CN108964717A - 基于单根控制线nrz电流编码电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单根控制线NRZ电流编码电路，包括：控制器，用于根据是否发送数据分别对应输出高电平、低电平的数字控制电压；充放电模块，其输入端连接数字控制电压，其输出端连接模拟开关的输出控制端，用于根据数字控制电压的电平高、低进行充、放电从而控制模拟开关控制端的电压；电压控制模块，连接模拟开关的第一输入端，用于输出NRZ静态电流控制电压；模拟开关，其第二输入端数字控制电压，其公共端连接压控恒流源，用于根据其控制端电平高、低对应输出数字控制电压、NRZ静态电流控制电压，控制压控恒流源在静态电流基础上实现NRZ电流编码。本发明实现主站与从站仪表通信，节约了控制器I/O线资源，提高了主站驱动从站仪表的数量。

Description

基于单根控制线NRZ电流编码电路

技术领域

本发明涉及电流编码技术领域，特别是涉及一种基于单根控制线NRZ电流编码电路。

背景技术

NRZ指的是不归零码(NRZ,Non-Return to Zero)，数字信号可以直接采用基带传输,所谓基带就是指基本频带。基带传输就是在线路中直接传送数字信号的电脉冲，这是一种最简单的传输方式，近距离通信的局域网都采用基带传输。曼彻斯特编码是NRZ的一个特例，如图1所示，为曼彻斯特电流波形，其中静态电流为系统为无数据交换时候的电流，本系统的静态电流为10毫安；曼彻斯特电流控制信号是在静态电流的基础上按规定间隔增加和减少电流值作为数据，本系统中增加或减少的电流值为9毫安，曼彻斯特电流编码信号在工业领域应用广泛，如PROFIBUS PA及FF总线物理层就是采用这种信号传输方式。

然而，传统的曼彻斯特电流输出一般需要两个控制线，一个数据线，一个控制线；其中数据线用来传送编码信号，控制线用来切换静态电流；再加上一根接收线，为了能和从站仪表通信，控制器一般需要三根I/O线，由于控制器确定后它的I/O资源就限定了。假设控制器有90根I/O线，那么最多能驱动从站的数量为90/3＝30台；如果同样的I/O资源，驱动从站只用两个I/O线，驱动的从站数量可增加至90/2＝45台，因此亟需一种基于单根控制线NRZ电流编码电路以增加主站控制器能够驱动从站数量。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于单根控制线NRZ电流编码电路，用于解决现有技术中主站与每个从站仪表之间通信都需要三根I/O线的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于单根控制线NRZ电流编码电路，适用于主站控制器采用单根控制线发送数据与切换静态电流用以驱动从站仪表，包括：

控制器，用于根据是否发送数据分别对应输出高电平、低电平的数字控制电压；

充放电模块，其输入端连接所述数字控制电压，其输出端连接模拟开关的输出控制端，用于根据所述数字控制电压的电平高、低进行充、放电从而控制所述模拟开关控制端的电压；

电压控制模块，连接所述模拟开关的第一输入端，用于向所述模拟开关输出NRZ静态电流控制电压；

模拟开关，其第二输入端所述数字控制电压，其公共端连接压控恒流源，用于根据其控制端电平高、低对应输出数字控制电压、NRZ静态电流控制电压，控制压控恒流源在静态电流基础上实现NRZ电流编码。

于本发明的一优选实施例中，所述充放电模块包括第一电阻、二极管、第二电阻与第一电容，所述第一电阻一端连接数字控制电压，其另一端连接所述二极管的正极，所述二极管的负极分别连接第二电阻的一端、第一电容的一端与模拟开关的输出控制端，所述第二电阻的另一端与第一电容的另一端并联接地。

于本发明的一优选实施例中，所述第一电容的充电时间常数远小于放电时间常数。

于本发明的一优选实施例中，所述充电时间常数为R1*C1，所述放电时间常数为R2*C1。

于本发明的一优选实施例中，所述放电时间常数应确保所述充放电模块在两个数据帧间隔时间内将第一电容的电压放电至低电平，无数据时输出静态电流。

于本发明的一优选实施例中，所述电压控制模块包括放大器、第三电阻、第四电阻与第五电阻，所述第四电阻一端连接电源电压，其另一端连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述放大器的正向输入端连接在第四、五电阻之间，其负向输入端连接放大器的输出端，该输出端输出NRZ静态电流控制电压，所述第三电阻串联在模拟开关的第一输入端与NRZ静态电流控制电压。

于本发明的一优选实施例中，所述模拟开关的电源端连接电源电压，所述模拟开关的接地端接地。

于本发明的一优选实施例中，所述模拟开关的电源端并联有第二电容。

于本发明的一优选实施例中，所述控制器采用磁隔离器件发送数字控制电压分别至充放电模块与模拟开关。

于本发明的一优选实施例中，所述从站仪表采用压控恒流源输出的NRZ电流编码实现数据通信。

如上所述，本发明的基于单根控制线NRZ电流编码电路，具有以下有益效果：

相比原来主站控制器需三根I/O线与从站仪表实现通信，本申请采用单根控制线实现主站与从站仪表通信，在保障了数据发送与静态电流切换的功能基础上，大大节约了控制器I/O线资源，大幅度提高了主站驱动从站仪表的数量。

附图说明

图1显示为本发中明曼彻斯特电流波形图；

图2显示为本发明采用单根控制线NRZ电流编码电路结构框图；

图3显示为本发明本发明基于单根控制线NRZ电流编码电路的电路图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图2，为本发明采用单根控制线NRZ电流编码电路结构框图，适用于主站控制器采用单根控制线发送数据与切换静态电流用以驱动从站仪表，包括：

控制器，用于根据是否发送数据分别对应输出高电平、低电平的数字控制电压；

充放电模块，其输入端连接所述数字控制电压，其输出端连接模拟开关的输出控制端，用于根据所述数字控制电压的电平高、低进行充、放电从而控制所述模拟开关控制端的电压；

电压控制模块，连接所述模拟开关的第一输入端，用于向所述模拟开关输出NRZ静态电流控制电压；

模拟开关，其第二输入端所述数字控制电压，其公共端连接压控恒流源，用于根据其控制端电平高、低对应输出数字控制电压、NRZ静态电流控制电压，控制压控恒流源在静态电流基础上实现NRZ电流编码。

在本实施例中，主站控制器由原来的三根I/O线变成了现在的两根I/O线驱动从站仪表，由于接收线未改变，两个控制线(一个数据线，一个控制线)缩减为一根控制线；既传送编码信号又切换静态电流，大大减少了控制器的I/O线资源，提高了资源利用率的同时，大幅度增加了主站控制器驱动从站仪表的数量。另外，NRZ电流发送过程如下：

控制器可通过磁隔离器件发送数字控制电压Vc(高电平“1”或低电平“0”)至充放电模块与模拟开关，常态时(即，控制器没有发送数据时)模拟开关输出控制端S为低电平，电压控制模块输出的NRZ静态电流控制电压Vq(2.5V)被选择输送至压控恒流源，压控恒流源输出的静态电流IB＝20mA；当有数据发送时，数字控制电压Vc通过充放电模块输出高电平至模拟开关的控制端S，数字控制电压Vc输出至压控恒流源，当数字控制电压Vc为低电平时，压控恒流源输出IB-9为11mA；当数字控制电压Vc为高电平时，压控恒流源输出IB+9为29mA，实现NRZ电流编码功能，进而该电流在负载电阻R10产生对应的NRZ电压，被从站仪表接收，实现主站控制器向从站发送数据。

请参阅图3，为本发明本发明基于单根控制线NRZ电流编码电路的电路图，其中：

所述充放电模块包括第一电阻、二极管、第二电阻与第一电容，所述第一电阻一端连接数字控制电压，其另一端连接所述二极管的正极，所述二极管的负极分别连接第二电阻的一端、第一电容的一端与模拟开关的输出控制端，所述第二电阻的另一端与第一电容的另一端并联接地。

所述第一电容的充电时间常数远小于放电时间常数；所述充电时间常数为R1*C1，所述放电时间常数为R2*C1；所述放电时间常数应确保所述充放电模块在两个数据帧间隔时间内将第一电容的电压放电至低电平，无数据时输出静态电流，因此，第一电阻R1的阻值远远小于第二电阻的阻值，例如，两者差值至少100倍，R1电阻值470欧姆、R2的电阻值47000欧姆，C1电容值10nF。其中，二极管D1用于防止数字控制电压Vc为低电平时，第一电容通过第一电阻放电。当一帧数据发送结束后，第一电容通过第二电阻放电，使模拟开关输出控制端S为低电平，连接第一输入信号B1，公共端(A)输出静态电流Iq。

所述电压控制模块包括放大器、第三电阻、第四电阻与第五电阻，所述第四电阻一端连接电源电压，其另一端连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述放大器的正向输入端连接在第四、五电阻之间，其负向输入端连接放大器的输出端，该输出端输出NRZ静态电流控制电压，所述第三电阻串联在模拟开关的第一输入端与NRZ静态电流控制电压，其中，第三电阻R3的电阻值47K欧姆，第四电阻与第五电阻为200K欧姆，其中，由于第三电阻的阻值相对于第四电阻与第五电阻而言，过小可忽略不计，即电压控制模块可只包括放大器、第四电阻与第五电阻也能实现输出NRZ静态电流控制电压。

所述模拟开关(单刀双掷模拟开关)的电源端连接电源电压，所述模拟开关的接地端接地；所述模拟开关的电源端并联有第二电容，该第二电容C2应用电源电压用于实现旁路、去藕、滤波和储能的作用，在此不一一赘述。

在本实施例中，当无数据发送时，数字控制电压Vc输出低电平，充电回路的二极管D1截止；下拉电阻(第二电阻)R2导致模拟开关U1的输出控制端S(控制端)为低电平，第一输入信号B1被选择导通，输出至公共端A(Vi)；其中R4＝R5＝200K,B1的电压值Vq＝DVCC/2；DVCC＝5V，因此Vq＝2.5V，此时输入至压控恒流源的电压Vi＝2.5V，控制压控恒流源输出IB＝20mA。

当有数据发送时，数字控制电压Vc输出的第一个位信号为高电平，该高电平通过电阻第一电阻R1、二极管D1迅速将第一电容C1充电至3.5V以上(0.7倍DVCC)，此时模拟开关U1输出控制端S电压为高电平，第二输入信号B2被选择导通，输出至公共端A(Vi)，当数字控制电压Vc＝0(低电平)时，Vi＝0，控制恒流源输出IB-9＝11mA；当Vc＝1(高电平)时，Vi＝1，控制恒流源输出IB+9＝29mA。

所述从站仪表采用压控恒流源输出的NRZ电流编码实现数据通信。

综上所述，本发明相比原来主站控制器需三根I/O线与从站仪表实现通信，本申请采用单根控制线实现主站与从站仪表通信，在保障了数据发送与静态电流切换的功能基础上，大大节约了控制器I/O线资源，大幅度提高了主站驱动从站仪表的数量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，适用于主站控制器采用单根控制线发送数据与切换静态电流用以驱动从站仪表，包括：

控制器，用于根据是否发送数据分别对应输出高电平、低电平的数字控制电压；

充放电模块，其输入端连接所述数字控制电压，其输出端连接模拟开关的输出控制端，用于根据所述数字控制电压的电平高、低进行充、放电从而控制所述模拟开关控制端的电压；

电压控制模块，连接所述模拟开关的第一输入端，用于向所述模拟开关输出NRZ静态电流控制电压；

模拟开关，其第二输入端所述数字控制电压，其公共端连接压控恒流源，用于根据其控制端电平高、低对应输出数字控制电压、NRZ静态电流控制电压，控制压控恒流源在静态电流基础上实现NRZ电流编码。

2.根据权利要求1所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述充放电模块包括第一电阻、二极管、第二电阻与第一电容，所述第一电阻一端连接数字控制电压，其另一端连接所述二极管的正极，所述二极管的负极分别连接第二电阻的一端、第一电容的一端与模拟开关的输出控制端，所述第二电阻的另一端与第一电容的另一端并联接地。

3.根据权利要求2所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述第一电容的充电时间常数远小于放电时间常数。

4.根据权利要求3所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述充电时间常数为R1*C1，所述放电时间常数为R2*C1。

5.根据权利要求2所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述放电时间常数应确保所述充放电模块在两个数据帧间隔时间内将第一电容的电压放电至低电平，无数据时输出静态电流。

6.根据权利要求1所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述电压控制模块包括放大器、第三电阻、第四电阻与第五电阻，所述第四电阻一端连接电源电压，其另一端连接第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端接地，所述放大器的正向输入端连接在第四、五电阻之间，其负向输入端连接放大器的输出端，该输出端输出NRZ静态电流控制电压，所述第三电阻串联在模拟开关的第一输入端与NRZ静态电流控制电压。

7.根据权利要求1所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述模拟开关的电源端连接电源电压，所述模拟开关的接地端接地。

8.根据权利要求7所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述模拟开关的电源端并联有第二电容。

9.根据权利要求1所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述控制器采用磁隔离器件发送数字控制电压分别至充放电模块与模拟开关。

10.根据权利要求1所述的基于单根控制线NRZ电流编码电路，其特征在于，所述从站仪表采用压控恒流源输出的NRZ电流编码实现数据通信。