一種使用兩條線同時傳輸信息和電源的電路。

背景技術(shù)：

公知有一種m-bus接口電路使用兩線電路，同時傳輸信息和電源。這種接口電路把通信功能和供電功能集合在一起，只需二根線非常方便，越來越多地被應(yīng)用到設(shè)備之間的通信上。該電路由主機(jī)電路和從機(jī)電路構(gòu)成，主機(jī)電路在向從機(jī)發(fā)送信息時采用電壓調(diào)制，而在接收從機(jī)發(fā)送的信息時采用電流調(diào)制。但這種電路至少有一個缺陷，影響了應(yīng)用范圍：解調(diào)接收電流信號（通常有10ma至20ma的變化電流）時需要在主供電電路中串入一個取樣電阻，這個電阻雖然很小，通常只有幾十歐姆，但當(dāng)一個主機(jī)帶有多個從機(jī)時，每個從機(jī)的負(fù)載以及負(fù)載的變化都會構(gòu)成流過取樣電阻的電流變化，都會在取樣電阻兩端產(chǎn)生一個變化的偏置電壓。每增加或減少從機(jī)都會改變?nèi)与娮枭系碾妷?，而每個從機(jī)在工作過程中的負(fù)載變化還會成為在取樣電阻上的變化信號，雖然負(fù)載變化可以通過濾波電容加以平滑，但產(chǎn)生的電壓偏置無法消除。于是，一旦負(fù)載電流超過通信信號電流（10ma至20ma），該電路就無法正常工作。這個缺陷影響該電路在多從機(jī)使用場合、大負(fù)載場合的使用。同時采樣電阻上的降壓，直接降低從機(jī)的工作電源，影響多從機(jī)場合使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題：本發(fā)明的目的是發(fā)明一種不受已經(jīng)過濾波負(fù)載影響的、可以帶動多個大工作電流從機(jī)工作的、兩條線的、能同時傳輸信息和電源的電路。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：圖1是一種使用兩條線同時傳輸信息和電源的主機(jī)（1）（以下簡稱“主機(jī)1”）的電路原理圖和從機(jī)（2）（以下簡稱“從機(jī)2”）的實施例電路原理圖。

圖1原理圖中uin和gnd兩端是“主機(jī)1”的電源輸入端。c1是濾波電容器，是所有連接在該處電容器的總等效電容器；u1是穩(wěn)壓電路；一個實施例是一個三端開關(guān)電源電路；一個實施例是一個三端穩(wěn)壓器件；d1是耐壓足夠的阻止電流反流的二極管；k1是一個由“主機(jī)1”處理器mcu1發(fā)送信號txd1控制的等效可控制切換接通開關(guān)電路；電阻r3和電感l(wèi)1并聯(lián)后作為解調(diào)“從機(jī)2”發(fā)送的電流信號的“采樣電路”；電阻r1、r2和電容c2、比較放大器u2為接收電流信號解調(diào)電路，比較放大器u2輸出接收解調(diào)信號rxd1，送“主機(jī)1”處理器mcu1作為其輸入信號；busl1和busl2是兩條線同時傳輸信息和電源電路的輸入輸出接口。

輸出信號txd1通過等效可控制切換接通開關(guān)電路k1實現(xiàn)發(fā)送：當(dāng)txd1輸出高電平“1”時，k1的k-1和k-2接通（k-1和k-3斷開）后與uin接通，阻止電流反流的二極管d1處于反向狀態(tài)，busl1輸出高電平（電壓接近于uin腳的輸入電壓），輸出信號“1”電平；當(dāng)txd1輸出低電平“0”時，k1的k-1和k-3接通（k-1和k-2斷開）后與u1的輸出端a點接通，阻止電流反流的二極管d1被短路，busl1輸出穩(wěn)壓電源u1的輸出電平，電壓值接近于穩(wěn)壓電路u1的輸出電壓，輸出信號“0”電平?！爸鳈C(jī)1”要實現(xiàn)多帶一些“從機(jī)2”負(fù)載，就要確保其二線輸出“信號和電源”的最低輸出電壓要恒定，本發(fā)明通過穩(wěn)壓電路u1實現(xiàn)了這一點。結(jié)果busl1和busl2輸出的最低電壓由穩(wěn)壓電路u1的輸出電壓確定，而信號的高電壓由uin和gnd兩端的輸入電壓決定，只要這兩端輸入穩(wěn)定電壓，那么電路在信號為“1”時的電壓輸出也是由穩(wěn)壓源提供，使得輸出“1”電平和“0”電平兩種狀態(tài)的電壓都由穩(wěn)壓源提供，有極好的穩(wěn)定性。

“采樣電路”由電感l(wèi)1和電阻r3并聯(lián)構(gòu)成?！安蓸与娐贰北淮?lián)在信號和電源輸出的主回路中。由于電感l(wèi)1的直流電阻可以忽略不計，接近于直流的電流電（經(jīng)過大電容濾波的負(fù)載電流也可以看成直流）基本上不產(chǎn)生電壓降，使之不會因濾波過的工作電源負(fù)載（比如接入或減少“從機(jī)2”）改變而產(chǎn)生偏置電壓改變。當(dāng)“采樣電路”流過交變信號或脈沖信號時，電感l(wèi)1上的感抗仍然會產(chǎn)生平均電平為零的交變信號或脈沖信號。這里電阻r3用于阻尼，可以使還原的脈沖信號更接近發(fā)送的原始信號。電阻r1、r2分壓為比較放大器提供一個負(fù)值偏置電壓，讓低于該值的干擾、電流波動信號不會構(gòu)成比較放大器u2的輸入信號，保證解調(diào)信號穩(wěn)定可靠。一個實施例，比較放大器u2輸出引腳采用高阻模式，即輸出高電平時高阻態(tài)，這時比較放大器u2輸出時需接一個上拉電阻r14，通過上拉電阻與接收處理電路的連接，實現(xiàn)與接收電路的信號匹配。

本發(fā)明的“從機(jī)2”功能的實現(xiàn)過程：電阻r4、r5和壓敏保護(hù)二極器件d2構(gòu)成“從機(jī)2”的輸入過壓、過流保護(hù)電路；二極管d3、d4、d5、d6構(gòu)成整流電路，實現(xiàn)二線接口的無極性化。

二極管d7、電阻r6、電容c3、c4和穩(wěn)壓電路u3構(gòu)成“從機(jī)2”的電源供給電路，其中電容c3、c4是等效電容；二極管d7和電阻r6作用非常重要：d7保證穩(wěn)壓電路u3輸入電壓的充足，電阻r6對通信信號的邊沿作用很大：r6很小時，脈沖信號的上升沿會被電容c3濾掉；但太大會降低u3的帶載能力。

圖1公開的電路，在uin和gnd兩端間施加的電源電壓是uin端相對于gnd是正極性電壓。當(dāng)在uin和gnd兩端間施加的電源電壓是uin端相對于gnd是負(fù)極性電壓時，二極管d1需要反置，其他有源器件的電源配合也需要作出調(diào)整。

圖1公開的電路，穩(wěn)壓電路u1的輸入電壓，直接取自uin和gnd兩端間的電源，這是一個優(yōu)選方案，也可以用其他方式提供。一個實施例由獨(dú)立電源提供。

一種使用兩條線同時傳輸信息和電源的電路，至少有“主機(jī)1”和“從機(jī)2”，且“主機(jī)1”至少有穩(wěn)壓電路u1、有由控制腳k-4控制k-1和k-2還是k-3接通的等效可控制切換接通開關(guān)電路k1、有阻止電流反流的二極管d1、有包含電感l(wèi)1的采樣電路，且“從機(jī)2”至少有整流電路、電源供給電路、接收信號解調(diào)電路、電流信號發(fā)送電路，其特征是：

a、“主機(jī)1”穩(wěn)壓電路u1的輸出和阻止電流反流的二極管d1正極相連接，在二極管d1的負(fù)極通過開關(guān)k1的k-1和k-2連接到uin端上時，uin端的高電壓不會產(chǎn)生流入穩(wěn)壓電路u1輸出端的電流；

b、“主機(jī)1”等效可控制切換接通開關(guān)電路k1的k-1和阻止電流反流的二極管d1的負(fù)極相連接且作為“主機(jī)1”主輸出電路與采樣電路相連接，等效可控制切換接通開關(guān)電路k1的k-2和輸入電源引腳uin相連，等效可控制切換接通開關(guān)電路k1的k-3和穩(wěn)壓電路u1的輸出相連接，等效可控制切換接通開關(guān)電路k1的k-4控制腳接受發(fā)送信號txd1控制：當(dāng)txd1輸出高電平“1”時，k1的k-1和k-2接通，uin端輸入電壓直接輸出；當(dāng)txd1輸出低電平“0”時，k1的k-1和k-3接通，u1的輸出電壓直接輸出；

c、“主機(jī)1”的接收采樣電路有電感l(wèi)1被串接在主輸出電路中；

d、“從機(jī)2”的電源產(chǎn)生電路接有二極管d7和限流電阻r6。

附圖說明：

圖1是一種使用兩條線同時傳輸信息和電源的主機(jī)（1）的電路原理圖和從機(jī)（2）的實施例電路原理圖。

圖1原理圖中uin和gnd兩端是“主機(jī)1”的電源輸入端。c1是濾波電容器，是所有連接在該處電容器的總等效電容器；u1是穩(wěn)壓電路；d1是耐壓足夠的阻止電流反流的二極管；k1是一個由“主機(jī)1”處理器mcu1發(fā)送信號txd1控制的等效可控制切換接通開關(guān)電路，其中k-1是等效開關(guān)的公共腳，k-2、k-3是等效開關(guān)切換輸出引腳，k-4是等效控制引腳；電阻r3和電感l(wèi)1并聯(lián)后作為解調(diào)“從機(jī)2”發(fā)送電流信號的“采樣電路”；電阻r1、r2和電容c2、比較放大器u2為接收電流信號解調(diào)電路，比較放大器u2輸出rxd1作為接收解調(diào)信號送“主機(jī)1”處理器mcu1作為輸入信號；busl1和busl2是兩條線同時傳輸信息和電源電路的輸入輸出接口。其中g(shù)nd和busl2在物理上是連接在一起的。

電阻r4、r5和壓敏保護(hù)二極器件d2構(gòu)成“從機(jī)2”的輸入過壓、過流保護(hù)電路；二極管d3、d4、d5、d6構(gòu)成整流電路；二極管d7、電阻r6、電容c3、c4，穩(wěn)壓電路u3構(gòu)成“從機(jī)2”的電源供給電路，其中電容c3、c4是等效電容；電阻r12、r13、r14和比較放大器u4組成“從機(jī)2”的接收信號解調(diào)電路，u4輸出rxd2作為處理器mcu2的輸入信號；電阻r10、r11、三極管q2及電阻r8、r9、r7、三極管q1構(gòu)成“從機(jī)2”輸出電流信號發(fā)送電路。

圖2是“主機(jī)1”輸出txd1等效可控制切換接通開關(guān)電路k1的一個實施例電路原理圖。q6、q7是大電流開關(guān)三極管，作為等效開關(guān)k1的主控制切換接道器件；由電阻r21、r24、r19、r20、三極管q5構(gòu)成q6的驅(qū)動電路和電平轉(zhuǎn)換電路；由反相器件u5、電阻r15、r16、r17、r18、r21、r22、三極管q4、q3構(gòu)成q7的驅(qū)動電路和電平轉(zhuǎn)換電路。

具體實施方式：本具體實施方式所列舉的實施例是本發(fā)明的部分優(yōu)選實施例。本發(fā)明包含具體實施方式所列舉的發(fā)明內(nèi)容和發(fā)明特征，但不限于這些內(nèi)容和技術(shù)特征。以下實施方式均將圖2輸出txd1控制的實施例等效可控制切換接通開關(guān)電路k1作為圖1中的k1。

“主機(jī)1”信號發(fā)送實現(xiàn)過程：mcu1的txd1輸出信號“1”時，圖2中三極管q5、q6導(dǎo)通，而通過反相器u5反向，q4、q5、q7關(guān)閉，k-1、k-2接通，阻止電流反流的二極管d1處于反向截止?fàn)顟B(tài)，輸出高電平“1”，且高電平“1”輸出電壓接近uin的輸入電壓，有很強(qiáng)的帶載能力。

三極管q6和q7是串接在主回路的關(guān)鍵器件，決定“主機(jī)1”的輸出功率、輸出最高電壓（與最遠(yuǎn)距離相關(guān)）和通信最高頻率。三極管q6和q7的一個實施例是選用截止頻率和耐壓滿足需要的達(dá)林頓功率三極管，它驅(qū)動電流小，導(dǎo)通時飽和電壓低，因而功耗小，控制電流大。

一種使用兩條線同時傳輸信息和電源電路中,等效可控制切換接通開關(guān)電路k1至少有大電流開關(guān)三極管q6、q7，其特征是：

a、大電流開關(guān)三極管q6由三極管q5、電阻r24和r20作為q6的驅(qū)動電路和電平轉(zhuǎn)換電路；

b、大電流開關(guān)三極管q7由三極管q4和q3、電阻r15、r18、r21作為q7的驅(qū)動電路和電平轉(zhuǎn)換電路；

c、k-4控制腳輸入信號電路會有一個反相器件u5，保證大電流開關(guān)三極管q6和q7總是一個導(dǎo)通時另一個關(guān)閉。

“主機(jī)1”信號接收的實現(xiàn)過程：“采樣電路”由電感l(wèi)1和電阻r3并聯(lián)構(gòu)成，被串聯(lián)在信號和電源輸出的主回路中。由于電感l(wèi)1的直流電阻可以忽略不計，因此“采樣電路”不會因負(fù)載（比如接入或減少“從機(jī)2”）變化而在“采樣電路”上產(chǎn)生直流壓降。這就避免了傳統(tǒng)有直流電阻設(shè)計時發(fā)生二個關(guān)鍵問題：其一，當(dāng)負(fù)載增加時，“采樣電路”上的直流壓降增加，有效電源供給不斷降低，為保證從機(jī)用電需要，不得不大大提高電源電壓（甚至達(dá)到42v及以上）；其二，影響接收信號解調(diào)，因為直流電壓降會直接成為解調(diào)電路的偏置電壓，使解調(diào)電路偏離設(shè)計的偏置值，失去解調(diào)功能。本發(fā)明通過電阻r3和電感l(wèi)1并聯(lián)后，電感兩端的交流信號會保留，但其直流電壓分量的平均值會自動調(diào)整至接近零值，這正好保留了解調(diào)電路的偏置電壓的穩(wěn)定性。電阻r3用于脈沖信號阻尼：沒有r3時，脈沖信號過來時會產(chǎn)生邊沿峰壓，r3一般可選擇幾十歐姆。電感l(wèi)1與整個電路通信時使用的波特率相關(guān)，要求低速率通信時，l1電感量必須大，而當(dāng)通信波特率很高時，l1電感量允許小些。當(dāng)串行通信波特率在480bps以上通信時，一個實施例，l1的電感量大于40mh。

穩(wěn)壓電路u1的輸出電壓決定“從機(jī)2”工作電源電壓，當(dāng)通信距離遠(yuǎn)時，考慮到線路損耗，應(yīng)適當(dāng)提高電壓。由于u1是穩(wěn)壓電路，且主回路中無電阻降壓，電壓衰減主要考慮因素是通信線路的線阻。一個實施例，“從機(jī)2”的工作電源選擇3.3v、工作電流10ma、距離100m時，u1選擇6v至9v即可穩(wěn)定工作。

“主機(jī)1”在uin和gnd兩端的電源輸入應(yīng)該穩(wěn)壓，電壓高低由傳輸遠(yuǎn)近、電路干擾情況、“從機(jī)2”工作電壓高低來決定。一個實施例是9v到24v。

一個優(yōu)選的實施例，穩(wěn)壓電路u1釆用lm2596開關(guān)電源，由于開關(guān)電源自身功耗小，可以減小裝置體積。

本發(fā)明的“從機(jī)2”的實現(xiàn)過程：

電阻r4、r5和壓敏保護(hù)二極器件d2構(gòu)成“從機(jī)2”的輸入過壓、過流保護(hù)電路；二極管d3、d4、d5、d6構(gòu)成整流電路，實現(xiàn)二線接口的無極性化。

二極管d7、電阻r6、電容c3、c4，穩(wěn)壓電路u3構(gòu)成“從機(jī)2”的電源供給電路，其中電容c3、c4是等效電容；二極管d7和電阻r6作用非常重要：d7保證穩(wěn)壓電路u3輸入電壓的充足，電阻r6對通信信號的邊沿作用很大：r6很小時，脈沖信號的上升沿會被電容c3濾掉；但太大會降低電源供給電路的帶載能力；一個實施例，最低波特率為4800bps時，r6為51歐姆，l1為48mh。

一種使用兩條線同時傳輸信息和電源電路的“從機(jī)2”，至少有整流電路、電源供給電路、接收信號解調(diào)電路、輸出電流信號發(fā)送電路，其特征是：

a、二極管d7、電阻r6、電容c3、c4，穩(wěn)壓電路u3構(gòu)成“從機(jī)2”的電源供給電路；

b、電阻r12、r13、r14和比較放大器u4組成“從機(jī)2”的接收信號解調(diào)電路，u4輸出rxd2作為“從機(jī)2”的接收信號輸出；

c、電阻r10和r11、三極管q2及電阻r8、r9、r7、三極管q1構(gòu)成“從機(jī)2”輸出電流信號發(fā)送電路。

電阻r12、r13、r14和比較放大器u4組成“從機(jī)2”的接收信號解調(diào)電路，u4輸出rxd2作為處理器mcu2的輸入信號；u4輸出高電平時選用高阻輸出，有利于通過電阻r14實現(xiàn)電源匹配。r12和r13分壓接收來自“主機(jī)1”的電壓信號。由于該電壓信號功率大、信號強(qiáng)，只要保證分壓點的電壓在輸入信號“1”電平和“0”電平時，相對于穩(wěn)壓電路u3的輸出電平，“1”電平產(chǎn)生的偏正值和“0”電平產(chǎn)生的偏負(fù)值大小接近的數(shù)值上。

一種使用兩條線同時傳輸信息和電源電路的“從機(jī)2”接收信號解調(diào)電路，其特征是：

a、電阻r12、r13、r14和比較放大器u4組成“從機(jī)2”的接收信號解調(diào)電路，u4輸出信號rxd2作為接收信號解調(diào)電路的輸出；

b、電阻r12和r13分壓點電壓設(shè)計在輸入信號“1”電平和“0”電平時，相對于穩(wěn)壓電路u3的輸出電平，“1”電平產(chǎn)生的偏正值和“0”電平產(chǎn)生的偏負(fù)值大小接近的數(shù)值上。

電阻r10、r11、三極管q2及電阻r8、r9、r7、三極管q1構(gòu)成“從機(jī)2”電流信號發(fā)送電路，r7大小決定信號“1”時的電流信號大小。當(dāng)txd2輸出信號“1”時（不發(fā)送信息時亦為“1”態(tài)，“1”是電路的閑置狀態(tài)），q2、q1均處于關(guān)閉態(tài)，無電流信號輸出（空閑狀態(tài)不耗電）；當(dāng)txd2輸出信號“0”時，q2的集電極和q1的基極處于高電平，數(shù)值上接近于穩(wěn)壓器u3的輸出電壓，這時流過三極管q1的集電極電流近似等于：q1的基極電平減去q1的ube電壓差再除電阻r7的電阻值，因此改變r7的電阻值可以改變“從機(jī)2”返回“主機(jī)1”的電流信號大小。一個實施例，電路環(huán)境差、線路長，電流應(yīng)選擇大一些，可選擇10ma到20ma，可保證穩(wěn)定工作。

一種使用兩條線同時傳輸信息和電源電路的“從機(jī)2”信號發(fā)送電路，其特征是：由電阻r10、r11、三極管q2及電阻r8、r9、r7、三極管q1構(gòu)成“從機(jī)2”電流信號發(fā)送電路，在txd2輸出信號“1”時，q2、q1均處于關(guān)閉態(tài)，無電流信號輸出不耗電；在txd2輸出信號“0”時，q2的集電極和q1的基極處于高電平，發(fā)送信號“0”電流信號。

圖2是“主機(jī)1”中等效可控制切換接通開關(guān)電路k1的一個實施例電路原理圖。q6、q7是大電流開關(guān)三極管，作為等效開關(guān)k1的主控制切換接道器件；由電阻r21、r24、r19、r20、三極管q5構(gòu)成q6的驅(qū)動電路和電平轉(zhuǎn)換電路；由反相器件u5、電阻r15、r16、r17、r18、r21、r22、三極管q4、q3構(gòu)成q7的驅(qū)動電路和電平轉(zhuǎn)換電路。其中三極管q4、q3和q5用于控制電平轉(zhuǎn)換，主要是從k-4引腳輸入的控制信是對參考信號地gnd的，而真正驅(qū)動q6、q7的驅(qū)動電壓均無法直接使用由微處理器i／o口的信號電平直接輸至q6和q7進(jìn)行控制。

發(fā)明的效果：一種用兩條通信線同時傳輸信息和電源的電路，通過等效開關(guān)k1在傳輸信號“1”時切換接通外部穩(wěn)壓后的輸入電壓、傳輸信號“0”時切換接通本發(fā)明內(nèi)部穩(wěn)壓電路u1的輸出電壓，實現(xiàn)了“1”和“0”構(gòu)成的高低電平均由穩(wěn)壓源輸出的目標(biāo)，實現(xiàn)了輸出信號的穩(wěn)定，還通過電感l(wèi)1和電阻r3并聯(lián)作為接收采樣電路，克服了采樣電路的電壓損失和信號解調(diào)偏置電壓的偏離，使整個電路在二線傳輸電源和信號的前提下，線路電壓衰大大減小、帶載能力大大增強(qiáng)，實現(xiàn)了發(fā)明目的，可以廣泛用于需二線通信又要同時供電的場合。