CN106294238B - 单线供电数据传输电路及传输方法 - Google Patents

单线供电数据传输电路及传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种单线供电数据传输电路及传输方法，数据控制模块根据需要传输的待发送数据来控制输出功率控制模块，从而控制负载模块所消耗或所能提供给其它电路的能量。由于负载模块的负载功率对应多个电压信号，因此，可以在保持负载功率不变的情况下，通过改变数据控制模块的输出信号，以改变上拉电阻上的电压，即改变发送数据值，同时能够避免在传输逻辑零电平时消耗存储的电能，从而实现逻辑数据的传输或者模拟信号的传输。

Description

单线供电数据传输电路及传输方法
技术领域
本发明涉及单线数据传输领域，尤其涉及一种单线供电数据传输电路及传输方法。
背景技术
电子设备中的数据交换有多种多样的协议，其中一种带上拉电阻且可供电的单线传输协议，它是一种传输数字信号的协议(比如由美国达拉斯半导体公司发明的One-Wire，OW协议)，其可以应用至个人电脑、平板电脑、手机、MP3或MP4等。由于此协议具有简单且占用管脚少等优点从而得到了广泛的应用。
但是由于上拉电阻的供电原理是上拉电阻一端接主机的电源，另一端接公共的单线数据线。主机和从机以此线来进行数据的交换，同时从机经过一个二极管和一个电容来存储从电阻上所得到的电能同时起到整流的作用。从机为了上传数据，一般的方法是通过不同阻值的电阻或使用推挽或开漏输出级，在数据线上产生不同的电压，实现数据的传输。
此方法的最大的问题是，从机的逻辑驱动不管是用推挽驱动或开漏驱动或者电阻切换驱动，都需要额外的电能。特别是由于单线传输协议系统的电能只能从单线上取得，当传输的逻辑零电平时(线上电平为低或零)，并不能提供电能，因此传输的逻辑零电平持续的时间不能太长，以免消耗完所有的所储存的电能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单线供电数据传输电路及传输方法，能够避免在传输逻辑零电平时消耗存储的电能。
为了实现上述目的，本发明提出了一种单线供电数据传输电路，用于从机和主机之间进行数据交换，包括：
上拉电阻、数据控制模块及输出功率控制模块，所述数据控制模块的输入端接待发送数据，所述数据控制模块的输出端接所述输出功率控制模块的一个输入端，所述输出功率控制模块的另一输入端接所述上拉电阻，所述输出功率控制模块的输出端接负载模块，所述上拉电阻的电压为发送数据。
进一步的，在所述的单线供电数据传输电路中，所述输出功率控制模块包括放大器、MOS器件及DC/DC转换模块，所述放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，所述放大器的输出接所述MOS器件的栅极，所述MOS器件的源极接所述DC/DC转换模块的输出端，所述DC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻。
进一步的，在所述的单线供电数据传输电路中，所述输出功率控制模块包括放大器、稳压反馈回路及DC/DC转换模块，所述放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，所述稳压反馈回路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端接地，另一端接所述放大器输出端，所述第二电阻一端接所述放大器输出端，另一端接所述DC/DC转换模块输出端，所述DC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻。
进一步的，在所述的单线供电数据传输电路中，所述输出功率控制模块包括整流放大器、MOS器件及AC/DC转换模块，所述整流放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，所述整流放大器的输出接所述MOS器件的栅极，所述MOS器件的源极接所述AC/DC转换模块的输出端，所述AC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻。
进一步的，在所述的单线供电数据传输电路中，所述输出功率控制模块包括整流放大器、稳压反馈回路及AC/DC转换模块，所述整流放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，所述稳压反馈回路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端接地，另一端接所述整流放大器输出端，所述第二电阻一端接所述整流放大器输出端，另一端接所述AC/DC转换模块输出端，所述AC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻。
进一步的，在所述的单线供电数据传输电路中，串联一低压差线性稳压器至所述AC/DC转换模块和负载模块之间。
进一步的，在所述的单线供电数据传输电路中，所述负载模块为2个，所述输出功率控制模块包括比较器、反相器、二极管、电容和2个MOS器件，所述比较器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，一个MOS管的栅极接所述比较器的输出端，漏极接一个负载模块，另一个MOS管的栅极通过所述反相器接所述比较器的输出端，漏极接另一个负载模块，所述二极管正端接所述上拉电阻，负端接所述电容的正端及两个MOS器件的源极，所述电容的负端接地。
进一步的，在所述的单线供电数据传输电路中，所述MOS器件为NMOS器件或PMOS器件。
在本发明中，还提出了一种单线供电数据传输方法，采用如上文所述的单线供电数据传输电路进行数据的传输，包括步骤：
由所述单线供电数据传输电路获得负载功率与发送数据之间的曲线关系；
由数据控制模块输入端的待发送数据调节负载功率，改变发送数据值，以进行数据传输。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，同一个负载功率对应两个发送数据值，定义其中一个发送数据值为高电平，另一个发送数据值为低电平，所述负载功率存在一个极值，所述极值对应一个发送数据值，定义极值对应的发送数据值为高电平或低电平。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，选择多个负载功率点，对应多个发送数据值，实现传输多值逻辑数据的传输。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，负载模块为2个，所述数据控制模块通过选择其中一个负载模块的开启和关闭，改变发送数据值，以进行数据传输。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，所述输出功率控制模块包括比较器、反相器和2个MOS器件，控制所述数据控制模块的输出信号始终大于或小于比较器的另一输入信号，实现负载模块的开启和关闭。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，当从机无需进行数据上传时，所述数据控制模块控制输出功率控制模块处于提供最大负载功率的状态，或者所述数据控制模块根据其它模块的耗电数据计算并优化出最佳供电的负载功率，或者从机处于休眠状态或处于最小功耗状态。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，从机以低阻下拉或功率调制下拉单线上的电压，唤醒主机，所述从机以功率调制上传数据。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，主机以低阻下拉至低电平并释放所述单线上电压，唤醒从机，从机接受主机下传数据。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，从机接收主机数据时，主机驱动单线，从机断开数据控制模块及输出功率控制模块并开启负载模块，从单线上取电。
进一步的，在所述的单线供电数据传输方法中，所述单线接多个从机，根据主机的下传数据判断是否开启从机。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：数据控制模块根据需要传输的待发送数据来控制输出功率控制模块，从而控制负载模块所消耗或所能提供给其它电路的能量。由于负载模块的负载功率对应多个电压信号，因此，可以在保持负载功率不变的情况下，通过改变数据控制模块的输出信号，以改变上拉电阻上的电压，即改变发送数据值，同时能够避免在传输逻辑零电平时消耗存储的电能，从而实现逻辑数据的传输或者模拟信号的传输。
附图说明
图1为本发明实施例一中单线供电数据传输电路的原理结构示意图；
图2为本发明实施例一中负载功率与发送数据之间的曲线图；
图3为本发明实施例一中待发送数据、输出信号及发送数据时序图；
图4为本发明实施例一中单线供电数据传输电路的结构示意图；
图5为本发明实施例二中单线供电数据传输电路的结构示意图；
图6为本发明实施例三中单线供电数据传输电路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的单线供电数据传输电路及传输方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
请参考图1，在本实施例中，提出了一种单线供电数据传输电路，用于从机和主机之间进行数据交换，包括：
上拉电阻Ru、数据控制模块(MCU)及输出功率控制模块，所述数据控制模块的输入端接待发送数据DUP，所述数据控制模块的输出端发出输出信号Vc(控制电压)，其接所述输出功率控制模块的一个输入端，所述输出功率控制模块的另一输入端接所述上拉电阻Ru，所述输出功率控制模块的输出端接负载模块，所述上拉电阻Ru的电压VIO为发送数据。
具体的，请参考图4，所述输出功率控制模块包括放大器、MOS器件及DC/DC转换模块，所述放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻Ru，所述放大器的输出接所述MOS器件的栅极，所述MOS器件的源极接所述DC/DC转换模块的输出端VDDc，所述DC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻Ru，所述负载模块可以为消耗电能的电路也可以为电能存储单元。理想的DC/DC转换模块的输入输出功率守恒。由于DC/DC转换模块的稳压作用，改变负载模块的耗电只能改变其中的电流，在本实施例中可以用NMOS管来实现，也可以是实现类似功能的双极型三极管等等。当然改变电流不限于NMOS管，也可以用PMOS管或其它混合电路来实现，此处不一一列举。
在本实施例中，所示的单线供电数据传输电路为闭环控制电路，即通过MCU产生不同的输出信号Vc，使整个反馈电路将迫使上拉电阻Ru的电压收敛至同样的值，即Vc＝VIO。
假设从主机的电源驱动值为VDD，可以推导出主机从上拉电阻Ru上所能提供给从机的功率PWR＝(VDD-VIO)*VIO。假设从机上其它电路不耗电，所提供的功率PWR和拉电阻Ru线上电压VIO的曲线关系如图2所示。其存在一个极值PWRopt，对应的位置是VIO＝VDD/2时，且曲线两边呈轴对称分布，即在非极值所提供的负载功率，相应的总是存在两个上拉电阻Ru的电压值，即VIO0和VIO1。因此可以通过改变输出信号Vc来控制上拉电阻Ru线上的电压VIO，实现功率的输送和数据的传输的优化配置。
基于上述原理，在本实施例中还提出了一种单线供电数据传输方法，采用如上文所述的单线供电数据传输电路进行数据的传输，包括步骤：
由所述单线供电数据传输电路获得负载功率与发送数据之间的曲线关系；
由数据控制模块输入端的待发送数据调节负载功率，改变发送数据值，以进行数据传输。
具体的，由图2中的曲线可以知晓，同一个负载功率对应两个发送数据值，定义其中一个发送数据值为高电平，另一个发送数据值为低电平，所述负载功率存在一个极值，所述极值对应一个发送数据值，定义极值对应的发送数据值为高电平或低电平；对于极值的定义可以由本领域技术人员根据不同的需要进行选择，在此不作限定。
当需要进行传输数据时，可以控制输出信号Vc在上拉电阻Ru线上产生不同的电压值，如图2所示，VIO1和VIO0两个电压值所对应的上拉电阻Ru所提供的负载功率都等于PWRf，此为等功率数据传输。若需发送的待发送数据为图3中的DUP，则利用上面的等功率数据传输，数据控制模块通过切换相应的输出信号Vc的值，例如为Vc1和Vc0，其中，Vc1和Vc0在上拉电阻Ru线上产生电压分别为VIO1和VIO0。例如，定义上拉电阻Ru线上电压在VIO0时为高电平，在VIO1时为低电平，如图3所示，此时即可发送对应的Vc1和Vc0数据，从而实现数据的传输。
此时不管是发送逻辑0还是逻辑1，从上拉电阻Ru上所取的电能不变，即负载功率并未发生改变。如果允许所提供的功率变化，则可以设定最大功率点所对应的上拉电阻Ru线上电压设为一逻辑电压值，并设任意一个其它功率点所对应的上拉电阻Ru线上电压为其它逻辑电压值即可。如果需要传输其它进制的数据，则可以选择多个负载功率点，对应多个发送数据值，实现在单线上传输多电压值的，比如传输三进制或四进制数据等。
当从机无需进行数据上传时，所述数据控制模块能够从单线上接收数据，所述数据控制模块控制输出功率控制模块处于提供最大负载功率的状态，或者所述数据控制模块根据其它模块的耗电数据计算并优化出最佳供电的负载功率，或者从机处于休眠状态或处于最小功耗状态。
此外，从机以低阻下拉或功率调制下拉单线上的电压，从而唤醒主机，所述从机以功率调制上传数据。主机以低阻下拉至低电平并释放所述单线上电压，从而唤醒从机，从机接受主机下传数据。低阻下拉指的是以传统的方式将从机(或主机)开漏输出或带串联开关的低阻值的一端接至上拉电阻的下端，另一端接地，并由控制模块的输出来控制它们的栅极，以此方式实现从机(或主机)的主动下拉单线上的电压。从机接收主机数据时，主机驱动单线，从机断开数据控制模块及输出功率控制模块并开启负载模块，从单线上取电。所述单线可以接多个从机，每个从机均可以根据主机的下传数据判断是否需要开启。
实施例二
请参考图5，本实施例中提出的单线供电数据传输电路与实施例一的原理相同，但区别在于：在本实施例中，所述输出功率控制模块包括整流放大器、稳压反馈回路及AC/DC转换模块，所述整流放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻Ru，所述稳压反馈回路包括第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1一端接地，另一端接所述整流放大器输出端，所述第二电阻R2一端接所述整流放大器输出端，另一端接所述AC/DC转换模块输出端，所述AC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻Ru。
在本实施例中，整流放大器及AC/DC转换模块均用于接受交流信号，从而进行功率的调节，其中稳压反馈回路可以调节输出的电压，从而改变负载功率。此外，还可以串联一低压差线性稳压器(LDO)至所述AC/DC转换模块和负载模块之间，为负载模块进行供电。
其具体的单线供电数据传输方法与实施例一相同，为了简化说明，在此不作赘述，具体可以参考实施例一。
此外，除了实施例一中输出功率控制模块包括放大器、MOS器件及DC/DC转换模块，实施例二中输出功率控制模块包括整流放大器、稳压反馈回路及AC/DC转换模块之外，实施例一和实施例二中的DC/DC转换模块和AC/DC转换模块可以互换。
即还可以是：所述输出功率控制模块包括放大器、稳压反馈回路及DC/DC转换模块，所述放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，所述稳压反馈回路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端接地，另一端接所述放大器输出端，所述第二电阻一端接所述放大器输出端，另一端接所述DC/DC转换模块输出端，所述DC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻。
或者是：所述输出功率控制模块包括整流放大器、MOS器件及AC/DC转换模块，所述整流放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，所述整流放大器的输出接所述MOS器件的栅极，所述MOS器件的源极接所述AC/DC转换模块的输出端，所述AC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻。
所述输出功率控制模块具体实现的方式可以根据本领域技术人员的公知常识作出相应的选择，可以为多种组合，在此不一一列举。
实施例三
请参考图6，本实施例中提出的单线供电数据传输电路与实施例一的原理相同，但区别在于：在本实施例中，所述负载模块为2个，所述输出功率控制模块包括比较器、反相器T、二极管D、电容C和2个MOS器件，所述比较器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻Ru，一个MOS管的栅极接所述比较器的输出端，漏极接一个负载模块(负载模块1)，另一个MOS管的栅极通过所述反相器T接所述比较器的输出端，漏极接另一个负载模块(负载模块2)，所述二极管D正端接所述上拉电阻Ru，负端接所述电容C的正端及两个MOS器件的源极，所述电容C的负端接地。
在本实施例中，所述数据控制模块通过选择其中一个负载模块的开启和关闭，改变发送数据值，以进行数据传输。所述数据控制模块控制所述数据控制模块的输出信号Vc始终大于或小于比较器的另一输入信号，如上拉电阻Ru线上电压VIO，即Vc>VIO，或Vc<VIO，从而实现其中一个负载模块的开启和关闭。
本申请的单线供电数据传输电路及传输方法可以用在任何单线传输系统中进行数据上传，比如DALLASSEMIOCNDUCTOR的OW单线传输协议系统等。此外，也可以应用于线控耳机中的按键控制。比如线控耳机中的不同的按键一般是用下拉电阻产生不同的低电平，并通过音频线中的MIC线上传主机，由主机来识别不同的电平，并出发相应的按键动作。使用本申请的电路，代替原有的电阻式按键电路，可以保证在长时间按下按键时(除了完全接地的按键以外)，在MIC线上任然可以保持一定的电压，上拉电阻的供电区域则处于图2中的VIO接近于零电压的区域，只要此电压满足所用的DC/DC转换模块的最低输入电压，仍然可以提供一定的电能给耳机。
综上，在本发明实施例提供的单线供电数据传输电路及传输方法中，数据控制模块根据需要传输的待发送数据来控制输出功率控制模块，从而控制负载模块所消耗或所能提供给其它电路的能量。由于负载模块的负载功率对应多个电压信号，因此，可以在保持负载功率不变的情况下，通过改变数据控制模块的输出信号，以改变上拉电阻上的电压，即改变发送数据值，同时能够避免在传输逻辑零电平时消耗存储的电能，从而实现逻辑数据的传输或者模拟信号的传输。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种单线供电数据传输电路，用于从机和主机之间进行数据交换，其特征在于，包括：
上拉电阻、数据控制模块及输出功率控制模块，所述数据控制模块的输入端接待发送数据，所述数据控制模块的输出端接所述输出功率控制模块的一个输入端，所述输出功率控制模块的另一输入端接所述上拉电阻，所述输出功率控制模块的输出端接负载模块，所述上拉电阻所在的单线上的电压为发送数据；
所述输出功率控制模块包括放大器、MOS器件及DC/DC转换模块，所述放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，所述放大器的输出接所述MOS器件的栅极，所述MOS器件的源极接所述DC/DC转换模块的输出端，所述DC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻；
或者，
所述输出功率控制模块包括放大器、稳压反馈回路及DC/DC转换模块，所述放大器的一个输入端接所述数据控制模块的输出端，另一个输入端接所述上拉电阻，所述稳压反馈回路包括第一电阻和第二电阻，所述第一电阻一端接地，另一端接所述放大器输出端，所述第二电阻一端接所述放大器输出端，另一端接所述DC/DC转换模块输出端，所述DC/DC转换模块的输入端接所述上拉电阻。
2.如权利要求1所述的单线供电数据传输电路，其特征在于，所述MOS器件为NMOS器件或PMOS器件。
3.一种单线供电数据传输方法，其特征在于，采用如权利要求1至2中任一项所述的单线供电数据传输电路进行数据的传输，包括步骤：
由所述单线供电数据传输电路获得负载功率与发送数据之间的曲线关系；
由数据控制模块输入端的待发送数据调节负载功率，改变发送数据值，以进行数据传输。
4.如权利要求3所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，同一个负载功率对应两个发送数据值，定义其中一个发送数据值为高电平，另一个发送数据值为低电平，所述负载功率存在一个极值，所述极值对应一个发送数据值，定义极值对应的发送数据值为高电平或低电平。
5.如权利要求3所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，选择多个负载功率点，对应多个发送数据值，实现传输多值逻辑数据的传输。
6.如权利要求3所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，负载模块为2个，所述数据控制模块通过选择其中一个负载模块的开启和关闭，改变发送数据值，以进行数据传输。
7.如权利要求6所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，所述输出功率控制模块包括比较器、反相器和2个MOS器件，控制所述数据控制模块的输出信号始终大于或小于比较器的另一输入信号，实现负载模块的开启和关闭。
8.如权利要求3所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，当从机无需进行数据上传时，所述数据控制模块控制输出功率控制模块处于提供最大负载功率的状态，或者所述数据控制模块根据其它模块的耗电数据计算并优化出最佳供电的负载功率，或者从机处于休眠状态或处于最小功耗状态。
9.如权利要求3所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，从机以低阻下拉或功率调制下拉单线上的电压，唤醒主机，所述从机以功率调制上传数据。
10.如权利要求3所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，主机以低阻下拉至低电平并释放所述单线上电压，唤醒从机，从机接受主机下传数据。
11.如权利要求3所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，从机接收主机数据时，主机驱动单线，从机断开数据控制模块及输出功率控制模块并开启负载模块，从单线上取电。
12.如权利要求3所述的单线供电数据传输方法，其特征在于，所述单线接多个从机，根据主机的下传数据判断是否开启从机。
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