專利名稱：一種隔離型總線供電通信系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隔離型總線供電通信系統(tǒng)，尤其是通過變壓器隔離傳輸?shù)?單總線傳輸電源與數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，屬于現(xiàn)場總線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)控制、智能樓宇、設(shè)備監(jiān)控等領(lǐng)域，存在大量將現(xiàn)場分散的檢測點(diǎn)
和控制點(diǎn)通過總線進(jìn)行連接的需求。目前常用的總線技術(shù)有RS485、 CAN、 ProfiBus等。與集中式的星型連線相比，總線方式可大大減少連線的總長度和布 線的復(fù)雜度。每個(gè)總線模塊的接口需要一對(duì)電源線和一對(duì)信號(hào)線。
為了進(jìn)一步減少連線以及從設(shè)備本征安全特性考慮，目前也有多種只需通 過一對(duì)線同時(shí)傳輸信號(hào)和電源的技術(shù)，如ProfiBus-PA所采用的IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn) 等。這種技術(shù)采用曼徹斯特編碼將基帶數(shù)據(jù)信號(hào)疊加到電源線上，再進(jìn)行傳輸。
ProfiBus-PA在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，ProfiBus-PA與RS485、 CAN—樣，都存在一個(gè)缺點(diǎn)總線與通信控制器沒有隔離，當(dāng)多個(gè)被控量之間 電位不等時(shí)，必須附加隔離電路將通信控制器的通信數(shù)據(jù)線與總線隔離。此外 還要通過DC/DC隔離電路將控制器電源與總線相隔離，因而需要大量的外圍電 路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，在一對(duì)電源/通信總線上能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電 源供應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)母綦x型總線供電通信系統(tǒng)。
本發(fā)明的隔離型總線供電通信系統(tǒng)，其特征是包括接在電源/通信總線上的 電源模塊和N個(gè)通信模塊，N至少為2個(gè)，其中
電源模塊包括功率開關(guān)電路和開關(guān)控制電路，功率開關(guān)電路的輸入端與電 源相連，輸出端接電源/通信總線，開關(guān)控制電路與功率開關(guān)電路相連；
通信模塊包括隔離變壓器、整流穩(wěn)壓電路、數(shù)據(jù)發(fā)送電路、數(shù)據(jù)接收電路 和通信控制電路，隔離變壓器的原邊繞組與電源/通信總線相連，隔離變壓器的 副邊繞組分別與整流穩(wěn)壓電路的輸入端、數(shù)據(jù)接收電路的輸入端以及數(shù)據(jù)發(fā)送 電路的輸出端相連，數(shù)據(jù)發(fā)送電路的輸入端與通信控制電路的數(shù)據(jù)發(fā)送端相連， 數(shù)據(jù)接收電路的輸出端與通信控制電路的數(shù)據(jù)接收端相連，整流穩(wěn)壓電路的輸 出端向數(shù)據(jù)發(fā)送電路、數(shù)據(jù)接收電路和通信控制電路提供電源；通信模塊在電 源/通信總線上的每個(gè)數(shù)據(jù)位的傳輸都包含4個(gè)階段正電源階段、負(fù)電源階段、 磁復(fù)位階段和數(shù)據(jù)通信階段。
本系統(tǒng)的一個(gè)位信號(hào)的傳輸過程包含4個(gè)階段正電源階段、負(fù)電源階段、 磁復(fù)位階段和數(shù)據(jù)通信階段。在正電源階段，電源模塊輸出正電壓；在負(fù)電源 階段，電源/通信總線上為負(fù)電壓，這個(gè)負(fù)電壓可以由電源模塊輸出，也可以由 通信模塊的隔離變壓器的原邊激磁電流自動(dòng)產(chǎn)生。在磁復(fù)位階段，電源模塊關(guān) 斷輸出，通信模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送電路也不輸出電壓，以保證隔離變壓器的激磁電 流在這個(gè)階段恢復(fù)為零。在數(shù)據(jù)通信階段，電源模塊關(guān)斷輸出，當(dāng)通信模塊發(fā) 送數(shù)據(jù)"0"時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送電路輸出電壓，經(jīng)隔離變壓器耦合，在電源/通信總線 上產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖，表示"邏輯0 "。在數(shù)據(jù)通信階段，數(shù)據(jù)接收電路檢測輸 入電壓，當(dāng)其值大于固定閾值Vref，判斷總線為"邏輯0"，否則為"邏輯1"。
本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)位傳輸?shù)幕A(chǔ)上，通過定義相應(yīng)的幀格式，就可實(shí)現(xiàn)通信節(jié) 點(diǎn)間的相互通信。
本發(fā)明的總線供電通信系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，在一對(duì)傳輸總線上同時(shí)實(shí)現(xiàn)電 源供應(yīng)和數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，并通過單一變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，大大簡化了 電路的復(fù)雜度并降低了成本。在構(gòu)成多節(jié)點(diǎn)總線通信方式時(shí)，支持主從通信和 對(duì)等通信。


圖1是隔離型總線供電通信系統(tǒng)的構(gòu)成框圖； 圖2是通信模塊的構(gòu)成框圖； 圖3是一種具體的電源模塊的電路實(shí)例； 圖4是一種具體的通信模塊的電路實(shí)例； 圖5是總線上傳輸一位數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。 具體實(shí)施方法
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明
參照?qǐng)Dl,圖2，本發(fā)明的隔離型總線供電通信系統(tǒng)，包括接在電源/通信總 線上的電源模塊1和N個(gè)通信模塊2， N至少為2個(gè)，其中-
電源模塊1包括功率開關(guān)電路3和開關(guān)控制電路4，功率開關(guān)電路3的輸入 端與電源相連，輸出端接電源/通信總線，開關(guān)控制電路4與功率開關(guān)電路3相 連；
通信模塊2包括隔離變壓器5、整流穩(wěn)壓電路6、數(shù)據(jù)發(fā)送電路7、數(shù)據(jù)接 收電路8和通信控制電路9，隔離變壓器5的原邊繞組與電源/通信總線相連， 隔離變壓器5的副邊繞組分別與整流穩(wěn)壓電路6的輸入端、數(shù)據(jù)接收電路8的 輸入端以及數(shù)據(jù)發(fā)送電路7的輸出端相連，數(shù)據(jù)發(fā)送電路7的輸入端與通信控 制電路9的數(shù)據(jù)發(fā)送端相連，數(shù)據(jù)接收電路8的輸出端與通信控制電路9的數(shù)
據(jù)接收端相連，整流穩(wěn)壓電路6的輸出端向數(shù)據(jù)發(fā)送電路7、數(shù)據(jù)接收電路8和 通信控制電路9提供電源。
圖3是一種具體的電源模塊的電路實(shí)例，此例中功率開關(guān)電路3為由功率 MOS管Tl、 T2、 T3、 T4組成的全橋逆變電路，開關(guān)控制電路4由微控制器 U2和功率MOS管的驅(qū)動(dòng)器Ul組成，這里功率MOS管的驅(qū)動(dòng)器Ul采用芯片 IR2110，全橋逆變電路的功率MOS管的控制門極與芯片IR2110的輸出端相連。 功率開關(guān)電路3也可以采用其他功率器件組成的全橋逆變電路、半橋逆變電路、 正激電路、雙管正激電路、推挽電路、反激電路或諧振逆變電路。
圖4是一種具體的通信模塊的電路實(shí)例，這里，整流穩(wěn)壓電路6是由二級(jí) 管D1、 D2、 D3、 D4，電容C1、 C2和穩(wěn)壓芯片U3組成的全波整流穩(wěn)壓電路， 整流穩(wěn)壓電路或者也可以采用半波整流穩(wěn)壓電路。整流穩(wěn)壓電路6給數(shù)據(jù)發(fā)送 電路7、數(shù)據(jù)接收電路8和通信控制電路9供電。數(shù)據(jù)發(fā)送電路7由三級(jí)管T5、 T6、 T7、 T8和驅(qū)動(dòng)電路U4組成，驅(qū)動(dòng)電路U4的輸出端與三極管T5、 T6、 T7、 T8的基極相連，這里三級(jí)管T5、 T6、 T7、 T8可以采用MOSFET取代。數(shù)據(jù)接 收電路8是由分壓電阻R1、 R2，比較器U5和參考電壓源Vref組成的單端比較 電路，參考電壓源Vref的輸出與比較器U5的負(fù)端相連，電阻R1、R2分壓后的 輸出與比較器U5的正端相連；數(shù)據(jù)接收電路8或者也可以采用差分比較電路。 此例中通信控制電路9為微處理器MCU編程實(shí)現(xiàn)，或者也可以由CPLD/FPGA 芯片或其他硬件電路實(shí)現(xiàn)。
圖5是總線上傳輸一位數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。其傳輸過程包含4個(gè)階段正電源 階段T1、負(fù)電源階段T2、磁復(fù)位階段T3和數(shù)據(jù)通信階段T4。
系統(tǒng)工作時(shí)，外部直流電源輸入到電源模塊1的功率開關(guān)電路3后，經(jīng)開 關(guān)控制電路4的調(diào)節(jié)作用，輸出波形如圖5所示。在時(shí)間段T1，電源模塊l的 功率開關(guān)電路3輸出正電壓，給所有的通信模塊2供電。在時(shí)間段T2，電源模 塊1的功率開關(guān)電路3產(chǎn)生負(fù)電壓，產(chǎn)生負(fù)壓的目的是使時(shí)間段Tl和T2內(nèi)的 總線平均電壓接近為零，防止通信模塊2中的隔離變壓器5產(chǎn)生直流磁化效應(yīng)， 在T2時(shí)間段內(nèi)功率開關(guān)電路3也可以給通信模塊2供電。在時(shí)間段T3和T4， 電源模塊1的功率開關(guān)電路3不輸出功率。在時(shí)間段T3內(nèi)隔離變壓器5的磁化 電流完全復(fù)位。在時(shí)間段T4， N個(gè)通信模塊2之間進(jìn)行一個(gè)位的數(shù)據(jù)傳輸，其 傳輸原理如下數(shù)據(jù)接收電路8將隔離變壓器5的輸出電壓變?yōu)閿?shù)字電路可以 識(shí)別的邏輯電平信號(hào)，輸入到通信控制電路9。通信控制電路9在T4時(shí)間段內(nèi)， 根據(jù)數(shù)據(jù)接收端的電平狀況，即可判斷總線狀態(tài)為"邏輯0"或"邏輯1"。當(dāng) 通信模塊2發(fā)送數(shù)據(jù)0時(shí)，在T4時(shí)間段內(nèi)控制數(shù)據(jù)發(fā)送電路7通過隔離變壓器 5向總線饋送電能，使總線處于"邏輯0"狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)過程。
權(quán)利要求
1. 一種隔離型總線供電通信系統(tǒng)，其特征是包括接在電源/通信總線上的電源模塊(1)和N個(gè)通信模塊(2)，N至少為2個(gè)，其中電源模塊(1)包括功率開關(guān)電路(3)和開關(guān)控制電路(4)，功率開關(guān)電路(3)的輸入端與電源相連，輸出端接電源/通信總線，開關(guān)控制電路(4)與功率開關(guān)電路(3)相連；通信模塊(2)包括隔離變壓器(5)、整流穩(wěn)壓電路(6)、數(shù)據(jù)發(fā)送電路(7)、數(shù)據(jù)接收電路(8)和通信控制電路(9)，隔離變壓器(5)的原邊繞組與電源/通信總線相連，隔離變壓器(5)的副邊繞組分別與整流穩(wěn)壓電路(6)的輸入端、數(shù)據(jù)接收電路(8)的輸入端以及數(shù)據(jù)發(fā)送電路(7)的輸出端相連，數(shù)據(jù)發(fā)送電路(7)的輸入端與通信控制電路(9)的數(shù)據(jù)發(fā)送端相連，數(shù)據(jù)接收電路(8)的輸出端與通信控制電路(9)的數(shù)據(jù)接收端相連，整流穩(wěn)壓電路(6)的輸出端向數(shù)據(jù)發(fā)送電路(7)、數(shù)據(jù)接收電路(8)和通信控制電路(9)提供電源；通信模塊(2)在電源/通信總線上的每個(gè)數(shù)據(jù)位的傳輸都包含4個(gè)階段正電源階段、負(fù)電源階段、磁復(fù)位階段和數(shù)據(jù)通信階段。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離型總線供電通信系統(tǒng)，其特征是電源模塊(l) 的功率開關(guān)電路(3)為全橋逆變電路、半橋逆變電路、正激電路、雙管正激電路、 推挽電路、反激電路或諧振逆變電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔離型總線供電通信系統(tǒng)，其特征是通信模塊(2) 的整流穩(wěn)壓電路(6)為全波整流穩(wěn)壓電路或半波整流穩(wěn)壓電路。
全文摘要
本發(fā)明公開的隔離型總線供電通信系統(tǒng)包括接在電源/通信總線上的電源模塊和N個(gè)通信模塊，N至少為2個(gè)，電源模塊包括功率開關(guān)電路和開關(guān)控制電路，通信模塊包括隔離變壓器、整流穩(wěn)壓電路、數(shù)據(jù)發(fā)送電路、數(shù)據(jù)接收電路和通信控制電路，通信模塊在電源/通信總線上的每個(gè)數(shù)據(jù)位的傳輸都包含4個(gè)階段正電源階段、負(fù)電源階段、磁復(fù)位階段和數(shù)據(jù)通信階段。本發(fā)明的總線供電通信系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，在一對(duì)傳輸總線上同時(shí)實(shí)現(xiàn)電源供應(yīng)和數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，并通過單一變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，大大簡化了電路的復(fù)雜度并降低了成本。在構(gòu)成多節(jié)點(diǎn)總線通信方式時(shí)，支持主從通信和對(duì)等通信。
文檔編號(hào)H04B3/54GK101383084SQ20081012161
公開日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2008年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者何湘寧, 吳建德, 李武華, 波 楊 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)