一种体育场馆座椅USB充电端口智能控制系统的制作方法
本发明涉及一种体育场馆座椅usb充电端口智能控制系统，尤其是一种供电总线技术应用于体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统智能控制系统。
背景技术：
手机作为多媒体的“一员”,尤其是智能机的“横空出世”，极大颠覆了以往我们的“认知观”，聊天、视频、游戏、微博、购物、导航……，既方便又快捷，可以这样说，现代人越来越离不开手机了，它是现代生活中不可或缺的一部分。随着智能手机功能不断增加，人们在日常生活中似乎越来越离不开它。看到手机低电量提示，即电量低于20％，有些人甚至出现紧张、焦虑情绪。在以往的体育场馆建设中从未考虑现代人随时随地的手机usb充电需求，随着新一代体育场馆的新建和改扩建，体育场馆座椅usb充电终端直流电源系统的需求越来越大，将会成为新一代体育场馆建设机电基础设施中不可缺少的一部分，并融入整个智能化弱电系统的统一控制和管理。但是目前体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统智能控制存在缺少统一的建设及安全规范标准，采用传统的建筑智能化控制管理方法存在投资大，系统复杂，安全性、可靠性、可维护性差等诸多问题，特别由于体育场馆座椅usb充电端口数量多、分布广、供电和通讯拓扑复杂、安全供电要求下的低电压大电流等情况，对体育场馆座椅usb充电端口直流电源系统的设计、施工、调试和维护带来极大的挑战。目前体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统智能控制系统在很多体育场馆中只是一种想法，只是停留在认识阶段，没有用供电总线技术、系统工程和信息化的方法对体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统管理进行整体规划，从而影响该系统在体育场馆实际中高效、安全、可靠的运行和应用。目前工业通讯控制方式主要还以传统的rs-485总线通讯为主。由于体育场馆现场环境的复杂性，通讯线与电源线误接、反接而导致的通讯故障，给现场调试维护带来了麻烦，造成了经济损失和时间浪费，使系统的可靠性、可维护性也大打折扣低，效能也随之降低。
技术实现要素：
本发明的目的是：设计一种基于供电总线技术的创新应用于体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统智能控制系统，以达到对体育场馆座椅usb充电端口直流电源系统花费少、效率高的最佳效果。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种体育场馆座椅usb充电端口智能控制系统，其特征在于：按照通讯控制层级从上往下包括直流电源系统管理平台、直流电源区域监控主机、通讯配电控制器和智能控制终端模块，直流电源系统管理平台采用工业级计算机、串行通信接口及网络接口与外部系统交换信息，用于整个系统的管理和控制。
直流电源区域监控主机，通过光纤光纤收发器与直流电源系统管理平台建立通信连接，用于对每个下层设备的工作状态进行实时监控，并将故障及事件报告给直流系统管理平台；
通讯配电控制器，通过通讯总线和供电线与直流电源区域监控主机连接，用于完成对接上位协议与下位通讯路由和通讯数据与供电电源的链路调制通过powerbus总线主站控制器将供电线与通讯总线合二为一，实现通讯配电控制器输出部分通讯信号和供电共用一个总线。
智能控制终端模块，通过powerbus供电总线连接所述通讯配电控制器的输出端，根据直流电源系统管理平台主控指令提供智能控制模式的电源输出端口，实现usb充电管理。
优选地，所述直流电源系统管理平台包括中央控制器、工业网路交换机和光纤收发器；所述中央控制器通过工业网路交换机和光纤收发器与所述直流电源区域监控主机建立通信连接。
优选地，所述直流电源区域监控主机的输入端通过光纤收发器接入直流电源系统管理平台的工业网络交换机，直流电源区域监控主机的输出端通过通讯总线方式与通讯配电控制器连接。
优选地，所述通讯配电控制器包括通讯路由单元、通讯信号调制单元、输出控制单元、ac/dc开关电源和微型断路器，所述通讯路由单元的输入端通过通讯总线连接直流电源区域监控主机的输出端，通讯路由单元的输出端通过通讯信号调制单元连接输出控制单元，220v输入电源通过微型断路器和ac/dc开关电源连接输出控制单元输出dc24v安全电压。
优选地，所述智能控制终端模块包括powerbus总线从站接收器、总线通讯io智能控制单元、usb充电模块、人体探测单元和传感信息输入单元，powerbus总线从站接收器通过powerbus供电总线连接所述通讯配电控制器的输出控制单元的输出端，所述powerbus总线从站接收器的供电输出接口连接所述总线通讯io智能控制单元的电源输入接口，通过总线通讯io智能控制单元的电源智能输出接口控制输出dc24v电压，dc24v电压作为usb充电模块的输入通过变压输出实现usb充电；所述powerbus总线从站接收器的通讯信号输出接口连接所述总线通讯io智能控制单元的通讯输入接口，通过总线通讯io智能控制单元的信息采集输出接口连接人体探测单元和传感信息输入单元。
优选地，所述智能控制终端模块设置双位智能控制终端和单位智能控制终端2种规格。
优选地，所述powerbus总线主站控制器电路包括电源、ev620电路板、保险丝f1、功率管q1、三极管q2、三极管q3、电容c11、电阻r11、电阻r12、电阻r13和单向tvs管，电源通过保险丝f1分别连接电容c11的一端、功率管q1的源极和ev620电路板的v+脚，电容c11的另一端接地，功率管q1的栅极通过电阻r12连接ev620电路板的bh脚，功率管q1的漏极分别连接ev620电路板的l+脚、三极管q3的发射极、电阻r11的一端、单向tvs管的负极和powerbus总线的其中一条线，三极管q3的集电极分别连接ev620电路板的bl脚和三极管q2的基极，三极管q3的基极通过电阻r13连接分别连接电阻r11的另一端和三极管q2的发射极，三极管q2的集电极和单向tvs管的正极分别连接ev620电路板的gnd脚和powerbus总线的另一条线，ev620电路板的gnd脚接地。
优选地，所述ev620电路板的核心芯片为pb620芯片，所述pb620芯片的hp脚连接ev620电路板的baud脚，
优选地，所述功率管q1包括并联的功率管q1a和功率管q1b，功率管q1a的源极分别连接功率管q1b的源极和ev620电路板的v+脚，功率管q1a的漏极分别连接功率管q1b的漏极和ev620电路板的l+脚，功率管q1a的栅极通过电阻r2a分别连接电阻r2b的一端和ev620电路板的bh脚，电阻r2b的另一端连接功率管q1b的栅极。
优选地，所述powerbus总线从站接收器电路包括pb331芯片，所述pb331芯片的pi脚连接电阻r31的一端和电阻r32的一端，电阻r32的另一端接地，电阻r31的另一端分别连接三极管t11的集电极、二极管d11的正极、整流桥mb6s的正极，二极管d11的负极分别连接电容c31的一端和dcs端口，作为powerbus总线从站接收器的供电输出接口，电容c31的另一端接地，三极管t11的基极通过电阻r34连接pb331芯片pd脚，三极管t11的发射极通过电阻r33接地，整流桥mb6s的负极接地，整流桥mb6s交流端通过保险丝f2连接powerbus总线，整流桥mb6s和powerbus总线之间并联有双向tvs管。
系统基本功能：
(1)实时在线监测：监测中央控制器的综合运行情况，系统供电及通讯网络的回路开路、短路及连接状态；监测通讯配电控制器、智能控制终端设备的工作及故障情况。
(2)智能控制：通过中央控制器可以远程设定智能直流电源终端设备的基本工作模式，可以自动控制或手动控制多功能直流电源终端开关，按照控制软件程序实现各种开关和转换。
(3)usb充电管理：输出电压：4.5v～5.5v、输出电流：2a，usb端口充电采用“快速充电”机制。
(4)智能电源输出：系统控制终端模块智能电源输出端，可提供按照控制软件程序实现各种开关和转换模式的电源，可以接入其他直流5v用电设备。
系统监测功能：
系统有自检功能，中央控制器可以自动对诸如信号机、电源、通信链路、检测器等系统设备和软件的工作状态与故障情况进行全面监测，在控制中心可以显示系统和设备的状态，不能正常工作可以发出报警或提示。所有故障信息及其它操作错误或事件发生应记录在系统日志中。
系统远程监控与维护功能：
通过基于bs架构的互联网远程管理平台，透过gprs、wifi、4g或5g无线网络等远程联网方式与系统维护中心相联(用户授权)，由系统维护中心对本系统进行远程维护和控制。实现与本地系统控制台一样，监控系统的运行；设置系统控制参数；对系统软件进行修改和升级。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统智能控制系统通过实时在线监测技术监测体育场馆座椅usb充电终端直流电源系统中央控制器的综合运行情况；系统供电及通讯网络的回路开路、短路及连接状态；通讯配电控制器、智能控制终端设备的工作及故障情况。通过中央控制器可以远程设定智能直流电源终端设备的基本工作模式，可以自动控制或手动控制多功能直流电源终端(座椅usb充电端口)开启和关闭，按照控制软件程序实现各种开关和转换。座椅usb充电端口输出充电采用“快速充电”机制。系统智能控制终端模块通过人体探测单元和传感信息输入单元智能控制电源输出端，可提供按照控制软件程序实现各种开关和转换模式的电源，同时可以接入其他直流5v用电设备。
系统采用了基于powerbus低压直流载波的供电总线技术，通过在供电电缆上调制控制信号满足设备供电和通讯的需求，替代了传统分离的控制电缆和供电电缆并大幅度提高通讯稳定性，提供了高通讯抗干扰能力，能适应现场使用的各种线材且任意拓扑方式敷设，并实现远距离通讯的功能，极大方便施工布线，并且可以防止错接发生，简化施工维护。相对于rs-485四线系统(两根供电线路、两根通讯线路)，将供电线与信号线合二为一，实现了信号和供电共用一个总线的技术，由于其无极性接线任意拓扑的性能，避免了在体育场馆成千上万的座椅usb充电端口施工中出现的总线任意交叉和接线错误所引起的系统故障，从而使体育场馆座椅usb充电端口直流电源系统的设计、施工、调试和维护变得简化容易。
附图说明
图1为一种体育场馆座椅usb充电端口智能控制系统结构图；
图2为直流电源系统管理平台)技术结构图；
图3为直流电源区域监控主机技术结构图；
图4为通讯配电控制器技术结构图；
图5为通讯配电控制器技术原理示意图；
图6为智能控制终端模块技术结构图；
图7为智能控制终端模块技术原理示意图；
图8为powerbus总线主站控制器接线原理图；
图9为powerbus总线主站控制器基本应用电路图；
图10为powerbus总线主站控制器核心电路板ev620(子板)原理图；
图11为uart通讯接口8位串口数据传输示意图；
图12为uart通讯接口9位串口数据传输示意图；
图13为并联mosfet与pb620电路连接示意图；
图14为单向tvs特性和钳位电压影响示意图；
图15为powerbus总线从站接收器接线原理图；
图16为powerbus总线从站接收器基本应用电路图；
图17为powerbus总线从站接收器接直流负载连接示意图；
图18为pb331核心电路供电示意图；
图19为本发明一种体育场馆座椅usb充电端口智能控制系统平面布置图；
图20为智能控制终端模块接线示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
如图1所示，本发明一种体育场馆座椅usb充电端口智能控制系统通讯控制层结构为4级：中心管理/控制级、区域控制级、配电路由控制级和智能控制终端控制对应直流电源系统管理平台、直流电源区域监控主机、通讯配电控制器和智能控制终端模块。系统阶梯供电结构分为2级：ac-dc转换降压级和dc-dc安全电压级。
1、直流电源系统管理平台：
直流电源系统管理平台(中央控制器)技术结构图如图2所示，直流电源系统管理平台由中央控制器(dcms)、工业网路交换机、光纤收发器等组成，提供与弱电系统智能化集成平台或ba系统互联互通的opc工业标准数据接口，通过防火墙接入internet实现与上级数据中心的数据对接，有直观的人机操作界面，可方便系统设备的控制编辑。
中央控制器采用工业控制计算机，稳定性好、可靠性高。工业控制计算机要求采用工业级计算机，串行通信接口及网络接口与外部系统交换信息。
中央控制器的软件系统由编辑软件、管理软件和协议解析模块组成。编辑软件由图形编辑模块和预案编辑模块组成；管理软件由管理模块和通讯模块组成。
(1)编辑软件：完成系统正常运行时所需信息的编辑。图形编辑模块实现图层的编辑、图层上设备的添加和删除、设备的信息设置等功能；预案编辑模块采用图形方式和代码方式，实现应急预案信息编辑和预案信息编辑功能；
(2)管理软件：完成对相关设备的操控和相关信息的查看。通讯模块实现设备信息的采集，对设备操控命令的下传等功能。管理模块实现系统基本信息的设置、系统中相关信息的查看和对设备操控的命令的发出等功能。
(3)协议解析模块：完成中央控制器(dcms)与直流电源区域监控主机(qc)之间通讯协议的解析功能。
中央控制器(dcms)的主要技术参数：
(1)直流电源智能管理系统具有建筑平面图显示并植入观众信息标识；
(2)管理人员通过中央监控室内的直流电源系统管理平台对系统进行监控管理；
(3)采用全中文图形操作界面；
(4)具有报警管理，日程表、历史记录、密码保护、中文菜单式及图形化多功能编程软件；
(5)可根据需要，灵活、方便的设定控制区域及操作管理权限；
(6)能够检测所有的直流电源系统设备的状态，保障系统无故障运行；
(7)在正常环境温度变化或长时间运行不影响监控软件的稳定性；
(8)中央监控软件能监控智能终端设备单元的运行和状态、以及功能的实现；
(9)自动完成预设的测试，并能直观地反应试验结果；
(10)与系统运行有关的数据存储时间在5年以上；
(11)在发生供电电路故障和智能终端设备单元功能故障时，能实时打印输出故障数据，并能通过功能操作选择这些数据；
(12)能对系统进行编程设置，配置系统功能；
(13)能够获取系统内任何组成设备的故障信息；
(14)能够对出现故障的智能终端设备单元进行定位，并直观的通过颜色变化予以显示。
2、直流电源区域监控主机：
直流电源区域监控主机(qc)技术结构图如图3所示，可对每个下层设备的工作状态进行实时监控，具有故障及事件报告功能。直流电源区域监控主机(qc)向上通过光纤收发器接入直流电源系统管理平台(dcms)的工业网络交换机，向下采取通讯总线方式与通讯配电控制器(tpc)连接。
直流电源区域监控主机(qc)的技术构成及规格参数：
(1)通讯线采用稳定性高、传输距离远的can、modbus、lonbus总线。通讯配电控制器与智能直流电源终端模块的连接采用二总线通讯方式。
(2)直流电源区域监控主机(qc)采用高可靠性工业控制型计算机，采用嵌入式操作系统。采用不低于彩色显示器不低于7英寸；中文汉字显示。
(3)输入电源:ac220v，50hz。
(4)防护等级不低于ip30。
(5)使用环境：温度介于-10℃～55℃，相对湿度≤95％rh。
(6)外部通信：直流电源区域监控主机(qc)均配置2路标准串行接口(rs-485)、can总线和光纤通信接口。
直流电源区域监控主机(qc)的主要功能：
(1)可对系统内的每个设备工作状态进行实时监控，具有不间断巡检、故障主动报警功能。
(2)监视系统内所有设备的故障状态和故障发生时间，实时查询、记录和打印信息，发出声光报警。
3、通讯配电控制器：
通讯配电控制器(tpc)主要完成对接上位协议与下位通讯路由和通讯数据与供电电源的链路调制。通讯配电控制器技术结构图路图4所示。
通讯配电控制器(tpc)由通讯路由单元、通讯信号调制单元、输出控制单元、ac/dc开关电源、微型断路器等组成。通讯配电控制器(tpc)的技术原理示意图如图5所示，通讯配电控制器(tpc)输入部分为通讯总线(rvs-2×1.5)和ac220输入电源线缆(wdz-byj-3×2.5)，通过powerbus低压直流载波的供电总线技术采用powerbus总线主站控制器将供电线与通讯信号线合二为一，实现了输出部分通讯信号和供电共用一个总线的技术。通讯配电控制器(tpc)输出回路数为4路(wle1～wle4)，采用wdz-byj-2×4线缆。通讯配电控制器(tpc)输入部分的通讯路由单元与直流电源区域监控主机(qc)配置相应规格的通讯接口，可选择rs-485通讯接口。通讯配电控制器(tpc)输入电压为ac220v，输出供电总线(wle1～wle4)的回路电压为dc24v，保证体育场馆座椅周边敷设的供电总线是安全电压。
通讯配电控制器(tpc)的主要技术参数：
(1)由输入单元、通信模块、电源模块、输出及通信控制模块等组成。
(2)每个区域配电箱设置独立的地址码。
(3)输入电压为ac220v，输出电压为dc24v。
(4)通讯配电控制器输出回路数限定最多为4路。
(5)电源和通讯输出的每个回路都具有短路和开路的保护功能。
(6)电源和通讯输出的每一个回路故障不会影响其它回路通讯和供电。
(7)能接收系统控制器的指令，控制所带智能控制终端模块工作。
(8)通讯配电控制器可设置于体育场馆区域配电夹层内。
(9)安装方式：壁挂式安装。
(10)使用环境：温度范围-10℃～50℃，相对湿度≤95％rh。
(11)防护等级：≥ip33；有防潮、防水等措施。
4、智能控制终端模块：
智能控制终端模块(zm)分为双位(zm/2d)和单位(zm/1d)2种规格，根据体育场馆座椅的实际需求进行配置。智能控制终端模块(zm)由powerbus总线从站接收器、总线通讯io智能控制单元、usb充电模块、人体检测单元、智能电源输出单元、传感信息输入单元等组成。智能控制终端模块(zm)实现信息采集、输出管理的功能。智能控制终端模块技术结构图如图6所示，智能控制终端模块(zm)的技术原理示意图如图7所示。powerbus总线从站接收器的供电输出接口连接总线通讯io智能控制单元的电源输入接口，通过总线通讯io智能控制单元的电源智能输出接口控制输出dc24v电压，dc24v电压作为usb充电模块的输入通过变压输出实现usb充电；powerbus总线从站接收器的通讯信号输出接口连接总线通讯io智能控制单元的通讯输入接口，通过总线通讯io智能控制单元的信息采集输出接口连接人体探测单元和传感信息输入单元。
智能控制终端模块(zm)的主要技术参数：
(1)工作环境：户外露天环境。
(2)环境温度：-20℃～80℃。
(3)防护等级：ip66。
(4)输入电源：dc24v，采用powerbus供电总线(信号和供电共用一个总线)进行供电。
(5)通讯方式：采用powerbus供电总线(信号和供电共用一个总线)进行通讯。
(6)usb充电模块的usb充电端口：
·usb端口充电采用“快速充电”机制。
·输入电压：dc24v
·输出电压：4.5v～5.5v、输出电流：2a。
(7)usb充电模块支持多种usb充电协议，各充电协议自动切换。
·divider1/divider2/divider3充电协议。
·d+/d-置1.2v模式。
·bc1.2dcp及ctisyd/t1591-2009充电协议。
智能控制终端模块(zm)的基本功能：
(1)每个智能控制终端模块具有唯一通讯地址。
(2)智能控制终端模块能执行控制器指令开启、关闭等功能。
(3)可进行usb充电管理并可提供快速充电输出端口。
(4)可根据主控指令提供智能控制模式的电源输出端口。
5、powerbus供电总线：
powerbus低压直流载波供电总线是一种相对于rs-485四线系统(两根供电线路、两根通讯线路)，而将供电线与信号线合二为一，实现了信号和供电共用一个总线的技术，由于其无极性接线任意拓扑的性能，避免了在施工中出现的接线错误，从而使施工设计简化容易。
powerbus供电总线针对rs-485总线施工设计缺陷改进了传统rs-485总线传统应用，具有无极性接线、任意拓扑、无需隔离、通讯距离远等优势，powerbus通讯协议符合modbus通讯协议，简化了施工设计。供电总线性能比较如表1所示。powerbus两线制供电总线技术，采用tdma通讯技术，实现供电同时进行通讯，其具有可供电、通讯、无极性接线等特性，具备主站控制器、从站接收器。基于网络传输的总线协议解决方案比较成熟的有ethercat和powerlink两种，powerbus与上述两种有所区别，不仅具有以上两种协议的功能，并且在某些指标方面是优于上述两种方案。
表1
powerbus供电总线技术特点：
高速通讯：总线可供电，最远通讯距离可达3000米。
大功率：总线可提供20a电流，单个从站可提供1a电流。
无极性接线：布线无极性，节约安装调试时间。
任意拓扑：支持星形、树形、总线型，走线更随意。
可挂接256从站：可稳定带256个以上的节点通讯，不受设备的影响。
布线混走：布线可与ac220v混走,无需单独穿管。
布线灵活：任意线缆，双绞线，bv线。
节约成本：无需电气隔离,大幅度降低成本。
抗干扰：优秀的抗干扰能力,emc兼容无需磁环。
简单易用：串口uart透传,兼容modbus协议上手简单应用灵活。
低配置：对负载无要求,对电流波动无限制。
易扩展性：可灵活中继扩展距离、功率、从站数量。
powerbus供电总线技术指标：
总线可供电，通讯和供电无需电气隔离。
支持通讯速率9600bps和2400bps半双工通讯。
可支持总线电流20a(2400bps)。
具备总线短路保护，短路移除自动恢复总线。
故障信号上报功能。
可同时挂接256个设备。
通讯距离可达3000m。
从站支持无极性布线。
支持任意拓扑布线：树形，星形，总线型。
最大总线电压可达48v。
采用半双工通讯。
工作温度：-40℃～+85℃。
5.1、powerbus总线主站控制器技术描述：
powerbus属于低压供电总线技术。通过在供电电缆上调制控制信号，替代了传统分离的控制电缆和供电电缆并大幅度提高通讯稳定性。powerbus采用满幅电压发送，电流信号回传的方式，提供了高通讯抗干扰能力。能适应现场使用的各种线材并实现远距离通讯的功能。电缆可以总线型、树型或星型等任意方式铺设，极大方便施工布线，并且可以防止错接发生，简化施工维护。可对powerbus总线提供电源管理功能，实现对总线的供电、通讯和故障监测。powerbus总线主站控制器核心芯片采用先进的soc构架,在2400bps时提供高达20a的线上电流支持。高性能、低成本、高抗干扰能力，具有显著优势的长线性能。
powerbus总线主站控制器技术特点：
·总线可供电，通讯和供电无需电气隔离。
·总线抗干扰能力强，可与市电并走。
·可支持总线电流20a(2400bps)。
·具备总线短路保护，短路移除自动恢复总线。
·故障信号上报功能。
·可同时挂接256个设备。
·通讯距离可达3000m。
·支持无极性布线。
·支持任意拓扑布线：树形，星形，总线型。
·无特殊线缆要求。
·最大总线电压可达48v。
·隔离的rs485和rs232接口，透明串口协议，可兼容原rs-485和rs-232系统。
·支持通讯速率9600bps和2400bps半双工通讯。
·完善的浪涌和emc设计，保证电磁兼容特性。
powerbus总线主站控制器接线原理图如图8所示。具备rs232和rs485接口，可十分方便搭建系统进行测试。或者通过串口转换模块使用计算机串口助手进行通讯测试。具有功率器件和热沉，稳定支持20a总线功率、具有完备的状态指示、浪涌保护和emc设计、具有隔离的rs485和rs232接口、支持最大总线电压48v、最远通讯距离3000m、无特殊线缆要求。
powerbus总线主站控制器的基本应用电路如图9所示，ev620是powerbus总线主站控制器的核心电路板，核心电路板为单面布局，背面没有器件。可作为子板，直接焊接于powerbus总线主站控制器的主板上。
powerbus总线主站控制器电路包括电源、ev620电路板、保险丝f1、功率管q1、三极管q2、三极管q3、电容c11、电阻r11、电阻r12、电阻r13和单向tvs管，电源通过保险丝f1分别连接电容c11的一端、功率管q1的源极和ev620电路板的v+脚，电容c11的另一端接地，功率管q1的栅极通过电阻r12连接ev620电路板的bh脚，功率管q1的漏极分别连接ev620电路板的l+脚、三极管q3的发射极、电阻r11的一端、单向tvs管的负极和powerbus总线的其中一条线，三极管q3的集电极分别连接ev620电路板的bl脚和三极管q2的基极，三极管q3的基极通过电阻r13连接分别连接电阻r11的另一端和三极管q2的发射极，三极管q2的集电极和单向tvs管的正极分别连接ev620电路板的gnd脚和powerbus总线的另一条线，ev620电路板的gnd脚接地。
powerbus总线主站控制器核心电路板ev620(子板)原理图如图10所示，pb620是powerbus总线主站控制器核心电路板ev620上的核心芯片，powerbus总线主站控制器ev620(子板)直接焊接于powerbus总线主站控制器的主板上。pb620芯片的hp脚连接ev620电路板的baud脚，
powerbus总线主站控制器具有以下功能：
(1)高功率模式
hp为高功率模式切换引脚，内部设有上拉电阻。此引脚用来选择工作模式和通讯速率。将此引脚空悬或者拉高：uart通讯速率为9600bps，支持总线电流为5a。将此引脚接地，进入高功率模式：uart通讯速率为2400bps，可支持最大总线电流为20a。
(2)宽范围选择的总线供电电压
powerbus总线主站控制器属于低压直流供电总线，支持总线电压直流12v～48v。总线电压根据体育场馆的需求采用dc24v。从站电压需求、线材电压损耗，在这个范围内选取。通常与直流供电线无异。将外置ac/dc直流开关电源连接至v+和gnd之间。
(3)uart通讯接口
powerbus总线主站控制器支持标准串口时序数据。接收和发送自适应支持8位9位数据方式，第9位可以是数据位、校验位、地址位。8位串口数据:起始位+8位数据位+停止位，如图11所示。9位串口数据:起始位+8位数据位+第9位数据位+停止位，如图12所示。
(4)mosfet选型与热功耗计算
图9中q1为总线供电mosfet，选用功率型mosfet。
图9中的p-mosfet驱动电路为驱动p-mosfet提供功率控制，驱动电压vgs为0～11v，选择vgs耐压在20v以上的p-mosfet。
选择mosfet时根据总线电流与热量选型。
rds(on)参数为mosfet导通电阻，更低rds(on)的mosfet发热更低但通常也较贵，mos所产生的耗散热量：
pd＝irds(on)
并联mosfet以降低热量：为了降低发热量可采用两颗mosfet并联的方式，如图13所示，功率管q1采用并联的功率管q1a和功率管q1b，功率管q1a的源极分别连接功率管q1b的源极和ev620电路板的v+脚，功率管q1a的漏极分别连接功率管q1b的漏极和ev620电路板的l+脚，功率管q1a的栅极通过电阻r2a分别连接电阻r2b的一端和ev620电路板的bh脚，电阻r2b的另一端连接功率管q1b的栅极。r1a与r2b应接近mosfet的gate极引脚放置。并联后，每颗mosfet的承担一半电流，热损耗pd降为四分之一，温升降为四分之一。
在具体的powerbus总线主站控制器主板应用时，设计功率20a，使用两颗导通阻抗20m_@10v的mosfetirf4905pbf并联(如图11上的q1和q2)。当20a满载时，两颗mosfet上所承担总功率：p＝i2rmos＝400×0.01＝4w，每颗mosfet承担热量2w。
(5)保护功能
1)短路保护
powerbus总线主站控制器具备完整的总线故障检测机制。当总线发生线上短路时，pb620会立刻关断总线，防止线路意外，并保护主站功率器件防止损坏。总线正常时pb620的brk(pin20)引脚会输出高电平(3.3v典型值)，可将此信号用于上报信号进行处理，或用于切换继电器或led指示信号。总线短路发生后，brk引脚会输出低电平。当短路移除后，powerbus总线会自动开启，并恢复brk引脚高电平。
powerbus总线主站控制器主板板载保险丝为20a，如输入电源接反，或超过额定负载，可能会烧毁保险丝。如烧毁保险丝或需要其他电流门限，更换此保险丝。
当总线发生短路时，图11的板上l+指示灯将熄灭，brk指示灯亮起。短路移除后，总线自动恢复。
2)过压保护
powerbus总线主站控制器最大输入电压为48v。
输出线上浪涌保护z3提供了电源过压保护：图11上电源输入端的z3为单向瞬态抑制二极管5kp48a。用于抑制线上浪涌。使用单向，防止反向负电压损坏板上器件。
3)电源反接保护
z4提供了电源反接保护：图11上的z4为单向瞬态抑制二极管5kp48a。用于防止不慎电源接反。大电流将会正向通过5kp48a，将板上保险丝f1(20afuse)熔断，切断电源。
4)浪涌保护
在体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统的应用环境中，电子设备需要经受很宽的输入电压来自继电器，电磁开关的甩负荷脉冲和反向极性。因此，系统配置外部瞬态吸收(齐纳二极管或tvs)。
为了满足浪涌抗扰度(surgeimmunity)、电快速脉冲群(eft)、静电放电(esd)的电子电器产品电磁兼容特性标准要求等级，选择使用1500w(smcjxxa)的保护器件。满足标准gb/t17626.5(10/1000us,20/80us,±1000v)的浪涌保护。
为更好吸收emc测试中的负脉冲和骚扰和防止感性负载在长线上产生的反向负电压，更利于端口保护，选择使用单向(uni-directional)tvs保护器件。
选择tvs钳位电压时不小于总线vbus工作电压以不影响总线运行，但高击穿电压vbr的tvs达到ipp时的钳位电压也更高，为了更好保护板上元件，选择的最大反向工作电压vr＝100％～120％vbus。tvs特性和钳位电压影响如图14所示。
5.2、powerbus总线从站接收器技术描述：
powerbus总线从站接收器采用低压供电总线技术，可通过powerbus总线满足设备供电和通讯的需求。通过在供电电缆上调制控制信号，替代了传统分离的控制电缆和供电电缆并大幅度提高通讯稳定性。powerbus采用电压发送，电流信号回传的方式，提供了高通讯抗干扰能力。能适应现场使用的各种线材并实现远距离通讯的功能。电缆可以总线型、树型或星型等任意方式铺设，极大方便施工布线，并且可以防止错接发生，简化施工维护。
powerbus总线从站接收器将透传来自主站uart信号，可兼容3.3v和5v的ttl通讯电平。可直接连接从站mcu的uart串口进行设备通讯测试。也可以使用uart转usb模块，方便连接电脑进行发回码测试。powerbus总线从站接收器可提供最大1a的功率输出，可降压至设备所需电压为设备供电。也可以带假负载进行带载通讯测试。
powerbus总线从站接收器技术特点：
·总线可供电，通讯和供电无需电气隔离。
·总线抗干扰能力强，可与市电并走。
·可同时挂接256个设备。
·通讯距离可达3000m。
·支持无极性布线。
·支持任意拓扑布线：树形，星形，总线型。
·无特殊线缆要求。
·最大总线电压可达48v。
·透明串口协议的rs-485系统。
·自适应9600bps和2400bps半双工通讯。
·兼容3.3v和5v的ttl通讯电平。
·隔离设计的串口通讯，保证电磁兼容特性，兼容额外供电系统。
·可为子站或负载提供最大1a供电功率。
·低成本的解决方案。
powerbus总线从站接收器接线原理图如图15所示。将目标通讯总线通讯io智能控制单元、mcu或者ttltousb模块正确连接到图中ttl接口上。并选择相同的ttl通讯电平,连接到mcu_3v3或mcu_5v输入为隔离侧供电。dcout功率输出接口连接到目标负载。powerbuslinein接口到powerbus二线总线上。开启上层总线，即可进行通讯调试和开通。
powerbus总线从站接收器的基本应用电路如图16所示。pb331是powerbus总线从站接收器的核心芯片，pb331芯片的pi脚连接电阻r31的一端和电阻r32的一端，电阻r32的另一端接地，电阻r31的另一端分别连接三极管t11的集电极、二极管d11的正极、整流桥mb6s的正极，二极管d11的负极分别连接电容c31的一端和dcs端口，作为powerbus总线从站接收器的供电输出接口，电容c31的另一端接地，三极管t11的基极通过电阻r34连接pb331芯片pd脚，三极管t11的发射极通过电阻r33接地，整流桥mb6s的负极接地，整流桥mb6s交流端通过保险丝f2连接powerbus总线，整流桥mb6s和powerbus总线之间并联有双向tvs管。
(1)负载的电源供给
负载电源可以从图16的dcs端口处取得，可将此端口电压当做普通dc直流供电线使用，进行降压供给低压系统(dc24/dc5v转换的usb充电模块)，或用于负载带载。
(2)负载要求
powerbus总线是智能低压供电二总线，负载可以是任意负载：阻性，感性。负载可以是；电动机、步进电机、电热执行器、继电器、高功率led。负载电流动态变化，不会影响通讯。直流负载连接如图17所示。
(3)核心电路供电
pb331为宽供电范围，可以使用ldo或dc/dc降压器。可以与mcu(总线通讯io智能控制单元)共用供电系统。供电电源可以从总线提供，也可以从备电电池或者其他外部市电降压供电。如图18所示。实际使用中采用总线供电方式。
(4)保护功能
1)短路保护
powerbus总线从站接收器基本应用电路(图16)中fuse是可恢复保险丝pptc。作用为防止短路和减少上电冲击。若从站损坏变成短路状态时，fuse可以使此从站从总线脱离，而不影响总线和其他从站。主站可以通过巡检检测到此故障。
在具体的powerbus总线从站接收器应用时，powerbus总线从站接收器可输出最大1a电流。板上f2为900ma可恢复保险丝。若长时间超过900ma工作时会被f2限制电流。若从站由于意外发生短路。f2将会限制从设备最大电流，保护器件f2也可以使用电阻，若从站因任何原因发生损坏而变为短路，此电阻值则会烧断，进而断开此从站而不影响总线。上位机(mcu)可通过通讯巡检轻易查明故障从站。
2)过压保护
powerbus总线从站接收器的总线输入电压不能超过50v，采用双向48v瞬态抑制二极管，用于保护线上浪涌和限制输入电压。
3)浪涌保护
采用双向瞬间电流抑制二极管，抑制来自线上浪涌。
体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统的设备选型及配置方法如表2所示。系统主要由直流电源系统管理平台(dcms)、直流电源监控主机(qc)、通讯配电控制器(tpc)、双位智能控制终端模块(zm/2d)、单位智能控制终端模块(zm/1d)、设备输入电源线、终端供电及通讯线、现场通讯总线、控制通讯网线、控制网路光纤等组成。
6、体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统配置方法：
(1)智能控制终端模块(zm)：分为双位智能控制终端模块(zm/2d)和单位智能控制终端模块(zm/1d)，挂墙式安装。按体育场馆的实际座椅数量和需求进行配置。智能控制终端模块(双位)的位数为2，智能控制终端模块(单位)的位数为1。每台通讯配电控制器输出回路数限定最多为4路(wle1～wle4)，主要考虑通讯效率(大电流应用时通讯波特率推荐为2400bps)，每路输出限定最多为n＝8的智能控制终端模块位数。最大限定点位数为：n×4×40×2×m(8×4×40×2×m)。可根据实际点位数和位数需求确定直流电源监控主机的数量m。假设智能控制终端模块(双位)的点数为a，智能控制终端模块(单位)的点数为a，估算方法：m＝(a×2+b×1)/(8×4×40×2)。同时可估算通讯配电控制器(tpc)的数量：40×2×m。
(2)通讯配电控制器(tpc)：每台直流电源监控主机包含2路现场通讯总线，每路通讯总线最多可挂载40台通讯配电控制器。按照智能控制终端模块(zm)的点数和位数估算配置。挂墙式安装。
(3)直流电源监控主机(qc)：按照智能控制终端模块(zm)的点数和位数估算配置。置于区域夹层，壁挂式安装。
(4)系统配置1套直流电源系统管理平台(dcms)置于控制室，采用落地式安装。
(5)线缆：按实计算，以穿管敷设为主。设备输入电源线(dwz-byj-3×2.5)、终端供电及通讯线(dwz-byj-2×4)、现场通讯总线(rvs-2×1.5)、控制通讯网线(tcp/ip超五类网线)、控制网路光纤(gyxtw单模光纤)。终端供电及通讯线(供电总线)布线可与ac220v混走,无需单独穿管。
表2
体育场馆座椅usb充电端口的直流电源系统的平面布置图(局部)如图19所示。结合系统结构图(图1)，系统按照4级系统拓扑由上至下、分层分布地进行平面布置：
(1)中心管理/控制级-直流电源系统管理平台(dcms)。
(2)区域控制级-直流电源监控主机(qc)。
(3)配电路由控制级-通讯配电控制器(tpc)。
(4)智能控制终端控制-双位智能控制终端模块(zm/2d)和单位智能控制终端模块(zm/1d)。
智能控制终端模块(zm)的接线示意图如图20所示。由于powerbus低压直流载波供电总线的无极性接线任意拓扑的性能，避免了在体育场馆成千上万的座椅usb充电端口施工中出现的总线任意交叉和接线错误所引起的系统故障，从而使体育场馆座椅usb充电端口直流电源系统的设计、施工、调试和维护变得简化容易。
7、本发明与其他系统的接口界面划分方法：
与体育场馆座椅厂家的接口界面划分方法：直流电源智能管理系统提供体育场馆座椅usb充电端口的技术解决方案并与体育场馆座椅厂家协调接入方式。直流电源智能管理系统向体育场馆座椅厂家提供usb充电端口的连接线缆。
与土建的接口界面划分方法：在总包单位土建施工前预留孔洞深化完毕并在施工现场标示。
与安装的接口界面划分方法：所有与智能化弱电系统相关的桥架(除弱电机房间内)、线槽、地下室穿墙预埋套管均由总包安装单位承担，其余管线设备由弱电单位负责安装。直流电源智能管理系统完成各类远程计量表的数据读取和接线工作，并配合总包机电安装单位相关计量表在管路上的开孔安装。
与接地系统的接口界面划分方法：直流电源智能管理系统供应及安装有关系统内的接地系统，并负责弱电房内的弱电系统设备的接地及等电位连接使其成为一个完善的接地系统。总包安装单位负责将leb端子箱预留至各弱电房内。
与bim的接口界面划分方法：配合总包安装单位进行bim工作，并在深化图中明确设备用电需求。
与弱电系统的接口界面划分方法：完成相关机电设备弱电智能控制系统要求的系统整合工作。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！