一种用于智能阀门定位器的本安HART通讯系统的制作方法

一种用于智能阀门定位器的本安hart通讯系统
技术领域
1.本发明属于智能阀门定位器技术领域，尤其涉及一种用于智能阀门定位器的本安hart通讯系统。


背景技术：

2.目前多数智能阀门定位器采用变压器隔离耦合或电感线圈隔离耦合方式来隔离耦合hart信号，通讯收发也不分离，使智能阀门定位器进行hart通讯时存在通讯信号高损耗、失真大、抗干扰性低等缺点，特别是电路同时满足本安要求的情况下，电路性能有所下降，会影响hart通讯质量。现有技术中，采用变压器隔离耦合或电感线圈隔离耦合方式来隔离耦合hart信号，hart载波信号传输损耗较大、容易失真，并且也达不到本安防爆要求。导致变压器、电感隔离耦合效果不好。另外，hart通讯信号收发链路不分离，hart信号抗干扰性低，发送信号损耗较大易保真，影响智能阀门定位器hart通讯，导致通讯信号收发链路分离效果不好。此外，增加本安防爆器件设计后若电路不匹配，信号传输损耗会变大，电路性能有所下降，会影响hart通讯质量，满足本安要求后效果差。


技术实现要素：

3.本发明的技术目的是提供一种用于智能阀门定位器的本安hart通讯系统，以解决hart通讯时存在通讯信号高损耗、失真大、抗干扰性低、达不到本安防爆要求的技术问题。
4.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
5.一种用于智能阀门定位器的本安hart通讯系统，包括：本安输入输出模块、hart输入隔离模块、hart调制解调模块、cpu模块和hart输出耦合模块。本安输入输出模块用于接收外部输入的hart信号，用于保护电路以及对接收的hart通讯信号实现滤波和emc抑制。hart输入隔离模块用于从本安输入输出模块接收hart信号并分成两路输出，一路为供电电源，用于为本安hart通讯系统提供电力支持，另一路为分离hart信号。hart调制解调模块用于接收分离hart信号进行解调。cpu模块用于接收解调后的分离hart信号进行信号处理，并得到反馈信号送入hart调制解调模块进行调制。hart输出耦合模块用于接收调制后的反馈信号耦合至hart信号后经本安输入输出模块输出至外部。
6.具体地，本安输入输出模块包括保护电路和滤波emc抑制电路，保护电路的一端与外部电连接，保护电路的另一端与滤波emc抑制电路的一端电连接，滤波emc抑制电路的另一端分别与hart输入隔离模块和hart输出耦合模块电连接。
7.具体地，保护电路包括tvs管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管和保险丝。
8.tvs管的一端与第一二极管的正极电连接，第一二极管的负极与第二二极管的正极电连接，第二二极管的负极与第三二极管的正极电连接，第三二极管的负极与保险丝的一端电连接，保险丝的另一端分别与第四二极管的负极和第五二极管的负极电连接，tvs管的另一端分别与第四二极管的正极和第五二极管的正极电连接。
9.具体地，滤波emc抑制电路包括第一bl、第二bl、连接器、第一电容、第一电阻、第一电感和第二电感。
10.第一bl的一端分别与保险丝的另一端、第四二极管的负极和第五二极管的负极电连接，第一bl的另一端与连接器的第一连接端口电连接，第二bl的一端分别与tvs管的另一端、第四二极管的正极和第五二极管的正极电连接，第二bl的另一端与连接器的第二连接端口电连接，连接器的第二端口分别与第一电容的一端和第一电感的一端电连接，第一电感的另一端与hart输入隔离模块电连接，第一电容的另一端与第一电阻的一端电连接，第一电阻的另一端分别与连接器的第三连接端口和第二电感的一端电连接，第二电感的另一端与hart输出耦合模块的输出端电连接。
11.具体地，hart输入隔离模块包括第二电阻和dc
‑
dc变换器，第二电阻的一端分别与本安输入输出模块和hart调制解调模块电连接，第二电阻的另一端经dc
‑
dc变换器后输出3v的供电电源。
12.具体地，hart调制解调模块包括本安限能电路、信号滤波电路和hart调制解调器。本安限能电路的输入端与hart输入隔离模块的输出端电连接，信号滤波电路的输入端与本安限能电路的输出端电连接，信号滤波电路的输出端与hart调制解调器的输入端电连接。
13.具体地，本安限能电路包括第三电阻、第二电容、第一稳压管和第二稳压管，第三电阻的一端为本安限能电路的输入端，第三电阻的另一端与第二电容的一端电连接，第二电容的另一端为本安限能电路的输出端，且分别与第一稳压管和第二稳压管的负极电连接，第一稳压管和第二稳压管的正极均接地。
14.信号滤波电路包括第四电阻、第三电容和第四电容，第四电阻的一端为信号滤波电路的输入端，第四电阻的另一端分别与第三电容的一端和第四电容的一端电连接，第三电容的另一端为信号滤波电路的输出端，第四电容的另一端接地。
15.进一步优选地，还包括第一放大电路，第一放大电路设于第三电阻和第二电容之间，第一放大电路包括第五电容、第六电容、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第一运算放大器。
16.第五电容的一端与第三电阻连接，第五电容的另一端分别与第五电阻的一端、第六电阻的一端和第一运算放大器的同相输入端电连接，第五电阻的另一端分别与第六电容的一端和第一运算放大器的正电源端电连接，第六电容的另一端接地，第六电阻的另一端接地，第一运算放大器的反相输入端分别与第七电阻的一端和第八电阻的一端电连接，第七电阻的另一端接地，第八电阻的另一端分别与第一运算放大器的输出端和第九电阻的一端电连接，第九电阻的另一端与第二电容电连接。
17.具体地，hart输出耦合模块包括限流隔离电路和耦合电路。
18.限流隔离电路的输入端与hart调制解调模块的输出端电连接，限流隔离电路的输出端与耦合电路的输入端电连接，耦合电路的输出端与滤波emc抑制电路的输入端电连接。
19.限流隔离电路包括第七电容和第十电阻，第七电容的一端为限流隔离电路的输入端，第七电容的另一端与第十电阻的一端电连接，第十电阻的另一端为限流隔离电路的输出端。
20.耦合电路包括第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第三稳压管、第四稳压管和场效应管，耦合电路的输入端分别与第十一电阻的一端、第十二电阻的一端、第三稳压管的
负极、第四稳压管的负极以及场效应管的栅极电连接，第十一电阻的另一端、第三稳压管的正极、第四稳压管的正极均接地，第十二电阻的另一端与电源电连接，场效应管的漏极与第十三电阻的一端电连接，第十三电阻的另一端接地，场效应管的源极为耦合电路的输出端。
21.进一步优选地，第七电容和第十电阻之间还设置第二放大电路，第二放大电路包括第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第十七电阻、第八电容和第二运算放大器，第七电容的另一端分别与第十四电阻的一端、第十五电阻的一端和第二运算放大器的同相输入端电连接，第十四电阻的另一端连接电源，第十五电阻的另一端接地，第二运算放大器的反相输入端分别与第十六电阻的一端、第十七电阻的一端电连接，第十六电阻的另一端接地，第十七电阻的另一端分别与第二运算放大器的输出端和第八电容的一端电连接，第八电容的另一端与第十电阻的一端电连接。
22.本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
23.(1)本发明实现了通过应用场效应管的耦合电路替代目前智能阀门定位器所采用的变压器耦合电路，降低hart信号传输中的损耗；
24.(2)本发明实现了hart通讯收发分离，hart信号抗干扰性强，hart信号高保真，保障智能阀门定位器hart信号高质量通讯；
25.(3)本发明采用各类本安防爆器件设计及匹配电路替代传统智能阀门定位器hart电路，能满足智能阀门定位器在爆炸性环境下进行hart通讯；
26.(4)本发明预置了放大电路既可信号放大也有隔离作用，能满足智能阀门定位器超远距离的hart通讯。
附图说明
27.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
28.图1为本发明的一种用于智能阀门定位器的本安hart通讯系统的原理框图；
29.图2为本发明的本安输入输出模块和hart输入隔离模块的电路示意图；
30.图3为本发明的hart调制解调模块、cpu模块和hart输出耦合模块的电路示意图；
31.图4为本发明的第一放大电路的电路示意图；
32.图5为本发明的第二放大电路的电路示意图。
33.附图标记说明：
34.10：本安输入输出模块；20：hart输入隔离模块；30：cpu模块；40：hart调制解调模块；50：hart输出耦合模块。
具体实施方式
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
36.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
37.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于智能阀门定位器的本安hart通讯系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
38.实施例
39.参看图1，本实施例提供一种用于智能阀门定位器的本安hart通讯系统，由本安输入输出模块10、hart输入隔离模块20、hart调制解调模块40、cpu模块30和hart输出耦合模块50等模块组成。本实施例中，采用高品质hart调制解调芯片及hart通讯收发分离、场效应管、添加各类本安防爆匹配器件等设计方式，以此解决了目前智能阀门定位器hart通讯时信号高损耗、失真大、抗干扰性低、达不到本安防爆要求等问题。
40.现从整体信号走向进行说明，在本实施例中，外部将hart通讯器的信号叠加在4ma～20ma的hart信号后经过本安输入输出模块10输入，本安输入输出模块10会接收hart信号，起到对后续电路进行保护，此外还对接收的hart信号进行滤波和emc抑制。叠加的hart信号输入至hart输入隔离模块20后被分离成两路后输出，其中，一路作为供电电源，用于为本实施例提供电力支持，另一路则输出分离hart信号。分离hart信号输入至hart调制解调模块40，hart调制解调模块40对分离hart信号进行解调。cpu模块30与hart调制解调模块40能够双向传递信号，cpu模块30会对解调后的分离hart信号进行相对应的信号处理，从而获取反馈信号并送回至hart调制解调模块40再次进行调制。后续，hart输出耦合模块50会接收调制后的反馈信号进行耦合，将反馈信号耦合至4ma～20ma后经本安输入输出模块10输出至外部。
41.现对本实施例中的各个模块进行说明：
42.首先，参看图2，在本实施例中，本安输入输出模块10可以分为两块电路，分别为保护电路和滤波emc抑制电路。对于从外部输入hart信号依次经过保护电路和滤波emc抑制电路后输入至hart输入隔离模块20，对于向外输出的hart信号则依次经过滤波emc抑制电路和保护电路后输出至外部。外部输入的信号为(4～20)ma和hart信号叠加后的。
43.具体地，保护电路包括tvs管tvs1、第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5和保险丝f1。其中，tvs管的型号为smbj36ca起到过压保护作用，第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5均为肖特基二极管，设置上述多个肖特基二极管主要是为了匹配其他外部输入的本安设备以及电源方向保护，保险丝f1则起到限流作用。输入叠加的hart信号会依次经过串联设置的第一二极管d1、第二二极管d2、第三二极管d3和保险丝f1进入滤波emc抑制电路，而从滤波emc抑制电路输入叠加后的反馈信号则会进入保护电路后直接输出。叠加的hart信号均从第一二极管d1、第二二极管d2和第三二极管d3的正极输入负极输出。tvs管tvs1、第四二极管d4和第五二极管d5之间为并联设置。其中，tvs管tvs1的一端与第一二极管d1的正极电连接，即与保护电路的输入端直接连接，第一二极管d1的另一端则分别与保护电路的输出端、第四二极管d4的正极、第五二极管d5的正极相电连接，第四二极管d4的负极、第五二极管d5的负极则
与保险丝f1相连接。
44.参看图2，滤波emc抑制电路包括第一bl1、第二bl2、连接器l3、第一电容c1、第一电阻r1、第一电感l1和第二电感l2。从保护电路输入叠加的hart信号会依次经过第一bl1、连接器l3和第一电感l1后从滤波emc抑制电路输出。从hart输出耦合模块50输入的叠加后的反馈信号则会依次经过第二电感l2、连接器l3和第二bl2进入保护电路。与连接器l3共有4条线路连接，4条线路分别连接第一bl1、第二bl2、第一电感l1和第二电感l2，连接第一电感l1的线路还与第一电容c1电连接，连接第二电感l2的线路还与第一电阻r1电连接，第一电容c1与第一电阻r1之间为串联设置。
45.参看图2，在本实施例中，hart输入隔离模块20包括第二电阻r2和dc
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dc变换器，第二电阻r2起到隔离作用。从第一电感l1输入的叠加的hart信号会在经过第二电阻r2前分成两路，其中一路依次经过第二电阻r2和dc
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dc变换器输出3v直流电，为本实施例提供电力支持，另一路则将hart信号输入hart调制解调模块40。
46.参看图3，hart调制解调模块40可看作和hart调制解调器所组成。正如前文所述，在本实施例中，hart调制解调器采用高品质hart调制解调芯片。输入的hart信号依次经过本安限能电路和信号滤波电路后进入hart调制解调器。
47.参看图3，本安限能电路包括第三电阻r3、第二电容c2、第一稳压管z1和第二稳压管z2。hart信号依次经过串联设置的第三电阻r3和第二电容c2后进入信号滤波电路，第一稳压管z1和第二稳压管z2之间并联设置且与第二电容c2同样并联设置。第一稳压管z1的负极和第二稳压管z2的负极与第二电容电连接，第一稳压管z1的正极和第二稳压管z2的正极则均接地。
48.参看图3，信号滤波电路包括第四电阻r4、第三电容c3和第四电容c4。hart信号会依次经过第四电阻r4和第三电容c3进入hart调制解调器。第四电容c4设置于第四电阻r4和第三电容c3之间，且与第三电容c3并联设置，第四电容c4的一端分别与第三电容c3和第四电阻r4电连接，其另一端接地。
49.较优地，参看图4，本安限能电路内还包括第一放大电路，第一放大电路设于第三电阻r3和第二电容c2之间，第一放大电路包括第五电容c5、第六电容c6、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9和第一运算放大器u1。该第一放大电路即可实现信号放大同时具有隔离作用，其中，第五电阻r5和第六电阻r6为偏置电阻，第七电阻r7和第八电阻r8为放大反馈电阻，放大倍数为1 r8/r7，只需调整第七电阻r7和第八电阻r8的大小即可调整hart信号的幅度。hart信号首先进入第五电容c5，然后进入第一运算放大器u1的同相输入端，第六电阻r6与第五电阻r5并联设置且都与第五电容的输出端电连接。第一运算放大器u1的正电源端连接3v电源，电源电流还会分别经过第五电阻r5，以及经过第六电容后接地。第一运算放大器u1的反相输入端与并联设置的第七电阻r7和第八电阻r8电连接，第七电阻r7的另一端接地，第八电阻r8的另一端则分别与第一运算放大器u1的输出端和第九电阻r9的一端电连接，第九电阻r9的另一端与第二电容c2电连接，输出放大后的hart信号。
50.hart调制解调器的hart调制解调芯片及其外围电路则不具体展开说明。hart调制解调器将解调出的数据信号经uart通讯口hart
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rxd到cpu模块30进行数据处理，cpu模块30数据处理后将有关数据通过hart通讯口hart
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txd反馈回给hart调制解调模块40进行调制，
即可获得调制后的反馈信号。反馈信号实际为hart信号，命名为反馈信号为了与输入信号进行区分。
51.参看图3，hart输出耦合模块50包括限流隔离电路和耦合电路。调制后的反馈信号依次经过限流隔离电路和耦合电路后被送入本安输入输出模块10，以此输出信号。
52.参看图3，限流隔离电路包括串联设置的第七电容c7和第十电阻r10，起到限流隔离的作用，反馈信号依次经第七电容c7和第十电阻r10后进入耦合电路。
53.参看图3，耦合电路包括第十一电阻r11、第十二电阻r12、第十三电阻r13、第三稳压管z3、第四稳压管z4和场效应管q1。第三稳压管z3、第四稳压管z4起到过压保护作用，第十一电阻r11、第十二电阻r12为偏置电阻，场效应管q1将反馈信号耦合到(4～20)ma信号后输出。第十一电阻r11、第十二电阻r12、第三稳压管z3、第四稳压管z4和场效应管q1五者之间为并联设置。第十一电阻r11的一端、第十二电阻r12的一端、第三稳压管z3的负极、第四稳压管z4负极以及场效应管q1的栅极电连接，并且与反馈信号经过的线路相关联。第十一电阻r11的另一端、第三稳压管z3的正极、第四稳压管z4的正极均接地，第十二电阻r12的另一端与电源电连接。场效应管q1的漏极与第十三电阻r13的一端电连接，第十三电阻r13的另一端接地，场效应管q1的源极为耦合电路的输出端。
54.较优秀地，参看图5，第七电容c7和第十电阻r10之间还串联设置第二放大电路，第二放大电路包括第十四电阻r14、第十五电阻r15、第十六电阻r16、第十七电阻r17、第八电容c8和第二运算放大器u2。与第一放大电路相类似，第十四电阻r14和第十五电阻r15为偏置电阻，第十六电阻r16和第十七电阻r17为放大反馈电阻。反馈信号从第七电容c7进入后，经并联设置的第十四电阻r14、第十五电阻r15偏置后进入第二运算放大器u2的同相输入端。第二运算放大器u2的反相输入端分别与并联设置的第十六电阻r16、第十七电阻r17电连接，第十六电阻r16的另一端接地，第十七电阻r17的另一端则与第二运算放大器u2的输出端以及第八电容c8的一端电连接，第八电容c8的另一端连接着第十电阻r10。
55.上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。