CN102714420B - 用于差分信号通信系统的主动式通信总线电力采集器 - Google Patents

Abstract

一种具有串联连接多个节点的至少两条数据线的平衡差分信号通信系统，每一个节点包括：信号发生器，其用于将信号应用于数据线，所述信号在数据线之间生成可控制的差分电压；可再充电的存储设备，其用于从数据线接收电能以给存储设备充电；连接至存储设备的至少一个设备，其用于从存储设备接收电能；和可控制的转换器，其将数据线连接至存储设备，用于使用从数据线捕获的电力来控制存储设备的充电和放电。

Description

用于差分信号通信系统的主动式通信总线电力采集器

发明领域

本发明一般涉及通过从通信系统的数据线采集电力来将电力供应给与差分信号通信系统连接的设备。

背景

差分信号通信系统在广泛使用中。例如，RS-485是使用平衡差分信号用于与计算机和其它设备进行通信的众所周知的串行数字通信系统。RS-485允许多个设备在长距离上以半双工在一对电线和地线上进行通信。网络的长度和节点的数量均可以使用容易可用的多种不同的中继器产品被容易地扩展。差分信号的特性提供高抗干扰性和长距离能力。

RS-485是由EIA定义的标准系列中的最通用的通信标准，因为它对于直接地连接数据终端装置（DTE）而无需调制解调器、对于连接网络结构中的若干DTE'、对于在长距离上进行通信、和对于以快速的通信速率进行通信均执行得很好。RS-485是当前在多个节点相互通信的数据获取和控制应用中广泛使用的通信接口。RS-485信号是浮动的，每一个信号在S+线和S-线上发送。RS-485接收机比较这两个线之间的电压差，而不是在单个线上的绝对电压电平。

RS-485接口通常优选地用于数据获取和控制应用，因为RS-485能够使在同一网络中的多个发射机和接收机联网。高阻RS-485输入允许使用大量的节点，并且RS-485中继器可以被用于更多地增加节点的数量。

简要概述

本公开提供一种具有串联连接多个节点的至少两条数据线的平衡差分信号通信系统，每一个节点包括：用于将信号应用于数据线的信号发生器，所述信号在数据线之间生成可控制的差分电压；可再充电的存储设备，其用于从数据线接收电能以给存储设备充电；连接至存储设备的至少一个设备，其用于从存储设备接收电能；以及可控制的转换器，其将数据线连接至存储设备，用于控制使用从数据线捕获的电力给存储设备充电。

一个实现方式包括微控制器，其与可控制的转换器连接并且生成影响通过转换器从数据线捕获的电力的量的控制信号；复用器，其连接在微控制器和转换器之间，并且具有用于接收一对输入信号的一对输入端子、输出端子、和用于从微控制器接收控制信号用于选择哪些输入信号被包括在输出端子处生成的输出信号中的控制输入部，输入中的一个接收由微控制器生成的控制信号；以及固定参考电压源，其与到复用器的其它输入端连接。微控制器可以被编程为通过数据线将消息发送至与数据线连接的其它的节点以使其它的节点通过数据线对该消息作出响应，并且转换器从所述响应捕获电力用于给存储设备再充电。

一个实施方式包括与数据线连接的传感器，其用于感测数据线之间的电压差并且将表示该电压差的信号提供给微控制器，并且微控制器被编程为使用表示该电压差的信号来确定可以被施加在数据线上而没有干扰数据线上的通信的负载。转换器优选地为可控制的，以改变转换器施加在数据线上的负载，以使负载不干扰通过数据线的通信。

附图简述

通过参考结合附图理解的以下描述，可以最好地理解本发明，其中：

图1是包括多个节点和用于从总线的数据线采集电力的电力采集设备的RS-485通信系统的框图。

图2是图1的系统中的节点中的一个的框图。

图3是由图2的节点中的微控制器执行来控制从总线采集电力的程序的流程图。

图4是由图2的节点中的微控制器执行来控制无线电/总线消息发送的程序的流程图。

详细描述

尽管将结合某些优选实施方式描述本发明，将理解，本发明不局限于那些特定的实施方式。相反，本发明旨在涵盖可以被包含在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有替换、修改和等效布置。

转到附图，图1是包括差分总线10和多个节点的RS-485通信系统的功能方框图，其中差分总线10由一对数据线S+和S-形成，多个节点由连接到在沿着总线的长度的不同点处的总线10的设备11a、11b…11n形成。RS-485通信信道可以由多个接收机和多个发送机共享。在说明性实施方式中，总线10终止于在相对端处的电阻R1和R2，并且偏压从源12通过由与终端电阻器R1通信的一对电阻器R3和R4形成的分压器提供给总线的一端。对于高比特率和长接线行程，终端电阻必须在总线10的两端上以消除反射，但不位于沿着总线的下降点处。高比特率是可能的，因为在逻辑0和逻辑1之间的转换仅是几百毫伏，并且当前可用的RS-485驱动器可以实现至少35mbps的比特率。

尽管图1示出了RS-485双线式多分支总线，将理解，RS-485网络还可以在使用四个数据电线和一个附加的信号地线的四线模式中被连接。在四线网络中，一个节点是主节点并且所有其它的节点是从节点。网络被连接，以使主节点与所有的从节点通信，并且所有的从节点仅与主节点通信。由于从节点从不收听对主节点的另一从响应，从节点不能够不正确地答复另一从节点。RS-422系统还使用平衡差分信号，每一个信号使用专用的电线对，对每一个所使用的信号交换/控制信号，使用发送对、接收对和附加对（如果需要的话）。在“双线”网络中，每一个设备的发射机和接收机被连接至双绞线。“四线”网络具有一个主端口，并且发射机连接至一个双绞线上的“从”接收机中的每一个。“从”发射机均被连接至第二双绞线上的“主”接收机。在任一配置中，设备是可寻址的，并允许与每一个节点进行独立通信。

图2是节点设备11中的一个的更加详细的图示，节点设备11包括通信和总线负载控制器20以及能量捕获系统30，这两者均被连接至总线10的两个数据线S+和S-。如众所周知的，数据线S+和S-优选地为双绞线的形式，以提供抗干扰性。能量捕获系统12将电力提供到给通信和总线负载控制器11供电的电源40。

在通信和总线负载控制器20内，RS-485总线驱动器21将信号发送至总线10的数据线S+和S-，并且从总线10的数据线S+和S接收信号。驱动器21将所接收的信号传送至微控制器22，并且从微控制器22接收信号用于传送至总线10。一次仅一个设备可以驱动数据线，因此当在不同节点处的驱动器未在使用中时，它们必须被置于高阻抗模式（三态）中。RS-485驱动器通常通过来自异步串行端口的RTS控制信号来被启动和禁用。将RTS线设置成高（逻辑1）状态启动了驱动器，而将RTS线设置成低（逻辑0）状态将驱动器置于实际上将驱动器从总线分离的三态条件中，允许其它的节点在同一对数据线上进行传输。RS-485驱动器通常在数据已被发送之后的几微秒内返回到其高阻抗三态，因此它不必有RS-485总线上的数据分组之间的延迟。RS-485节点的这些三态能力允许单对电线共享发射和接收信号用于半双工通信。

微控制器22还接收运算放大器23的输出，放大器23具有与两个数据线S+和S-连接的两个输入，以使放大器23的输出表示在两个数据线S+和S-上的电压电平之间的差异。微控制器22还从实时时钟24和无线电收发机25接收输入，并且将控制信号传送至能量捕获系统30，如以下将更加详细地讨论的。收发机25通常是通用的低功率无线电收发机，例如ZigBee无线电设备，或者收发机可以用信号/协议转换器代替。

能量捕获系统30包括具有与两个数据线S+和S-连接的一对输入端的整流器31，生成整流输出，该整流输出由过滤器32平整并且然后作为DC输入提供给可控制的DC到DC转换器33。转换器33的DC输出被提供给能量存储设备34，例如可再充电的电池或者超电容器。存储设备34的输出被连接到给通信和总线负载控制器20——包括微控制器22和无线电设备25——供电的电源40。当存储设备是可再充电的电池时，它可以被预先充电地安装以减少初始充电和发现时间，或者它可以最初由一些其它的装置例如计算机的USB插件充电。

为了控制能量存储设备34的充电，微控制器生成用于复用器35的控制信号，复用器35还从参考电压源36接收参考电压。复用器35从微控制器22和参考电压源36选择它的两个输入中的一个，用于应用于转换器33。该选择由在来自微控制器22的输出线22a上生成的并且被应用于复用器35的选择输入的“选择”信号来控制，这确定了两个复用器输入中的哪个被提供给转换器33。将理解，可以使用数字复用器或者模拟复用器中的任何一个，取决于对转换器33期望的控制的类型。转换器33的该控制使系统30能够从总线10上的偏压捕获少量的能量，或者当数据线S+和S-由总线上的其它设备驱动时从总线上的数据信号捕获较大量的能量。通过控制转换器，系统能够改变它置于总线10上的负载以捕获更多或者更少的电力，同时确保负载不干扰通信。转换器可以被控制来不仅改变从总线10捕获的电力，而且还改变它对总线呈现的阻抗以提高通信和/或电力采集能力。

当连接至总线10时，转换器33和存储设备34从总线10的偏置电路捕获少量的电力。转换器33改变其负载以从总线偏置电路提取尽可能多的电力而没有超出通信系统的规范或者使偏压下降到低于可适用的通信标准的适当阈值。发生在总线10上的任何通信允许转换器33比仅仅偏压更快地给存储设备34充电，并且那些通信还可以被用于识别所使用的网络或者协议的类型，如以下更加详细地描述的。

在存储设备34已经积累足够的能量来使微控制器22和驱动器21生成请求之后，它们将无害请求例如Modbus读取或者识别请求传送至总线10上的其它的节点。微控制器可以自动地通过监控总线10上的业务来识别期望类型的通信，或者微控制器可以对某些设置被预先配置。如果没有对由微控制器22和驱动器21生成的请求的响应，则转换器33继续从偏压给存储设备34充电，同时微控制器22继续生成不同类型的消息或者以不同的节点作为目标，直到接收到响应为止。

在接收到响应之后，电力采集系统具有较好的电力源，并且可以开始发出附加请求以检测网络上的其它协议或者设备。例如，总线10上的某些节点可以具有更强的驱动器，其可以通过改变网络上的负载同时收听响应来检测，或者某些节点可以更快地响应，或者支持生成较长响应的其它命令并且因此为每一个请求提供更多的电力。微控制器可以被编程为寻找这样的选择，就所述设备的驱动能力和所接收的电力与发送所需的电力之比而言，该选择将提供用于给存储设备34充电的最多电力。

在具有无线电设备25的说明性实施例中，微控制器22可以启动无线电设备25，并且因此在稳定的能量源已被获得和充分的能量已被存储之后开始进行无线通信。总线10上的其它的节点可以按需要被轮询以维持所需的电力。

当例证性设备充当无线电网络和有线通信总线之间的桥或者转换器时，进入的请求可以被缓存，同时电力从有线总线被采集。然后消息可以从无线网络发送，并且任何响应将被转发回到无线电网络上。无线电设备25或者整个设备可以被设计为进入低功率“睡眠”状态，并且仅当业务从有线通信总线被接收时或者响应于周期性无线电定时器时加电。

图3是在图2中示出的电力采集器的加电顺序的流程图。步骤101确定能量存储设备34是否已经积累足够的电力来启动微控制器22，并且如果回答是否定的，则步骤102指示DC到DC转换器33使用来自源36的固定参考电压来确定总线10上的负载。即，转换器33作为单个单元负载操作，从偏压和数据线S+和S-上的任何消息捕获能量，直到足够的电力被积累在存储设备34中以启动微控制器22为止。

当在步骤101的响应是肯定的时，微控制器22在步骤104被启动，以使在图3中的步骤的平衡可以由微控制器来执行。如果在任何时间可从存储设备34获取的电力下降到低于预先选择的阈值，则微控制器22被断电并且当所积累的电力再次上升到高于阈值时重新启动。在微控制器22已经被启动之后，微控制器22经由通过由微控制器应用于复用器35的选择输入的控制信号来控制通过DC到DC转换器33施加在总线10上的可变负载。

从步骤104，系统前进到步骤105，步骤105确定是否有任何先前存储的网络设置。如果步骤105产生肯定的回答，则系统前进至步骤106以加载对电力采集器设置的任何设置并且继续操作，包括启动无线电设备25。然后系统前进到步骤114，步骤114周期性地查询网络设置，并按需要调节电力采集参数以维持最大的电力储备。

当步骤105产生否定的响应时，指示没有先前存储的网络设置，系统前进到步骤107以启动总线驱动器21，启动电压差感测放大器23，并且收听消息。然后系统前进到步骤108以收听消息。当消息被检测到时，步骤108生成肯定的响应，其使系统前进到步骤109，步骤109分析该消息以从该消息收集数据，例如网络类型、总线上的其它设备和信号强度。然后在步骤111中分析所收集的数据以确定期望统计，例如具有最大的传输功率的设备的身份、最长的消息响应、采集器可以应用于总线10而没有不利地影响通信的最大负载等。

当没有消息被检测到时，步骤108产生否定的响应，系统前进到步骤110以通过总线驱动器21发送消息并且然后收听响应。任何响应被用于收集在步骤109中收集的相同类型的数据，即，网络类型、总线上的其它设备和信号强度，等等。然后在步骤111中分析所收集的数据以确定期望统计，例如具有最大的传输功率的设备的身份、最长的消息响应、采集器可以应用于总线10而没有不利地影响通信的最大负载等。

从步骤111，系统前进到步骤112以调节总线10上的负载，以提供最大电力来给存储设备34再充电，并且然后在步骤113中那些网络设置被保存。然后步骤114周期性地查询网络设置，并且按需要调节电力采集参数以维持最大电力储备。将理解，总线上的负载由DC到DC转换器33响应于由转换器从复用器35接收的输出信号来调节，复用器35又由通过微控制器22应用于复用器35的选择输入的控制信号来控制。

图4是由微控制器22执行来通过无线电设备25和总线10控制消息发送操作的例程的流程图。可以等待被另一设备触发或者可在加电时查询中央设备的无线电设备25用于在请求时或者作为预定操作的一部分使多个电力采集器同步并且在总线10和另一位置之间分程传递消息。

在图4中的例程开始于步骤201，步骤201基于与在选定的时间间隔内从电源40提供给微控制器的电力有关的所存储的数据来确定稳定的电源是否是可用的。该步骤重复，直到生成肯定的响应为止，该响应使系统前进到步骤202以使无线电设备25加电并配置无线电设备25。然后步骤203等待来自无线电设备25的数据，并且当这样的数据被接收时前进到步骤204。步骤204确定无线电消息是用于总线10还是电力采集器。如果该消息是用于总线的，则数据在由微控制器22重新格式化（如果必要的话）之后在步骤205中在总线10上被发送，并且然后在步骤206中在无线电设备25上被发送出。如果步骤204确定无线电消息是用于电力采集器的，例程前进到步骤207以针对信息例如时间同步、轮询时间表等分析该消息。然后步骤208应用任何变化，如果需要的话，通过无线电发送确认，开始调度轮询，等等。

虽然已经阐述和描述了本发明的特定实施方式和应用，应理解，本发明不局限于本文公开的确切结构和组成，并且各种修改、改变和变化可以从前述的描述中是明显的，而不偏离如所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种平衡差分信号通信系统，该平衡差分信号通信系统具有串联连接多个节点(11a、11b…11n)的至少两条数据线(S+、S-)，每一个节点(11a、11b…11n)包括：

信号发生器(21)，其用于将信号应用于所述数据线(S+、S-)，所述信号在所述数据线(S+、S-)之间生成可控制的差分电压，

接收机(23)，其与所述数据线(S+、S-)连接，用于检测所述差分电压，

可再充电的存储设备(34)，其与所述数据线(S+、S-)连接，用于从所述数据线(S+、S-)接收电能以给所述存储设备充电(34)，

与所述存储设备(34)连接的至少一个设备(40)，所述至少一个设备(40)用于从所述存储设备(34)接收电能，以及

可控制的转换器(33)，其将所述数据线(S+、S-)连接至所述存储设备(34)，用于控制使用从所述数据线(S+、S-)捕获的电力来给所述存储设备充电(34)，

其中所述信号发生器(21)生成用于发送至与所述数据线(S+、S-)连接的其它节点(11a、11b…11n)的信号，以激励所述其它节点(11a、11b…11n)生成信号来通过所述数据线(S+、S-)发送，以提供由所述转换器(33)从所述数据线(S+、S-)捕获的额外电力。

2.如权利要求1所述的平衡差分信号通信系统，其包括微控制器(22)，所述微控制器(22)与所述可控制的转换器(33)连接，并且被编程为生成以下项中的至少一个：(1)影响由所述转换器(33)从所述数据线(S+、S-)捕获的电力的量的控制信号，和(2)通过所述数据线(S+、S-)被发送至与所述数据线(S+、S-)连接的其它节点(11a、11b…11n)的消息，以使所述其它节点(11a、11b…11n)通过所述数据线(S+、S-)来对所述消息作出响应，使得所述转换器(33)能够从所述响应捕获电力用于给所述存储设备(34)再充电。

3.如权利要求1所述的平衡差分信号通信系统，其中所述可控制的转换器(33)以默认水平将DC到DC负载施加到所述数据线(S+、S-)上，并且所述平衡差分信号通信系统包括控制电路，所述控制电路用于超越所述默认水平负载以增加在所述数据线(S+、S-)上的DC到DC负载以提高给所述存储设备(34)充电的速率。

4.如权利要求1所述的平衡差分信号通信系统，其包括微控制器(22)，所述微控制器(22)与所述可控制的转换器(33)连接，并且生成影响由所述转换器(33)从所述数据线(S+、S-)捕获的电力的量的控制信号。

5.如权利要求1所述的平衡差分信号通信系统，其包括与所述数据线(S+、S-)连接的用于在所述数据线(S+、S-)之间施加偏压的偏压源(12)。

6.如权利要求1所述的平衡差分信号通信系统，其包括电压源(12)和连接在所述数据线(S+、S-)之间的偏压电阻器(R1、R2)，以维持在所述数据线(S+、S-)中的最小的偏置电流，用于噪声抑制。

7.如权利要求1所述的平衡差分信号通信系统，其中所述可控制的差分电压具有表示通过所述通信线发送的双态信号的两个状态的两个不同的电平。

8.如权利要求1所述的平衡差分信号通信系统，其中所述转换器(33)是可控制的，以改变所述转换器(33)施加在所述数据线(S+、S-)上的负载，使得所述负载不干扰通过所述数据线(S+、S-)的通信。

9.如权利要求2所述的平衡差分信号通信系统，其包括与所述数据线(S+、S-)连接的传感器，所述传感器用于感测所述数据线(S+、S-)之间的电压差并且将表示所述电压差的信号提供给所述微控制器(22)，并且所述微控制器(22)被编程为使用表示所述电压差的所述信号来确定能够被施加在所述数据线(S+、S-)上而不干扰所述数据线(S+、S-)上的通信的负载。

10.如权利要求2所述的平衡差分信号通信系统，其包括：

复用器(35)，其连接在所述微控制器(22)和所述转换器(33)之间，并且具有用于接收一对输入信号的一对输入端子、输出端子、和控制输入部，所述控制输入部用于从所述微控制器(22)接收控制信号来选择哪些输入信号被包括在所述输出端子处生成的输出信号中，所述输入中的一个接收由所述微控制器(22)生成的所述控制信号，以及

固定参考电压源(36)，其与到所述复用器(35)的所述输入的另一个连接。

11.一种从平衡差分信号通信系统采集电力的方法，所述平衡差分信号通信系统具有连接多个节点(11a、11b…11n)的至少两条数据线(S+、S-)，所述节点包括用于将信号应用于所述数据线(S+、S-)以在所述数据线(S+、S-)之间生成可控制的差分电压的信号发生器(21)和与所述数据线(S+、S-)连接用于检测所述差分电压的接收机(23)，所述方法包括：

将可再充电的存储设备(34)通过可控制的转换器(33)连接至所述数据线(S+、S-)，所述可控制的转换器(33)使用从所述数据线(S+、S-)捕获的电能给所述存储设备(34)充电，

将至少一个设备(40)连接至所述存储设备(34)，用于从所述存储设备(34)接收电能，以及

生成信号来发送至与所述数据线(S+、S-)连接的其它节点(11a、11b…11n)，以激励所述其它节点(11a、11b…11n)生成信号来通过所述数据线(S+、S-)发送，以提供由所述转换器从所述数据线(S+、S-)捕获的额外电力。

12.如权利要求11所述的方法，其包括对从所述数据线(S+、S-)移除的非DC能量进行整流，所述可控制的转换器(33)将DC到DC负载施加到所述数据线(S+、S-)上，并且所述方法包括控制所述DC到DC负载以调节给所述存储设备(34)充电的速率而没有干扰所述数据线(S+、S-)上的通信。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述DC到DC负载以默认水平被施加到所述数据线(S+、S-)上，并且所述方法包括超越所述默认水平负载以增加在所述数据线(S+、S-)上的DC到DC负载以提高给所述存储设备(34)充电的速率。

14.如权利要求11所述的方法，其包括使用与所述可控制的转换器(33)连接的微控制器(22)生成影响由所述转换器(33)从所述数据线(S+、S-)捕获的电力的量的控制信号。

15.如权利要求11所述的方法，其包括通过所述数据线(S+、S-)将消息发送至与所述数据线(S+、S-)连接的其它节点(11a、11b…11n)，以使所述其它节点(11a、11b…11n)通过所述数据线(S+、S-)对所述消息作出响应，所述转换器(33)从所述响应捕获电力用于给所述存储设备(34)再充电。