CN105141341B - 混合信号单一电缆传输系统及传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种混合信号单一电缆传输系统及传输方法，所述系统包括发送模块、接收模块以及连接所述发送模块及所述接收模块的电缆；所述发送模块包括混合信号传输单元、时序控制单元及混合信号插入单元，混合信号传输单元用于将插入的所述混合信号通过所述电缆传输至所述接收模块；时序控制单元用于分配所述混合信号的插入时序；混合信号插入单元用于根据所述插入时序将对应的所述混合信号插入至所述混合信号传输单元。本发明不需要任何调制和解调设备，可以节省大量线材和人工安装成本，系统成本极低且可靠性高，易于维护和升级；同时，混合信号局限很低，几乎可以传输任何有线信号，尤其适合用于医疗领域的通信。

Description

混合信号单一电缆传输系统及传输方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种混合信号单一电缆传输系统及传输方法。

背景技术

传统的混合信号传输技术主要有电力调制PLM技术，FSK/PSK、QPSK、BPSK以及基带调制技术，基于OFDM计数的正交调制技术都可以实现单一电缆信号的混合传输。

但是，这些技术在特定条件下都存在一定的局限性。首先，这些系统需要用到的调制与解调模块成本极高；其次，这些技术难以实现，且稳定性差易受干扰，不适合远程传输，特别是在医学领域，例如手术室，其对信号辐射、电力信号干扰等都有严格限制，这些技术将受限于该些环境限制。

除此以外，很多产品开始寻求无线通信实现多信号同时传输，例如蓝牙技术，但是面对工业场所和要求苛刻的医疗场所，这些技术并不能最大程度的发挥作用。因此，如何开发一种新型的混合信号单一电缆传输系统是本领域继续要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合信号单一电缆传输系统及传输方法。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种混合信号单一电缆传输系统，包括一个发送模块、多个接收模块以及连接所述发送模块及所述多个接收模块的一根电缆，每一接收模块具有一物理地址；所述发送模块包括混合信号传输单元、时序控制单元及混合信号插入单元，混合信号传输单元用于接收到插入的所述混合信号后，卸载所述电缆中残留的负载至所述负载小于第一阈值，导通所述电缆的传输通道以将插入的所述混合信号根据所述物理地址并通过所述电缆传输至对应的所述接收模块；时序控制单元用于分配所述混合信号的插入时序；混合信号插入单元用于根据所述插入时序将对应的所述混合信号插入至所述混合信号传输单元。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述混合信号传输单元包括主电源切换开关单元、卸载单元、探测单元、混合信号切换单元及控制单元，卸载单元用于卸载所述电缆中残留的负载；探测单元用于探测所述电缆中残留的负载；混合信号切换单元用于导通所述电缆的传输通道控制单元用于控制所述主电源切换开关单元、所述卸载单元、所述探测单元及所述混合信号插入单元的工作；其中，当所述控制单元接收到待插入的所述混合信号后，所述控制单元控制所述主电源切换开关单元开启，并控制所述卸载单元及所述探测单元工作，当所述探测单元探测到所述负载小于第一阈值后，所述控制单元控制所述混合信号切换单元工作，对应的所述混合信号插入至所述传输通道。

作为本发明一实施方式的进一步改进，当所述混合信号传输至所述接收模块后，所述控制单元控制所述主电源切换开关单元关闭。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述接收模块包括混合信号探测单元及混合信号分离单元，混合信号探测单元用于识别接收到的所述混合信号并得到识别结果；混合信号分离单元用于分离并传输所述混合信号；其中，所述混合信号探测单元根据所述识别结果控制所述混合信号分离单元的开闭。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述接收模块还包括储能单元，所述储能单元包括提供所述接收模块动力电力需求的第一储能单元及提供所述接收模块自身工作需求的第二储能单元。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述接收模块还包括与所述混合信号分离单元连接的保护单元，所述保护单元用于保护所述混合信号分离单元处理后的信号。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述接收模块还包括储能单元及与所述储能单元形成单向回路的单向电力传输单元。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种混合信号单一电缆传输方法，包括步骤：

分配所述混合信号的插入时序；

根据所述插入时序插入对应的所述混合信号；

根据所述混合信号对应的接收模块的物理地址并通过一根电缆传输所述混合信号；

解析所述混合信号。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤“通过一根电缆传输所述混合信号”具体包括：

导通所述电缆的电源；

卸载并探测所述电缆残留的负载；

当所述负载小于第一阈值后，导通所述电缆的传输通道；

于所述传输通道传输所述混合信号。

作为本发明一实施方式的进一步改进，步骤“解析所述混合信号”具体包括：

接收并识别所述混合信号；

根据识别结果分离并传输所述混合信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明不需要任何调制和解调设备，可以节省大量线材和人工安装成本，系统成本极低且可靠性高，易于维护和升级；同时，混合信号局限很低，几乎可以传输任何有线信号，尤其适合用于医疗领域的通信。

附图说明

图1是本发明一实施方式的混合信号单一电缆传输系统结构框图；

图2是本发明一实施方式的发送模块结构框图；

图3是本发明一实施方式的发送模块控制电路示意图；

图4是本发明一实施方式的接收模块控制电路示意图；

图5是本发明一实施方式的储能单元电量与时间的关系图；

图6是本发明一实施方式的时分控制单元的时分信号相对于电力信号在同一时间轴上的变化图；

图7是本发明一实施方式的混合信号单一电缆传输方法步骤图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1，为本发明一实施方式的混合信号单一电缆传输系统结构示意图，所述混合信号单一电缆传输系统包括发送模块100、接收模块200以及连接所述发送模块100及所述接收模块200的电缆300。

这里，一根电缆300可以连接一个发送模块100及多个接收模块200，接收模块200的数量可多达255个，但不以此为限；电缆300可为通用的二芯屏蔽电缆或三芯不带屏蔽电缆，但不以此为限，可以根据实际情况决定；电缆300一般要求能够负载10A，且满足1000米的传输损耗小于60%，通常可以选用12~14AWG的电缆。另外，每个接收模块200都被指定相应的物理地址，如此，可依赖不同的物理地址，将混合信号插入不同的时隙以实现组网通信，例如，由单一发送模块100和多个接收模块200按照不同的物理地址可以组成小型拓扑网络，支持令牌传递或者直接点对点传输，点对点一般采用查询方式进行通信。

如图2所示，所述发送模块100包括混合信号传输单元110、时序控制单元120以及混合信号插入单元130，其中，混合信号传输单元110用于将插入的所述混合信号通过所述电缆300传输至所述发送模块200；时序控制单元120用于分配所述混合信号的插入时序；混合信号插入单元130用于根据所述插入时序将对应的所述混合信号插入至所述混合信号传输单元110。

这里，时分控制单元120由一个中心处理器构成，其用于按照特定的时间将混合信号插入，同时也可完成混合信号的切换及保护；混合信号插入单元130只要依赖时分控制单元120，将需要传送的混合信号按照特定时间先后插入到所述混合信号传输单元110中，如此，混合信号传输单元110、时序控制单元120以及混合信号插入单元130需要协同工作，按照特定需求将混合信号的传递时间进行分隔，同时需要避免混合信号之间的互相干扰，尤其是在混合信号接入的起始阶段和结束阶段。

本实施方式不需要对原始的混合信号进行任何的调制、解调或转发，可以有效保证数据的时效性，同时简化施工条件、降低成本、易于维护和升级；另外，本实施方式通过单一电缆300可以实现至少三个混合信号的同时传输而且相互不干扰，基于时分控制单元120的时分复用技术的运用可以为多个接收模块200提供可靠的混合信号的传输时隙；再者，混合信号的局限性很低，可以处理低到1K字节的低速通信，也可以传输高达850M的高速通信，即几乎可以传输任何有线信号，非常适合于医疗领域的通信。

本实施方式中，所有插入的混合信号具备自身保护装置，例如，当+/-5V交叉信号和+9V信号同时传输时，如果对-5V不加以保护，则会直接影响+9V混合信号的发送，因此每个混合信号都必须具备保护装置，必要的时候（根据不同的混合信号）还要加上信号转换装置。

如图3所示，本实施方式的混合信号传输单元110具体包括主电源切换开关单元111（包括第一主电源开关111a、第二主电源开关111b）、卸载单元112（包括第一卸载单元112a、第二卸载单元112b）、探测单元113（包括第一探测单元113a、第二探测单元113b）、控制单元114及混合信号切换单元115，其中，所述卸载单元112用于卸载所述电缆300中残留的负载，所述探测单元113用于探测所述电缆300中残留的负载，混合信号切换单元115用于切换导通所述电缆300的传输通道，所述控制单元114用于控制所述主电源切换开关单元111、所述卸载单元112、所述探测单元113、混合信号切换单元115及所述混合信号插入单元130的工作。

具体的，当所述控制单元114接收到时分控制单元120传输的时分信号后，所述控制单元114计算所述混合信号的时域占空比，当满足条件后所述控制单元114控制所述主电源切换开关单元111开启；而后（大约5ms之后）控制单元114控制所述卸载单元112及所述探测单元113工作，所述卸载单元112同时卸载电缆300中的感性及容性负载；当所述探测单元113探测到电缆300的负载小于第一阈值后，所述控制单元114控制所述混合信号切换单元115工作，电缆300对应的传输通道导通，所述混合信号插入单元130将对应的所述混合信号插入至所述传输通道，且所述混合信号最终到达输出端116（包括第一输出端116a、第二输出端116b）；当所述混合信号传输至输出端116后，所述控制单元114控制所述第一卸载单元112a处于开启状态，并控制所述主电源切换开关单元111关闭，如此，即完成了混合信号的发送过程。

由于一根电缆300中至少有两芯才能实现通信，如图3所示，所述主电源切换开关单元111、所述卸载单元112、所述探测单元113及所述输出端116均成对出现。混合信号切换单元115可以为一个，最多可以为三个，但不以此为限，可以根据供电情况合理选择。

在本实施方式中，控制单元114通过产生控制信号以控制所述主电源切换开关单元111、所述卸载单元112、所述探测单元113、混合信号切换单元115及所述混合信号插入单元130的工作；所述控制单元114为高速信号处理器，其端口处理速度应小于5微秒，处理器指令处理速度大于50MIPS，由于控制单元114和大功率的混合信号切换单元115同在一个设备内，控制单元114需要满足耐高温能力不小于125摄氏度的工业标准。

具体的，例如，电缆300中残留负载的探测由探测单元113完成，控制单元114通过向电缆300发送标准1KHz检测信号以侦听探测单元113的反馈，如果探测单元113没有任何负载或者探测到的负载已经小于第一阈值，则表示整个电缆300中容性和感性残留负载已经全部释放完毕，可以进行混合信号的传输；其中，所述第一阈值为电缆300达到可供混合信号传输状态的电缆300残留负载上限值。

在本实施方式中，所述混合信号切换单元115为高速切换开关，其主要用于产生脉冲电源，同时用于消除电缆300中的残留信号和干扰信号，以实现明显界限的混合信号传输时隙；这里，混合信号切换单元115还配备有反射信号吸收单元（未标示），由于高速时分信号为方波信号，因此或产生高次谐波叠加，同时混合信号切换单元115负载大多数为感性负载，因此有一定数值的反射信号，这些信号会影响插入的混合信号可靠性，因此需要具备反射信号吸收单元；另外，本实施方式的混合信号切换单元115可以适应不同功耗的系统，时隙间隔可由时分控制单元120自动运算得出，混合信号切换单元115易于向下扩展和兼容不同设备。

如图4所示，接收模块200包括接收端210、储能单元220（包括第一储能单元220a、第二储能单元220b）、单向电力传输单元230（包括第一单向电力传输单元230a、第二单向电力传输单元230b）、混合信号探测单元250、混合信号分离单元260（包括第一混合信号分离单元260a、第二混合信号分离单元260b）、保护单元270（包括第一保护单元270a、第二保护单元270b）。

接收端210与发送模块100的输出端116相连，用以接收发送模块100传输的混合信号。

第一储能单元220a为动力储能器，主要提供接收模块200的动力电力需求，实际运用中，可以根据设备动力系统负载情况选择不同容量的储存器，一般地，选择电容或微型可充电电池，第二储能单元220b为接收模块200自身工作的储能器，主要提供解析组件电力，这里也可以直接借助第一储能单元220a。

单向电力传输单元230与第一储能单元220a、第二储能单元220b形成单向电力/信号传输系统，即形成单向回路，单向电力传输单元230不仅能隔离电力信号，同时也能隔离混合信号，否则，单向电力传输单元230会造成吸收效应，影响混合信号质量，当没有混合信号传递时，单向电力传输单元230始终为第一储能单元220a、第二储能单元220b充电。

混合信号探测单元250用于准确识别接收到的混合信号，并根据识别结果控制相应的混合信号分离单元260的开闭，混合信号探测单元250主要通过识别所述混合信号的起始位置和结束位置来判断混合信号类型；这里，在混合信号切换单元115切换至导通对应的电缆300传输通道状态之前，一般会滞后100us后再进行混合信号传递，这样做的目的是为了让混合信号探测单元250能识别到清晰的混合信号界限。

混合信号分离单元260用于分离并传输混合信号。

保护单元270用于对对应的混合信号分离单元260中的混合信号进行保护，以防止串扰；这里，保护单元270能完成信号的后级保护，本实施方式也可加装过压、过流、雷击等保护装置以实现可靠的硬件接口能力。

具体的，当接收模块200的接收端210接收到发送模块100传输的混合信号时，混合信号探测单元250识别每个混合信号的起始位置和结束位置，且所述混合信号探测单元250根据识别结果控制对应的混合信号分离单元260进行混合信号的分离，即此时混合信号探测单元250控制对应的混合信号分离单元260开启，被分离后的混合信号通过保护单元270被传递到外接模块280（包括第一外接模块280a、第二外界模块280b），此时即完成了混合信号的接收及解析过程。

这里，需要说明的是，在整个混合信号接收及解析的过程中，主电源切换开关单元111始终处于关闭状态，此时，电缆300没有任何动力来源，负载240（包括第一负载240a、第二负载240b）依赖自带的第一储能单元220a、第二储能单元220b进行工作，这里，第一储能单元220a和/或第二储能单元220b的电量可以通过高效能转换器转换成负载240所需的电压。在第一储能单元220a、第二储能单元220b的电量消耗到下限值之前，发送模块100会再次对第一储能单元220a、第二储能单元220b进行充电，混合信号仅在依靠第一储能单元220a、第二储能单元220b供电的情况下传递，且每个混合信号都有对应的时间段来占用电缆300，如此，传递过程中不会产生混合信号的干扰或叠加。

如图5所示，为储能单元220电量与时间的关系图。图5中的P1区域表示储能单元220由充电完成到电量下降到下限值THmin的电量消耗情况， P1区域表示放电过程，P2区域表示充电过程。P1区域的消耗时间由接收模块100的负载情况计算，负载功率P=V*V/R，注意P的积分值必须小于预设的P1面积，否则可能造成系统短暂停机，导致通信失败。在混合信号传递的开始阶段，可能会出现一个断电间隙（如图5中的ts所示），该断电间隙ts很短，可忽略不计。

这里，在储能单元220的电量到达下限值THmin之前，混合信号必须传递完成，如果不能传递完成，则需要将混合信号进行分割，如图6所示，此时将混合信号传递时间分割成T2+T3，需要注意的是，T2+T3这一时间（即P1区域放电时间）也必须小于储能单元220由充电完成到电量下降到下限值THmin的时间。

如图6所示，为本发明一实施方式的时分控制单元120的时分信号相对于电力信号在同一时间轴上的变化图。T1表示充电时间，T2和T3为混合信号传递时间(即放电时间)，T4为一个完整的传递周期，几个混合信号通过时域控制在单一电缆上实现了节拍型传输。这里，为了缩短T1时间，以保证T2和T3有足够带宽进行混合信号传递，可选择低内阻超级电容或者电池作为第一储能单元220a。

继续参图6，A和B为电力信号，可以按照要求进行时域占空比的定义，形成不同节拍特征，例如ABAB或者AABB等，这样的特征同样可以被混合信号探测单元250识别形成另一个混合信号，不过这个信号信息量特别少，一般用于指示传输类型、设备故障反馈、电量等信息，不适合作为数据使用。

本发明的混合信号单一电缆传输系统特别适合用于医疗领域，但不以此为限。本发明的混合信号单一电缆传输系统可以作为医疗设备通信中的一个重要组件，这个组件将实现最方便的连接，实现设备间高可靠性通信以及方便扩展；由于只有一个接口，在医疗应用中可以很容易实现防水抗菌的功能，也可以通过触点直接将设备进行无电缆连接，极大地方便了医护人员。

如图7所示，本发明一实施方式还提供一种混合信号单一电缆传输方法，结合上述混合信号单一电缆传输系统的说明，本发明一实施方式的传输方法包括步骤：

分配所述混合信号的插入时序；

根据所述插入时序插入对应的所述混合信号；

通过电缆300传输所述混合信号；

解析所述混合信号。

本实施方式不需要对原始的混合信号进行任何的调制、解调或转发，可以有效保证数据的时效性，同时简化施工条件、降低成本、易于维护和升级；另外，本实施方式通过单一电缆300可以实现至少三个混合信号的同时传输而且相互不干扰，基于插入时序的分配可以提供可靠的混合信号的传输时隙；再者，混合信号的局限性很低，可以处理低到1K字节的低速通信，也可以传输高达850M的高速通信，即几乎可以传输任何有线信号，非常适合于医疗领域的通信。

在本实施方式中，步骤“通过电缆传输所述混合信号”具体包括：

导通所述电缆300的电源；

卸载并探测所述电缆300残留的负载；

当所述负载小于第一阈值后，导通所述电缆300的传输通道；

于所述传输通道传输所述混合信号；这里，当混合信号传输完成之后，需关闭所述电缆300的电源。

在本实施方式中，步骤“解析所述混合信号”具体包括：

接收并识别所述混合信号；

根据识别结果分离并传输所述混合信号。

这里，混合信号的解析过程可借助在混合信号发送过程中预先储存的电能进行；另外，当混合信号进行分离处理后，可通过后级保护操作避免串扰。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合信号单一电缆传输系统，其特征在于包括：

一个发送模块、多个接收模块以及连接所述发送模块及所述多个接收模块的一根电缆，每一接收模块具有一物理地址；

所述发送模块包括：

混合信号传输单元，用于接收到插入的所述混合信号后，卸载所述电缆中残留的负载至所述负载小于第一阈值，导通所述电缆的传输通道以将插入的所述混合信号根据所述物理地址并通过所述电缆传输至对应的所述接收模块；

时序控制单元，用于分配所述混合信号的插入时序；

混合信号插入单元，用于根据所述插入时序将对应的所述混合信号插入至所述混合信号传输单元。

2.根据权利要求1所述的混合信号单一电缆传输系统，其特征在于所述混合信号传输单元包括：

主电源切换开关单元；

卸载单元，用于卸载所述电缆中残留的负载；

探测单元，用于探测所述电缆中残留的负载；

混合信号切换单元，用于导通所述电缆的传输通道；

控制单元，用于控制所述主电源切换开关单元、所述卸载单元、所述探测单元及所述混合信号切换单元的工作；

其中，当所述控制单元接收到待插入的所述混合信号后，所述控制单元控制所述主电源切换开关单元开启，并控制所述卸载单元及所述探测单元工作，当所述探测单元探测到所述负载小于第一阈值后，所述控制单元控制所述混合信号切换单元工作，对应的所述混合信号插入至所述传输通道。

3.根据权利要求2所述的混合信号单一电缆传输系统，其特征在于，当所述混合信号传输至所述接收模块后，所述控制单元控制所述主电源切换开关单元关闭。

4.根据权利要求1所述的混合信号单一电缆传输系统，其特征在于所述接收模块包括：

混合信号探测单元，用于识别接收到的所述混合信号并得到识别结果；

混合信号分离单元，用于分离并传输所述混合信号；

其中，所述混合信号探测单元根据所述识别结果控制所述混合信号分离单元的开闭。

5.根据权利要求4所述的混合信号单一电缆传输系统，其特征在于所述接收模块还包括储能单元，所述储能单元包括提供所述接收模块动力电力需求的第一储能单元及提供所述接收模块自身工作需求的第二储能单元。

6.根据权利要求4所述的混合信号单一电缆传输系统，其特征在于所述接收模块还包括与所述混合信号分离单元连接的保护单元，所述保护单元用于保护所述混合信号分离单元处理后的信号。

7.根据权利要求4所述的混合信号单一电缆传输系统，其特征在于所述接收模块还包括储能单元及与所述储能单元形成单向回路的单向电力传输单元。

8.一种混合信号单一电缆传输方法，其特征在于包括步骤：

分配所述混合信号的插入时序；

根据所述插入时序插入对应的所述混合信号；

根据所述混合信号对应的接收模块的物理地址并通过一根电缆传输所述混合信号；

解析所述混合信号；

步骤“通过一根电缆传输所述混合信号”具体包括：

导通所述电缆的电源；

卸载并探测所述电缆残留的负载；

当所述负载小于第一阈值后，导通所述电缆的传输通道；

于所述传输通道传输所述混合信号。

9.根据权利要求8所述的混合信号单一电缆传输方法，其特征在于步骤“解析所述混合信号”具体包括：

接收并识别所述混合信号；

根据识别结果分离并传输所述混合信号。