CN104682999A - 智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置及方法，该装置包括分级设置的多个网络单元，每个网络单元包括一个主机和与该主机相匹配的n个分机，所述主机和n个分机之间分别通过2芯总线相连，实现主机向n个分机的整机供电及数据双向传输的功能，n为自然数。本发明所述智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置及方法，克服了现有技术中电路结构复杂、易损坏、供电功率小和适用范围窄等缺陷，实现了电路结构简单、不易损坏和能向分机大功率供电的目的。

Description

智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置及方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，大容量、多功能、低功耗、小体积的微机系统（简称智能终端）越来越普及，两个微机系统间的数据传输和供电就特别重要，早期采用RS232串行通信系统，至少要3根线，而且只能传数据，传输距离<15米，各终端电源要自己提供。后来采用RS422（4线制）或RS485（2线制），虽延长了传输距离，但也只能传数据，不能供电源。现在的USB接口可近距离传数据，也可供电源，但要4根线，且不能接错线，否则会烧坏接口设备。

现实生活中2个智能终端间的距离会相隔较远，远端的终端机常需要主终端这边供电，之间的传输线的环境千变万化，短路、接错时有发生，线路越多，干扰就越大，故障率就越高，因此发明一种简单的2线制无极性（可任意连接）、可远距离双向传输数据并可向终端设备供电的装置和方法就极为重要。

上世纪80年代美国德州仪器公司开发了M-BUS总线，该总线实现了2线数据/电源共线无极性传输，但电源仅供分机的通讯接口部分用，供电电流<1.5mA，无法向整个分机供电，总线电压24～36V，无法满足便携终端的应用。

本世纪初美国优倍公司开发了C-BUS总线，该总线电压降至15～24V，向分机的供电电流提高到20mA，但此时分机上要装一个2200uF/35V的大储能电容（其体积有1颗黑枣大小），无法满足终端微型化和大电流的需求。

以上2款总线均用硬件实现了数据与电源的共线传输，只满足向分机的通讯接口供电，分机的主体供电仍需另行解决，而且电路复杂，保护措施不完善，总线易受雷击或强电损坏，很难嵌入微小系统中。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在结构复杂、易损坏和适用范围小等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置和方法，简称T-BUS总线，以实现电路结构简单、不易损坏、能向分机大功率供电和适用范围大的目的。

本发明的第二目的在于，提出一种智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置，包括分级设置的多个网络单元，每个网络单元包括一个主机和与该主机相匹配的n个分机，所述主机和n个分机之间分别通过2芯总线相连，实现主机向n个分机的整机供电及数据双向传输的功能，n为自然数。

进一步地，以上所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置，还包括设置在每个分机入口处的极性调正模块，通过增加该模块，实现每个分机无极性地挂接在主机所在2芯总线上。

进一步地，以上所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置，还包括设置在每个网络单元主机中的通讯模块，通过该模块，主机能够与上一级微机相连，使本网络成为上一级微机的分网。

进一步地，所述2芯总线，其数据可用电压或电流方式传输。

同时，本发明采用的另一技术方案是：与以上所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置相匹配的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输方法，包括：

（1）主机1与分机1…分机n之间采用2芯总线相连，各分机并接在总线上，主机直接向各分机整机供电，n为自然数。

（2）主机与各分机间的数据采用串行双向单工方式进行传输，串行数据调制在电源线上，实现电源/数据共线传输。

进一步地，所述步骤（2），具体包括：

主机时刻监测总线状况，当遇到包含总线短路、总线冲突等故障时立刻停止供电和数据发送，确保设备不易损坏。

主机控制总线的收、发状态，系统采用单周期发送并供电与双周期接收但不供电的方式交替工作，通过提高供电频率，有效地减小分机中的储能电容，提高分机的供电能力。

进一步地，所述步骤（2），具体还包括：

主机发送数据的同时也发送同步信号，同步各分机的收/发工作，使分机能够利用芯片内廉价的RC振荡器就能准确完成接收和发送的定时工作。

进一步地，所述步骤（2），具体还包括：分机采用随机抢答的方式占用总线。一旦总线被占用，其它分机则等待下次抢答，实现分机完全一样即无内部地址码的区别，无扩展数量限制。

本发明各实施例的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置及方法，由于该装置包括分级设置的多个网络单元，每个网络单元包括一个主机和与该主机相匹配的n个分机，所述主机和n个分机之间分别通过2芯总线相连，实现主机向n个分机的整机供电及数据双向传输的功能，n为自然数。从而克服现有技术中电路结构复杂、易损坏、向分机供电功率小和适用范围窄的缺陷，实现电路结构简单、不易损坏、能向分机大功率供电和适用范围大的目的。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明中二线制数据/电源共线传输装置和方法框图；

图2为本发明中太阳能集中供热控制系统框图；

图3常规数字汽车衡结构框图；

图4为本发明中T-BUS总线数字汽车衡结构框图；

图5为本发明中二线制数据/电源共线传输装置和方法框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1～图5所示，提供了一种智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置及方法，即一种能为智能终端整机供电的二线制数据/电源共线传输装置和方法（简称T-BUS总线）。

本发明技术方案中的名词解释如下：

智能终端机是一种带通信功能的微机系统的简称，它将主终端发来的信息和命令显示和执行在远端，同时将远端采集的信息和命令返回给主终端。它是为完成特定的目的和功能而开发的专用微机系统，如带显示和键盘的人机交互终端；带输入、输出接口或执行机构的执行终端；带传感器的智能采集终端（简称数字传感器）等。本发明技术方案中将主控制终端简称为主机，将远端的分终端简称为分机。

总线中分机返回信息有2中方式：

查询方式：系统中的分机独立编号，并将编号在主机中备案，主机定时逐一询问，问到哪个分机，哪个分机才能回答。这种查询方式存在占用总线时间长、分机反应慢、通讯效率低、分机要独立编号及在主机内备案等缺陷。

随机抢答：系统中的分机无需编号和备案，各分机完全相同，分机在主机的同步信号下按规则抢占总线，未抢到的分机按规避原则等待下次抢答。这种方式减轻了主机负担，提高了分机响应速度，使总线效率更高。

本发明的技术方案，针对现有技术中存在的问题，提出了一种用软硬件结合，能向整个终端供电的二线制数据/电源共线传输装置和方法，该总线具有如下特征：

一种能为智能终端整机供电的二线制数据/电源共线传输方法，见图1：

主机1与分机1…分机n之间采用2芯总线相连，各分机并接在总线上，主机直接向各分机整机供电。

主机与各分机间的数据采用串行双向单工方式进行传输，串行数据调制在电源线上，实现数据/电源共线传输。

在上述实施例中，主机时刻监测总线状况，遇总线短路、总线冲突等故障立刻停止供电和数据发送，确保设备不易损坏。主机控制总线的收、发状态，系统采用单周期发送（供电）双周期接收（不供电）的方式交替工作，通过提高供电频率，有效地减小分机中的储能电容，提高分机的供电能力。

在上述实施例中，主机发送数据的同时也发送同步信号，同步各分机的收/发工作。使分机能够利用芯片内廉价的RC振荡器就能准确完成接收和发送的定时工作。

在上述实施例中，分机采用随机抢答的方式占用总线。一旦总线被占用，其它分机则等待下次抢答。实现分机完全一样（无内部地址码），无扩展数量限制。

本发明的技术方案，还提供了一种能为智能终端整机供电的二线制数据/电源共线传输装置，包括：

系统包含主机1和n个分机，之间通过2芯总线相连，实现主机向n个分机整机供电及数据双向传输的功能。

在上述实施例中，在各分机入口处增加“极性调正”模块，可实现分机无极性挂接在总线上。数据传输的方式可为电压传输或电流传输。主机中增加“通讯模块”，可与上一级微机相连，使本网络成为上一级微机的分网。

与现有技术相比，本发明的技术方案，至少可以达到以下有益效果：

⑴充分利用软件的灵活、智能的特点，将总线接口硬件大幅简化，实现了总线在低电压（6～12V）情况下向分机大功率供电和数据双向传输的目的。

⑵利用发送与接收快速切换的原理（将一帧长数据拆分成n个短数据发送），使分机的蓄能电容大幅减小，而分机的供电电流可达数百毫安，使微体积智能系统成为可能。

⑶分机采用总线抢答和避让技术，极大地提高了系统的反应速度，最大限度地减少总线上的数据交换量。

⑷采用周期同步技术，各终端使用廉价的片内RC振荡源也能可靠地收发总线数据。目前很多单片机芯片内都集成有RC振荡器，使系统的体积更小，可靠性更高，但就是频率值偏差较大，频率热稳定性较差。

⑸对于目前广泛使用的3V低压微机系统，总线电压可低至6V工作，可方便地嵌入便携系统中使用。

⑹采用精简的总线通讯规程，使系统的测控更加便捷，满足极小微系统的要求。

注：MBUS总线与CBUS总线因硬件电路复杂，需要专门的接口芯片才能实现数据与电源的共线传输。本发明采用少量的常规器件，在软件的配合下即完成数据与电源的共线传输。

注：MBUS总线与CBUS总线因硬件切换收/发状态需要一段延时，故采用整帧数据切换方式，即主机发送完一帧数据再切换到接收状态等待接收一帧数据后再切换到发送状态。因此每帧数据的长度受限，帧越长切换频率越低，分机中的蓄能电容也越大。本发明因硬件收发切换无延时要求，将发送与接收交替进行，对帧长度无限制，因而可显著地减小分机中的蓄能电容，提高分机的供电能力。

具体实施方式

实例1：住宅楼的太阳能集中供热控制系统：

4.1、太阳能集中供热控制系统框图如图2。

4.2、系统简介：

由于太阳能集热系统都安装在楼顶，主控终端（主机）也应安装在楼顶，使控制系统的线路减到最短；显示终端（分机）安放在各住户家中，每个显示终端配LED显示屏和操控按键。分机与主机之间仅用1根普通2芯双绞线无极性相连，组成1主机带n个分机的2线制通讯/供电系统，所有分机的电源均由主机统一供给。总线电压为12V，通讯波特率为4800，主机下行数据采用电压传输，分机上行数据采用电流传输。

主控终端带有多路温度测量模块，用于采集系统各点的温度，并依据一定的规则控制对应的水泵和阀门的启/停和开/闭，输入模块用于检测系统漏电、水箱溢出等开关量信息，作为系统保护动作的依据，主机电源为整个系统（含所有分机）提供稳定的电源。

分机用于向各住户实时显示系统的水温、水量等工作信息和状态，并将各住户的按键信息发回主控机完成相应的动作。各住户的按键动作完全是随机的，平时大部分时间是无操作的，因此采用随机抢答的方式是效率最高也是最灵敏的。

分机采用3.3V的工作电压，依显示内容和亮度的不同，分机工作电流在50mA～150mA之间，经高效开关电源转换到12V总线的电流为17～50mA，主机配12V 3A的电源可供60台分机使用。

4.3、接口工作说明

主机发送的数据经调制电路与电源一起调制在总线上，即发送数据1时，总线向分机供电；发送数据0时，总线停止供电。分机通过解调电路将对应数据解调出来，经整形及电平转换后送分机的接收端（RX端）。

当主机进入接收状态时，主机停止向分机供电。有数据返回的分机通过IN端随机抢测总线状态，当总线为空时，立即将数据调制成电流信号放到总线上，即分机发数据1时，总线中无电流；发数据0时，总线有电流。

因串行通讯的起始位为数据0电平，抢得总线的分机一旦把数据放上总线，总线即为非空状态，其它有返回数据的分机检测到总线非空时，自觉将总线放开，等待下一次返回时刻再抢总线。从而实现分机自动抢答和规避的目的。

分机的电源经“数据/电源分离器”将总线上的电源成分分离出来，经蓄能电容滤波后得到。为提高向分机供电的能力，减少蓄能电容的体积，本系统采用单周期发送，双周期接收的方式高速切换，每周期只发送或接收1个字节的数据，使接收占用总线的时间缩到最短，切换频率提到最高。软件将发送帧和接收帧按字节拆分交替发送和接收，再利用帧同步技术，确定每帧的接收时段，非返回时段的双数周期用来给分机供电，进一步提高分机的供电能力。因为大部分应用是主机发送数据长，分机返回数据短。

周期同步技术：现在很多单片微机芯片内均集成了廉价的RC振荡器，以取代外接的石英晶体振荡器，内置的RC振荡器不易受外界干扰，可靠性高，但频率偏差大，温度稳定性差，在连续的长数据通讯中易出现错步的现象，因此常用于定时要求不高的单机系统中。本系统采用主机每周期发送数据的同时，也发送周期同步信号，分机按主机的节奏每周期均修正（同步）自己的定时系统，确保发送和接收能按主机的节奏进行。因每周期只发送或接收一个字节，故各分机每个字节均得到修正，无累积误差，因此RC频偏再大，也不会出现掉步现象。

分机抢答技术：系统中各分机均相同，无内部地址编码和数量限制，各用户的按键是随机操作的，为及时响应住户的操作，有按键的分机在每一帧的返回时刻随机抢测总线状态：如总线空闲，立即抢占，将数据发回主机。如总线不空闲，说明已有分机抢占了总线，则等待下一帧的返回时刻再抢总线。主机接收分机指令后，判断其正确否？如正确则完成相应的动作后将结果发回分机，因每帧只有一台分机发送成功，所以发送成功的分机对主机的返回结果进行响应，其它分机不响应，处于正常显示状态，从而实现点对点的操作效果。

由于系统采用了精简的通讯规程和帧压缩技术，使每帧数据的长度减到最小，每帧占时70ms，每秒可收发14帧，因此即使多人同时操作，也不会有滞后的感觉。 

字节校验和帧校验及帧压缩技术：数据传输线路长，易受外部环境干扰，使接收数据出错。本系统除了采用电流环传输以提高线路的抗干扰能力外，还在软件中采用精简的通讯规程和帧压缩技术（如将多个不足8位的数据和状态，按一定规则压缩成一个8位数据），将每帧传输字节数减到最小，以提高传输的可靠性；同时增加字节奇/偶校验和帧校验字节。如校验错，则放弃本帧数据，等待重新发送，确保接收数据正确、完整。

总线短路和总线冲突监测：主机通过RX端时刻监测总线状况，发现总线短路立即停止供电，保护端口不因过载而损坏。分机发送数据前也通过IN端检测总线空否？避免2台分机同时向总线发送数据而造成总线冲突。

无极性连接：分机入口增加一个换向电路，将入口端的极性统一调正，实现无极性任意连接。

防雷及防强电干扰：在主机总线输出端口及各分机总线入口端增加防雷器件及大电流瞬态抑制二极管，提高总线的防雷及防强电侵袭能力。由于只有2根低压总线，故可用最少的防护器件达到最大的保护效果，另外电流传输器件（如光电耦合器）的耐强电能力远高于电压传输器件（如RS485），使传输总线的耐受能力大大提高，接口的可靠性也就大为提高。

实例2：数字式电子汽车衡

数字式电子汽车衡由4--32个数字传感器（智能分终端）、数字接线盒（总线）、主控智能终端（仪表）等部件组成（见图3）。传感器与接线盒装在秤体里，通过一条总线接到磅房的仪表中。传感器的计量性能在出厂前均统一校正，替换后无需再用砝码校准。仪表可直接判断各传感器的工作状况，把有问题的传感器自动报警标出，实现故障智能排查，方便维护，因此使用非常广泛。

每一个数字传感器就是一个带力学测量装置的智能终端，由主终端统一供电并与主终端进行数据交换。以往的数字传感器为减少引线数量均采用RS485通讯接口，2根通讯线加2根电源线，4根线均有极性，不能接错，否则会烧坏终端。一般数字传感器使用8～15V的电压，电流30～50mA。

如采用本专利技术，数据与电源共用2芯线，数字传感器仅需2根线，可无极性任意连接。因数字传感器使用电流较小，使用贴片钽电容就可满足蓄能的要求，使整个终端系统可嵌入传感器外壳内，满足微小体积的要求。系统框图如图4。

每个传感器内部设一地址码，主机（仪表）逐一查询问各分机（传感器）的数据，在收完所有分机数据之后将数据汇总处理后显示出来。如某台分机无信息返回，则说明该台分机出问题，可提示报警。由于分机采用2线制无极性连接，使系统的安装和维护变得简单明了，杜绝了很多出错的可能。

本发明的技术方案，一台智能终端主机与n个智能终端分机间用一根普通双绞线实现主机向所有分机整机供电的同时实现数据的双向单工传输。系统采用单周期发送（供电）双周期接收（不供电）的方式交替工作，通过提高供电频率，缩短周期长度，有效地减小分机中的蓄能电容，提高分机的供电能力。在总线电压6～12V的情况下可向分机提供数百毫安的电流。参见图5。

综上所述，T-BUS总线不仅解决了一主机与n分机之间数据双向传输的问题，同时解决了向系统所有分机大功率供电的问题，使现场的安装和维护变的更加简捷和可靠，使廉价的微小体积智能终端成为可能，市场应用前景广泛。n为自然数。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置，其特征在于，包括分级设置的多个网络单元，每个网络单元包括一个主机和与该主机相匹配的n个分机，所述主机和n个分机之间分别通过2芯总线相连，实现主机向n个分机整机供电及数据双向传输的功能，n为自然数。

2.根据权利要求1所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置，其特征在于，还包括设置在每个分机入口处的极性调正模块，通过增加该模块，实现每个分机无极性地挂接在主机所在2芯总线上。

3.根据权利要求1所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置，其特征在于，还包括设置在每个网络单元主机中的通讯模块，通过该模块，主机能够与上一级微机相连，使当前网络成为上一级微机的分网。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置，其特征在于，所述2芯总线，其数据可用电压或电流方式传输。

5.与权利要求1～4中任一项所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输装置相匹配的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输方法，其特征在于，包括：

（1）主机1与分机1…分机n之间采用2芯总线相连，各分机并接在总线上，主机直接向各分机整机供电，n为自然数；

（2）主机与各分机间的数据采用串行双向单工方式进行传输，串行数据调制在电源线上，实现数据/电源共线传输。

6.根据权利要求5所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输方法，其特征在于，所述步骤（2），具体包括：

主机时刻监测总线状况，当遇到包含总线短路、总线冲突等故障时立刻停止供电和数据发送，确保设备不易损坏；

主机控制总线的收、发状态，系统采用单周期发送并供电与双周期接收但不供电的方式交替工作，通过提高供电频率，有效地减小分机中的储能电容，提高分机的供电能力。

7.根据权利要求5所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输方法，其特征在于，所述步骤（2），具体还包括：

主机发送数据的同时也发送同步信号，同步各分机的收/发工作，使分机能够利用芯片内廉价的RC振荡器就能准确完成接收和发送的定时工作。

8.根据权利要求6或7所述的智能终端整机供电用二线制数据/电源共线传输方法，其特征在于，所述步骤（2），具体还包括：分机采用随机抢答的方式占用总线；

一旦总线被占用，其它分机则等待下次抢答，实现分机完全一样即无内部地址码的区别，无扩展数量限制。