ШИННЫЙ МОДЕМ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
BUS MODEM FOR CONSTRUCTION AND INDUSTRIAL ELECTRICAL SYSTEMS

Настоящее изобретение относится к модемному устройству для обмена по шине для строительных и промышленных электрических систем, такой, например, как шина, известная под коммерческим названием "Шина Konnex TP1", которая дает возможность в жилой установке, установке сферы услуг и промышленной установке достичь интегрированного управления различными системами, такими как, например, электрические, нагрева, кондиционирования воздуха, ирригации и антивторжения, и датчиками технической системы индикации аварии, таких как газа, воды и дыма.
Модем согласно изобретению позволяет подавать напряжение питания, необходимое для работы различных управляющих устройств, от шины и обеспечивает возможность декодирования сигналов, переданных по шине, и кодирования сигналов, которые должны быть переданы на шине.
Обмен между модемом и шиной имеет полудуплексный двухсторонний тип, и поддержка передачи данных обмена достигается посредством единственной витой пары проводов, также известной как дуплексный кабель.
Напряжение, присутствующее на кабеле проводника шины, имеет тип SELV (безопасное сверхнизкое напряжение).
В этой области применения интегрированные устройства, произведенные компанией Сименс, присутствуют на рынке с функцией модемов для шины Konnex TP1. Примеры таких устройств модема описаны в Европейском патенте EP 0770285.
Два компонента известны в данной области техники: FZE 1066-EIB приемопередатчик на витой паре и EIB-TP-UART-IC.
Первый компонент является интегрированным модемом, который главным образом позволяет создать интерфейс между шиной и микроконтроллером. Фактически это делает возможным формировать от шины различные напряжения питания, сигналы интерфейса для микроконтроллера, декодирование сигнала на шине и кодирование сообщений, которые должны быть переданы.
Сообщения, передаваемые по шине, накладываются на постоянное напряжение питания, изменяющееся приблизительно между 20 В и 30 В. Это представляет цифровой сигнал, где единственный бит "0" получают, достигая падения напряжения приблизительно 7 В с длительностью приблизительно 35 мкс. Длительность бита в целом составляет 104 мкс, приводя к передаче на скорости 9600 бод. Бит "1", с другой стороны, не ведет к существенным изменениям в постоянном напряжении шины.
На фиг. 1 показана в качестве примера спецификация Konnex шины для передачи бита "0". На фиг. 2, с другой стороны, показана диаграмма, иллюстрирующая передачу последовательности битов по шине.
Основная функция модема FZE 1066 заключается в получении различных питаний устройств таким образом, чтобы нарушить передачу сигнала по шине только в минимальной степени. В частности, такой модем не должен нагружать нарастающие и спадающие фронты при создании падения напряжения и должен вызывать только минимальное изменение тока на шине, когда передаются сообщения.
Что касается декодирования сообщений, присутствующих на шине, модем декодирует каждый отдельный бит, приспосабливая уровни сигналов, присутствующих на шине, к уровням, необходимым для микроконтроллера. Все фронты переданных битов декодируются без какого-либо аналогового или цифрового действия фильтрации.
Третья основная характеристика модема FZE 1066 заключается в преобразовании сообщений, переданных микроконтроллером, в уровни напряжения, подходящие для передачи по шине. Он должен быть способен формировать падения напряжения на шине с адекватной мощностью и фронтами.
Что касается второго модемного устройства EIB-TP-UART-IC, существенное отличие от первого устройства заключается в декодировании байтов сообщений, присутствующих на шине, то есть оно преобразовывает сообщения типа TP, присутствующие на шине, в UART, которые должны быть посланы микроконтроллеру, и наоборот.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы реализовать схему модема для обмена по шине, в частности для шины Konnex TP1, которая является чрезвычайно разносторонней, легко приспосабливаемой к различным применениям, для управления посредством этой шины различными типами устройств.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить такой шинный модем, который является модульным, состоящим из различных гибких модулей, которые могут быть добавлены к шине согласно потребностям различных устройств, которые должны быть соединены с шиной.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить такой шинный модем, в котором модули обеспечивают взаимозаменяемые компоненты, которые могут быть добавлены согласно различным потребностям.
Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы обеспечить такой шинный модем, который имеет ограниченное число дискретных компонентов, чтобы оптимизировать затраты и занимаемое пространство.
Эти задачи достигаются в соответствии с изобретением посредством характеристик, перечисленных в независимом пункте 1 прилагаемой формулы изобретения.
Выгодные варианты осуществления изобретения очевидны от зависимых пунктов формулы изобретения.
Шинный модем для строительных и промышленных электрических систем согласно изобретению содержит модуль, который содержит пару входных выводов, предназначенных для соединения с шиной, и пару выходных выводов, предназначенных для соединения с электрической схемой устройства, которое должно быть соединено с шиной. Модуль дополнительно содержит:
- схему управления напряжением, способную принимать напряжение от шины и управлять напряжением на конденсаторе, подключенном к зажимам выходных выводов, и
- схему управления передачей, способную управлять электронным переключателем, который управляет схемой ограничения тока, способной ограничить ток на шине в течение передачи сигналов с шины на устройства, соединенные с шиной, и наоборот.
Основное преимущество системы этого типа - гибкость, понимаемая как возможность программировать и перепрограммировать функции и средство управления по желанию.
Соединение между устройствами имеет место "логическим" образом. Каждый компонент, даже выполняющий самые простые функции, такой как, например, кнопка, способен принимать и передавать кодированные сигналы и команды на шинном кабеле. Данные, переданные таким образом, циркулируют по шине и принимаются только устройством, для которого они предназначены.
Отдельные управляющие, сигнальные и активирующие устройства могут быть подсоединены в любой точке шины без какой-либо конкретной логики. Функции и логические соединения определяются посредством адекватной процедуры конфигурации.
Корреляции и условия эксплуатации системы модифицируются посредством модификации конфигурации системы без вмешательства в монтажные соединения. Это является фундаментальной возможностью не только в жилых установках, но также и в установках сферы услуг и промышленных установках, где потребность модифицировать назначенное использование или разделение рабочих сред (офисы, открытые пространства, мобильные подразделения) является более частой.
Универсальность системы, поэтому, становится полной. В любое время использование компонентов может быть "перепрограммировано", чтобы лучше удовлетворить потребностям в использовании каждого участка памяти.
Любой клиентский запрос может быть удовлетворен, предлагая каждому индивидуализированное специализированное решение, способное удовлетворить специфические потребности.
Инсталляция также является гораздо более простой, чем для традиционной системы. Никакое специализированное проводное соединение не является необходимым для управляющих устройств; простой витой дуплексный кабель является достаточным для соединения друг с другом всех устройств системы домовой электроники. Обмен между различными устройствами имеет место в форме цифровых пакетов. Каждый пакет содержит некоторое количество байтов, обычно не более десяти. Пакеты часто называются эквивалентными терминами: сообщения, телеграммы или кадры. Типичными скоростями передачи являются 9,6 кбит/сек.
Совместное использование средств обмена делает возможным одновременно только для одного элемента обращение к шине для передачи данных; иначе, в случае одновременного доступа, имеют место коллизии. Максимальное число устройств, которые могут быть соединены, зависит от многих факторов и обычно не превышает 256.
Однако, используя устройства, известные как "соединители", возможно подключить более 10000 устройств. Максимальная длина кабеля шины ограничена ослаблением сигнала. Без возможного достижения использования длины "соединителей" порядка километра это больше чем достаточно для большинства систем.
Соединения между устройствами могут быть выполнены следующими способами:
- линейный: имеется единственная магистраль, с которой соединены все устройства;
- звезда: каждое отдельное устройство соединено с центральным пунктом;
- дерево: ветви, которые соединяют множество устройств, отходящих от центральной магистрали;
- свободный: это - комбинация всех возможностей, описанных выше.
Характеристики и преимущества изобретения должны стать более ясными в соответствии с подробным описанием вариантов осуществления, приведенных ниже посредством неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - диаграмма, иллюстрирующая спецификации для передачи бита "0" в шине Konnex TP1;
Фиг. 2 - диаграмма, иллюстрирующая общую последовательность битов, передаваемых по шине;
Фиг. 3 - схема, иллюстрирующая первый модуль шинного модема согласно изобретению;
Фиг. 4 - схема, иллюстрирующая второй модуль шинного модема согласно изобретению;
ABS
Фиг. 5 - электрическая схема, подробно иллюстрирующая вариант осуществления управляющей схемы V первого модуля согласно Фиг. 3;
Фиг. 6 - электрическая схема, подробно иллюстрирующая вариант осуществления схемы ограничения тока первого модуля согласно Фиг. 3;
Фиг. 7 - электрическая схема, подобная Фиг. 6, на которой подробно проиллюстрирован вариант осуществления схемы управления переключателем;
Фиг. 8 - электрическая схема, подобная Фиг. 7, на которой подробно проиллюстрирован вариант осуществления схемы управления передачей; и
M_BUS
Фиг. 9 - электрическая схема, подробно иллюстрирующая вариант осуществления управляющей схемы V второго модуля согласно Фиг. 4.
Шинный модем согласно изобретению описан со ссылками на чертежи.
Модем согласно изобретению содержит первый модуль 100, чья схема проиллюстрирована на фиг. 3, и второй необязательный модуль 200, чья схема проиллюстрирована на фиг. 4.
Как показано на фиг. 3, первый модуль 100 модема содержит два входных вывода 1 и 2, предназначенных для соединения с шиной, и два выходных вывода 9 и 10, предназначенных для соединения со схемой устройства, подсоединенного к шине, таким как, например, устройство домовой электроники.
ABS
ASB
ABS
ABS
Между выводами 1 и 2 расположена управляющая схема V, обозначенная 3, способная управлять напряжением V на терминалах - выходных выводах 9 и 10. Управляющая схема V подсоединена посредством соединения 6 к конденсатору C1, расположенному между выходными выводами 9 и 10. Таким образом управляющая схема V поддерживает конденсатор C1 заряженным, чтобы управлять напряжением на терминалах выводов 9 и 10.
ABS
Модуль 100 содержит схему 5 управления передачей, которая управляет схемой 8 ограничения тока, действуя на переключатель 7. Переключатель 7 подсоединен посредством соединения 4 к выходному выводу 6 управляющей схемы V 3 и к схеме 8 ограничения тока. Схема 5 управления передачей расположена между входными выводами 1 и 2 и соединена с выходным выводом 9 и с переключателем 7.
ABS
ABS
Управляющая схема 3 Vдолжна подавать питание на конденсатор C1, от которого большинство различных электронных управляющих схем устройства домовой электроники, предназначенных для соединения с шиной, получает свое питание. Задача управляющей схемы 3 V заключается в том, чтобы принимать необходимый ток от шины без влияния на сообщения, передаваемые по шине. Потребление тока не должно заметно измениться, когда имеют место падения напряжения из-за битов, передаваемых по шине.
ABS
ABS
Конденсатор C1 служит как фильтр нижних частот, и поэтому, если управляющая схема 3 V имеет правильно выбранные параметры, максимальная частота регулирования является более низкой, чем минимальная частота передачи. Это гарантирует, что сопротивление управляющей схемы 3 V является достаточно низким для питания схем, подсоединенных между выводами 9 и 10, и достаточно большим для сигналов, передаваемых по шине.
Практически полезно установить максимальную частоту регулирования равной на одну десятую часть ниже минимальной частоты передачи.
ABS
На фиг. 5 в качестве примера проиллюстрирован возможный вариант осуществления управляющей схемы 3 V согласно Фиг. 3.
ABS
Управляющая схема 3 V содержит конденсатор C3, заряжаемый зарядной схемой 31, содержащей стабилитрон D1, последовательно соединенный с резистором R1, расположенным между входными выводами 1 и 2. Резистор R2 имеет вывод, подключенный между D1 и R1, и другой вывод, подключенный к конденсатору C3.
ABS
Стабилизированное напряжение C3 используется для управления напряжением на C1 посредством схемы 30 стабилизатора напряжения, содержащей три транзистора Q2, Q3 и Q4. Коллекторы Q2, Q3 и Q4 соединены с выводом 1, и эмиттер Q2 соединен с базами Q3 и Q4. Между базой Q2 и эмиттером Q3 последовательно расположены четыре диода D2, D3, D4 и D5. Кроме того, база Q2 подключена между резистором R2 и конденсатором C3, и резистор R6 соединен с эмиттером Q3. Резистор R7 подключен между эмиттером Q4 и выходным выводом 6 управляющей схемы V.
ABS
ABS
Управляющая схема 3 V содержит схему 32 уменьшения потребляемой мощности, способную уменьшить потребляемую мощность управляющей схемы 3 V.
Схема 32 уменьшения потребляемой мощности содержит конденсатор C4, подсоединенный к выводу 1, последовательно к резистору R3 и к резистору R4, расположенному между базой и эмиттером транзистора Q1. Коллектор Q1 соединен посредством резистора R5 и конденсатора C5 к выводу 2.
Посредством стабилитрона D1 и резисторов R1 и R2 конденсатор C3 заряжается до напряжения приблизительно на 10 В ниже, чем среднее напряжение, присутствующее на шине.
Постоянная заряда R2ЧC3 является такой, чтобы гарантировать напряжение без пульсаций на конденсаторе C3, даже когда на шине присутствуют кадры передачи.
Кроме того, учитывая, что шина из-за сопротивления кабеля проводника и различных распределительных устройств имеет напряжение, которое уменьшается с увеличением расстояния от источника питания, конденсатор C3 имеет стабилизированное напряжение, уменьшенное на значение напряжения стабилитрона D1, изменяющееся в диапазоне, дозволенном напряжением шины.
Значение стабилизации становится более низким, чем минимальное значение напряжения шины, когда передаются кадры. Напряжение конденсатора C3 используется в качестве опорного напряжения, чтобы реализовать стабилизатор напряжения, посредством транзисторов Q2, Q3 и Q4.
ASB
Транзистор Q2 служит как усилитель тока для Q3 и Q4. Диоды D2, D3, D4, D5 вместе с резисторами R6 и R7 и транзисторами Q2, Q3 и Q4 выполняют функцию ограничителей максимального тока, и когда устройство включено и в случае чрезмерного потребления управляющей схемой 3 в отношении V между выводами 9 и 10. Транзистор Q4 и резистор R7 могут отсутствовать, если потребляемая мощность последующих схем это позволяет.
Конденсатор C4 воздействует на базу транзистора Q1 и активизирует его в течение краткого периода, совпадающего с положительными фронтами битов, передаваемых по шине. Это делает возможным разрядить конденсатор C5 до минимальной степени, чтобы уменьшить потребляемую мощность устройства в течение короткого периода.
Это способствует броскам напряжения на шине, сформированным посредством передачи бита "0". Эти технические требования формализованы в спецификации Konnex, Тестирование Соответствия Системы, Том 8, глава 5 Приемник, параграф 5.1 Полное сопротивление импульса.
Конденсатор C1, подобно конденсатору C3, имеет стабилизированное напряжение ниже, чем минимальное значение напряжения, присутствующего на шине, когда передаются кадры. Это гарантирует, что ток, потребленный шиной, поддерживается в пределах минимальных изменений даже в присутствии кадров передачи на шине, как в вышеупомянутой спецификации Konnex. Значение напряжения не имеет фиксированного значения, но оно находится в пределах диапазона из-за разрешенного рабочего диапазона напряжения шины.
ABS
Некоторые схемы, подсоединенные ниже по току управляющей цепи V, в частности микроконтроллер для управления всем устройством домовой электроники, требуют дополнительного стабилизатора напряжения намного меньшего значения, который может быть реализован как с переключающими, так и с линейными устройствами, имеющимися на рынке.
На фиг. 6 проиллюстрирован посредством примера возможный вариант осуществления схемы 8 ограничения тока согласно Фиг. 3. Схема 8 ограничения тока содержит транзистор Q5, имеющий коллектор, соединенный с входным выводом 2, и эмиттер, подсоединенный посредством резистора R8 к входному выводу 1.
Транзистор Q6, чей эмиттер подсоединен посредством резистора R9 к выводу 1, подключен между базой и коллектором Q5. База Q6 соединена с переключателем 7.
Между базой Q6 и выводом 1 последовательно расположены три диода D6, D7, D8 и резистор R10 с параллельно включенным конденсатором C6.
Транзистор Q5 является мощным устройством, способным потреблять ток шины, когда кадры передаются этим устройством. Транзистор Q5 управляется транзистором Q6, включенным по схеме Дарлингтона.
Резистор R9 гарантирует, что в отсутствии команд от переключателя 7 (переключатель 7 открыт) транзистор Q5 выключен. Резистор R10, с другой стороны, гарантирует, что транзистор Q6 выключен.
Диоды в последовательности D6, D7 и D8 составляют ограничитель напряжения и предотвращают превышение напряжения на R8 приблизительно на 0,7 В. Из этого следует, что также ток на R8 (и таким образом ток, потребляемый транзистором Q5 во время передачи) ограничен.
Конденсатор C6 затягивает фронты включения и выключения Q5, чтобы привести в соответствие со спецификацией Konnex и уменьшить любые явления отражения из-за длины шинной линии.
ABS
Схема 8 ограничения тока управляется электронным переключателем 7. При падении напряжения для бита "0" напряжение на базе транзистора Q6 приводится к значению, близкому к напряжению V, присутствующему на C1.
BUS
BUS
ABS
Транзистор Q6 в свою очередь управляет Q5, и, таким образом, напряжение V шины между выводами 1 и 2 падает по фронту, заданному зарядом C6. Значение V устанавливается равным значению напряжения, большим, чем V, как результат различных смещений, заданных напряжениями баз транзисторов Q5, Q6, напряжением на резисторе R8 и напряжением, присутствующим на терминалах электронного переключателя 7.
Ток на Q5, кроме того, также ограничен схемой, описанной выше. В результате, если ток передачи превышает установленный предел, транзистор Q5 уменьшает амплитуду падения напряжения. При открытии переключателя 7 транзисторы Q5 и Q6 выключаются по переднему фронту, затянутому разрядом конденсатора C6.
Фиг. 7 иллюстрирует посредством примера возможный вариант осуществления управляемого переключателя 7, имеющегося на Фиг. 6.
Электронный переключатель 7 состоит из последовательно соединенных транзистора Q7 PNP типа, резистора R11 и двух диодов D9 и D10.
ASB
Диоды D9 и D10 выполняют функцию смещения между амплитудой падения напряжения на шине и напряжением V. Резистор R11 служит для ограничения максимального тока на Q7. Транзистор Q7 управляется схемой 5 управления передачей.
Фиг. 8 иллюстрирует посредством примера возможный вариант осуществления схемы 5 управления передачей, представленной на Фиг. 7.
ASB
Схема 5 управления передачей содержит микроконтроллер 50, питаемый посредством стабилизатора напряжения напряжением V. Для простоты, электрическая схема микроконтроллера 50 не показана, согласно которой он может быть реализован стандартными коммерческими компонентами.
Микроконтроллер 50 генерирует сигнал SEND (послать), который он выдает в качестве выходного посредством одного из его выходных выводов. Сигнал SEND, посредством адекватной схемы 51 соединения, управляет включением и выключением транзистора Q8, который в свою очередь управляет переключателем 7 посредством двух резисторов R13 и R12, соединенных последовательно с его коллектором. База транзистора Q7 переключателя 7 подключена между резисторами R13 и R12. Схема 51 соединения между микроконтроллером 50 и транзистором Q8 имеет двойную функцию получения подходящей скорости включения и выключения Q8 и ограничения максимальной продолжительности переключения Q8 во времени.
Ниже следует описание схемы 51 соединения. Вывод SEND микроконтроллера соединен с двумя конденсаторами C7 и C8, соединенными последовательно с соответствующими резисторами R15 и R16, подсоединенными к базе Q8. Диод D11 подсоединен параллельно резистору R16. Резистор R17 имеет один терминал, подключенный между конденсатором C7 и резистором R15, и другой терминал, соединенным с диодом D12, в свою очередь соединенным с эмиттером Q8. Резистор R14 расположен между базой и эмиттером Q8.
Когда сигнал SEND переключается из низкого в высокое, транзистор Q8 включается посредством тока через C7 и R14. Конденсатор C8 заряжается через R16.
Постоянная заряда C7 вычислена так, чтобы гарантировать, что в течение всей продолжительности высокого сигнала SEND (обычно 35 мкс) транзистор Q8 остается включенным.
Однако в возможности сигнала SEND, остающегося блокированным высоким с последующим неправильным срабатыванием, конденсатор C7, как только он заряжен, отсекает ток базы Q8, который вследствие этого выключается. Это гарантирует защиту в отношении максимальной продолжительности тока через мощный транзистор Q5 ограничителя 8 тока, который может иначе сломаться.
Когда сигнал SEND переключается от высокого к низкому, транзистор Q8 выключается быстро благодаря конденсатору C8, который удаляет заряд базы, и резистору R14. В то же самое время C7 разряжается благодаря D12 и R17.
В дополнение к первому модулю 100 модем согласно изобретению может содержать второй модуль 200, как это показано на фиг. 4.
Второй модуль 200 модема содержит два входных вывода 11 и 12, предназначенных для соединения с шиной, и два выходных вывода 16 и 17, предназначенных для соединения со схемой устройств, соединенных с шиной, таких как, например, бистабильные реле.
M_BUS
M_BUS
M_BUS
M_BUS
Между входными выводами 11 и 12 расположена управляющая схема V, способная управлять напряжением V на терминалах выходных выводов 16 и 17. Управляющая схема V подсоединена посредством соединения 14 к конденсатору C2, расположенному между выходными выводами 16 и 17. Таким образом, управляющая схема V поддерживает конденсатор C2 заряженным, чтобы управлять напряжением на терминалах выводов 16 и 17.
M_BUS
ABS
Задача управляющей схемы V состоит в получении стабилизированного напряжения, равного среднему значению напряжения V шины, обычно значению постоянного напряжения, но без ухудшения или значительного воздействия на передаваемые кадры.
Для этой цели максимальный потребленный ток должен быть ограничен, приблизительно равным 1 мА, посредством схемы постоянного тока. Кроме того, это дает возможность привести в соответствие пределам, наложенным спецификациями теста Konnex для импульсного полного сопротивления.
Типичным применением второго модуля 200 являются бистабильные реле, которые требуют особенно высоких импульсов тока переключения, но в течение очень коротких промежутков времени. Конденсатор C2, имеющий соответствующие размеры, хранит всю энергию, необходимую для управления реле. Необходимый перезаряд получают очень медленно посредством схемы ограничения тока.
В общем, эта схема дает возможность обеспечить источник питания со средней потребляемой мощностью, приблизительно равной 1 мА. Любые пики потребления обеспечиваются конденсатором C2 соответствующей емкости.
M_BUS
Фиг. 9 иллюстрирует посредством примера возможный вариант осуществления управляющей схемы V согласно Фиг. 4.
Диод D13, резистор R18 и конденсатор C9 расположены последовательно между входными выводами 11 и 12. Резистор R19 имеет один терминал, подключенный между R18 и C9, и другой терминал, соединенный с базой транзистора Q9.
Коллектор Q9 подключен между D13 и R18, и эмиттер подсоединен посредством резистора R20 к соединению 14, подсоединенному к выходному выводу 16. Диод D16 подключен между эмиттером и коллектором Q9.
Диод D13 гарантирует, что ток является односторонним с шины на накапливающий конденсатор C2. Среднее значение напряжения, присутствующего на шине, получают посредством R18 и C9. Это напряжение используется для управления транзистора Q9, ограниченного током.
Эти два диода D14 и D15 обеспечивают предел напряжения, который ограничивает напряжение на R20 до приблизительно 0,7 В. Это также определяет предел тока на R20 и таким образом также на Q9, то есть в отношении тока, принятого шиной. Диод D16 служит для того, чтобы избежать чрезмерных обратных напряжений, формируемых на транзисторе Q9 в отсутствии напряжения на шине и с конденсатором C2, все еще заряжаемым.
Многочисленные изменения и модификации в подробностях в пределах, допустимых для специалиста, могут быть сделаны к существующим вариантам осуществления изобретения без отрыва от объема изобретения, которое сформулировано в прилагаемой формуле изобретения.