一种带供电功能的有线UART通讯电路的制作方法

一种带供电功能的有线uart通讯电路
技术领域
1.本实用新型涉及uart通讯电路领域，尤其是一种既能够为通讯设备能提供电源而且能进行uart通讯的电路。


背景技术：

2.目前，主设备与相连的通讯设备之间的uart通讯，往往采用的是通讯设备单独供电，所以通讯设备需外接电源进行供电。
3.外接电源不仅会导致通讯设备设计的体积变大，还增加了设计的成本，现场运用也不方便。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是针对uart通讯时通讯设备需单独供电的问题，提出一种带供电功能的有线uart通讯电路，只需两根通讯线即能进行主设备与通讯设备之间的通讯，还能为通讯设备提供电源，具有成本低且可靠性高等特点。
5.本实用新型的技术方案是：
6.本实用新型提供一种带供电功能的有线uart通讯电路，包括主设备以及通讯设备，其中，
7.所述主设备包括传输电源输入单元、主设备mcu控制单元、隔离单元、主设备电源与通讯信号控制单元；所述主设备mcu控制单元通过隔离单元连接至主设备电源与通讯信号控制单元，所述的传输电源输入单元的输出端连接至主设备电源与通讯信号控制单元的对应信号端；
8.所述通讯设备包括保护单元、通讯设备电源与通讯信号控制单元、传输电源输出单元和通讯设备mcu控制单元；所述的保护单元、传输电源输出单元和通讯设备mcu控制单元均与通讯设备电源与通讯信号控制单元相连；
9.所述主设备与通讯设备通过两根uart通讯线连接。
10.进一步地，所述的主设备的传输电源输入单元包括电阻r1
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r3，三极管q1，二极管d1和d2，所述的三极管q1为npn型三极管，电阻r1、 r3的一端与三极管q1的集电极连接，连接的节点连到主设备输出电源 vdd1；电阻r3的另一端与二极管d1的阳极连接到三极管q1的基级；电阻r1的另一端与电阻r2的一端连接接到三极管q1的发射极；二极管d1 的阴极与二极管d2的阳极串联，电阻r2的另一端与二极管d2的阴极相连作为传输电源输入单元的输出连接到通讯线la_out。
11.进一步地，所述主设备的隔离单元包括光耦u1和u2，用于实现主设备mcu控制单元和主设备电源与通讯信号控制单元的隔离。
12.进一步地，所述的主设备mcu控制单元包括主设备mcu、电阻r6 和r11，主设备mcu的uart接收信号端m_uart_rx连接光偶u1三极管侧的发射极，并通过下拉电阻r6连主设备mcu的地dgnd；光偶 u1三极管侧的集电极连接到主设备mcu的电源vcc1；主设备mcu发送信
号端m_uart_tx通过电阻r11连接光耦u2二极管侧的阴极，光耦u2 二极管侧的阳极连接主设备的mcu电源vcc1。
13.进一步地，所述的主设备电源与通讯信号控制单元包括二极管d3，稳压管d4，tvs管d5，三极管q2，可调三端稳压芯片u3和电阻r4、r5、 r7
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r10，所述的三极管q2为pnp型三极管；二极管d3的阳极连接到通讯线la_out；二极管d3的阴极连接到稳压管d4的阴极；稳压管d4的阳极通过电阻r5连接到光耦u1二极管侧的阳极；光耦u1二极管侧的阴极直接连接到中间地mgnd；三极管q2的发射极连接到通讯线la_out；三极管q2的基极连接到电阻r4与电阻r8的分压节点；电阻r4另一端连接到通讯线la_out，电阻r8另一端连接到可调三端稳压芯片u3的阴极；三极管q2的集电极通过电阻r9连接中间地mgnd；电阻r7与电阻r10 形成分压电路；分压节点连接可调三端稳压芯片u3的参考端，电阻r7的另一端接到通讯线la_out；电阻r10的另一端连接中间地mgnd；光耦 u2三极管侧的集电极连接可调三端稳压芯片u3的阳极；光耦u2三极管侧的发射极连接中间地mgnd；tvs管d5的阳极连接中间地mgnd；tvs 管d5的阴极连接通讯线la_out；通讯线lb_out连接中间地mgnd。
14.进一步地，所述通讯设备的保护单元包括tvs管d6和二极管d7
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d10，所述的tvs管d6为双向tvs管，两端分别接通讯线la_out与通讯线lb_out；二极管d7的阳极与二极管d9的阴极共同连接到通讯线la_out；二极管d8的阳极与二极管d10的阴极共同连接到通讯线lb_out；二极管d7的阴极与二极管d8的阴极共同连接到通讯线la_in，二极管d9的阳极与二极管d10的阳极共同连接到通讯线lb_in。
15.进一步地，所述的通讯设备电源与通讯信号控制单元包括二极管d12， tvs管d13，可调三端稳压芯片u5，光耦u4，三极管q3
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q5和电阻r12
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r19；所述的三极管q3、q5为pnp型三极管，三极管q4为npn型三极管；三极管q3的发射极连接通讯线la_in，三极管q3的集电极通过电阻r17连接通讯设备的地gnd，三极管q3的基极接电阻r13与电阻r16的分压节点；电阻r13另一端接通讯线la_in，电阻r16的另一端可调三端稳压芯片u5的阴极；可调三端稳压芯片u5的参考端接电阻r14与电阻r15的分压节点；电阻r14的另一端接通讯线la_in；电阻r15的另一端连接可调三端稳压芯片u5与三极管q4的集电极；三极管q4的发射极连通讯设备的地gnd；三极管q4的基极通过下拉电阻r18接通讯设备的地gnd，并通过电阻r19接三极管q5的集电极；三极管q5的发射极接通讯设备的 mcu电源vcc2；二极管d12的阳极接通讯线la_in；二极管d12的阴极接tvs管d13的阴极；tvs管d13的阳极通过电阻r12接光耦u4的二极管侧的阳极；光耦u4的二极管侧的阴极接通讯设备的地gnd；通讯线 lb_in接通讯设备的地gnd。
16.进一步地，所述通讯设备的传输电源输出单元包括二极管d11和电解电容e1，所述二极管d11的阳极连接通讯线la_in，二极管d11的阴极与电解电容e1的正极连接到供给通讯设备的电源vdd2，电解电容e1的负极连接通讯设备的地gnd。
17.进一步地，所述的通讯设备mcu控制单元包括通讯设备mcu和电阻 r20
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r22，通讯设备的mcu接收信号端c_uart_rx连接光耦u4三极管侧的发射极，并通过下拉电阻r22连到通讯设备的地gnd；光耦u4三极管侧的集电极连接通讯设备mcu的电源vcc2；通讯设备mcu的发送信号端c_uart_tx经过电阻r20连接到三极管q5的基极，并通过上拉电阻r21到通讯设备的mcu电源vcc2。
18.本实用新型的有益效果：
19.本实用新型的电路不仅实现了主设备与通讯设备之间的通讯，还可以通过通讯线为通讯设备进行供电，通讯设备无需额外的电源进行供电，用户使用方便，成本低且可靠性高
20.本实用新型的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
21.通过结合附图对本实用新型示例性实施方式进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本实用新型示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
22.图1是本实用新型的原理框图。
23.图2是本实用新型的电路图。
24.图3是本实用新型中主设备mcu的uart的发送高电平或者通讯设备mcu的uart的发送高电平时的仿真图。
25.图4是本实用新型中主设备mcu的uart的发送低电平时的仿真图。
26.图5是本实用新型中通讯设备mcu的uart的发送低电平时的仿真图。
具体实施方式
27.下面将参照附图更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。
28.本实用新型设计了一种带供电功能的有线uart通讯电路，主设备与通讯设备之间通过两根uart通讯线不仅实现了之设备与通讯设备之间的通讯，还实现了能量的传递，通讯设备与这设备之间两根uart通讯线的连接，无极性之分，可以随意连接，通讯设备无需额外的电源进行供电，就可以完成与主设备的通讯。
29.如图1所示，本实用新型提供一种带供电功能的有线uart通讯电路，包括主设备以及通讯设备，其中，
30.所述主设备包括传输电源输入单元、主设备mcu控制单元、隔离单元、主设备电源与通讯信号控制单元；所述主设备mcu控制单元通过隔离单元连接至主设备电源与通讯信号控制单元，所述的传输电源输入单元的输出端连接至主设备电源与通讯信号控制单元的对应信号端；
31.所述通讯设备包括保护单元、通讯设备电源与通讯信号控制单元、传输电源输出单元和通讯设备mcu控制单元；所述的保护单元、传输电源输出单元和通讯设备mcu控制单元均与通讯设备电源与通讯信号控制单元相连；所述主设备与通讯设备通过两根uart通讯线连接。
32.主设备与通讯设备之间通讯过程中共有3种通讯状态：
33.(1)主设备mcu作为发送状态，且发送信号为高电平，通讯设备为接收状态。该状态同通讯设备mcu作为发送状态，且发送信号为高电平，主设备为接收状态。主设备与通讯设备之间的uart为半双工通讯。主设备 mcu的发送信号m_uart_tx与通讯设备的发送信号c_uart_tx常态均为高电平，信号m_uart_tx通过电阻r11到达光耦u2的二极管侧的阴极为高
电平，光耦u2截止，可调三端稳压芯片u3就不能通过光耦u2 导通，电阻r4与电阻r8不能形成分压，三极管q2截止，通讯线la_out 的电压不能通过三极管q2被大功率负载电阻r9拉低，c_uart_tx通过电阻r20到达三极管q5基极为高电平，三极管q5不能通过三极管q4导通，进一步使得可调三端稳压芯片u5截止，电阻r13与电阻r16不能形成分压，三极管q3截止，通讯线la_in的电压不能通过三极管q3被大功率负载电阻r17拉低，主设备传输电源vdd1由于电阻r1和电阻r3的作用一直导通，二极管d1与二极管d2串联起来用于限制流过电阻r2的电流，vdd1通过三极管q1、电阻r2到通讯线la_out，此时通讯线la_out 的电压通过二极管d3、稳压管d4、电阻r5将光耦u1导通，主设备mcu 接收信号m_uart_rx为高电平，通讯线la_out的电压经过保护单元后到通讯线la_in的电压通过二极管d12、稳压管d13、电阻r12将光耦 u4导通，通讯设备mcu接收信号c_uart_rx为高电平。
34.(2)主设备端侧mcu作为发送状态，且发送信号m_uart_tx为低电平，通讯设备为接收状态，通讯设备发送信号c_uart_tx为高电平。信号m_uart_tx通过电阻r11到达光耦u2的二极管侧的阴极为低电平，光耦u2导通，可调三端稳压芯片u3通过光耦u2导通，电阻r4与电阻 r8形成分压，三极管q2导通，通讯线la_out的电压通过三极管q2被大功率负载电阻r9拉低，c_uart_tx通过电阻r20到达三极管q5基极为高电平，三极管q5不能通过三极管q4导通，进一步使得可调三端稳压芯片u5截止，电阻r13与电阻r16不能形成分压，三极管q3截止，通讯线la_in的电压不会通过三极管q3被大功率负载电阻r17拉低，分压电阻r7与电阻r8的电阻值决定了通讯线la_out与通讯线la_in的电压值，该状态下通讯线la_out的电压不能通过二极管d3、稳压管d4、电阻r5将光耦u1导通，主设备mcu接收m_uart_rx为低电平，通讯线 la_in的电压也不能通过二极管d12、稳压管d13、电阻r12将光耦u4 导通，光耦u4截止，通讯设备mcu接收信号c_uart_rx转换为低电平，实现了主设备mcu发送低电平时的传输。
35.(3)通讯设备mcu作为发送状态，且发送信号c_uart_tx为低电平，主设备为接收状态，主设备发送信号m_uart_tx为高电平。信号 c_uart_tx通过电阻r20到达三极管q5基极为低电平，三极管q5通过三极管q4导通，进一步使得可调三端稳压芯片u5导通，电阻r13与电阻 r16形成分压，三极管q3导通，通讯线la_in的电压通过三极管q3被大功率负载电阻r17拉低，信号m_uart_tx通过电阻r11到达光耦u2的二极管侧的阴极为高电平，光耦u2截止，可调三端稳压芯片u3通过光耦 u2截止，电阻r4与电阻r8不能形成分压，三极管q2截止，通讯线la_out 的电压不会通过三极管q2被大功率负载电阻r9拉低，但会被通讯设备侧的大负载拉低，分压电阻r14与电阻r15的电阻值决定了通讯线la_out 和通讯线la_in上的电压值，通讯线la_in的电压不能通过二极管d12、稳压管d13、电阻r12将光耦u4导通，光耦u4截止，通讯设备mcu的接收信号c_uart_rx转换为低电平，通讯线la_out上电压的不能通过二极管d3、稳压管d4、电阻r5将光耦u1导通，光耦u1截止，主设备 mcu的接收信号m_uart_rx转换为低电平，实现了通讯设备mcu发送低电平时的传输。
36.具体实施时：
37.图3所示为本实用新型中主设备mcu的uart的发送高电平和通讯设备mcu的uart的发送高电平时的仿真图。主设备mcu电源和通讯设备mcu电源均为3.3v，主设备传输电源为12v，主设备mcu的发送信号m_uart_tx与通讯设备的发送信号c_uart_tx用开关信号替代，常态均为高电平，光耦u2的二极管侧的阴极为高电平，光耦u2截止，可调三端稳压芯片u3就不能通过光耦u2导通，电阻r4与电阻r8不能形成分压，三极管q2截止，通讯线la_out的电压
不能通过三极管q2被大功率负载电阻r9拉低，c_uart_tx通过电阻r20到达三极管q5基极为高电平，三极管q5不能通过三极管q4导通，进一步使得可调三端稳压芯片u5截止，电阻r13与电阻r16不能形成分压，三极管q3截止，通讯线la_in 不会通过三极管q3被大功率负载电阻r17拉低，主设备传输电源vdd1 由于电阻r1和电阻r3的作用一直导通，二极管d1与二极管d2串联起来用于限制流过电阻r2的电流，vdd1通过三极管q1、电阻r2到通讯线 la_out的电压为10.9v，稳压管d4导通电压为7.5v，la_out电压通过二极管d3、稳压管d4、电阻r5将光耦u1导通，主设备mcu接收信号m_uart_rx为高电平，通讯线la_out的电压经过保护单元后到达通讯线la_in电压为10.2v，稳压管d13导通电压为6.8v，la_in电压可以通过二极管d12、稳压管d13、电阻r12将光耦u4导通，通讯设备mcu 接收信号c_uart_rx为高电平。
38.图4所示为本实用新型中主设备mcu的uart发送低电平时的仿真图。主设备mcu的发送信号m_uart_tx为低电平，通讯设备为接收状态，通讯设备发送信号c_uart_tx为高电平。信号m_uart_tx通过电阻r11到达光耦u2的二极管侧的阴极为低电平，光耦u2导通，可调三端稳压芯片u3通过光耦u2导通，电阻r4与电阻r8形成分压，三极管q2 导通，通讯线la_out的电压通过三极管q2被大功率负载电阻r9拉低， c_uart_tx通过电阻r20到达三极管q5基极为高电平，三极管q5不能通过三极管q4导通，进一步使得可调三端稳压芯片u5截止，电阻r13与电阻r16不能形成分压，三极管q3截止，通讯线la_in不能通过三极管 q3被大功率负载电阻r17拉低，分压电阻r7与电阻r8的电阻值决定了通讯线la_out与通讯线la_in的电压值，分别为7.5v和6.8v，该状态下通讯线la_out的电压不能通过二极管d3、稳压管d4、电阻r5将光耦u1导通，主设备mcu接收信号m_uart_rx为低电平，通讯线la_in 的电压也不能通过二极管d12、稳压管d13、电阻r12将光耦u4导通，光耦u4截止，通讯设备mcu接收c_uart_rx转换为低电平。
39.图5所示为本实用新型中通讯设备mcu的uart的发送低电平时的仿真图。通讯设备mcu的发送信号c_uart_tx为低电平，主设备为接收状态，主设备mcu的发送信号m_uart_tx为高电平。信号 c_uart_tx通过电阻r20到达三极管q5基极为低电平，三极管q5通过三极管q4导通，进一步使得可调三端稳压芯片u5导通，电阻r13与电阻 r16形成分压，三极管q3导通，通讯线la_in的电压通过三极管q3被大功率负载电阻r17拉低，信号m_uart_tx通过电阻r11到达光耦u2的二极管侧的阴极为高电平，光耦u2截止，可调三端稳压芯片u3通过光耦 u2截止，电阻r4与电阻r8不能形成分压，三极管q2截止，通讯线la_out 的电压不会通过三极管q2被大功率负载电阻r9拉低，但会通过通讯线 la_in的被大负载拉低，分压电阻r14与电阻r15的电阻值决定了通讯线 la_out与通讯线la_in的电压值，分别为7.5v和6.8v，通讯线la_in 的电压不能通过二极管d12、稳压管d13、电阻r12将光耦u4导通，光耦 u4截止，通讯设备mcu接收信号c_uart_rx转换为低电平，通讯线 la_out上电压的不能通过二极管d3、稳压管d4、电阻r5将光耦u1导通，光耦u1截止，主设备mcu接收信号m_uart_rx转换为低电平。
40.以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。