CN105553800B - 电流环通信总线及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电流环通信总线及其通信方法。该电流环通信总线包括用于为总线上的节点提供电源的电源节点和用于通过总线进行相互通信的多个通信节点。该电源节点具有第一端和第二端。各通信节点分别具有电流输入端、电流输出端、第一级联端和第二级联端，各该通信节点中，在后节点的电流输入端连接在前节点的第一级联端，在后节点的第二级联端连接在前节点的电流输出端，且该串的首节点的电流输入端连接该电源节点的第一端，该串的末节点的电流输出端连接该电源节点的第二端，从而构成电流环。

Description

电流环通信总线及其通信方法

技术领域

本发明主要涉及总线通信方式，尤其是涉及一种电流环通信总线及其通信方法。

背景技术

通信总线用于实现芯片内部、印刷电路板各部件之间、计算机各模板之间、主机与外部设备之间以及系统与系统之间的连接和通信。

目前比较常用的通信总线包括CAN总线、1-Wire总线、4-20mA电流环。在工业现场、汽车领域以及医疗领域应用最广泛的通信总线是CAN(Controller Area Network,控制器局域网络)总线。标准CAN总线是一种通过双绞线差分信号实现节点之间交互的多主总线。但CAN总线不能够通过两条差分总线向其上的节点供电。每个节点需要配备自身的电源，或者通过总线线缆上的其他针脚单独供电。

1-Wire总线只有一条信号线串接各个共地设备，总线的主节点可以通过这条信号线向其他各从节点供电。但1-Wire总线只能是由主节点发起通信来查询从节点的状态，而各从节点只能被动等待主节点的查询，不能自主发起通信，从节点之间也不能相互通信。

4-20mA电流环是一种目前应用比较广泛的传感器专用接口。信号接收节点可以通过信号线向传感器发送器供电，发送器可以控制流过自身的电流大小是4mA或者20mA，而接收器通过电流采样就可以获取发送器所传送的数值。目前该接口还只能实现1对1的数据发送接收，数据传输只能是单向的，只适用于功能比较单一的传感器数据传输电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供电流环通信总线及其通信方法，可以使用通信总线作为总线设备的供电线，且总线上多个设备的地位平等。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电流环通信总线，包括用于为总线上的节点提供电源的电源节点和用于通过总线进行相互通信的多个通信节点。该电源节点具有第一端和第二端。各通信节点分别具有电流输入端、电流输出端、第一级联端和第二级联端，该多个通信节点中，在后节点的电流输入端连接在前节点的第一级联端，在后节点的第二级联端连接在前节点的电流输出端，该首节点的电流输入端连接该电源节点的第一端，该末节点的电流输出端连接该电源节点的第二端，从而构成电流环。

可选地，各通信节点包括电流调制器，连接于通信节点的第一级联端与第二级联端之间，根据通信节点的命令控制从第一级联端流向第二级联端的电流值大小。

可选地，各通信节点还包括前电流探测器和后电流探测器，前电流探测器连接于通信节点的电流输入端，用于检测从其电流输入端流入的电流值；后电流探测器连接于通信节点的电流输出端，用于检测流出其电流输出端的电流值。

可选地，各通信节点还包括总线协议处理器，连接该电流调制器、该前电流探测器和该后电流探测器，用于处理和通信协议相关的协议层功能。

可选地，该总线协议处理器配置为监控总线的状态，且向总线发送用于总线竞争的标记位。

可选地，该总线的状态包括没有节点发送标记位的第一状态、有一个节点发送标记位的第二状态和有两个以上节点发送标记位的第三状态。

可选地，该前电流探测器和后电流探测器均包括：采样电阻、信号衰减器、设置有第一阈值的第一比较器、设置有第二阈值的第二比较器，该第一比较器的输入端连接于该采样电阻，输出端连接于该总线协议处理器；该第二比较器的输入端经该信号衰减器连接于该采样电阻，输出端连接于该总线协议处理器，该总线协议处理器根据该电流值与第一阈值和第二阈值的比较结果识别该第一状态、第二状态和第三状态。

可选地，该前电流探测器和该后电流探测器均包括：采样电阻、设置有第三阈值的第三比较器、设置有第四阈值的第四比较器，该第三比较器和该第四比较器的输入端连接于该采样电阻，输出端连接至该总线协议处理器，该总线协议处理器根据该电流值与第三阈值和第四阈值的比较结果识别该第一状态、第二状态和第三状态。

可选地，电流环通信总线还包括用于监听总线状态的监听节点，该监听节点具有第一端、第二端和第三端，该监听节点的第一端连接该电源节点的第一端，该监听节点的第二端连接该电源节点的第二端，该监听节点的第三端连接该电流环的首节点的电流输入端。

本发明还提出一种电流环通信总线的通信方法，包括在各个通信节点控制从其第一级联端流向其第二级联端的电流值来发送信息，在各个通信节点检测从其电流输入端流入的电流值和流出其电流输出端的电流值来接收其他任一通信节点的信息。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：首先，设备之间的通信总线可以作为供电线，简化设备连接；其次，可以实现多个设备节点的级联，形成通信总线；再者，总线上的多个设备的地位平等，都可以独立发起通信，通信对象任意设定；最后任何一个设备自身发生故障，都不影响其他设备的通信，具有较强的容错性。

附图说明

图1是本发明一实施例的电流环通信总线的拓扑结构图。

图2是本发明另一实施例的电流环通信总线的拓扑结构图。

图3是本发明一实施例的电流环通信总线的电流环路示意图。

图4是本发明一实施例的通信节点内部结构图。

图5是图4所示通信节点的电流路径示意图。

图6是本发明一实施例的电流探测器结构示意图。

图7是本发明另一实施例的电流探测器结构示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明的实施例描述电流环通信总线。图1是本发明一实施例的电流环通信总线的拓扑结构图。参考图1所示，本实施例的通信总线100包括电源节点110和多个通信节点120。电源节点110用于为总线上的各个通信节点120提供电源。电源节点110能够快速响应所负载的其他节点的负载值变化，即能足够快地在不同电流输出幅度之间切换，并且保持输出电压基本不变。电源节点110具有第一端111和第二端112，分别作为正输出端和负输出端。

多个通信节点120能够通过总线进行相互通信。各个通信节点120既可以监听总线状态，也可以随时争夺总线控制权，从而向总线写数据。在此，各个通信节点120被设计为地位平等，都可发起通信。各个通信节点120是通过通信总线100获取电源为自身供电，因此不需另外配备电源线。为此，各通信节点120分别具有电流输入端、电流输出端、第一级联端和第二级联端。各通信节点120通过连接线连接成串，在图1中，通信节点标记为120a-120g，其电流输入端、电流输出端、第一级联端和第二级联端分别标记为121a-121g、124a-124g、122a-122g和123a-123g，为简化起见，部分节点的端子标号未标出。在串内的通信节点中，在后节点，例如节点120b的电流输入端121b连接在前节点，例如节点120a的第一级联端122a，节点120a的第一级联端122a为节点120b供电，在后节点120b的第二级联端123b连接在前节点120a的电流输出端124a，第二级联端123b为在前节点120a提供电流回流路径，即电流流经在前节点120a的电流输出端124a后，经过在后节点120b的第二级联端123b最终流到电源的负极；同样的，在后节点120c的电流输入端121c连接在前节点120b的第一级联端122b，在后节点120c的第二级联端123c连接在前节点的电流输出端124b；且串的首节点120a的电流输入端121a连接电源节点110的第一端111，串的末节点120g的电流输出端124g连接电源节点110的第二端112，从而构成图1所示的电流环。

需要指出的是，电流环通信总线的拓扑结构决定了总线上所有的节点都是工作于浮地状态，每个节点的“参考地”都是不同的。

图2是本发明一实施例的电流环通信总线的电流环路示意图。参考图2所示，在所构成的电流环中，电流从电源节点110的第一端111流出后，先在外圈的连接线上流动，然后可经过任一个通信节点内部流向内圈的连接线，最终返回电源节点110的第二端112。这种结构的一个优势是，任一个通信节点内部出现故障，都不会影响其它节点获取电流和信息，因此提高了总线的容错性。

各通信节点120能够控制从其第一级联端流向其第二级联端的电流值，且能够检测从其电流输入端流入的电流值和流出其电流输出端的电流值。各通信节点120之间通信的方式即是通过控制和感知电流环上的电流大小来进行的。

举例来说，通信节点120可通过动态控制自身的负载大小来精确控制第一级联端流向其第二级联端的电流值大小。由于通信节点120的主要器件都设在其第一级联端和第二级联端之间，因此从第一级联端流向第二级联端的电流也称为流过节点内部的电流。

为了感知电流大小，各通信节点120分别包括前后两个电流探测器，可以感知流入节点的电流大小。前电流探测器125连接于节点的电流输入端，用于检测从其电流输入端流入的电流值。这一电流值也是该节点及其之后的节点消耗的电流。后电流探测器126连接于节点的电流输出端，用于检测流出其电流输出端的电流值。这一电流值也是该节点及其之前的所有节点消耗的电流。

在本实施例中，简化地设置每个通信节点120所消耗的电流值只有两个值，其中较低的第一电流值对应于其向总线发送一个隐性位；较高的第二电流值对应于其向总线发送一个显性位，该显性位即为总线竞争的标记位。流过节点自身电流的增大或减小会同步反映到电流环上所有通信节点120的电流探测器上。那么当电流环上任何一个节点发送显性位导致电流增加的时候，该节点就可以从两个电流探测器上获得该信息。

例如，图2中的某个节点120c发送一个显性位，即通过控制节点自身的负载大小增大了流过节点的电流，那么流过节点120c之前的节点，例如节点120b的前电流探测器的电流就会相应增大；流过节点120c之后的节点，例如120f的后电流探测器的电流也会相应增大。这种电流的增大减小信息可以被前后所有的节点感知到，这种对总线电流的感知能力是电流环多主通信总线能够实现节点通信的物理基础。

图3是本发明另一实施例的电流环多主通信总线的拓扑结构图。参考图3所示，本实施例与图1所示实施例的不同之处在于增加了监听节点140。监听节点140不向总线发送任何数据，只监听总线状态，以完成某些其他管理任务。各通信节点120可以向监听节点140单向发送数据。监听节点140具有第一端141、第二端142和第三端143，监听节点140的第一端141连接电源节点110的第一端111，监听节点140的第二端142连接电源节点110的第二端112，监听节点140的第三端143连接通信节点串的首节点的电流输入端121a。

图4是本发明一实施例的通信节点内部结构图。参考图4所示，通信节点120内部包含两个电流探测器125、126、一个电流调制器127、一个总线协议处理器128、一个内部电源模块129以及一个节点应用电路130。

两个电流探测器125和126分别分布于节点的电流输入端121和电流输出端124，用于探测流入节点的电流值，以及流出节点的电流值。

电流调制器127连接于节点的第一级联端122与第二级联端123之间，根据节点的命令控制从第一级联端122流向第二级联端123的电流值大小。举例来说，电流调制器127可根据节点120的发出的显性位或者隐性位信息来控制流过节点内部的电流的大小。

总线协议处理器128连接该电流探测器125、126和电流调制器127，用于处理和通信协议相关的协议层功能。处理器128向应用层提供一个通信调用接口，处理和通信相关的所有底层细节。

内部电源模块129负责从电流环上获取能量，并调整成适合节点自身工作的合适的电压，可以选用的具体器件可以是LDO或者DC/DC电源IC。在内部电源模块129的前端可以设置一个整流器131，这样可以使电流的出口和入口对称起来，即使节点旋转180度，使输出和输入对调也不影响节点功能。电流流过节点的方式如图5所示。

节点应用电路130处理节点具体功能相关的应用。节点应用电路130例如是传感器以及传感器信号调理电路，信号采集电路等。

本实施例的通信总线上层的协议可以灵活选用。例如可以借助CAN协议，也可使用其它协议。下面描述示例性的通信原理。

通信节点若要发起通信，首先需要竞争总线的控制权，竞争的过程为：通信节点监控总线的状态，当检测到总线空闲状态时候，向总线上写一个显性位用于总线竞争，在发出显性位的同时，节点需要监控总线的状态，以判断是否有其他节点也在同一时间竞争总线，因此通信节点会区分以下两种状态：总线上没有节点在发送显性位的第一状态、总线上有1个节点在发送显性位的第二状态，总线上有2个或者更多个节点在发送显性位的第三状态。

当通信节点在竞争总线的时候发现总线上有2个或者多个节点发送显性位，那么就说明在同一时间有多个总线竞争者。相反，如果此时只发现一个显性位发送者，那么就是该节点自身。通信节点内部的协议处理器可配置为监控总线的状态，且向总线发送用于总线竞争的显性位，并根据总线状态判断是否获取了一个总线周期的总线控制权。

为实现上述总线竞争功能，通信节点内部的电流探测器可以实现为图6所示的结构。参考图6所示，电流探测器125或126可包含一个电流采样电阻601，一个差分放大器602，两个比较器603、604，一个信号衰减器605，一个数模转换器件606，以及一个信号缓冲器607。电流流过采样电阻601形成微弱电压差，经过差分放大器放大后分成两路，其中一路直接进入比较器603和所设定的第一级阈值进行比较，另一路经过信号衰减器605之后再进入比较器604和所设定的第二级阈值进行比较，比较的结果送入总线协议处理器128。两个比较器603、604的第一级阈值和第二级阈值由总线协议处理器128通过数模转换器件606进行动态设置，即总线协议处理器128控制该数模转换器件606输出指定幅度的直流电压，用作比较器603、604的第一级阈值和第二级阈值。在数模转换器606的输出端设置信号缓冲器607，目的在于防止DAC的输出受后端负载的影响。

本实施例的电流探测器实现了两级阈值比较的功能，当总线上没有节点发送显性位的时候，电流环上的电流值是最小的，电流值小于任何一个阈值；当总线上有一个节点发送显性位的时候，采样电阻601采到的电流值大于或等于第一级阈值，但是经过衰减之后的电流值小于第二级阈值；当总线上至少有两个节点发送显性位的时候，采样电阻601采到的电流值经过衰减之后大于或等于第二级阈值；如此，通过判断两级阈值结果，通信节点就可以在竞争总线的时候判断出是否存在总线竞争者。当多个节点检测到总线空闲，同时发起总线操作的时候，会进入一个总线竞争期，该过程与CAN总线中关于总线仲裁的方案类似，此处不再赘述。

如图6所示的通信节点内部的电流探测器结构，由于在进行阈值的动态设置时，只使用了一个数模转换器606，因此第一级阈值和第二级阈值的数值相同。

根据图3所示的电流环总线拓扑以及电流路径，总线上不同位置的从节点上流经的静态电流大小是不同的，因此每个通信节点的电流探测器上探测到的静态电流大小也是不同的。为了避免在应用过程中对每个节点单独设置阈值，本实施例采用一种动态阈值设置方法，在电流环接通电源，节点上电之后的一段固定时间内，协议处理器128采用逐步试探的办法找到一个阈值结构，恰能实现上述的阈值判断条件；如此每个节点找到的阈值都是不同的，每个节点的前后两个电流探测器上的阈值也是不同的。

为了实现前文所述的电流探测器两级阈值比较的功能，也可以采用如图7所示的另一实施例的全动态配置阈值的电流探测器结构。参考图7所示，这里电流探测器125或126可包含一个电流采样电阻701，一个差分放大器702，两个比较器703、704，两个数模转换器705、706以及两个信号缓冲器707、708。每个比较器703、704都有单独的阈值设置数模转换器705、706，即第一级阈值和第二级阈值的数值不同。第二级比较器704之前就不再需要一个信号衰减器了。电流流过采样电阻701形成微弱电压差，经过差分放大器放大后分成两路，其中一路进入比较器703和所设定的第一级阈值进行比较，另一路进入比较器704和所设定的第二级阈值进行比较，比较的结果送入总线协议处理器128。当总线上没有节点发送显性位的时候，电流环上的电流值是最小的，电流值小于任何一个阈值；当总线上有一个节点发送显性位的时候，采样电阻701采到的电流值大于或等于第一级阈值，但是小于第二级阈值；当总线上至少有两个节点发送显性位的时候，采样电阻601采到的电流值经过衰减之后大于或等于第二级阈值。在数模转换器705、706的输出端设置信号缓冲器707、708目的在于防止DAC的输出受后端负载的影响。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种电流环通信总线，包括：

用于为总线上的节点提供电源的电源节点，该电源节点具有第一端和第二端；

用于通过总线进行相互通信的多个通信节点，各通信节点分别具有电流输入端、电流输出端、第一级联端和第二级联端，该第一级联端连接该电流输入端以引入该电源节点的电流，该多个通信节点中，在后节点的电流输入端连接在前节点的第一级联端以获得供电，在后节点的第二级联端连接在前节点的电流输出端以为在前节点提供电流到该电源节点第二端的回流路径，首节点的电流输入端连接该电源节点的第一端，末节点的电流输出端连接该电源节点的第二端，从而构成电流环。

2.根据权利要求1所述的电流环通信总线，其特征在于，各通信节点包括：

电流调制器，连接于通信节点的第一级联端与第二级联端之间，根据节点的命令控制从第一级联端流向第二级联端的电流值大小。

3.根据权利要求2所述的电流环通信总线，其特征在于，各通信节点还包括：

前电流探测器，连接于通信节点的电流输入端，用于检测从其电流输入端流入的电流值；以及

后电流探测器，连接于通信节点的电流输出端，用于检测流出其电流输出端的电流值。

4.根据权利要求3所述的电流环通信总线，其特征在于，各通信节点还包括：

总线协议处理器，连接该电流调制器、该前电流探测器和该后电流探测器，用于处理和通信协议相关的协议层功能。

5.根据权利要求4所述的电流环通信总线，其特征在于，该总线协议处理器配置为监控总线的状态，且向总线发送用于总线竞争的标记位。

6.根据权利要求5所述的电流环通信总线，其特征在于，该总线的状态包括没有节点发送标记位的第一状态、有一个节点发送标记位的第二状态和有两个以上节点发送标记位的第三状态。

7.根据权利要求6所述的电流环通信总线，其特征在于，该前电流探测器和后电流探测器均包括：采样电阻，用于采集流经节点的电流值；信号衰减器，用于对该电流值进行衰减；设置有第一阈值的第一比较器、设置有第二阈值的第二比较器，该第一比较器的输入端连接于该采样电阻，输出端连接于总线协议处理器；该第二比较器的输入端经该信号衰减器连接于该采样电阻，输出端连接于该总线协议处理器，该总线协议处理器根据该电流值与该第一阈值和第二阈值的比较结果识别该第一状态、第二状态和第三状态。

8.根据权利要求6所述的电流环通信总线，其特征在于，该前电流探测器和该后电流探测器均包括：采样电阻、设置有第三阈值的第三比较器、设置有第四阈值的第四比较器，该第三比较器和该第四比较器的输入端连接于该采样电阻，输出端连接至该总线协议处理器，该总线协议处理器根据该电流值与第三阈值和第四阈值的比较结果识别该第一状态、第二状态和第三状态。

9.根据权利要求1所述的电流环通信总线，其特征在于，还包括：

用于监听总线状态的监听节点，该监听节点具有第一端、第二端和第三端，该监听节点的第一端连接该电源节点的第一端，该监听节点的第二端连接该电源节点的第二端，该监听节点的第三端连接该电流环的首节点的电流输入端。

10.一种如权利要求1所述的电流环通信总线的通信方法，包括在各个通信节点控制从其第一级联端流向其第二级联端的电流值来发送信息，在各个通信节点检测从其电流输入端流入的电流值和流出其电流输出端的电流值来接收其他任一通信节点的信息。