CN112202573B - 一种二线制的供电、组网通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二线制的供电、组网通信系统。该系统包括：主机和从机；所述主机用于通过脉冲的形式向二线总线传递能量和通信数据；所述从机挂接在所述二线总线上；所述从机用于接收所述主机传递的能量和通信数据；所述从机还用于通过数据发送口拉动所述二线总线上的波形变化，实现通信数据从所述从机到所述主机的传输。本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统，可以树形、环形、星型随意组网，组网方法灵活，且低成本，能够满足一些特殊领域应用需求。

Description

一种二线制的供电、组网通信系统
技术领域
本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种二线制的供电、组网通信系统。
背景技术
目前，在船舶、军工、汽车电子、工业自动化和家电等领域，主从机中央控制器和被控制设备之间的都采用专用的供电电路和通信电路的方式进行连接，基于独立导线的有线电源线和有线通信线路或专用无线通信设备才能工作。而在一些特殊领域(线路数量要求严格(线路节点尽量少)或较远距离传送(为了减少线缆成本))，需满足供电和通信控制的要求。
因此，现有连接方式存在以下缺点：
(一)通信中的节点越多，线路结构越复杂。即随着总线上的挂载节点增加，线路中通信信号强度发生明显衰减，影响正常通信；
(二)随着电路负载的变化，线路中元件参数需要复杂的计算调整。总线负载增大，线路压降增加，主机和从机上的压差比较明显，从机的比较器难以分辨主机发到总线上的数据，从机发送调制信号幅值较小，主机同样难于采集，不进行元器件参数调整，就无法保证通信正常进行；
(三)收发芯片的数量多，应用成本高。为了改善多节点、大电流压降带来的问题，电路中必须增加高精度的滤波、整形器件，从而增加了成本；
(四)数据传送速度有限，无法满足通信使用需求。传统方案为改善多节点、大电流压降带来的问题，除采用上述第三点的解决方案外，还要降低通信速度，减小误码率，对于数据流量要求较大的设备就无法满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种二线制的供电、组网通信系统，可以树形、环形、星型随意组网，组网方法灵活，且低成本，能够满足一些特殊领域应用需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种二线制的供电、组网通信系统，包括：主机和从机；所述主机用于通过脉冲的形式向二线总线传递能量和通信数据；所述从机挂接在所述二线总线上；所述从机用于接收所述主机传递的能量和通信数据；所述从机还用于通过数据发送口拉动所述二线总线上的波形变化，实现通信数据从所述从机到所述主机的传输；所述从机为多个。
可选的，所述主机包括：主机控制器、功率脉冲电路、第一电阻、数据信号放大器、自适应电压比较器；
所述二线总线上的供电电源分别与所述功率脉冲电路的输入端和所述第一电阻的输入端连接，所述功率脉冲电路的输出端和所述第一电阻的输出端均与所述二线总线连接；所述功率脉冲电路的控制端与所述主机控制器的控制端连接，所述控制器的数据输出端与所述数据信号放大器的输入端连接，所述数据信号放大器的数据输出端与所述二线总线连接，所述自适应电压比较器的输入端与所述二线总线连接，所述自适应电压比较器的输出端与所述主机控制器的输入端连接。
可选的，所述主机控制器包括：脉冲发生器、数据编码器、数据解码器以及数据通信接口；
所述脉冲发生器的脉冲输出端与所述功率脉冲电路的控制端连接，所述脉冲发生器的数据输出端分别与所述数据编码器的数据输入端以及所述数据解码器的数据输入端连接，所述自适应电压比较器依次通过所述数据解码器、所述数据通信接口与所述数据编码器的数据输入端连接。
可选的，所述主机控制器为单片机或FPGA芯片。
可选的，所述从机包括：整流桥、从机控制器、从机数据信号放大器、自适应电压比较器以及稳压滤波电路；
所述二线总线与所述整流桥连接，所述整流桥的第一输出端和第二输出通过稳压滤波电路与负载连接，所述从机控制器的输出端与所述从机数据信号放大器的输入端连接，所述从机控制器的输入端与所述自适应电压比较器的输出端连接，所述数据信号放大器的输出端以及所述自适应电压比较器的输入端均与所述整流桥的第一输出端连接。
可选的，所述从机控制器包括：从机数据编码器、从机数据解码器以及从机的数据通信接口；
所述自适应电压比较器的输出端与所述从机数据解码器的数据输入端连接，所述从机数据解码器的数据数据输出端分别与所述从机数据编码器的数据输入端以及所述从机数据通信接口的数据输入端连接，所述从机数据通信接口的数据输出端与所述从机数据编码器的数据输入端连接，所述从机数据编码器的数据输出端与所述从机数据信号放大器的输入端连接。
可选的，所述从机控制器为单片机或FPGA芯片。
可选的，所述自适应电压比较器包括：第二电阻、第三电阻、电容、第四电阻、第五电阻以及三极管；
所述第二电阻的输入端与所述二线总线连接，所述第二电阻的输出端分别与所述第三电阻的输入端以及所述电容的输入端连接，所述第三电阻的输出端以及所述电容的输出端接地，所述三极管的第一端分别与所述电容的输入端、第二电阻的输出端以及第三电阻的输入端连接，所述三极管的第二端与所述第四电阻的输出端连接，所述三极管的第三端与所述第五电阻的输入端连接，所述第四电阻的输入端与二线总线连接，所述第五电阻的输出端接地。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统，主机通过脉冲的形式向二线总线传递能量和通信数据；所述从机挂接在所述二线总线上；所述从机接收所述主机传递的能量和通信数据；所述从机通过数据发送口拉动所述二线总线上的波形变化，实现通信数据从所述从机到所述主机的传输。本发明采用二线制供电、通信及组网，可以树形、环形、星型随意组网，组网方法灵活，且低成本，能够满足一些特殊领域应用需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统结构示意图；
图2为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统的主机的结构示意图；
图3为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统的控制原理图；
图4为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统的二线总线电压波形与自适应电压比较器波形示意图；
图5为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统的从机的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种二线制的供电、组网通信系统，可以树形、环形、星型随意组网，组网方法灵活，且低成本，能够满足一些特殊领域应用需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统结构示意图，如图1所示，本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统，包括：主机1和从机2；所述主机1用于通过脉冲的形式向二线总线传递能量和通信数据；所述从机2挂接在所述二线总线上；所述从机2用于接收所述主机1传递的能量和通信数据；所述从机2还用于通过数据发送口拉动所述二线总线上的波形变化，实现通信数据从所述从机2到所述主机1的传输；所述从机2为多个。
图2为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统的主机的结构示意图，如图2所示，所述主机1包括：主机控制器、功率脉冲电路、第一电阻、数据信号放大器、自适应电压比较器；所述主机控制器为单片机或FPGA芯片。所述主机控制器用于产生脉冲信号、数据时序信号、数据的编码、数据的解码及控制、运算处理。
主机1由主机控制器产生传能开关脉冲(由内部定时器中断产生)信号，控制大功率CMOS管M2向二总线供电(见图3)，在传能脉冲关闭时通过第一电阻R1向二线总线维持弱电流供电，同时向数据编码器和数据解码器提供时钟同步信号。此时，若主机控制器有要发送的数据，数据编码器对数据进行编码，产生编码波形送至信号放大器放大，拉低或释放总线，在总线上产生数据时序波。从机2的自适应电压比较器电路检测到总线波形变化，还原成数据方波信号，送控制器解码器进行解码，并通过数据通信接口发送至接收机。
所述二线总线上的供电电源分别与所述功率脉冲电路的输入端和所述第一电阻的输入端连接，所述功率脉冲电路的输出端和所述第一电阻的输出端均与所述二线总线连接；所述功率脉冲电路的控制端与所述主机控制器的控制端连接，所述控制器的数据输出端与所述数据信号放大器的输入端连接，所述数据信号放大器的数据输出端与所述二线总线连接，所述自适应电压比较器的输入端与所述二线总线连接，所述自适应电压比较器的输出端与所述主机控制器的输入端连接。
如图2所示，所述主机控制器包括：脉冲发生器、数据编码器、数据解码器以及数据通信接口。
所述脉冲发生器的脉冲输出端与所述功率脉冲电路的控制端连接，所述脉冲发生器的数据输出端分别与所述数据编码器的数据输入端以及所述数据解码器的数据输入端连接，所述自适应电压比较器依次通过所述数据解码器、所述数据通信接口与所述数据编码器的数据输入端连接。
图5为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统的从机的结构示意图，如图5所示，所述从机2包括：整流桥、从机控制器、从机数据信号放大器、自适应电压比较器以及稳压滤波电路；所述从机控制器为单片机或FPGA芯片。所述从机控制器用于输入数据的编码和输出数据的解码及数据通信、运算处理。
所述二线总线与所述整流桥连接，所述整流桥的第一输出端和第二输出通过稳压滤波电路与负载连接，所述从机控制器的输出端与所述从机数据信号放大器的输入端连接，所述从机控制器的输入端与所述自适应电压比较器的输出端连接，所述数据信号放大器的输出端以及所述自适应电压比较器的输入端均与所述整流桥的第一输出端连接。
如图5所示，所述从机控制器包括：从机数据编码器、从机数据解码器以及从机的数据通信接口。
所述自适应电压比较器的输出端与所述从机数据解码器的数据输入端连接，所述从机数据解码器的数据数据输出端分别与所述从机数据编码器的数据输入端以及所述从机数据通信接口的数据输入端连接，所述从机数据通信接口的数据输出端与所述从机数据编码器的数据输入端连接，所述从机数据编码器的数据输出端与所述从机数据信号放大器的输入端连接。
图3为本发明所提供的一种二线制的供电、组网通信系统的控制原理图，，如图3所示，所述自适应电压比较器包括：第二电阻、第三电阻、电容、第四电阻、第五电阻以及三极管。
所述第二电阻的输入端与所述二线总线连接，所述第二电阻的输出端分别与所述第三电阻的输入端以及所述电容的输入端连接，所述第三电阻的输出端以及所述电容的输出端接地，所述三极管的第一端分别与所述电容的输入端、第二电阻的输出端以及第三电阻的输入端连接，所述三极管的第二端与所述第四电阻的输出端连接，所述三极管管的第三端与所述第五电阻的输入端连接，所述第四电阻的输入端与二线总线连接，所述第五电阻的输出端接地。
自适应电压比较器(图3方框内部分)其特点是自动适应二总线电压值，而不影响比较器对二总线上的数据整形、解析，确保数据通信正常进行，是一种低成本二线制供电、通信及组网解决方案。其原理是，二线总线的供电脉冲经过第二电阻R3、第三电阻R10分压给电容C30充放电，C30的电压值U基准是二线总线供电脉冲峰值VCC的1/2，即形成一个简单的总线平均电压半压跟随器，当供电脉冲关闭时总线上的电压有第一电阻R1维持，若主机1接收到数据通信口的数据，送至数据编码器调制成数据时序信号经Q2放大，在总线上产生电压为1/2VCC或VCC两种电压值得方波电压，当数据时序为“1”时，Q2导通，总线电压被Q2拉低至1/2VCC，Q5的发射极与基极压差小于0.7V，Q5截止，数据解码器的采集口被R32拉低至0V，解码器的采集口得到状态值“0”(图4)；当数据时序为“0”时，Q2截止，总线电压回升至VCC，Q5的发射极与基极压差大于0.7V，Q5导通，解码器的采集口被R31拉高至1/2VCC，解码器的数据采集口得到状态值“1”，再经解码器还原数据。
若从机2数据通信接口接收到要发送的数据时，首先通过数据解码器检测二线总线上的同步信号，并判断二线总线是否空闲，再由从机编码器编码成时序，主机1的自适应电压比较器电路检测到二线总线波形变化，还原数据波信号，送主机控制器的数据解码器进行解码，并通过数据通信接口发送至接收机。
根据实际应用中主机供电电压范围在5～36V之间，电流20A，传送距离可达1000米，系统1个主机可配置多个从机，从机挂接在二总线上即可。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种二线制的供电、组网通信系统，其特征在于，包括：主机和从机；所述主机用于通过脉冲的形式向二线总线传递能量和通信数据；所述从机挂接在所述二线总线上；所述从机用于接收所述主机传递的能量和通信数据；所述从机还用于通过数据发送口拉动所述二线总线上的波形变化，实现通信数据从所述从机到所述主机的传输；所述从机为多个；
所述主机包括：主机控制器、功率脉冲电路、第一电阻、数据信号放大器、自适应电压比较器；
所述二线总线上的供电电源分别与所述功率脉冲电路的输入端和所述第一电阻的输入端连接，所述功率脉冲电路的输出端和所述第一电阻的输出端均与所述二线总线连接；所述功率脉冲电路的控制端与所述主机控制器的控制端连接，所述控制器的数据输出端与所述数据信号放大器的输入端连接，所述数据信号放大器的数据输出端与所述二线总线连接，所述自适应电压比较器的输入端与所述二线总线连接，所述自适应电压比较器的输出端与所述主机控制器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种二线制的供电、组网通信系统，其特征在于，所述主机控制器包括：脉冲发生器、数据编码器、数据解码器以及数据通信接口；
所述脉冲发生器的脉冲输出端与所述功率脉冲电路的控制端连接，所述脉冲发生器的数据输出端分别与所述数据编码器的数据输入端以及所述数据解码器的数据输入端连接，所述自适应电压比较器依次通过所述数据解码器、所述数据通信接口与所述数据编码器的数据输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种二线制的供电、组网通信系统，其特征在于，所述主机控制器为单片机或FPGA芯片。
4.根据权利要求1所述的一种二线制的供电、组网通信系统，其特征在于，所述从机包括：整流桥、从机控制器、从机数据信号放大器、自适应电压比较器以及稳压滤波电路；
所述二线总线与所述整流桥连接，所述整流桥的第一输出端和第二输出通过稳压滤波电路与负载连接，所述从机控制器的输出端与所述从机数据信号放大器的输入端连接，所述从机控制器的输入端与所述自适应电压比较器的输出端连接，所述数据信号放大器的输出端以及所述自适应电压比较器的输入端均与所述整流桥的第一输出端连接。
5.根据权利要求4所述的一种二线制的供电、组网通信系统，其特征在于，所述从机控制器包括：从机数据编码器、从机数据解码器以及从机的数据通信接口；
所述自适应电压比较器的输出端与所述从机数据解码器的数据输入端连接，所述从机数据解码器的数据输出端分别与所述从机数据编码器的数据输入端以及所述从机数据通信接口的数据输入端连接，所述从机数据通信接口的数据输出端与所述从机数据编码器的数据输入端连接，所述从机数据编码器的数据输出端与所述从机数据信号放大器的输入端连接。
6.根据权利要求4所述的一种二线制的供电、组网通信系统，其特征在于，所述从机控制器为单片机或FPGA芯片。
7.根据权利要求1或权利要求4所述的一种二线制的供电、组网通信系统，其特征在于，所述自适应电压比较器包括：第二电阻、第三电阻、电容、第四电阻、第五电阻以及三极管；
所述第二电阻的输入端与所述二线总线连接，所述第二电阻的输出端分别与所述第三电阻的输入端以及所述电容的输入端连接，所述第三电阻的输出端以及所述电容的输出端接地，所述三极管的第一端分别与所述电容的输入端、第二电阻的输出端以及第三电阻的输入端连接，所述三极管的第二端与所述第四电阻的输出端连接，所述三极管的第三端与所述第五电阻的输入端连接，所述第四电阻的输入端与二线总线连接，所述第五电阻的输出端接地。
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