一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路

技术领域

本发明涉及电子电路应用技术领域，具体涉及一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路。

背景技术

现场设备通常采用RS485/CAN通讯方式，但是现有的通讯方式没有电源供电能力，无源的设备端正常工作时需要至少四根线连接(两根通讯线、两根电源线)，线缆耗用量大，实际接线时需要按照线缆功能定义进行一一对应，对施工及现场测试人员的素质要求较高。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路，包括驱动端和设备端，所述驱动端包括驱动信号发送电路、推挽驱动输出电路以及第一信号检测电路，所述设备端通过双绞线与驱动端的输出网络端口无极性连接，所述设备端包括设备信号发送电路、第二信号检测电路以及供电电路；

当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为高电平信号时，驱动信号发送电路根据TXD通讯信号控制推挽驱动输出电路进行设备供电及发送信号至设备端，并驱动设备端所述第二信号检测电路接收驱动端信号发送电路的TXD通讯信号；

当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为低电平信号时，所述推挽驱动输出电路不工作,所述驱动端第一信号检测电路工作并接收设备端信号发送电路的TXD_SB通讯信号。

进一步地，驱动端所述驱动信号发送电路包括TXD信号逻辑转换电路，所述TXD信号逻辑转换电路包括CON_TR引脚、CON_H引脚、CON_L引脚以及用于发送驱动端TXD通讯信号的TXD引脚；

所述CON_H引脚输出逻辑包括：驱动端TXD引脚输出信号与CON_TR引脚输出信号进行逻辑“与”的运算结果；

所述CON_L引脚输出逻辑包括：驱动端TXD引脚的反相输出信号与CON_TR引脚输出信号进行逻辑“与”的运算结果。

进一步地，所述驱动端的输出包括“BUS+”网络端口和“BUS-”网络端口，所述“BUS+”网络端口连接推挽驱动电路的输出及第一信号检测电路的输入,所述“BUS-”网络端口连接驱动端供电电源的地；

所述推挽驱动电路包括第一PMOS管、第一三极管以及第一NMOS管，所述第一三极管基极通过电阻与CON_H引脚连接，所述第一三极管集电极控制第一PMOS管栅极，所述第一PMOS管源极连接第一预设电压，所述第一NMOS管栅极与CON_L引脚连接，所述第一NMOS管源极连接驱动端供电电源的地，所述第一PMOS管漏极和第一NMOS管漏极与“BUS+”网络端口连接。

进一步地，所述驱动端第一信号检测电路包括信号检测驱动电路及电流检测光耦，所述第一信号检测驱动电路包括第二PMOS管、第二三极管以及第一反相器，所述第二三极管基极通过电阻连接至反相后的CON_TR引脚，所述第二三极管集电极控制第二PMOS管栅极，所述第二PMOS管源极还连接第二预设电压，所述电流检测光耦与“BUS+”网络端口之间连接有第一二极管，所述第二PMOS管的漏极通过电流检测光耦及第一二极管与“BUS+”网络端口连接；

所述电流检测光耦用于接收设备端TXD_SB通讯信号,电流检测光耦转换输出端与驱动端RXD引脚连接。

进一步地，所述设备端的供电电路包括整流桥、第二二极管、第一电容以及电源芯片，所述整流桥的第一端和第二端通过双绞线分别与驱动端的“BUS+”网络端口和“BUS-”网络端口相连，所述整流桥的第三端与第二二极管的正极端连接，所述整流桥的第四端为设备端的供电电源地，所述设备端的第二二极管的负极端与第一电容连接，所述第一电容与电源芯片连接。

进一步地，所述整流桥的第三端输出正极性电压，所述整流桥的第四端输出负极性电压，与整流桥第一端和第二端的极性无关，以使设备端实现无极性连接。

进一步地，所述设备端第二信号检测电路包括第三三极管、第三三极管基极电阻、第三三极管集电极电阻组以及第二反相器，所述第三三极管的基极与第二二极管的正极和第三三极管基极电阻连接，所述第三三极管集电极输出通过第三三极管集电极电阻组与第二反相器的输入端连接，所述第二反相器的输出端设有RXD_SB引脚，用于接收驱动端TXD通讯信号；

所述设备信号发送电路包括第四三极管和第三反相器，所述第四三极管的集电极与整流桥第三端连接，所述第四三极管的发射极与设备端电源地连接，所述第四三极管基极与第三反相器的输出连接，所述第三反相器的输入端设有用于发送设备端通讯信号的TXD_SB引脚。

进一步地，所述当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为高电平信号时，驱动信号发送电路根据TXD通讯信号控制推挽驱动输出电路进行设备供电及发送信号至设备端，并驱动设备端所述第二信号检测电路接收驱动端信号发送电路的TXD通讯信号，包括：

当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为高电平信号时，若驱动端TXD引脚发送高电平的通讯信号，则CON_H引脚输出高电平，CON_L引脚输出低电平，使推挽驱动电路输出第一预设电压，此时驱动端对设备端进行供电；

所述推挽驱动电路通过“BUS+”网络端口输出第一预设电压至整流桥，经过第二二极管后对设备端第一电容进行充电，并通过第一电容和电源芯片进行设备供电，此时第三三极管基极电压超过发射极电压，第三三极管截止、第三三极管集电极电阻组输出低电平信号至第二反相器；

所述第二反相器根据所述第三三极管集电极电阻组的低电平信号进行信号反相并输出高电平信号，以使设备端RXD_SB引脚检测到与驱动端TXD通讯信号同相的高电平信号；

当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为高电平信号时，若所述驱动端TXD引脚发送低电平通讯信号，则所述CON_H引脚输出低电平、CON_L引脚输出高电平，使所述“BUS+”网络端口接地，此时驱动端和设备端通讯；

所述第一电容进行电能释放，通过电源芯片进行设备供电，由于整流桥和设备端第二二极管的单向导通特性，第三三极管基极通过第三三极管基极电阻接地,第三三极管导通并使第三三极管集电极电阻组输出高电平信号至第二反相器；

所述第二反相器根据所述第三三极管集电极电阻组的高电平信号进行信号反相并输出低电平信号，以使设备端RXD_SB引脚检测到与驱动端TXD通讯信号同相的低电平信号。

进一步地，所述当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为低电平信号时，所述推挽驱动输出电路不工作,所述驱动端第一信号检测电路工作并接收设备端信号发送电路的TXD_SB通讯信号，具体为：

当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为低电平控制信号时，则此时所述CON_H引脚和CON_L引脚均输出低电平，使所述推挽驱动电路停止工作，反相后的CON_TR信号控制第二三极管、第二PMOS管导通，第一信号检测电路工作，第一信号检测电路通过“BUS+”网络端口输出第二预设电压至整流桥，由于第二预设电压低于预设电压，无法对设备端进行供电，所述第一信号检测电路检测设备端第四三极管的工作电流；

设备端外接用电设备由所述第一电容、电源芯片进行供电；

当所述设备端TXD_SB引脚发送低电平的设备端通讯信号时，所述第三反相器进行信号反相后驱动第四三极管导通，所述第一信号检测电路检测第四三极管的导通电流，此时电流检测光耦导通，使所述驱动端RXD引脚检测到与设备端TXD_SB通讯信号同相的低电平信号；

当所述设备端TXD_SB引脚发送高电平的设备端通讯信号时，所述第三反相器进行信号反相后输出低电平，第四三极管截止，所述第一信号检测电路检测不到第四三极管的导通电流，电流检测光耦截止，使所述驱动端RXD引脚检测到与设备端TXD_SB通讯信号同相的高电平信号。

本发明的有益效果体现在：将驱动端和设备端通过双绞线进行无极性连接，并通过驱动端的TXD发送信号与使能信号CON_TR进行逻辑运算，实现对推挽驱动电路控制和进行相关的信号检测，通过一条双绞线可同时实现驱动端与设备端之间的供电和通讯功能，减少现场线缆的耗材，节约设备成本，同时降低了对现场施工和测试技术人员的技术要求，具有方便维护的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例提供的一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路的驱动端设备端连接示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路的驱动端电路原理图；

图3为本发明实施例提供的一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路的设备端电路原理图；

图4为本发明实施例提供的一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路的TXD信号逻辑转换电路的内部电路原理图；

图5为本发明实施例提供的一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路的TXD信号逻辑转换电路的逻辑转换真值表。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

如图1所示，一种基于双绞线无极性连接的供电通讯电路，包括驱动端和设备端，所述设备端通过双绞线与驱动端的网络端口无极性连接。如图2所示，所述驱动端包括驱动信号发送电路、推挽驱动输出电路以及第一信号检测电路，如图3所示，所述设备端包括设备信号发送电路、第二信号检测电路以及供电电路。

其中，当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为高电平信号时，驱动信号发送电路根据TXD信号控制推挽驱动输出电路进行设备供电及发送信号至设备端，并驱动设备端所述第二信号检测电路接收驱动端发送电路的TXD通讯信号；

当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为低电平信号时，所述推挽驱动输出电路不工作,所述驱动端第一信号检测电路工作并接收设备端信号发送电路的TXD_SB通讯信号。

进一步地，如图2所示，驱动端所述驱动信号发送电路包括TXD信号逻辑转换电路，TXD信号逻辑转换电路包括CON_TR引脚、CON_H引脚以及CON_L引脚，TXD信号逻辑转换电路上还设有用于发送驱动端通讯信号的TXD引脚。

TXD信号逻辑转换电路的内部结构如图4所示，由反相器U5和双输入与逻辑门电路U6组成，其中，双输入与逻辑门电路U6包括第一与逻辑器U6A和第二与逻辑器U6B。

驱动端TXD引脚和CON_TR引脚分别作为第一与逻辑器U6A的输入，CON_H引脚作为第一与逻辑器U6A的输出，故CON_H引脚的输出逻辑为驱动端TXD引脚信号与CON_TR引脚信号进行逻辑“与”的运算结果。

驱动端TXD引脚经过反相器U5后，同CON_TR引脚分别作为第二与逻辑器U6B的输入，CON_L引脚作为第二与逻辑器U6B的输出，故CON_L引脚输出逻辑为驱动端TXD引脚反相信号与CON_TR引脚信号进行逻辑“与”的运算结果。

TXD信号逻辑转换电路的逻辑转换真值表如图5所示。

进一步地，所述驱动端的输出包括两个网络端口，其中一个网络端口为“BUS+”，另外一个网络端口为“BUS-”，“BUS+”网络端口连接推挽驱动电路的输出及第一信号检测电路的输入,“BUS-”网络端口连接驱动端供电电源的地。

其中，推挽驱动电路包括第一PMOS管Q1、第一三极管T1以及第一NMOS管Q2，第一PMOS管Q1的源极连接第一预设电压V1，第一PMOS管Q1的栅极通过电阻R3与源极相连、通过电阻R4与第一三极管T1的集电极连接，第一PMOS管Q1的漏极与“BUS+”网络端口连接，第一三极管T1的基极通过电阻R5与CON_H引脚连接、通过电阻R6后接地，第一三极管T1的发射极接地。优选地，第一预设电压V1可根据实际需求进行设定，本实施例设定第一预设电压V1为12V电压；第一NMOS管Q1的栅极通过电阻R1与CON_L引脚连接、通过电阻R2后接地，第一NMOS管Q2的源极连接于驱动端“BUS-”网络端口，第一NMOS管Q2漏极与“BUS+”网络端口连接。

进一步地，第一信号检测电路包括信号输出驱动电路和电流检测光耦，其中，所述信号检测驱动电路包括第二PMOS管Q3、第二三极管T2以及第一反相器U1，所述电流检测光耦包括光耦器UA，光耦器UA的输出端设有用于接收设备端TXD_SB通讯信号的驱动端RXD引脚，光耦器UA的输入端设有电阻R12和电阻R7，在其输入端上还连接有第一二极管D1，第一二极管D1的负极端与“BUS+”网络连接。第二PMOS管Q3的源极连接第二预设电压，第二PMOS管Q3的栅极通过电阻R8与源极相连，且通过电阻R9与第二三极管T2的集电极连接，第二PMOS管Q3的漏极通过电阻R7、电阻R12和与光耦器UA输入端连接，并通过第一二极管D1与“BUS+”网络端口连接；第二三极管T3的基极通过电阻R10与第一反相器U1的输出端连接，通过电阻R11与“BUS-”网络端口连接，第二三极管T3的发射极与“BUS-”网络端口连接，第一反相器U1的输入端与CON_TR引脚相连；优选地，第二预设电压V2可根据实际需求进行设定，本实施例设定第二预设电压V2为5V电压。

进一步地，如图3所示，所述设备端供电电路包括整流桥UB、第二二极管D2、第一电容C1以及电源芯片UC，其中，整流桥UB的第一端和第二端作为输入端，通过双绞线分别与驱动端“BUS+”网络端口和“BUS-”网络端口连接，整流桥UB的第三端与第二二极管D2的正极端连接，整流桥UB的第四端接设备端的电源地，设备端的第一二极管D2的负极端与连接有第一电容C1，第一电容C1的另一端接设备端的电源地，第一电容C1连接电源芯片UC，电源芯片UC为设备端用电设备供电。

优选地，电源芯片UC的型号包括但不限于LM2596。

进一步地，当驱动端通过双绞线输出电压至设备端时，供电电路中整流桥UB始终保持第三端输出正极性电压，第四端输出负极性电压，以保持输出电压的极性，与整流桥第一端、第二端极性无关，使设备端实现无极性连接。

进一步地，设备端的第二信号检测电路包括第三三极管T3、第三三极管基极电阻R21、第三三极管集电极电阻组以及第二反相器。第三三极管T3的基极与电阻R21的一端连接，电阻R21的另一端与设备端的电源地连接,第三三极管T3的发射极与设备端的第二二极管D2的负极端连接，第三三极管集电极电阻组包括电阻R22、R25，第三三极管T3的集电极与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与电阻R22的一端和第二反相器U2的输入端连接，电阻R22的另一端与设备端的电源地连接，第二反相器U2的输出端设有用于接收驱动端TXD通讯信号的设备端RXD_SB引脚。

设备端信号发送电路包括设备端的第四三极管T4和第三反相器U3，第四三极管T4的发射极与设备端的电源地连接，第四三极管T4的集电极与整流桥UB的第三端连接，第四三极管T4的基极通过电阻R24与第三反相器U3的输出端连接，第四三极管T4的基极还通过电阻R23接地，第三反相器U3的输入端设有用于发送设备端通讯信号的TXD_SB引脚。

具体地，基于双绞线无极性连接的供电通讯电路包括以下三种工作状态：

(1)当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为高电平信号时，反相后的CON_TR信号无法驱动第二三极管T2和第二PMOS管Q3导通，第一信号检测电路不输出；若驱动端TXD引脚发送高电平的通讯信号，则此时CON_H引脚输出高电平，CON_L引脚输出低电平，使第一三极管T1和第一PMOS管Q1导通，第一NMOS管Q2截止，推挽驱动电路输出第一预设电压，输出12V至设备端整流桥UB，经过第二二极管D2后对第一电容C1进行充电，并通过第一电容C1和电源芯片UC进行设备供电。此时第三三极管基极电阻R21比第一电容C1高一个二极管压降，第三三极管阻T3截止，电阻R22输出低电平信号至第二反相器U2,第二反相器U2根据该低电平信号进行反相，输出高电平信号至设备端RXD_SB引脚，以使设备端RXD_SB引脚检测到与驱动端TXD通讯信号同相的高电平信号，实现设备端与驱动端相互间通讯信号的逻辑对应关系一致。

(2)当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为高电平信号时，反相后的CON_TR信号无法驱动第二三极管T3和第二PMOS管Q3导通，第一信号检测电路不输出；若驱动端TXD引脚发送低电平通讯信号，则此时CON_H引脚输出低电平，CON_L引脚输出高电平，使第一三极管T1和第一PMOS管Q1截止，第一NMOS管Q2导通，“BUS+”网络端口接地。

设备端由于整流桥及第二二极管D2的单向导通性,第一电容C1上的储能无法通过双绞线泄放,第一电容C1的储能经过电源芯片UC进行DC-DC降压后对设备端用电设备供电，同时，由于整流桥UB的单向导通性，使电阻R21下拉接地，此时第三三极管T3导通，第一电容C1通过第三三极管T3和电阻R25、R22放电，使电阻R22输出高电平信号至第二反相器U2，第二反相器U2根据该高电平信号进行信号反相，输出低电平信号至设备端RXD_SB引脚，以使设备端RXD_SB引脚检测到与驱动端TXD通讯信号同相的低电平信号，实现设备端与驱动端相互间通讯信号的逻辑对应关系一致。

(3)当驱动端所述驱动信号发送电路使能信号CON_TR为低电平控制信号时，CON_H引脚和CON_L引脚均输出低电平信号，此时第一三极管T1、第一PMOS管Q1以及第一NMOS管Q2均为截止状态，推挽驱动电路停止工作；CON_TR引脚输出的低电平控制信号通过第一反相器U1后进行信号反相，输出高电平信号使第二三极管T2和第二PMOS管Q3导通，即第一信号检测电路开始工作：此时“BUS+”网络端口输出第二预设电压减去第一二极管压降，大约为4.3V，由于第二预设电压低于第一预设电压，第一信号检测电路无法对设备端供电，第一信号检测电路光耦检测的是设备端的TXD_SB发送的信号。

设备端由于整流桥及第二二极管D2的单向导通性,第一电容C1上的储能无法通过双绞线泄放,第一电容C1的储能经过电源芯片UC进行DC-DC降压后对设备端用电设备供电。

当设备端TXD_SB引脚发送低电平的设备端通讯信号时，经过第三反相器U3进行信号反相，并经过第四三极管T4进行驱动输出。此时驱动端的第一信号检测电路测量第四三极管T4的工作电流，当第四三极管T4导通时光耦器UA输入端的电阻R7压降增大且光耦器UA导通，由于光耦器UA输出端连接的是上拉电阻，光耦导通后使驱动端RXD引脚检测到与设备端TXD_SB通讯信号同相的低电平信号，实现设备端与驱动端相互间通讯信号的逻辑对应关系一致。

当设备端TXD_SB引脚发送高电平的设备端通讯信号时，经过第三反相器U3进行信号反相，此时第四三极管T4截止，驱动端的第一信号检测电路检测不到第四三极管T4的工作电流，光耦器UA输入端的电阻R7上没有压降且光耦器UA不导通，由于光耦输出端连接的是上拉电阻，光耦不导通时驱动端RXD引脚检测到与设备端TXD_SB通讯信号同相的高电平信号，实现设备端与驱动端相互间通讯信号的逻辑对应关系一致。

优选地，根据基于双绞线无极性连接的供电通讯电路的上述三种工作状态可知，在驱动端第一信号检测电路检测设备端TXD_SB通讯信号时，设备端第一电容C1的工作负载最大，因此在设备端发送通讯信号时，对设备端第一电容C1放电后压降进行计算核对，计算公式为：

1/2*C*Ux*Ux＝1/2*C*U0*U0-P*T；

式中，C为设备端第一电容C1的容量，单位为法拉；Ux为设备端发送通讯信号结束时第一电容C1上的电压，单位为伏特；U0为设备端第一电容C1推挽驱动输出时充电后电压,单位为伏特，考虑到设备端整流桥及设备端的第一二极管的压降，U0数值为11V；P为设备端用电设备的额定功率，单位为瓦特；T为通讯信号发送时长，单位为秒。

若设备端发送的TXD_SB通讯信号波特率为9600，设备端发送一个字节且包含起始位和校验位，一个字节的通讯时长为10/9600，近似为1毫秒。

当第一电容C1容量为390uF时，如设备端的用电设备功率为1瓦，可通过上述公式计算得到设备端发送第一个通讯字节结束后第一电容C1上的电压，以及发送数据前后第一电容C1上的压降，实际计算得到Ux等于10.76V，第一电容C1在设备端发送数据结束时的压降等于U0-Ux，即11V-10.76V＝0.24V，考虑到电源芯片UC进行DC-DC降压转换的效率，第一电容C1上的压降可近似为0.3V。

如要求第一电容C1上的允许压降不超过充电完毕状态电压的10％,本实施例中第一电容C1充电完毕电压11V左右，则要求第一电容C1上的压降不大于10％*11＝1.1V。

将计算结果与第一电容C1上的允许压降比较，可见设备端发送数据波特率为9600，若设备端第一电容C1容量为390uF，发送1个字节结束时，第一电容C1上的压降不超过电容最大允许压降。

同理，也可计算得到第一电容C1达到最大允许压降时设备端最长的发送时长和达到最大允许压降时最多允许发送的字节数量，计算公式如下：

1/2*C*9.9*9.9＝1/2*C*11*11-P*Tx；

式中，C为设备端第一电容C1的容量，单位为法拉；9.9为设备端发送通讯信号结束时C1上的允许电压，单位为伏特，11为设备端第一电容C1推挽驱动输出时充电后电压,考虑到设备端整流桥及设备端的第一二极管的压降，设计数值为11V；P为设备端用电设备的额定功率，单位为瓦特，设计数值为1瓦；Tx为达到允许压降时通讯信号发送时长，单位为秒，按照本发明示例中的参数进行计算，可得到Tx为0.0045秒，如数据波特率为9600,发送1个字节的时长大约为1毫秒，可换算得知，在第一电容C1达到最大允许压降时，设备端允许连续发送4个字节数据至驱动端，考虑到LM2596芯片进行DC-DC降压转换的效率，设备端允许连续发送字节数可近似为3。

需要说明的是，实际应用中设备端第一电容C1容量可根据驱动端第一预设电压电压、通讯波特率、设备端发送数据量、设备端第一电容允许的最大压降等进行调整，在此不作限定。

本发明将驱动端和设备端通过双绞线进行无极性连接，并通过驱动端的TXD发送信号与控制信号进行逻辑运算，实现对推挽驱动输出电路的控制，推挽驱动输出电路进行设备供电及发送信号至设备端；当推挽驱动输出电路停止工作时，驱动端接收设备端发送的通讯信号。通过一条双绞线可同时实驱动端与设备端之间的供电和通讯功能，减少现场线缆的耗材，节约设备成本，同时降低了对现场测试技术人员的技术要求，具有方便维护的优点。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。