专利名称：一种隔离型总线供电通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种隔离型总线供电通信系统，尤其是通过变压器隔离传输的 单总线传输电源与数据的系统，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—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，因而需要大量的外围电 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系统。
本发明的隔离型总线供电通信系统，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。
本系统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"。
本系统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系统电路结构简单，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。
图1是隔离型总线供电通信系统的构成框图； 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l,图2，本发明的隔离型总线供电通信系统，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Tl、 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Ul组成，这里功率MOS管的驱动器Ul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。
系统工作时，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l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Tl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。
权利要求
1. 一种隔离型总线供电通信系统，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。
2. 根据权利要求1所述的隔离型总线供电通信系统，其特征是电源模块(l) 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、双管正激电路、 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系统，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。
全文摘要
本发明公开的隔离型总线供电通信系统包括接在电源/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系统电路结构简单，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。
文档编号H04B3/54GK101383084SQ20081012161
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月14日 优先权日2008年10月14日
发明者何湘宁, 吴建德, 李武华, 波 杨 申请人:浙江大学