一种用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路的制作方法

本实用新型属于通信技术领域，尤其涉及一种用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路。

背景技术：

zigbee是一种低速短距离传输的无线网上协议，适用于传输范围短、数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间，在基于zigbee构建的控制系统中，往往可以通过一个主控制器实现与多个从控制器之间的信息传输。以lamost望远镜为例，lamost望远镜在焦面板上放置有四千根光纤，在观测过程中，需要根据观测需求调整每一根光纤的位置来采集遥远天体的光谱，为此，lamost望远镜的每一根光纤都是由一个光纤定位单元驱动两台步进电机进行移动的。

在对每一根光纤的实际控制中，大都由直流电源通过直流电力线向各光纤的光纤驱动单元以及步进电机提供驱动电源，同时，由主控制器基于zigbee无线网络向各个作为从控制器的光纤驱动单元传输控制信号。

然而，在实际应用中，使用zigbee无线网络进行lamost望远镜光纤定位单元控制信号的传输，有时会出现控制信号传输不稳定，甚至传输失败的情况，因此，如何提供一种更为稳定的通信方式，确保控制信号的可靠传输，成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路，替代现有技术中使用的无线网络，基于直流电力线实现控制信号的传输，提高控制信号传输的稳定性，确保控制信号的可靠传输，具体方案如下：

本实用新型提供的用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路，包括：主节点耦合电路和至少一个从节点分离电路，且一所述从节点分离电路对应一从控制器，其中，

所述主节点耦合电路包括直流输入端、复合输出端，以及指令接收端，所述直流输入端与直流电源相连，所述复合输出端与直流电力线的一端相连，所述指令接收端与主控制器相连；

所述从节点分离电路包括复合输入端、指令输出端，以及直流输出端，所述复合输入端与所述直流电力线的另一端相连，所述指令输出端与相应的从控制器相连，所述直流输出端与相应的负载相连；

所述主节点耦合电路用于将所述主控制器输出的控制信号与所述直流电源输出的直流电压耦合，并将耦合后的控制信号经所述直流电力线输出至各所述从节点分离电路；

所述从节点分离电路用于分离所述耦合后的控制信号，并将分离得到的所述控制信号经所述指令输出端输出至相应的从控制器，以及，将分离后得到的直流电压经所述直流输出端输出至相应的负载。

可选的，所述主节点耦合电路包括：反向放大电路和至少一个耦合电路，其中，

所述反向放大电路的第一输入端作为所述主节点耦合电路的指令接收端，所述反向放大电路的第二输入端与所述直流电源相连，所述反向放大电路的输出端与所述耦合电路的第一输入端相连；

所述耦合电路的第二输入端作为所述主节点耦合电路的直流输入端，所述耦合电路的输出端作为所述主节点耦合电路的复合输出端。

可选的，所述反向放大电路包括：第一分压电阻、第二分压电阻、限流电阻，以及第一开关管，其中，

所述第一分压电阻的一端作为所述反向放大电路的第一输入端，所述第一分压电阻的另一端与所述第二分压电阻的一端相连；

所述第二分压电阻的另一端接地；

所述限流电阻的一端作为所述反向放大电路的第二输入端，所述限流电阻的另一端与所述第一开关管的第一端相连；

所述第一开关管的控制端与所述第一分压电阻和所述第二分压电阻的串联连接点相连，所述第一开关管的第二端接地；

所述限流电阻与所述第一开关管的串联连接点作为所述反向放大电路的输出端。

可选的，所述耦合电路包括：泄流电阻和第二开关管，其中，

所述泄流电阻的一端与所述第二开关管的控制端相连，所述泄流电阻的另一端与所述第二开关管的第一端相连；

所述第二开关管的控制端作为所述耦合电路的第一输入端，所述第二开关管的第一端作为所述耦合电路的第二输入端，所述第二开关管的第二端作为所述耦合电路的输出端。

可选的，所述从节点分离电路包括：分离电路和直流恢复电路，其中，

所述分离电路的输入端和所述直流恢复电路的输入端的连接点作为所述从节点分离电路的复合输入端；

所述分离电路的输出端作为所述从节点分离电路的指令输出端；

所述直流恢复电路的输出端作为所述从节点分离电路的直流输出端。

可选的，所述分离电路包括：第一分离电阻和第二分离电阻，其中，

所述第一分离电阻的一端作为所述分离电路的输入端，所述第一分离电阻的另一端经所述第二分离电阻接地；

所述第一分离电阻和所述第二分离电阻的串联连接点作为所述分离电路的输出端。

可选的，所述直流恢复电路包括：第一二极管和多个电容，其中，

各所述电容并联连接，形成并联支路；

所述第一二极管的一端作为所述直流恢复电路的输入端，所述第一二极管的另一端经所述并联支路接地；

所述第一二极管与所述并联支路的串联连接点作为所述直流恢复电路的输出端。

可选的，所述从节点分离电路还包括：设置于所述复合输入端与所述分离电路的输入端和所述直流恢复电路的输入端的连接点之间的第二二极管。

可选的，所述从节点分离电路还包括：设置于所述复合输入端与所述第二二极管之间的开关和保险丝，且所述开关和所述保险丝串联连接。

可选的，所述从节点分离电路为所述从控制器提供电源。

基于上述内容，本实用新型提供的用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路包括主节点耦合电路和至少一个从节点分离电路，且从节点分离电路与从控制器一一对应设置，主控制器发出控制信号至主节点耦合电路，主节点耦合电路将主控制器发出的控制信号与直流电源输出的直流电压进行耦合，得到耦合后的控制信号，并通过直流电力线传输所得耦合后的控制信号，各从节点分离电路经直流电力线接收耦合后的控制信号后，对耦合后的控制信号进行分离，分别得到主控制器发送的控制信号和直流电源输出的直流电压，并将分离后得到的控制信号输出至相应的从控制器，同时，将分离后的直流电压输出至相应的负载。通过本实用新型提供的用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路，可以替代现有技术中使用的无线传输网络，基于直流电力线实现控制信号的传输，有效提高控制信号传输的稳定性，确保控制信号的可靠传输。

进一步，由于控制信号的传输是基于直流电力线实现的，与无线传输方式相比，不会产生额外的电磁干扰，因此，同样适用于其他对于电磁环境要求严格的应用场景，适用范围更广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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。

图1是本实用新型实施例提供的一种用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路的应用场景示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种主节点耦合电路的电路拓扑图；

图3是本实用新型实施例中控制信号波形变化过程示意图；

图4是本实用新型实施例提供的另一种主节点耦合电路的电路拓扑图；

图5是本实用新型实施例提供的一种从节点分离电路的电路拓扑图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

可选的，参见图1，图1是本实用新型实施例提供的一种用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路的应用场景示意图，图1中示出本实用新型实施例提供的用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路在进行控制信号传递时与直流输电线路、主控制器、从控制器，以及负载之间的连接关系。具体的，本实用新型实施例提供的用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路包括：主节点耦合电路10和至少一个从节点分离电路20(图1中以从节点分离电路1、从节点分离电路2，以及从节点分离电路n示出)，其中，

主节点耦合电路10包括直流输入端、复合输出端，以及指令接收端，在图1所示应用场景中，主节点耦合电路10的直流输入端与直流电源30的输出端相连，主节点耦合电路10的复合输出端与直流电力线70的一端相连，即主节点耦合电路10串接于直流电源30与直流电力线70之间，直流电源30输出的电能在经过主节点耦合电路10后，通过直流电力线70实现电能的传输。进一步的，主节点耦合电路10的指令接收端与主控制器40相连，以接收主控制器40输出的控制信号。

基于上述连接关系，主节点耦合电路10将主控制器40输出的控制信号与直流电源30输出的直流电压耦合，得到耦合后的控制信号，然后将耦合后的控制信号经直流电力线70进行传输。

从节点分离电路20包括复合输入端、指令输出端，以及直流输出端。在具体使用中，从节点分离电路20的复合输入端与直流电力线70的另一端相连，通过直流电力线70接收主节点耦合电路10由复合输出端输出的耦合后的控制信号；从节点分离电路20的指令输出端与相应的从控制器50相连，相应的，从节点分离电路20的直流输出端与相应的负载60相连。

基于上述从节点分离电路20与直流电力线70、从控制器50、以及负载60之间的连接关系可以看出，本实用新型实施例提供的从节点分离电路20用于分离从直流电力线70接收的耦合后的控制信号，分离得到原来由主控制器40发送的控制信号，并将该控制信号经指令输出端输出至相应的从控制器50。从控制器50在接收到主控制器40发送的控制信号后，根据控制信号的具体内容，对相应的负载60或者其他受从控制器50控制的被控对象的工作过程进行控制，完成控制信息基于直流电力线的传输过程；同时，由于主节点耦合电路10在将控制信号和直流电压进行耦合时，改变了直流电压的波形，因此，还需要在直流电压介入具体负载前，对直流电压进行还原，即从节点分离电路20还用于将分离后得到的直流电压经直流输出端输出至相应的负载60，确保负载60的正常供电。

在具体应用中，从节点分离电路20的数量需要根据负载60的数量以及从控制器50的数量设置，当包括有多个从节点分离电路20时，各从节点分离电路20的复合输入端并联于直流电力线70的另一端。并且，在大多数情况下，从节点分离电路20与从控制器50是一一对应设置的，即一个从节点分离电路20对应连接一个从控制器50。可选的，为了提高负载60的供电稳定性，也可以将从节点分离电路20与负载60进行一对一设置，即一个从节点分离电路20只为一个负载60供电。当然，通过设置从节点分离电路20和所连接负载60的功率关系，也可以实现一个从节点分离电路20同时为一个以上的负载60供电，本实用新型对于与从节点分离电路20相连的负载的数量不做具体限定。

在应用于前述lamost望远镜中各个光纤的控制时，本实用新型实施例中述及的从控制器即可以是各个光线驱动单元，而从节点分离电路的直流输出端则直接与步进电机的驱动芯片相连，进一步由驱动芯片驱动步进电机动作。

综上所述，本实用新型实施例提供的用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路，主节点耦合电路将主控制器的控制信号与直流电力线上的直流电压进行耦合，通过直流电力线传输耦合后的控制信号，各个连接与直流电力线下游的从节点分离电路对接收得到的耦合后的控制信号进行分离，得到原来有主控制器发送的控制信号，同时，将直流电压的波形恢复为直流电源输出的电压波形，即在实现基于直流电力线进行控制信号传递的同时，不影响直流电能的正常传输和使用。因此，通过本实用新型实施例提供的用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路，可以替代现有技术中使用的无线传输网络，基于直流电力线实现控制信号的传输，有效提高控制信号传输的稳定性。

进一步，由于控制信号的传输是基于直流电力线实现的，与无线传输方式相比，不会产生额外的电磁干扰，因此，同样适用于其他对于电磁环境要求严格的应用场景，适用范围更广。

可选的，本实用新型实施例给出主节点耦合电路的可选构建方式。具体的，参见图2，图2是本实用新型实施例提供的一种主节点耦合电路的电路拓扑图，本实用新型实施例给出的主节点耦合电路包括：反向放大电路和至少一个耦合电路(图中示出一个)，其中，

反向放大电路的第一输入端作为主节点耦合电路的指令接收端，与主控制器相连，反向放大电路的第二输入端与直流电源相连，反向放大电路的输出端与耦合电路的第一输入端相连，根据第一输入端接收的控制信号的不同，配合第二输入端接收的直流电源的直流电压，对输出至耦合电路的第一输入端的电平进行调节。

具体的，在图2所示实施例中，反向放大电路具体包括第一分压电阻r1、第二分压电阻r2、限流电阻r3，以及第一开关管q1，其中，

第一分压电阻r1的一端作为反向放大电路的第一输入端，与主控制器相连(在图2所示实施例中，以master-tx示出主控制器的具体连接引脚)，第一分压电阻r1的另一端与第二分压电阻r2的一端相连，即第一分压电阻r1和第二分压电阻r2呈串联关系，且第二分压电阻r2的另一端接地。

限流电阻r3的一端作为反向放大电路的第二输入端，与直流电源vin相连，限流电阻r3的另一端与第一开关管q1的第一端相连。可选的，本实用新型实施例中第一开关管q1选用nmos管，第一开关管q1的漏极经限流电阻r3与直流电源vin相连。限流电阻r3主要用于调节输出至耦合电路的电流值，具体可以选用直流电源电压vin/r3计算得到，在直流电源电压一定的情况下，改变泄流电阻r3的阻值，即可实现对输出至耦合电路的电流值的调整。

进一步的，第一开关管q1的控制端与第一分压电阻r1和第二分压电阻r2的串联连接点相连，第一开关管q1的第二端接地。在本实用新型实施例中，第一开关管q1的源极接地。根据图2所示的连接关系可知，主控制器引脚master-tx输出电平的不同，将使得第一开关管q1的控制端得到不同的分压后的电压值，进而可以实现对第一开关管q1导通状态的控制。

限流电阻r3与第一开关管q1的串联连接点作为反向放大电路的输出端，与耦合电路的输入端相连。

如前所述，耦合电路的第一输入端与反向放大电路的输出端相连，耦合电路的第二输入端作为主节点耦合电路的直流输入端，与直流电源相连，同时，耦合电路的输出端作为主节点耦合电路的复合输出端与直流电力线相连，在图2中还示出主节点耦合电路最终的输出为vlout。

具体的，在图2所示实施例中，耦合电路具体包括泄流电阻r4和第二开关管q2，其中，

泄流电阻r4的一端与第二开关管q2的控制端相连，泄流电阻r4的另一端与第二开关管q2的第一端相连。第二开关管q2选用pmos管实现，此种情况下，泄流电阻r4即并联于第二开关管q2源极与栅极之间。泄流电阻r4主要用于提升pmos管的关断特性，改善信号的下降沿，确保第二开关管q2的开关速度。

进一步的，第二开关管q2的控制端，即栅极，作为耦合电路的第一输入端与反向放大电路的输出端相连，第二开关管q2的第一端作为耦合电路的第二输入端与直流电源vin相连，在选用pmos管时，第二开关管q2的源极与直流电源相连，第二开关管q2的第二端，如pmos管的漏极，作为耦合电路的输出端，即作为主节点耦合电路的输出端vlout与直流电力线相连。

下面结合图2所示示例，对本实用新型实施例提供的主节点耦合电路的工作过程进行阐述：

假定直流电源vin的直流电压值为12v，主控制器输出的控制信号是按照预设的规则，由高低电平组成的脉冲信号表示的，且脉冲信号中低电平为0v，高电平为3.3v。

当主控制器的控制信号输出端输出的控制信号为低电平0v时，第一分压电阻r1和第二分压电阻r2的串联连接点的电压为0v，第一开关管q1处于关断状态，方向放大电路的输出电压为直流电源的电源电压12v，此时，第二开关管q2(pmos管)栅极与源极之间的电压vgs＝0v,则第二开关管q2为断开状态，主节点耦合电路的最终输出为低电平0v。

相应的，当主控制器的控制信号输出端输出的控制信号为高电平3.3v时，第一分压电阻r1和第二分压电阻r2的串联连接点存在按照预设分压比例分压后的电压值，第一开关管q1将处于导通状态，直流电源经限流电阻r3，和第一开关管q1接地。由于第一开关管q1处于导通状态时自身电阻值很低低，耦合电路的第一输入端，即第二开关管q2的栅极的输入电压可以认为是0v，第二开关管q2栅极与源极之间的电压vgs＝-vin，此种情况下，第二开关管q2为导通状态，主节点耦合电路的最终输出电压为高电平12v。

通过上述内容可知，反向放大电路和耦合电路相配合，将主控制器发送的控制信号与直流电源输出的直流电压相耦合，进而实现通过直流电力线传输控制信号，同时，还可以对主控制器输出的控制信号进行放大。

可选的，参见图3，图3是本实用新型实施例中控制信号波形变化过程示意图，如图3所示，控制器输出的控制信号由0v的低电平和3.3v的高电平组成，经过放大之后得到的耦合后的控制信号，则变为由0v低电平和12v高电平组成的。

进一步的，由直流电源输出负载电流，使得主控制器可以同时控制数十个从控制器，并同时为数十个负载供电，大大提高带载能力。

可选的，为了进一步增大主节点耦合电路的传输能力，主节点耦合电路中的耦合电路还可设置多个，如图4所示，在图4所示实施例中给出的主节点耦合电路中包括两个耦合电路，这两个耦合电路的电路结构完全相同，呈并联关系，此处不再对图4中示出的另一个耦合电路的连接关系进行阐述，具体可参照上述内容实现。

可选的，本实用新型实施例还给出从节点分离电路的可选构建方式。具体的，参见图5，图5是本实用新型实施例提供的一种从节点分离电路的电路拓扑图，本实用新型实施例给出的从节点分离电路包括：分离电路和直流恢复电路，其中，

分离电路的输入端和直流恢复电路的输入端相连，并且分离电路的输入端和直流恢复电路的输入端的连接点作为从节点分离电路的复合输入端与直流电力线相连，进一步的，分离电路的输出端作为从节点分离电路的指令输出端，与相应的从控制器相连，向相应的从控制器输出分离后得到的控制信号，可以想到的是，此种情况下从控制器所接收到的控制信号与主控制器发出的控制信号是完全一致，基于直流电力线的传输过程，不会对控制信号产生任何影响，控制信息可以安全、有效的实现传输。

直流恢复电路的输出端作为从节点分离电路的直流输出端，与相应的负载连接，为负载供电。

具体的，在图5所示实施例中，分离电路具体包括：第一分离电阻r5和第二分离电阻r6。第一分离电阻r5的一端作为分离电路的输入端，与直流恢复电路的输入端相连，即与直流电力线相连；第一分离电阻r5的另一端经第二分离电阻r6接地。第一分离电阻r5和第二分离电阻r6的串联连接点作为分离电路的输出端。

基于上述连接关系，当分离电路接收到直流电力线传输过来的耦合后的控制信号后，通过分离电路的分压作用，将被放大后的控制信号降低为主控制器实际输出控制信号时的高电平伏值，可以想到的是，控制信号中的低电平0v，耦合后同样为0v，同样的，分离后依然为0v。

沿用前例，主控制器输出的控制信号中包含的高电平为3.3v，耦合后变为12v，此时，可以根据耦合前后的高电平电压比确定第一分离电阻r5和第二分离电阻r6的阻值。具体的，可以按照下述公式选取第一分离电阻r5和第二分离电阻r6：

结合图5所示电路结构，以及上述公式，从控制器的信号接收端(图中以mcu-rxd示出)连接于第一分离电阻r5和第二分离电阻r6的串联连接点，其读取的电平值与第二分离电阻r6上的压降相同，通过调整第一分离电阻r5和第二分离电阻r6的阻值比例，即可实现控制信号的分离。

具体的，在图5所示实施例中，直流恢复电路具体包括：第一二极管d1和多个电容(图中示例性给出电容c1、c2和c3)，其中，

各电容并联连接，形成并联支路，第一二极管d1的一端作为直流恢复电路的输入端与直流电力线相连，接收直流电力线传输的耦合后的控制信号，第一二极管d1的另一端经并联支路接地；第一二极管d1与并联支路的串联连接点作为直流恢复电路的输出端，输出恢复后的直流电能，进而为从节点分离电路的直流输出端vbb相连的负载供电。

可选的，为了简化电路结构的整体布局，从节点分离电路的直流输出端vbb还可以同时为相应的从控制器供电。可以想到的是，从节点分离电路的直流输出端输出的是直流电源的电压，在大多数情况下，要高于从控制器的工作电压，因此，为确保从控制器的正常工作，还可以再从节点分离电路的直流输出端与从控制器之间设置相应的降压电路，通过降压电路为从控制器提供工作电压。

对于降压电路的选择，可以参照现有技术中的实现方式实现，本实用新型实施例对此不做限定。

可选的，在图5所示实施例中，从节点分离电路还包括设置于复合输入端与分离电路的输入端和直流恢复电路的输入端的连接点之间的第二二极管d2。具体的，第二二极管d2的正极靠近从节点分离电路的复合输入端，即靠近直流电力线侧。通过第二二极管d2可以隔离从节点分离电路对直流电力线的干扰，保障各从节点分离电路之间相互独立。

进一步的，在图5所示实施例中，从节点分离电路还包括：设置于复合输入端与第二二极管d2之间的开关switch和保险丝f1，且开关switch和保险丝f1串联连接。通过设置开关，可以灵活的控制相应的从节点分离电路与直流电力线的连接关系，在需要时断开从节点分离电路与直流电力线的连接。设置保险丝则可以提高从节点分离电路的安全性，避免过电流对从节点分离电路及其所连接的从控制器和负载被烧毁。

需要说明的是，根据上述控制信号的耦合和分离过程可知，本实用新型实施例提供的用于望远镜光纤定位单元控制的通信电路主要应用于串行信号的传输，主控制器和各从控制器都应选取具备串行信号发送端口和接收端口的控制器。

进一步的，主控制器发送控制信号的方法、所遵循的通信协议、控制信号发送周期等，都可以参照现有技术中控制信号的发送方式执行，并且主控制器发出的控制信号中至少应包括地址位，数据位和校验位，连接于直流电力线的所有从节点分离电路都能接收到耦合后的控制信号，并将分离得到的控制信号发送至相应的从控制器，各从控制器根据接收到的控制信号中的地址信息，判断所接收的控制信号是否需要响应，如果需要响应，则根据控制信号中数据位所包含的控制信息控制负载以指定的状态运行；相应的，如果所接收的控制指令不需相应，则不执行任何操作。

本实用新型实施例对于主控制器发送控制信号、从控制器解析控制信号，并根据控制信号控制相应负载动作的过程不做限定，可以参照现有技术中的实现方式执行。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。