CN101174152A - 总线数据收发器 - Google Patents

Abstract

本发明总线数据发送器，涉及一种总线数据发送器、接收器及数据发送方法。其中总线数据发送器，并联连接在具有专用直流电源的一对电缆总线上，其特征在于包括分别并联连接在总线上的发送器开关S1和电压源，及分别与所述开关S1和电压源串连的电容C1，还包括与所述电压源串联的沿专用直流电源电流方向单向导通的二极管VD3，所述电压源的电压方向与专用直流电源电压方向相反，并小于专用直流电源电压，沿专用直流电源电流方向单向导通的另一个二极管VD2与负载串联后，并联在总线上；总线和直流电源之间串联有电感L。本发明能够在总线上实现普通控制系统如灯光控制系统的数据收发要求，同时成本低廉。

Description

总线数据收发器

技术领域

本发明涉及工业自动控制中控制信号的数据传输装置，特别是涉及一种总线数据发送器、接收器及数据发送方法。

背景技术

现有的各种工业控制系统中，要最大限度地发挥和调度现场设备的智能处理功能，采用现场总线是实现现场设备互联的最有效手段。目前总线采用多重标准，如RS-232-C总线标准是美国电子工业协会EIA(Electronic Industry Association)制定的一种串行物理接口标准，对于一般双工通讯，可采用其25条信号线中的三条来实现：一条发送线、一条接收线及一条地线，该标准可选择设定好的不同的数据传输速率，但是由于驱动器只允许有2500pF的电容负载，通讯距离受到限制，最多只能传输几十米，传输距离短的另一个原因是该总线是单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，容易受到外界信号干扰，对于一些中等距离传输的控制系统，如灯光控制系统，这种总线难以得到很好的应用；同时由于采用非平衡传输方式，信号弱，需要采用运算放大器进行放大处理，因此成本高，同时众多信号线也导致其成本居高不下。如今相对普遍采用的RS-485串行总线标准采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，传送距离远，速度高，传送50Ft(英尺)以内的距离时最高速率可达10Mbps(兆字节/秒)，但是RS-485采用半双工工作方式时，任何时候只能有一点处于发送状态，因此发送电路须由使能信号加以控制，导致电路结构复杂，这是因为二点以上同时处于发送状态，会造成总线冲突，导致输出短路。上述两种总线标准都不能为外设提供电源，最新的由7家世界著名的计算机和通信公司共同推出的新型接口标准USB总线可以为外设提供电源，通讯速率可达12Mbps，还能支持多媒体，但是，由于其追求远距离传输和高速率传输等技术性能，在不必要达到这些性能指标的控制领域，比如智能灯光控制系统，采用这类总线会造成成本居高不下，不利于智能灯光系统的推广应用。

发明内容

本发明解决现有技术的总线不适用于中等距离、非高速率传输控制系统的技术问题，提供一种总线数据收发器，能够在总线上实现普通控制系统如灯光控制系统的数据收发要求，同时成本低廉。

本发明的技术方案是：

一种总线数据发送器，并联连接在具有专用直流电源的一对电缆总线上，其特征在于包括分别并联连接在总线上的发送器开关S1和电压源，及分别与所述开关S1和电压源串连的电容C1，还包括与所述电压源串联的沿专用直流电源电流方向单向导通的二极管VD3，所述电压源的电压方向与专用直流电源电压方向相反，并小于专用直流电源电压，沿专用直流电源电流方向单向导通的另一个二极管VD2与负载串联后，并联在总线上；总线和直流电源之间串联有电感L。

专用直流电源电压大于15伏，优选24-30伏，电压源的电压为2-8伏。

一个与专用直流电源反向的二极管VD1与所述电感L并联。

上述数据发送器前端的总线上连接有换向器。

上述开关S1由CPU或数字电路控制，且开关断开时间比闭合时间长2倍以上。

用于上述总线数据发送器的数据接收器，并联连接在具有专用直流电源的一对电缆总线上，其特征在于包括一个设置在一根总线上沿专用直流电源电流方向单向导通的一个二极管VD4及由该二极管VD4控制导通与否的接收器开关电路，所述二极管VD4正向输出端所在的导线上串联连接一电容C2。

所述接收器开关电路包括发射极连接在二极管VD4正向输出端、基极连接在该二极管VD4正向输入端的三极管VT1，所述三极管VT1的集电极通过电阻与另一个三极管VT2的基极相连，所述三极管VT2的集电极分为两路，一路通过电阻与一5伏直流电源相连，另一路为输出端，所述三极管的发射极连于另一根总线上。

一种实现逻辑与关系的数据发送方法，在一对电缆总线上施加专用直流电源，在所述总线和直流电源之间串联电感L，并在所述电缆总线上并联连接电容，通过控制电容的收放电对总线产生下拉电压，使总线交替出现一个下陷突变的电压，形成逻辑位从而实现数据的数字发送。

所述控制电容的收放电是通过与一个电容C1串连且受CPU或数字电路控制的开关S1实现的；一个沿专用直流电源电流方向正向导通的二极管VD3与一个小于所述专用直流电源电压的电压源串联后与所述开关S1并联，所述电压源的电压方向与所述专用直流电源的电压方向相反，以使开关控制所述电容的收放电时对总线产生下拉电压。

技术效果：

本发明电压源并联连接在具有专用直流电源的总线上，且所述电压源的电压方向与专用直流电源电压方向相反，并小于专用直流电源电压，当并联在总线上的开关S1断开时，与电压源串联的电容C1被充的电压等于专用直流电源电压与电压源之差(不考虑二极管的压降)，即小于专用直流电源电压，因此当开关闭合时，VD2、VD3被反向偏置而截止，电容C1低于总线的电压被强制加到总线上，使得总线出现一个下陷突变的电压，形成1个逻辑位，总线和直流电源之间串联的电感L用于隔离总线上的数字信号，使其信号不导致专用直流电源短路，以保证总线上的交替电压的实现。下拉电势差取决于电压源和VD3正向压降之和。

我们定义总线上下陷突变形成的电压为逻辑0的1个逻辑位，而开关S1为断开时为逻辑1的逻辑位，这样，通过控制开关S1的开闭，就能发送数字控制指令，满足一般的数据发送要求，由于总线及发送器采用的都是普通通用电器元件，因此成本低廉，能够满足普通控制系统如灯光控制系统的数据收发要求，同时成本大为降低。

二极管VD1和电感L组成可以隔离交流信号的扼流圈电路，VD1可以钳位总线电压不能超过电源电压，因而可以有效钳制当S1闭合时流过电感的电流突然减小而引起L两端的感应的正电动势，实际这个电动势被VD1回馈给电源。由于VD2和L的隔离作用，总线在下拉电压期间仍呈现较高的阻抗状态，使得发送电路耗能很小。本发明优选实施例具有很好的节能效果。

换向器一般由二极管桥组成，使得挂接在总线上并需要总线提供直流电源的设备在接入时不必考虑极性。

由于C1被高于下拉电压的专用直流电源电压充电，这个逻辑位不能维持很长的时间，维持时间的长短取决于C1容量和总线上直流等效负载的大小。同时，总线必须维持较长的高电平时间(S1非闭合状态)，一般是逻辑0电平宽度的2倍以上，使得总线有足够时间使C1恢复到低电压，并为C2充电，以在下一个下拉逻辑位来临前复原，因此开关S1的断开时间比闭合时间长2倍以上。

附图说明

图1是本发明总线数据发送器的电路原理图；

图2是本发明数据接收器的电路原理图；

图3是本发明总线数据收发器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

见图1的总线数据发送器，连接在具有24伏专用直流电源的一对双绞线总线上，包括分别并联连接在总线上的发送器开关S1和5V电压源，及分别与开关S1和电压源串连的电容C1，还包括与所述电压源串联的沿专用直流电源电流方向单向导通的二极管VD3，所述电压源的电压方向与专用直流电源电压方向相反，并小于专用直流电源电压，本实施例选用5V电压源，当然也可采取其他方式的5V电源。沿专用直流电源电流方向单向导通的另一个二极管VD2与负载串联后，并联在总线上；总线和直流电源之间串联有电感L。电阻R1串联连接在5V电压源的负极端并与电容C1并联，负载还与另一个电容C2并联后与VD2串联。专用直流电源电压大于15伏，优选24-30伏。图1中开关S1由CPU或数字电路控制，闭合时形成下拉电压，下拉电势差取决于5V电压源和VD3正向压降之和。此时，VD2、VD3被反向偏置而截止，C1存储的低于专用直流电源的电压通过换向器被强制加到总线上，由于电感L的隔离作用，使得总线出现一个下陷突变的电压，形成1个逻辑位。

一个与专用直流电源反向的二极管VD1与所述电感L并联。二极管VD1和电感L组成可以隔离交流信号的扼流圈电路，用于隔离总线上的数字信号，使其信号不被电源短路。VD1可以钳位总线电压不能超过电源电压，因而可以有效钳制当S1闭合时流过电感的电流突然减小而引起L两端的感应的正电动势，实际这个电动势被VD1回馈给电源。由于VD2和L的隔离作用，总线在下拉电压期间仍呈现较高的阻抗状态，使得发送电路耗能很小。

上述数据发送器前端的总线上连接有换向器。换向器一般由二极管桥组成，使得挂接在总线上并需要总线提供直流电源的设备在接入时不必考虑极性。

开关S1由CPU或数字电路控制，且开关断开时间比闭合时间长2倍以上。我们定义下陷突变形成的电压为逻辑0的1个逻辑位。由于C1的充电作用，这个逻辑位不能维持很长的时间，维持时间的长短取决于C1容量和总线上直流等效负载的大小。同时，总线必须维持较长的高电平时间(S1非闭合状态)，一般是逻辑0电平宽度的2倍以上，使得总线电压使C1恢复到起始状态并及时为C2充电，以在下一个下拉逻辑位来临前恢复到最初状态。

图2是总线数据接收器的电路原理图。该接收器同样连接在具有专用直流电源的一对双绞线总线上，包括一个设置在一根总线上沿专用直流电源电流方向单向导通的一个二极管VD4及由该二极管VD4控制导通与否的接收器开关电路，二极管VD4正向输出端所在的一根总线与另一根总线之间还连接有一电容C2。图2中的二极管VD4可以与图1的二极管VD2为同一个二极管(表达在图3中)，起两个作用。

接收器开关电路包括发射极连接在二极管VD4正向输出端、基极连接在该二极管VD4正向输入端的三极管VT1，三极管VT1的集电极通过电阻与另一个三极管VT2的基极相连，三极管VT2的集电极分为两路，一路通过电阻与一5伏直流电源相连，另一路为输出端，所述三极管的发射极连于另一根总线上。

当数据发送器未向总线发送下陷电平时(逻辑0)，图2中总线直流电压通过VD4向负载供电，此时VD4正向导通，VT1处于截止状态，VT2同时截止，OUT输出高电平。

当数据发送器的开关S1闭合而向总线发送下陷电平时(逻辑0)，总线电压下降至少5V，此时，由于C2存储电压不能突变，使得Ua低于Ub，VD2由于电压反偏而截止。一般当Ub大于Ua超过1V时，VT1进入导通状态，使得VT2也同时导通，OUT输出低电平。从而实现对总线发来数据的数字接收。

图3是图1、2的总线数据发送器和接收器在实际应用中综合到一起形成完整的总线数据收发器。

其中，BUS1和BUS2为数据总线，SEND为数据发送器的数据输入端，RECE为数据接收器的输出端，R14为模拟假负载。图3中数据发送器前端的总线上连接的换向器VC1为桥式整流电路。

从图3可见，本发明可以多个数据收发器连接在总线上，由于总线电压可以下拉的特性，使得当多个发送器同时向总线发送数据时，同时间发送的逻辑会实现与逻辑，它们可以像OC门电路一样的工作，因而不会发生输出短路。这样就更便于进行控制程序设计。

Claims (10)

1.一种总线数据发送器，并联连接在具有专用直流电源的一对电缆总线上，其特征在于包括分别并联连接在总线上的发送器开关S1和电压源，及分别与所述开关S1和电压源串连的电容C1，还包括与所述电压源串联的沿专用直流电源电流方向单向导通的二极管VD3，所述电压源的电压方向与专用直流电源电压方向相反，并小于专用直流电源电压，沿专用直流电源电流方向单向导通的另一个二极管VD2与负载串联后，并联在总线上；总线和直流电源之间串联有电感L。

2.根据权利要求1所述总线数据发送器，其特征在于专用直流电源电压大于15伏，优选24-30伏，电压源的电压为2-8伏。

3.根据权利要求1或2所述总线数据发送器，其特征在于一个与专用直流电源反向的二极管VD1与所述电感L并联。

4.根据权利要求1或2所述总线数据发送器，其特征在于所述数据发送器前端的总线上连接有换向器。

5.根据权利要求3所述总线数据发送器，其特征在于所述数据发送器前端的总线上连接有换向器。

6.根据权利要求1或2所述总线数据发送器，其特征在于所述开关S1的开关由CPU或数字电路控制，且开关断开时间比闭合时间长2倍以上。

7.用于权利要求1-6之一总线数据发送器的数据接收器，并联连接在具有专用直流电源的一对电缆总线上，其特征在于包括一个设置在一根总线上沿专用直流电源电流方向单向导通的一个二极管VD4及由该二极管VD4控制导通与否的接收器开关电路，所述二极管VD4正向输出端所在的导线上串联连接一电容C2。

8.根据权利要求7所述数据接收器，其特征在于所述接收器开关电路包括发射极连接在二极管VD4正向输出端、基极连接在该二极管VD4正向输入端的三极管VT1，所述三极管VT1的集电极通过电阻与另一个三极管VT2的基极相连，所述三极管VT2的集电极分为两路，一路通过电阻与一5伏直流电源相连，另一路为输出端，所述三极管的发射极连于另一根总线上。

9.一种数字数据的发送方法，其特征在于在一对电缆总线上施加专用直流电源，在所述总线和直流电源之间串联电感L，并在所述电缆总线上并联连接电容，通过控制电容的收放电对总线产生下拉电压，使总线交替出现一个下陷突变的电压，形成逻辑位从而实现数据的数字发送。

10.根据权利要求9所述的数字数据的发送方法，其特征在于所述控制电容的收放电是通过与一个电容C1串连且受CPU或数字电路控制的开关S1实现的；一个沿专用直流电源电流方向正向导通的二极管VD3与一个小于所述专用直流电源电压的电压源串联后与所述开关S1并联，所述电压源的电压方向与所述专用直流电源的电压方向相反，以使开关控制所述电容的收放电时对总线产生下拉电压。

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