CN104820653A - 一种数字总线系统及其从设备物理位置自动识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种数字总线系统及其从设备物理位置自动识别方法，在不改变原有数字通讯定义的前提下，把数字总线上设备间的通讯距离这一长度物理参数，转换为与其距离对应的电压模拟信号，然后巧妙的把其加载到数字总线规范中定义的噪声容限电压区间，这样，就可以在噪声容限电压区间来传递携带距离信息的模拟电压信号，接收电路通过分析噪声容限电压区间的模拟信号，完成对基于数字总线通讯的设备间位置的自动识别与判定。

Description

一种数字总线系统及其从设备物理位置自动识别方法

技术领域

本发明属于数字信息传输领域，尤其涉及一种数字总线系统及其从设备物理位置自动识别方法。

背景技术

为了描述方便计，以典型的单主多从的数字总线系统为例，如图1所示，主设备(如微控制器等)可以通过数字总线连接n个支持该数字总线的从设备。主设备为了在通讯中能够识别每一个从设备，因此要求每一个从设备必需具有一个唯一的序列号(ID)，如u、v、......、w，这样以便在通讯中主设备能够识别出是当前数据是哪个从设备的。在一些应用情况下，这种只知道从设备序列号的情形，而不知道其具体位置的情况，也是可以直接使用的。但在另一些情况下，外部设备的物理位置比设备序列号更具有实际意义，此时则需要用某种方法建立从设备的序列号与物理位置的映射表。

一般来说，解决此类问题有两种常用方法，第一种方法是，安装前制定各从设备的安装位置与序列号的映射关系表，接着按映射关系表把各从设备接入数字总线，最后把从设备位置与序列号映射表写入主设备，或者把映射表作为配置参数写入系统。第二种方法是，先把各从设备接入数字总线，在总线连结后通过手工逐点标定核实的方法求得各节点的实际物理位置，最后把实际测定的各从设备的位置与原序列号映射表写入主设备，或者把映射表作为配置参数写入系统。只有这样，人们在使用时，才可以随时取得自己想要的位置的信息或者向想要的位置发送信息。

但实际情况是，由于序列号是芯片在出厂前写入的，而位置号可能在施工中随时有所变动，而且无论是测定、安装、还是最后的录入系统，都是纯粹的手工操作，在实际使用过程中，尤其是在一些需要经常安装、拆卸的应用中，这些过程繁复，工作量大，工作效率低且极易出错。

如果这些手工过程能够变成自动的，那将极大的减少现场工作人员的工作量，杜绝错误的发生。但是，目前市场上找不到此类问题的解决方法，也未见有人研究。通过本发明可以把上述的这些手动过程变成全自动过程，减少人为出错的机会，极大提高了生产率。

发明内容

本发明提供了一种数字总线系统中其从设备物理位置自动识别方法，以及实现自动识别数字总线系统中从设备的接入顺序，从而减少人工判别的出错的机会，极大的提高了生产效率。

为解决上述问题，本发明提供了一种数字总线系统，包括通过数字总线相连的主设备、从设备；所述主设备包括模数转换器及从设备物理位置识别单元；

其中，所述模数转换器与所述数字总线连接，模数转换器用于对各所述从设备经由数字总线发送至主设备的、噪声容限区间的模拟电压信号进行模数转换，得到表示模拟电压信号高电平和/或低电平电压值的数字电压信号，并将数字电压信号发送至从设备物理位置识别单元；

所述从设备物理位置识别单元接收所述模数转换器所发送的数字电压信号，建立各数字电压信号与各从设备之间的对应关系，并依据各对应的所述数字电压信号之间的电压值差值判断从设备具体物理位置。

进一步，每个所述从设备与所述数字线之间串联有分压电阻。

进一步，还包括恒流源，所述恒流源用于向所述数字总线提供恒定电流。

进一步，所述主设备包括第一电压输入端、模拟电压信号输入端和第一总线通讯端口；所述从设备包括第二电压输入端和第二总线通讯端口；所述数字总线连接所述第一总线通讯端口和所述第二总线通讯端口；

所述第一电压输入端和各所述从设备的第二电压输入端连接电压源；所述电压源通过恒流源连接所述数字总线；

所述模数转换器分别连接所述数字总线和从设备物理位置识别单元。

进一步，所述分压电阻最大阻值由以下公式确定：

(标准低电平噪声容限-电路实际最大低电平噪声)/N*1/I，其中，N为从设备个数，I为恒流源提供的恒定电流值。

进一步，所述主设备包括第一电压输入端、模拟电压信号输入端和第一总线通讯端口；所述从设备包括第二电压输入端和第二总线通讯端口；所述数字总线连接所述第一总线通讯端口和所述第二总线通讯端口；

所述第一电压输入端和各所述从设备的第二电压输入端连接电压源；所述电压源通过上拉电阻连接所述数字总线；

所述模数转换器分别连接所述数字总线和从设备物理位置识别单元。

本发明还提供了一种基于上述数字总线系统的从设备物理位置自动识别方法，包括：

主设备获得各从设备通过数字总线发送的、噪声容限区间的模拟电压信号，并对所述模拟电压信号进行模数转换，获得表示模拟电压信号高电平和/或低电平电压值的数字电压信号；

建立各数字电压信号与各从设备之间的对应关系；

依据各对应的所述数字电压信号之间的电压值差值判断从设备具体物理位置。

采用本发明提供的数字总线系统及其设备物理位置自动识别方法，基于信号线长度与其电阻成正比关系的原理，在不影响数据通讯的前提下，通过将从设备发送至主设备的模拟电压信号转换为表示模拟电压信号高电平和/或低电平电压值的数字电压信号，并在将数字电压信号与从设备建立一一对应关系后，利用对应电压值差值之间的电压差值判断出从设备的物理位置，实现了数字总线系统中从设备物理位置的识别，从而减少人工操作出错的机会，极大的提高了生产效率。

附图说明

图1为现有典型的单主多从数字总线系统的结构示意图；

图2为本发明数字总线系统的结构示意图；

图3为本发明第一实施例典型的1-Wire总线系统的结构示意图；

图4为本发明第二实施例典型的1-Wire总线系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下引用图表及附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明是基于以下考虑实现的：

对于数字总线系统来说，在多数情况下，数字总线上只传输上高、低两个电平基准，如果不改变通讯标准，基本上无法添加额外的信息进去。表1示出了常见电平标准与电压范围，显然，在数字正常通讯的合理范围内，电平规范中定义了较宽的噪声容限，随着半导体工艺的不断改善与进步，实际数字通讯中基本用不到这么大的噪声容限。因此，可以通过在噪声容限范围内来传输需要的模拟距离信息，这样只需牺牲部分可接受的通讯抗噪性能，来传输需要的模拟距离信息而不致于影响数字总线通讯。

表1常见电平标准与电压范围

      

对于数字总线系统来说，由于规则及种类繁杂，如果逐一论述起来比较复杂而且会掩盖了本发明的主要精神，所以我们选用一个最简单，具有典型的代表的数字总线系统，即1-wire单总线系统来时行描述。只要充分理解了1-wire总线所采用的方法，则很容易推广到其它的数字总线系统中去。

1-wire总线由一个总线主设备、多个从设备组成系统，通过一根信号线对从设备进行数据的读取。每一个符合1-Wire协议的从设备都有一个唯一的地址，主设备对各个从设备的寻址依据这64位的不同来进行。1-wire单总线适用于单个主设备系统，能够控制一个或多个从设备。主设备可以是微控制器，从设备可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。

仍以图1为例，假设各从设备1、2、......、n到主设备的信号线距离分别为L1、L2、......、Ln，则信号线的电阻分别为R1、R2、......、Rn，电流传输压降分别为ΔU1、ΔU2、......、ΔUn。

根据基本物理原理，由于同种材料的导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比；导体电组与构成它的材料密度ρ有关。公式如下：

       $R=\mathrm{\ρ}\frac{L}{S}$           ——公式①

进一步，导体中的电流强度I跟导体两端电压U成正比，跟导体的电阻R成反比。公式如下：

       $I=\frac{U}{R}$            ——公式②

根据公式①，②可得，

       $U=\frac{I\·\mathrm{\ρ}}{S}L$           ——公式③

可令，

       $K=\frac{I\·\mathrm{\ρ}}{S}$           ——公式④

根据以上公式，在通信总线材料不变(即ρ不变)以及同一根导线(横截面S不变)，且从设备为同类设备(通讯电流I不变)的情况下，那么，此时则K为一常数。因此，可得到总线压降与距离的关系如下式：

ΔU_m＝K·L_m   (1≤m≤n)    ——公式⑤

显然，通过公式⑤，可以采用每个从设备到主设备的电压降来直接求得其到主设备的总线距离。而且通过数字总线中实际传输的高低电平模拟电压来传输距离信息，可以不添加其它额外的线路。由于单总线系统中的数据总线上传输的是表示0或1的高低电平信号，在实际的数字总线的通讯过程中，这种含有通讯距离的电压信息出现在数字总线的通讯电平中，只是在正常通讯过程中往往把其当作噪声而加以忽略。因此，如果要测试该含有距离信息的电压，只需要对该电压进行解析，即可获得从设备的物理位置。

基于上述考虑，本发明提出了一种数字总线系统，如图2所示，包括通过数字总线相连的主设备、从设备；

所述主设备包括模数转换器及从设备物理位置识别单元；

其中，所述模数转换器与所述数字总线连接，模数转换器用于对各所述从设备经由数字总线发送至主设备的、噪声容限区间的模拟电压信号进行模数转换，得到表示模拟电压信号高电平和/或低电平电压值的数字电压信号，并将数字电压信号发送至从设备物理位置识别单元；

所述从设备物理位置识别单元接收所述模数转换器所发送的数字电压信号，建立各数字电压信号与各从设备之间的对应关系，并依据各对应的所述数字电压信号之间的电压值差值判断从设备具体物理位置。

以下结合实施例对本发明的数字总线系统进行详细说明。

实施例一、

在本实施例中，为了描述方便计，我们不妨以采用1-Wire总线中具有较强代表意义的DS18B20芯片作为从设备。从设备Q1～Q4与主设备P的连接方式支持两线制联接，也支持三线制联接，为了讲述比较明确，我们这里以三线制为例来说明从设备DS18B20与主设备芯片P的连接方式。

主设备P包括第一电压输入端VCC、模拟电压信号输入端ADC和第一总线通讯端口OC；从设备Q1～Q4包括第二电压输入端VCC1～VCC4和第二总线通讯端口DQ；数字总线连接第一总线通讯端口OC和第二总线通讯端口DQ；

第一电压输入端VCC和各从设备的第二电压输入端VCC1～VCC4连接电压源；电压源通过上拉电阻R连接数字总线；

在此基础上，通讯总线与主设备芯片P的ADC(模数转换器)连接在一起，这样主设备芯片P在与各从设备芯片DS18B20的通讯过程中，随着距离的增加，通路电阻会逐步增加，所以在各从设备DS18B20端发出的同样的高电平和/或低电平在CPU端测得的电压则会随距离的增大而逐渐增高，利用这一特性，在正常通讯过程中，主设备芯片P通过可通过嵌入式软件构建从设备物理位置识别单元，以接收模拟电压信号，建立各模拟电压信号与各从设备之间的对应关系，并依据模拟电压信号之间的电压差值判断从设备物理位置，从而很容易分辨出各个从设备DS18B20节点离自己的远近位置。

实施例二、

考虑到由于实际通讯中，多个从设备之间的距离可能会很近，其线路压降常常很小，由于实际通讯的电路不可能没有噪音存在，因此可能压降值因为小于正常链路干扰值而致使位置识别错误。因此，在实施例一的基础上，提出本实施例，如图4所示：

对于每个从设备芯片DS18B20和通讯总线之间串联有分压电阻R1～R4，由于存在分压电阻R1～R4，使得压降变化增大，便于识别。

进一步，由于随着距离的增加，总线上的电流会逐渐减小，会影响测试的准确性，本实施例优选的，提供一个恒流源，利用恒流源向信号线提供恒定电流的方式解决此类问题。基于实施例一，将上拉电阻替换为恒流源A，用于向数字总线提供恒定电流I，每个分压电阻阻值由以下公式确定：

(标准低电平噪声容限-电路实际最大低电平噪声)/N*1/I，其中，N为从设备个数，I为恒流源提供的恒定电流值。

例如，在正常通讯时，在常用电平标准下，小于700mV的电压均可以被识别成低电平，为了实际链路通讯可靠计，一般需要预留出约200mV～300mV的噪声容限。因此，在这种情况下，如果我们预算输出最大低电平不超过500mV，则在通讯电流为1mA的情况下，添加在通讯电路上的电阻值总和不得超过500欧，图4由于只有4个从设备DS18B20，所以采用电阻为100欧，这样就可以使输出的信号差最大而不影响通讯。

基于上述数字总线系统，本发明还提供了一种从设备物理位置自动识别方法，包括：

主设备获得各从设备通过数字总线发送的、噪声容限区间的模拟电压信号，并对所述模拟电压信号进行模数转换，获得表示模拟电压信号高电平和/或低电平电压值的数字电压信号；

建立各数字电压信号与各从设备之间的对应关系；

依据各对应的所述数字电压信号之间的电压值差值判断从设备具体物理位置。

需要说明的是，虽然内容描述中以单主多从来对本申请技术方案进行描进，但本发明并不局限于单主多从系统，而是适应于所有的数字总线系统，文中的描述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

综上所述，采用本发明提供的数字总线系统及其设备物理位置自动识别方法，基于信号线长度与其电阻成正比关系的原理，在不影响数据通讯的前提下，通过将从设备发送至主设备的模拟电压信号转换为表示模拟电压信号高电平和/或低电平电压值的数字电压信号，并在将数字电压信号与从设备建立一一对应关系后，利用对应电压值差值之间的电压差值判断出从设备的物理位置，实现了数字总线系统中从设备物理位置的识别，从而减少人工操作出错的机会，极大的提高了生产效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种数字总线系统，包括通过数字总线相连的主设备、从设备，其特征在于，所述主设备包括模数转换器及从设备物理位置识别单元；

其中，所述模数转换器与所述数字总线连接，模数转换器用于对各所述从设备经由数字总线发送至主设备的、噪声容限区间的模拟电压信号进行模数转换，得到表示模拟电压信号高电平和/或低电平电压值的数字电压信号，并将数字电压信号发送至从设备物理位置识别单元；

所述从设备物理位置识别单元接收所述模数转换器所发送的数字电压信号，建立各数字电压信号与各从设备之间的对应关系，并依据各对应的所述数字电压信号之间的电压值差值判断从设备具体物理位置。

2.根据权利要求1所述的数字总线系统，其特征在于，每个所述从设备与所述数字线之间串联有分压电阻。

3.根据权利要求2所述的数字总线系统，其特征在于，还包括恒流源，所述恒流源用于向所述数字总线提供恒定电流。

4.根据权利要求3所述的数字总线系统，其特征在于，所述主设备包括第一电压输入端、模拟电压信号输入端和第一总线通讯端口；所述从设备包括第二电压输入端和第二总线通讯端口；所述数字总线连接所述第一总线通讯端口和所述第二总线通讯端口；

所述第一电压输入端和各所述从设备的第二电压输入端连接电压源；所述电压源通过恒流源连接所述数字总线；

所述模数转换器分别连接所述数字总线和从设备物理位置识别单元。

5.根据权利要求4所述的数字总线系统，其特征在于，所述分压电阻最大阻值由以下公式确定：

(标准低电平噪声容限-电路实际最大低电平噪声)/N*1/I，其中，N为从设备个数，I为恒流源提供的恒定电流值。

6.根据权利要求1所述的数字总线系统，其特征在于，所述主设备包括第一电压输入端、模拟电压信号输入端和第一总线通讯端口；所述从设备包括第二电压输入端和第二总线通讯端口；所述数字总线连接所述第一总线通讯端口和所述第二总线通讯端口；

所述第一电压输入端和各所述从设备的第二电压输入端连接电压源；所述电压源通过上拉电阻连接所述数字总线；

所述模数转换器分别连接所述数字总线和从设备物理位置识别单元。

7.一种基于如权利要求1-6任一项数字总线系统的从设备物理位置自动识别方法，其特征在于，包括：

主设备获得各从设备通过数字总线发送的、噪声容限区间的模拟电压信号，并对所述模拟电压信号进行模数转换，获得表示模拟电压信号高电平和/或低电平电压值的数字电压信号；

建立各数字电压信号与各从设备之间的对应关系；

依据各对应的所述数字电压信号之间的电压值差值判断从设备具体物理位置。