CN101103582A - 通信设备和方法 - Google Patents

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CN101103582A CNA200580025483XA CN200580025483A CN101103582A CN 101103582 A CN101103582 A CN 101103582A CN A200580025483X A CNA200580025483X A CN A200580025483XA CN 200580025483 A CN200580025483 A CN 200580025483A CN 101103582 A CN101103582 A CN 101103582A
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Abstract

一种双向数字通信设备，包括通过有源连接线连接到至少一个从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)的主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)。该主传输器和从属传输器具有公共参考(GND)。所述主传输器可以向从属传输器发送主信号(S1)，而所述从属传输器可以向主传输器发送从属信号(S2)。所述主信号(S1)是电压的数字调制。所述从属信号(S2)是电流的数字调制。

Description

通信设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于在通过有源连接线连接的“主”传输器和至少一个“从属”传输器之间的双向同时数字通信的设备和方法(将传输器定义为发射器/接收器对)。
该通信设备和方法的一个应用涉及至少两个设备之间经由单个连接器(例如电子钥匙和电子锁)的接口连接。
背景技术
存在大量能够使得几个电子系统进行通信的技术。对具体技术的选择依赖于环境的技术约束，例如：传输速度、系统之间的距离、可用于传输装置的电功率、通信介质(无线、红外、有线等)及其特性(被屏蔽的线缆、光纤等)。
专利US5,619,066和US5,517,015描述了在主系统(主机)和从属系统(模块)之间的单线上的通信设备和方法。
另一种已知的通信方法是“半双工”通信。主系统向从属系统发送能量和信息。从属系统积累数据和能量。从属系统使用先前所积累的能量向主系统发送其信息。
这些解决方案存在缺点，尤其是其(受到了)考虑涉及所发送的功率和成本的严重限制。从由主系统(主机)所发送的信号中恢复的能量实际上被存储在电容器中。在集成电路中使用较高容值的电容器(几毫微法)是比较昂贵的。此外，电容器的使用伴随有残留波动，这与数字技术是不相容的。
最后，诸如电话机的另一已知通信设备可被用于双向同时数据传输和能量传输。电话线的持续极化为用户的电话装置远程提供电源。上行线路信号(从公共网络到用户的电话装置)和下行线路信号(从用户的电话装置到公共网络)的组合形成了合成电压信号。可以通过了解该合成信号和上行线路或下行线路两个信号中的一个来分别生成下行线路或上行线路信号。
发明内容
在下面的所有描述中，所述传输器意指发射器/接收器对。
本发明的一个目的是提出一种用于在通过有源连接线连接的主传输器和至少一个从属传输器之间的双向同时数字通信的设备和方法，其不具有现有技术的缺点，特别是，其不需要诸如电容器的能量存储装置。
根据本发明，通过一种基于两种不同的物理和电子量(即电压和电流)的使用而用于双向同时数字通信的设备和方法来实现该目的。
由主传输器发送到从属传输器的主信号(S1)是电压(VCL)的数字调制(逻辑0或1)。由从属传输器发送到主传输器的从属信号(S2)是电流(ICL)的数字调制(逻辑0或1)。
根据本发明的实现的第一模式，包含在主信号S1中的数字信息包括初始化信号、同步信号和数据。
根据本发明的实现的第二模式，所述主信号也包括能量传送。
下面的表格示出了电压VCL和电流ICL的各种数字调制值：
Figure A20058002548300061
当主传输器发送与惯例的逻辑1(即X伏)对应的主信号S1时，从属传输器可以消耗与惯例的逻辑1对应的YmA的电流或者与逻辑0对应而不消耗电流。
因此，无论何时主传输器发送与逻辑1或X伏对应的主信号S1，从属传输器都可以发送从属信号S2。对主信号S1的适当编码将使得以全双工模式来发送传输时钟和数据。
更具体而言，本发明涉及包括通过有源连接线连接到至少一个从属传输器的主传输器的双向通信设备，该主传输器和从属传输器具有公共参考，所述主传输器可以向从属传输器发送主信号，且所述从属传输器可以向主传输器发送从属信号，其特征在于：所述主信号是电压的数字调制，而所述从属信号是电流的数字调制。
根据本发明的第一模式，所述主和从属传输器被连接到电源。所述主信号包括传输时钟和数据。
根据本发明的第二模式，仅有所述主传输器被连接到电源，该主传输器向从属传输器发送经极化的主信号。该经极化的主信号包括传输时钟、数据和能量。
本发明也涉及一种用于在通过有源连接线而连接的主传输器和至少一个从属传输器之间的双向通信的方法，包括如下步骤：
a)发送主信号，该主信号是电压的数字调制，以及
b)发送从属信号，该从属信号是电流的数字调制。
根据本发明的第一模式，所述主信号包括传输时钟和数据。
根据本发明的实现的第二模式，该方法也包括步骤：在从主传输器向从属传输器发送所述主信号的步骤之前，将该主信号极化(电压偏置)，作为结果的主信号是电压的数字调制，其中包括传输时钟、数据和能量。根据本发明的实现的第二模式，该方法也包括用于极化(电流偏置)所述从属信号的步骤。
因此，本发明使得可以在连接两个数字数据系统的单个通信线上以同时传输模式、并以双向(全双工)发送所发送的数据的同步时钟、复位信号以及可能的能量。
本发明更具体地应用于快速有线通信(＜10M比特)领域以及具有有限能量和物理连接装置的系统。本发明可以被用在具有合理的系统互联的成熟的、高标准的环境中。其也可以被用来提供用于从旧系统到新系统移动的路径，保留了稳定的电子接口，即标准化的连接器。最后，本发明的另一个优点是可以使在通信装置的制造中涉及的产品成本最优化(较高的生产量而降低制造成本)。
附图说明
通过附图中的非限制性的示例来说明本发明，其中，相同的参考标记指代类似的组件：
图1是根据本发明的通信系统的图解表示；
图2A和2B是分别根据本发明的实现的第一和第二模式的通信系统的图解表示，其分别具有能量传输和不具有能量传输；
图3表示根据本发明的实现的第一模式的主系统的功能图；
图4表示根据本发明的实现的第一模式的从属系统的功能图；
图5是在图3中示出的主传输器的详细图；
图6是在图4中示出的从属传输器的详细图；
图7是根据本发明的实现的第二模式的主系统的功能图；
图8是根据本发明的实现的第二模式的从属系统的功能图；
图9是在图7中示出的主传输器的功能图；
图10是在图8中示出的从属传输器的功能图；
图11是在图7和9中示出的主传输器的详细图；
图12是在图8和10中示出的从属传输器的详细图；
图13示出了用于根据本发明的实现的第一模式的通信系统的主信号的编码；
图14示出了用于根据本发明的实现的第二模式的通信系统的极化的主信号的编码；
图15示出了从属信号的波形；
图16和16A示出了主信号用来同步从属信号的原理以及主信号和从属信号的时序；
图17示出了主传输器用来初始化从属传输器的原理；
图18是主信号解码器的第一变形的详细图；
图19和20示出了主信号解码器的第一变形的操作原理；
图21是主信号解码器的第二变形的详细框图；
图22表示与帧接收结束比特对应的主信号；
图23示出了主信号上的相位抖动影响；
图24是与主传输器相关的逻辑电路的功能图；
图25是根据本发明的实现的第一模式的包括主和从属传输器的第一网络变形的图解表示；
图26示出了用于图25中的网络的无争用的通信协议；
图27和28详细示出了比特帧的示例；
图29是根据本发明的实现的第一模式的包括主和从属传输器的第二网络变形和总线转发器的图解表示；
图30是根据本发明的实现的第一和第二模式的包括主和从属传输器的混合通信系统的图解表示；以及
图31是根据本发明的实现的第一和第二模式的包括主和从属传输器的第三网络变形、即“异构(heterogeneous)”网络的图解表示。
具体实施方式
如图1所示，本发明的原理是借助两个不同的物理和电子度量(quantity)(即电压和电流)、允许经由单个连接器的双向同时数字通信。
由主传输器发送到从属传输器的主信号(S1)是电压(VCL)的数字调制(逻辑0或1)。由从属传输器发送到主传输器的从属信号(S2)是电流(ICL)的数字调制(逻辑0或1)。
图2A示出了根据本发明的实现的第一模式的通信设备，其包括连接到从属系统SysS1的主系统SysM1。根据该实现的第一模式，主和从属传输器被连接到电源装置En而无需能量传输。
主系统SysM1和从属系统SysS1都具有连接到公共参考的连接GND。有利的是，该公共参考是模拟地。
由主传输器发送到从属传输器的主信号S1是电压VCL的数字调制(逻辑0或1)。该主信号S1具有传输时钟、数据和复位(或初始化)信号。
由从属传输器发送到主传输器的从属信号S2是电流ICL的数字调制(逻辑0或1)。该从属信号S2仅包括数据。
图2B示出了根据本发明的实现的第二模式的通信设备，其包括连接到从属系统SysS2的主系统SysM2。根据该实现的第二模式，仅有主传输器被连接到电源装置En，从而具有能量传输。
主信号S1具有传输时钟、数据和复位(或初始化)信号和能量。
从属信号S2仅包括数据。
下面我们首先将更详细地描述实现的第一模式，然后是实现的第二模式，最后是针对于两个实现模式的本发明的各个方面。
实现的第一模式——无能量传递
图3更详细地示出了主系统SysM1。其包括连接到主传输器TRM1的主逻辑电路LOGM。连接到数字系统(未示出)的主逻辑电路交换标准传输TRX、发射RTX、初始化RST、同步TOP以及传输时钟CLK_TX信号。该逻辑电路LOGM接收内部时钟信号CL1，并由电压VDD1供电。主逻辑电路LOGM连接到主传输器TRM1，该连接是通过用于去往主传输器的数据传输TXM1的连接以及来自从属传输器的数据接收RXM1的连接来实现的。
主传输器TRM1由电压VDD1供电。其经由输入/输出OUT1而向/从从属系统SysS1发送和接收信号。
主逻辑电路LOGM和主传输器TRM1连接到公共参考(例如，地)。
图4更详细地示出了从属系统SysS1。该从属系统SysS1和主系统SysM1通过节点N1相连。
从属系统SysS1包括连接到从属传输器TRS1的从属逻辑电路LOGS。连接到数字系统(未示出)的从属逻辑电路交换标准传输DTXS1、发射DRXS1、初始化RSTS1、同步TOPS1以及VALS1信号。该从属逻辑电路LOGS接收内部时钟信号CL1，并由电压VDD1供电。从属逻辑电路LOGS连接到从属传输器TRS1，该连接是通过用于去往从属传输器的数据传输TXS1的连接以及来自从属传输器的数据接收RXS1的连接来实现的。
从属传输器TRS1由电压VDD1供电。其经由输入/输出IN1而向/从主系统SysM1发送和接收信号。
从属逻辑电路LOGS和从属传输器TRS1连接到公共参考(例如，地)。
在下面的图中示出的值允许模拟仿真。
晶体管是具有0.5伏的转换电压的标准增强型MOSFET(PMOS或NMOS)，在每幅图中示出其漏极宽度/长度比W/L作为示例。类似地，给出几欧姆或几千欧姆的电阻器值作为示例。
图5详细示出了用于实现的第一模式的、图3的主传输器TRM1的实现的示例，该实现的第一模式无能量传送。
主传输器TRM1具有电流源CSM11和两个电流镜CMM11和CMM12。其也具有输出缓冲器OB。该主传输器TRM1被连接到输入TXM1和电源电压VDD1。其具有输出RXM1和连接到节点N1的输出OUT1。
主传输器TRM1如下操作。晶体管Q112中流过的电流等于当输入TXM1处于0电平(晶体管Q101导通)且当电流消耗器被连接到输出OUT1(晶体管Q111截止)时通过晶体管Q107(电流镜CMM12)的电流的1/50。通过晶体管Q108的电流等于通过晶体管Q103(经由晶体管Q115的电流镜CMM11)的电流。如果到达输出OUT1的电流小于通过晶体管Q103的电流的50倍，则输出RXM1为0。当输入TXM1为VDD1(即逻辑1)时，则RXM1为0。电流检测阈值ILH(参见图16)等于电流源的值(即，近似于比值VT/R1乘以晶体管Q107和Q112的W/L比的比值的值，其中VT是晶体管Q101的转换电压(在该示例中是0.5V))。如果主传输器的输出阻抗较低(例如几欧姆)，则输出OUT1上的电流消耗对主信号S1的电平具有较小的影响。在给定时间期间信号TXM1的缺失被解释为是用于从属传输器的初始化信号。注意，最大输出电压小于或等于VDD-VT的值(其中VT是晶体管Q107的转换电压)。
图6详细示出了用于实现的第一模式的、图4的从属传输器的实现的示例，其无能量传送。
从属传输器TRS1具有电流源CSS11和电流镜CMS11。其也具有输入缓冲器IB。该从属传输器TRS1通过输入IN1连接到节点N1、输入TXS1和电源电压VDD1。其具有输出RXS1。
从属传输器TRS1如下操作。由于电流镜CMS11(晶体管Q217/Q206)并且如果晶体管Q219导通(输入TXS1上的信号具有VDD1的值)，则在输入IN1中流动的电流等于在晶体管Q218中流动的电流的75倍。由于输入缓冲器IB的反相器(晶体管Q205/Q204)，所以输出RXS1上的信号与信号IN1互补。
实现的第二模式——具有能量传递
图7更详细示出了主系统SysM2。其包括连接到主传输器TRM2的主逻辑电路LOGM。连接到数字系统(未示出)的主逻辑电路交换标准传输TRX、发射RTX、初始化RST、同步TOP以及传输时钟CLK_TX信号。该逻辑电路LOGM接收内部时钟信号CL2，并由电压VDD2供电。主逻辑电路LOGM连接到主传输器TRM2，该连接是通过用于去往主传输器的数据传输TXM2的连接以及来自主传输器的数据接收RXM2的连接来实现的。
主传输器TRM2由电压VDD2供电。其经由输入/输出OUT2而向/从从属系统SysS2发送和接收信号。
主逻辑电路LOGM和主传输器TRM2连接到公共参考(例如，地)。
图8更详细地示出了从属系统SysS2。该从属系统SysS2和主系统SysM2通过节点N2相连。
从属系统SysS2包括连接到从属传输器TRS2的从属逻辑电路LOGS。连接到数字系统(未示出)的从属逻辑电路交换标准传输DTXS2、发射DRXS2、初始化RSTS2、同步TOPS2以及VALS2信号。该从属逻辑电路LOGS接收内部时钟信号CL2。该从属逻辑电路LOGS通过从属传输器TRS2来接收其电源VDD2。从属逻辑电路LOGS连接到从属传输器TRS2，该连接是通过用于去往从属传输器的数据传输TXS2的连接以及来自从属传输器的数据接收RXS2的连接来实现的。
从属传输器TRS2从自主传输器TRM2接收的主信号S1中提取其电源VDD2。其经由输入/输出IN2而向/从主系统SysM2发送和接收信号。
从属逻辑电路LOGS和从属传输器TRS2连接到公共参考(例如，地)。
图9和图11详细示出了用于实现的第二模式的、图7中的主传输器TRM2的实现的示例，其具有能量传送。
主传输器TRM2具有电流源CSM21和两个电流镜CMM21和CMM22。其也具有在输入中的放大器AM和镇流器BLM，以及具有检测器DM、以及具有电流测量电阻器RCS和在输出中的施密特触发器STM。主传输器TRM2连接到输入TXM2并接收电源电压VDD2。其具有输出RXM2和连接到节点N2的输出OUT2。
主传输器TRM2如下操作。因为主信号S1被极化，因此主传输器TRM2更复杂。放大器AM是电压跟随电路，其包括用于差分部分的晶体管Q302/Q303和用于镇流器BLM的输出级的Q335/Q306。与放大器AM的输出串联，电阻器RCS用于测量从属传输器消耗的电流。检测器DM是电压比较器(晶体管Q305/Q307)，当输出电流如下时其动作(trip)：
I OUT 2 = V OUT 2 R 1 R CS × R 6
由晶体管Q327、Q325、Q322、Q326、Q323和Q324形成的施密特触发器STM用于将从检测器DM中输出的信号数字化。推荐使用本领域技术人员公知的合适的数字滤波器(未示出)来完成该简单的滤波。
图10和图12详细示出了用于实现的第二模式的、图8中的从属传输器的实现的示例，其具有能量传送。
从属传输器TRS2具有电流源CSS21和电流镜CMS21。其也具有电压串联调节器，该电压串联调节器包括：运算放大器AS及其镇流晶体管BLS、电压翻译器(translator)TV以及连接到输出RXS2的施密特触发器OB。该施密特触发器用于对从主信号S1中提取的数据进行重新格式化。其通过输入IN2连接到节点N2。
电压调节器包括参考电压RT、差分放大器AS(晶体管Q429/Q430)以及镇流器BLS(晶体管Q428/Q408/Q404)。电压翻译器TV包括电流源Q421和电阻器R408。来自主信号S1的数据被晶体管Q418/Q419和Q417/Q409(输出缓冲器OB)重新格式化。在正常操作中，从属传输器组件必须消耗小于ILL(参见图16)的电流，以使得主传输器不将该消耗解释为数据传输。
电压VCORE是从主信号S1中提取的调节电压，用于为从属传输器的逻辑LOGS供电。
主信号和从属信号的编码
图13示出了用于根据本发明的实现的第一模式的通信系统的主信号S1的编码。主信号S1的周期T恒定。逻辑1在1上的持续时间是逻辑0在1上的持续时间的3倍。该编码公知为“脉宽调制”PWM或“归零”RZ。利用该编码，主信号S1始终具有要发送给从属传输器的高电压电平。从属传输器因此而可以消耗YmA的电流，并发送从属信号S2。因此，利用上述通信设备，主和从属传输器形成两个嵌套回路(nested loop)：承载主信号S1的电压回路和承载从属信号S2的电流回路。此外，必须与主信号S1同步来采样从属信号S2。
该编码具有特别易于实现的优点。
然而也可以实现其他类型的编码(例如在对逻辑0和1的编码中的反转)。优选地，逻辑0和1之间的周期比例(cyclic ratio)应当足够不同，以在它们之间进行区分并提供对相位抖动的防止措施(immunity)。
图14示出了用于根据本发明的实现的第二模式的通信系统的主信号S1的编码。根据该编码，向主信号S1添加连续分量。当极化的主信号S1的电压大于VDLM时，该极化的主信号S1将能量主要分配给从属，并且极化的主信号S1的电压在电平VDLM和VDD之间变化时，该极化的主信号S1将能量主要分配给数据。对逻辑0和1的编码仍如先前参照图13所述。其定时遵循下列等式：tc1＝3×tc0且tc1+tc0＝T。
参考图8、10和12所述的从属传输器永远由主传输器提供供电电压。不需要在电容器中存储电能量。
该系统提供的优点在于，其可以被制造为集成电路，而不需要既消耗空间又增加成本的电容器。
具有简单的串联电压限制器或调节器的从属传输器足以从主信号S1中提取能量。
将同样的原理应用于被添加了极化电流的从属信号S2。该极化电流对应于所述从属传输器在正常操作中的能量的最大正常消耗。图15示出了包括极化和数据的作为结果的从属信号的波形。操作功率等于从属信号S2的极化电路和主信号S1的极化电压的乘积。大于极化电流PL的电流消耗是包含在从属信号S2中的数据。
图16示出了主信号用来同步从属信号的原理。
经极化的主S1和从属S2信号的值如下：
Figure A20058002548300141
既可以在主信号S1的上升沿也可以在其下降沿上执行同步。然而，如果能量的节约是重要的环境因素，则优选地在主信号S1的上升沿执行同步。
图16A示出了S2信号关于S1信号的时序。
从图16和16A中可以看出，在所述实施例中，当信号S1为低时执行切换(S2信号)。T1和T2的定时必须大于10ns。当然，实际的S2的波形是S2信号切换和S1信号的逻辑与(AND)的结果。
图17示出了主传输器用于初始化从属传输器的原理。
当主信号S1是电平VDML的预定部分(fraction)时执行从属系统SysS1或SysS2的逻辑电路LOGS的初始化。另一方法是将传输时钟中断给定时间，例如周期T的4倍。
图18是主信号解码器的第一变形DEC1的详细图。该解码器使得从属系统SysS1可以解码用于本发明的实现的第一模式的主信号S1。
该解码器的操作如下。施加到输入RXS1上的解码信号进入触发器FF1以被内部时钟ICL同步。时钟ICL必须小于T/8且大于T/128，其中T是主信号S1的周期。当输入RXS1上的信号处于电平1时，乘法器MUX M1的输出B为1。由寄存器R1和加法器Ad形成的计数器进行计数。寄存器R1的输出A在时钟ICL的每个前沿递增。当输入RXS1上的信号处于电平0时，乘法器MUX M1的输出B为1。寄存器R1的输出A在时钟ICL的每个前沿递减。在输入RXS1上的信号的上升前沿，来自由触发器FF2和与(AND)门形成的前沿检测器RED的输出为1。来自乘法器MUX M1的输出B为0。触发器FF3的输入是对应于A的符号的A[7]。在时钟ICL的前沿之后，寄存器R1的输出A为0。因此，解码器的输出VALS1上的信号和内部时钟ICL以及与输入RXS1上的信号结合的传输时钟同步。
每次解码了比特(0或1)就在输出VALS1上出现信号。该信号对偏置寄存器计时(time)，所述偏置寄存器对所述比特进行去串行化处理(deserialise)并以8或更多比特的分组对其进行存储。
在图19中示出了用于编码逻辑1的主信号S1的计数器的变形。在图20中示出了用于编码逻辑0的主信号S1的计数器的变形。
触发器FF3用于采样符号位，该符号位处在连接到输出DRXS1的触发器FF3的输出Q上。
与主信号S1结合的传输时钟不用于解码，而是在输出VALS1提供。输出VALS1可以与UART(通用异步收发器)或USART(通用同步异步收发器)传输控制器进行接口连接。此外，因为该类解码器即使在传输时钟的各个比特变化时也能连续操作，因此其具有优势。
图21是主信号解码器的第二变形DEC2的详细图。该解码器使得从属系统SysS2可以解码用于本发明的实现的第二模式的主信号S1。
该解码器以与参照图18所述的类似方式而操作。此外，该解码器具有包括触发器FF4和乘法器MUX M4的帧脉冲检测器端TFD。
每次解码了比特(0或1)就在输出VALS2上出现信号。该信号对偏置寄存器计时，所述偏置寄存器对所述比特进行去串行化处理(deserialise)并以8或更多比特的分组对其进行存储。
信号出现在输出TOPS2上并被发送给从属传输器以指示所述主传输器已经接收到帧。其周期比例为1/2的该信号不承载逻辑值0或1。
图22示出了在来自从属(传输器)的传输结束时由主传输器发送的帧接收结束比特的计时图。如上所述的调制PWM还包括其周期比例为1/2的代码。使用必须接近于0(依赖于抖动)的来自输出A的信号的绝对值的测量，可以由该解码器的第二变形容易地测量这个值。主传输器一旦已经从从属传输器中接收到完整的接收帧，其就可以在任何时间发送帧脉冲的结束。因此，可以在意欲提供给从属传输器的消息的中间发送该帧脉冲的结束。帧脉冲的结束可以不具有逻辑值1或0。因此，不将其发送给UART/USART型的传输控制器。
图23示出了相位抖动J1对主信号S1的影响。该电子噪声影响到传输器的内部时钟的稳定性以及主、从传输器的内部时钟的同步。对逻辑0(1/4T)、逻辑1(3/4T)和帧接收结束比特(1/2T)的周期比例的选择依赖于抖动量。重要的是，不选择当发生抖动时不能区分各种逻辑状态的周期比例。
图24是用于主传输器的逻辑电路的图解表示。连接到数字系统(未示出)的主逻辑电路LOGM交换标准传输TRX、发射RTX、初始化RST以及传输时钟CLK_TX信号(参见图7)。主逻辑电路LOGM通过连接TXM2和RXM2连接到主传输器(例如TRM2)。主逻辑电路LOGM具有逻辑调制器LMOD、模拟调制器AMOD、参考电压BG和触发器FF。
逻辑调制器LMOD接收传输TRX和传输时钟CLK_TX信号，并连接到模拟调制器AMOD和触发器FF。
模拟调制器AMOD连接到参考电压BG，并接收初始化信号RST。其将信号TXM2提供给主传输器(例如TRM2)。
从主传输器接收信号RX的触发器在逻辑调制器LMOD的控制下发送发射信号RTX。
模拟主逻辑电路LOGM(未示出)可以被连接到主传输器TRM1。
通信网络的示例
图25是根据本发明的实现的第一模式的包括主和从属传输器的第一网络变形的图解表示。
无能量传送的传输器适合于BUS BS1类型的网络操作模式。支持BUS拓扑。使用单个主传输器以防止违反总线连接的机制的被迫实现。
由主传输器TRMA发送的主信号S1被所有从属传输器TRSL1、TRSL2、...、TRSL8(形成电压回路)接收。由主传输器TRMA检测到的电流是由每个从属传输器TRSL1、TRSL2、...、TRSL8消耗的电流的总和。
根据本发明的实现的第一模式，依照惯例，从属信号S2的逻辑0不消耗电流。在这种情况下，主传输器TRMA从从属传输器TRSL1、TRSL2、...、TRSL8中接收从属信号S2的逻辑或(OR)。
可以以两种方式来执行总线寻址。
根据第一种寻址类型，主传输器TRMA使用适当的通信协议将所授权用来发送从属信号S2的从属传输器的地址进行发送。从属传输器(例如TRSL3)发送其消息，然后，主传输器TRMA对另一从属传输器(例如TRSL7)进行寻址。该寻址类型被公知为是“轮询模式”。
根据第二种寻址类型，主传输器TRMA在总线上重复其所读取的比特。如果从属传输器(例如TRSL3)发送0(无电流)而主传输器所读取的比特是1，则另一从属传输器(例如TRSL7)正在使用该总线。然后，例如TRSL3的从属传输器等待下一次协商以试图占用该总线。这种寻址类型被公知为“冲突检测模式”。
在冲突检测模式中，在协商阶段中发送逻辑的第一个从属传输器占用该总线。存在三种可能情况。
在第一种情况中，每个从属传输器具有固定地址。该地址编码确定一个从属传输器相对于其他从属传输器的优先级。在该模式中，如果高优先级的从属传输器独占该总线，则低优先级的从属传输器将不能通信。
在第二种情况中，每个从属传输器具有固定的地址，且主传输器重复从属传输器的地址。该方式被频繁用于以大型网络中，特别是在争用化解协议(CSMA-CR)中。每个从属传输器将其正发送的比特与其所接收的比特进行比较，如果存在差别，则停止发送。
在第三种情况中，使用BITMAP协议。这是无冲突协议的示例。如果从属传输器的数量是固定且已知的，则主要使用该协议。
图26示出了用于图25中具有8个从属传输器的网络的BITMAP型通信协议。在争用化解帧RC1、RC2、RC3和RC4中，每个从属传输器具有与其级别(从1到8)对应的比特。该比特允许每个从属传输器表达其要与主传输器通信的愿望。例如，在争用化解帧RC1中，从属传输器2、6和7表达了它们希望分别将帧T2、T6和T7发送给主传输器。争用位图在总线上广播，从而向每个从属传输器通知来自其他从属传输器的请求。因为从属传输器不能知道其他从属传输器何时已经停止发送，所以主传输器在总线上广播帧接收结束信号(参见例如图22)。
在图25的网络中，主传输器可以与所有的从属传输器进行通信，而从属传输器不能一起通信。事实上，只有主传输器可以解释由从属传输器发送的电流信号S2。主传输器可以切换到普通的广播模式，其中，其系统化地重复由从属传输器发送的比特。因此，在整个总线上广播由一个从属传输器发送的消息。
图27示出了当总线是“面向比特帧”时用于在主传输器和从属传输器之间进行通信的普通比特帧及其编码。
帧以起始标记FL1开始而以结束标记FL2结束。所述标记可被适当的逻辑电路(未示出)识别。在标记之间，该帧包括报头HD、数据PL和校验码CK。传统上，使用已知的“位填充(stuffing)”技术。按照惯例，仅有标记FL1和FL2可以具有6个连续被设置为逻辑1的比特。在其他情况中，具体的电子电路必须：
—在发送时，插入逻辑0以获得5个连续处于逻辑1的比特的序列；
—在接收时，提取明显的(transparency)零以重建原始帧。
当通过“面向信号”总线执行主传输器和从属传输器之间的通信时，解码的RX和TX信号承载可以用于发送如图28所示的离散记录图的二进制信息。例如，可以利用被配置在2Mbits/s的总线来发送被配置为在100kbits/s操作的UART的RX和TX信号。也可以利用该类型的通信来调制红外遥控信号RC5。如果图28中的编码被插入到参照图27而描述的面向比特帧(面向比特帧总线)中，则可以做出组合。
当由“面向字符”总线来执行主传输器和从属传输器之间的通信时，解码的RX和TX信号可以被直接路由给UART。然后，将0比特当作起始比特。如果需要处于1或0的几个比特来向/从UART发送/接收比特，则可以获得速度因子。
图29是根据本发明的实现的第一模式的包括主和从属传输器的第二网络变形以及总线转发器的图解表示。
连接到电子系统Sys1的根主传输器TRMR控制次级主传输器TRM11和TRM12。由根主传输器TRMR发送初始主信号S1，该初始主信号S1在将根主传输器TRMR连接到从属传输器SL11、SL12和SL13的第一总线BS2上传播。从传输器SL13和与其连接的次级主传输器TRM11形成总线转发器RPT。该总线转发器RPT连接到包括从属传输器SL14和SL15的次级总线BS3。从属传输器SL15连接到次级主传输器TRM12。
图30和31示出了混合(即具有和无需能量传送)的主和从传输器电路。
图30是根据本发明的实现的第一和第二模式的包括主和从属传输器的混合通信系统的图解表示。
电子系统Sys2连接到两个主传输器TRM21和TRM22。第一主传输器TRM21遵照本发明的实现的第一模式，并适合于与从属传输器SL21和SL22在总线BS4上进行点对点的通信。第二主传输器TRM22遵照本发明的实现的第二模式。其连接到能量源ETRM22，并适合于利用从属传输器SL23进行多点通信PTP。
图31是根据本发明的实现的第一和第二模式的包括主和从属传输器的第三网络变形、即“异构”网络的图解表示。
电子系统Sys3连接到主传输器TRM31。由主传输器TRM31发送初始主信号S1，该初始主信号S1在将主传输器TRM31连接到从属传输器SL31、SL32和SL33的第一总线BS5上传播。从属传输器SL33连接到与能量源ETRM22相连的主传输器TRM32。主传输器TRM32适合于通过从传输器SL34而进行多点通信。
能量节约
在具有或无需能量传送的实现的两个模式中，可以实现其中允许从属传输器唤醒主传输器的方法。为了节约能量，停止主信号S1的传输流可能是有用的。主信号S1包括动态部分，事实上，该动态部分通过加载和卸载总线以及通过保持主信号S1的逻辑编码和解码功能而产生能量消耗。传输器可以具有三个不同的状态：激活、备用、去激活(inactive)。
已经描述了去激活状态(初始)以及激活状态(数据和能量传递)。
在备用状态中，主传输器以永久的逻辑状态1(即不包括传输时钟的主信号)提供主信号S1，用于向处于具有能量传送的实现模式中的从属传输器供电。为了将主传输器从备用切换到激活状态，从属传输器(或者是网络化的系统中的一个从属传输器)仅不得不消耗电流。被主传输器数字化为逻辑1状态的该电流的消耗将主传输器切换到激活状态中。
与备用和激活对应的逻辑状态完全是依照惯例的。显然可以将这些逻辑状态反转。
优点
根据无能量传送的实现的第一模式和具有能量传送的实现的第二模式的传输器均具有下述优点。
本发明允许在单个有源线上的全双工数据传输和同步信号的传输。首先，该特性对于具有显著的成本约束的柔性系统尤为有利，并且对其中除了使用几条线的通信技术之外没有其它选择的某些情形也十分有利。第二，连接线的数量对解决方案的可靠性和连接器的成本有直接影响。在由于故障原因而导致的部分多点连接器具有较差的接触的情况下，其操作可能是不可预知的。利用本发明的单线通信设备减少了这样的冒险。
主传输器经由具有非常低的阻抗(几欧姆)的输出级向从属地址发送数据。即使在传输线具有较高的电容时，该类输出级也能有效地控制传输线。因此，该类传输理论上可能的传输速度大大高于利用较高阻抗非对称放大器(例如，I2C，Bus J1850)的其它系统的传输速度。电流峰值主要出现在主信号S1(电压)的转换期间，并且是由于线路的电容而导致的。在主信号S1的转换阶段以外测量从属信号S2(电流)，这使得具有较好的抗噪性。
通过本发明，可以容易地实现总线转发器并产生网关。
根据无能量传送的实现的第一模式的传输器提供如下具体优点。
利用该模式可以产生多点网络。此外，可以进行无争用的总线管理技术以及普通消息广播。也很容易实现其性能。
根据具有能量传送的实现的第二模式的传输器提供如下具体优点。
利用该模式，容易产生仅仅是点对点的链接，虽然当总线上的所有从属传输器的极化电流的总和小于ILL时多点链接并非不可能。
可以使用单条线来发送数据和能量。这可以导致在集成电路设计中的实用优点，该集成电路接收几个能量源，某些能量源可能被停止且电源触点被短路。在对电源和传输进行全局管理的集成电路中容易产生优势(well)。
最后评论
上述参照附图的详细描述说明了具有下述特征的双向数字通信设备。
双向数字通信设备具有经由有源连接线连接到至少一个从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)的主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)。该主传输器和从属传输器具有公共参考(GND)。主传输器可以向从属传输器发送主信号(S1)，而从属传输器可以向主传输器发送从属信号(S2)。主信号(S1)是电压的数字调制。从属信号(S2)是电流的数字调制。
根据本发明的另一方面，所述双向数字通信设备包括下述可选特征。
主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)包括：
—低阻抗的电压回路(OB)，通过其发送主信号(S1)，所述主信号(S1)包括传输时钟和数据，以及
—数字化装置(STM、DM、RCS)，数字化从属信号(S2)的两个离散值，将其解释为二进制值0或1(该数字化装置包括用于测量从属传输器所消耗的电流的电路)。
从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)包括：
—电流回路(IB)，通过其发送从属信号(S2)，所述从属信号(S2)包括数据并且被主信号(S1)同步，以及
—用于接收主信号(S1)的装置和用于提取主信号(S1)的数据和传输时钟的装置(DEC1、DEC2)。
根据本发明的实现的无能量传递的第一模式，所述主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)和所述从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)连接到电源(En)。
根据本发明的实现的具有能量传递的第二模式，仅有主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)连接到电源(En)。主传输器向从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)发送极化的主信号(S1)，该极化的主信号(S1)是包括传输时钟、数据和极化电压(能量极化)的电压的数字调制。
上述参照附图的详细描述还说明了具有下述特征的双向数字通信方法。
用于在通过有源连接线连接的至少一个从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)和主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)之间进行双向通信的方法包括：发送主信号(S1)的步骤，该主信号(S1)是电压的数字调制(包括传输时钟和数据)；以及发送从属信号(S2)的步骤，该从属信号(S2)是电流的数字调制(包括数据)。
根据本发明的实现的具有能量传送的另一种模式，该方法还包括在发送主信号(S1)的步骤之前极化该主信号(S1)的步骤，结果得到的主信号(S1)包括传输时钟、数据和极化电压(能量极化)。
根据本发明的另一方面，所述双向数字通信方法包括下述特征。
从属信号(S2)被主信号(S1)同步。
该方法包括：附加步骤，用于数字化从属信号(S2)的两个离散值，将其解释为二进制值逻辑0或1；以及用于从所接收的主信号(S1)中提取数据和传输时钟的步骤。
根据本发明的另一方面，所述数字化步骤包括将由(至少一个)从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)所消耗的电流解释为二进制值逻辑0或1。
根据本发明的另一方面，所述双向数字通信方法包括下述可选特征。
所述主信号(S1)的调制是定义了二进制代码的脉宽调制(PWM)型，通过两个单独的周期比例来识别逻辑1和逻辑0。依照惯例，由所发送的比特的3/4个周期比例来识别逻辑0，而由所发送的比特的1/4个周期比例来识别逻辑1。
有利的是，识别在所述主信号(S1)中包含的每个逻辑值包括：通过使用传输时钟的和至少具有大4倍的频率的异步时钟的递增/递减计数步骤，测量主信号(S1)的周期比例。
更具体而言，对主信号(S1)的逻辑值的识别涉及计数值的符号。
根据本发明的另一方面，该双向数字通信方法包括下述可选特征。
在主信号(S1)的时钟信号的给定周期期间的缺失被从属传输器解释为是复位信号。可替换地，在主信号(S1)的时钟信号或极化信号的给定周期期间的缺失被从属传输器解释为是复位信号。
由主传输器以不包括传输时钟的永久的状态1的主信号(S1)的传输定义了备用状态。由主传输器数字化为逻辑1的从属传输器所消耗的电流被主传输器解释为从备用状态到激活状态的转变。
上述附图及其描述并不限制本发明的说明。在权利要求书中的附图标记不是限制性的。动词“包括”和“包含”并不排除权利要求中所列出的组件之外的其他组件。组件之前的词“一个”/“一”不排除存在多于一个的这些组件。
通过功能性实现的示例而描述了本发明的实现的两个模式。许多其他的技术实现也可以满足本发明的功能需求。例如，可以实现其他解决方案来检测从属传输器消耗的电流或用于利用较低的输出阻抗来发送信号。
最后，本领域技术人员也可以知道，应当添加其他功能来保护电路不受静电放电(ESD)、过电流和过电压的损害，并设法防止制造方法的分散等。因为这些保护和措施不是本发明的目的并且只会使本发明的描述更复杂，因此没有对其进行描述。

Claims (21)

1.一种双向数字通信设备，包括通过有源连接线连接到至少一个从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)的主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)，该主传输器和从属传输器具有公共参考(GND)，所述主传输器可以向从属传输器发送主信号(S1)，而所述从属传输器可以向主传输器发送从属信号(S2)，其特征在于：所述主信号(S1)是电压的数字调制，而所述从属信号(S2)是电流的数字调制。
2.根据权利要求1所述的双向数字通信设备，其特征在于：
(a)所述主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)包括：
-低阻抗的电压回路(OB)，通过其发送主信号(S1)，所述主信号(S1)包括传输时钟和数据；
-数字化装置(STM、DM、RCS)，数字化从属信号(S2)的两个离散值，将其解释为二进制值0或1，
(b)所述至少一个从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)包括：
-电流回路(IB)，通过其发送从属信号(S2)，所述从属信号(S2)包括数据并且被主信号(S1)同步，以及
-用于接收主信号(S1)的装置和用于从主信号(S1)中提取数据和传输时钟的装置(DEC1、DEC2)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：仅有主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)连接到电源(En)，主传输器向从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)发送极化的主信号(S1)，该极化的主信号(S1)是包括传输时钟、数据和极化电压的电压的数字调制。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：至少两个从属传输器(TRSL1、TRSL2)和主传输器(TRMA)连接到通信总线(BS1)。
5.根据先前权利要求之一所述的设备，其特征在于：主传输器(TRM11)和从属传输器(TRSL11)在通信总线上的组合形成总线转发器(RPT)。
6.一种用于在通过有源连接线连接的主传输器(SysM1、TRM1、SysM2、TRM2)和至少一个从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)之间进行双向通信的方法，该主传输器和从属传输器具有公共参考(GND)，所述主传输器可以向从属传输器发送主信号(S1)，而所述从属传输器可以向主传输器发送从属信号(S2)，其特征在于所述方法包括下述步骤：
(a)发送主信号(S1)，该主信号(S1)是电压的数字调制；以及
(b)发送从属信号(S2)，该从属信号(S2)是电流的数字调制。
7.根据权利要求6所述的通信方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)发送包括传输时钟和数据的主信号(S1)；
(b)发送包括数据的和被主信号(S1)同步的从属信号(S2)；
(c)数字化从属信号(S2)的两个离散值，将其解释为二进制值逻辑0或1；以及
(d)从所接收的主信号(S1)中提取数据和传输时钟。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述数字化步骤包括将由至少一个从属传输器(SysS1、TRS1、SysS2、TRS2)所消耗的电流解释为二进制值逻辑0或1。
9.根据权利要求6至8中的一个权利要求所述的方法，其特征在于所述方法还包括：在发送主信号(S1)的步骤之前极化该主信号(S1)的步骤，结果得到的主信号(S1)是包括传输时钟、数据和极化电压的电压的数字调制。
10.根据权利要求6至9中的一个权利要求所述的方法，其特征在于：所述主信号(S1)的调制是定义了二进制代码的脉宽调制PWM型，通过两个单独的周期比例来识别逻辑1和逻辑0。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：由所发送的比特的3/4个周期比例来识别逻辑0，而由所发送的比特的1/4个周期比例来识别逻辑1。
12.根据权利要求6至11中的一个权利要求所述的方法，其特征在于所述主信号(S1)的周期是可变的。
13.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：在所述主信号(S1)的下降沿采样所述从属信号(S2)的数字化值。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：在所述主信号(S1)的上升沿采样所述从属信号(S2)的数字化值。
15.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：所述识别在所述主信号(S1)中包含的每个逻辑值包括通过使用传输时钟的和至少具有大4倍的频率的异步时钟的递增/递减计数步骤来测量主信号(S1)的周期比例。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：对所述主信号(S1)的逻辑值的识别涉及所述计数值的符号。
17.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在所述主信号(S1)的时钟信号的给定周期期间的缺失被从属传输器解释为是复位信号。
18.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在所述主信号(S1)的时钟信号或极化信号的给定周期期间的缺失被从属传输器解释为是复位信号。
19.根据权利要求6至18中的一个权利要求所述的方法，其特征在于：由所述主传输器以不包括传输时钟的永久的状态1的主信号(S1)的传输定义了备用状态。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：由所述主传输器数字化为逻辑1的从属传输器的电流消耗被该主传输器解释为从备用状态到激活状态的转变。
21.一种包括通信总线(BS1、BS2、BS3、BS4)的通信网络，其特征在于：其包括根据权利要求1至5的几个双向数字通信设备。
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