11-总线智能隔离器、中继器的设计实现.doc

XYCN 总线供电及通讯系统（连载）总线智能隔离器、中继器的设计n 青岛 鼎信0. 概述XYCN总线系统可稳定工作在256个节点及2km的距离范围内，对于这样的系统，当发生总线短路时很难确定短路位置，且一点故障整条总线均不能正常工作。使用总线隔离器后，将短路部分总线与主总线隔离，易于找到故障点，保证其它部分总线正常工作。如果XYCN系统应用于千米范围零散设备安装，如在一些野外的监测系统中，有些通讯距离超过2km，而其控制点总数并不多，使用通道控制器进行二级中继没有必要且控制过程设计复杂。总线隔离中继器可以轻松解决以上问题，总线隔离中继器亦可做总线本安型防爆隔离模块。1. 智能隔离器标准设备中有普通隔离器和智能隔离器，普通隔离器只能隔离故障总线，控制器根据故障设备确定总线位置，且不能由控制器控制切断及闭合隔离器（闭合通过总线断电），操作不便（欲了解其原理请登录网站）。下面详细介绍智能总线隔离器。1.1 电路原理图1 智能总线隔离器原理图当输出发生短路时，流过F1的电流大于其额定电流，F1断开，电流信号经光耦送单片机，单片机控制磁保持继电器断开总线回路，同时在总线中断上报指令时，报告总线故障信息，系统重新复位或接收到总线复位命令后单片机控制闭合磁保持继电器。为节省成本，还可以在一个隔离器上安装多路输出，使用一个单片机完成多通道隔离的故障检测及控制，用设备通道号区分不同回路。1.2 通用智能隔离器性能指标工作电压： 10.5V36V静态功耗： 500uA 动作电流：50、100、200mA通过电阻： 5、2、11.3 主要功能1.3.1 短路隔离当总线上隔离器所在的分支发生短路时，隔离器断开该分支与总线的连接，同时向控制器上报故障信息（隔离器的通讯号码和故障通道号码），不会影响其它分支上节点的正常工作。1.3.2 启动、停止隔离器在系统调试时，主控制器可以通过启动、停止命令来任意启动、停止隔离通道，方便系统调试。1.4 安装使用当总线系统节点数超过50时，需要安装总线隔离器，保证系统调试的方便及系统可靠运行，安装隔离器有以下目的：1.4.1 隔离损坏总线部分保证其它部分工作正常根据设备的损坏率和不同组设备的关联程度，来决定安装数量，如果有二种不同设备类型需要不相互影响，可使用隔离器分两路总线控制。1.4.2 安装调试时方便总线故障的发现按此原则，每3050台节点设备需要加一台隔离器。数量多少要看这种设备的安装复杂程度。1.4.3 上位机管理使用智能隔离器后，当总线故障时控制器会收到隔离器的上报信息，通过设定隔离器属性，系统会自动报告隔离器的汉字信息定义，使管理者迅速确定故障位置。2. 隔离中继器1.5 原理框图隔离中继MCU负责监控上行总线信号，当通讯与本身有关时，通过逻辑电路向上行总线发送信号，当与自己无关时控制电路将下行总线状态为收码状态将下行总线回码信号上传。为简化电路，隔离电源的设计使用MCU的PWM输出控制单管反激开关电源，其输出文波小余200mV，完全满足XY100接口电路要求。电源亦可采用上行总线馈电或现场供电。1.6 电路原理1.6.1 电源电路图2 PWM控制的开关稳压电源MCU的PWM输出经分立元件组成驱动电路驱动MOS输出管，由VT10组成开机自锁输出功能，防止开机CPU管脚处于高阻态时MOS管处于导通状态。软件使用300uS中断方式控制PWM，根据SPOWER信号的AD值控制PWM输出，PWM频率为周期5uS，占空比1:2。1.6.2 上行总线接口图3 上行总线接口电路采用瞬态抑制管对总线入口进行保护，由于中继器电流较大，使用肖特基二极管IN5819进行换向工作，提高电能利用率。1.6.3 下行总线接口采用标准主机总线接口电路（详见网站），驱动管使用TIP32C中功率三极管，驱动管电路更改如图4。图5 控制部分电路1.6.4 控制部分电路使用低功耗+5V的PIC16F690芯片完成控制，该芯片的自带EEPRAM完成ID号、通讯号的存储功能。上行总线的RXD信号直接接CPU的RXD脚，由于XY001的RXD输出的低功耗设计，设计共发射极放大电路驱动下行总线的隔离光耦。上行总线的TXD信号由光耦输出加MCU并联完成。软件部分主要完成识别总线命令并应答自身命令；控制下行总线收发的及时转换；控制下行信号应答时及时将TXD管脚设置为输入状态以便下行总线回码能正确输入上行总线中。1.7 主要技术指标上行总线电压： 10.5V 30V静态功耗： 10mA 下行总线电压： 24 0.5 V输出总线电流：50、100、200、500mA1.8 主要功能1.8.1 中继增加通讯距离当系统网络中某些节点距离超过2000m，总线信号变形严重，使用中继器整理并增大信号幅值，使这些节点可以正常的工作。1.8.2 隔离中继总线由于中继后距离高达4km，如果不进行电器隔离其接地电压差较大，对系统稳定工作影响很大，中继器设计为耐压达1000V的隔离电路，保证总线系统的正常工作。1.8.3 控制中继总线通过总线启动、停止隔离器命令来启动和停止中继总线部分，为系统调试提供方便。1.8.4 中继总线故障上报当中继总线分支发生短路时，中继器可以通过停止开关电源的方式断开该分支与总线的连接，作用相当于智能隔离器。1.9 与通道控制器区别通道控制器主要应用在多节点系统，完成数万计节点的通讯管理功能，系统复杂而庞大。总线中继器是完成少量节点的极分散系统的长距离通讯功能，非常适合小系统长距离通讯，亦可将总线信号转变成抗爆的电信号进入防爆区域。3. 结束语智能隔离器、隔离中继器补足了XYCN总线系统的缺点，强化了总线的功能，为总线的多种应用提供了全面的支持。有关内容请参见：http:/ http:/www.sunrising-