nuvoton的信电共线应用

只看该作者 · 2021-11-17 13:57

nuvoton的信电共线应用

只看该作者 · 2021-11-17 13:57

二总线技术 POWERBUS，设计了一套
信电共线（两根导线上即供电又传输信号）系统，并用该系统结合土壤及水流检测装置、
电动球阀、Modbus 通讯协议、MCGS 组态系统，设计了一种节水灌溉智能控制系统。
在整个系统中对信电共线主、从机模块所需功能电路进行了设计；根据实际编写了控制
程序；并搭建了一整套 MCGS 组态系统。

节水灌溉智能控制系统主要由信电共线主、从机模块、土壤湿度传感器、水
流感应开关、电动球阀、Modbus 通讯协议和 MCGS 组态系统构成。在信电共线主机模
块中，对主机核心通讯模块的电路设计进行了详细的分析介绍，并根据实际电路需要设
计了电压转换电路，以满足元器件的电压需求，配备备用电源模块，解决停电无法工作
问题。在信电共线从机模块中，对从机核心通讯芯片进行了详细介绍，并采用新唐单片
机设计了控制电动球阀开启、关闭的驱动电路和土壤及水流检测装置的检测电路，同时
对所选的各个硬件进行了详细的介绍。设计完成后还对整个信电共线系统的传输距离进
行了分析。在 Modbus 通讯协议中，详细介绍了该协议的特点，根据需求选择了 RTU
通信模式，结合各硬件的特点定义了相关寄存器地址，并利用所需的功能码，编写了两
个 C 语言控制指令，经相关软件模拟测试后效果良好。在 MCGS 组态系统中，详细介
绍了组态系统搭建的一般过程，不仅创建了多个控制、显示界面，还创建了玉米和小麦
两种作物的灌溉模型，并可根据需要设计了自定义灌溉模型。设计的 MCGS 组态系统
有自动灌溉和手动灌溉两种灌溉方式，并将灌溉系统中各硬件状态和采集的数据，以表
格和曲线的形式直观展示。

只看该作者 · 2021-11-17 13:58

只看该作者 · 2021-11-17 13:59

以信电共线主、从机模块、MCGS 组态系统、土壤湿度传感器、水流感应开关、电动球阀等为基础的节水灌
溉智能控制系统的整体方案。阐明了系统的设计要求，系统整体的设计结构及各部分的
功能特征。系统通过信电共线主、从机模块和 Modbus 通讯协议进行数据的可靠性传输，
采用土壤湿度传感器实时监测土壤湿度，并对湿度值进行判断，自动控制电动球阀的开
闭进行灌溉，达到了智能化的要求和节水的目的。

只看该作者 · 2021-11-17 13:59

信电共线系统又名 POWERBUS 系统，属于新一代的二总线系统，由供电电源、主
机模块、从机模块及 2 根总线构成。
主机模块具有的 RS485、RS232 通讯功能，可通过相应数据线接于电脑主机端口或
操作设备端口进行数据传输；具有的备用电源切换功能，可保证系统在临时停电时也能
正常工作；具有的总线短路报警功能，起到了对操作人员及时提醒的作用。
从机模块具有实时读取土壤湿度值、检测管道水流状态的功能，并可根据主机模块
发来的指令开启或关闭电动球阀进行节水灌溉。
2 根总线除可进行数据传输外，还可供电，其通讯和供电无需电气隔离，抗干扰能
力强；可稳定带载 256 个节点通讯设备；用 4mm2 铜线通讯距离可达 1790m；支持无极
性布线；支持任意拓扑布线：树形、星形、总线型等；最大总线电压可达 48V；支持
Modbus 协议，上手简单，应用灵活，是一种低成本的控制方案。

只看该作者 · 2021-11-17 14:00

信电共线主机模块支持输入电压范围为 DC12V~48V。本实验系统中主机模块采用
DC24V 直流供电，具有稳压输入，防反接保护和输出线防浪涌保护的功能，支持最大
20A 总线电流，通讯距离较远，对线缆无特殊要求。主机模块中设计有 RS485 和 RS232
通讯接口，如图 3-1 所示，其通讯模块的电源供电接口，采用 DC-DC 定压输入定压输
出的隔离芯片 B0505S，以进行 5V 直流电压供电隔离，有效起到了对通讯芯片的保护
作用；其通讯模块的接收和发送电路通过光电耦合器 EL817B 进行信号单向稳定传输，
将输入端与输出端进行电气隔离，提高了电路的绝缘能力、抗干扰能力，在通信和控制
中作为信号隔离的接口，大大增加了设备工作的可靠性。

只看该作者 · 2021-11-17 14:00

只看该作者 · 2021-11-17 15:32

信电共线主机模块电源电路设计
信电共线主机模块中用到的电源电压主要有四种：
1、供给主机总线、散热风扇、警报蜂鸣器等使用的 DC24V 电压；
2、供给主控核心芯片使用的 DC12V 电压；
3、供给 RS232、RS485 通讯模块使用的 DC5V 电压；
4、供给单片机及其各类 LED 发光二极管使用的 DC3.3V 电压。
故需要将主机模块的输入电压 Vin，由 DC24V 转化为 DC12V、DC5V、DC3.3V 三
种类型，具体电路设计如图 3-2 所示。
DC24V 转 DC12V 选用的电源转换芯片为 LM2575HVS-12，是一款 3A 电流输出降
压开关型集成稳压电路, 内含固定频率 52kHz 振荡器和 1.23V 基准稳压器, 并具有完
善的保护电路, 包括电流限制及热关断电路等, 只需极少的外围器件便可构成高效的
恒流稳压电路
[17]。引脚 1 为正电源输入端, 引脚 2 为电压输出端, 引脚 3 为接地端, 引
脚 4 为电压反馈端, 引脚 5 为待机控制端，在系统设计时参考 LM2575HVS-12 相关电
路资料，采用 C9、C10、D2、L1 四个外围元件构成了基本稳压电路，输出电压稳定，
测试效果良好。
DC12V 转 DC5V 选用的电源转换芯片为 LM78M05，是一种常见的三端稳压芯片，
引脚 1 位电源输入端，引脚 2 为接地端，引脚 3 为工作电压输出端，其内部电路具有过
压保护、过流保护和过热保护，以及良好的温度系数，使它的工作性能十分稳定。系统
设计时采用外围元件 C11 对 5V 输出电压进行补偿，使其输出更加稳定。
DC5V 转 DC3.3V 选用电源转换芯片为 LM1117-3.3，是一款正电压输出的低压降三
端线性稳压芯片
[18]。这款精度很高的 DC3.3V 固定输出型号，也是目前市场上应用最广
泛的转换芯片之一，引脚 1 为接地端，引脚 2 为工作电压输出端，引脚 3 为电源输入端，
外围元件 C16、C17 的设计提高了回路的稳定性和瞬间响应。
整个电源电路入口处的二极管 Z4 为单向瞬态抑制二极管，当输入电源接反时能够
正向导通，同时大电流使保险丝 F1 熔断，形成开路，有效的防止了电源接反对主机电
路造成的危害。C12、C14 的添加则保证了输入电压的稳定性。

只看该作者 · 2021-11-17 15:37

只看该作者 · 2021-11-17 15:40

只看该作者 · 2021-11-17 15:43

信电共线主机模块通讯电路设计
信电共线主机通讯核心控制模块为 EV620，各引脚介绍如表 3-1 所示，电路如图
3-4 所示。系统供电电压为 DC24V，模块 EV620 采用 DC12V 供电。该模块具备完整的
总线故障检测机制，总线正常时 EV620 的引脚 BRK 为 3.3V 高电平，可将此信号用于
上报信号或 LED 指示信号；当总线发生线上短路时，EV620 会立刻关断总线，保护主
站功率器件以防止损坏，避免电路意外的发生，此时 BRK 引脚为低电平；当短路移除
后，BRK 引脚自动恢复 3.3V 高电平。设计时为了起到短路报警作用，用一个 PNP 型
三极管的基极与此引脚相连，发射极与 3.3V 电压连接，集电极与分压电阻和红色发光
二极管串联。当 EV620 发生短路时 BRK 引脚为低电平，PNP 三极管导通，发光二极管
报警灯亮。EV620 的 13 号引脚 BAUD 为波特率选择引脚，当此引脚接地时，波特率为
2400bps，此时进入高功率模式，支持总线 20A 电流；当此引脚悬空或接高电平时，波
特率为 9600bps，此时总线支持 5A 电流，设计时可根据负载情况灵活选择。

只看该作者 · 2021-11-17 15:43

只看该作者 · 2021-11-17 15:44

信电共线主机通讯控制模块 EV620 通过电压变化信号向从机发送控制信号，其应
用电路如图 3-4 所示。模块 EV620 通过 RS485 总线可与含有组态系统的 MCGS 组态装
置通讯，BRK 为总线故障指示引脚；Z3 为单向瞬态抑制二极管，用于抑制线上浪涌，
使主机控制模块具有输出线防浪涌保护的功能。当 EV620 接收到 MCGS 组态系统发来
的串口信号，需要向从机发送信号时，通过控制引脚 BH 使总线输出脚 L1 的电压值在
满足供电的前提下小范围内上下波动，从而使总线上形成规律性变化的电压信号，以供
从机识别；当 EV620 接收到从机发来的应答信号时，引脚 BL 检测总线上的电流变化，
将电流信号转变为可识别的电压信号，通过串口发送给 MCGS 组态系统。

只看该作者 · 2021-11-17 16:43

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