基於MBUS的供電通訊裝置及方法

《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》是合肥瑞納表計有限公司於2015年2月04日申請的發明專利，該專利申請號為2015100591256，公布號為CN104683118A，專利公布日為2015年06月03日，發明人是陳家培、周到、於大永。

《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》是關於一種基於MBus的供電通訊裝置及方法，其中的裝置包括：調製解調電路用於將MBus中的電壓脈衝序列解調為TTL電平信號並傳輸至從機設備，將從機設備的TTL電平信號調製為電流脈衝序列並傳輸至MBus；整流電路用於將無極性的MBus信號轉換為20-42伏的高壓直流電信號；高壓充電電路用於利用高壓直流電信號為第一儲能單元恆流充電；電壓轉換電路用於將高壓直流電信號轉換為不超過5伏的低壓直流電信號；低壓充電電路用於利用低壓直流電信號為第二儲能單元恆流充電；電壓門限控制電路用於在第二儲能單元的電壓達到預定電壓閥值的情況下，允許第二儲能單元為從機設備提供電能。該發明提高了MBus的穩定性和可靠性。

2020年7月17日，《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：基於MBUS的供電通訊裝置及方法
• 公布號：CN104683118A
• 公布日：2015年6月3日
• 申請號：2015100591256
• 申請日：2015年2月4日
• 申請人：合肥瑞納表計有限公司
• 地址：安徽省合肥市長豐雙鳳開發區鳳霞路東039號
• 發明人：陳家培、周到、於大永
• Int.Cl.：H04L12/10(2006.01)I；H04L12/40(2006.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

MBus（Meter Bus，儀表匯流排）是一種新型的匯流排結構。多個MBus從機設備（也可以稱為子站或者從機設備）分別以並聯方式接入MBus，MBus利用兩條無極性的傳輸線同時實現MBus從機設備的供電和通訊。

發明人在實現該發明過程中發現：MBus從機設備在運行等過程中會存在瞬間消耗較大電流的現象，如果在MBus進行數據信號傳輸過程中，MBus從機設備出現瞬間消耗較大電流的現象，則該現象會對MBus中傳輸的數據信號產生不良影響。2015年2月之前的MBUS供電和通信技術不但不能夠避免該不良影響，而且還存在不能為電磁閥等從機設備提供24伏/36伏高壓電能的問題。

有鑒於上述2015年2月之前的基於MBus的供電通訊中存在的問題，該發明人基於從事此類產品設計製造多年豐富的實務經驗以及專業知識，並配合學理運用，積極加以研究創新，以期創設一種新的基於MBUS的供電通訊裝置及方法，能夠解決2015年2月之前的基於MBus的供電通訊中存在的問題，使其更具有實用性。經過不斷的研究、設計,經過反覆試作樣品及改進後，終於創設出確具實用價值的該發明。

發明內容

專利目的

《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》的目的在於，解決2015年2月之前的基於MBus的供電通訊技術中存在的問題，而提供一種新的基於MBus的供電通訊裝置及方法，所要解決的問題包括：避免MBus從機設備瞬間消耗較大電流的現象對MBus中傳輸數據信號的不良影響,同時還提供為電磁閥等從機設備提供滿足其需求的高壓電能。

技術方案

《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》從機設備通過該裝置與MBus連線，且該裝置包括：MBus接口、調製解調電路、整流電路、高壓充電電路、電壓轉換電路、低壓充電電路、第一儲能單元、第二儲能單元、電壓門限控制電路以及從機設備接口；MBus接口，用於與MBus連線；調製解調電路，與MBus接口和從機設備通信接口分別連線，用於將MBus中的電壓脈衝序列解調為TTL邏輯電平信號並通過從機設備接口傳輸至從機設備；將從機設備通過從機設備接口傳輸來的TTL電平信號調製為電流脈衝序列並通過MBus接口傳輸至MBus，同時控制高壓充電電路利用其在調製過程中吸入的電流為第一儲能單元恆流充電；整流電路，與MBus接口連線，用於將MBus中的無極性的MBus信號轉換為20-42伏的高壓直流電信號；高壓充電電路，與整流電路連線，用於利用所述高壓直流電信號在調製解調電路控制下為第一儲能單元恆流充電，且第一儲能單元通過從機設備接口為從機設備提供高壓電能；電壓轉換電路，與整流電路連線，用於將所述高壓直流電信號轉換為不超過5伏的低壓直流電信號；低壓充電電路，與電壓轉換電路連線，用於利用所述低壓直流電信號為第二儲能單元恆流充電；電壓門限控制電路，與第二儲能單元和從機設備接口分別連線，用於在第二儲能單元的電壓達到預定電壓閥值的情況下，允許第二儲能單元通過從機設備接口為從機設備提供低壓電能。

該發明的目的以及解決其技術問題還可以採用以下的技術措施來進一步實現。

較佳的，前述的基於MBus的供電通訊裝置，其中所述MBus接口中設定有保護電路，用於為從機設備提供過流保護以及過壓保護。

較佳的，前述的基於MBus的供電通訊裝置，其中保護電路包括：自復位保險絲。

較佳的，前述的基於MBus的供電通訊裝置，其中保護電路包括：TVS瞬態電壓抑制器。

較佳的，前述的基於MBus的供電通訊裝置，其中所述第一儲能單元和第二儲能單元分別包括：儲能電容。

較佳的，前述的基於MBus的供電通訊裝置，其中所述高壓充電電路和/或低壓充電電路中均設定有過充保護電路。

該發明還提供一種基於MBUS的供電通訊方法，該方法包括：數據通訊步驟和整流步驟，且該方法還包括：第一供電步驟和/或第二供電步驟；數據通訊步驟：將MBus中的電壓脈衝序列解調為電晶體-電晶體邏輯TTL電平信號並傳輸至從機設備，將從機設備傳輸來的TTL電平信號調製為電流脈衝序列並傳輸至MBus；整流步驟：將MBus中的無極性的MBus信號轉換為20伏-42伏的高壓直流電信號；第一供電步驟：利用所述高壓直流電信號為第一儲能單元恆流充電，並利用上述調製過程中吸入的電流為第一儲能單元恆流充電，第一儲能單元用於為從機設備提供高壓電能；第二供電步驟：將所述高壓直流電信號轉換為不超過5伏的低壓直流電信號，利用所述低壓直流電信號為第二儲能單元恆流充電，並在第二儲能單元中的電壓達到預定電壓閥值的情況下，允許第二儲能單元為從機設備提供電能。

較佳的，前述的基於MBus的供電通訊方法，其中所述第一供電步驟和/或第二供電步驟還包括：為第一儲能單元和/或第二儲能單元提供過充保護。

藉由上述技術方案，該發明的基於MBus的供電通訊裝置及方法至少具有下列優點及有益效果：該發明通過利用從MBus獲取的無極性的MBus信號採用高壓充電方式為第一儲能單元恆流充電，且同時在電壓轉換後為第二儲能單元恆流充電，這樣，可以利用第一儲能單元和第二儲能單元為從機設備提供相應規格的高壓電能和低壓電能；另外，在從機設備瞬間消耗較大電流的情況下，第一儲能單元和第二儲能單元完全可以滿足MBus從機設備的該瞬間用電需求，從而有效避免了從機設備出現的瞬間消耗較大電流時對MBus傳輸的數據信號的不良影響這一問題；最終該發明提供的技術方案提高了MBus的穩定性和可靠性，並滿足了多種從機設備的用電需求。

改善效果

《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》通過實施例一在不需要額外的為從機設備單獨配備供電設備，而僅利用MBus為從機設備提供電能的情況下，不僅可以實現從機設備正常工作的耗電現象基本上不會對MBus中的實時通信存在不良影響，而且還可以為電磁閥等從機設備提供相應規格的高壓電能（如24伏/36伏），真正實現了MBus的兩線制網路可靠穩定的供電和通信功能。該發明還可以為從機設備提供過流保護以及過壓保護，以有效防止ESD對從機設備的干擾，有利於後端從機設備的工作可靠性。

附圖說明

圖1為《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》的基於MBUS的供電通訊裝置的結構示意圖。

技術領域

《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》涉及MBus技術，特別是涉及一種基於MBUS的供電通訊裝置及方法。

權利要求

1.一種基於MBus的供電通訊裝置，其特徵在於，從機設備通過該裝置與MBus連線，且該裝置包括：MBus接口、調製解調電路、整流電路、高壓充電電路、電壓轉換電路、低壓充電電路、第一儲能單元、第二儲能單元、電壓門限控制電路以及從機設備接口；MBus接口，用於與MBus連線；調製解調電路，與MBus接口和從機設備通信接口分別連線，用於將MBus中的電壓脈衝序列解調為TTL邏輯電平信號並通過從機設備接口傳輸至從機設備；將從機設備通過從機設備接口傳輸來的TTL電平信號調製為電流脈衝序列並通過MBus接口傳輸至MBus，同時控制高壓充電電路利用其在調製過程中吸入的電流為第一儲能單元恆流充電；整流電路，與MBus接口連線，用於將MBus中的無極性的MBus信號轉換為20-42伏的高壓直流電信號；高壓充電電路，與整流電路連線，用於利用所述高壓直流電信號在調製解調電路控制下為第一儲能單元恆流充電，且第一儲能單元通過從機設備接口為從機設備提供高壓電能；電壓轉換電路，與整流電路連線，用於將所述高壓直流電信號轉換為不超過5伏的低壓直流電信號；低壓充電電路，與電壓轉換電路連線，用於利用所述低壓直流電信號為第二儲能單元恆流充電；電壓門限控制電路，與第二儲能單元和從機設備接口分別連線，用於在第二儲能單元的電壓達到預定電壓閥值的情況下，允許第二儲能單元通過從機設備接口為從機設備提供低壓電能。

2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述MBus接口中設定有保護電路，用於為從機設備提供過流保護以及過壓保護。

3.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述保護電路包括：自復位保險絲。

4.如權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述保護電路包括：TVS瞬態電壓抑制器。

5.如權利要求1至4中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述第一儲能單元和第二儲能單元分別包括：儲能電容。

6.如權利要求1至4中任一權利要求所述的裝置，其特徵在於，所述高壓充電電路和/或低壓充電電路中均設定有過充保護電路。

7.一種基於MBUS的供電通訊方法，其特徵在於，該方法包括：數據通訊步驟和整流步驟，且該方法還包括：第一供電步驟和/或第二供電步驟；數據通訊步驟：將MBus中的電壓脈衝序列解調為電晶體-電晶體邏輯TTL電平信號並傳輸至從機設備，將從機設備傳輸來的TTL電平信號調製為電流脈衝序列並傳輸至MBus；整流步驟：將MBus中的無極性的MBus信號轉換為20伏-42伏的高壓直流電信號；第一供電步驟：利用所述高壓直流電信號為第一儲能單元恆流充電，並利用上述調製過程中吸入的電流為第一儲能單元恆流充電，第一儲能單元用於為從機設備提供高壓電能；其中，所述第一儲能單元通過從機設備接口為從機設備提供高壓電能；第二供電步驟：將所述高壓直流電信號轉換為不超過5伏的低壓直流電信號，利用所述低壓直流電信號為第二儲能單元恆流充電，並在第二儲能單元中的電壓達到預定電壓閥值的情況下，允許第二儲能單元為從機設備提供電能；其中，所述第二儲能單元通過從機設備接口為從機設備提供低壓電能。

8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述第一供電步驟和/或第二供電步驟還包括：為第一儲能單元和/或第二儲能單元提供過充保護。

實施方式

• 實施例一、基於MBus的供電通訊裝置

該實施例的基於MBus的供電通訊裝置既與從機設備連線，也同時與MBus連線，也就是說，該實施例的基於MBus的供電通訊裝置是從機設備和MBus之間的接口設備，從機設備在通過該實施例的裝置接入MBus後，從機設備可以實現基於MBus的供電以及信息通訊。該實施例基於MBUS的供電通訊裝置的結構的一個例子如圖1所示。

圖1中，該實施例的基於MBUS的供電通訊裝置主要包括：MBus接口100、調製解調電路110、整流電路120、高壓充電電路130、電壓轉換電路140、低壓充電電路150、第一儲能單元160、第二儲能單元170、電壓門限控制電路180以及從機設備接口190；其中，調製解調電路110與MBus接口100和從機設備接口190分別連線，整流電路120與MBus接口100、高壓充電電路130以及電壓轉換電路140分別連線，低壓充電電路150與電壓轉換電路140以及第二儲能單元170分別連線，第一儲能單元160與高壓充電電路130以及從機設備接口190分別連線，電壓門限控制電路180與第二儲能單元170以及從機設備接口190分別連線。另外，調製解調電路110還與高壓充電電路130連線。

MBus接口100是該實施例的裝置接入MBus的接口，即該實施例的裝置通過MBus接口100與MBus連線。MBus接口100主要用於將MBus中的電信號（即無極性的MBus信號）以及傳送給從機設備的數據信號（即電壓脈衝序列）引入到該實施例的裝置中，並將與該實施例的裝置連線的從機設備傳送的數據信號（即TTL電平信號）以電流脈衝序列的形式傳輸至MBus中。

MBus接口100中可以設定有保護電路，以對與該實施例的裝置相連線的從機設備提供過流保護和過壓保護中的至少一種電路保護。該保護電路可以包含有電流自復位保險絲，以實現過流保護。另外，該保護電路可以包含有TVS（TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR，瞬態電壓抑制器），以實現過壓保護。MBus接口100中的保護電路通過為從機設備提供過流保護和過壓保護，可以有效防止ESD（Electro-Static discharge，靜電釋放）對從機設備的干擾，有利於後端從機設備的工作可靠性。

調製解調電路110主要用於將MBus接口100提供的MBus中的電壓脈衝序列解調為TTL（Transistor-Transistor Logic，電晶體-電晶體邏輯）電平信號，並通過從機設備接口190將解調後的TTL電平信號傳輸至從機設備；調製解調電路110還主要用於將從機設備通過從機設備接口190傳輸來的TTL電平信號調製為電流脈衝序列，並將調製後的電流脈衝序列通過MBus接口100傳輸至MBus中。

調製解調電路110可以由2015年2月之前的分立器件構成，如調製解調電路110包括電壓門限判斷電路（如比較器），調製解調電路110利用該電壓門限判斷電路將經由MBus接口100傳輸來的MBUS中的電壓脈衝序列解調為TTL電平信號；再如調製解調電路110包括電晶體電流調製電路，調製解調電路110利用電晶體電流調製電路將經由從機設備接口190傳輸來的TTL電平信號調製為電流脈衝序列；另外，調製解調電路110還可以利用其在調製過程中吸入的電流通過高壓充電電路130給第一儲能單元160恆流充電。

整流電路120主要用於將MBus中的無極性的MBus信號轉換為高壓直流電信號。這裡的高壓是相對於電壓轉換電路140輸出的直流電信號的電壓而言的，即整流電路120在整流處理後輸出的直流電信號的電壓高於電壓轉換電路140在電壓轉換處理後輸出的直流電信號的電壓。該實施例中的高壓具體是指位於20伏-42伏範圍內的電壓，且該電壓範圍包括20伏和42伏這兩個端值。該實施例可以採用2015年2月之前的可以實現上述整流處理的具體電路。 高壓充電電路130主要用於利用整流電路120輸出的高壓直流電信號為第一儲能單元160恆流充電。該高壓充電電路130中可以包含有過充保護電路，以防止高壓充電電路130對第一儲能單元160進行過壓充電，進而可以保護後端的從機設備。

該實施例中的高壓充電電路130可以包括：單運算放大器、電阻網路以及PNP型三極體等元器件，由單運算放大器和電阻網路組成的電路可以驅動PNP型三極體為第一儲能單元160進行恆流充電。

該實施例的高壓充電電路130中的PNP型三極體在調製解調電路110進行調製過程中被導通，使高壓充電電路130為第一儲能單元160進行恆流高壓充電。另外，高壓充電電路130中的PNP型三極體還會在從機設備傳輸來低電位信號的情況下被導通，使高壓充電電路130為第一儲能單元160進行恆流高壓充電。

電壓轉換電路140主要用於將整流電路120輸出的高壓直流電信號轉換為低壓直流電信號。這裡的低壓是相對於整流電路120輸出的直流電信號的電壓而言的。該實施例中的低壓具體是指不超過12伏的電壓。該實施例的電壓轉換電路在採用超低功耗的電壓轉換電路的情況下，將24伏/1毫安的電源轉換成5伏/4毫安的電源時，轉換效率可以達到65％以上。 低壓充電電路150主要用於利用電壓轉換電路140輸出的低壓直流電信號為第二儲能單元170進行恆流充電。該實施例中的低壓充電電路150可以包括：單運算放大器、電阻網路以及PNP型三極體等元器件，由單運算放大器和電阻網路組成的電路可以驅動PNP型三極體為第二儲能單元170進行恆流充電。該低壓充電電路150中可以包含有過充保護電路，以防止低壓充電電路150對第二儲能單元170進行過壓充電，進而可以保護後端的從機設備。

第一儲能單元160主要用於通過從機設備接口190為從機設備提供高壓電能。在該實施例中，由於為從機設備提供高壓電能的直接主體為第一儲能單元160，而不是直接由MBus為從機設備提供高壓電能，且第一儲能單元160自身具有儲能特點，因此，在從機設備（如電磁閥）出現瞬間需要較大電流的現象時，第一儲能單元160完全可以滿足從機設備的大電流消耗需求，從而不會對MBus中傳輸的數據信號產生不良影響。第一儲能單元160通常可以採用相應規格的電容來實現。

第二儲能單元170主要用於通過從機設備接口190為從機設備提供低壓電能。同樣的，在該實施例中，為從機設備提供低壓電能的直接主體為第二儲能單元170，而不是直接由MBus為從機設備提供低壓電能。第二儲能單元170通常可以採用相應規格的電容來實現。電壓門限控制電路180主要用於控制第二儲能單元170是否可以為從機設備提供低壓電能，具體的，電壓門限控制電路180在監測到第二儲能單元170的電壓沒有達到預定電壓閥值的情況下，禁止第二儲能單元170為從機設備提供低壓電能，而在監測到第二儲能單元170的電壓達到預定電壓閥值的情況下，允許第二儲能單元170通過從機設備接口190為從機設備提供低壓電能。

由於該實施例的裝置採用低壓充電電路150以恆流充電方式對第二儲能單元170進行充電，因此，在第二儲能單元170的儲能容量相對較大的情況下，第二儲能單元170的電壓上升較為緩慢。該實施例為了保證從機設備在MBUS上電時能正常復位即工作，因而利用電壓門限控制電路180對第二儲能單元170的電壓進行電壓門限控制；具體的，在第二儲能單元170的電壓達到預定電壓閥值時，電壓門限控制電路180控制第二儲能單元170可以為從機設備提供電能，使從機設備能夠正常復位及工作；而在第二儲能單元170中的電壓未達到預定電壓閥值時，電壓門限控制電路180控制第二儲能單元170禁止為從機設備提供電能。由此可知，對於第二儲能單元170而言，電壓門限控制電路180起到了一個開關的作用。該實施例中的預定電壓閥值可以隨著從機設備工作狀態的不同而有所不同。一個具體的例子，正常情況下，第二儲能單元170應為從機設備提供3.6伏的電壓，在MBus加電啟動的情況下，電壓門限控制電路180在監測到第二儲能單元170的電壓達到3.3伏時，允許第二儲能單元170為從機設備提供低壓電能，從而為從機設備的上電啟動提供可靠的電壓保障；電壓門限控制電路180在監測到第二儲能單元170的電壓未達到3.3伏時，禁止第二儲能單元170為從機設備提供低壓電能，從而從機設備需要稍後等到第二儲能單元170的電壓達到3.3伏的情況下，才能上電啟動。另一個具體的例子，第二儲能單元170通常應為從機設備提供3.6伏的電壓，在從機設備當前已經處於正常工作狀態的情況下，電壓門限控制電路180在監測到第二儲能單元170的電壓大於2.5伏時，允許第二儲能單元170為從機設備提供低壓電能，從而使從機設備繼續正常工作，電壓門限控制電路180在監測到第二儲能單元170的電壓下降到2.5伏以下的情況下，禁止第二儲能單元170為從機設備提供低壓電能，從而從機設備被強制關閉。

從機設備接口190是從機設備接入該實施例的基於MBUS的供電通訊裝置的接口，即該實施例的裝置通過從機設備接口190與從機設備連線。

從機設備接口190主要用於將第一儲能單元160的高壓電能、第二儲能單元170的低壓電能以及調製解調電路110傳輸來的TTL信號提供給從機設備。從機設備接口190還主要用於將從機設備傳送來的TTL信號傳輸給調製解調電路110，使調製解調電路110可以將來自從機設備的TTL信號以電流脈衝序列的形式傳輸至MBus中。

• 實施例二、基於MBus的供電通訊方法

該實施例的方法主要包括數據通訊步驟和整流步驟，且該實施例的方法還包括：第一供電步驟和第二供電步驟中的至少一個供電步驟。

該實施例的數據通訊步驟主要包括：將MBus中的電壓脈衝序列解調為TTL電平信號，並將該解調後的TTL電平信號傳輸至從機設備；將從機設備傳輸來的TTL電平信號調製為電流脈衝序列，並將調製後的電流脈衝序列傳輸至MBus。另外，由於在調製過程中會從吸入電流以實現信號調製，因此，該實施例在調製處理的同時可以利用該電流給第一儲能單元160恆流充電。

整流步驟主要包括：將MBus中的無極性的MBus信號轉換為20伏-42伏的高壓直流電信號。

第一供電步驟主要包括：利用整流步驟獲得的高壓直流電信號為第一儲能單元進行恆流充電，從而使第一儲能單元可以為從機設備提供相應規格的高壓電能。該實施例在為第一儲能單元恆流充電的過程中，可以為第一儲能單元提供過充保護。該實施例中的第一儲能單元不僅會在調製過程中進行恆流充電，還會在其電壓較低時進行恆流充電，如在從機設備傳輸來低電平信號時，該實施例利用整流步驟獲得的高壓直流電信號對第一儲能單元進行恆流高壓充電。

第二供電步驟主要包括：將整流步驟獲得的高壓直流電信號轉換為不超過5伏的低壓直流電信號，之後，利用該低壓直流電信號為第二儲能單元進行恆流充電，從而使第二儲能單元可以為從機設備提供達到預定電壓閥值的低壓電能。具體的，在第二儲能單元的電壓達到預定電壓閥值的情況下，允許第二儲能單元為從機設備提供低壓電能，在第二儲能單元的電壓未達到預定電壓閥值的情況下，禁止第二儲能單元為從機設備提供低壓電能。該實施例在為第二儲能單元恆流充電的過程中，可以為第二儲能單元提供過充保護。

榮譽表彰

2020年7月17日，《基於MBUS的供電通訊裝置及方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。