一種自供電通訊總線短路保護方法
2023-06-03 12:03:36
專利名稱：一種自供電通訊總線短路保護方法
技術領域：
本發明涉及一種自供電通訊總線短路保護方法，適用於由管理設備通過通訊總線給被管理設備供電的通訊系統內的總線線路短路、通訊總線連接的被管理設備內部短路的故障保護，尤其是M-BUS通訊總線、帶供電的四線RS-485通訊總線系統內的總線線路短路、 被管理設備內部短路的通訊總線短路的故障保護，特別是M-BUS通訊總線、帶供電的四線 RS-485通訊總線的無源數傳式水錶、氣表、電錶抄表系統、及其他報警、監控設備管理系統的通訊總線短路的故障保護。
背景技術：
近幾年，隨著技術的發展，無源數傳式水錶、氣表、電錶抄表系統、及其他報警、監控設備管理系統得到了廣泛的運用，通訊系統採用符合EN1343-3標準的Meter-BUS總線， 簡稱M-BUS通訊總線網絡、或者帶電壓供給的四線RS-485通訊總線網絡，管理設備通過通訊總線連接若干個被管理設備，並通過通訊總線對被管理設備供電，統稱為「自供電通訊總線」，自供電通訊總線網絡在使用過程中，經常出現由於通訊總線的某個位置短路或連接若干個被管理設備中的某一個被管理設備短路，導致整個系統癱瘓，且為了尋找短路點，需對線路一段、一段的排查，工作量非常大，嚴重影響了技術的推廣與使用。
發明內容
本發明的設計目的是一種自供電通訊總線短路保護方法，用於由管理設備通過通訊總線給被管理設備供電的通訊系統內的總線線路短路、通訊總線連接的被管理設備內部短路的故障保護，尤其是M-BUS通訊總線、帶供電的四線RS-485通訊總線系統內的總線線路短路、被管理設備內部短路的通訊總線短路的故障保護，使採用該方法設計的通訊網絡系統具有短路保護功能，使得短路保護點前的通訊網絡系統不受短路點的影響，且能定位通訊網絡系統的短路點位置，使得短路故障排查簡單，工作量大大降低。本發明所提供的自供電通訊總線短路保護方法，包括總線取電電源模塊、繼電器、信號採集、處理模塊、繼電器控制模塊，其中繼電器採用雙刀雙執型繼電器，總線取電電源模塊包含有至少一顆儲能電容，本發明為實現上述目的，基礎方案為通訊總線上電時，總線取電電源模塊從總線上獲取電能，作為自供電通訊總線短路保護器的系統電源，電源+定義為Vcc，電源-定義為GND，取樣電阻Rl連接Vcc，繼電器的初始觸點狀態為K1連接取樣電阻Rl，連接點定義為Vinl ；K2連接GND，取樣點Vinl輸入到信號採集、處理模塊，設通訊總線後級線路短路與非短路的比較閥值電平為Vrefl，當 Vinl低於Vrefl時，判斷為後級通訊總線短路，繼電器的觸點方向維持初始狀態，切斷後級通訊總線與輸入通訊總線的連接；當Vinl高於Vrefl時，判斷為後級通訊總線不短路，啟動繼電器控制模塊，改變繼電器的觸點方向，Kl連接通訊總線BUSLl，K2連接通訊總線BUSL2， 連通後級通訊總線與輸入通訊總線；為了判斷在通訊過程中的後級通訊總線是否短路，串聯電阻網絡R2、R3、R4，R2連接通訊總線的輸入端，R4連接GND，R2和R3的連接點提供了第二個採樣點，定義為Vin2，並設定對應第二個採樣點Vin2，判斷總線的後級線路短路與非短路的比較閥值電平為Vref2，當Vin2高於Vref2時，後級通訊總線不短路，繼電器的觸點方向維持Kl連接通訊總線BUSLl，K2連接通訊總線BUSL2的模式；當Vin2低於Vref2時，後級通訊總線短路，啟動繼電器控制模塊，使繼電器的觸點方向切換到Kl連接取樣電阻R1， K2連接GND，的初始狀態，並啟用初始狀態判別；在串聯電阻網絡R2、R3、R4的R3和R4的連接點提供了第三個採樣點，定義為Vin3，第三個採樣點用於判斷通訊總線是否掉電，設定對應第三個採樣點Vin3，判斷總線是否掉電的比較閥值電平為Vref3，當Vin3高於Vref3 時，通訊總線沒有發生掉電的情況，繼電器的觸點方向維持Kl連接通訊總線BUSL1，K2連接通訊總線BUSL2的模式；當Vin3低於Vref3時，通訊總線掉電，啟動繼電器控制模塊，使繼電器的觸點方向切換到Kl連接取樣電阻R1，K2連接GND，的初始狀態，等待重新上電，並啟用初始狀態判別。判斷在通訊過程中的後級通訊總線是否短路與判斷通訊總線是否掉電的取樣電平Vin，與比較閥值電平為Vref可統一為同樣一組值，可進一步簡化電路與簡化運算處理。在後級通訊總線短路與通訊總線掉電的情況下，繼電器的控制能源為儲能電容儲存的能量。本發明的信號採集、處理模塊有兩種實施方式，一種為採用模擬比較器電路和門電路結合完成；另一種是直接選用內置ADC，或ADC加模擬比較器模塊的單片機完成信號採集、處理。為降低依照本發明實施的自供電通訊總線短路保護器自身功耗，繼電器採用自保持繼電器，該繼電器的特點是只有在動作的瞬間需要耗電，動作完成後，不需要消耗電能維持繼電器的狀態。本發明優點在於1、通訊總線上電時，不直接供給後級總線，由本發明實施的自供電通訊總線短路保護器，判斷是否合適供給後級總線，對通訊系統無衝擊，有效的保護了通訊系統設備。2、依照本發明實施的自供電通訊總線短路保護器，響應速度快，器件少，成本低。
圖1 本發明實施例M-BUS總線管理設備發送信號示意圖。圖2 本發明實施例M-BUS通訊總線實施例電原理示意圖。圖3 本發明實施例RS-485通訊總線實施例電原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明做進一步的說明首先說明M-BUS通訊總線系統的例證如圖1所示對本實施例所涉及的M-BUS總線管理設備發送信號簡易描述，在圖中，所給定的主機傳輸信號為較常見的電壓值，管理設備傳號(維持高電平、或發送邏輯 「1」信號)的電壓=Vmark = 20. 8V-42V，管理設備空號(發送邏輯「0」信號)的電壓=Vspace =Vmark-IOV。在例證中假定M-BUS總線管理設備的發送信號傳輸到M-BUS總線從機設備無衰減，假設 Vmark = 30V, Vspace = 20V,。結合圖2，具體分析本是發明的具體實施方式
，M-BUS通訊總線的短路保護器，包括單片機系統、總線輸入模塊、總線取電電源模塊、繼電器、繼電器控制模塊，其中單片機內置有多路ADC模塊，即模數轉換器模塊、或者同時內置有多路ADC模塊和模擬比較器模塊，總線輸入模塊包含橋式整流電路，電阻分壓電路，電容儲能及隔離電路；總線取電電源模塊輸出的電源+定義為Vcc，電源-定義為GND。繼電器採用雙刀雙執型繼電器，繼電器的一組觸點連接M-BUS通訊總線BUSLl、BUSL2,另一組觸點連接取樣Rl、GND，取樣電阻Rl 另一端連接Vcc，Rl連接繼電器的引腳同時輸入單片機的一路ADC輸入埠 Vinl ；M-BUS通訊總線同時連接整流橋Bi，Bl的輸出端與GND之間連接串聯電阻網絡R2、R3、R4，B1的輸出端連接隔離二極體Dl，Dl的負端與GND之間跨接一顆儲能電容Cl，R2、R3之間的連接引腳輸入單片機的路ADC輸入埠 Vin2，R3、R4之間的連接引腳輸入單片機的一路ADC輸入埠 Vin3。假設Vcc取值5V，Rl取值47K歐、R2取值220K歐、R3取值IOK歐、R4取值30K 歐，Vinl對應的Vrefl取值為2. 5V，Vin2對應的Vref2取值為1. 54V,此時總線輸入到整流橋Bl後的電壓為10V，Vin3對應的Vref3取值為1. 04V，此時總線輸入到整流橋Bl後的電壓為9V。工作流程為1、通訊總線上電時，總線取電電源模塊從總線上獲取電能，作為M-BUS通訊總線短路保護器的系統電源，電源+定義為Vcc，電源-定義為=GNDdgSVcc = 5V，取樣電阻 Rl連接Vcc，假設取樣電阻取值為47K歐，繼電器的初始觸點狀態為K1連接取樣電阻R1， 連接點定義為=Vinl ；K2連接GND，取樣點Vinl輸入到單片機的一路ADC輸入埠，設通訊總線後級線路短路與非短路的比較閥值電平為Vrefl，當Vinl低於Vrefl時，判斷為後級通訊總線短路，繼電器的觸點方向維持初始狀態，切斷後級通訊總線與通訊總線的連接；當 Vinl高於Vrefl時，判斷為後級通訊總線不短路，啟動繼電器控制模塊，改變繼電器的觸點方向，Kl連接通訊總線BUSLl，K2連接通訊總線BUSL2，連通後級通訊總線與通訊總線；2、為了判斷在通訊過程中的後級通訊總線是否短路，串聯電阻網絡R2、R3、R4，R2 連接M-BUS通訊總線的輸入端，R4連接GND，R2和R3的連接點提供了第二個採樣點，定義為Vin2，並設定對應第二個採樣點Vin2，判斷總線的後級線路短路與非短路的比較閥值電平為Vref2，當Vin2高於Vref2時，後級通訊總線不短路，繼電器的觸點方向維持Kl連接通訊總線BUSL1，K2連接通訊總線BUSL2的模式；當Vin2低於Vref2時，後級通訊總線短路，啟動繼電器控制模塊，使繼電器的觸點方向切換到Kl連接取樣電阻R1，K2連接GND，的初始狀態，並啟用初始狀態判別；在串聯電阻網絡R2、R3、R4的R3和R4的連接點提供了第三個採樣點，定義為Vin3，第三個採樣點用於判斷通訊總線是否掉電，設定對應第三個採樣點Vin3，判斷總線是否掉電的比較閥值電平為Vref3，當Vin3高於Vref3時，通訊總線沒有發生掉電的情況，繼電器的觸點方向維持Kl連接通訊總線BUSL1，K2連接通訊總線BUSL2 的模式；當Vin3低於Vref3時，通訊總線掉電，啟動繼電器控制模塊，使繼電器的觸點方向切換到Kl連接取樣電阻Rl，K2連接GND，的初始狀態，等待重新上電，並啟用初始狀態判別。再結合圖3，說明RS-485通訊總線系統的例證先假設RS-485總線管理設備的供電總線輸出電壓VDD = 12V，經線路衰減後 RS-485通訊總線的短路保護器的輸入電壓為10V，RS-485總線管理設備的供電總線輸入到 RS-485通訊總線的短路保護器的掉電與RS-485通訊總線的短路保護器後級短路的響應電壓為6V，Rl、R5取值47K歐，R2取值40K，R3取值IOK歐。結合圖1，具體分析本是發明的具體實施方式
，本發明所提供的RS-485通訊總線的短路保護器，包括單片機系統、總線輸入模塊，通訊接口模塊、總線取電電源模塊、繼電器、繼電器控制模塊，其中單片機內置有多路ADC模塊，即模數轉換器模塊、或者同時內置有多路ADC模塊和模擬比較器模塊，總線輸入模塊包含電阻分壓電路，電容儲能及隔離電路；總線取電電源模塊輸出的電源+定義為Vcc，電源-定義為GND ；繼電器採用雙刀雙執型繼電器，四線RS-485通訊總線中的供電總線與RS-485信號總線的A、B線分別獨立使用一個繼電器，其中對應四線RS-485通訊總線中的供電總線的繼電器1的連接方法為繼電器 1的一組觸點連接供電總線的VDD、GND,另一組觸點連接取樣Rl、GND，取樣電阻R5另一端連接Vcc，Rl連接繼電器1的引腳同時輸入單片機的一個ADC模塊埠 Vinl，四線RS-485 通訊總線的供電總線在輸出端VDD與GND之間連接串聯電阻網絡R2、R3，VDD的輸入端連接隔離二極體Dl，Dl的負端與GND之間跨接一顆儲能電容Cl，R2、R3之間的連接引腳輸入單片機的一個ADC模塊埠 Vin2 ；其中對應RS-485總線的繼電器2的連接方法為繼電器2 的一組觸點連接RS-485通訊總線的485-A、485-B，另一組觸點連接取樣R5、GND，取樣電阻 R5另一端連接Vcc，Rl連接繼電器的引腳同時輸入單片機的一個ADC模塊埠 Vin4。其電氣工作原理為通訊總線上電時，總線取電電源模塊從總線上獲取電能，作為RS-485通訊總線短路保護器的系統電源，電源+定義為Vcc，電源-定義為GND，設Vcc為5V，取樣電阻Rl 連接Vcc，繼電器1的初始觸點狀態為K1連接取樣電阻Rl，連接點定義為Vinl ；K2連接 GND,取樣點Vinl輸入到單片機的一路ADC輸入埠，設通訊總線後級線路短路與非短路的比較閥值電平為VrefUiSVrefl為2. 5V，當Vinl低於Vrefl時，判斷為後級通訊總線短路，繼電器1的觸點方向維持初始狀態，切斷後級通訊總線與輸入通訊總線的連接；當Vinl 高於Vrefl時，判斷為後級通訊總線不短路，啟動繼電器控制模塊，改變繼電器1的觸點方向，Kl連接四線RS-485通訊總線中供電總線的VDD，K2連接通訊總線GND，連通後級通訊供電總線與輸入通訊供電總線；2、為了判斷在通訊過程中的後級通訊總線是否短路或供電總線是否掉電，串聯電阻網絡R2、R3，R2連接通訊供電總線的輸入端，R3連接GND，R2和R3的連接點提供了第二個採樣點，定義為Vin2，並設定對應第二個採樣點Vin2，判斷總線的後級供電線路短路與非短路，或四線RS-485通訊總線中供電總線是否掉電的比較閥值電平為Vref2，例證中R2 取值40K，R3取值10K，對於6V的額定值的Vref2，取值為1. 2V，當Vin2高於Vref2時，後級通訊供電總線不短路，繼電器1的觸點方向維持Kl連接通訊供電總線VDD，K2連接輸入通訊供電總線GND的模式；當Vin2低於Vref 2時，後級通訊供電總線短路，啟動繼電器1控制模塊，使繼電器1的觸點方向切換到Kl連接取樣電阻R1，K2連接GND，的初始狀態，並啟用初始狀態判別。3、由於四線RS-485通訊總線除兩條供電總線外，還有兩條信號總線，信號總線短路同樣影響整個系統的運行，本發明採用繼電器2控制信號總線的切換，具體原理是取樣電阻R5連接VCC，VCC同樣為5V，繼電器2的初始觸點狀態為K1連接取樣電阻R5，連接點定義為Vin4 ；K2連接GND，取樣點Vin4輸入到單片機的一路ADC輸入埠，設通訊總線後級線路短路與非短路的比較閥值電平為Vref4，Vref4同樣設定為2. 5V，當Vin4低於Vref4時，判斷為後級通訊信號總線短路，繼電器2的觸點方向維持初始狀態，切斷後級通訊總線與輸入通訊總線的連接，同時繼電器1需要維持觸點連接取樣Rl、GND的狀態；當Vinl高於Vrefl時，判斷為後級通訊信號總線不短路，啟動繼電器控制模塊，改變繼電器2的觸點方向，Kl連接四線RS-485通訊總線中信號總線的485-A，K2連接通訊信號總線485-B，連通後級通訊信號總線與通訊信號總線；4、四線RS-485通訊總線中的信號總線的短路判別的等級優先與供電總線的短路判別，一旦信號總線短路，將不再連通後級總線。5、在後級通訊總線短路與通訊總線掉電的情況下，繼電器的控制能源為儲能電容 Cl儲存的能量。除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式，如單片機的選用不同、ADC取樣順序不同等等，但凡採用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明權利要求的保護範圍內。
權利要求
1.一種自供電通訊總線短路保護方法，用於由管理設備通過通訊總線給被管理設備供電的通訊系統內的總線線路短路、通訊總線連接的被管理設備內部短路的故障保護，包括 總線取電電源模塊、繼電器、信號採集、處理模塊、繼電器控制模塊，其特徵為繼電器採用雙刀雙執型繼電器，總線取電電源模塊包含有至少一顆儲能電容；通訊總線上電時，總線取電電源模塊從總線上獲取電能，作為自供電通訊總線短路保護器的系統電源，電源+定義為Vcc，電源-定義為GND，取樣電阻Rl連接Vcc，繼電器的初始觸點狀態為K1連接取樣電阻R1，連接點定義為Vinl ；K2連接GND，取樣點Vinl輸入到信號採集、處理模塊，設通訊總線後級線路短路與非短路的比較閥值電平為Vrefl，當Vinl低於Vrefl時，判斷為後級通訊總線短路，繼電器的觸點方向維持初始狀態，切斷後級通訊總線與輸入通訊總線的連接；當Vinl高於Vrefl時，判斷為後級通訊總線不短路，啟動繼電器控制模塊，改變繼電器的觸點方向，Kl連接通訊總線BUSLl，K2連接通訊總線BUSL2，連通後級通訊總線與輸入通訊總線；為了判斷在通訊過程中的後級通訊總線是否短路，使用串聯電阻網絡R2、R3、R4， R2連接通訊總線的輸入端，R4連接GND，R2和R3的連接點提供了第二個採樣點，定義為 Vin2，並設定對應第二個採樣點Vin2，判斷總線的後級線路短路與非短路的比較閥值電平為Vref2，當Vin2高於Vref2時，後級通訊總線不短路，繼電器的觸點方向維持Kl連接通訊總線BUSLl，K2連接通訊總線BUSL2的模式；當Vin2低於Vref2時，後級通訊總線短路，啟動繼電器控制模塊，使繼電器的觸點方向切換到Kl連接取樣電阻Rl，K2連接GND，的初始狀態，並啟用初始狀態判別；在串聯電阻網絡R2、R3、R4的R3和R4的連接點提供了第三個採樣點，定義為Vin3，第三個採樣點用於判斷通訊總線是否掉電，設定對應第三個採樣點 Vin3，判斷總線是否掉電的比較閥值電平為Vref3，當Vin3高於Vref3時，通訊總線沒有發生掉電的情況，繼電器的觸點方向維持Kl連接通訊總線BUSL1，K2連接通訊總線BUSL2的模式；當Vin3低於Vref3時，通訊總線掉電，啟動繼電器控制模塊，使繼電器的觸點方向切換到Kl連接取樣電阻Rl，K2連接GND，的初始狀態，等待重新上電，並啟用初始狀態判別。
2.根據權利要求1所述的自供電通訊總線短路保護方法，其特徵在於判斷在通訊過程中的後級通訊總線是否短路與判斷通訊總線是否掉電的取樣電平Vin，與比較閥值電平為Vref統一為同樣一組數值。
3.根據權利要求1或2所述的自供電通訊總線短路保護方法，其特徵在於在後級通訊總線短路與通訊總線掉電的情況下，繼電器的控制能源為儲能電容儲存的能量。
4.根據權利要求1或2或3所述的自供電通訊總線短路保護方法，其特徵在於信號採集、處理模塊有兩種實施方式，一種為採用模擬比較器電路和門電路結合完成；另一種是直接選用內置ADC，或ADC加模擬比較器模塊的單片機完成信號採集、處理。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的自供電通訊總線短路保護方法，其特徵在於 繼電器採用自保持繼電器。
全文摘要
一種自供電通訊總線短路保護方法，用於由管理設備通過通訊總線給被管理設備供電的通訊系統內的總線線路短路、通訊總線連接的被管理設備內部短路的故障保護，包括總線取電電源模塊、繼電器、信號採集、處理模塊、繼電器控制模塊，繼電器採用雙刀雙執型繼電器，系統上電時，自供電通訊總線的短路保護器保持後級通訊總線與輸入通訊總線隔離的狀態，利用從總線上獲取的能源所提供的採樣點電平與預先設定閾值電平比較，判斷後級總線是否存在短路的情況，如後級總線短路，則直接將短路點旁路；如不短路，則切換繼電器的觸點，連通後級通訊總線與輸入通訊總線，對於上電以後的後級總線短路採用分壓網絡測量，具有響應速度快，穩定的特點。
文檔編號H02H3/08GK102496904SQ20111043293
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者吳明星 申請人:吳明星