專利名稱：非接觸式485總線數據在線監聽裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電路技術領域，涉及一種測試/故障診斷裝置，可用于對485總線數據 流的非接觸式在線監聽。
背景技術：
485總線是最常用的工業標準總線之一，被廣泛應用在工業自動化、分布式測控系 統、樓宇自動化、機電一體化設備、礦用設備等領域。在485總線系統測試/故障診斷過程中，現有的方法是采取第三方監聽的方法，即 采用一臺專門的計算機或串口記錄設備對總線上的數據進行監聽和記錄。通過對數據流的 分析判斷出數據誤碼、幀格式錯誤、響應超時等故障，從而對故障設備進行定位。現有的這 種監聽方法的連接方式由于采用直連式，監聽裝置與總線之間有電氣連接，因而存在以下 缺點首先，在測試過程中需要將監聽設備并聯在原有的485總線網絡中，出于安全性 考慮，在總線上并聯接入設備的操作一般需要在斷電后進行，將會造成系統的短暫停止工 作，這在很多工業現場是不允許的。其次，485總線設備的負載能力有限，在總線上接入額外的設備，會對信號質量造 成影響，從而可能在某些場合導致額外的誤碼。

發明內容
本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種非接觸式的485總線數據 在線監聽裝置，以消除監聽裝置與總線之間的電氣連接，實現在不停機的情況下對總線上 的數據進行安全監聽和記錄。為實現上述目的，本發明的非接觸式485總線數據在線監聽裝置，包括非接觸式探頭，用于感應被測數字信號附近的空間電場變化，從而耦合出總線上 的信號；兩個電荷放大器，分別與非接觸探頭的兩個輸出端連接，用于對耦合出的總線上 信號進行放大，輸出給減法器；減法器，用于獲得兩個電荷放大器差分數據線間電場的相對變化量，并分別在485 數據0/1跳變時刻輸出一個正向單脈沖，在1/0跳變時刻輸出一個負向單脈沖同時給正向 比較器和負向比較器；正向比較器，用于將減法器輸出信號中的正向單脈沖信號與設定的正門限電壓進 行比較，輸出一個與被測數據0/1跳變同時刻的TTL方波脈沖給R-S觸發器；負向比較器，用于將減法器輸出信號中的負向單脈沖信號與設定的負門限電壓進 行比較，輸出一個與被測數據1/0跳變同時刻的TTL方波脈沖給R-S觸發器；R-S觸發器，用于在 述的兩個比較器輸出TTL方波脈沖信號的觸發下，產生與被 測數據流一致的觸發信號，完成非接觸在線監聽功能。
所述的非接觸式探頭與電荷放大器之間，通過同軸電纜連接；該非接觸式探頭，包 括2塊耦合板、2塊玻璃絕緣板和2塊屏蔽板，玻璃絕緣板附于耦合板上，緊貼在被測電纜的 外皮上，與電纜無電氣接觸；耦合板固定在屏蔽板上，兩者之間絕緣；屏蔽板上設有485總 線，屏蔽板與同軸纜屏蔽層連接，耦合板分別與同軸纜芯線連接。所述的兩個電荷放大器由兩個運算放大器，反饋電阻和反饋電容組成；減法器由 運算放大器和外圍電阻組成；兩個電荷放大器分別通過外圍電阻與減法器的負端和正端連 接，構成差分式電荷放大器，以對非接觸式探頭輸出的微弱信號進行提取與放大。所述的正向比較器的輸出端與R-S觸發器的S端連接，負向比較器的輸出端與R-S 觸發器的R端連接；正向比較器的同向輸入端和負向比較器的反向輸入端同時與減法器的 輸出端連接。本發明具有如下優點1.由于采用了基于近場輻射的非接觸探頭，通過電場耦合原理隔著電纜絕緣外 皮獲取數據流，保證了整個監聽和測試過程中，無需斷開被測網絡、接入監聽設備等繁瑣過 程，操作簡單方便，可實現在線監聽；2.由于采用了上述電路結構，能夠從485總線兩條差分數據線的電磁輻射中提取 其中所包含的信息，保證了基于近場輻射的非接觸式測試方法可以應用于485總線的非接 觸檢測中。3.整個測試過程由于不存在電氣接觸，與被測試系統本質上隔離，所以保證了設 備安全，并且在不影響被測485網絡工作的前提下安全的進行監聽。下面結合附圖對本發明作進一步說明


圖1是本發明實施例原理示意框圖；圖2是本發明非接觸探頭結構示意框圖；圖3是本發明差分式電荷放大器的結構示意圖。
具體實施例方式參照圖1，本發明的485總線數據在線監聽裝置由被測485電纜101、非接觸探頭 102、電荷放大器103和104、減法器105、正向比較器106、負向比較器107和R-S觸發器108 構成。其中被測485電纜101由D+數據線、D-數據線兩條數據線組成，所傳輸的數據為兩條 數據線所傳信號的差分值。非接觸探頭102，結構如圖2，它由被測485電纜D+線芯線201、被測485電纜D+線 絕緣外皮202、被測485電纜D-線芯線203、被測485電纜D-線絕緣外皮204、屏蔽層205、 D+玻璃絕緣板206、D+線耦合板207、D-玻璃絕緣板208、D_線耦合板209和同軸纜210組 成；該D+線耦合板207和D-線耦合板209分別正對被測485電纜D+線芯線201和被測 485電纜D-線芯線203 ；玻璃絕緣板206和208附于耦合板上，緊貼在被測電纜的外皮202 和204上，與電纜無電氣接觸；玻璃的介電常數可達到4 7，可增強耦合電容的電容值；耦 合板207和209固定在屏蔽板205B上，兩者之間絕緣。
屏蔽層205與同軸纜210的屏蔽層連接；耦合板207和209分別與同軸纜芯線 210A和210B連接；非接觸式探頭102與電荷放大器103和104之間，通過同軸電纜210連接。電荷放大器103，104和減法器105的結構如圖3，電荷放大器203和204分別由 運算放大器303和304，反饋電阻Rfi、Rf2和反饋電容Cfi、Cf2組成；減法器205由運算放大 器305和外圍電阻禮、R2, R3、R4組成；由于485總線傳輸信號的速率不高，所以上述運算放 大器303，304和305均采用帶寬較窄的TL082，但不局限于此芯片；運算放大器303和304 分別通過外圍電阻禮、R2與運算放大器305的負端和正端連接，構成差分式電荷放大器，以 對非接觸式探頭輸出的微弱信號進行提取與放大。正向比較器106的輸出端與R-S觸發器108的S端連接，負向比較器107的輸出 端與R-S觸發器108的R端連接；正向比較器106的同向輸入端和負向比較器107的反向 輸入端同時與減法器105的輸出端連接；正向比較器106的反向輸入端連接正門限電壓，負 向比較器107的正向輸入端連接負門限電壓。該實施例的非接觸式在線監聽裝置工作原理如下待測485總線101上正在傳輸某數據流信號，利用兩個平板天線所構成的非接觸 式探頭102與兩根數據線之間構成耦合電容；其中485總線的D+線上的信號被探頭耦合送 入電荷放大器103，D-線上的信號被耦合送入電荷放大器104 ；從電荷放大器103、104輸出 的信號送入減法器105，取兩者信號的差值；在原始數據0/1跳變時刻減法器105將輸出一 個正向單脈沖，在原始數據1/0跳變時刻減法器105將輸出一個負向單脈沖。0/1跳變檢測的工作過程如下正向單脈沖通過比較器106與正門限電壓比較，得 到一個TTL高電平脈沖，其上升沿時刻與原始數據流的0/1跳變時刻相同；1/0跳變檢測的 工作過程如下負向單脈沖通過比較器107與負門限電壓比較，輸出一個TTL高電平脈沖， 其上升沿時刻與原始數據流的1/0跳變時刻相同。其中，正門限電壓，按如下公式設置Um = Um +廣‘丨'=。式中，Uni為485總線中D-線信號耦合到耦合板207所產生的串擾電壓，Utjl 11 = (1為 減法器105輸出信號的上升沿脈沖電壓的最大值，Uthl為正門限電壓。負門限電壓，按如下公式設置Uko = U ^+uQill=O
'h2 2式中，UN2為485總線中D+線信號耦合到耦合板209所產生的串擾電壓，U。211 = (1為 減法器105輸出信號的下降沿脈沖電壓的最大值，Uth2為負門限電壓。該組判決門限保證不會因串擾導致誤碼，同時留有最大的噪聲容限。由正向比較器106輸出的脈沖信號送入R-S觸發器108的S端；負向比較器107 輸出的脈沖信號送入R-S觸發器108的R端，最終從R-S觸發器108的Q端輸出的數據流 與原始數據流完全一致。恢復的信號輸送到后續的常規串口數據監聽系統中，如PC機或數據記錄儀器，完 成非接觸式的485總線在線監聽，本裝置所輸出的信號數據與被測總線上所傳輸的數據相同，完全可以直連入串口數據檢測設備上，能與傳統的測試系統兼容。 該實施例僅是對本發明的參考說明，并不構成對本發明內容的任何限制。
權利要求
一種非接觸式的485總線數據在線監聽裝置，其特征在于包括非接觸式探頭(102)，用于感應被測數字信號附近的空間電場變化，從而耦合出總線上的信號；電荷放大器(103、104)，分別與非接觸探頭(102)的兩個輸出端連接，用于對耦合出的總線上信號進行放大，輸入給減法器；減法器(105)，用于獲得兩個電荷放大器差分數據線間電場的相對變化量，并分別在485數據0/1跳變時刻輸出一個正向單脈沖，在1/0跳變時刻輸出一個負向單脈沖同時給正向比較器和負向比較器；正向比較器(106)，用于將減法器輸出信號中的正向單脈沖信號與設定的正門限電壓進行比較，輸出一個與被測數據0/1跳變同時刻的TTL方波脈沖給R S觸發器；負向比較器(107)，用于將減法器輸出信號中的負向單脈沖信號與設定的負門限電壓進行比較，輸出一個與被測數據1/0跳變同時刻的TTL方波脈沖給R S觸發器；R S觸發器(108)，用于在所述的兩個比較器輸出TTL方波脈沖信號的觸發下，產生與被測數據流一致的觸發信號，完成非接觸在線監聽功能。
2.根據權利要求1所述的在線監聽裝置，其特征在于非接觸式探頭(102)與電荷放大 器(103,104)之間，通過同軸電纜(210)連接。
3.根據權利要求1所述的在線監聽裝置，其特征在于非接觸式探頭(102)，包括2塊耦 合板(207，209)、2塊玻璃絕緣板(206，207)和2塊屏蔽板(205A, 205B)，玻璃絕緣板(206、 207)附于耦合板上，緊貼在被測電纜的外皮上，與電纜無電氣接觸；耦合板(207、209)固定 在屏蔽板(205B)上，兩者之間絕緣。
4.根據權利要求2或3所述的在線監聽裝置，其特征在于屏蔽板(205A)上設有485總 線，屏蔽板(205A，205B)與同軸纜(201)屏蔽層連接，耦合板(207，209)分別與同軸纜芯線 (210A，210B)連接。
5.根據權利要求1所述的在線監聽裝置，其特征在于電荷放大器(103，104)分別由運 算放大器(303)、(304)，反饋電阻Rfi、Rf2和反饋電容CF1、CF2組成；減法器(205)由運算放 大器(305)和外圍電阻Wj4組成；運算放大器(303)、(304)分別通過外圍電阻R1、 R2與運算放大器(305)的負端和正端連接，構成差分式電荷放大器，以對非接觸式探頭輸出 的微弱信號進行提取與放大。
6.根據權利要求1所述的在線監聽裝置，其特征在于正門限電壓，按如下公式設置r,+Ugj=OUm = 2式中，&為485總線中D-線信號耦合到耦合板(207)所產生的串擾電壓，UtJt = O為 減法器(105)輸出信號的上升沿脈沖電壓的最大值，Uthl為正門限電壓。
7.根據權利要求1所述的在線監聽裝置，其特征在于負門限電壓，按如下公式設置JJ _+^o2L=OU,h2 = 2式中，Un2為485總線中D+線信號耦合到耦合板(209)所產生的串擾電壓，U。2|t =。為 減法器(105)輸出信號的下降沿脈沖電壓的最大值，Uth2為負門限電壓。
8.根據權利要求1所述的在線監聽裝置，其特征在于正向比較器(106)的輸出端與R-S觸發器(108)的S端連接，負向比較器(107)的輸出端與R-S觸發器(108)的R端連接； 正向比較器(106)的同向輸入端和負向比較器(107)的反向輸入端同時與減法器(105)的輸出端連接。
全文摘要
本發明公開了一種非接觸式485總線數據在線監聽裝置，主要解決現有檢測裝置易干擾被測系統正常工作的問題。它由非接觸探頭(102)、電荷放大器(103、104)、減法器(105)、正向比較器(106)、負向比較器(107)和R-S觸發器(108)組成。其中電荷放大器(103、104)和減法器(105)構成差分式電荷放大器。該裝置利用電磁耦合原理耦合出485總線(101)的近場輻射信號，通過所述電路恢復出被測總線所傳輸的數據流，完成監聽過程。具有操作簡單，安全，無需停機，不影響系統的工作，可在線監聽的優點。可用于在分布式測控系統、自動控制系統、樓宇自動化等領域的系統測試、調試和故障診斷。
文檔編號H04L12/40GK101943901SQ20101025222
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月11日 優先權日2010年8月11日
發明者劉彥明, 李小平, 楊敏, 董慶寬, 謝楷 申請人:西安電子科技大學