礦用本質安全型串/網口轉換器的製作方法
2024-02-13 17:22:15 2
專利名稱：礦用本質安全型串/網口轉換器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種串/網口轉換器，尤其是涉及一種適用於礦山安全 生產領域中的礦用本質安全型串/網口轉換器。
背景技術：
目前，在礦山安全生產中，監控系統主要釆用工業現場總線形式。這
些各自分離的分布式監控系統主要釆用低成本的8位單片機，其單片機也 大多通過異步串行通信接口 RS232、 RS485或CAN總線協議進行通信，無 法直接於進行連接網際網路，因而不利於礦山信息化系統的綜合集成。
現今巿場上存在許多成熟的工業級串/網口轉換器產品，但其都是在 地面上使用的，都沒有針對煤礦這種特殊場合做專門防爆電路設計，因而 不能直接在礦山應用。雖然，現有的KJJ31型礦用環網接入器和KJJ58型 礦用環網接入器等產品能夠在煤礦領域中使用，但其防爆型式為礦用隔爆 兼本質安全型，不僅功耗高、成本高，而且體積大、重量沉，使用不方便。
實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提 供一種礦用本質安全型串/網口轉換器，其結構簡單、使用靈活、性能可 靠且性價比高，使串口設備能立即網絡化，能有效解決串/網口之間的轉 換問題。
為解決上述技術問題，本實用新型採用的技術方案是 一種礦用本質安 全型串/網口轉換器，其特徵在於包括防爆殼體以及安裝在所述殼體內 部的電路板，所述電路板上設置有控制單元、網絡接口單元和能夠防高壓 雷擊的電源單元，控制單元和網絡接口單元相接，電源單元分別為控制單
元和網絡接口單元供電，所述控制單元、網絡接口單元分別與串口接口、 網口接口相接，所述串口接口、網口接口和電源單元所用的電源接口均為
防塵、防水接口；所述控制單元還接有對串口接口所輸入、輸出數據進行
隔離的光電隔離電路；所述控制單元、網絡接口單元和電源單元組成一個
本質安全型電路。
所述串口接口為串口 RS232、 RS422或RS485接口 ，所述網口接口為 RJ45接口 。
所述防塵、防水接口為航空插頭。
所述控制單元為依次相接的主晶片、八進位D型鎖存器以及外置的隨 機存儲器RAM，所述主晶片為STC89C5系列晶片；所述網絡接口單元為芯 片W5100。
所述電源單元為依次相接的電源模塊、電源穩壓模塊和低壓差電壓調 節器，其釆用安全組件分流的方式輸出兩個電壓值不同的電壓。
所述主晶片為晶片STC89C58,所述八進位D型鎖存器為晶片74HC573， 所述隨機存儲器RAM為晶片61C256;所述光電隔離電路為依次相接的電源 接口 J6、放電三極體GAP1、快速熔絲保險、差分總線收發器和晶片4N35, 所述晶片4N35與晶片STC89C58相接，所述差分總線收發器為晶片 SN65LBC184D。
所述電源模塊為DC/DC電源模塊，所述電源穩壓模塊為晶片F0505S， 所述低壓差電壓調節器為晶片REG1117_3. 3v;所述DC/DC電源模塊的電源 接口 J3經共軛電感T2、整流電路及晶片LM5575匪後分兩路， 一路接晶片 F0505S後輸出+5V電壓，另一路接晶片REG1117-3. 3後輸出+3. 3V電壓。
所述主晶片還接有復位開關Kl。
本實用新型與現有技術相比具有以下優點，1、結構簡單、使用靈活 且性價比高；2、性能可靠，其外殼、電路及所用元器件均符合爆炸性氣 體環境用電氣設備標準要求，實現了本質安全設計，是一種本質安全型的 串/網口轉換器；3、通過特別設置的復位開關可以立即恢復出廠設置，因
而能夠保證轉換器工作的連續性；4、在實現礦用單片機系統和礦用工業 乙太網通信的同時，對原有礦山監控系統的串行設備不需要進行任何重新
設計與開發，其原有串行設備完全可以獨立運行；5、能夠實現區域網或
網際網路與串行埠設備進行通信，對轉換器的所有設置均可通過網絡實
現，能夠直接支持Server和Client模式，實現虛擬串口，因而能滿足實 時1/0控制和協議轉換應用；綜上，本實用新型使礦山已有的分離式分布 式監控系統通過該轉換器接到礦用工業乙太網，進一步集成為礦山網絡化 綜合監控系統，使得礦區之間、礦區與礦山安全監督管理部門可以共享信 息；另外，本實用新型還可應用到工業自動化、交通運輸、電力系統、樓 宇自動化以及軍事領域，使串口設備能立即網絡化，能有效解決串/網口 之間的轉換問題。
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本實用新型電路板部分的結構框圖。 圖2為本實用新型控制單元和網絡接口單元部分的電路原理圖。 圖3為本實用新型電源部分的電路原理圖。 圖4為本實用新型光電隔離電路部分的電路原理圖。 圖5為本實用新型網口接口部分的電路原理圖。 附圖標記說明
l一控制單元； 2 —網絡接口單元； 3—電源單元；
4—串口接口； 5—網口接口。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型包括防爆殼體，以及安裝在所述殼體內部的 電路板。所述電路板上設置有控制單元1、網絡接口單元2和能夠防高壓 雷擊的電源單元3，其中，控制單元1和網絡接口單元2相接，電源單元
3分別為控制單元1和網絡接口單元2供電。同時，控制單元l、網絡接
口單元2分別與串口接口 4、網口接口 5相接，並且串口接口 4、網口接 口 5和電源單元3所用的電源接口均為防塵、防水的高可靠性航空插頭。 另外，控制單元1還接有對串口接口 4所輸入、輸出數據進行隔離的光電 隔離電路。所述控制單元l、網絡接口單元2和電源單元3組成一個本質 安全型電路。
結合圖2、圖4，所述串口接口 4為串口 RS485接口，所述網口接口 5 為RJ45接口，實際應用中所述串口接口 4也可為串口 RS232或RS422接 口。其控制單元l為依次相接的主晶片、八進位D型鎖存器以及外置的隨 機存儲器RAM差分總線收發器。'本具體實施方式
中，主晶片為晶片 STC89C58,八進位D型鎖存器為晶片74HC573,隨機存儲器RAM為晶片 61C256。而控制單元1外接的光電隔離電路為依次相接的電源接口 J6、放 電三極體GAP1、快速熔絲保險、差分總線收發器和晶片4N35,所述晶片 4N35與晶片STC89C58相接，其差分總線收發器為晶片SN65LBC184D。另 外，所釆用的網絡接口單元2為晶片W5100。實際應用過程中，主晶片可 以為STC89C5系列晶片，本系列其他晶片各引腳的接法、晶片的使用方式 等和晶片STC89C58大致相同。
所述晶片STC89C58的兩個輸入引腳X1、 X2分別與晶振電路的兩個輸 出端相接，該晶振電路由電容C58和C59以及晶振Y6組成；其引腳VCC 接+5V電源，引腳5/VP經電阻R63後也接+5V電源；引腳T1經電阻R51、 發光二極體D15後接+5V電源，為晶片STC89C58工作的LED指示電路。芯 片STC89C58的輸入引腳Pl. 5接復位開關Kl，所述復位開關Kl經電阻R52 後接+5V電源，實現單片機即晶片STC89C58的復位；同時晶片STC89C58 的復位端即引腳RESET,接U24即晶片SN74AHCT1G04的輸入引腳Y，同時 U24的輸出引腳A接晶片W5100的引腳/RESET,實現對網絡接口單元2的 重啟/復位控制。另外，晶片STC89C58的外部中段0端即引腳/INT,接網 絡接口單元2即晶片W5100的引腳/INT。
晶片STC89C58的八個輸出端PO. 0-PO. 7,對應同時接20腳三態八進 制D型鎖存器即晶片74HC573的八個輸入端D0-D7、隨機存儲器RAM即芯 片61C256的八個輸入端D0-D7以及晶片W5100的八個輸入端D0-D7,另外， 晶片74HC573的八個輸出端Q0-Q7、晶片61C256的八個輸出端A0-A7均對 應接晶片W5100的八個輸入端ADO-AD7。這樣，實現將晶片STC89C58八個 輸出端PO. O-PO. 7輸出的低八位數據，通過八進位D型鎖存器再存儲至隨 機存儲器RAM,之後再將此低八位數據輸至晶片W5100。同理，晶片 STC89C58的七個輸出端P2. 0-P2. 6,對應同時接晶片61C256的七個輸入 端A8-A14以及晶片W5100的七個輸入端AD8-AD14。所述晶片STC89C58 的輸出引腳P2.7接U23即晶片SN74AHCT1G04的輸入引腳A，而U23的輸 出引腳Y接晶片W5100的輸入引腳/CS。晶片STC89C58的輸出引腳ALE/p 接晶片74HC573的輸入引腳LE，其輸出引腳阪和^分別接晶片61C256 的輸入引腳^和際。
控制單元1外接的對串口接口 4所輸入、輸出數據進行隔離的光電隔 離電路為依次相接的電源接口 J6、放電三極體GAP1、快速熔絲保險、差 分總線收發器和晶片4N35,所述晶片4N35與晶片STC89C58相接。也就是 說，CPU串行口上傳入的串行通信數據，經串口接口 4輸入至控制單元1, 而在輸入控制單元1之前，需先經過光電隔離電路對所輸入的數據進行隔 離；同樣，從控制單元l經串口接口 4輸出的串行通信數據，在輸出後也 需先經過光電隔離電路對所輸出的數據進行隔離。具體信號流程是對於 輸入控制單元1的串行通信數據，先經放電三極體GAP1、快速熔絲保險F1、 電阻R2後，輸至差分總線收發器即晶片SN65LBC184D的輸入端A，之後由 晶片SN65LBC184D的輸出端R輸出，並傳至U2即晶片4N35的輸入端2端， 而U2即晶片4N35的輸出端5端接晶片STC89C58的輸入引腳RXD，從而實
現將串行通信數據上傳至控制單元1的全部過程。同理，相反地，從控制 單元1輸出的串行通信數據，先通過晶片STC89C58的輸出引腳TXD,輸出 至光電隔離電路中的U8即晶片4N35的輸入端2端，之後由晶片4N35的
輸出端5端輸出，輸至差分總線收發器即晶片SN65LBC184D的輸入端D, 再由晶片SN65LBC184D的輸出端B輸出，然後再經過電阻R8、快速熔絲保 險F1以及放電三極體GAP1後輸出。
結合圖2、圖5，所述晶片W5100的兩個輸入引腳XTLP和XTLN分別與 晶振電路的兩個輸出端相接，該晶振電路由電容C63和C64、晶振Y4以及 電阻R49組成；其引腳V180接極性電容C68，由極性電容C68為其提供 +1. 8V電源，同時引腳VCC18D1、VCC18D1、VCC18D1和VCC18D1分別接+ 1. 8V 電源；而其引腳VCC3V3D1、 VCC3V3D1和VCC3V3D1分別接+3. 3V電源,引 腳G,l、 GNDD2、 G騰3、 G聽4、 GNDD5、 GN則、GNDA1、 GNDD2、 G腳3、 OPMODE0、 0PM0DE1、 0PM0DE2、 TEST_MODE0、 TEST—M0DE1和TEST-M0DE2 均接地；其引腳REST —BG經電阻R45和R47後接地。所述網口接口部分還 設置有晶片H1102，網絡接口單元2通過晶片H1102與RJ1即RJ45接口相 接。具體是晶片W5100的四個引腳RXIP、 RXIN、 TXOP和TXON,對應接 晶片H1102的6、 8、 l和3端；而晶片H1102的16、 14、 11和9端對應再接 RJ45接口的TP0+、 TPO-、 TPl+和TPl-端，實現網絡接口單元2與網口接 口 5之間的通信。所述晶片W5100的引腳RXLED和TXLED經兩個發光二極 管D12、 D13後接RJ45接口的LED1N端，同時晶片W5100的引腳LINKLED 經電阻電阻R61後也對應接RJ45接口的LED2N端。所述晶片W5100的四 個引腳LINKLED、 SPDLEN、 FDXLED和COLLED分別對應接排阻Rl的8、 7、 6和5端，而排阻Rl的1-4端均接+ 3. 3V電源，同時RJ45接口的LED2P 端接+3. 3V電源；晶片W5100的四個輸入引腳SCLK、 /SCS、 MOSI和SEN 分別對應接排阻R2的7、 5、 6和8端，而排阻R2的1-4端均接地。所述 晶片W5100的^^端接晶片IMP811S的nRESET端，即其Z^端通過芯 片IMP811S與復位開關K1相接。
如圖3所示，所述電源單元3為依次相接的電源模塊、電源穩壓模塊 和低壓差電壓調節器，其釆用安全組件分流的方式輸出兩個電壓值不同的 電壓。其中，電源模塊為DC/DC電源模塊，電源穩壓模塊為晶片F0505S，
低壓差電壓調節器為晶片REG1117_3. 3;所述DC/DC電源模塊的電源接口 J3經共軛電感T2、整流電路及晶片LM5575匪後分兩路，一路接晶片F0505S 後輸出+5V電壓，另一路接晶片REG1117_3. 3後輸出+3. 3V電壓。具體是 電源接口J3的1、 3線與共軛電感T2的1、 4端相接，對所提供的電源進 行消聲處理，之後由共軛電感T2的2、 3端輸出，經整流電路後接晶片 LM5575匪的輸入端VIN，再由晶片LM5575MH的輸出端OUT輸出+5V電壓。 所輸出的+5V電壓分兩路， 一路接電源穩壓模塊即晶片F0505S的Vin端， 再由晶片F0505S的+Vo端輸出+5V電壓；另 一路接晶片REG1117_3. 3的VIN 端，再由晶片REG1117_3. 3的V0UT端輸出+3. 3V電壓。
綜上，本實用新型的工作過程是CPU串行口上傳入的串行通信數據， 經串口RS232、 RS422或RS485接口輸送至到控制單元1，通過控制單元1轉 換成網絡通信數據，使之符合支持TCP、 UDP協議，轉換後的網絡通信數據通 過網絡接口單元2實現與乙太網的連結，之後由RJ45接口輸出；相反地，自 乙太網傳入的網絡通信數據沿相反方向進行傳送與轉換。應注意的是所述 串口接口 4還可以為串口 RS232或RS422接口，其所用晶片及其各晶片間 的接法與串口 RS485大致相同。
以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何限
以及等效結構變化，均仍屬於本實用新型技術方案的保護範圍內。
權利要求1.一種礦用本質安全型串/網口轉換器，其特徵在於包括防爆殼體以及安裝在所述殼體內部的電路板，所述電路板上設置有控制單元(1)、網絡接口單元(2)和能夠防高壓雷擊的電源單元(3)，控制單元(1)和網絡接口單元(2)相接，電源單元(3)分別為控制單元(1)和網絡接口單元(2)供電，所述控制單元(1)、網絡接口單元(2)分別與串口接口(4)、網口接口(5)相接，所述串口接口(4)、網口接口(5)和電源單元(3)所用的電源接口均為防塵、防水接口；所述控制單元(1)還接有對串口接口(4)所輸入、輸出數據進行隔離的光電隔離電路；所述控制單元(1)、網絡接口單元(2)和電源單元(3)組成一個本質安全型電路。
2. 按照權利要求1所述的礦用本質安全型串/網口轉換器，其特徵在 於所述串口接口 (4)為串口 RS232、 RS422或RS485接口 ，所述網口接 口 (5)為RJ45接口。
3. 按照權利要求1或2所述的礦用本質安全型串/網口轉換器，其特 徵在於所述防塵、防水接口為航空插頭。
4. 按照權利要求1或2所述的礦用本質安全型串/網口轉換器，其特 徵在於所述控制單元(1)為依次相接的主晶片、八進位D型鎖存器以 及外置的隨機存儲器RAM,所述主晶片為STC89C5系列晶片；所述網絡接 口單元(2)為晶片W5100。
5. 按照權利要求4所述的礦用本質安全型串/網口轉換器，其特徵在 於所述電源單元(3)為依次相接的電源模塊、電源穩壓模塊和低壓差 電壓調節器，其釆用安全組件分流的方式輸出兩個電壓值不同的電壓。
6. 按照權利要求5所述的礦用本質安全型串/網口轉換器，其特徵在 於所述主晶片為晶片STC89C58，所述八進位D型鎖存器為晶片74HC573， 所述隨機存儲器RAM為晶片61C256;所述光電隔離電路為依次相接的電源 接口 J6、放電三極體GAP1、快速熔絲保險、差分總線收發器和晶片4N35，所述晶片4N35與晶片STC89C58相接，所述差分總線收發器為晶片 SN65LBC184D。
7. 按照權利要求5所述的礦用本質安全型串/網口轉換器，其特徵在 於所述電源模塊為DC/DC電源模塊，所述電源穩壓模塊為晶片F0505S, 所述低壓差電壓調節器為晶片REG1117_3. 3v;所述DC/DC電源模塊的電源 接口 J3經共軛電感T2、整流電路及晶片LM5575匪後分兩路， 一路接晶片 F0505S後輸出+5V電壓，另一路接晶片REG1117 — 3. 3後輸出+3. 3V電壓。
8. 按照權利要求4所述的礦用本質安全型串/網口轉換器，其特徵在 於所述主晶片還接有復位開關n。
專利摘要本實用新型公開了一種礦用本質安全型串/網口轉換器，包括防爆殼體以及安裝在所述殼體內部的電路板，其電路板上設置有控制單元、網絡接口單元和能夠防高壓雷擊的電源單元，控制單元和網絡接口單元相接，電源單元分別為控制單元和網絡接口單元供電，所述控制單元、網絡接口單元分別與串口接口、網口接口相接，串口接口、網口接口和電源單元所用的電源接口均為防塵、防水的高可靠性接口；控制單元還接有對串口接口所輸入、輸出數據進行隔離的光電隔離電路；所述控制單元、網絡接口單元和電源單元組成一個本質安全型電路。本實用新型結構簡單、使用靈活、性能可靠且性價比高，使串口設備能立即網絡化，能有效解決串/網口之間的轉換問題。
文檔編號H04L12/02GK201188624SQ20082002902
公開日2009年1月28日 申請日期2008年5月6日 優先權日2008年5月6日
發明者李文峰, 偉 褚, 非 韓 申請人:西安終南信息技術有限公司