一种应用于工业通信的电平转换装置的制作方法

本实用新型涉及一种应用于工业通信的电平转换装置。

背景技术：

随着科学技术的发展和自动化水平的不断提高，PLC、机器人等在工业领域有着越来越广泛的应用；但目前工业领域大量使用的PLC、机器人许多来自国外的厂商，而国外厂商生产的产品又遵循着不同的标准；比如PLC分为欧标和美标，有的设备输出低电平有效，有的设备输出高电平有效，给不同的设备通讯带来了麻烦。

在工业通信过程中往往需要使用电平转换装置，针对于不同标准的设备，进行IO口的电平转换，进而保证设备之间的通讯正常和工作正常，但目前而言，一般电气工程师的做法是用继电器来实现端口电平的翻转；一组总线通讯就会使用大量继电器设备，给不富裕的机柜空间造成了浪费；并且继电器成本高昂，使用分散的继电器容易造成布线困难，增加设备故障率；再者，继电器的线圈也存在发热现象，既增加了整体功耗，也使得线圈易老化，降低了使用。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于工业通信的电平转换装置，在易于安装、体积小、功耗成本低同时，能够实现多路互不干扰，并提高电平转换效率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种应用于工业通信的电平转换装置，包括电源模块和电平翻转模块；所述电源模块包括电源输入电路和升压电路，电源输入电路外接工业电源，其输出端分别与升压电路和电平翻转模块连接；所述升压电路还与电平翻转模块连接；

所述电平翻转模块包括电平输入接线端子、电平输出接线端子和多路电平翻转电路；多路电平翻转电路通过电平输入端子接收电平信号，将电平信号翻转后通过电平输出接线端子进行输出。

进一步地，所述的电源输入电路包括电源输入接口、电源开关、供电端和指示灯电路；所述电源输入接口外接24V的工业电源，电源输入接口的输出端与电源开关连接，电源开关的输出端分别连接供电端和指示灯电路连接；供电端的输出分别与升压电路和电平翻转模块连接，为升压电路和电平翻转电路提供24V的VCC电源；所述指示灯电路包括发光二极管。

进一步地，所述的升压电路为24V转29V的电压转换电路，为电平翻转模块提供29V的VCC电源，该升压电路包括电压转换芯片MC33063A。

进一步地，所述的电平输入接线端子包括多个电平输入口，所述的电平输出接线端子包括多个电平输出口；电平输入口与电平输出口的数目相同且一一对应，每对电平输入口与电平输出口之间均设置有一路电平翻转电路。

其中，每一路所述的电平翻转电路均包括串并分压电路和翻转输出电路；所述电平输入口依次通过串并分压电路和翻转输出电路与对应的电平输出口连接；

所述串并分压电路包括电阻R4、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电容C3；所述电阻R4的第一端连接24V的VCC电源，电阻R4的第二端依次通过电阻R7、电阻R8和电阻R10接地；电平输入口与电阻R7和电阻R8的公共端连接；所述电阻R4和电阻R7的公共端以及电阻R8和电阻R10的公共端均连接到电容C3的第一端；电容C3的第二端接地；所述电容C3的第一端还与转换输出电路连接；

所述翻转输出电路包括第一运放U2A和第二运放U2B；第一运放U2A同相端连接8V的电源，第一运放U2A的反相端连接所述电容C3的第一端，第一运放U2A的输出端通过电阻R5连接到第一MOS管U1A的栅极；第二运放U2B的同相端连接所述电容C3的第一端，第二运放的反向端连接16V的电源，第二运放U2B的输出端通过电阻R9连接到第二MOS管U1B的栅极；

所述第一MOS管U1A的漏极与24V的VCC电源连接，第一MOS管U1A的源极与第二MOS管U1B的漏极连接，所述第二MOS管U1B的源极接地，且第一MOS管U1A源极与第二MOS管U1B的漏极的公共端连接到电平输出口。

所述的翻转输出电路还包括发光二极管D2和发光二极管D4，第一运放U2A与电阻R5的公共端通过电阻R6连接到发光二极管D2的正极，发光二极管D2的负极接地；第二运放U2B与电阻R9的公共端通过电阻R11连接到发光二极管D4的正极，发光二极管D4的负极接地；所述电阻R9与第二MOS管U1B的公共端通过电阻R12接地。

所述第一MOS管U1A的漏极与24V的VCC电源之间还设置有自恢复保险丝F1。

所述的翻转输出电路还包括续流二极管D1和续流二极管D3；第一MOS管U1A源极与续流二极管D1的正极连接，第一MOS管U1A漏极与续流二极管D1的负极连接；第二MOS管UIB的源极与续流二极管D3的正极连接，第二MOS管UIB的漏极与续流二极管D3的负极连接。

所述第一运放U2A和第二运放U2B均由升压电路提供的29V的VCC电源供电。

所述电平翻转电路还包括电位供给模块，该电位供给模块包括阻值相同的电阻R1、电阻R2和电阻R3，电阻R1的一端与24V的VCC电源连接，另一端依次通过电阻R2和电阻R3接地，电阻R1、R2的公共端作为16V的输出端，与第二运放U2B的反相端连接；电阻R2和R3的公共端作为8V的输出端，与第一运放U2A的同相端连接。

本实用新型的有益效果是：（1）能够代替继电器实现工业通信IO端口的电平转换，体积小、功耗成本低，易于安装。

（2）本申请包括多路电平翻转电路，每一路电平翻转电路都有对应的电平输入口和电平输出口，多路电平翻转电路之间能够同时工作互不影响，特别适合应用于工业通信过程具有多个IO端口需要进行电平转换的场景。

（3）设置有指示灯电路，能够显示电源的开关状态。

（4）电平翻转电路既能实现对高低电平的翻转，也能实现对高阻态的转换输出。

（5）电平翻转电路中，第一运放U2A与电阻R5的公共端通过电阻R6连接到发光二极管D2的正极，发光二极管D2的负极接地；第二运放U2B与电阻R9的公共端通过电阻R11连接到发光二极管D4的正极，发光二极管D4的负极接地；所述电阻R9与第二MOS管U1B的公共端通过电阻R12接地，通过发光二极管D2、D4指示能够确定各个电平翻转电路的工作状态。

（6）电平翻转电路中，第一MOS管U1A的漏极与24V的VCC电源之间还设置有自恢复保险丝F1，能够避免出现负载过流，电源倒灌等情况。

（7）电平翻转电路中，第一MOS管U1A源极与续流二极管D1的正极连接，第一MOS管U1A漏极与续流二极管D1的负极连接；第二MOS管UIB的源极与续流二极管D3的正极连接，第二MOS管UIB的漏极与续流二极管D3的负极连接；针对后级接入感性负载的情况，在突然断电的时候能产生一个泄放回路，对电平翻转电路具有保护作用。

附图说明

图1为本实用新型的原理框图；

图2为电源输入电路的原理框图；

图3为电平翻转电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种应用于工业通信的电平转换装置，包括电源模块和电平翻转模块；所述电源模块包括电源输入电路和升压电路，电源输入电路外接工业电源，其输出端分别与升压电路和电平翻转模块连接；所述升压电路还与电平翻转模块连接；

所述电平翻转模块包括电平输入接线端子、电平输出接线端子和多路电平翻转电路；多路电平翻转电路通过电平输入端子接收电平信号，将电平信号翻转后通过电平输出接线端子进行输出。

如图2所示，所述的电源输入电路包括电源输入接口、电源开关、供电端和指示灯电路；所述电源输入接口外接24V的工业电源，电源输入接口的输出端与电源开关连接，电源开关的输出端分别连接供电端和指示灯电路连接；供电端的输出分别与升压电路和电平翻转模块连接，为升压电路和电平翻转电路提供24V的VCC电源；所述指示灯电路包括发光二极管。

所述的升压电路为24V转29V的电压转换电路，为电平翻转模块提供29V的VCC电源，该升压电路包括电压转换芯片MC33063A。

所述的电平输入接线端子包括多个电平输入口，所述的电平输出接线端子包括多个电平输出口；电平输入口与电平输出口的数目相同且一一对应，每对电平输入口与电平输出口之间均设置有一路电平翻转电路（即电平翻转电路的路数也与电平输入口/电平输出口的数目相同，具体数量可以根据情况设置，如4路、8路、16路、32路等）。

如图3所示，每一路所述的电平翻转电路均包括串并分压电路和翻转输出电路；所述电平输入口依次通过串并分压电路和翻转输出电路与对应的电平输出口连接；

所述串并分压电路包括电阻R4、电阻R7、电阻R8、电阻R10和电容C3；所述电阻R4的第一端连接24V的VCC电源，电阻R4的第二端依次通过电阻R7、电阻R8和电阻R10接地；电平输入口与电阻R7和电阻R8的公共端连接；所述电阻R4和电阻R7的公共端以及电阻R8和电阻R10的公共端均连接到电容C3的第一端；电容C3的第二端接地；所述电容C3的第一端还与转换输出电路连接；

在本申请的实施例中，电阻R4为200K，电阻R7为100K，电阻R8为100K，电阻R10为200K（电阻R4、R7、R8、R10的阻值比为2:1:1:2），电容C3采用104电容（0.1uF）；根据电阻R4、R7、R8、R10的串并结构结合分压公式可知，当输入为24V高电平时，电容C3两端的电压为24*R10/ (1/(1/R4+1/R7+1/R8)+R10)=20V，当输入为0V的低电平时，电容C3两端的电压为24*1/(1/R10+1/R7+1/R8)/ (1/(1/R10+1/R7+1/R8)+R4)=4V；当输入为高阻态（浮空）时，C3两端的电压=24*R10/(R4+R10)=12V。

所述翻转输出电路包括第一运放U2A和第二运放U2B；第一运放U2A同相端连接8V的电源，第一运放U2A的反相端连接所述电容C3的第一端，第一运放U2A的输出端通过电阻R5连接到第一MOS管U1A的栅极；第二运放U2B的同相端连接所述电容C3的第一端，第二运放的反向端连接16V的电源，第二运放U2B的输出端通过电阻R9连接到第二MOS管U1B的栅极；

所述第一运放U2A和第二运放U2B均由升压电路提供的29V的VCC电源供电，在本申请的实施例中，第一运放U2A和第二运放U2B采用LM358来实现；LM358的1脚为第一运放U2A的输出端，2脚为第一运放U2A的反相端，3脚为第一运放U2A的同相端；5脚为第二运放U2B的同相端，6脚为第二运放U2B的反相端，7脚为第二运放U2B的输出端；8脚接29V的VCC电源，4脚接地；在LM358芯片8脚与29V的VCC电源之间还设置有接地电容C1（电容104, 0.1uF）。

所述第一MOS管U1A的漏极与24V的VCC电源连接，第一MOS管U1A的源极与第二MOS管U1B的漏极连接，所述第二MOS管U1B的源极接地，且第一MOS管U1A源极与第二MOS管U1B的漏极的公共端连接到电平输出口。所述的翻转输出电路还包括发光二极管D2和发光二极管D4，第一运放U2A与电阻R5的公共端通过电阻R6连接到发光二极管D2的正极，发光二极管D2的负极接地；第二运放U2B与电阻R9的公共端通过电阻R11连接到发光二极管D4的正极，发光二极管D4的负极接地；所述电阻R9与第二MOS管U1B的公共端通过电阻R12接地。在本申请的实施例中电阻R5、R6、R11、R12均为10K，电阻R9为20K；第二MOS管U1B和第一MOS管U1A可用包含两个MOS管的AO4828实现。

其中，第一运放U2A和第二运放U2B作为电压比较器使用，电压比较器的特点是当同相（+）端的电压大于反相（-）端的电压的时候，输出端输出高电平（电源正电压）。当同相（+）端的电压小于反相（-）端的电压的时候，输出端输出低电平（电源负电压）；在串并分压电路中已经将输入的高电平、低电平、高阻态分别对应到C3两端的电压20V、4V、12V上；因此当输入>16V（即输入为高电平，C3两端电压为20V），U2B的7脚输出高电平（此处为29V），发光二极管D4被点亮，U2A的1脚输出低电平(此处为0V)，MOS管U1B导通，U1A截止，此时输出端承受灌电流（输出低电平有效信号，实现了高电平到低电平的翻转）。当输入<8V（即输入为低电平，C3两端电压为4V）， U2B的7脚输出低电平（此处为0V），U2A的1脚输出高电平(此处为29V)，发光二极管D2被点亮，MOS管U1A导通，U1B截止，此时输出端承受拉电流（输出高电平有效信号，实现了低电平到高电平的翻转）。当输入信号>8V并且<16V时（即输入高阻态，C3两端电压为12V），U2A输出低电平，U2B输出低电平，MOS管U1A截止，U1B截止，此时输出端为高阻态（悬空，无电流，实现了高组态的转换输出）。

所述第一MOS管U1A的漏极与24V的VCC电源之间还设置有自恢复保险丝F1（24V，1.1A），避免出现负载过流，电源倒灌等情况。

所述的翻转输出电路还包括续流二极管D1和续流二极管D3；第一MOS管U1A源极与续流二极管D1的正极连接，第一MOS管U1A漏极与续流二极管D1的负极连接；第二MOS管UIB的源极与续流二极管D3的正极连接，第二MOS管UIB的漏极与续流二极管D3的负极连接；续流二极管D1、D3针对后级接入感性负载的情况，比如继电器、电磁阀等，在突然断电的时候能有一个泄放回路。

所述电平翻转电路还包括电位供给模块，该电位供给模块包括阻值相同的电阻R1、电阻R2和电阻R3，电阻R1的一端与24V的VCC电源连接，另一端依次通过电阻R2和电阻R3接地，电阻R1、R2的公共端作为16V的输出端，与第二运放U2B的反相端连接（LM358的6脚）；电阻R2和R3的公共端作为8V的输出端，与第一运放U2A的同相端（LM358的3脚）连接。基于电位供给模块，能够实现16V和8V电位的供给，不必再针对8V和16V电位提供电源，简化了电源结构和复杂度；而升压电路能够实现24V到29V的电源转换，为电平翻转模块提供29V的VCC电源，不必单独提供29V的电源；从而使得整个电平转换装置可以直接使用标准工业24V电源，电平转换更加方便简单。