CN110071742B - 一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路及通信方法，包括第一电路模块和第二电路模块，第一电路模块包括主机端、直流电源和电阻R1，第二电路模块包括从机端、二极管D1和电容C1，主机端的主MCU通信口和从机端的从MCU通信口通过通信线相连，直流电源正极并联连接主机端的电源输入正极端和电阻R1一端，电阻R1另一端与通信线一端连通，通信线另一端与二极管D1的正极并联连接，二极管D1的负极再并联连接电容C1一端，电容C1的另一端、主机端的电源输入负极端、从机端的电源输入负极端再与直流电源负极并联连接在一起。本发明能够实现分时供电和半双工通信，电路整体功耗低，用电池供电能够长时间使用。
Description
技术领域
本发明涉及电路通信技术领域，尤其涉及一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路及通信方法。
背景技术
市面上近距离通信，通常采用蓝牙通信、WiFi通信、ZigBee通信等无线通信方式，但利用这些无线通信技术进行数据传输存在功耗大、成本高、应用复杂等缺点。
为了克服上述近距离无线通信的缺陷，现有技术常用的近距离通信通常采用有线通信技术，现有的近距离有线通信方式通常需要在主模块、从模块之间设置电源线、地线和传输线才能实现正常通信，这种方式主模块、从模块（发射端和接收端）之间连接电缆多，接线不方便，而且增加了产品成本。
为了克服近距离有线通信中电缆多的缺陷，还有一种采用电源线进行通信的电力线通信（PLC）模式，它将调制过的高频信号以电流为载体叠加在电力线上进行传输， 电力线通信具有传输信息量大、传输速度快、能够双向通信（也称为双工通信）等优点，但采用电力线通信方式需要在接收端设置滤波与解调模块，导致成本更高。
在一些传输数据量较小的近距离通信应用场合，如对产品价格比较敏感的电子类产品，不适合采用PLC通信模式。如申请号为201810079439.6，专利名称为“一种近距离单向供电反向通信的电路结构”的发明专利申请，其将电源线和信号传输线合二为一进行近距离有线单向通信，向主机端共用从机端的电源供电，即从机和主机共用一个电源，简化了通信电路，降低了成本，但其只能实现反向通信，应用场合局限，尤其不适合用于需要进行数据交换的场合；而且只能实现一对一通信，无法实现一对多的总线通信，无法应用于需要多设备通信的场合。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路，将电源线和信号传输线合二为一进行近距离有线通信，电源设置在主机端，主机端与从机端之间能够实现分时供电和通信、从机端与主机端能够实现半双工通信交换数据；而主机端与从机端通信通过中断功能唤醒，电路整体功耗低，适合用电池供电、待机时间长。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路，包括第一电路模块和第二电路模块，所述第一电路模块包括主机端、直流电源和电阻R1，所述第二电路模块包括从机端、二极管D1和电容C1，所述主机端的主MCU通信口和所述从机端的从MCU通信口通过通信线相连，所述直流电源正极并联连接所述主机端的电源输入正极端和所述电阻R1一端，所述电阻R1另一端与所述通信线一端连通，所述通信线另一端与所述二极管D1的正极并联连接，所述二极管D1的负极再并联连接所述电容C1一端，所述电容C1的另一端、所述主机端的电源输入负极端、所述从机端的电源输入负极端再与所述直流电源负极并联连接在一起。
进一步的，所述主机端的主MCU通信口具有数据输入、数据输出和IO中断功能，所述数据输入功能用于接收通信数据，所述数据输出功能用于发起通信请求或发送通信数据；所述IO中断功能用于侦听通信请求信号并唤醒所述主机端，所述主机端与所述从机端之间通过响应该通信请求信号后建立通信连接，再进行数据传输，数据传输结束后断开通信连接、所述主MCU通信口再进入侦听状态。
进一步的，所述从机端的从MCU通信口具有数据输入、数据输出和IO中断功能，所述数据输入功能用于接收通信数据，所述数据输出功能用于发起通信请求或发送通信数据；所述IO中断功能用于侦听通信请求并唤醒所述从机端，所述从机端与所述主机端之间通过响应该通信请求信号后建立通信连接，再进行数据传输，数据传输结束后断开通信连接、所述从通信口再进入侦听状态，所述直流电源经过电阻R1、通信线和二极管D1继续给所述从机端供电。
进一步的，所述通信线只有一根线缆，并且同时作为电源线使用。
进一步的，所述第二电路模块包括一个、两个或两个以上，两个以上的所述第二电路模块通过通信线与所述第一电路模块并联连接。
进一步的，所述第二电路模块为一个时，所述主机端的主MCU通信口或从机端的从MCU通信口均可作为通信发起端主动发出通信请求信号。
进一步的，所述第二电路模块为两个或两个以上时，在同一通信网络中的每个所述从机端与所述主机端均对应设置唯一的识别ID，各个所述从机端的从MCU通信口只能按设定的识别ID对应响应所述主机端的主MCU通信口发出的通信请求信号。
根据上述电路实现的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，包括如下步骤：
S1、上电运行，所述第一电路模块与第二电路模块接通后先由所述直流电源进行供电，所述直流电源通过电阻R1、通信线和二极管D1向所述从机端供电，并对所述电容C1进行充电，所述电容C1需要的充电时间为t1，程序中设置一个初始化待机时间Twait，初始化待机时间Twait大于所述电容C1的充电时间t1；
S2、Twait等待时间结束后，程序控制所述第一电路模块与所述第二电路模块进入工作状态正常执行任务，所述主MCU通信口和从MCU通信口处于侦听状态；
S3、当程序需要进行通信时，所述主机端通过主MCU通信口主动发出通信请求信号，所述从机端通过从MCU通信口和通信线收到通信请求信号后进入中断服务程序、与所述主机端建立通信连接，然后接收所述主机端传输的数据并将数据进行存储；在数据传输过程中，当通信电平被拉低时所述从机端由所述电容C1供电；
S4、所述主机端发送完通信数据后再发送一个通信结束码，所述从机端接收到该通信结束码后再向所述主机端回传一帧数据，该帧数据包括通信起始码、通信数据和通信停止码；
S5、所述主机端接收到通信停止码后与所述从机端断开通信连接、结束通信；该次通信结束后所述主机端和所述从机端再进入侦听状态，所述主MCU通信口和从MCU通信口均释放对所述通信线的控制。
前述步骤中所述电容C1供电时的放电公式为：
，
其中；
上述公式中Uo为电容C1两端的初始电压，Uc为经过放电时间t后电容两端的电压，τ为放电时间常数。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用同一根通信线就能实现电源和信号传输，主机端和从机端共用一个直流电源，利用简单和少量的电子元件就能很好的实现近距离双向通信，能够实现半双工通信交换数；而且主机端与从机端之间供电和通信能够分时实现，更加有利于通信；
2、本发明中直流电源、上拉电阻与主机端能够集成在一起组成一个电路模块，二极管、电容与从机端集成在一起组成另一个电路模块，两个电路模块中电子元件数量少，整体体积小，安装方便，非常适合在小型电子产品上安装；
3、本发明从机端不需要设置独立的电源，主机端与从机端通信能够通过中断功能唤醒，在不通信时电路能够进入低功耗状态运行，使电路整体功耗低，适合用电池供电、待机使用时间长。
总之，本发明电路成本低，能够实现分时供电和半双工通信，电路整体功耗低，用电池供电能够长时间使用。
附图说明
图1为本发明低功耗近距离半双工电源载波通信电路的电路原理图；
图2为本发明低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信时序图；
图3为本发明中多个第二电路模块与第一电路模块并联的电路原理图。
附图标记说明：
1、主机端；11、主MCU通信口；2、直流电源；3、从机端；31、从MCU通信口；4、通信线；10、第一电路模块；20、第二电路模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
参见图1-3所示，一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路，包括第一电路模块10和第二电路模块20，所述第一电路模块10包括主机端1、直流电源2和电阻R1，所述第二电路模块20包括从机端3、二极管D1和电容C1，所述主机端1的主MCU通信口11和所述从机端3的从MCU通信口31通过通信线4相连，所述直流电源2正极并联连接所述主机端1的电源输入正极端和所述电阻R1一端，所述电阻R1另一端与所述通信线4一端连通，所述通信线4另一端与所述二极管D1的正极并联连接，所述二极管D1的负极再并联连接所述电容C1一端，所述电容C1的另一端、所述主机端1的电源输入负极端、所述从机端3的电源输入负极端再与所述直流电源2负极并联连接在一起，构成一个完整的回路。所述通信线4只需采用一根线缆，并且同时作为电源线使用。
所述主机端1的主MCU通信口11具有数据输入、数据输出和IO中断功能，所述数据输入功能用于接收通信数据，所述数据输出功能用于发起通信请求或发送通信数据；所述IO中断功能用于侦听通信请求并唤醒所述主机端1，所述主机端1与所述从机端3之间通过响应该通信请求信号后建立通信连接，再进行数据传输，数据传输结束后断开通信连接、所述主MCU通信口11再进入侦听状态。
参见图1所示，所述主机端1通过内部MCU中的开关控制电路及程序控制实现对主MCU通信口11各个功能切换。
所述从机端3的从MCU通信口31具有数据输入、数据输出和IO中断功能，所述数据输入功能用于接收通信数据，所述数据输出功能用于发起通信请求或发送通信数据；所述IO中断功能用于侦听通信请求并唤醒所述从机端3，所述从机端3与所述主机端1之间通过响应该通信请求信号后建立通信连接，再进行数据传输，数据传输结束后断开通信连接、所述从MCU通信口31再进入侦听状态，所述直流电源2经过电阻R1、通信线4和二极管D1继续给所述从机端3供电。
参见图1所示，所述从机端3通过内部MCU中的开关控制电路及程序控制实现对从MCU通信口31各个功能切换。
参见图1或图3所示，所述第二电路模块20包括一个、两个或两个以上，两个以上的所述第二电路模块20通过通信线4与所述第一电路模块10并联连接。当所述第二电路模块20只有一个时，所述主机端1的主MCU通信口11或从机端3的从MCU通信口31均可作为通信发起端主动发出通信请求信号。当所述第二电路模块20为两个或两个以上时，在同一通信网络中的每个所述从机端3与所述主机端1均对应设置唯一的识别ID，各个所述从机端3的从MCU通信口31只能按设定的识别ID对应响应所述主机端1的主MCU通信口11发出的通信请求信号，此时各个所述从机端3不能主动发出通信请求信号。
在实际应用时，上述电路中的通信请求信号通常采用低电平中断信号，通信时主机端1会先发送一个特定宽度的低电平信号作为通信的开始码，主机端1发送完开始码后，再接着发送通信数据，通信数据发送完后再发送一个特定宽度的低电平当作结束码，主机端1发送完结束码后立即释放对通信线4的控制权，通过程序控制将主MCU通信口11设置为数据输入状态，准备接收数据。对应的从机端3接收到主机端1发送的开始码后，响应中断与主机端1建立通信连接，接收并保存已收到的通信数据，从机端3接收到主机端1发送的停止码后通过程序控制将从MCU通信口31设置为数据输出状态，此时对应的从机端3就可以对应控制通信线4，便于向主机端1回传一帧数据，这样的通信方式即称为半双工通信；与简单的单工通信相比，半双工通信能够使主机端和从机端实现双向数据交换，便于低成本的实现产品的自动化、智能化控制。从机端3回传数据结束后双方断开通信连接、结束通信，该次通信结束后所述主机端和所述从机端再进入侦听状态，便于下次再次通信。
而且通过程序控制，在不通信时控制电路进入低功耗状态运行，通信时通过中断功能唤醒，控制所述主机端与从机端进行相应的工作程序。
本发明通信电路的通信原理可参考IIC总线通信原理，但比现有技术中的IIC总线通信电路省略了一根时钟线，通信电路更加简单。本领域中的技术人员能够根据本发明中的电路及通信方法编制控制程序实施技术方案。
根据上述电路实现的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，包括如下步骤：
S1、上电运行，所述第一电路模块10与第二电路模块20接通后先由所述直流电源2进行供电，所述直流电源2通过电阻R1、通信线4和二极管D1向所述从机端3供电，并对所述电容C1进行充电，所述电容C1需要的充电时间为t1，程序中设置一个初始化待机时间Twait，初始化待机时间Twait大于所述电容C1的充电时间t1；
S2、Twait等待时间结束后，程序控制所述第一电路模块10与所述第二电路模块20进入工作状态正常执行任务，所述主MCU通信口11和从MCU通信口31处于侦听状态；
S3、当程序需要进行通信时，所述主机端1通过主MCU通信口11主动发出通信请求信号，所述从机端3通过从MCU通信口31和通信线4收到通信请求信号后进入中断服务程序、与所述主机端1建立通信连接，然后接收所述主机端1传输的数据并将数据进行存储；在数据传输过程中，当通信电平被拉低时所述从机端3由所述电容C1供电；
S4、所述主机端1发送完通信数据后再发送一个通信结束码，所述从机端3接收到该通信结束码后再向所述主机端1回传一帧数据，该帧数据包括通信起始码、通信数据和通信停止码；
S5、所述主机端1接收到通信停止码后与所述从机端3断开通信连接、结束通信；该次通信结束后所述主机端1和所述从机端3再进入侦听状态，所述主MCU通信口11和从MCU通信口31均释放对所述通信线4的控制，释放控制后，通过电阻R1使通信线4上恢复高电平，从而恢复对电容C1充电。
所述主机端1与所述从机端3之间进行数据传输过程中当通信电平被拉低时所述从机端3由所述电容C1供电，前述步骤中所述电容C1放电时的放电公式为：
，
其中 ；
上述公式中Uo为电容C1两端的初始电压，Uc为经过放电时间t后电容两端的电压，τ为放电时间常数，R为电路工作时的等效电阻，C为所述电容C1的容值。
在实际应用时，所述电容C1容值的选择需综合考虑电路的工作电流与通信码率之间的关系，以确保通信效率；如当通信码率设定在2kbps时，则传输一个双字节数据的通信时间为10ms即可。
例如，当本发明应用于红外感应水龙头产品中时，其感应电路（相当于从机端电路）的工作电流可以在30uA以内，工作电压3V，电路等效放电电阻为100K欧姆，此时选择20uF的电容作为储能电容，由前述电容放电公式得出当电容电压由3V下降到2.9V时的放电时间为70ms，远远大于最低数据传输所需的通信时间10ms，即只要通信过程中感应电路电压不低于2.9V，就可保证感应电路（相当于从机端电路）能够正常工作，并能够与红外感应水龙头产品中的主控电路（相当于主控端电路）通信，通信结束后又恢复对储能电容充电，使感应电路长时间能够循环工作；感应电路和主控电路分成两个电路模块，便于在产品中安装使用，而且感应电路和主控电路只要通过一根共用的通信线与电源线和另一根负极连接线相连即可，即感应电路和主控电路两个电路模块之间只要两根线相连，非常方便。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，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变换，或直。
Claims (8)
1.一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，其特征在于：所述低功耗近距离半双工电源载波通信电路，包括第一电路模块(10)和第二电路模块(20)，所述第一电路模块(10)包括主机端(1)、直流电源(2)和电阻R1，所述第二电路模块(20)包括从机端(3)、二极管D1和电容C1，所述主机端(1)的主MCU通信口(11)和所述从机端(3)的从MCU通信口(31)通过通信线(4)相连，所述直流电源(2)正极并联连接所述主机端(1)的电源输入正极端和所述电阻R1一端，所述电阻R1另一端与所述通信线(4)一端连通，所述通信线(4)另一端与所述二极管D1的正极并联连接，所述二极管D1的负极再并联连接所述电容C1一端，所述电容C1的另一端、所述主机端(1)的电源输入负极端、所述从机端(3)的电源输入负极端再与所述直流电源(2)负极并联连接在一起；所述通信方法包括如下步骤：
S1、上电运行，所述第一电路模块(10)与第二电路模块(20)接通后先由所述直流电源(2)进行供电，所述直流电源(2)通过电阻R1、通信线(4)和二极管D1向所述从机端(3)供电，并对所述电容C1进行充电，所述电容C1需要的充电时间为t1，程序中设置一个初始化待机时间Twait，初始化待机时间Twait大于所述电容C1的充电时间t1；
S2、Twait等待时间结束后，程序控制所述第一电路模块(10)与所述第二电路模块(20)进入工作状态正常执行任务，所述主MCU通信口(11)和从MCU通信口(31)进入侦听状态；
S3、当需要进行通信时，所述主机端(1)通过主MCU通信口(11)主动发出通信请求信号，所述从机端(3)通过从MCU通信口(31)和通信线(4)收到通信请求信号后进入中断服务程序、与所述主机端(1)建立通信连接，然后接收所述主机端(1)传输的数据并将数据进行存储；在数据传输过程中，当通信电平被拉低时所述从机端(3)由所述电容C1供电；
S4、所述主机端(1)发送完通信数据后再发送一个通信结束码，所述从机端(3)接收到该通信结束码后再向所述主机端(1)回传一帧数据，该帧数据包括通信起始码、通信数据和通信停止码；
S5、所述主机端(1)接收到通信停止码后与所述从机端(3)断开通信连接、结束通信；该次通信结束后所述主机端(1)和所述从机端(3)再进入侦听状态，所述主MCU通信口(11)和从MCU通信口(31)均释放对所述通信线(4)的控制。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，其特征在于：前述步骤中的所述电容C1供电时的放电公式为：
其中τ＝RC；
上述公式中Uo为电容C1两端的初始电压，Uc为经过放电时间t后电容两端的电压，τ为放电时间常数,R为电路工作时的等效电阻，C为所述电容C1的容值。
3.根据权利要求1所述的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，其特征在于：所述主机端(1)的主MCU通信口(11)具有数据输入、数据输出和IO中断功能，所述数据输入功能用于接收通信数据，所述数据输出功能用于发起通信请求或发送通信数据；所述IO中断功能用于侦听通信请求信号并唤醒所述主机端(1)，所述主机端(1)与所述从机端(3)之间通过响应该通信请求信号后建立通信连接，再进行数据传输，数据传输结束后断开通信连接、所述主MCU通信口(11)再进入侦听状态。
4.根据权利要求1所述的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，其特征在于：所述从机端(3)的从MCU通信口(31)具有数据输入、数据输出和IO中断功能，所述数据输入功能用于接收通信数据，所述数据输出功能用于发起通信请求或发送通信数据；所述IO中断功能用于侦听通信请求信号并唤醒所述从机端(3)，所述从机端(3)与所述主机端(1)之间通过响应该通信请求信号后建立通信连接，再进行数据传输，数据传输结束后断开通信连接、所述从MCU通信口(31)再进入侦听状态，所述直流电源(2)经过电阻R1、通信线(4)和二极管D1继续给所述从机端(3)供电。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，其特征在于：所述通信线(4)只有一根线缆，并且同时作为电源线使用。
6.根据权利要求1所述的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，其特征在于：所述第二电路模块(20)包括一个、两个或两个以上，两个以上的所述第二电路模块(20)通过通信线(4)与所述第一电路模块(10)并联连接。
7.根据权利要求6所述的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，其特征在于：所述第二电路模块(20)为一个时，所述主机端(1)的主MCU通信口(11)或从机端(3)的从MCU通信口(31)均可作为通信发起端主动发出通信请求信号。
8.根据权利要求6所述的一种低功耗近距离半双工电源载波通信电路的通信方法，其特征在于：所述第二电路模块(20)为两个或两个以上时，在同一通信网络中的每个所述从机端(3)与所述主机端(1)均对应设置唯一的识别ID，各个所述从机端(3)的从MCU通信口(31)只能按设定的识别ID对应响应所述主机端(1)的主MCU通信口(11)发出的通信请求信号。
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