CN106095708A - 二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯方法与系统 - Google Patents

二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯方法与系统,所述方法利用两根通讯线,在主站上设计了电流方向选通开关,从站接收光耦的发光二极管与发送光耦的光敏三极管反向并联,在主站与从站之间实现了两条方向相反的电流环路,分别用于数据由主到从和由从到主的传递。本发明提高了电流环通讯的带载能力,提供了一个数据发送与接收的方向控制端口,不再需要复杂的程序逻辑控制,数据即可实现透明传输,具能抗干扰性强、通讯距离远、从站数量多、网络拓扑要求低、成本低的特点,可以代替RS485总线,作为采集各种仪器、仪表设备数据的通讯接口。

Description

二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯方法与系统
技术领域
[0001] 本发明涉及串行通讯技术领域,特别是涉及采用RS485接口采集仪器、仪表等设备数据的场合。背景技术
[0002] 在需要采集仪器、仪表等设备内数据的场合,多采用RS485接口,但它存在几个问题,一是施工要求高,网络拓扑结构必须为手拉手的总线式;二是要求通讯线应加屏蔽或是采用屏蔽双绞线;三是抗干扰差,为避免强电对其干扰,485总线应避免和强电走在一起;四是故障影响大,单个节点故障会造成总线瘫痪。
[0003] 电流环通讯具有抗干扰性好,传输距离远,对线材、网络拓扑要求低等优点,但目前的电流环电路也存在若干问题,如采用4根通讯线,分别完成数据的接收与发送,只能实现一对一通讯,多机通讯时电路复杂。也有采用2根通讯线,主站的接收、发送光耦与从站的接收、发送光耦串联在通讯线上形成电流环,这种方法存在两个问题,一是由于主站的接收与发送光耦串联在电流环回路里,受到光耦发光二极管正向导通电流If及光敏三极管集电极电流Ic限制,所能接入的从站数量有限,多在10个以内;二是主站或从站的接收与发送光耦不能独立完成数据的接收与发送,需要微处理器编程处理相关逻辑,才能保证电流环回路正常工作。发明内容
[0004] 为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯方法与系统。它与RS485总线一样,采用二线制,工作于一主多从模式,接入从站数量多,比RS485总线抗干扰性好,对网络拓扑结构要求低,且实现了光电隔离,从站发送与接收电路元件少,无专用收发芯片,可大大降低仪器、仪表的通讯成本,可代替RS485, 用于对仪器、仪表等设备的数据采集场合,且由于光耦的常见失效模式为开路,所以当某个节点故障时,不会影响整个总线。
[0005] 本发明通过以下技术方案实现:一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯方法,它包括一个主站以及至少一个从站,一个主站及至少一个从站之间通过两根通讯线实现两条不同的电流环路,分别用于实现数据由主站到从站和由从站到主站的传递,且在主站的直流电源通路上、数据发送通路上、以及数据接收通路上分别设置受控开关,从站的数量由直流电源的输出功率及三个受控开关的分断能力决定:即当多个从站并联接入两根通讯线时,若一主一从时流过电流环路的电流为I,则当从站数量为N且N>=1时,主站发送数据时直流电源需要输出的电流为NX I;从站发送数据时,直流电源需要输出的电流为I。
[0006] —种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,包括一个主站、至少一个从站以及连接在主站和从站之间的通讯线1、通讯线n,电流采样数据接收模块的信号输出端接至主站的接收数据端口,电流采样数据接收模块与受控开关m串联连接后与通讯线i的一端相连,从站接收模块的电流输入端与发送模块的电流输出端连接后与通讯线I的另一端相连;主站的发送数据端口与受控开关I的控制端口连接,受控开关I的一个触点接地,另一触点与通讯线n的一端相连,从站接收模块的电流输出端与发送模块的电流输入端连接后与通讯线n的另一端相连;所述通讯线I的一端和通讯线n的一端分别接入受控开关n的动端,受控开关n的不动端与直流电源相连,受控开关n的控制端与受控开关m的控制端相连后再与主站的发送接收方向控制端口相连;主站通过控制受控开关I导通或截止进行发送数据,从站通过接收模块接收数据,此时依次通过电源正极、受控开关n、通讯线1、从站接收模块、通讯线n、受控开关1、gnd组成电流环路I;从站通过控制发送模块导通与截止进行发送数据,主站通过电流采样数据接收模块接收数据,此时依次通过电源正极、受控开关n、通讯线n、从站发送模块、通讯线1、受控开关m、电流采样数据接收模块、gnd组成电流环路n,所述受控开关m和电流采样数据接收模块顺序可调;由此当数据由主站到从站和由从站到主站的传递时,分别在通讯线I和通讯线n上实现了两条方向相反的电流环路。
[0007] 所述受控开关n为单刀双掷开关,其不动端连接电源正极,两个动端分别和通讯线1、通讯线n相连,其控制端和主站的发送接收方向控制信号端口相连。
[0008] 所述单刀双掷开关由两只M0S管或三极管并联组成,或由一只触点结构为单刀双掷的继电器实现。
[0009] 所述受控开关I和受控开关m为单刀单掷开关。
[0010] 所述受控开关I为M0S管I或三极管,其控制端和主站的发送数据端口相连。
[0011] 主站的发送数据端口经光耦V隔离后连接受控开关I的控制端。
[0012] 所述受控开关m为一缓冲器/线驱动器、M0S管或三极管,其控制端和主站的发送接收方向控制信号端口相连。
[0013] 所述电流采样数据接收模块包括光耦m,光耦m的第一输入端和限流电阻n串联后连接通讯线I,其第二输入端接地,其第一输出端通过上拉电阻n与外部第二直流电源连接,其第二输出端接地。[〇〇14]从站的接收模块由光耦I与限流电阻m组成,限流电阻m与光耦I的发光二极管串联;从站的发送模块由光耦n与二极管组成,二极管与光耦n的光敏三极管串联。
[0015] 本发明与现有技术相比,具有以下明显优点:从以上描述可知,本发明在两根通讯线上实现了两条不同的电流环路,分别用于数据由主站到从站和由从站到主站的传递。当多个从站并联接入通讯线1与通讯线2时,假设一主一从时流过电流环路的电流为I,从站数量为N(N>=1),主站发送数据时,直流电源VI需要输出的电流为NX I,从站发送数据时,VI只需要输出电流I即可。因此,本发明的从站的数量由直流电源VI的输出功率及K1、K2、K3的分断能力决定,理论上可以带较多的从站。
[0016] 本发明解决了目前电流环通讯的从站接入数量少的问题,以及从站接收与发送光耦不能独立工作,需要编程处理逻辑的问题,且保留了电流环通讯具有的抗干扰性好,传输距离远,对线材、网络拓扑要求低等优点。相比于RS485,本发明无需专用的通讯芯片,且电流环通讯本身采用光耦隔离,仪器、仪表内无需再提供一路专门的隔离电源,可大大降低仪器、仪表的通讯材料成本,由于光耦的常见失效模式为开路,所以当某个节点故障时,不会影响整个总线,因此本发明解决了 RS485总线的一点故障,整个瘫痪的问题。附图说明
[0017] 图1为本发明的系统原理图。
[0018] 图2为本发明的从站接收模块MK1的原理图。
[0019] 图3为本发明的从站发送模块MK2的原理图。
[0020] 图4为本发明的实施例一公开的二线制半双工一主多从多机通讯的电路原理图。 具体实施方式
[0021] 如图1所示,一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,包括一个主站、至少一个从站以及连接在主站和从站之间的通讯线1、通讯线n,主站由受控开关I K1、 受控开关n K2、受控开关m K3、直流电源V1、电流采样数据接收模块MK3组成。电流采样数据接收模块的信号输出端接至主站的接收数据端口,电流采样数据接收模块与受控开关m 串联连接后与通讯线I的一端相连,从站接收模块的电流输入端与发送模块的电流输出端连接后与通讯线I的另一端相连;主站的发送数据端口与受控开关I的控制端口连接,受控开关I的一个触点接地,另一触点与通讯线n的一端相连,从站接收模块的电流输出端与发送模块的电流输入端连接后与通讯线n的另一端相连;所述通讯线I的一端和通讯线n的一端分别接入受控开关n的动端,受控开关n的不动端与直流电源相连,受控开关n的控制端与受控开关m的控制端相连后再与主站的发送接收方向控制端口相连;主站通过控制受控开关I导通或截止进行发送数据,从站通过接收模块接收数据,此时依次通过电源正极、受控开关n、通讯线1、从站接收模块、通讯线n、受控开关1、gnd组成电流环路I;从站通过控制发送模块导通与截止进行发送数据,主站通过电流采样数据接收模块接收数据,此时依次通过电源正极、受控开关n、通讯线n、从站发送模块、通讯线1、受控开关m、电流采样数据接收模块、gnd组成电流环路n,所述受控开关m和电流采样数据接收模块顺序可调;由此当数据由主站到从站和由从站到主站的传递时,分别在通讯线I和通讯线n上实现了两条方向相反的电流环路。[〇〇22]所述单刀双掷开关可由两只M0S管或三极管等电子开关器件(含其外围偏置器件) 并联组成,或由一只触点结构为单刀双掷的继电器实现。所述受控开关I和受控开关m为单刀单掷开关。所述受控开关I K1为一M0S管或三极管等电子开关器件。所述受控开关m为一缓冲器/线驱动器U7或M0S管或三极管等电子开关器件。
[0023]从站由接收模块MK1与发送模块MK2组成。MK1由光耦U1与限流电阻R1串联组成; MK1.1为模块的电流输入端,MK1.2为模块的电流输出端,U1的光敏三极管的导通与截止状态,对应接收数据的0或1。服2由光耦U2的光敏三极管与二极管D1串联组成;MK2.1为电流输入端,MK2.2为电流输出端,U2的发光二极管的导通与截止,对应发送数据的0或1。歷1与MK2 具有单向导通的特性,将MK1的MK1.1端与MK2的MK2.2端连接后,接入通讯线1,MK1的MK1.2 端与MK2的MK2.1端连接后,接入通讯线2,MK1与MK2为通过电流互为反向的并联关系。
[0024]如图2所示,从站的接收模块MK1由光耦U1与限流电阻R1组成,U1的发光二极管与 R2为串联关系;MK1.1定义为模块的电流输入端,MK1.2定义为模块的电流输出端。U1的发光二极管串联在电流环回路1内,当主站发送数据时将回路内电流变化转化为U1的光敏三极管的导通与截止状态,对应数据的0或1。[〇〇25]如图3所示,从站的发送模块MK2由光耦U2与二极管D1组成,U2的光敏三极管与D1 为串联关系;MK2.1定义为模块的电流输入端,MK2.2定义为模块的电流输出端,当从站发送数据时,外界通过控制U2的发光二极管的导通与截止,转化为U2的光敏三极管的导通与截止,从而改变电流环回路2的电流,对应发送数据的0或1。
[0026]如图4所示,主站的受控开关IIK2由M0S管K21,K22实现,发送接收方向控制信号端口 DIR经光耦U4隔离后一路控制K21,另一路经反向器U6反向后控制K22,保证K21与K22同时只有一个处于导通状态,实现了单刀双掷的开关结构。[〇〇27] 主站的受控开关IK1由M0S管实现,主站发送的TTL电平数据TXD1经光耦U5隔离后连接M0S管的控制端,控制K1的导通与截止。[〇〇28] 主站的受控开关m K3由一个缓冲器/线驱动器U7与电阻R10实现,U7的控制端0E 为低电平选通,高电平输出高阻态,受DIR信号控制。所述缓冲器/线驱动器U7的输入端经光耦U3隔离后连接通讯线I,其输出端通过上拉电阻R10与外部第二直流电源连接,主站的电流采样数据接收模块MK3由电阻R4、R5、光耦U3实现。光耦U3的第一输入端和限流电阻R4串联后连接通讯线I,其第二输入端接地,其第一输出端通过上拉电阻R5与外部第二直流电源连接,其第二输出端接地本发明的电流环路1为V1、K21、通讯线1、R1、U1的发光二极管、通讯线2、1(1、6冊。电流环路2为V1、K22、通讯线2、U2的光敏三极管、D1、通讯线1、R4、U3的发光二极管、GND。
[0029] 当主站发送数据时,DIR信号输出高电平,控制U7与K22截止,K21导通。当需要发送数据1时,TXD1输出高电平,控制K1截止,电流环路1内无电流,U1的光敏三极管截止,RXD2输出高电平。当发送数据〇时,TXD1输出低电平,控制K1导通,电流环路1有电流流过,U1的光敏三极管导通,RXD2输出低电平。
[0030] 当主站数据发送完毕,需要接收从站发送数据时,将DIR置为低电平,控制K22与U7 导通,K21截止。[〇〇31]当从站发送数据1时,TXD2输出高电平,光耦U2的光敏三极管截止,电流环路2内无电流,光耦U3的光敏三极管截止,RXD1为高电平。当从站发送数据0时,TXD2输出低电平,光耦U2的光敏三极管导通,电流环路2内有电流流过,光耦U3的光敏三极管导通,RXD1为低电平。
[0032]所述主站的受控开关n K2实现的开关结构为单刀双掷,K2具有一个控制端口 K2.4,用来控制单刀双掷开关的选通,进而选择不同的电流环路。[〇〇33]所述主站的受控开关I K1与m K3实现的开关结构为单刀单掷,分别具有一个控制端口K1.3与K3.3,用来控制开关的导通与关闭。[〇〇34]所述主站的电流采样数据接收模块MK3提供了三个端口,分别是电流输入端 MK3.1、电流输出端MK3.2及接收数据TTL电平输出端MK3.3。所述主站的MK3与K3为串联关系。
[0035]综上所述,本发明在不经任何程序辅助控制的情况下,基于两根通讯线实现了主站与从站之前数据的半双工透明传输。所述方法利用两根通讯线,在主站上设计了电流方向选通开关,从站接收光耦的发光二极管与发送光耦的光敏三极管反向并联,在主站与从站之间实现了两条方向相反的电流环路,分别用于数据由主到从和由从到主的传递。本发明提高了电流环通讯的带载能力,提供了一个数据发送与接收的方向控制端口,不再需要复杂的程序逻辑控制,数据即可实现透明传输,具能抗干扰性强、通讯距离远、从站数量多、 网络拓扑要求低、成本低的特点,可以代替RS485总线,作为采集各种仪器、仪表设备数据的通讯接口。
[0036]本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段,还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯方法,它包括一个主站以及至少 一个从站,其特征在于:一个主站及至少一个从站之间通过两根通讯线实现两条不同的电 流环路,分别用于实现数据由主站到从站和由从站到主站的传递,且在主站的直流电源通 路上、数据发送通路上、以及数据接收通路上分别设置受控开关,从站的数量由直流电源的 输出功率及三个受控开关的分断能力决定:即当多个从站并联接入两根通讯线时,若一主 一从时流过电流环路的电流为I,则当从站数量为N且N>=1时,主站发送数据时直流电源需 要输出的电流为N X I;从站发送数据时,直流电源需要输出的电流为I。
2.—种实现权利要求1所述的方法的二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系 统,其特征在于:包括一个主站、至少一个从站以及连接在主站和从站之间的通讯线1、通讯 线n,电流采样数据接收模块的信号输出端接至主站的接收数据端口,电流采样数据接收模 块与受控开关m串联连接后与通讯线I的一端相连,从站接收模块的电流输入端与发送模 块的电流输出端连接后与通讯线I的另一端相连;主站的发送数据端口与受控开关I (K1)的控制端口连接,受控开关I (K1)的一个触点接 地,另一触点与通讯线n的一端相连,从站接收模块的电流输出端与发送模块的电流输入 端连接后与通讯线n的另一端相连;所述通讯线I的一端和通讯线n的一端分别接入受控开关n(K2)的动端,受控开关n (K2)的不动端与直流电源相连,受控开关n(K2)的控制端与受控开关m(K3)的控制端相连 后再与主站的发送接收方向控制端口相连;主站通过控制受控开关I (K1)导通或截止进行发送数据,从站通过接收模块接收数据, 此时依次通过电源正极、受控开关n(K2)、通讯线1、从站接收模块、通讯线n、受控开关I (K1)、GND组成电流环路I;从站通过控制发送模块导通与截止进行发送数据,主站通过电流 采样数据接收模块接收数据,此时依次通过电源正极、受控开关n(K2)、通讯线n、从站发 送模块、通讯线1、受控开关m(K3)、电流采样数据接收模块、GND组成电流环路n,所述受控 开关m和电流采样数据接收模块顺序可调;由此当数据由主站到从站和由从站到主站的传 递时,分别在通讯线I和通讯线n上实现了两条方向相反的电流环路。
3.根据权利要求2所述的一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,其 特征在于:所述受控开关n (K2)为单刀双掷开关,其不动端连接电源正极,两个动端分别和 通讯线1、通讯线n相连,其控制端和主站的发送接收方向控制信号端口相连。
4.根据权利要求3所述的一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,其 特征在于:所述单刀双掷开关由两只MOS管或三极管并联组成,或由一只触点结构为单刀双 掷的继电器实现。
5.根据权利要求2所述的一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,其 特征在于:所述受控开关I(K1)和受控开关m(K3)为单刀单掷开关。
6.根据权利要求5所述的一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,其 特征在于:所述受控开关I (K1)为MOS管I或三极管,其控制端和主站的发送数据端口相连。
7.根据权利要求5所述的一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,其 特征在于:主站的发送数据端口经光耦V (U5)隔离后连接受控开关I的控制端。
8.根据权利要求5所述的一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,其特征在于:所述受控开关m (K3)为一缓冲器/线驱动器(U7)、MOS管或三极管,其控制端和主 站的发送接收方向控制信号端口相连。
9.根据权利要求2所述的一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,其 特征在于:所述电流采样数据接收模块包括光耦m(u3),光耦m(u3)的第一输入端和限流 电阻n(R4)串联后连接通讯线I,其第二输入端接地,其第一输出端通过上拉电阻n(R5)与 外部第二直流电源连接,其第二输出端接地。
10.根据权利要求2所述的一种二线制半双工一主多从多机通讯的电流环通讯系统,其 特征在于:从站的接收模块(mki)由光耦i(ui)与限流电阻m(Ri)组成,限流电阻m(Ri)与 光耦I (U1)的发光二极管串联;从站的发送模块(MK2)由光耦n (U2)与二极管(D1)组成,二 极管(D1)与光耦n(U2)的光敏三极管串联。
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