CN109587022A - 一种点火驱动总线idbus的通信协议及应用 - Google Patents

一种点火驱动总线idbus的通信协议及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种点火驱动总线IDBUS的通信协议及应用，IDBUS结构采用无极性、一主多从、半双工串行异步通信和可供电的双线总线；定义了通信机制，下行信号传输通过差动电压脉宽调制实现，上行信号传输通过电流脉宽调制实现；构建了帧结构模型，帧由若干子帧组成，子帧由“起始位、N个信息位、校验位、结束位”组成，帧间有停顿，帧内子帧连续传输；规定了帧结构类型，子帧有“指令/数据/结束/标宽”子帧4类，帧结构类型有下行“常规/特殊/广播/标宽”和上行常规通信帧；列出了基于通信协议的应用实例。本发明能够提高总线抗干扰性能、通信安全可靠性、配置灵活性，降低系统复杂度，可应用于各种无源节点仪表的数据自动采集和点火驱动场景中。

Description

一种点火驱动总线IDBUS的通信协议及应用
技术领域
本发明涉及总线通信技术领域，特别是涉及一种点火驱动总线IDBUS的通信协议及应用。
背景技术
总线是各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，随着工业化与信息化高度融合及人工智能技术的发展，总线通信技术已经成为了工业设备中必不可少通信手段。
MBUS总线作为双线总线，广泛应用于无源节点（水表、气表、热能表等）的数据自动采集场合，MBUS收发机制：是一种主从式半双工传输总线，采用主叫/应答的方式通信，只有主站（Master）发出询问后，被选中的从站（Slave）才会向主站传输数据；主站到从站采用电平信号传输，从站到主站采用电流信号传输。
上述M-BUS总线调制方式是电压/电流幅度调制，共模加性干扰、电源波动干扰、传输路径衰减等会降低总线通信系统的抗干扰能力和通信可靠性；不能针对不同通信环境进行参数自适应配置，缺乏灵活性；M-BUS总线通信息协议对电路特性要求高，单片集成难度大；不适合使用在安全性与可靠性非常高的远程点火驱动应用场景中（如民爆的点火应用）。
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，满足对通信可靠性、稳定性、准确性、抗干扰能力等特殊安全应用场景需求，同时满足经济与技术方面的要求：容量大、可扩展、成本低、耗能少、传输速度等，提供一种抗干扰性能强、信号传输质量高、可靠性强、处理复杂度低、配置灵活、易于维护、应用场景广的点火驱动总线（IDBUS，Ignition Drive Bus）的通信协议，可广泛应用于各种无源节点仪表的数据自动采集和安全性与可靠性要求高的点火驱动应用场景中。
发明内容
鉴于上述现有总线通信技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种点火驱动总线IDBUS的通信协议及应用，以克服现有技术所存在的问题，提高通信抗干扰能力，降低系统处理复杂度、增加系统配置灵活性、实现安全可靠通信、拓展复杂通信环境下的点火驱动应用场景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：本发明提供了一种点火驱动总线IDBUS的通信协议，包括如下内容。
（1）IDBUS结构
一主多从、无极性、半双工、串行异步通信，供电与通信共存的双线总线。
（2）IDBUS通信机制
物理层bit流传输具有独特的脉宽特征（如表1）下行通信（主站到从站）采用差动电压脉宽调制方式实现，上行通信（从站到主站）采用电流脉宽调制方式实现，通信机制参见3所示；高bit先传（MSB）或低bit先传（LSB）根据应用需要可以设置；起始位与结束位的信号宽度等于标准宽度值，数字信号0调制后的信号宽度等于标准脉宽值的M倍，数字信号1调制后的信号宽度等于标准脉宽值的L倍；下行标准脉宽值根据应用需要可以现场在线设置，上行标准脉宽值固定。
表1 IDBUS物理层信号流传输的脉宽特征。
（3）IDBUS帧结构模型
通信帧由1个或多个子帧组成，子帧由起始位、N+1（N为8的倍数）个信息位、结束位组成；通信帧之间发送存在等待时间，即发完一帧要等待至少一个子帧时间；一个通信帧中子帧间发送无停顿，即子帧连续发送，帧结构模型参见4所示。
（4）IDBUS子帧类型
如表2所示，子帧有四种类型，分别是指令子帧、结束子帧、数据子帧、标宽子帧。
表2 IDBUS通信帧中子帧类型。
（5）IDBUS帧结构类型：参见图5所示，下行通信帧结构有4类，上行通信帧结构有1类。
（a）下行广播通信帧，1个指令子帧组成，主站无需选中从站，所有从站收到该下行广播帧后执行主站指令；用于多从站且无需反馈的广播场景：总线上有多个从站时，所有从站只需要执行主站指令且无需反馈信息给主站；用于单从站且必须反馈的广播场景：总线上只有一个从站时，从站执行主站指令并反馈信息；根据应用场景要求是否需要从站反馈来设定下行广播通信帧的指令功能。
（b）下行特殊通信帧，组合成帧顺序“指令子帧/数据子帧”，从站只需要执行主站指令，而无须反馈信息给主站；为达到特种应用目的，减少出错概率和可能造成的损失，需要保证从站可靠接收与准确解调出主站的调制数字信息并执行相应命令。
（c）下行常规通信帧，组合成帧顺序“指令子帧/多个数据子帧/结束子帧“；必须在下行标宽通信帧执行完毕后进行；正常通信时，主站发送常规通信帧，从站只需执行主站指令，根据是否需要反馈信息给主站来设定下行常规痛惜帧的具体指令功能。
（d）下行标宽通信帧，组合成帧顺序“标准脉宽的子帧“，必须在正常通信前进行；主站广播标准脉宽通信帧，从站接收并处理后获得下行通信的标准脉宽值，为正常通信时能解调出下行通信帧的调制数字信息。
（e）上行常规通信帧，组合成帧顺序“多个数据子帧/结束子帧“，当主站选中从站时，从站执行主站命令并反馈相关信息（如读写成功状态信息、读出数据信息等）到主站。
（6）IDBUS通信帧的校验
每个子帧中信息位最后一位为奇偶校验位，判断该子帧是否出现传输错误；通信帧中后面几个数据子帧可以作为前面传输有效信息校验的子帧，如8/16bit CRC校验方式，判断传输信号是否出现错误。
（7）IDBUS帧结构应用实例
参见表3数码雷管点火驱动使用IDBUS通信协议的应用实例，有效信息位数N取8，即子帧传输8bit信息，指令子帧有14个，下行特殊通信帧可用14个指令子帧的组合，主站与从站采用“问询/应答”机制，下行差动电压脉宽调制实现总线供电与主从通信。
表3 IDBUS通信协议在民用爆破点火驱动的应用实例。
从上述技术方案可以看出，本发明针对点火驱动总线IDBUS定义了总线结构、通信机制、帧结构模型、子帧类型、帧结构类型、主站“广播/特殊/常规/标宽”通信帧、从站上行常规通信帧、通信帧校验、帧结构应用实例、起始位/信息位/结束位的脉冲宽度，可以根据不同通信环境与系统应用需求，通过灵活配置参数设计出不同的帧结构应用实例，因此，本发明的通信机制与帧结构可以有效提高抗干扰（共模干扰、电源干扰、噪声干扰、路径衰减等）能力，提高控制方便性，简化设备，降低施工与维护成本，实现可靠通信，可广泛应用于各种无源节点仪表的数据自动采集和安全可靠性要求高的总线通信应用场景中。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式的流程图。
图2是本发明的IDBUS结构。
图3是本发明的IDBUS通信机制。
图4是本发明的IDBUS帧结构模型。
图5是本发明的IDBUS帧结构类型。
具体实施方式
本发明的核心思想。
（1）IDBUS结构：无极性、半双工、串行异步通信，支持供电与通信的双线总线。
（2）IDBUS通信机制：下行采用差动电压脉宽调制，上行采用电流脉宽调制方式。
（3）IDBUS帧结构模型：帧由子帧组成，子帧由起始位、N个信息位、奇偶校验位、结束位组成。
（4）IDBUS子帧类型：数据子帧、指令子帧、结束子帧、标宽子帧。
（5）IDBUS帧结构类型：下行“常规/特殊/广播/标宽”通信帧，上行通信帧，根据应用需要可以灵活选择帧结构类型。
（6）IDBUS信号脉宽：数字逻辑“0”调制后脉宽值等于标准脉宽值Tdown或Tup的M倍，数字逻辑“1”调制后脉宽值等于标准脉宽值Tdown或Tup的L倍，起始位与结束位宽度等于标准脉宽值Tdown或Tup；倍数L与M的值可按需配置，L不能等于M，也都不能等于1。
（7）IDBUS标准脉宽值：上行标准脉宽值Tup固定，下行标准脉宽值Tdown可按需设置。
（8）IDBUS通信帧的校验：子帧中校验位为前面N个信息位的奇偶校验值；通信帧中后面数据子帧可以作为前面数据子帧校验的子帧，如16bit的CRC检验，判断传输是否出现错误。
通过上述方式实现点火驱动总线IDBUS的通信协议，可以准确可靠通信和总线供电，为更多地应用场景提高抗干扰能力。
现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，
首先，参见图1，对本发明所述的点火驱动总线IDBUS通信协议进行说明，具体包括以下步骤，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
步骤11：IDBUS结构。
（1）点火驱动总线IDBUS是一种主从式、串行半双工、无极性的异步通信方式，主站不为从站提供时钟，从站拥有唯一的ID码，双线制总线，参见图2所示。
（2）双线制且无极性，使施工简单，拓展方便，组网成本低；一主多从保证任一从站出现故障不会影响总线功能。
步骤12：IDBUS通信机制。
（1）物理层信号流传输具有独特的脉宽特征（参见表1），下行通信采用差动电压脉宽调制方式实现，上行通信采用电流脉宽调制方式实现；总线上传输的脉冲信号（正脉冲或负脉冲）的脉宽都表示调制的数字信息0与1，或者“起始位与结束位”，相邻脉冲信号依据边沿（上升沿和下降沿）来区分。
（2）子帧格式采用起止式异步方式，除起始位与结束位外，有效信息位以字节（8bit）倍数为单位进行传输，先MSB（高bit）或先LSB（低bit）传输，总线上信号传输顺序是：起始位/N个信息位/奇偶校验位/结束位。
（3）上行标准脉宽值Tup固定，下行标准脉宽值Tdown、倍数值L与M、总线电压Ud、从站静态电流Is、从站反馈吸取总线电流ΔI等可以根据应用需要设置确定。
（4）通信机制参见图3所示，采用主叫/应答的方式通信，只有主站（Master）发出询问后，被选中的从站（Slave）才会向主站传输数据。
（5）主站发送下行通信帧时，所有从站处于侦听与接收状态，总线电流为静态电流IS，主站发送完下行通信帧后如果要等待从站的反馈，则处于等待从站反馈状态（即总线差动电压不翻转，差值不变），否则等待一定时间继续发送下一个通信帧。
所有从站接收到主站的下行通信帧并准确解调出数字信息，如果需要从站反馈，则只有唯一被选中ID的从站反馈信息，此时总线电压差不变，总线电流为IS+ΔI，未被选中的从站继续处于侦听接收主站通信帧的状态，否则所有从站都不反馈且内部执行主站指令。
（6）脉宽调制方式可实现远程通信与供电，降低控制与维护成本，提高抗干扰能力，延长通信传输距离；通信相关参数可配置提高了IDBUS通信协议的扩展性。
步骤13：IDBUS帧结构模型。
（1）点火驱动总线IDBUS的帧结构模型参见4所示，通信帧由1个或多个子帧组成，子帧由“起始位/N个信息位/奇偶校验位/结束位”组成，通信帧之间发送存在等待时间，即发完一帧要等待至少一个子帧时间；通信帧中子帧之间发送无停顿，即子帧连续发送。
（2）IDBUS通信帧中的子帧数量X（正整数），子帧中的信息位数量N（8的倍数）可以根据通信环境和应用需要进行灵活配置，可以满足多种应用场景需要。
步骤14：IDBUS帧结构类型。
（1）IDBUS帧中子帧类型参见表2所示，包括指令子帧、结束子帧、数据子帧、标宽子帧；子帧中有效信息位N(8的倍数)，最后一位为奇偶校验位；指令子帧高N/2位与低N/2互为反码，高N/2位不能为全1或全0；结束子帧高N/2位与低N/2互为反码，高N/2位全1或全0；数据子帧不能为结束子帧的子帧；标宽子帧表示起始位、N个信息位，奇偶校验位、结束位，调制后脉冲信号宽度都等于下行标准脉宽值。
（2）基于子帧类型进行组合形成通信帧结构类型，参见图5所示。
（a）IDBUS下行常规通信帧：成帧顺序为“指令子帧/多个数据子帧/结束子帧”，必须在下行标宽通信帧执行完毕后进行；正常通信时，主站发送常规通信帧，从站只需执行主站指令，需要反馈信息给主站。
（b）IDBUS下行特殊通信帧：成帧顺序为“指令子帧/Y个数据子帧”，Y最小为1的正整数，从站只需要执行主站指令，而无须反馈信息给主站；为达到特种应用目的，减少出错概率和可能造成的损失，需要保证从站可靠接收与准确解调出主站的调制数字信息并执行相应命令。
（c）IDBUS下行广播通信帧：成帧顺序为“指令子帧”，从站只需要执行主站指令，根据是否需要从站反馈信息给主站来设置指令子帧的功能；如总线上多从站时，某类下行广播通信帧不需要从站反馈，如果总线上只有一个从站时，某类下行广播通信帧需要从站反馈信息。
（d）IDBUS下行标宽通信帧：一个下行标准脉宽的子帧，必须在正常通信前进行，主站广播标宽通信帧，从站接收并处理后获得下行通信的标准脉宽值Tdown，用于从站正常通信时解调出下行通信帧的调制数字信息。
（e）IDBUS上行常规通信帧：成帧顺序为“Z个数据子帧/结束子帧”，Z最小为1的正整数；当主站选中从站时，从站执行主站命令并反馈相关信息（如读写成功状态信息、读出数据信息等）到主站。
步骤15：IDBUS通信协议的应用实例。
（1）在远程数码雷管点火驱动应用中，相关参数设置参见表3所示，子帧中码元数为N+3，有效二进制数为N+1；N等于8时，根据高N/2位与低N/2互为反码，高N/2位不能为全1或全0，则指令子帧有14个，编码分别是8'h1E、8'h2D、8'h3C、8'h4B、8'h5A、8'h69、8'h78、8'h87、8'h96、8'hA5、8'hB4、8'hC3、8'hD2、8'hE1，对应的指令功能可以设置为：写从站ID码、选中从站ID码、写从站点火密码、读从站、从站密码比对、充电、放电、允许点火、紧急放电等。
（2）结束子帧编码为8'hF0，总线上传输信息顺序采用MSB先传方式。
（3）数字逻辑“1”脉宽为标准脉宽值L倍，L设置为1.5, 数字逻辑“0”脉宽为标准脉宽值M倍，M设置为0.5, 上行标准脉宽值Tup设置为500us(微秒)，从站身份识别码ID设置为128bit（即16个数据子帧）。
（4）下行特殊通信帧用于“允许点火”指令时，可以由上述多个指令子帧编码组合，或者上述任一指令子帧编码，加约定的数据子帧组成。
（5）主站与从站正常通信前，主站先发送下行标宽通信帧，11个脉冲宽度都等于下行标准脉宽值Tdown，广播到总线上后，所有的从站进行接收处理，并解调出下行标准脉宽值，保证正常通信时能准确解调调制数字信息，基于实际通信环境和通信速率，可以在线改变Tdown值，只需主站再次发送下行标宽通信帧。
（6）主从通信的“选中从站”实例，主站要选中某从站，主站可以发“选中某从站ID”的下行常规通信帧，成帧顺序“指令子帧/从站ID码的16个数据子帧/结束子帧”，所有从站接收并处理下行通信帧，并基于下行标准脉宽值Tdown解调出从站ID码为某从站自身ID码时，该从站被选中，被选中的从站状态寄存器对应位置有效并反馈上行通信帧到主站，其他未被选中的通信帧不响应和反馈，然后主站通过总线采样电阻把总线电流转化为电压并进行数字化处理后，并基于上行标准脉宽值Tup解调出被选中从站的反馈信息，如果解调出的反馈信息中显示从站成功被选中，主站就可以继续发读写通信帧给被选中从站，否则主站继询问从站处理步骤。
上述应用实例可以实现IDBUS通信协议的总线远程供电与通信，具有通信安全性与可靠性高，抗干扰能力强，控制与施工方便，通信距离远、配置简单，设备成本低等优势。
以上所述仅为本发明的通信协议、以及实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明说明书中未作详细描述内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种点火驱动总线IDBUS（Ignition Drive Bus）的通信协议及应用，与现有MBUS、CMBUS共同之处有：总线无极性、一主（Master）多从（Slave）、半双工异步通信，可供电，无时钟线等；不同的特征在于，包括：通信机制是下行通信为差动电压脉宽调制方式，上行通信为电流脉宽调制方式；帧结构模型是帧由子帧组成，子帧由起始位、N（8的倍数）个信息位、奇偶校验位、结束位组成，N可配置”；帧结构类型是“数据子帧、指令子帧、结束子帧、标宽子帧”组合成下行“常规/特殊/广播/标宽”通信帧，上行常规通信帧；信号脉宽值包括“下行标准脉宽值Tdown根据应用需要可配置，上行标准脉宽值Tup固定，数字信号调制后的脉宽值为标准脉宽值的L或M倍；下行正常通信前主站广播下行标宽通信帧让从站检测出下行标准脉宽值Tdown，用于正常通信时从站解调出下行调制的数字信息等。
2.根据权利要求1所述的一种点火驱动总线IDBUS的通信协议，其特征在于：
（1）IDBUS结构
总线是无极性、一主多从、半双工、串行异步、问询/应答方式通信，且可远程供电的双线总线，每个从站拥有唯一的ID（Identity，身份标识）码，组网采用总线型拓扑结构；
（2）IDBUS通信机制
（a）IDBUS信号传输具有独特的脉宽特征，下行主站（Master）到从站（Slave）的信号传输通过差动电压脉宽调制实现，而上行从站到主站的信号传输通过电流脉宽调制实现；
（b）脉宽调制参数，Tdown为下行标准脉宽值，Tup为上行标准脉宽值，定义逻辑“1”调制后的脉宽值为标准脉宽值的L倍，逻辑“0”调制后的脉宽值为标准脉宽值的M倍，L与M不相等且不等于1，L与M可配置；
（c）总线电压电流，总线差动电压Ud，即总线间直流电压差的绝对值Ud固定，根据应用场景需求可配置；从站静态电流少于1.5mA,被选中从站反馈吸取总线电流11mA~20mA；
（d）主从站通信过程，主站发送下行通信帧时，所有从站处于侦听接收状态；主站发送完下行通信帧后，如果要等待被选中从站的反馈，则处于等待从站反馈状态（即总线差动电压不翻转，差值不变），否则等待一定时间后继续发送下一个通信帧；所有从站接收到主站的下行通信帧并准确解调出调制的数字信息，如果需要从站反馈，则只有唯一被选中的从站反馈信息，未被选中的从站继续处于侦听接收主站通信帧的状态，否则所有从站都不反馈；
（3）IDBUS帧结构模型
（a）通信帧组成，由多个子帧组成；
（b）子帧组成，组合顺序“起始位/N个信息位/奇偶校验位/结束位”；
（c）通信帧之间发送存在等待时间，即发完一帧要等待至少一个子帧时间；
（d）通信帧中子帧间发送无停顿，即通信帧内的子帧连续发送；
（e）帧相关参数，帧中子帧数量X可以配置，最小是1的正整数，子帧中信息位数N（8的倍数）可以配置，数据传输顺序根据可选择高bit（MSB，Most Significant Bit）或低bit（LSB，Least Significant Bit）先传；
（4）IDBUS帧结构类型
基于子帧类型进行组合形成通信帧结构类型，参见5所示；
（a）帧的子帧类型，包括指令子帧、结束子帧、数据子帧、标宽子帧；
（b）指令子帧，高N/2位与低N/2互为反码，高N/2位不能为全1或全0；
（c）结束子帧，高N/2位与低N/2互为反码，高N/2位全1或全0；
（d）数据子帧，不能为结束子帧的子帧；
（e）标宽子帧，表示下行子帧“起始位/N个信息位/奇偶校验位/结束位”，调制后信号脉宽值都等于下行标准脉宽值Tdown；
（f）下行常规通信帧，成帧顺序为“指令子帧/多个数据子帧/结束子帧”，
必须在下行标宽通信帧执行完毕后进行；正常通信时主站发送常规通信帧，从站只需执行主站指令，被选中的从站根据是否反馈确定发送上行通信帧给主站；
（g）下行特殊通信帧，成帧顺序为“指令子帧/多个数据子帧”，从站只需要执行主站指令，而无须反馈信息给主站；为达到特种应用目的，减少出错概率和可能造成的损失，需要保证从站可靠接收与准确解调出主站的调制数字信息并执行相应命令；
（h）下行广播通信帧，成帧顺序为“指令子帧”，无反馈的下行广播通信帧：总线上有多个从站时，从站只需要执行主站指令且无需反馈信息给主站；有反馈的下行广播通信帧：当总线上只有一个从站时，根据指令功能，该从站反馈信息给主站；根据应用场景设定广播通信帧的指令功能及是否需要从站反馈信息；
（i）下行标宽通信帧，是一个脉宽值都为下行标准脉宽Tdown的子帧，必须在正常通信前进行；主站广播标脉通信帧，从站接收并处理后获得下行通信的标准脉宽值Tdown，用于正常通信时从站解调出下行的调制数字信息；
（j）上行常规通信帧，成帧顺序为“多个数据子帧/结束子帧“；当从站被主站选中时，从站执行主站命令并反馈相关信息（如读写成功状态信息、读出数据信息等）到主站；
（5）IDBUS通信协议的应用实例
在民爆点火驱动应用中，相关参数设置参见表3所示，N为8，通过设置参数与定义指令子帧编码及功能，实现主从站间的安全可靠通信。
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