CN111209238A - 一种基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于二总线通信技术领域，涉及一种基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路。将二芯线路按传输时间分割为供电时隙和信号传输时隙，当总线位于供电时隙时，总线负责从机电源的供给，总线保持高电平；当总线位于信号传输时隙时，主机单元关闭总线供电，总线电平处于高电平上拉状态，主机通过拉低总线电平下发通讯信号，从机通过拉低总线电平上传通信信号。信号上行下行均采用电压信号,消除了从机负载变化对总线信号的干扰,从站供电能力、总线电压值、通讯距离等参数只取决与器件参数的选则。突破了传统二总线对总线电压、从站供电能力的限制，无需专门的调制解调芯片，极大降低了应用成本及技术门槛，扩大了应用范围。

Description

一种基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路
技术领域
本发明属于二总线通信技术领域，涉及一种基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路。
背景技术
传统的四线系统包括两根供电线路和两根通讯线路，二总线技术是将供电线与信号线合二为一，实现了信号和供电共用一个总线。该技术具有节省施工和线缆成本的优势，且给现场施工和后期维护带来了极大的便利。因而在消防，仪表，传感器，工业控制等领域具有广泛的应用前景。
现有的二总线通讯技术尚未成熟，其技术方案具有以下几点不足之处：第一，主站电路复杂，需要进行电压电流调制解调，成本昂贵；第二，从站通过电流环上传数据，从站供电能力受限，从站供电电流波动容易早成主站数据解调错误；第三，总线电压受限，不利于更长线路数据传输。
发明内容
本发明针对传统二总线通讯技术中存在的问题提出一种新型的基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路。
为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：
本发明提出了一种基于分时复用的二总线通讯技术，将二芯线路按传输时间分割为供电时隙和信号传输时隙，当总线位于供电时隙时，总线负责从机电源的供给，总线保持高电平，当总线位于信号传输时隙时，主机单元关闭总线供电，总线电平处于高电平上拉状态，主机通过拉低总线电平下发通讯信号，从机通过拉低总线电平上传通信信号。信号上行下行均采用电压信号,消除了从机负载变化对总线信号的干扰,从站供电能力、总线电压值、通讯距离等参数只取决与器件参数的选则。
一种基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路，包括总线、主机单元和多个从机单元，
所述主机单元和从机单元之间通过二芯线路连接，所述二芯线路按传输时间分割为供电时隙和信号传输时隙，
传输时间位于供电时隙时，总线负责从机单元的电源供给，总线保持高电平；
传输时间位于信号传输时隙时，主机单元关闭总线供电，总线电平处于高电平上拉状态；
主机单元通过拉低总线电平下发通讯信号；
从机单元通过拉低总线电平上传通讯信号。
作为优选，所述主机单元包括供电和通讯信号时隙模式切换电路、信号发送电路、信号接收电路、MCU(单片机)；
所述供电和通讯信号时隙模式切换电路的输入端一端接供电电源，另一端接MCU(单片机)，输出端一端接所述二芯线的第一支，另一端接所述二芯线的第二支；
所述信号发送电路输入端接MCU(单片机)输出接口，输出端接所述供电和通讯信号时隙模式切换电路的输出端；
所述信号接收电路输入端接所述二芯线的第一支，输出端接MCU(单片机)输入接口。
作为优选，所述供电和通讯信号时隙模式切换电路中设置有P沟道硅MOS场效应晶体管和双极型晶体管，所述双极型晶体管输入端接限流电阻和MCU(单片机)，输出端一端连接有限流电阻和P沟道硅MOS场效应晶体管, 所述P沟道硅MOS场效应晶体管两端电性连接有稳压管和关断电阻；
所述数据接收信号输入端两侧分别设有分压电阻；
所述数据发送电路内设置有双极型晶体管和自恢复保险焊丝,所述双极型晶体管连接MCU(单片机)输出接口, 双极型晶体管连接MCU(单片机)输出接口之间设置有稳压电阻。
作为优选，所述从机单元包括极性变换电路、稳压电路、数据接收电路、数据发送电路，所述的极性变换电路的输入端接所述二芯线的第一支和第二支，输出端连接所述数据接收电路输入端，数据接收电路输出端接MCU(单片机)输入接口；所述数据发送电路输入端接MCU(单片机)输出接口，输出端接极性变换电路的输出端；稳压电路输入端接极性变换电路输入端，输出端接从机单元的负载电路供电端。
作为优选，所述从机单元包括用于总线极性变换的整流桥，所述数据接收电路输出端两侧分别设置有限流电阻；所述数据发送电路包括双极型晶体管，所述双极性晶体管一端电性连接自恢复保险丝，另一端连接限流电阻和MCU(单片机)输出接口；所述稳压电路内设置有二极管和稳压电容。
本发明将二芯线路按传输时间分割为供电时隙和信号传输时隙，当总线位于供电时隙时，总线负责从机电源的供给，总线保持高电平，当总线位于信号传输时隙时，主机单元关闭总线供电，总线电平处于高电平上拉状态，主机通过拉低总线电平下发通讯信号，从机通过拉低总线电平上传通讯信号。
所述基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路应用范围非常广泛，例如在高速道路除冰系统、消防系统、远程抄表系统中的应用。此外还可以应用在消防，仪表，传感器，工业控制等领域。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1.本发明电路首先具有二总线系统本身的优点：节省了施工和线缆成本，给现场施工和后期维护带来了极大的便利。在消防，仪表，传感器，工业控制等领域广泛的应用。
2.本发明基于供电和通讯分时复用的二总线通讯方法及通讯接口电路信号上行下行均采用电压信号,消除了从机负载变化对总线信号的干扰,从站供电能力、总线电压值、通讯距离等参数只取决与器件参数的选则。
3. 本发明突破了传统二总线对总线电压、从站供电能力的限制，无需专门的调制解调芯片，极大降低了应用成本及技术门槛，扩大了应用范围。
附图说明
图1为主机单元接口电路，图2为从机单元接口电路，图3为通讯时序图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
实施例1
如图1-3所示，本实施例提供基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路的具体结构。
1.主机单元接口电路
如图1为主机单元接口电路图，其中，
VBUS：供电电源正端；
GND：供电电源负端；
P/Den：来自MCU,控制总线时隙切换；
RXD：输出到MCU,MCU从总线接收数据；
TXD：来自MCU,MCU向总线发送数据；
BUS+：总线输出端中的1端（正端）；
BUS-：总线输出端中的另一端（负端）；
R*为电阻,Q*为三极管；
其中，Q02：样式为P沟道硅MOS场效应晶体管；
Q01：样式为双极型晶体管；
D01：稳压管；
F*：自恢复保险丝；
D01、R01、R02、R03、R04、Q01、Q02组成供电和通讯信号时隙（模式）切换电路；
D01：稳压管，用于限定Q02的GS电压值，防止Q02损坏；R01在Q01关断时用于关断Q02，R02在Q01开启时限定Q01的 CE端导通电流，R03限定Q01 的BE端电流。
P/Den为高电平时，Q01导通，将Q02的G极电压拉低，VGS <PMOS开启电压，Q02导通，总线处于供电模式；
P/Den为低电平时，Q01截止，R01将G极电压拉高，VGS=0V，Q02关断，总线处于通讯模式，此时总线高电平由R04提供。
R05、R06组成数据接收电路，通过R05、R06分压将总线电平转换为TTL电平。
F01、Q03、R07组成数据发送电路，F01用于限定Q03的CE导通电流，防止Q03损坏；R07限定Q03的BE端电流，在通讯模式下，TXD为高电平时，Q03导通，将总线电平拉低，向从机发送低信号，TXD为低电平时，Q03截止，总线电平被R04拉高，向从机发送高电平信号。
2. 从机单元电路
图2为从机单元电路图，其中，
BUS-A：总线的一端；
BUS-B：总线的另一端；
SD01：整流桥，用于总线极性变换。
SD02：二极管；
SC01：电解电容；
SD02，SC01组成稳压电路，为后级电路提供电源，VIN：总线从机电源输出，为后级电路提供电源。
GND：电源负端；
SR01 、SR02构成数据接收电路，
SF01、SQ01、SR03构成数据发送电路。
3.通讯协议
如图3所示，主机单元定时切换供电时隙和信号时隙，当总线切换至信号时隙时，如果主机需要下发数据，主机将总线拉低2个数据位，在第4个数据位开始下发数据，如果主机无下发数据，主机将总线拉低1个数据，在第4个数据位开始接收从机上行数据，可根据实际需要约定供电时隙Tp，信号时隙Ts，数据位宽度Tb，1数据对应的高电平范围，0数据对应的低电平范围。
本实施例提供的电路已经应用在在高速道路除冰系统中，并得到了非常好的结果。
以高速道路除冰系统为例进行说明，高速道路除冰系统是通过技术手段检测到道路凝冰后，通过喷头向路面喷洒除冰溶液，使道路冰雪融化的系统，其中技术难点在于要在几公里的范围内分布几十甚至上百个喷头，每个喷头需要进行单独控制，分时段逐一进行喷洒控制（管线较长，同时喷洒容易导致末端供压不足）。
原方案中采用485总线方案时，需要4根线缆，施工过程中经常因接线错误、或线路过长导致通讯失败，安装调试成本极高，因控制喷头的电磁阀属于大电流感性负载，开启关闭瞬间电流干扰极大，传统的二总线MBUS、POWERBUS等方案无法解决大电流供电和电流干扰的问题。
采用TDM-2BUS总线方案，即将本发明主机单元电路和从几单元电路应用之后，完美解决了二总线无法为从机大电流供电和电流冲击对通讯干扰的问题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路，其特征在于，包括总线、主机单元和多个从机单元，
所述主机单元和从机单元之间通过二芯线路连接，所述二芯线路按传输时间分割为供电时隙和信号传输时隙，
传输时间位于供电时隙时，总线负责从机单元的电源供给，总线保持高电平；
传输时间位于信号传输时隙时，主机单元关闭总线供电，总线电平处于高电平上拉状态；
主机单元通过拉低总线电平下发通讯信号；
从机单元通过拉低总线电平上传通讯信号。
2.根据权利要求1所述的基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路，其特征在于，所述主机单元包括供电和通讯信号时隙模式切换电路、信号发送电路、信号接收电路、MCU；
所述供电和通讯信号时隙模式切换电路的输入端一端接供电电源，另一端接MCU，输出端一端接所述二芯线的第一支，另一端接所述二芯线的第二支；
所述信号发送电路输入端接MCU输出接口，输出端接所述供电和通讯信号时隙模式切换电路的输出端；
所述信号接收电路输入端接所述二芯线的第一支，输出端接MCU输入接口。
3.根据权利要求2所述的基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路，其特征在于，
所述供电和通讯信号时隙模式切换电路中设置有P沟道硅MOS场效应晶体管和双极型晶体管，所述双极型晶体管输入端接限流电阻和MCU，输出端一端连接有限流电阻和P沟道硅MOS场效应晶体管, 所述P沟道硅MOS场效应晶体管两端电性连接有稳压管和关断电阻；
所述数据接收信号输入端两侧分别设有分压电阻；
所述数据发送电路内设置有双极型晶体管和自恢复保险焊丝,所述双极型晶体管连接MCU输出接口, 双极型晶体管连接MCU输出接口之间设置有稳压电阻。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路，其特征在于，所述从机单元包括极性变换电路、稳压电路、数据接收电路、数据发送电路，所述的极性变换电路的输入端接所述二芯线的第一支和第二支，输出端连接所述数据接收电路输入端，数据接收电路输出端接MCU输入接口；所述数据发送电路输入端接MCU输出接口，输出端接极性变换电路的输出端；稳压电路输入端接极性变换电路输入端，输出端接从机单元的负载电路供电端。
5.根据权利要求4所述的基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路，其特征在于，所述从机单元包括用于总线极性变换的整流桥，所述数据接收电路输出端两侧分别设置有限流电阻；所述数据发送电路包括双极型晶体管，所述双极性晶体管一端电性连接自恢复保险丝，另一端连接限流电阻和MCU输出接口；所述稳压电路内设置有二极管和稳压电容。
6.一种基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口方法，其特征在于，将二芯线路按传输时间分割为供电时隙和信号传输时隙，当总线位于供电时隙时，总线负责从机电源的供给，总线保持高电平；当总线位于信号传输时隙时，主机单元关闭总线供电，总线电平处于高电平上拉状态，主机通过拉低总线电平下发通讯信号，从机通过拉低总线电平上传通信信号。
7.权利要求6所述基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口方法在高速道路除冰系统中的应用。
8.权利要求1-3、5任意一项所述基于供电和通讯分时复用的二总线通讯接口电路在高速道路除冰系统、消防系统、远程抄表系统中的应用。
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