据接收第二回路处于允许数据接收工作状态。即command信号为高时，接收的数据由***100加载到***的输入导线Line-线上，经由电阻407、NMOS管413，到达管理电路450的数据输入端RXD；

当管理电路450输出的command信号为低电平时，PMOS管415导通，VCC电平把NMOS管414的栅极电平拉高，使其处于导通状态，因此NMOS管413的栅极电平通过导通的NMOS管414下拉为低电平，使NMOS管413处于截止状态，即数据接收的第二回路停止接收数据。而低电平的command信号使NMOS管410处于截止状态，使Line+信号通过电阻409连接到NMOS管412的栅极上，即NMOS管412的状态受输入导线Line+上的信号控制，第一数据接收回路处于数据接收允许状态。因此在command为低时，加载到Line+上的数据经由电阻409、NMOS管412到达管理电路450的数据输入端口RXD。

在数据接收时，NMOS管412/413和电阻408用于把加载在Line+/Line-上的数字信号的电平转换为管理电路450可以识别的电平信号：当NMOS管412和413均截止时，即电源供电线上为数字零(低电平)时，TXD被数字电路的供电VCC上拉为高电平，输入的数字信号转换为VCC电平的数字高信号；当Line+/Line-信号为高(高电平)时，NMOS管412和413其中一个导通，使TXD信号处于零电平，输出数字低信号。

在***工作时，电子***的引脚Line+和Line-随机连接在***100的两根输出导线上，***上电后，管理电路450检测TXD信号的输入，由于Line+和Line两根输入导线提供输入电源，而无数字信号输入时，相对于内部参考地总有一根输入导线处于高电平，即NMOS管412和413总有一个管子处于导通状态，即TXD信号的初始状态应为低电平。如果通信管理电路450初始化时，检测到TXD上的信号为高电平，则表明当前数据接收通路方向错误，管理电路450把command信号反相后输出，切换数据输入通道，进入数据的正常收发状态。

上述通信接口的设计虽然可以达到直流载波通信的目的，但存在以下缺点：

第一、在电路设计中出现两级方向变换：由整流桥402实现的电压方向的变换，以及由管理电路450输出信号控制COMMAND控制的通信数据来源的切换，两者间存在功能的重合，导致电路结构的复杂化。

第二、接收数据时有可能增加储存在电容404中的电能消耗。其原因如下：在利用NMOS管412、413和电阻408转换接收到的数据电平为数字电路可以识别的信号时，利用VCC通过电阻408的上拉得到信号高电平，而VCC取自DC/DC变换器403的输出，其能量来源于储存在电容404中的电能，***过程中在电源供给线Line+和Line-出现“故障”时，依靠电容404中储存的能量，维持完成延期起爆工作，因此对于电容404中的能量消耗越小越好，而上拉电阻408消耗电容404中的能量，因此从能量消耗角度来说，电阻408应尽可能取大。但由于NMOS管412、413的漏极和源极间存在一定的电容，限制了电阻408的增大，按USP5,520,114中电阻408的取值100K欧姆，当NMOS管412和413两者有一个导通时，按内部管理电路450的供电3.3V计算，其消耗电流为33uA，大致相当于整个数字电路的消耗，加大了对储能电容404的要求。特别是在***过程中，当电源供给线Line+/Line-出现故障而断开时，其线上的状态为随机状态，而NMOS管410和413中总有一个处于截止高阻状态，使NMOS管412、413中的一个的栅极电压随电源供给线上的干扰而变化，从而有可能使管子导通，加大了对储能电容的电流消耗。

发明内容

本实用新型的目的是：提供一种用于电子***的直流载波通信接口电路，它简化了电路结构，可降低集成芯片的最终成本，消除了数据接收电路和储能电容之间的依赖关系，减少了数字电路工作用储能电容的电流消耗，延长了数字电路在外部能源供给出现故障时的工作时间，提高了***工作的整体可靠性。

本实用新型的技术方案是：一种用于电子***的直流载波通信接口，它由以下电路组成：一对连接输入导线Line+和Line-的连接端子；一对连接在上述连接端子之间的串联保护二极管对401，保护二极管对的阳极接连接端子；一个整流桥402，其输入端即D2A和D2B、D3A和D3B的连接点，与连接端子连接，其负输出端即D2A和D3A的连接点，连接内部信号参考地，其正极输出端即D2B和D3B的连接点，连接二极管420的阳极；二极管420的阴极分别连接电容404的正极和DC/DC变换器403的电压输入端，电容404的负极接信号参考地；一个由NMOS管406、电阻R1、R2组成的数据发送电路440，NMOS管406的漏极串联电阻R1以后连接整流桥402的正输出端，其源极接信号地，其栅极为数据输入端；一个协调控制通信接口工作的管理电路450和一个数据接收电路430，管理电路450的数据输出端TXD与NMOS管406的栅极连接，其特征在于，所说的数据接收电路由电阻431和稳压二极管432的串联支路构成，稳压二极管432的阴极串联电阻431后与整流桥402的正输出端连接，其阳极接信号地，同时，稳压二极管432的阴极与管理电路450的数据输入端RXD连接。

本实用新型的优点是：

(1)本实用新型利用整流桥的方向转换功能，减少了电子***初始化时监测输入端连接方向及其切换数据输入方向的环节，提高了通信接口的工作可靠性；

(2)直接利用稳压二极管进行信号源的电平转换，转换到数字内核可识别的电平，简化了数据接收电路的复杂性，减少了电子***最终集成芯片中，承受需外部高压的器件数量，降低了控制芯片的集成成本，基于工程***中***用量的巨大性，这一点对于降低***成本，促进电子***的市场化是极为重要的；

(3)数据接收电路的电源供给直接取自电源线供给的能量，消除了数据接收电路和储能电容之间的依赖关系，从而减少了数字电路工作用储能电容的电流消耗，延长了数字电路在外部能源供给出现故障时的工作时间，提高了***工作的整体可靠性。

附图说明

图1是基于载波技术的第二代电子***通信示意图。

图2是美国专利USP5520114公开的电子***通信接口的电路原理图。

图3是本实用新型电子***用直流载波通信接口的电路原理图。

具体实施方式

下面对本实用新型做进一步详细说明。本实用新型由以下电路组成：一对连接输入导线Line+和Line-的连接端子；一对连接在上述连接端子之间的串联保护二极管对401，保护二极管对的阳极接连接端子；一个整流桥402，其输入端与连接端子连接，其负输出端接信号地，其正极输出端连接二极管420的阳极；二极管420的阴极分别连接电容404的正极和DC/DC变换器403的电压输入端，电容404的负极接信号地；一个由NMOS管442、电阻R1、R2组成的数据发送电路440，NMOS管442的漏极串联电阻R1以后连接整流桥402的正输出端，其源极接信号地，其栅极为数据输入端；一个协调控制通信接口工作的管理电路450和一个数据接收电路430，管理电路450的数据输出端TXD与NMOS管442的栅极连接，以上电路与图2基本相同。本实用新型的特征在于，所说的数据接收电路由电阻431和稳压二极管432的串联支路构成，稳压二极管432的阴极串联电阻431后与整流桥402的正输出端连接，其阳极接信号地，同时，稳压二极管432的阴极与管理电路450的数据输入端RXD连接。

本实用新型针对USP5,520,114电路设计中存在的欠缺加以改进，它保持了USP5,520,114中抑制电流瞬变的二极管对401、整流桥402、DC/DC变换器403、储能电容404、二极管420、数据发射电路418(在图3中标为440)的原有设计，主要针对图2中数据接收电路存在的上述缺点进行改进：取消了图2中管理电路450对数据接收电路418的数据接收方向控制信号command，简化了同数据管理电路450的连接，同时大大简化了数据接收电路的结构。

图3的数据接收接口430由电阻431和稳压二极管432构成。电阻431和稳压管432串联连接在整流桥402的两个输出端之间，电阻431和整流桥402的输出正端连接，稳压二极管的阳极同整流桥的负输出端连接，电阻431与稳压管432阴极的串联连接点和管理电路450的输入端RXD连接。

由于整流桥402已经对加载到Line+(或Line-)上的信号进行了方向变换，即无论Line+/Line-同***如何连接，***100加载到电源输出正上的数字信号经整流桥后，数字信号一定会在整流桥402的正端输出，因此连接在整流桥之后的数据接收电路430，可以不用考虑外部接线的连接情况，即管理电路450无需对数据接收电路430进行管理。数据接收电路430并接在整流桥402的输出端之间，由于CMOS器件对信号的高、低电平要求相对较低，可以用稳压二极管432把输入数字信号转换为管理电路450可以识别的信号，电阻431为限流电阻对稳压二极管432的输入进行保护，在可能的情况下可以适当增大电阻431的阻值，以减小数据接收电路440的功耗。数据接端口440连接在二极管420之前，使数字信号的获得完全依靠Line+/Line-上提供的能量，减小对储能电容404储存能量的消耗。

Claims (1)

1、一种用于电子***的直流载波通信接口，由以下电路组成：一对连接输入导线Line+和Line-的连接端子；一对连接在上述连接端子之间的串联过压保护二极管对[401]，保护二极管对的阳极接连接端子；一个整流桥[402]，其一对输入端与连接端子连接，其负极输出端接信号地，其正极输出端连接二极管[420]的阳极；二极管[420]的阴极分别连接电容[404]的正极和DC/DC变换器[403]的电压输入端，电容[404]的负极接信号地；一个由NMOS管[442]、电阻R1、R2组成的数据发送电路[440]，NMOS管[406]的漏极串联电阻R1以后连接整流桥[402]的输出正极，其源极接信号参考地，其栅极为数据输入端；一个协调控制通信接口工作的管理电路[450]和一个数据接收电路[430]，管理电路[450]的数据输出端TXD与NMOS管[406]的栅极连接，其特征在于，所说的数据接收电路[430]由电阻[431]和稳压二极管[432]的串联支路构成，稳压二极管[432]的阴极串联电阻[431]后与整流桥[402]的正极连接，其阳极接信号地，同时，稳压二极管[432]的阴极与管理电路[450]的数据输入端RXD连接。

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