CN103684947B - 一种具备远程硬复位功能的fsk通信电路及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具备远程硬复位功能的FSK通信电路及其通信方法，该FSK通信电路包括基准时钟电路、信号调制电路、信号解调电路、复位信号生成电路和总线隔离收发器。本发明还提供一种具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法。本发明通过FSK技术，将原本近距离通信的UART串行信号传输模拟化，设计实现了能够传输三态信号的现场总线通信方式，总线上的通信电路接口保持电气隔离，通信波特率4800bps，单条总线的直接通信传输距离不小于5km，所设计的FSK总线上传输的第三态信号能够实现对远程监控目标进行硬件复位，提供了及时、便捷的日常维护手段。

Description

一种具备远程硬复位功能的FSK通信电路及其通信方法

技术领域

本发明涉及工业监控现场总线通信技术领域，具体是一种具备远程硬复位功能的FSK通信电路及其通信方法。

背景技术

在计算机监控技术的通信应用领域，特别是在工业监控现场，监控目标通常分布在非常广的范围内，若采用LAN组件总线型拓扑结构，虽然可以减少电缆长度，但是增加的LAN介质及相关硬件和软件又使其系统造价攀升；若选用无线方式，对于工业监控来说，不仅造价高，其稳定性和健壮性往往又不能达到预期。为了实现对恶劣环境下的远程监控，特别是满足煤矿用环境下的远距离通信信号的本质安全特性需求，迫切需要设计出一种能够在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的现场总线通信网络，构成底层监控网络，完成现场监控目标之间的多点通信以及生产现场与外界的信息交换。串行通信方式尽管通信距离近，但却是一种通信速率可控和点对点传输的数据传输标准，辅助以完善的超时判断及纠错校验通信协议，能够实现更高层级的通信应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以UART串行通信模式为基础、具备远程硬复位功能的FSK通信电路及其通信方法，以满足煤矿用环境下的远距离通信信号的本质安全特性需求，构建工作稳定、实时性高、性能可靠、造价低廉的现场总线通信网络。

本发明的技术方案为：

一种具备远程硬复位功能的FSK通信电路，包括基准时钟电路、信号调制电路、信号解调电路、复位信号生成电路和总线隔离收发器；

所述基准时钟电路，用于输出频率为f₀的基准时钟源，所述基准时钟源为晶振产生的方波信号；所述信号调制电路，用于根据预置计数数据t将基准时钟源进行分频，形成载波频率为f_i的正弦波调制信号，表示位流数据0、1或者复位R，所述正弦波调制信号通过总线隔离收发器传输至FSK总线；所述信号解调电路，用于将通过总线隔离收发器从FSK总线上获取的载波频率为f_i的正弦波调制信号进行解调，得到串行位流数据0、1或者复位R；所述复位信号生成电路，用于在接收到信号解调电路输出的连续N个复位R脉冲后，产生复位信号启动设备硬复位；所述总线隔离收发器，用于接收信号调制电路输出的调制信号并将其传输至FSK总线上，也用于将FSK总线上传输的调制信号耦合进来并将其发送给信号解调电路。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路，所述基准时钟电路具体为6MHz的晶振电路。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路，所述信号调制电路包括四位二进制计数器、串并转换器、相位累加和加权电路、反相器和功率放大器，所述相位累加和加权电路由串并转换器的并行输出端口和RC阻容电路构成；所述四位二进制计数器，用于根据预置计数数据t将基准时钟源进行第一次分频，并将第一次分频后的时钟提供给串并转换器的串行输入端口，作为其移位控制时钟；所述串并转换器，用于将第一次分频后的时钟进行串并转换，并输入相位累加和加权电路，再经过反相器叠加，实现对基准时钟源的第二次分频，并将方波信号转换为载波频率为f_i的正弦波调制信号，所述正弦波调制信号经过功率放大器放大输出至总线隔离收发器。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路，所述信号解调电路包括无源低通滤波电路、有源帯通滤波电路、波形整定电路、分频器电路和数字解调电路；所述无源低通滤波电路，用于将通过总线隔离收发器从FSK总线上获取的载波频率为f_i的正弦波调制信号进行初级波形整定；所述有源帯通滤波电路，由运算放大器构成，用于对经过初级波形整定的正弦波调制信号进行再次信号调理；所述波形整定电路，由微分和非门电路构成，用于对经过再次信号调理的正弦波调制信号进行波形整定，整定输出具有载波频率f_i的脉冲波，所述脉冲波在一个载波周期1/f_i内对分频器电路进行一次有效复位；所述分频器电路，用于在一定的载波周期1/f_i内，完成对基准时钟源的计数；所述数字解调电路，用于将分频器电路的计数结果进行门电路逻辑处理，得到串行位流数据0、1或者复位R。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路，所述复位信号生成电路包括四位二进制计数器、微分处理电路和比较器；所述四位二进制计数器，用于复位逻辑判断，在接收到信号解调电路输出的连续8个复位R脉冲后，与之连接的外围门电路逻辑产生复位脉冲信号；

所述微分处理电路，用于通过设置自身元器件的参数来调整复位脉冲信号的脉宽；所述比较器，用于根据输入的复位脉冲信号和基准电压，产生硬件复位信号输出。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，包括以下步骤：（1）基准时钟电路输出频率为f₀的基准时钟源，所述基准时钟源为晶振产生的方波信号；（2）信号调制电路根据预置计数数据t将基准时钟源进行分频，形成载波频率为f_i的正弦波调制信号，表示位流数据0、1或者复位R，所述正弦波调制信号通过总线隔离收发器传输至FSK总线；（3）信号解调电路将通过总线隔离收发器从FSK总线上获取的载波频率为f_i的正弦波调制信号进行解调，得到串行位流数据0、1或者复位R；（4）复位信号生成电路在接收到信号解调电路输出的连续N个复位R脉冲后，产生复位信号启动设备硬复位；（5）总线隔离收发器接收信号调制电路输出的调制信号并将其传输至FSK总线上，也将FSK总线上传输的调制信号耦合进来并将其发送给信号解调电路。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，步骤（1）中，所述基准时钟电路采用6MHz的晶振电路，输出频率为6MHz的基准时钟源。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，步骤（2）中，所述信号调制电路包括四位二进制计数器、串并转换器、相位累加和加权电路、反相器和功率放大器；四位二进制计数器根据预置计数数据t将基准时钟源进行第一次分频，并将第一次分频后的时钟提供给串并转换器的串行输入端口，作为其移位控制时钟，串并转换器将第一次分频后的时钟进行串并转换，并输入相位累加和加权电路，再经过反相器叠加，实现对基准时钟源的第二次分频，并将方波信号转换为载波频率为f_i的正弦波调制信号，所述正弦波调制信号经过功率放大器放大输出至总线隔离收发器。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，步骤（3）中，所述信号解调电路包括无源低通滤波电路、有源帯通滤波电路、波形整定电路、分频器电路和数字解调电路；无源低通滤波电路将通过总线隔离收发器从FSK总线上获取的载波频率为f_i的正弦波调制信号进行初级波形整定，经过初级波形整定的正弦波调制信号进入由运算放大器构成的有源帯通滤波电路进行再次信号调理，经过再次信号调理的正弦波调制信号进入由微分和非门电路构成的波形整定电路进行波形整定，输出具有载波频率f_i的脉冲波，所述脉冲波在一个载波周期内对分频器电路进行一次有效复位，分频器电路在一定的载波周期1/f_i内，完成对基准时钟源的计数，数字解调电路将分频器电路的计数结果进行门电路逻辑处理，得到串行位流数据0、1或者复位R。

所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，步骤（4）中，所述复位信号生成电路包括用于复位逻辑判断的四位二进制计数器、微分处理电路和比较器；四位二进制计数器在接收到信号解调电路输出的连续8个复位R脉冲后，与之连接的外围门电路逻辑产生复位脉冲信号，所述复位脉冲信号经后级微分处理电路进行脉宽调整后，与基准电压一起作为比较器的输入信号，比较器产生硬件复位信号输出。

本发明通过FSK技术的现场总线，将原本近距离通信的UART串行信号传输模拟化，设计实现了能够传输三态信号的现场总线通信方式，使连接各通信终端的总线通信线路上传输的是经过调制的信号，总线上的通信电路接口保持电气隔离，实现多机通信，造价低廉，实时性较高，传输信号本质安全，通信波特率4800bps，单条总线的直接通信传输距离不小于5km，监控半径不小于5km，所设计的FSK总线上传输的第三态信号能够实现对远程监控目标进行硬件复位，提供了及时、便捷的日常维护手段。

附图说明

图1是FSK通信系统总体结构示意图；

图2是本发明的FSK通信电路结构原理框图；

图3是本发明的基准时钟电路结构框图；

图4是本发明的信号调制电路结构框图；

图5是本发明的信号解调电路结构框图；

图6是本发明的数字解调工作原理图；

图7是本发明的复位信号生成电路结构框图；

图8是本发明的总线隔离收发器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种FSK通信系统，包括主控计算机100、信息传输接口200和控制分站300。主控计算机100与信息传输接口200之间通过RS232通讯线102交互式连接，两者采用RS232串行方式通讯；信息传输接口200与控制分站300之间通过FSK总线203交互式连接，在信息传输接口200和控制分站300的内部配置有具备远程硬复位功能的FSK通信电路，使信息传输接口200与控制分站300之间的FSK总线上可以传输经调制的三态信号：‘0’、‘1’和‘复位R’。

如图2所示，一种具备远程硬复位功能的FSK通信电路，包括基准时钟电路1、信号调制电路2、信号解调电路3、复位信号生成电路4和总线隔离收发器5。

如图3所示，基准时钟电路1选用6MHz的晶振电路，由晶振源11、匹配电容12、匹配电阻13和反相器14组成，输出频率f₀=6MHz的基准时钟源，基准时钟源为方波信号。

如图4所示，信号调制电路2包括四位二进制计数器21、八位串并转换器22、相位累加和加权电路23、反相器24和功率放大器25。当需要进行数据发送时，发送使能电路生效，四位二进制计数器21根据预置的计数数据t将基准时钟源进行分频，预置的计数数据t为四位二进制的低两位，当其为00时是进行12分频，为01时是进行13分频，为10时是进行14分频。分频后的时钟提供给八位串并转换器22的串行输入端口，作为其移位控制时钟，八位串并转换器22的并行输出端口和与其连接的RC阻容电路构成相位累加和加权电路23，经反相器24叠加，进行16分频的扭环计数，实现12、13或者14分频后的16再分频，从而将方波信号转换为载波频率为f_i的正弦波调制信号，实现‘0’、‘1’、‘复位R’信号的调制，调制的信号经过可控功率放大器25输出至总线隔离收发器5。

根据如上电路原理可知，将基准时钟源标记为f₀，四位二进制计数器21预置的计数数据记为t（t=12、13或者14），八位串并转换器22的并行输出端口连接的相位累加和加权电路23经反相器24后，由16个计数脉冲构成一个完整相位周期，f₀信号经这两级分频电路后，得到的信号载波频率为f_i= f₀/（t*T）。电路中f₀=6MHz，T=16，则当四位二进制计数器21预置的计数数据t=12时，f₁=31.25KHz；t=13时，f₂=28.84KHz；t=14时，f₃=26.79KHz。用f₁=31.25KHz的正弦波调制信号表示数据‘0’，用f₂=28.84KHz的正弦波调制信号表示数据‘1’，用f₃=26.79KHz的正弦波调制信号表示‘复位R’，如表1所示：

表1

如图5所示，信号解调电路3主要由RLC无源低通滤波电路31、限幅电路32、有源帯通滤波电路33、幅度放大电路34、波形整定电路35、脉宽钳位电路36、时序控制及触发器电路37、分频器电路38和数字解调电路39组成。FSK总线203上的信号经过总线隔离收发器5，通过无源低通滤波电路31进行初级波形整定、限幅，然后进入由运算放大器组成的多路反馈有源帯通滤波电路33，经再次信号调理，再进入由微分和非门电路构成的波形整定电路35进行波形整定，整定输出一个具有一定载波周期（以1/ f₁、1/ f₂或者1/ f₃为周期）的脉冲波，该脉冲波的频率符合表1所示频率，即实现了将模拟信号转换成数字脉冲序列，该脉冲波在一个载波周期内对以6MHz基准时钟源为时钟的计数电路提供一次有效复位，将计数电路维持以一定的载波周期进行计数，计数的结果经后级门电路逻辑处理，输出串行位流信号，即实现数字解调。

如图6所示，数字解调电路39的输入是解调得到的数字脉冲序列信号，由其控制计数电路，从而达到预定计数的目的。计数电路包括两级，第一级是对基准时钟源进行16分频的分频器电路38，第二级是以1/f_i为周期的复位计数电路。具体流程为：解调得到的有效脉冲→锁相环、触发器→复位、清除计数电路输出，重新开始计数，对第二级计数电路的四位并行输出口进行逻辑处理→得到16×12个基准时钟计数并且此时又得到有效解调脉冲则证明收到数据‘0’；得到16×13个基准时钟计数并且此时又得到有效解调脉冲则证明收到数据‘1’ ，其它情况均不会输出串行位流数据；当得到16×14个基准时钟计数并且此时又得到有效解调脉冲，则经后级门电路逻辑处理后获得‘复位R’信号。综上，数字解调电路39用连续解调出的具有一定载波周期的脉冲波来控制计数电路的工作和复位，完成对6MHz基准时钟源的16×12、16×13或者16×14次计数，从而实现对‘0’、‘1’、‘复位R’信号的数字解调。此外，为了计数电路避免时序紊乱，保证对计数电路复位的脉冲在一个基准时钟源周期内完成，设置了脉宽钳位电路36和时序控制及触发器电路37，将解调脉冲波的脉宽调整为不大于1/f₀。

如图7所示，复位信号生成电路4包括四位二进制计数器41、微分处理电路42、基准电压输出电路43和比较器44。当在FSK总线上传输f₃=26.79KHz的正弦波调制信号时，FSK通信电路中的数字解调电路39产生对基准时钟源的16×14分频，该分频信号再作为用于复位逻辑判断的四位二进制计数器41的输入计数源，当连续收到8个传输比特位之后，与之相连的外围门电路逻辑产生‘复位R’脉冲信号，该‘复位R’脉冲信号经后级微分处理电路42调整，与设定的基准电压一起作为比较器44的输入信号，通过比较器44产生硬件复位信号，可以实现对FSK总线203上的控制分站300提供硬件产生的复位信号，从而实现该条总线上所有控制分站300的远程硬复位，解决了远程监控现场的维护便捷性问题。电路中通过设置四位二进制计数器41和微分处理电路42，确保复位信号生成电路4在收到连续8个解调脉冲后启动设备硬复位。由于设计了微分处理电路42，‘复位R’脉冲信号的脉宽可通过设置微分处理电路42的电阻、电容时间常数来设定，不会因f₃=26.79KHz正弦波调制信号持续时间过长而对设备复位重启产生影响。

如图8所示，FSK总线203采用带屏蔽双绞线电缆传输信号，为了实现总线信号隔离，以符合煤矿对通信总线上各连接终端的防爆性能接入要求，进行了电路本质安全设计，物理通道上的信号无极性，由在磁环上绕制漆包线构成通信总线隔离收发器5，能确保传输节点电气隔离，经功率放大的FSK信号通过总线隔离收发器5传输到FSK总线203上，接收信号也是通过总线隔离收发器5耦合进来，总线直接通信距离不小于5km。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具备远程硬复位功能的FSK通信电路，其特征在于：包括基准时钟电路、信号调制电路、信号解调电路、复位信号生成电路和总线隔离收发器；

所述基准时钟电路，用于输出频率为f₀的基准时钟源，所述基准时钟源为晶振产生的方波信号；

所述信号调制电路，用于根据预置计数数据t将基准时钟源进行分频，形成载波频率为f_i的正弦波调制信号，表示位流数据0、1或者复位R，所述正弦波调制信号通过总线隔离收发器传输至FSK总线；

所述信号解调电路，用于将通过总线隔离收发器从FSK总线上获取的载波频率为f_i的正弦波调制信号进行解调，得到串行位流数据0、1或者复位R；

所述复位信号生成电路，用于在接收到信号解调电路输出的连续N个复位R脉冲后，产生复位信号启动设备硬复位；

所述总线隔离收发器，用于接收信号调制电路输出的调制信号并将其传输至FSK总线上，也用于将FSK总线上传输的调制信号耦合进来并将其发送给信号解调电路；

所述信号调制电路包括四位二进制计数器、串并转换器、相位累加和加权电路、反相器和功率放大器，所述相位累加和加权电路由串并转换器的并行输出端口和RC阻容电路构成；

所述四位二进制计数器，用于根据预置计数数据t将基准时钟源进行第一次分频，并将第一次分频后的时钟提供给串并转换器的串行输入端口，作为其移位控制时钟；

所述串并转换器，用于将第一次分频后的时钟进行串并转换，并输入相位累加和加权电路，再经过反相器叠加，实现对基准时钟源的第二次分频，并将方波信号转换为载波频率为f_i的正弦波调制信号，所述正弦波调制信号经过功率放大器放大输出至总线隔离收发器；

所述信号解调电路包括无源低通滤波电路、有源帯通滤波电路、波形整定电路、分频器电路和数字解调电路；

所述无源低通滤波电路，用于将通过总线隔离收发器从FSK总线上获取的载波频率为f_i的正弦波调制信号进行初级波形整定；

所述有源帯通滤波电路，由运算放大器构成，用于对经过初级波形整定的正弦波调制信号进行再次信号调理；

所述波形整定电路，由微分和非门电路构成，用于对经过再次信号调理的正弦波调制信号进行波形整定，整定输出具有载波频率f_i的脉冲波，所述脉冲波在一个载波周期1/f_i内对分频器电路进行一次有效复位；

所述分频器电路，用于在一定的载波周期1/f_i内，完成对基准时钟源的计数；

所述数字解调电路，用于将分频器电路的计数结果进行门电路逻辑处理，得到串行位流数据0、1或者复位R。

2.根据权利要求1所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路，其特征在于：所述基准时钟电路具体为6MHz的晶振电路。

3.根据权利要求1所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路，其特征在于：所述复位信号生成电路包括四位二进制计数器、微分处理电路和比较器；

所述四位二进制计数器，用于复位逻辑判断，在接收到信号解调电路输出的连续8个复位R脉冲后，与之连接的外围门电路逻辑产生复位脉冲信号；

所述微分处理电路，用于通过设置自身元器件的参数来调整复位脉冲信号的脉宽；

所述比较器，用于根据输入的复位脉冲信号和基准电压，产生硬件复位信号输出。

4.根据权利要求1所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）基准时钟电路输出频率为f₀的基准时钟源，所述基准时钟源为晶振产生的方波信号；

（2）信号调制电路根据预置计数数据t将基准时钟源进行分频，形成载波频率为f_i的正弦波调制信号，表示位流数据0、1或者复位R，所述正弦波调制信号通过总线隔离收发器传输至FSK总线；

（3）信号解调电路将通过总线隔离收发器从FSK总线上获取的载波频率为f_i的正弦波调制信号进行解调，得到串行位流数据0、1或者复位R；

（4）复位信号生成电路在接收到信号解调电路输出的连续N个复位R脉冲后，产生复位信号启动设备硬复位；

（5）总线隔离收发器接收信号调制电路输出的调制信号并将其传输至FSK总线上，也将FSK总线上传输的调制信号耦合进来并将其发送给信号解调电路。

5.根据权利要求4所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，其特征在于：

步骤（1）中，所述基准时钟电路采用6MHz的晶振电路，输出频率为6MHz的基准时钟源。

6.根据权利要求4所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，其特征在于：

步骤（2）中，所述信号调制电路包括四位二进制计数器、串并转换器、相位累加和加权电路、反相器和功率放大器；

四位二进制计数器根据预置计数数据t将基准时钟源进行第一次分频，并将第一次分频后的时钟提供给串并转换器的串行输入端口，作为其移位控制时钟，串并转换器将第一次分频后的时钟进行串并转换，并输入相位累加和加权电路，再经过反相器叠加，实现对基准时钟源的第二次分频，并将方波信号转换为载波频率为f_i的正弦波调制信号，所述正弦波调制信号经过功率放大器放大输出至总线隔离收发器。

7.根据权利要求4所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，其特征在于：

步骤（3）中，所述信号解调电路包括无源低通滤波电路、有源帯通滤波电路、波形整定电路、分频器电路和数字解调电路；

无源低通滤波电路将通过总线隔离收发器从FSK总线上获取的载波频率为f_i的正弦波调制信号进行初级波形整定，经过初级波形整定的正弦波调制信号进入由运算放大器构成的有源帯通滤波电路进行再次信号调理，经过再次信号调理的正弦波调制信号进入由微分和非门电路构成的波形整定电路进行波形整定，输出具有载波频率f_i的脉冲波，所述脉冲波在一个载波周期内对分频器电路进行一次有效复位，分频器电路在一定的载波周期1/f_i内，完成对基准时钟源的计数，数字解调电路将分频器电路的计数结果进行门电路逻辑处理，得到串行位流数据0、1或者复位R。

8.根据权利要求4所述的具备远程硬复位功能的FSK通信电路的通信方法，其特征在于：

步骤（4）中，所述复位信号生成电路包括用于复位逻辑判断的四位二进制计数器、微分处理电路和比较器；

四位二进制计数器在接收到信号解调电路输出的连续8个复位R脉冲后，与之连接的外围门电路逻辑产生复位脉冲信号，所述复位脉冲信号经后级微分处理电路进行脉宽调整后，与基准电压一起作为比较器的输入信号，比较器产生硬件复位信号输出。