CN108540295B - 一种单总线通信电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单总线通信的电路，包括主机和从机。主机包括电源Power、微控制器MCU1、电阻R1、电阻R2、NPN型三极管Q1。从机包括二极管D1、电容C1、NPN三极管Q2、电阻R3、微控制器MCU2。本发明能够实现单总线的通信和供电，且成本低廉，不需要专门的物理层芯片。

Description

一种单总线通信电路

技术领域

本发明涉及一种通信电路，尤其是一种单总线通信电路。

背景技术

在一些需要节约信号线资源的通信系统中，必须尽可能的减少信号线的数量，采用单总线通信是一种较好的解决方案。即两个设备的连接通过一根信号线和一根地线，而且很多通信应用中，需要通过信号线提供电源。但是常见的One Wire总线并不适合通过信号线提供电源，而且One Wire总线需要专门的芯片支持其物理层协议，实现成本较高。

有鉴于此，需要一种通过信号线提供电源和通信的单总线电路。

发明内容

为了克服现有单总线使用复杂、成本较高、需要专门芯片且不能够通过信号线提供电源的问题，本发明提供一种在单总线上供电的同时进行主从半双工通信电路。本电路实现方式简单，成本低廉，且能够通过信号线提供电源。

本发明的电路上包括主机和从机。主机和从机通过一根信号线和一根地线连接，即单总线。主机为有源设备，从机为无源设备。

主机包括电源Power、微控制器MCU1、电阻R1、电阻R2、NPN型三极管Q1。

从机包括二极管D1、电容C1、NPN型三极管Q2、电阻R3、微控制器MCU2。

主机方面，电源Power产生电源VCC给主机供电，并通过R1、信号线、D1、C1给从机供电。微控制器MCU1的GPIO2通过电阻R2和Q1的基极相连；信号线连接至MCU1的 GPIO1以及Q1的集电极，并通过R1上拉至VCC；Q1的射极连接至地。

GPIO1配置为高阻抗输入管脚，用于MCU1接收信号线的数据；GPIO2配置为输出管脚，用于MCU1向信号线发送数据。GPIO2为高电平时信号线为低电平，GPIO2为低电平时信号线为高电平。

从机方面，D1阳极和信号线连接，阴极和电容C1连接，C1另外一端连接至地，D1和C1的连接处记为VDD，用于从信号线上提取电能给从机供电。MCU2的GPIO4通过电阻R3 连接至Q2的基极。信号线连接至MCU2的GPIO3和Q2的集电极。Q2的射极接地。当信号线为高电平时，D1给C1充电，当C1电容电量足够时，可以用来给从机供电，这样可以从信号线上提取电源给设备供电。

GPIO3配置为高阻抗输入管脚，用于MCU2接收信号线的数据；GPIO4配置为输出管脚，用于MCU2向信号线发送数据。GPIO4为高电平时信号线为低电平，GPIO2为低电平时信号线为高电平。

总线处于空闲阶段时，GPIO2和GPIO4均为低电平，信号线处于高电平状态，主机电源 VCC通过R1和D1给C1充电，当VDD高于从机的工作电压后，从机可以工作。

总线处于开始阶段时，主机MCU1的GPIO2负责发送数据，从机MCU2的GPIO3负责接收数据。从机MCU2的GPIO4处于低电平状态。

总线处于主机发送数据阶段时，主机MCU1的GPIO2负责发送数据，从机MCU2的GPIO3 负责接收数据。从机MCU2的GPIO4处于低电平状态。

总线处于从机应答数据阶段时，主机MCU1的GPIO1负责接收数据，从机MCU2的GPIO4 负责发送数据。主机MCU1的GPIO2处于低电平状态。

本发明采用4bit(4比特)数据为一个传输单元对待传输数据进行编码，以信号线高电平的时间长度代表传输单元的码值。假设传输单元高电平最小单位时间长度为T_p，传输单元编码规则为：(传输单元码值+1)×T_p时长的高电平。

比如取T_p为1ms(1毫秒)，则

4b’0000编码为：(4b’0000+1)×1ms＝1ms高电平；

4b’0101编码为：(4b’0101+1)×1ms＝6ms高电平；

4b’1111编码为：(4b’1111+1)×1ms＝16ms高电平。

待传输数据按每4bit一组进行编码，每个编码为一个传输单元D，将待传输数据编码为传输单元组D₁、D₂…D_n等n个传输单元。每个传输单元D_x(x为1到n之间任意整数)的数值为4b’0000～4b’1111等16个数值中的一个，对应的其编码后的高电平时间长度为1T_p～16T_p等16个时间长度中的一个。

本发明的数据类型分为：起始符0、起始符1、起始符2、传输单元、停止符、分界符。其中：

起始符0为低电平，时间长度为T_start0；

起始符1为高电平，时间长度为T_start1；

起始符2为高电平，时间长度为T_start2；

传输单元为高电平，时间长度为(传输单元码值+1)×T_p；

停止符为高电平，时间长度为T_stop，T_stop为T_p整数倍；

分界符为低电平，时间长度为T_int。

本发明的通信过程分为4个阶段：空闲阶段、开始阶段、主机发送数据阶段、从机应答数据阶段。

空闲阶段信号线为高电平。

开始阶段由主机发起，序列为：{起始符0、起始符1、分界符、起始符2}

主机发送数据阶段由主机发起，目的在于将主机的传输单元组D₁、D₂…D_n等n个传输单元以及停止符依次发送给从机。在每个传输单元前，停止符前后均插入一个分界符，整个主机发送数据阶段的序列为：

{分界符、D₁、分界符、D₂、分界符、…D_n-1、分界符、D_n、分界符、停止符、分界符}

主机发送完最后一个分界符后进入空闲阶段，等待从机应答。如果一定时间T_delay内没有收到从机应答，则认为从机没有收到数据，主机需再次执行开始阶段以及主机发送数据阶段。

从机应答数据阶段由从机发起，目的在于将从机的传输单元组D₁、D₂…D_n等n个传输单元以及停止符依次发送给主机。在每个传输单元前，停止符前后均插入一个分界符，整个从机应答数据阶段的序列为：

{分界符、D₁、分界符、D₂、分界符、…D_n-1、分界符、D_n、分界符、停止符、分界符}

从机发送完最后一个分界符后进入空闲阶段，等待主机发送数据。

本发明的有益效果是，本方法实现了可靠的数据通信、简单方便、容易实现且成本低廉。并且适当控制分界符T_int以及传输单元最小单位时间长度T_p的值，比如T_int≤T_p，可以让信号线在整个通信过程中绝大部分时间处于高电平状态，信号线含有较高的直流分量，可以在通信的同时给设备供电。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1为信号时序图；

图2为总线执行流程示意图；

图3为电路示意图。

具体实施方式

如图1信号时序图所示，数据类型分为：起始符0、起始符1、起始符2、传输单元、停止符、分界符。其中：

起始符0为低电平，时间长度为T_start0；

起始符1为高电平，时间长度为T_start1；

起始符2为高电平，时间长度为T_start2；

传输单元为高电平，时间长度为(传输单元码值+1)×T_p；

停止符为高电平，时间长度为T_stop，T_stop为T_p整数倍；

分界符为低电平，时间长度为T_int。

本发明采用4bit数据为一个传输单元对待传输数据进行编码，以高电平的时间长度代表传输单元的码值。假设传输单元高电平最小单位时间长度为T_p，传输单元编码规则为：(传输单元码值+1)×T_p时长的高电平。

比如取T_p为1ms(1毫秒)，则

4b’0000编码为：(4b’0000+1)×1ms＝1ms高电平；

4b’0101编码为：(4b’0101+1)×1ms＝6ms高电平；

4b’1111编码为：(4b’1111+1)×1ms＝16ms高电平。

待传输数据按每4bit一组进行编码，每个编码为一个传输单元D，将待传输数据编码为传输单元组D₁、D₂…D_n等n个传输单元。每个传输单元D_x(x为1到n之间任意整数)的数值为4b’0000～4b’1111等16个数值中的一个，对应的其编码后的高电平时间长度为1T_p～16T_p等16个时间长度中的一个。

本发明的通信过程分为4个阶段：空闲阶段、开始阶段、主机发送数据阶段、从机应答数据阶段。

空闲阶段信号线为高电平。

开始阶段由主机发起，序列为：{起始符0、起始符1、分界符、起始符2}

主机发送数据阶段由主机发起，目的在于将主机的传输单元组D₁、D₂…D_n等n个传输单元以及停止符依次发送给从机。在每个传输单元前，停止符前后均插入一个分界符，整个主机发送数据阶段的序列为：

{分界符、D₁、分界符、D₂、分界符、…D_n-1、分界符、D_n、分界符、停止符、分界符}

主机发送完最后一个分界符后进入空闲阶段，等待从机应答。如果一定时间T_delay内没有收到从机应答，则认为从机没有收到数据，主机需再次执行开始阶段以及主机发送数据阶段。

从机应答数据阶段由从机发起，目的在于将从机的传输单元组D₁、D₂…D_n等n个传输单元以及停止符依次发送给主机。在每个传输单元前，停止符前后均插入一个分界符，整个从机应答数据阶段的序列为：

{分界符、D₁、分界符、D₂、分界符、…D_n-1、分界符、D_n、分界符、停止符、分界符}

从机发送完最后一个分界符后进入空闲阶段，等待主机发送数据。

由于传输单元的高电平时间长度范围在1T_p～16T_p之间，因此T_stop≥17T_p且T_stop为T_p整数倍时总线的停止符更容易识别。考虑系统的实际处理能力以及信号线高电平占空比，一般取T_delay≥T_p。

典型的，取T_start0＝T_p，T_int＝T_p，T_start1＝T_p，T_start2＝16T_p,，T_stop＝17T_p，T_delay＝20T_p。可以保证任何情况下信号线的高电平占空比大于50％。

典型的，取T_start0＝0.5T_p，T_int＝0.5T_p，T_start1＝T_p，T_start2＝16T_p,，T_stop＝17T_p，T_delay＝20T_p。可以保证任何情况下信号线的高电平占空比大于66.67％。

典型的，取T_start0＝0.25T_p，T_int＝0.25T_p，T_start1＝T_p，T_start2＝16T_p,，T_stop＝17T_p，T_delay＝20T_p。可以保证任何情况下信号线的高电平占空比大于80％。

如图2为总线执行流程示意图，执行顺序为：

1. 100，开始，总线初始化，进入101；

2. 101，总线空闲阶段，主机待传输单元组准备好后，进入102；

3. 102，开始阶段，主机将开始阶段执行完毕后进入103；

4. 103，主机发送数据阶段，主机将数据发送完毕后，进入104；

5. 104，空闲阶段，进入105；

6. 105，如果主机在T_delay时间内没有收到从机应答，则认为从机没有收到主机发送的数据，进入102，主机需再次执行开始阶段以及主机发送数据阶段；如果T_delay内收到从机应答，则进入106；

7. 106，从机应答数据阶段，从机应答数据阶段执行完毕后，进入101。

如图3电路示意图，为本发明的电路，实现方式简单，成本低廉。主机和从机通过一根信号线和一根地线连接，即单总线。主机为有源设备，从机为无源设备。

主机包括电源Power、微控制器MCU1、电阻R1、电阻R2、NPN型三极管Q1。

从机包括二极管D1、电容C1、NPN型三极管Q2、电阻R3、微控制器MCU2。

主机方面，电源Power产生电源VCC给主机供电，并通过R1、信号线、D1、C1给从机供电。微控制器MCU1的GPIO2通过电阻R2和Q1的基极相连；信号线连接至MCU1的 GPIO1以及Q1的集电极，并通过R1上拉至VCC；Q1的射极连接至地。

GPIO1配置为高阻抗输入管脚，用于MCU1接收信号线的数据；GPIO2配置为输出管脚，用于MCU1向信号线发送数据。GPIO2为高电平时信号线为低电平，GPIO2为低电平时信号线为高电平。

从机方面，D1阳极和信号线连接，阴极和电容C1连接，C1另外一端连接至地，D1和C1的连接处记为VDD，用于从信号线上提取电能给从机供电。MCU2的GPIO4通过电阻R3 连接至Q2的基极。信号线连接至MCU2的GPIO3和Q2的集电极。Q2的射极接地。当信号线为高电平时，D1给C1充电，当C1电容电量足够时，可以用来给从机供电，这样可以从信号线上提取电源给设备供电。

GPIO3配置为高阻抗输入管脚，用于MCU2接收信号线的数据；GPIO4配置为输出管脚，用于MCU2向信号线发送数据。GPIO4为高电平时信号线为低电平，GPIO2为低电平时信号线为高电平。

总线处于空闲阶段时，GPIO2和GPIO4均为低电平，信号线处于高电平状态，主机电源 VCC通过R1和D1给C1充电，当VDD高于从机的工作电压后，从机可以工作。

总线处于开始阶段时，主机MCU1的GPIO2负责发送数据，从机MCU2的GPIO3负责接收数据。从机MCU2的GPIO4处于低电平状态。

总线处于主机发送数据阶段时，主机MCU1的GPIO2负责发送数据，从机MCU2的GPIO3 负责接收数据。从机MCU2的GPIO4处于低电平状态。

总线处于从机应答数据阶段时，主机MCU1的GPIO1负责接收数据，从机MCU2的GPIO4 负责发送数据。主机MCU1的GPIO2处于低电平状态。

Claims (1)

1.一种单总线通信电路，包括主机和从机，主机和从机通过一根信号线和一根地线连接；主机包括电源Power、微控制器MCU1、电阻R1、电阻R2、NPN型三极管Q1；电源Power产生系统电源VCC，微控制器MCU1的GPIO2通过电阻R2和Q1的基极相连，信号线连接至MCU1的GPIO1以及Q1的集电极，并通过R1上拉至VCC，Q1的射极连接至地；从机包括NPN型三极管Q2、电阻R3、微控制器MCU2；MCU2的GPIO4通过电阻R3连接至Q2的基极，信号线连接至MCU2 的GPIO3和Q2的集电极，Q2的射极接地；主机MCU1的GPIO1 配置为高阻抗输入管脚，GPIO2配置为输出管脚；从机MCU2的GPIO3配置为高阻抗输入管脚，GPIO4配置为输出管脚；其特征在于：从机还包括二极管D1、电容C1；D1阳极和信号线连接，阴极和电容C1连接，C1另外一端连接至地；D1和C1的连接处记为VDD，用于从信号线上提取电能给从机供电，当信号线为高电平时，D1给C1充电，当C1电容电量足够时，可以用来给从机供电，这样可以从信号线上提取电源给设备供电。

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