專利名稱：可程控的儀表總線從機電源電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種儀表總線從機的電源電路，屬于儀器儀表技術領域。
技術背景
中國專利申請?zhí)?00910218395. 1公開了一種“儀表總線從機的低功耗電源電路”，由一個高耐壓、低靜態(tài)電流的恒壓源電路和一個低通濾波電路構成，所述的恒壓源電路是由兩只接成達林頓形式的三極管作為射極跟隨器，這個射極跟隨器的基極連接到一個由電壓基準產(chǎn)生的標準電壓上，從發(fā)射極輸出一個輸出電阻很低的電壓，從而構成恒壓源； 所述的低通濾波電路由一個低阻值的電阻和一個電容串聯(lián)而成；所述的射極跟隨器的發(fā)射極與低通濾波電路的電阻連接。
儀表總線(Meter-Bus簡稱M-Bus)是一種新型的串行總線標準，主要應用于水表、 氣表和熱工儀表等消耗測量儀表抄表網(wǎng)絡的組網(wǎng)。由于儀表總線具有組網(wǎng)方便、成本低廉抗干擾能力強等優(yōu)勢，目前已經(jīng)成為了 2線總線的歐洲標準，在國內(nèi)外消耗測量儀表領域， 如水表、電表和煤氣表的遠程抄表系統(tǒng)中獲得了廣泛應用。儀表總線的主要特點是僅用兩條無極性的導線同時作為供電線和傳輸串行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)線，各個終端裝置全部并聯(lián)在這兩條線上，總線上不同節(jié)點間通過不同的地址碼區(qū)分。
根據(jù)在儀表總線通訊中所扮演的角色不同，儀表總線網(wǎng)絡的節(jié)點可以分為主機和從機兩種。主機是電源的提供者和通訊的發(fā)起者，它通過兩條傳輸線向總線上的所有從機提供MV-42V的電源電壓，并通過在總線上廣播從機的地址的方法呼叫希望與之通訊的從機，一個儀表總線網(wǎng)絡中往往只有一個主機，每一個時刻和主機通訊的也只有一個從機。被選中和主機通訊的從機處于“激活狀態(tài)”，而網(wǎng)絡中其它所有沒有被選中的從機處于“休眠狀態(tài)”。由于總線上只有兩條傳輸線，這兩條傳輸線除了要完成為從機供電的任務外還需要承擔主、從機之間通訊的任務，通訊信號被調制在這兩根電源線上。
主機和從機都是由電源電路和單片機系統(tǒng)構成的，從機電源電路從2線制的儀表總線上獲得工作電源，從機單片機系統(tǒng)在主機的引導下“應答”主機的呼叫。一方面，儀表總線網(wǎng)絡中往往存在多部從機，但由于主機提供電流的能力有限，網(wǎng)絡中的從機的總量受到了限制。另一方面，由于整個網(wǎng)絡中處于休眠狀態(tài)的從機占絕大多數(shù)，降低休眠狀態(tài)下從機的功耗將有效地提高總線上從機的數(shù)量和降低整個系統(tǒng)的總體功耗。
光電直讀技術是消耗測量儀表領域遠程抄表功能中的一項重要技術。該技術在原有的機械式測量儀表的讀數(shù)字輪上印制和測量讀數(shù)對應的二進制條碼條，儀表總線從機通過光電技術讀出這些和讀數(shù)對應的二進制條碼，也就讀出了機械式測量儀表的測量結果， 從機再將結果通過儀表總線發(fā)給主機，從而實現(xiàn)遠程自動抄表。其中，通過光電技術讀數(shù)是技術的重點和難點從機中的單片機一邊通過其I/O 口控制發(fā)光二極管向條碼發(fā)射紅外光，一邊接收反射回來的紅外光，并根據(jù)反射強度判斷二進制條碼的情況。在這個過程中， 發(fā)射的紅外光強度越大，接收到的紅外光也越強，判斷二進制碼條的準確性也就越高。單片機的I/O 口具有這樣的特性電源電壓越高(當然需要在單片機允許的工作電壓之內(nèi))，單片機I/O 口輸出電流的能力也就越強。也就是說，電源電壓越高，單片機I/O能夠提供給紅外發(fā)光管的驅動電流也就越大，也就能獲得更高的紅外光電讀數(shù)準確率。綜上，現(xiàn)有的儀表總線從機電路設計中存在這樣的矛盾網(wǎng)絡中大量處于休眠狀態(tài)的從機需要使用盡量低的電源電壓，以降低每臺休眠從機的功耗，達到提高網(wǎng)絡中從機總量的目的；被主機選中并激活的一臺從機，則希望獲得較高的電源電壓，以滿足光電讀數(shù)等工作的要求。由于傳統(tǒng)技術無法實現(xiàn)儀表總線從機電源電壓的切換，設計者只能使用折衷的方法確定儀表總線從機電源電壓——選擇一個既能保證被激活的從機正常工作，又能盡量低的電源電壓。而在目前流行的光電直讀式儀表總線從機中，電源電壓的高低往往關系到讀數(shù)的正確率的高低，這種折衷的選擇必然造成網(wǎng)絡中從機總量和紅外光電讀數(shù)準確率的下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種可通過儀表總線從機中的單片機程控其電源電壓的可程控的儀表總線從機電源電路。本發(fā)明所述的可程控的儀表總線從機電源電路由程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路和射極跟隨器構成，所述的程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路是由電阻、兩個穩(wěn)壓二極管、增強型NMOS管和單片機MCU構成，電阻Rl與兩個穩(wěn)壓二極管串聯(lián)，與上述穩(wěn)壓二極管之一并聯(lián)的增強型NMOS管通過單片機MCU的I/O 口和NMOS管VM的柵極相連，R2連接在單片機MCU 的I/O 口與NMOS管VM的柵極之間，R3連接在單片機MCU的I/O 口與正電源之間；所述的射極跟隨器為兩只接成達林頓形式的三極管VI、V2，兩個三極管VI、V2的集電極連接儀表總線的高電壓端，三極管的發(fā)射極連接在從機負載RL上；兩個三極管構成的射極跟隨器的基極與上述程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路的輸出相連。儀表總線網(wǎng)絡中未被主機“選中”、處于休眠狀態(tài)的從機中的單片機，控制基準電壓電路產(chǎn)生較低的基準電壓；被主機“選中”、處于激活狀態(tài)的從機中的單片機則控制基準電壓電路產(chǎn)生較高的基準電壓。本電源電路為處于休眠狀態(tài)的從機，提供能夠維持監(jiān)聽主機指令和總線狀態(tài)的電源電壓；也為處于激活狀態(tài)的從機，提供足夠高的工作電壓，以保證光電直讀式表計讀數(shù)的正確率。射極跟隨器輸出電路的作用除了放大電流之外，還能夠使其輸出的電源電壓跟隨基準電壓的變化。現(xiàn)有儀表總線從機電源一般有恒流源和恒壓源兩種實現(xiàn)方式
恒流源方式下處于休眠和激活狀態(tài)下的從機不但使用相同的電壓，還消耗相同的電流。那些處于休眠狀態(tài)的從機，必須通過恒流源電路“浪費”掉部分電流，以保證其所消耗的電流和處于激活狀態(tài)的從機相等。也就意味著，恒流源電路，不論輸出何種電壓都消耗相同、且最多的電流，可編程電源電壓對這種電路沒有作用。恒壓源方式的從機電源可以根據(jù)需要輸出不同的電流，以達到降低休眠狀態(tài)下的消耗電流的目的。但現(xiàn)有技術的缺點是無法改變電源輸出的電壓，導致從機在休眠狀態(tài)和激活狀態(tài)必須使用相同的電壓。為了保證激活狀態(tài)下的從機正常工作，電源電壓不可能太低；由于電源電壓較高，休眠狀態(tài)下的從機則無法達到較好的省電效果。本發(fā)明中電源電路產(chǎn)生的較低的電源電壓只要能夠維持從機中的單片機監(jiān)聽儀表總線中主機發(fā)送的指令即可；而產(chǎn)生的較高的電源電壓則要能夠滿足光電直讀電路對讀數(shù)正確率的要求。與現(xiàn)有技術解決方案相比，采用可程控的電源電壓，一方面降低了處于休眠狀態(tài)下的從機的電源電壓和電流消耗，擴大了儀表總線網(wǎng)絡的容量；另一方面提高了激活狀態(tài)從機的電源電壓，從而提高了從機讀數(shù)的準確率。特別適合于光電直讀式水表、氣表等低功耗的儀表總線系統(tǒng)，具有良好的推廣價值。


圖1為本發(fā)明所述的儀表總線從機原理框圖。
圖2為本發(fā)明電路圖。
圖2中，虛線框A為程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路，虛線框B為射極跟隨器電路。
具體實施方式
下面提供具體的實施方式對本發(fā)明做進一步的說明，但其不用于限制本發(fā)明。
單片機MCU通過程序控制電壓基準中的NMOS管的開關狀態(tài)當本從機處于休眠狀態(tài)時，單片機程序控制相關I/O 口輸出高電平，通過R2與I/O 口相連的NMOS管VM的柵極被拉至高電平，VM被導通。與之并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管UREF2被短路，UREF2兩端的電勢差為 0。REF點得到的參考電壓僅是電流擊穿UREFl后得到的電壓，電壓較低。當本從機被主機發(fā)送的指令激活后，單片機將從相關I/O 口輸出低電平，VM的柵極通過R2被拉到低電平， VM被截止。與之并聯(lián)的穩(wěn)壓二極管UREF2上將有擊穿電流流過，其兩端的電勢差為UREF2 的擊穿電壓。REF點得到的參考電壓將是電流擊穿UREFl和UREF2后得到的電勢差之和，電壓較高。
三極管Vl或V2構成射極跟隨器起到跟隨REF點輸出的參考電壓，并放大電流的作用。三極管的發(fā)射極將跟隨基極的電壓變化而變化，當與基極連接的REF點的參考電壓在單片機的程序控制下，根據(jù)儀表總線主機的激活指令發(fā)生變化時，發(fā)射極輸出的電源電壓也將隨之變化。從機功能電路得到的電源電壓也就隨之發(fā)生了變化。三極管對基極電流的放大，降低了整個電源電路的輸出阻抗，提高了輸出電流。
圖2是本發(fā)明述及的從機電源電路的一個具體實例。儀表總線的兩根線從標號為 MBUS_IN的插座輸入，方框A中的電路實現(xiàn)產(chǎn)生程控電壓基準VREF的功能電阻Rl和并聯(lián)型帶隙電壓基準芯片(相當于穩(wěn)壓管)UREFl和UREF2(型號為LM4040-4. 1和LM4040-2. 5) 串聯(lián)，它們被擊穿后將產(chǎn)生4. IV和2. 5V的壓降。UREF2和增強型N溝道MOS管VM (型號為FDN359)并聯(lián)，當單片機I/O 口在程序控制下輸出高電平時，VM導通，F(xiàn)DN359的導通電阻僅為60πιΩ，UREF2被短路，程控電壓基準VREF僅為4. IV ；當單片機I/O 口在程序控制下輸出低電平時，VM截止，UREF2被擊穿，程控電壓基準VREF僅為6.6V。方框B中的電路是由兩只接成達林頓形式的三極管聯(lián)合構成的射極跟隨器。達林頓形式的射極跟隨器，相比單個三極管構成的射極跟隨器，具有電流增益大的優(yōu)點。兩只三極管如果都選用2N5551， 則總的電流增益β能夠達到5000以上，電壓基準電路只需要為該射極跟隨器的基極提供非常小的電流即可保證從機功能電路的需要。達林頓管基極到射極的壓降約為1.4V(即 2X0. 7V)，這樣整個電源電路輸出的高電壓約為5. 2V (即6.6V-1.4V)，低電壓約為2. 7V (即4. 1V-1.4V)。從機所采用的單片機MCU型號是PIC16F883，它的電源電壓范圍是2.0 — 5. 5V，滿足設計要求。
單片機MCU的VCC端接電源，GND端接地。圖1中電阻Rl的作用是限制流過穩(wěn)壓二極管UREFl和UREF2的電流，Rl必須保證不論輸出低電壓還是高電壓的情況下，UREFl和UREF2能夠獲得足夠維持擊穿的電流，Rl 的取值為75ΚΩ。R2和R3的作用是在單片機上電復位期間，對NMOS的柵極實施上拉。上電復位階段單片機I/O 口處于高阻狀態(tài)時，柵極獲得高電平，NMOS導通，整個電源電路將獲得穩(wěn)定的低電壓，R2和R3的取值分別為10ΚΩ。電容Cl用于穩(wěn)定程序控制基準電壓產(chǎn)生電路的輸出，連接在穩(wěn)壓二極管的輸出和地之間。RL代表儀表總線從機電路產(chǎn)生的負載，它和單片機并聯(lián)在射極跟隨器所產(chǎn)生的電源和地之間。實施例1 (基于儀表總線的小區(qū)水表抄表系統(tǒng))
某小區(qū)采用光電直讀式遠程水表抄表系統(tǒng)，經(jīng)過儀表總線讀取小區(qū)內(nèi)500余戶的用水量。本儀表總線系統(tǒng)中，僅在小區(qū)物管處有一個用于讀取數(shù)據(jù)儀表總線主機，用水戶家中僅安裝了作為儀表總線從機的光電直讀式表頭。從機電源使用的恒壓基準UREFl采用低工作電流的帶隙基準芯片LM4040-4. 1， UREF2采用LM4040-2. 5，它們的擊穿電壓分別為4. IV和2. 5V。由于LM4040僅需60uA即可穩(wěn)定工作。限流電阻Rl取75ΚΩ，保證系統(tǒng)在儀表總線通訊期間也能穩(wěn)定工作。為了降低恒壓源的靜態(tài)電流，VI、V2接成達林頓形式，構成射極跟隨器，VI、V2為具有足夠耐壓的小功率三極管2N5551。此時從機電源在休眠狀態(tài)下輸出的電源電壓為2. 7V，在激活狀態(tài)下輸出的電壓為5. 2V。所使用的單片機(MCU)為Microchip公司的低功耗，寬工作電壓范圍的PIC16F883，它可以在2. OV 5. 5V之間正常工作。在相同的2MHz主頻下，電源電壓2. 7V 時PIC16F883的工作電流僅500uA左右，5. 2V時的工作電流將達到1500uA左右；電源電壓 2. 7V時PIC16F883的I/O 口的輸出能力為2_3mA，5· 2V時其輸出能力可達30mA以上。如果光電直讀水表采用固定的5. 2V作為電源電壓，則系統(tǒng)的正常工作時(以一臺處于激活狀態(tài)，499臺處于休眠狀態(tài)計)的工作電流將達1500uAX499 + 30mA = 778. 5mA。 布線時以每一對雙絞線300mA的負載能力計，該系統(tǒng)至少需要3對雙絞線。如果光電直讀表采用固定的2. 7V作為電源電壓，雖然工作電流僅為500uAX499 + 3mA = 252. 5mA，僅需一對雙絞線，但是由于能夠提供給光電直讀表的電流太小(僅3mA)，讀數(shù)正確率僅為50%所有，不能滿足系統(tǒng)對正確率的要求。如果采用本申請書公開的可變電壓電源，則499臺處于休眠狀態(tài)下的從機處于 2. 7V的低電壓工作狀態(tài)，僅消耗500uA電流。而1臺被激活的從機工作在5. 2V的高電壓狀態(tài)，能夠為光電直讀系統(tǒng)提供需要的30mA電流，以保證99. 9%以上的讀數(shù)正確率。整個抄表系統(tǒng)消耗的工作電流等于500uAX499 + 30mA = 279. 5mA，僅需一對雙絞線。實際應用表明，本發(fā)明的方法有效的降低了儀表總線系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的容量，降低了系統(tǒng)維護成本。實施例2 (基于儀表總線的小區(qū)煤氣表、電表抄表系統(tǒng))
本例中儀表總線總體電流消耗的分析和實施例1相同，這里不再復述。
權利要求
1.一種可程控的儀表總線從機電源電路，其特征在于由程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路和射極跟隨器構成，所述的程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路是由電阻、兩個穩(wěn)壓二極管、增強型NMOS管和單片機MCU構成，電阻Rl與兩個穩(wěn)壓二極管串聯(lián)，與上述穩(wěn)壓二極管之一并聯(lián)的增強型NMOS管通過單片機MCU的I/O 口和NMOS管VM的柵極相連，R2連接在單片機MCU 的I/O 口與NMOS管VM的柵極之間，R3連接在單片機MCU的I/O 口與正電源之間；所述的射極跟隨器為兩只接成達林頓形式的三極管VI、V2，兩個三極管VI、V2的集電極連接儀表總線的高電壓端，三極管的發(fā)射極連接在從機負載RL上；兩個三極管構成的射極跟隨器的基極與上述程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路的輸出相連。
2.如權利要求1所述的可程控的儀表總線從機電源電路，其特征在于電容Cl連接在穩(wěn)壓二極管的輸出和地之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種儀表總線從機的電源電路，屬于儀器儀表技術領域。本發(fā)明由程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路和射極跟隨器構成，所述的程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路是由電阻、兩個穩(wěn)壓二極管、增強型NMOS管和單片機MCU構成，電阻R1與兩個穩(wěn)壓二極管串聯(lián)，與上述穩(wěn)壓二極管之一并聯(lián)的增強型NMOS管通過單片機MCU的I/O口和NMOS管VM的柵極相連，R2連接在單片機MCU的I/O口與NMOS管VM的柵極之間，R3連接在單片機MCU的I/O口與正電源之間；所述的射極跟隨器為兩只接成達林頓形式的三極管V1、V2，兩個三極管V1、V2的集電極連接儀表總線的高電壓端，三極管的發(fā)射極連接在從機負載RL上；兩個三極管構成的射極跟隨器的基極與上述程序控制的基準電壓產(chǎn)生電路的輸出相連。
文檔編號G05F1/56GK102508508SQ20111037368
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權日2011年11月22日
發(fā)明者何樂生, 楊敏, 王威廉 申請人:昆明高馳科技有限公司