CN109474505B - 一种具有监测功能的单总线通讯信号增强电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有监测功能的单总线通讯信号增强电路，第一驱动单元，其控制端与主机接口端连接，所述第一驱动单元的输入端与从机接口端连接，所述第一驱动单元的输出端接地；第二驱动单元，其控制端与从机接口端连接，所述第一驱动单元的输入端与主机接口端连接，所述第二驱动单元的输出端接地；第一监测单元，其控制端与主机接口端连接，用于监测所述主机接口端的发送电信号；第二监测单元，其控制端与从机接口端连接，用于监测所述从机接口端的发送电信号。本发明解决了单总线通讯过程中信号驱动能力不足且不易对传输信号进行精确监测的技术问题。

Description

一种具有监测功能的单总线通讯信号增强电路

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，具体涉及一种具有监测功能的单总线通讯信号增强电路。

背景技术

目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。其中I2C总线以同步串行2线方式进行通信(一条时钟线，一条数据线)，SPI总线则以同步串行3线方式进行通信(一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线)，而SCI总线是以异步方式进行通信(一条数据输入线，一条数据输出线)的。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。近年来，推出了一项特有的单总线(1-Wire Bus)技术。该技术与上述总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。

单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。

但目前这种单总线通讯方式存在驱动能力不足、且主机端和从机端的信号会干扰监测信号，使得对信号传输过程无法有效监测。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明的目的是提供一种具有监测功能的单总线通讯信号增强电路，在主机和从机的通信线路上设置有光电隔离的信号监测单元，对信号传输过程进行监测，通过在主机端和从机端分别设置驱动单元，提高信号传输的驱动能力，解决了单总线通讯过程中信号驱动能力不足且不易对传输信号进行精确监测的技术问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，提供了一种具有监测功能的单总线通讯信号增强电路，包括：

第一驱动单元，其控制端与主机接口端连接，所述第一驱动单元的输入端与从机接口端连接，所述第一驱动单元的输出端接地；

第二驱动单元，其控制端与从机接口端连接，所述第二驱动单元的输入端与主机接口端连接，所述第二驱动单元的输出端接地；

第一监测单元，其控制端与主机接口端连接，用于监测所述主机接口端的发送电信号；

第二监测单元，其控制端与从机接口端连接，用于监测所述从机接口端的发送电信号。

优选的，所述主机接口端设置有第一比较单元，所述第一比较单元包括：

第一二极管，其阴极与所述主机接口端连接，所述主机接口端还连接一第一上拉电阻；

第一比较器，其反相输入端与所述第一二极管阳极连接；

第一电阻，其第一端与电源端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一比较器的反相输入端连接。

优选的，所述第一驱动单元包括：

第一可控开关管，其控制端与所述第一比较器的输出端连接，所述第一可控开关管的输出端接地，所述第一可控开关管的输入端与所述从机接口端连接；

第二电阻，其第一端与电源端连接，所述第二电阻的第二端与所述第一可控开关管的控制端连接。

优选的，还包括一第一基准信号产生单元，所述第一基准信号产生单元包括：

第一非门，其输入端与所述第一比较器的输出端连接；

第一分压电路，其包括串联设置的第三电阻和第四电阻，所述第一分压电路的输入端与所述第一非门的输出端连接。

优选的，所述主机接口端设置有第二比较单元，所述第二比较单元包括：

第二二极管，其阴极与所述从机接口端连接，所述从机接口端还连接一第二上拉电阻；

第二比较器，其反相输入端与所述第二二极管阳极连接，所述第二比较器的同相输入端与所述第一分压电路的输出端连接；

第五电阻，其第一端与电源端连接，所述第五电阻的第二端与所述第二比较器的反相输入端连接。

优选的，所述第二驱动单元包括：

第二可控开关管，其控制端与所述第二比较器的输出端连接，所述第二可控开关管的输出端接地，所述第二可控开关管的输入端与所述主机接口端连接；

第六电阻，其第一端与电源端连接，所述第六电阻的第二端与所述第二可控开关管的控制端连接。

优选的，还包括一第二基准信号产生单元，所述第二基准信号产生单元包括：

第二非门，其输入端与所述第二比较器的输出端连接；

第二分压电路，其包括串联设置的第七电阻和第八电阻，所述第二分压电路的输入端与所述第二非门的输出端连接，所述第二分压电路的输出端与所述第一比较器的同相输入端连接。

优选的，所述第一可控开关管和第二可控开关管为N型场效应管，所述第一可控开关管的栅极与所述第一比较器的输出端连接，所述第一可控开关管的源极接地、漏极与所述从机接口端连接；所述第二可控开关管的栅极与所述第二比较器的输出端连接，所述第二可控开关管的源极接地、漏极与所述主机接口端连接。

优选的，所述第一监测单元包括一第一光耦，所述第一光耦中发光二极管的阴极连接所述第一非门的输出端，所述第一光耦中发光二极管的阳极通过第九电阻连接电源端；

所述第一光耦中三极管的发射极接监测端的地线，所述第一光耦中三极管的集电极通过第十一电阻接监测电源，所述第一光耦中三极管的集电极连接至第一监测端。

优选的，所述第二监测单元包括一第二光耦，所述第二光耦中发光二极管的阴极连接所述第二非门的输出端，所述第一光耦中发光二极管的阳极通过第十电阻连接电源端；

所述第二光耦中三极管的发射极接监测端的地线，所述第二光耦中三极管的集电极通过第十二电阻接监测电源，所述第二光耦中三极管的集电极连接至第二监测端。

与现有技术相比，本发明包含的有益效果在于：

1、本发明在主机端和从机端的信号传输线上设置有监测单元，对数据传输进行监测，并反馈至信号收发端，以更好的进行反馈控制；

2、两个信号监测单元进行信号隔离，消除主从机接口端电信号对监测端上的干扰，提高对信号监测的准确性和可靠性；

3、本发明通过在主机端和从机端分别设置驱动单元，信号传输的驱动能力更强，增加了信号长距离传输能力；

4、降低了信号传输误码率，提高了单总线信号传输的可靠性；

5、通过基准信号产生单元的变化基准，提高了信号在传输过程的稳定性。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供了一种具有监测功能的单总线通讯信号增强电路，包括主机收发电路和从机收发电路，主机收发电路包括第一上拉电阻Rup1、第一比较单元、第一驱动单元和第一基准信号产生单元。从机收发电路包括第二上拉电阻Rup2、第二比较单元、第二驱动单元和第二基准信号产生单元。

第一上拉电阻Rup1与主机接口端SBUS1连接，正常状态下，通过第一上拉电阻Rup1将主机接口端SBUS1的电压保持在高电平。

第一比较单元连接在主机接口端SBUS1与第一驱动单元之间，具体的，所述第一比较单元包括：第一二极管D1、第一比较器OP1和第一电阻R1，第一二极管D1的阴极与所述主机接口端SBUS1连接，第一比较器OP1的反相输入端与所述第一二极管D1阳极连接，通过第一二极管D1避免主机的接收信号对第一比较单元产生干扰。所述第一比较器OP1的同相输入端与所述第二基准信号产生单元的输出端连接。第一电阻R1的第一端与电源端Vcc连接，所述第一电阻R1的第二端与所述第一比较器OP1的反相输入端连接，正常状态下，为第一比较器OP1的反相输入端提供高电平信号。

本实施例中，各个电源端Vcc的电压为5V，各个电阻的阻值可以相等。

第一驱动单元的控制端与所述第一比较单元输出端连接，具体的，所述第一驱动单元包括：第一可控开关管Q1和第二电阻R2。本实施例中，所述第一可控开关管为N型场效应管，场效应管的驱动能力更强，有利于信号传输驱动，提高信号的有效传输距离和准确性。

所述第一可控开关管Q1的栅极与所述第一比较器OP1的输出端连接，所述第一可控开关管Q1的源极接地、漏极与所述从机接口端SBUS2连接；主机的输入信号通过第一比较器OP1比较后输出至第一可控开关管Q1的栅极，控制第一可控开关管Q1的通断，当控制第一可控开关管Q1导通时，从机接口端SBUS2的接口端直接接地，故而拉低至低电位，当控制第一可控开关管Q1断开时，从机接口端SBUS2的接口端保持在高阻状态，通过第二上拉电阻Rup2的电压上拉作用，故而保持在高电位。由此，通过主机接口端SBUS1的发送信号对第一可控开关管Q1的驱动控制，进而控制从机接口端SBUS2端的电位，且主机接口端SBUS1的发送信号电位与从机接口端SBUS2的电位一致，相当于将主机接口端SBUS1的发送信号传送至从机接口端SBUS2端。

因场效应管自身的驱动能力更强，而当采用场效应管作为信号发送的驱动单元时，提高了整个单总线通讯电路的信号驱动能力，有利于长距离传输，且信号传输的准确性更高，抗干扰能力更强。

第二电阻R2的第一端与电源端Vcc连接，所述第二电阻R2的第二端与所述第一可控开关管Q1的栅极连接，正常状态下，第一比较器OP1的反相输入端处于高电位，第一比较器OP1输出低电位，将第一可控开关管Q1的栅极保持在低电位，第一可控开关管Q1保持在断开状态。

第一基准信号产生单元的输入端与所述第一比较单元输出端连接；具体的，所述第一基准信号产生单元包括：第一非门U1和第一分压电路。第一非门U1输入端与所述第一比较器OP1的输出端连接；第一分压电路包括串联设置的第三电阻R3和第四电阻R4，第三电阻R3的第一端与所述第一非门U1的输出端连接，第四电阻R4的第二端接地。

从机收发电路与主机收发电路结构一致，且从机收发电路与主机收发电路交错对称设置。具体的，第二上拉电阻Rup2与从机接口端SBUS2连接，所述第一驱动单元的输入端与所述从机接口端SBUS2连接，通过主机发送的信号控制从机接口端SBUS2的电平。

第二比较单元的反相输入端与所述从机接口端SBUS2连接，所述第二比较单元的同相输入端与所述第一基准信号产生单元的输出端连接。具体的，所述第二比较单元包括：第二二极管D2、第二比较器OP3和第五电阻R5，第二二极管D2的阴极与所述从机接口端SBUS2连接；第二比较器OP3的反相输入端与所述第二二极管D2阳极连接，所述第二比较器OP3的同相输入端与所述第一分压电路的输出端连接，也就是与第三电阻R3和第四电阻R4的共接点连接。

第五电阻R5的第一端与电源端Vcc连接，所述第五电阻R5的第二端与所述第二比较器OP3的反相输入端连接。

第二驱动单元的控制端与所述第二比较单元输出端连接，所述第二驱动单元的输入端与所述主机接口端SBUS1连接，所述第二驱动单元的输出端接地。

所述第二驱动单元包括：第二可控开关管Q2和第六电阻R6。本实施例中，所述第二可控开关管也为N型场效应管，场效应管的驱动能力更强，有利于信号传输驱动，提高信号的有效传输距离和准确性。

所述第二可控开关管Q2的栅极与所述第二比较器OP3的输出端连接，所述第二可控开关管Q2的源极接地、漏极与所述主机接口端SBUS1连接；从机的输入信号通过第二比较器OP3比较后输出至第二可控开关管Q2的栅极，控制第二可控开关管Q2的通断，当控制第二可控开关管Q2导通时，主机接口端SBUS1的接口端直接接地，故而拉低至低电位，当控制第二可控开关管Q2断开时，主机接口端SBUS1的接口端保持在高阻状态，通过第一上拉电阻Rup1的电压上拉作用，故而保持在高电位。由此，通过从机接口端SBUS2的发送信号对第二可控开关管Q2的驱动控制，进而控制主机接口端SBUS1端的电位，且从机接口端SBUS2的发送信号电位与主机接口端SBUS1的电位一致，相当于将从机接口端SBUS2的发送信号传送至主机接口端SBUS1端。

第六电阻R6的第一端与电源端Vcc连接，所述第六电阻R6的第二端与所述第二可控开关管Q2的栅极连接，正常状态下，第二比较器OP3的反相输入端处于高电位，第二比较器OP3输出低电位，将第二可控开关管Q2的栅极保持在低电位，第二可控开关管Q2保持在断开状态。

第二基准信号产生单元的输入端与所述第二比较单元输出端连接，所述第二基准信号产生单元的输出端与所述第一比较单元的同相输入端连接。

所述第二基准信号产生单元包括：第二非门U2和第二分压电路，第二非门U2的输入端与所述第二比较器OP3的输出端连接；第二分压电路包括串联设置的第七电阻R7和第八电阻R8，所述第二分压电路的输入端与所述第二非门U2的输出端连接，所述第二分压电路的输出端与所述第一比较器OP1的同相输入端连接。也就是说，第七电阻R7第一端与第二非门U2的输出端连接，第八电阻R8第二端接地，第七电阻R7和第八电阻R8的共接端与第一比较器OP1的同相输入端连接。

工作过程如下：

当主机接口端SBUS1发出高电平信号时，即第一上拉电阻Rup1将电压上拉至高电平，输入至第一比较器OP1的反相输入端，第一比较器OP1输出低电平，因第一比较器OP1输出低电平信号，第一可控开关管Q1保持断开状态，第二上拉电阻Rup2将从机接口端SBUS2的电压上拉至高电平。

也就是通过主机接口端SBUS1的发送信号对第一可控开关管Q1的驱动控制，进而控制从机接口端SBUS2端的电位，且主机接口端SBUS1发送的高电平与从机接口端SBUS2的电位一致，相当于将主机接口端SBUS1的高电平信号传送至从机接口端SBUS2端。

而将场效应管作为驱动单元，其驱动能力更强，可靠性更高，提高了整个单总线通讯电路的信号驱动能力，有利于长距离传输，且信号传输的准确性更高，抗干扰能力更强。

同时，第一比较器OP1输出的低电平信号，传送至第一基准信号产生单元的输入端，使得第一基准信号产生单元输出高电平，也就是第三电阻R3和第四电阻R4之间输出高电平至第二比较器OP3的同相输入端，使得第二比较器OP3输出高电平信号，并传送至第二基准信号产生单元的输入端，使得第二基准信号产生单元输出低电平，也就是第七电阻R7和第八电阻R8之间输出低电平至第一比较器OP1的同相输入端，将第一比较器OP1的同相输入端保持在低电平，使得第一比较器OP1稳定输出低电平信号，最终从机接口端SBUS2保持高电平信号。

当主机接口端SBUS1发出低电平信号时，只需将主机接口端SBUS1下拉至低电平即可，此时，输入低电平信号输入至第一比较器OP1的反相输入端，第一比较器OP1输出高电平，第一比较器OP1的输出高电平信号，因第一比较器OP1输出高电平信号，第一可控开关管Q1导通，从机接口端SBUS2直接接地，将电位拉低至低电位。

也就是通过主机接口端SBUS1的发送信号对第一可控开关管Q1的驱动控制，进而控制从机接口端SBUS2端的电位，且主机接口端SBUS1发送的低电平与从机接口端SBUS2的电位一致，相当于将主机接口端SBUS1的低电平信号传送至从机接口端SBUS2端。

同时，第一比较器OP1输出的高电平信号，传送至第一基准信号产生单元的输入端，使得第一基准信号产生单元输出低电平，也就是第三电阻R3和第四电阻R4之间输出低电平至第二比较器OP3的同相输入端，使得第二比较器OP3输出低电平信号，并传送至第二基准信号产生单元的输入端，使得第二基准信号产生单元输出高电平，也就是第七电阻R7和第八电阻R8之间输出高电平至第一比较器OP1的同相输入端，将第一比较器OP1的同相输入端保持在高电平，使得第一比较器OP1稳定输出高电平信号，最终从机接口端SBUS2保持低电平信号。

在上述过程中，基准信号产生单元输出端的基准发生变化，以保持信号传输的稳定性。

当从机接口端SBUS2发送信号，主机接口端SBUS1接收信号时，工作过程与上述主机接口端SBUS1发送信号至从机接口端SBUS2的过程一致。

所述第一监测单元包括一第一光耦U3，所述第一光耦U3中发光二极管的阴极连接所述第一非门U1的输出端，所述第一光耦U3中发光二极管的阳极通过第九电阻R9连接电源端Vcc；

所述第一光耦U3中三极管的发射极接监测端的地线Moni Gnd，所述第一光耦U3中三极管的集电极通过第十一电阻R11接监测电源Vdd，所述第一光耦U3中三极管的集电极连接至第一监测端Moni1。

监测端的电源Vdd与主、从机接口端的电源端Vcc是两个独立的电源，通过光耦进行隔离，同理，监测端的地线Moni Gnd与主、从机接口端的地线是两个独立的接地系统，避免监测端与主、从机接口端产生相互干扰。

所述第二监测单元包括一第二光耦U4，所述第二光耦U4中发光二极管的阴极连接所述第二非门U2的输出端，所述第二光耦U4中发光二极管的阳极通过第十电阻R10连接电源端Vcc；

所述第二光耦U4中三极管的发射极接监测端的地线Moni Gnd，所述第二光耦U4中三极管的集电极通过第十二电阻R12接监测电源Vdd，所述第二光耦U4中三极管的集电极连接至第二监测端Moni2。

由此可知，第一监测单元和第二监测单元所采用的电源端与主从机接口端的电源端相互独立，采用的地线也相互独立，消除两个监测单元与主从机接口端之间的相互干扰，同时第一监测端Moni1和第二监测端Moni2都设立在一侧，便于监测观察。

监测过程如下：

主机接口端输出低电平时，第一比较器OP1输出高电平，第一光耦U3被触发，第一监测端Moni1接收到低电平。主机接口端输出高电平时，第一比较器OP1输出低电平时，第一光耦U3未被触发，第一监测端Moni1接收到高电平。

同理，从机接口端输出低电平时，第二比较器OP3输出高电平，第二光耦U4被触发，第二监测端Moni2接收到低电平。主机接口端输出高电平时，第二比较器OP3输出低电平时，第二光耦U4未被触发，第二监测端Moni2接收到高电平。

通过两个监测单元即可监测主从机通讯线上的电平信号。

由上所述，本发明在主机端和从机端的信号传输线上设置有监测单元，对数据传输进行监测，并反馈至信号收发端，以更好的进行反馈控制；同时，两个信号监测单元进行信号隔离，消除主从机接口端电信号对监测端上的干扰，提高对信号监测的准确性和可靠性；进一步的，本发明通过在主机端和从机端分别设置驱动单元，信号传输的驱动能力更强，增加了信号长距离传输能力；同时，降低了信号传输误码率，提高了单总线信号传输的可靠性。并且，通过基准信号产生单元的变化基准，提高了信号在传输过程的稳定性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易的实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (1)

1.一种具有监测功能的单总线通讯信号增强电路，其特征在于，包括：

第一驱动单元，其控制端与主机接口端连接，所述第一驱动单元的输入端与从机接口端连接，所述第一驱动单元的输出端接地；

第二驱动单元，其控制端与从机接口端连接，所述第二驱动单元的输入端与主机接口端连接，所述第二驱动单元的输出端接地；

第一监测单元，其控制端与主机接口端连接，用于监测所述主机接口端的发送电信号；

第二监测单元，其控制端与从机接口端连接，用于监测所述从机接口端的发送电信号；

所述主机接口端设置有第一比较单元，所述第一比较单元包括：

第一二极管，其阴极与所述主机接口端连接，所述主机接口端还连接一第一上拉电阻；

第一比较器，其反相输入端与所述第一二极管阳极连接；

第一电阻，其第一端与电源端连接，所述第一电阻的第二端与所述第一比较器的反相输入端连接；

所述第一驱动单元包括：

第一可控开关管，其控制端与所述第一比较器的输出端连接，所述第一可控开关管的输出端接地，所述第一可控开关管的输入端与所述从机接口端连接；

第二电阻，其第一端与电源端连接，所述第二电阻的第二端与所述第一可控开关管的控制端连接；

还包括一第一基准信号产生单元，所述第一基准信号产生单元包括：

第一非门，其输入端与所述第一比较器的输出端连接；

第一分压电路，其包括串联设置的第三电阻和第四电阻，所述第一分压电路的输入端与所述第一非门的输出端连接；

所述主机接口端设置有第二比较单元，所述第二比较单元包括：

第二二极管，其阴极与所述从机接口端连接，所述从机接口端还连接一第二上拉电阻；

第二比较器，其反相输入端与所述第二二极管阳极连接，所述第二比较器的同相输入端与所述第一分压电路的输出端连接；

第五电阻，其第一端与电源端连接，所述第五电阻的第二端与所述第二比较器的反相输入端连接；

所述第二驱动单元包括：

第二可控开关管，其控制端与所述第二比较器的输出端连接，所述第二可控开关管的输出端接地，所述第二可控开关管的输入端与所述主机接口端连接；

第六电阻，其第一端与电源端连接，所述第六电阻的第二端与所述第二可控开关管的控制端连接；

还包括一第二基准信号产生单元，所述第二基准信号产生单元包括：

第二非门，其输入端与所述第二比较器的输出端连接；

第二分压电路，其包括串联设置的第七电阻和第八电阻，所述第二分压电路的输入端与所述第二非门的输出端连接，所述第二分压电路的输出端与所述第一比较器的同相输入端连接；

所述第一监测单元包括一第一光耦，所述第一光耦中发光二极管的阴极连接所述第一非门的输出端，所述第一光耦中发光二极管的阳极通过第九电阻连接电源端；所述第一光耦中三极管的发射极接监测端的地线，所述第一光耦中三极管的集电极通过第十一电阻接监测电源，所述第一光耦中三极管的集电极连接至第一监测端；

所述第二监测单元包括一第二光耦，所述第二光耦中发光二极管的阴极连接所述第二非门的输出端，所述第一光耦中发光二极管的阳极通过第十电阻连接电源端；所述第二光耦中三极管的发射极接监测端的地线，所述第二光耦中三极管的集电极通过第十二电阻接监测电源，所述第二光耦中三极管的集电极连接至第二监测端。