CN112382078B - 一种仪表通信波形脉宽自动校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仪表通信波形脉宽自动校正方法，其以滞回比较器为主体，通过脉宽采集和PWM两个模块的协调，在发送MCU和接收MCU间通信协议的控制下，自动完成仪表通讯端口波形脉宽的自动调整和校正，实现了仪表通信过程中接收MCU接收的通讯波形与发送MCU发送的初始波形的一致性，有效降低了波形畸变的发生，保证高速率通信下的可靠性。

Description

一种仪表通信波形脉宽自动校正方法
技术领域
本发明涉及一种波形校正方法，特别涉及一种基于外接强电仪表的通讯端口波形脉宽自动校正方法，属于通讯技术领域。
背景技术
为保证操作人员安全，一般外接强电的仪表通信端口要求必须做电气隔离。光耦作为一种低成本、抗干扰能力强的隔离器件被广泛应用于仪表通讯端口的电气隔离中。
通常情况下，发送方仪表和接收方仪表都需要做电气隔离，如图1所示，发送方MCU将方波信号经过光耦传输到RS485总线，接受方将RS485总线接收到的信号再经光耦传送到接受方MCU。实际使用中，为保证光耦饱和导通，一般会选择较小的电流传输比，以保证光耦接收侧的光敏三极管VCE电压低于芯片的输入低电平阈值，这样会导致光耦进入深度饱和区，导致光敏三极管进入饱和区的时长减少，从饱和区退出的时长增加，即上升沿延迟会大于下降沿延迟，导致波形发生畸变，通信可靠性降低。
为解决上述问题，设计一种波形脉宽自动校正方法，就成为本发明的主要目的。
发明内容
鉴于上述现有情况和不足，本发明旨在提供一种以滞回比较器为主体，通过脉宽采集和PWM（即脉冲宽度调制）两个模块的协调配合，完成仪表通讯端口波形脉宽的自动调整和校正，实现了仪表通信过程中，接收MCU接收的通讯波形与发送MCU发送的初始波形的一致性。
为实现上述目的，本发明采用基于调节滞回比较器反相参比电压的方式实现通信波形脉宽的自动校正。其电路原理如图2所示，具体包括硬件和软件两部分，硬件部分包括滞回比较器、设置在MCU内部的脉宽采集和PWM（脉冲宽度调制)二个模块以及与PWM输出端口连接的RC电路。软件部分包括存储在MCU中实现自动校准过程的控制程序和通信协议。其中：
滞回比较器的输出高电压为HV，输出低电压为0V；
滞回比较器的上门限阈值电压Vr=（R2+R1）/R2*Un；
下门限阈值电压Vf=（R2+R1）/R2*Un-R1/R2*H；
因为R1/R2*H为固定值，调整Un会引起Vr和Vf的同步变化，回差固定为R1/R2*H。滞回比较器的反相参比电压Un由MCU的PWM管脚输出占空比（Duty）和由R3与C1组成的RC电路决定，当设计使得PWM频率是R3C1低通滤波电路截止频率fc=1/2πR3C1的10倍以上时，反相参比电压Un=Vcc*Duty，通过改变PWM占空比就可改变Un的大小，进而调整Vr和Vf。
根据上述电路原理，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种仪表通信波形脉宽自动校正方法，具体步骤包括：
步骤1、在接收MCU内部增设脉宽采集和PWM两个模块。
步骤2、将滞回比较器连接在接受方的接收光耦输出端与接收MCU的脉宽采集模块管脚之间。
步骤3、滞回比较器同相端与接收光耦输出端相连接，滞回比较器反相端串接电阻与接受MCU的PWM模块管脚相连接，同时，反相端串接电容与地相连接，电阻与电容组成RC电路，滞回比较器输出端与接收MCU的脉宽采集模块管脚相连接。
步骤4、设置PWM频率为RC电路截止频率10倍以上，将PWM的占空比均分为1至21档，确保在21档时滞回比较器上门限阈值电压Vr不超过VCC-0.2V，在1档时滞回比较器下门限阈值电压Vf不低于0.2V，初始状态PWM自动设置为11档。
步骤5、根据通信协议，发送MCU首先自动发送10个“10101010”校正字节，校正字节之间间隔10ms。
步骤6、当接收MCU接收到第一个校正字节时，脉宽采集模块采集“0”位与“1”位的脉宽差，若“0”位脉宽大于“1”位脉宽，则PWM占空比自动下调一档；当接收到第二个校正字节时，再计算“0”位与“1”位的脉宽差，若“0”位脉宽仍大于“1”位脉宽，则PWM占空比再自动下调一档；如此反复，直至调整完第十个校正字节。如果到1档时“0”位脉宽大于“1”位脉宽，则PWM自动选择为1档进行正式通信。如果到某一档时“0”位脉宽小于“1”位脉宽，则记录此档时的脉宽差，并与上一档的脉宽差做比较，取绝对值小的一档自动作为终选档位进行正式通信。或者，当接收MCU接收到的第一个校正字节的“1”位脉宽大于“0”位脉宽，则PWM占空比自动上调一档；当接收MCU接收到的第二个校正字节的“1”位脉宽仍大于“0”位脉宽时，则PWM占空比再自动上调一档；如此反复，直至调整完第十个校正字节。如果到21档时“1”位脉宽大于“0”位脉宽，则PWM自动选择21档进行正式通信。如果到某一档时“1”位脉宽小于“0”位脉宽，则记录此档时的脉宽差，并与上一档的脉宽差做比较，取绝对值小的一档自动作为终选档位进行正式通信。
步骤7、接收MCU向发送MCU发送5个“11111111”字节，间隔10ms，波形脉宽自动校正完成，校准完成后，接收MCU切换输入管脚为串口接收功能，即可进行仪表间的正常通讯。
本发明所述的一种仪表通信波形脉宽自动校正方法，以滞回比较器为主体，通过脉宽采集和PWM两个模块的协调，在发送MCU和接收MCU的控制下，自动完成仪表通讯端口波形脉宽的自动调整和校正，实现了仪表通信过程中接收MCU接收的通讯波形与发送MCU发送的初始波形的一致性，有效降低了波形畸变的发生，保证高速率通信下的可靠性。
附图说明
图1为现有电气隔离状态下仪表间通信过程的电路原理结构图；
图2为本发明通信波形脉宽校正电路原理结构图；
图3为本发明改进后的电气隔离状态下仪表间通信过程的电路原理结构图。
具体实施方式
下面结合仪表光耦隔离通信中进行的波形脉宽自动校正过程对本发明做进一步的详细描述，如图3所示：
本发明所述的一种仪表通信波形脉宽自动校正方法，具体步骤包括：
步骤1、在接收MCU内部增设脉宽采集和PWM两个模块。
在实际工作中，仪表光耦隔离通信过程包括发送方的发送MCU、发送光耦和接受方的接收MCU、接收光耦，以及连接在发送方和接受方之间的RS485总线。为实现自动校正过程，本发明在接收MCU内部设置了脉宽采集和PWM两个模块。脉宽采集用于“0”“1”脉宽的信息采集。PWM用于对脉冲宽度的数字调制。
步骤2、将滞回比较器连接在接受方的接收光耦输出端与接收MCU的脉宽采集模块管脚之间。
步骤3、滞回比较器同相端与接收光耦输出端相连接，滞回比较器反相端串接电阻与接受MCU的PWM模块管脚相连接，同时，反相端串接电容与地相连接，此处电阻与电容组成RC电路，滞回比较器输出端与接收MCU的脉宽采集模块管脚相连接。
步骤4、设置PWM频率为RC电路截止频率10倍以上，将PWM的占空比均分为1至21档，确保在21档时滞回比较器上门限阈值电压Vr不超过VCC-0.2V，在1档时滞回比较器下门限阈值电压Vf不低于0.2V，同时，将PWM的初始状态自动设置为11档。
PWM初始状态自动设置为11档，可以方便后续过程中向上或向下调整。当然，设置的档位数也可为更多或更少，而初始状态档位以方便后续调整使用即可。
步骤5、根据通信协议，发送MCU首先自动发送10个“10101010”校正字节，校正字节之间间隔10ms。
为实现发送MCU和接收MCU间的相互自动通信，在发送MCU和接收MCU中还预先设置了通信协议，根据通信协议可以自动建立校正字节的发送和接收，完成正式通信前的脉宽自动校正过程。
步骤6、当接收MCU接收到第一个校正字节时，脉宽采集模块采集“0”位与“1”位的脉宽差，若“0”位脉宽大于“1”位脉宽，则PWM占空比自动下调一档；当接收到第二个校正字节时，再计算“0”位与“1”位的脉宽差，若“0”位脉宽仍大于“1”位脉宽，则PWM占空比再自动下调一档；如此反复，直至调整完第十个校正字节。或者，当接收MCU接收到的第一个校正字节的“1”位脉宽大于“0”位脉宽，则PWM占空比自动上调一档；当接收MCU接收到的第二个校正字节的“1”位脉宽仍大于“0”位脉宽时，则PWM占空比再自动上调一档；如此反复，直至调整完第十个校正字节。
当然，如果在不断下调过程中调至1档时，“0”位脉宽仍大于“1”位脉宽，则PWM自动选择为1档进行正式通信；如果在不断上调过程中调至21档时，“1”位脉宽仍大于“0”位脉宽，则PWM自动选择为21档进行正式通信。
当然，如果到某一档时，“0”位脉宽小于“1”位脉宽，或者“1”位脉宽小于“0”位脉宽，则记录此档时的脉宽差，并与上一档的脉宽差做比较，取绝对值小的一档自动作为终选档位进行正式通信。
通过上述过程以程序控制的方式进行，使得调整过程可以自动、快速完成，满足了不同情况下的使用需要，简化了校正过程。
步骤7、接收MCU向发送MCU发送5个“11111111”字节，间隔10ms，波形脉宽自动校正完成，校准完成后，接收MCU切换接口为串口接收，即可进行仪表间的正常通讯。
整个校正过程自动进行，接收MCU以发送5个“11111111”字节作为校正完成的标志，校正后的仪表间正常通讯即可自动展开，避免了传输过程中波形畸变的发生。

Claims (1)

1.一种仪表通信波形脉宽自动校正方法，其特征在于，具体步骤包括：
步骤1、在接收MCU内部增设脉宽采集和PWM两个模块；
步骤2、将滞回比较器连接在接受方的接收光耦输出端与接收MCU的脉宽采集模块管脚之间；
步骤3、滞回比较器同相端与接收光耦输出端相连接，滞回比较器反相端串接电阻与接收MCU的PWM模块管脚相连接，同时，反相端串接电容与地相连接，电阻与电容组成RC电路，滞回比较器输出端与接收MCU的脉宽采集模块管脚相连接；
步骤4、设置PWM频率为RC电路截止频率10倍以上，将PWM的占空比均分为1至21档，确保在21档时滞回比较器上门限阈值电压Vr不超过VCC-0.2V，在1档时滞回比较器下门限阈值电压Vf不低于0.2V，初始状态PWM自动设置为11档；
步骤5、根据通信协议，发送MCU首先自动发送10个“10101010”校正字节，校正字节之间间隔10ms；
步骤6、当接收MCU接收到第一个校正字节时，脉宽采集模块采集“0”位与“1”位的脉宽差，若“0”位脉宽大于“1”位脉宽，则PWM占空比自动下调一档；当接收到第二个校正字节时，再计算“0”位与“1”位的脉宽差，若“0”位脉宽仍大于“1”位脉宽，则PWM占空比再自动下调一档；如此反复，直至调整完第十个校正字节；
如果到1档时“0”位脉宽大于“1”位脉宽，则PWM自动选择为1档进行正式通信；
如果到某一档时“0”位脉宽小于“1”位脉宽，则记录此档时的脉宽差，并与上一档的脉宽差做比较，取绝对值小的一档自动作为终选档位进行正式通信；
或，
当接收MCU接收到的第一个校正字节的“1”位脉宽大于“0”位脉宽，则PWM占空比自动上调一档；当接收MCU接收到的第二个校正字节的“1”位脉宽仍大于“0”位脉宽时，则PWM占空比再自动上调一档；如此反复，直至调整完第十个校正字节；
如果到21档时“1”位脉宽大于“0”位脉宽，则PWM自动选择21档进行正式通信；
如果到某一档时“1”位脉宽小于“0”位脉宽，则记录此档时的脉宽差，并与上一档的脉宽差做比较，取绝对值小的一档自动作为终选档位进行正式通信；
步骤7、接收MCU向发送MCU发送5个“11111111”字节，间隔10ms，波形脉宽自动校正完成，校准完成后，接收MCU切换输入管脚为串口接收功能，即可进行仪表间的正常通讯。
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