CN101604986A - 主从式通信系统中的主机及其总线电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主从式直流载波通信系统中的主机，包含电源系统、控制模块和通信接口电路等。通信接口电路内的信号调制模块中还包含总线电流检测模块。该模块包含信号取样模块、信号调理模块和模/数转换模块。其中，信号取样模块可体现为电阻；信号调理模块包含放大电路，或进一步可还包含滤波电路。本发明还提供主机的总线电流检测方法：控制模块将在线从机数N和从机预设最大工作电流I₁调入其内部缓存中待用；控制模块启动模/数转换模块读取总线电流I₂；依据上述数值判断总线电流状态。如此技术方案，提供了一种可提取总线电流的主机，并可将提取到的电流值与总线电流极限值相比较，进而判断是否存在漏电流。这就提高了系统工作的可靠性。

Description

主从式通信系统中的主机及其总线电流检测方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种对主从式直流载波通信系统中主机的改进。

背景技术

专利申请文件200810172410.9中给出了一种双线无极性区分的、能在主机向从机提供直流工作电源的同时进行单工双向数据传输的主从式直流载波通信系统，简化了主机和从机的设计和连接，使其适用于诸如电子雷管网路、智能传感网路等类似小型从机系统。

专利申请文件200810172410.9中给出了一种适用于类似电子雷管网路或者智能传感网路的主从式直流载波通信系统。在该系统中，主机向从机提供工作电源，并同时在电源供给线上采用电压调制的方式向从机发送数据。而从机采用电流调制的方式向主机发送数据。这就实现了主从机之间的单工双向数据传输。

在上述主从式通信系统的实际工程应用中，主机供电总线和/或从机连接支线的表皮破损会导致总线供电的输出漏电和从机储能的下降，从而影响系统的可靠工作。当在诸如海水、盐雾等潮湿环境中布设系统时，由于环境介质具有较高的导电性能，这种漏电对系统可靠工作的影响尤为突出。例如在电子雷管网路中，这种漏电流的存在，会导致从机(即电子雷管)储能不足，从而影响电子雷管的可靠起爆。

发明内容

本发明的目的在于在上述现有技术的基础上进一步设计，提供一种可提取总线电流的主机，该主机还将提取到的总线电流与依据从机总数量计算得出的总线电流极限值相比较，进而判断系统中是否存在漏电流，这就提高了系统工作的可靠性。

本发明的技术目的是通过以下技术方案实现的：

本发明在专利申请文件200810172410.9的基础上进一步改进，在原有结构框图的基础上，本发明的主从式直流载波通信系统中的主机，包含时钟电路、电源系统、控制模块、和通信接口电路。通信接口电路内部包含信号调制模块和信号解调模块，信号调制模块内又进一步地包含总线电流检测模块、电子开关和驱动模块。其中，电子开关的一对输入端，输入端一通向信号调制模块外部，构成该模块的通信电压输入端，接受外部电源系统提供的通信电压；电子开关的输入端二连接到总线电流检测模块。电子开关的输出端通向信号调制模块外部，构成该模块的调制信号输出端；电子开关的控制端连接驱动模块。其中，总线电流检测模块的一端接地，一端连接电子开关的输入端二，一端连接到电源系统的工作电压输出端，其余一端连接到控制模块。其中，驱动模块的一端连接到控制模块，一端连接电子开关的控制端，一端与电子开关的输入端一共同构成上述通信电压输入端，一端连接到电源系统的工作电压输出端，其余一端接地。

上述设计方案的优点在于：

(1)将总线电流检测模块设计在电源地和电子开关之间，使得总线的输出总是必须经由该电流检测模块回到电源地，这就实现了检测总线电流的目的。

(2)该电流检测模块获取到的电流信号总是从总线回流到主机电源地的信号，这就确保了总线电流检测模块获取的信号相对于地总是处于高电位，从而简化了总线电流检测模块的设计。

(3)总线电流检测模块将检测结果发送到控制模块，从而控制模块可根据接收到的不同结果判断总线状态，进而进行分析处理。

进一步地，上述总线电流检测模块可细化为信号取样模块、信号调理模块、和模/数转换模块。其中，信号取样模块的一端与信号调理模块的一端相连，并共同连接到电子开关的输入端二；信号取样模块的另一端与信号调理模块的再一端共同接地。所述信号调理模块的其余两端：一端与模/数转换模块相连，向模/数转换模块发送数据；另一端通向总线电流检测模块外部，连接到电源系统的工作电压输出端。所述模/数转换模块的一端与信号调理模块相连，一端接地，一端通向总线电流检测模块外部，连接到电源系统的工作电压输出端；模/数转换模块的其余一端通向信号调制模块外部，连接到控制模块。

上述实现方案的优点在于：由于总线上将并联有多个从机，而单个从机的工作电流通常为微安量级。因此当主机轻负载时，即带载少量从机时，要求信号取样模块具有较高的取样精度，能准确提取到微安量级的电流信号；而当主机重负载时，即接入系统的从机数量增加、主机带载众多从机时，总线电流将极大增加，这就要求信号取样模块具有较小的压降，以避免影响主机允许的带载从机的数量。上述总线电流检测模块的实现方案可以同时满足主机处于轻、重负载情况的要求，既能准确提取总线上的电流信号，又不对主机的带载数量造成明显影响。

上述总线电流检测模块中的信号取样模块可取为一电阻。该电阻的一端连接电子开关的输入端二，另一端直接接地。采用电阻构成取样模块的实施方案简单易行。并且，由于电阻为无源器件，因此也不会在取样过程中产生附加噪声。当信号总线上有电流时，电阻两端会形成一定的压降。随着信号总线上电流的变化，该电阻两端形成的压降呈线性变化。因此，输入到信号调理模块的压降的变化即反映了信号总线上电流的变化，从而实现了通过信号取样模块提取并表达来自从机方向的电流信息的目的。

上述总线电流检测模块中的信号调理模块可由放大电路构成。该放大电路一端接地，一端连接电子开关的输入端二，一端连接模/数转换模块，其余一端通向总线电流检测模块外部，连接到电源系统的工作电压输出端。

该方案实现了信号调理模块的基本功能。放大电路将信号取样模块提取到的微弱的电压信号直接转换为模/数转换模块可以识别的较强的电压信号，进而经由模/数转换模块转换为控制模块可以识别的数字信号。另外，由于信号取样模块获取到的电流信号总是从总线回流到主机电源地的信号，因此，放大电路输出的信号也始终是单极性的，这也简化了调理模块的设计。

上述总线电流检测模块中的信号调理模块还可由滤波电路和放大电路构成。其中，滤波电路的一端与放大电路共同接地，一端连接到电子开关的输入端二，其余一端与放大电路的再一端相连。放大电路的其余两端：一端与模/数转换模块相连，向模/数转换模块发送数据；另一端通向总线电流检测模块外部，连接到电源系统的工作电压输出端。

上述实施方案在放大电路的基础上，在信号调理模块中添加进滤波电路。该滤波电路可滤除从机工作时的动态电流在总线上引起的噪声、以及总线形成闭环时空间电磁波在总线上引起的噪声。经滤波电路滤波后，输出到放大电路的将只有代表从机负载静态工作电流的模拟信号，这就提高了总线电流检测模块的抗噪性能，从而提高了检测的准确性。

本发明还提供了本发明中的主机的总线电流检测方法，其具体实现步骤如下：

第一步，控制模块进行初始化，即，控制模块将在线从机数N和从机预设最大工作电流I₁的值调入控制模块内部的缓存中待用。

第二步，控制模块向模/数转换模块发送控制信号，启动模/数转换模块。控制模块通过模/数转换模块获取总线电流I₂。

第三步，控制模块判断总线电流I₂是否大于诸在线从机的预设最大工作电流之和N×I₁：若表达式I₂＞N×I₁成立，则置总线电流异常标志；若表达式I₂＞N×I₁不成立，则置总线电流正常标志。

第四步，结束本总线漏电判别流程。

在诸如电子雷管网路的主从式直流载波通信系统应用中，确定电压下从机(此处即电子雷管)的静态工作电流基本一致，可视为常量。因此，执行上述总线漏电判别流程前，可通过对从机进行逐一点名等方法获取网路中在线的从机总数，再结合单个从机的静态工作电流值，即可计算得知网路中总的静态工作电流。将这一计算结果与实际检测到的总线电流值进行比对，即可判断网路中是否存在漏电。通常情况下，由于信号总线或者从机支线的表皮破裂引起的漏电流总是远远大于单个从机的静态工作电流，因此，采用上述总线漏电判别方法，主机即可获知从机网路的线路连接状态，从而便于操作人员对网路进行检查和维护，进而提高了通信系统的工作可靠性。

附图说明

图1为本发明主从式直流载波通信系统中主机构成的功能框图；

图2为本发明中的主机采用单极性通信接口电路时的实施示意图；

图3为本发明中单极性信号调制模块的构成示意图；

图4为本发明中总线电流检测模块的构成示意图；

图5为本发明中信号取样模块采用电阻的实施示意图；

图6为本发明中信号调理模块采用滤波电路和放大电路的构成示意图；

图7为本发明中主机采用双极性通信接口电路时的实施示意图；

图8为本发明中总线电流检测模块应用于双极性信号调制模块的构成示意图；

图9为本发明中信号调理模块采用放大电路构成示意图；

图10为本发明主机的总线电流检测方法的流程示意图；

图11为本发明中主机采用双极性通信接口电路时的另一种实施示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明在专利申请文件200810172410.9公开的主从式直流载波通信系统的基础上进一步改进。图1给出了主机构成的基本框图。其中，主机100包含时钟电路140、电源系统110、控制模块130、和通信接口电路120。其中，电源系统110的工作电压输出端31同时连接时钟电路140、控制模块130、和通信接口电路120，电源系统110的通信电压输出端32连接到通信接口电路120，其余一端接地。时钟电路140一端连接控制模块130，一端连接电源系统110的工作电压输出端31，其余一端接地。通信接口电路120一端连接控制模块130，一端连接电源系统110的工作电压输出端31，一端连接电源系统110的通信电压输出端32，一端接地，其余两端通向主机100外部，构成信号总线200。本通信系统中的一台或多台从机并联连接在由主机100引出的信号总线200之间。

图1中的通信接口电路120可取为单极性通信接口电路或者双极性通信接口电路。其中，单极性通信接口电路1201包括单极性信号调制模块210和单极性信号解调模块，如图2所示。单极性信号调制模块210与其外部单极性信号解调模块的连接，可体现为图2中单极性信号解调模块201、202或者203中的任意一种连接方式。即：单极性信号解调模块201连接到单极性信号调制模块210的通信电压输入端10；或者，单极性信号解调模块202连接到单极性信号调制模块210的调制信号输出端11；或者，单极性信号解调模块203一端接地，另一端通向单极性通信接口电路1201的外部，构成信号总线200的一根。

图7所示为通信接口电路取为双极性通信接口电路1202时的构成示意图。双极性通信接口电路1202包含双极性信号调制模块220和双极性信号解调模块。双极性信号调制模块220与双极性信号解调模块的连接，可体现为图7中双极性信号解调模块204或205中的任意一种连接方式。即：双极性信号解调模块204连接到双极性信号调制模块220的通信电压输入端15；或者，双极性信号解调模块205连接到双极性信号调制模块220的一对调制信号输出端16之一。双极性通信接口电路1202还有一种实现方式，如图11所示。双极性通信接口电路1202中，双极性信号解调模块207的一端接地，一端与双极性信号调制模块220相连，一端连接到工作电压输出端31，一端连接到控制模块130。

上述单极性信号调制模块210和双极性信号调制模块220都由驱动模块和电子开关构成，参见图3和图8。以图3所示实施方案为例，其具体连接关系描述如下：

1.驱动模块401的一端连接电源系统110的工作电压输出端31，接收电源系统110输出的工作电压，为驱动模块401提供低边驱动电压。驱动模块401的另一端连接控制模块130，接收控制模块130输出的低压控制信号。该低压控制信号经由驱动模块401的变换作用后转换为高压控制信号，输出到电子开关301的控制端，用以控制电子开关301的闭合方向。

2.电子开关301的一对输入端，输入端1通向信号调制模块210外部，构成该模块的通信电压输入端10，连接到电源系统110的通信电压输出端21。该通信电压输入端10用于接收电源系统110直接或间接提供的较高通信电压，并为驱动模块401提供高边驱动电压。电子开关301的输入端2连接到总线电流检测模块501，经由总线电流检测模块501接地。电子开关301的输出端通向信号调制模块210外部，构成该模块的调制信号输出端11；电子开关301的控制端连接到驱动模块401，由驱动模块401输出的控制信号控制其闭合方向。本发明中所说的电子开关，可以采用继电器、晶闸管、晶体管、模拟开关等多种形式实现。

3.总线电流检测模块501的一端连接电子开关301的输入端2，一端接地，使得电子开关301经由该模块501接地；总线电流检测模块501还有一端连接到电源系统110的工作电压输出端31，由电源系统110提供工作电压；总线电流检测模块501其余的一端连接到控制模块130，将检测的结果输出至控制模块130供判断。

图8中给出了总线电流检测模块501在双极性信号调制模块220中的应用示例。类似地，总线电流检测模块501的一端连接电子开关302和303的输入端2，一端接地，从而电子开关302和303经由该模块501接地；总线电流检测模块501还有一端连接到电源系统110的工作电压输出端31，由电源系统110提供工作电压；总线电流检测模块501其余的一端连接到控制模块130，将检测的结果输出至控制模块130供判断。

应用于单极性信号调制模块210和双极性信号调制模块220中的总线电流检测模块501的内部构成完全一样，可包含信号取样模块511、信号调理模块512和模/数转换模块514，如图4所示。其具体连接关系描述如下：

1.信号取样模块511的一端与信号调理模块512相连，并共同连接到电子开关的输入端2。信号取样模块511的另一端与信号调理模块512、模/数转换模块514共同接地。信号取样模块511将经由电子开关流向信号参考地的电流信号变换为信号调理模块512可以处理的电压信号，以便控制模块130判断总线200上的电流信号状态。

2.信号调理模块512的其余两端：一端与模/数转换模块514相连，将信号取样模块511输出的微弱电压信号调理为模/数转换模块可以识别的信号；另一端与模/数转换模块514共同通向总线电流检测模块501外部，连接到电源系统110的工作电压输出端31，接受外部电源系统110提供的工作电压。

3.模/数转换模块514的其余一端连接到控制模块130。模/数转换模块514用于在控制模块130的控制下，将信号调理模块512输出的模拟电压信号转换为控制模块130可以识别的数字电压信号，以便控制模块130进行处理。

上述总线电流检测模块501中的信号取样模块511可取为一电阻541。该电阻541的一端连接电子开关的输入端2，另一端直接接地，参见图5和图9。采用电阻构成信号取样模块511的实施方式简单易行。并且，由于电阻为无源器件，因此也不会在取样过程中产生附加噪声。根据欧姆定律，当信号总线200上有电流时，电阻541两端会形成一定的压降。随着信号总线200上电流的变化，该电阻541两端形成的压降呈线性变化。因此，输入到信号调理模块512的压降的变化即反映了信号总线200上电流的变化，从而实现了通过信号取样模块511提取并表达来自从机方向的信息的目的。

上述总线电流检测模块501中的信号调理模块512可由放大电路516构成，参见图10。放大电路516一端接地，一端连接电子开关的输入端2，放大电路516的这两端构成放大电路516的信号输入端，放大电路516通过这两端并联在信号取样模块511两端。放大电路516还有一端连接模/数转换模块514，构成放大电路516的信号输出端，放大电路516通过该端向模/数转换模块514提供经放大调理后的模拟电压信号，模/数转换模块514将该模拟信号转换为控制模块130可以识别的数字信号。放大电路516的其余一端通向总线电流检测模块501外部，连接到电源系统110的工作电压输出端31，接受外部电源系统110提供的工作电压。

该方案实现了基本的信号调理功能。放大电路516将信号取样模块511提取到的微弱的电压信号直接转换为模/数转换模块514可以识别的较强的电压信号，进而经由模/数转换模块514转换为控制模块130可以识别的数字信号。另外，由于信号取样模块511获取到的电流信号总是从总线200回流到主机电源地的信号，因此，放大电路516输出的信号也始终是单极性的，这也就简化了信号调理模块512的设计。

如图6所示，信号调理模块512可还包含滤波电路515。其中，滤波电路515一端与放大电路516相连，向放大电路516发送经滤波处理的微弱电压信号；滤波电路515通过其余两端并联在信号取样模块511的两端，用以获取总线200上的信号变化。滤波电路515用于将滤除了噪声的、代表有用信息的模拟电压信号输出至放大电路516。放大电路516一端连接滤波电路515，用以接收滤波电路515输出的信号；一端连接模/数转换模块514，向模/数转换模块514输出经放大调理的模拟电压信号；一端连接到电源系统110的工作电压输出端31，接受电源系统110提供的工作电压；放大电路516的其余一端接地。

由于主机100、信号总线200、和诸从机的连接构成一个闭环。对于空间电磁波而言，这一闭环相当于一个接收天线，会导致在总线200上产生高频干扰信号。除此之外，从机在工作时，除静态工作电流外，从机内部控制模块的工作也会在总线上产生瞬态工作噪声。这两部分因素都会影响对总线电流检测的精度。在信号调理电路512中加入滤波电路515，就能消除高频噪声，从而可以极大提高总线电流的检测精度。

本发明还提供了一种总线电流检测方法。本发明的主从式直流载波通信系统中主机100的总线漏电判别流程，如图10所示。具体实现步骤如下：

第一步，控制模块130进行初始化，即控制模块130将在线从机数N和从机预设最大工作电流I₁的值调入其内部缓存中待用。

第二步，控制模块130向模/数转换模块514发送控制信号，启动模/数转换模块514，控制模块130即可通过总线电流检测模块501获取总线电流I₂。

第三步，控制模块130依据其内部缓存中的在线从机数N以及从机预设最大工作电流I₁进行计算，得到诸在线从机的预设最大工作电流之和，即N×I₁；然后判断总线电流I₂是否大于上述表达式N×I₁的值：若表达式I₂＞N×I₁成立，则置总线电流异常标志；若表达式I₂＞N×I₁不成立，则置总线电流正常标志。

第四步，结束本总线漏电判别流程。

主从式直流载波通信系统中，诸从机的结构和工作模式均完全相同。虽然在诸如电子雷管起爆系统的网路应用中，时钟电路工作频率的不完全一致可能导致各从机电子雷管的平均工作电流略有偏差，但这一偏差极为微小，通常在2～3μA之内。因此，各从机的预设最大工作电流I₁的值可以认为是一致的、确定的。从而，以预设最大工作电流I₁的值为基础计算总线电流的预设最大值也是合理的。

为提高对总线电流的取样精度，上述总线漏电判别流程应当在主机和从机未进行通信的状态(即主机处于对从机输出供电电源的状态)下执行。

在线从机数N的取值，在系统运行的不同阶段，这一取值也会不同。例如，在主机开机时，在线从机数N的取值可以默认为已在主机中完成注册的从机的数目(即接入网路的从机的数目)；在主机完成对网路中诸从机的点名后，在线从机数N的取值应为成功返回点名应答的从机的数目(即在线从机的数目)。又例如，在诸如电子雷管起爆系统的网路应用中，在电子雷管逐一接入网路的上线注册过程中，每完成对一发从机电子雷管的上线注册，在线从机数N的值即刻递增1。

在诸如电子雷管起爆系统的网路应用中，在确定的主机输出电压下，从机(此处即电子雷管)的静态工作电流基本一致，取其可能的最大值为预设最大工作电流I₁的值。因此，在执行上述总线漏电判别流程前，可通过对从机的上线注册过程或者对已在线从机的逐一点名过程获取网路中的在线从机总数N，再结合单个从机的预设最大工作电流I₁，即可计算得知网路中总的最大静态工作电流。将这一计算结果与实际检测到的总线电流I₂进行比对，即可判断网路中是否存在漏电。通常情况下，由于信号总线或者从机支线的表皮破裂引起的漏电流总是远远大于单个从机的静态工作电流，因此，采用上述总线漏电判别方法，主机即可获知从机网路的线路连接状态，从而便于操作人员对网路进行检查和维护，进而提高通信系统的工作可靠性。

Claims (6)

1.一种主从式直流载波通信系统中的主机，包含时钟电路、电源系统、控制模块、和通信接口电路，所述通信接口电路内部包含信号调制模块和信号解调模块，

其中，所述信号调制模块内包含电子开关和驱动模块，所述电子开关的一对输入端，输入端一通向所述信号调制模块外部，构成该模块的通信电压输入端；所述电子开关的输出端通向所述信号调制模块外部，构成该模块的调制信号输出端；所述电子开关的控制端连接所述驱动模块；

其特征在于：

所述信号调制模块内部，还包含一总线电流检测模块，

该模块一端接地，一端连接所述电子开关的输入端二，还有一端连接到所述电源系统的工作电压输出端，其余一端连接到所述控制模块。

2.按照权利要求1所述的主机，其特征在于：

所述总线电流检测模块包含信号取样模块、信号调理模块、和模/数转换模块，

所述信号取样模块的一端与所述信号调理模块相连，并共同连接到所述输入端二；所述信号取样模块的另一端与所述信号调理模块、所述模/数转换模块共同接地；

所述信号调理模块的其余两端：一端与所述模/数转换模块相连，向所述模/数转换模块发送数据；另一端与所述模/数转换模块共同通向所述总线电流检测模块外部，连接到所述工作电压输出端；

所述模/数转换模块的其余一端通向所述信号调制模块外部，通向所述控制模块。

3.按照权利要求2所述的主机，其特征在于：

所述信号取样模块为一电阻，

所述电阻的一端连接所述输入端二，另一端直接接地。

4.按照权利要求2所述的主机，其特征在于：

所述信号调理模块包含放大电路，

所述放大电路一端接地；一端连接所述输入端二；一端连接所述模/数转换模块；其余一端通向所述总线电流检测模块外部，连接到所述工作电压输出端。

5.按照权利要求2所述的主机，其特征在于：

所述信号调理模块包含滤波电路和放大电路，

所述滤波电路的一端与所述放大电路共同接地；所述滤波电路还有一端连接所述输入端二；其余一端与所述放大电路的再一端相连；

所述放大电路的其余两端：一端与所述模/数转换模块相连，向所述模/数转换模块发送数据；另一端通向所述总线电流检测模块外部，连接到所述工作电压输出端。

6.一种所述主机中的总线电流检测方法，其特征在于：

第一步，所述控制模块将在线从机数N和从机预设最大工作电流I₁的值调入其内部缓存中待用；

第二步，所述控制模块向所述模/数转换模块发送控制信号，启动所述模/数转换模块；所述控制模块通过所述模/数转换模块获取总线电流I₂；

第三步，所述控制模块判断所述总线电流I₂是否大于诸在线从机的预设最大工作电流之和N×I₁：若表达式I₂＞N×I₁成立，则置总线电流异常标志；若表达式I₂＞N×I₁不成立，则置总线电流正常标志；

第四步，结束本总线漏电判别流程。

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