CN114167783B - 一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，该系统包括一个主模块，一个或多个从模块，所述从模块包含传感器；主模块与第一从模块之间、上级从模块与下级从模块之间通过二线总线依次级联构成传感器网络；从模块将检测到的传感器信号转换成相应的传感电流信号，通过二线总线直接传输至主模块；二线总线用于对从模块供电同时，传输传感器信号；二线总线上还传输主模块或从模块发送的节点切换信号；主模块根据节点切换信号确认当前传输信号的从模块地址，根据传感电流信号获得该从模块传感器数据。本发明具有接线简单、功耗低、抗干扰性强、无需编址、共用数据传输通道、从模块无需AD采样部件或控制器，系统成本低、便于设备安装等优点。

Description

一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体是一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统及其测量方法。

背景技术

现有的传感器总线网络大多采用总线拓扑结构，例如485网络技术，其每个节点有两根通讯线，采用供电时，还需要两根电源线，每个节点有独立的地址，该网络的优点是，可以双向通讯，不仅可上传数据，还可下发控制命令，适用通用测控系统。其缺点是，总线有四根线，布线复杂，线路成本和硬件成本较高，每个节点需要独立地址，协议复杂，系统安装和调试不够方便。

市场上大量应用的美信公司(Maxim)温度测量芯片DS18B20，采用了1线制传感器总线技术，除了2根电源线外，只需要1根通讯总线，所有芯片连接同样的这三根线，即可完成数据通讯，且每颗芯片有唯一独立的ID号作为标志，虽然一定程度简化了布线，其缺点是仍然需要3根线，且通过ID号区分，在安装部署时需要读取ID号，不便于更换。

菊花链网络是一种常用的通讯拓扑结构，可以用于传感器网络，每个节点有两对收发器，每个节点连接两段通讯线，每个通讯线连接两个节点，节点间通过手拉手的方式连接，节点的数据是通过相邻节点进行转发，因此这种网络不需要地址，但菊花链网络节点仍然需要独立的供电线，因此节点需要2根电源线，和2个通信接口，如果通讯采用1线制，每个节点也需要外接4根线，且数据从末端传输至主节点，需要大量的转发操作，数据容易丢失，不宜组成大规模网络。

在很多应用中需要连接大量的传感器，组成网络，希望节点成本低、接线方便、方便安装，例如在一些电池管理应用中，例如集装箱锂电池储能系统，往往有多达数百包电池串联，而其中每包电池又是由很多锂电池并联而成，为了电池安全，需要对这些的电池进行温度测量，目前的方案中，需要数以千计的传感器和通讯总线，连接复杂而难以有效管理。

另一方面，现有的方案中，大多采用数字信号传输的方式，对于数量巨大的传感器网络，由于数字信号的波特率限制，所有网络节点的传感器数据上传需要较长时间，导致传感器数据刷新率较低。

而目前的方案中，采用模拟信号传输虽然电路简单，但难以组成网络，因此本文提出一种模拟信号传输的二线总线传感器网络系统，使得系统具有接线方便、成本低、易于实现、模拟信号传输兼具多节点总线信号传输能力，具有极高性价比和实用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统及其测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，由一个主模块、一个或多个从模块、连接主从模块间的二线总线组成；

主模块与所述一个或多个从模块中的第一从模块之间通过二线总线连接；上级从模块与下级从模块之间也通过二线总线连接，依次级联构成传感器网络；主模块通过通讯线与上位机互联；

每个从模块含有一个传感器，从模块将传感器监测的物理量转换成相应模拟量电流信号，通过二线总线发送至主模块；

二线总线，用于为从模块供电同时传输所述从模块转换的传感器电流信号；二线总线上同时传输节点切换信号。

作为本发明的进一步技术方案：所述主模块包括电源接口、下位开关、下位接口、信号转换电路、主稳压电路、主控制器和通信接口；

所述电源接口连接外部电源和主稳压电路，所述主稳压电路连接所述主控制器，所述主稳压电路用于将输入的电源电压稳压后输出给主控制器及其外围电路；

主控制器连接下位开关，主控制器通过对所述下位开关的控制，对所述第一从模块的上级接口进行通断控制；

所述信号转换模块连接所述主控制器，用于对二线总线上的传感器电流信号转换成主控制器可采样的电压信号；

所述通信接口连接上位机，用于将所有从模块的传感器数据传输至所述上位机。

作为本发明的进一步技术方案：所述从模块包括传感器、上级接口、下级接口、信号转换单元和下级开关。

作为本发明的进一步技术方案：所述从模块中，处于下一级从模块的上级接口连接上一级从模块所述下级接口，或第一从模块的上级接口连接主模块的下位接口，

所述上级接口和下级接口之间连接下级开关，用于对下一级从模块通断的控制；

所述电流转换单元，用于将所述传感器监测的物理量信号转换成相应的模拟电流信号，并通过二线总线传输至主模块。

作为本发明的进一步技术方案：所述主模块还包含主切换信号发送电路，所述从模块还包含从切换信号识别电路。

作为本发明的进一步技术方案：所述主模块还包含主切换信号识别电路，所述从模块还包含从切换信号发送电路。

作为本发明的进一步技术方案：所述主切换信号识别电路的识别过程由主控制器使用程序完成。

一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统测量方法，采用上述系统，所述方法中，单个从模块数据传输包括以下情况：

T0时段为静默时段，主模块下位开关断开，所有从模块失电，总线电流为0；

T1时段为传感信号传输时段，每个被启动的从模块均有一次T1时段，在此时段，该从模块发送由电流转换单元所转换的传感器电流信号，该时段的末期，电流信号稳定，主模块在T1时段的末期，采样该信号，从而获得该从模块的传感器信息；

T2时段为节点切换信号时段，在该时段由主模块或从模块发送节点切换信号；如果由主模块发送节点切换信号，当前工作的从模块将关闭电流开关单元，然后导通下级开关，启动下一级从模块；如果从模块发送节点切换信号，表明从模块已完成节点切换任务或者即将启动节点切换任务；如果即将启动节点切换任务，则从模块在发送该信号前关闭电流开关单元，在发送该信号后闭合下级开关，启动下一级从模块，而主模块收到该节点切换信号后，获得节点切换信息，则将后续的总线电流信号识别为下一级从模块传感器信号；如果从模块已完成节点切换任务，则表明从模块准备发送传感器数据，等待主模块的检测。

作为本发明的进一步技术方案：包括以下步骤：

步骤S1：T0静默时段,主模块的下位开关维持断开，所有从模块失电，二线总线电流为0；

步骤S2：主模块初始化，打开下位开关，启动第N(N＝1)从模块的采样和信号传输；同时启动T1传感信号传输时段；

步骤S3：主控制器通过信号转换电路获得第N从模块传输的传感器信号；

步骤S4：主控制器通过主切换信号发送电路发送节点切换信号；同时结束T1时段，并启动T2节点切换信号时段

步骤S5：第N从模块的从切换信号识别电路收到节点切换信号后，关闭该从模块的电流开关单元，再导通下级开关，结束T2时段，并启动下一级从模块的T1时段

步骤S6：第N从模块处于状态，第N+1模块被启动；令N＝N+1；

步骤S7：重复步骤S3-S6，直至所有从模块完成信号传输。

步骤S8：返回S1，等待下一次传感器采样周期。

作为本发明的进一步技术方案：包括以下步骤：

步骤S1：T0静默时段,主模块的下位开关维持断开，所有从模块失电，二线总线电流为0；

步骤S2：主模块初始化，打开下位开关，启动第N(N＝1)从模块的采样和信号传输；同时启动T1传感信号传输时段；

步骤S3：主控制器通过信号转换电路获得第N从模块传输的传感器信号；

步骤S4：第N从模块通过从切换信号发送电路发送节点切换信号；同时结束T1时段，并启动T2节点切换信号时段，关闭第N从模块的电流开关单元，再导通下级开关，结束T2时段，并启动第N+1从模块的T1时段

步骤S5：主模块的主切换信号识别电路收到节点切换信号后，确认当前工作从模块为第N+1；令N＝N+1；

步骤S6：重复步骤S3-S5，直至所有从模块完成信号传输。

步骤S7：返回S1，等待下一次传感器采样周期。

从模块在上电前处于失电状态，功耗为零。

从模块在开启下一级从模块之前即处于休眠状态，仅有微弱的电流损耗，其电流称为休眠电流。

从模块在传输传感器电流信号时，该从模块的其他部分也消耗部分电流，在稳定状态下这部分电流近似为休眠电流；

主模块监测到从模块发送的电流信号中，包括当前工作的从模块的电流及所有处于休眠状态的从模块休眠电流，因此为了获得更精确的传感器数据，主模块可在采样的二线总线电流信号中减去这部分电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明技术方案中，输出信号为电流量的传感器，可以省去从模块的电流转换单元；对于如NTC电阻类的电阻性传感器，使用电流转换单元将电阻转换成电流信号；对于其他类型的输出的传感器，本专业的技术人员通过适当的信号转换电路转换成电流信号，即可适用本发明；类似如光电开关的开关信号，可以将开关状态转换成两种电流；因此本发明适用于各种不同类型传感器网络系统。

除此之外，本发明还包含以下优点：

1、本发明主模块与多个从模块通过二线总线依次级联传感器监测网络，无需地址，可以任意插入节点或者删除节点，易于扩展；

2、利用供电和通信共线技术，仅使用二根线为主模块以及多个传感器检测从模块供电并传输数据，因此简化了现场布线；

3、采用电流模式传输信号，抗干扰能力强。

4、从模块无需模数转换电路和其他数字电路，成本极低；

5、仅有正在传输信号从模块有功耗，其他从模块或处于休眠状态，或处于失电状态，因此功耗极低。

6、从模块的结构简单，仅包括数个开关管和电流转换电路易于集成电路实现，具有很高的性价比。

7、主控方案中，主模块可以主动控制从模块的切换，对于主模块的软件负担小，易于普通单片机系统实现。

8、从控方案中，主模块可采用纯软件实现对切换信号的识别，硬件成本低。

9、系统为特殊的级联结构，下级传感器检测从模块的数据直接发送到主模块，不需要经过前一级传感器检测从模块的转发，因此传输效率高；

10、系统采用模拟信号传输，不受波特率的限制，因此传输速率高，对于高达数百个传感器网络的系统，具有更高的巡检效率。

11、使用模拟量的电流信号传输方式，替代了目前通讯网络中常用数字信号传输技术。为此设计了电流转换单元，实现传感器信号转换成电流信号。

12、在组成二线制传感器网络时，处于休眠状态从模块的休眠电流越低，对于拓展网络规模，提高测量精度，具有重要意义。为此，本发明设计了从模块的电流开关单元，在从模块处于休眠状态时，将断开电流转换单元，最大限度降低了休眠电流。

13、休眠状态时，尽量降低从模块的其他部分功耗，下级开关和电流开关单元的主要元件采用电压控制型的MOS管，其栅极功率极低，因此，保证了极低的休眠电流。

14、设单个从模块的休眠电流为Ip，当上级从模块达到一定数量N时，主模块测到的总线电流Im包含了当前工作的从模块传感器电流和所有上级从模块的休眠电流之和，当N较大时，为了保证测量精度，当前从模块的传感器电流采样值修正为：Is＝Im-N*Ip。该算法提高了测量精度。

15、采用从控方案时，为了让主模块能够区分从模块地址，在从模块信号传输的间隔中增加了T2时段——节点切换信号时段，主模块可以根据此时段收到的异常电流值来确认从模块的切换，由于从模块输出的传感器电流有一个稳定时间，一般在节点切换之前，从模块输出电流处于最稳定的时段，因此，主模块可根据保存的上一次样数据，来作为该从模块输出电流，这样做的代价是，主模块需要连续采样和存储，以便捕捉节点切换信号和传感器输出电流。本专利给出主切换信号识别单路和从切换信号发送电路的功能要求、实现方法和实例。

16、为了减少主模块的程序负荷，本专利还提出了主控方案，此时主模块不需要等待从模块的节点切换信号获得从模块的传感器信息，采样完成后，由主模块发送节点切换信号，完成从模块的切换，为此我们给出了主切换信号发送电路和从切换信号识别电路，给出了这两个电路的功能需求、实现方法及实例。

17、从模块不需要模数转换、GPIO控制、稳压电路，仅用少量分立元件实现，大大降低成本，易于集成电路实现。本专利给出从模块的功能需求、电路框图和设计实例。

18、每个从模块仅在需要传输数据时工作，其他时间处于失电或休眠模式，模块休眠功耗约为10uA量级，即使是100个节点的网络，其平均功耗也仅1mA量级。

19、因为整体功耗极低，因此损失在二线总线上的压降极小，因此可以实现数十，甚至上百个从模块的传感器网络。

附图说明

图1是本发明—种模拟量传输的二线制传感器网络系统的结构示意图；

图2是本发明从控方案主模块的结构示意图；

图3是本发明从控方案从模块的结构示意图；

图4是本发明主控方案主模块的结构示意图；

图5是本发明主控方案从模块的结构示意图；

图6是本发明主控方案从模块实施例的电路图；

图7是本发明从控方案从模块实施例的电路图；

图8是本发明主控方案主模块实施例的电路图；

图9是本发明从控方案主模块实施例的电路图；

图10是本发明主控方案主模块侧的系统信号波形示意图；

图11是本发明从控方案主模块侧的系统信号波形示意图；

图12为从控方案从模块的电路图；

图13为从控方案主模块下位接口电流信号波形示意图。

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。

实施例1：请参阅图1-13所示，一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，包含：

一个或多个从模块：将检测的传感器信号调制成相应的电流信号；

主模块，与一个或多个从模块通过二线总线依次级联，构成二线传感器网络，并通过通讯线与上位机互联；

二线总线，连接于主模块和第一从模块之间，或上级从模块和下级从模块之间，用于供电同时传输从模块电流转换单元输出的电流信号。

处于下一级从模块的上级接口连接上一级从模块下级接口，或处于第一从模块的上级接口连接主模块的下位接口。

实施例2：在实施例1的基础上，主模块包括电源接口、下位开关、下位接口、主切换信号发送电路、主稳压电路、信号转换电路、主控制器和通信接口；

电源接口连接外部电源和主稳压电路，主稳压电路连接主控制器，用于将输入的电源电压稳压后输出给主控制器及其外围电路；

下位开关连接主控制器，通过下位接口连接二线总线对第一从模块的上级接口进行导通控制；

信号转换电路串接与住切换信号发送电路与下位开关之间，输出端连接主控制器，用于二线总线上的电流信号采样，以获得对应的传感器信息及节点切换信号；

切换信号发送电路串接于电源接口和信号转换电路之间，受主控制器控制；

本实施例通讯接口连接上位机，并将传感器数据传输至上位机。

如图8所示，为主控模块电路简图，图中仅给出完成基本功能的最关键的器件，

外接直流电源DC通过电源端口【DC+，DC-】为主模块供电。外接直流电源电压大于5V，例如可选15V。

DCDC1为主稳压电路，通常可选线性稳压器件或DCDC降压变换电路。

MCU为主控制器，可选择带有UART功能、AD转换功能的通用单片机。

DCDC2、R11、R12、R13、Q12、Q13组成主模块切换信号发送电路。

DCDC2为降压变换电路，可输出一定功率的直流电压，例如12V，其输入电压为外部电源。

R11、R12、R13、Q12、Q13组成受主控制器MCU的SW引脚控制的开关，SW引脚为低时，Q13断开，DCDC2的输出为10V；SW引脚为高时，Q13导通，DCDC2的输出为外接电源电压15V；因此控制SW引脚即可产生10V-15V的电压脉冲信号，即节点切换信号。

电流取样电阻R15、运放A1组成信号转换电路，为方便理解电路整体，运放A1只画出了主体部分，省略了外围的反馈、输入匹配电阻电容等器件。

取样电阻R15串联式二线总线回路中，将电流信号转换成电压信号，经过放大电路A1，被主控制器MCU采样。

R14、Q11组成下为开关，主控制器MCU连接R14，控制Q11栅极，MCU的DO引脚高电平时，Q11导通，下位端口【Bus+、BUS-】上出现电压，下为端口连接的第一从模块上电。

从模块包括上级接口和下级接口、电流开关单元、电流转换单元、下级开关、从切换信号识别电路及传感器；

从模块的电流转换单元连接传感器，将传感器信号转换成电流信号，电流开关单元与电流转换单元串联，实现对电流转换单元的开关控制。

从模块的从切换信号识别电路，识别来自主模块通过上级接口传送的节点切换信号，实现对电流开关单元与下级开关的控制。

如图6所示为从模块电路简图，图中仅给出完成基本功能的最关键的器件。本实施例中使用温度电阻作为温度传感器。

[InPort+InPort-]为上级端口。

LDO1是低压差稳压电路，也是电流转换单元，LDO1的Vout引脚与GND引脚间链接温度传感器RT2，由于LDO1的电路特性，其Vout引脚电流不变，Vin引脚电流I＝Vout/RT2，即完成了电阻——电流变换功能。

Q41与R22组成了电流开关单元，Q24导通则电流转换单元工作，Q24截止则电流转换单元失电而不工作。

R23、C22与Q22组成了下级开关电路，Q22导通，则下级端口【OutPort+OutPort-】上出现电压，则下级从模块上电而工作。

LDO2、R24、R25、Q23、C23组成了从切换信号识别电路。LDO2为低压差稳压器。Q24导通时，根据LDO2的特性，Vin上电位足够高时，Vout电位Vo＝Vref*(R24+R25)/R25,Vref为LDO2的Vout与GND引脚间的电压差，选择合适的R24与R25的阻值，可另Vo＝10V，此时上级端口上出现10V电压时，因Vin<＝10V,LDO2的电压差Vin-Vo小于最低压差要求，因此Q23因栅源电压过低而关闭；而当Vin上出现15V电压时，LDO2的电压差Vin-Vo>4V,因此Q23因栅源电压较高而导通。因此，当主模块发送节点切换信号时，Q23将会导通。

从模块上电前，因为电阻R26与C22并联，C22上无电荷也无电压，C23上也无电荷，电压为0。从模块上电时，上级端口电压为10V；C22电压为0，因此Q22因栅源电压低而截止；因此Q24栅极电压为负而导通；C23电压为0因此，Q23截止；此时电流转换电路工作，输出传感器电流I。

主模块发送节点切换信号后，上级端口电压升至15V，C23充电至5V，导致Q23持续导通；电流开关电路Q24截止；R23与C22组成的RC电路中，C22电压逐渐升高，经过时间Tc后，达到Q22的栅极门限电压，下级开关Q22导通；如果主模块发送的节点切换信号脉冲宽度小于Tc，即上级端口电压回降到10V时，Q22尚未导通，则下级从模块上电时其上级接口电压同样是10V。

上级端口电压从15V降至10V过程中，D24持续截至；因LDO2的输入端Vin电压为低，LDO2不工作，Q23因为栅极连接了R25和R24,因此持续保持导通状态，因此在完成的节点切换后，本从模块的功耗降至近乎为0，处于休眠状态。

图10显示了包含一个主模块、三个从模块的二线传感器网络系统的信号传输时序图。

t1时刻前，主模块的下位开关断开，总线电流为0，所有从模块失电。

t1时刻，主模块闭合下位开关，第一从模块上电，启动T1时段，并启动电流转换单元，第一从模块输出传感器信号电流，同时主模块的下位端口上也有几乎同样的电流产生。

主模块通过信号转换电路，检测到传感器的信号，确认该信号已稳定，则在t2时刻发送节点切换信号，并启动T2时段。

T2时段结束时的t3时刻，第一从模块已休眠并使其下级开关导通，启动第二从模块的信号传输。

第二从模块和第三从模块的工作时序，依此类推。

主模块确认所有从模块已完成信号传输后，关闭下位总线开关，系统采样循环完成一次，所有从模块失电，系统处于T0时段，直到主模块下一次打开下位开关。

本实施例连接简单，主模块与第一从模块之间，上级从模块与下级从模块之间，仅通过2根线连接,即二线总线。

本实施例任何从模块数据直接发送至主模块，无需中间节点转发，数据传输采用电流信号，适合远距离、多节点的网络系统。

本实施例从模块无需地址编码。协议中也不需要地址字段。便于安装部署、调试、维修和更换。

本实施例每个节点仅在需要传输数据时工作，其他时间处于掉电或休眠模式，模块休眠功耗约为10uA量级，即使是100个节点的网络，其平均功耗也仅1mA量级。

本实施例中，从模块电路结构简单，成本低，易于集成电路实现。

实施例3，与实施例2的不同之处在于，如图2所示，本实施例从控方案的主模块少了主切换信号发送电路，增加了主切换信号识别电路，而主切换信号识别电路也由主控制器通过软件实现。该电路其他部分，与主控方案实施例相同，不赘述。

本实施例从控方案的主模块少了主切换信号发送电路，增加了主切换信号识别电路，而主切换信号识别电路也由主控制器通过软件实现。该电路其他部分，与主控方案实施例相同，不赘述。

图9为本实施例的主控模块电路简图，图中仅给出完成基本功能的最关键的器件。与图8相比，少了R11、R12、R13、Q13、Q12、DCDC2，该电路中各部件功能与图8相同。主切换信号识别电路由主控制器软件完成。

图7为本实施例的从控模块电路简图，图中仅给出完成基本功能的最关键的器件。与图6相比，本从模块少了LDO2、R24、R25、Q23，增加了C21、R21组成了从切换信号发送电路。本实施例从模块上电后，R23、C22组成RC延时电路使得下级开关在上电Ta时刻后导通。而C21、R21组成的RC延时电路使得电流开关单元在上电时导通，在Tb时刻后截止，设计合适参数令Ta>Tb,即可使得电流转换电路与下级开关有Ta-Tb长的时间出现同时关闭，此时该从模块没有电流，这就是从模块发送的节点切换信号。主模块检测到0电流，即可确认从模块发送了节点切换信号，此后出现电流信号为下一级从模块的传感器电路信号。至此主模块完成对从模块的地址确认。

图11显示了包含一个主模块、三个从模块的二线传感器网络系统的信号传输时序图。

t1时刻前，主模块的下位开关断开，总线电流为0，所有从模块失电。

t1时刻，主模块闭合下位开关，第一从模块上电，启动T1时段，并启动电流转换单元，第一从模块输出传感器信号电流，同时主模块的下位端口上也有几乎同样的电流产生。

t2时刻第一从模块发送节点切换信号，并启动T2时段。主模块根据T2的前后电流值判断上级从模块下级从模块的传感器信息。

T2时段结束时的t3时刻，第一从模块已休眠并使其下级开关导通，启动第二从模块的信号传输。

第二从模块和第三从模块的工作时序，依此类推。

主模块确认所有从模块已完成信号传输后，关闭下位总线开关，所有从模块失电，系统处于T0时段，系统采样循环完成一次，直到主模块下一次打开下位开关。

实施例4，与实施例3的区别之处在于，如图12所示，R22、R23、C22为RC延时电路，在从模块上电过程中，保证Q24导通，Q22断开的状态，并维持至下级从模块的上电。

C21、R21构成RC延时电路，作用是在上电过程中，产生脉冲电流，作为节点切换信号。从模块上电瞬间，电容C21电压为0，R21与RT2电压相等，电流转换单元的电流输出为R21、RT2电流之和，选择合适的电阻R21，即令R21电阻小于RT2的最小值，则可使商店瞬间电流转换单元的电流输出值大于RT2电流，主模块检测到该电流峰值，即确认有新从模块上电，持续采样该电流，在下一次峰值到来前的电流值，或者该电流之不再变化，即可为认为该电流值为此从模块传感器的电流值。

本电路其他部分作用与图7相同，不赘述。

图13为本实施例的主模块检测的电流波形。

t1时刻前，主模块关闭下位开关，系统处于待机状态，

t1时刻，主模块导通下位开关，第一从模块上电，即发送节点切换信号，并开启T2时段；

脉冲结束，从模块输出电流稳定后，T2时段结束；t2时刻T1时段启动，主模块采样从模块输出电流，获得第一从模块的传感器信息；

t3时刻第一从模块的下级开关导通，第一从模块休眠，第二从启动，并发出节点切换信号...

依次类推，直至所有从信息发送完成，主模块关闭下位开关，所有从模块失电，系统采样循环完成一次。

综上，本发明主模块与多个传感器检测从模块通过二线总线依次级联构成菊传感器网络，易于扩展；利用供电和通信共线技术，仅使用电源线为主模块以及多个传感器检测从模块供电并传输数据，因此简化了现场布线，采用电流模式传输信号，抗干扰能力强，且无需地址编码，同时还具有成本低、功耗低的优点。

本发明采用特殊网络结构，下级传感器检测从模块的数据直接发送到主模块，不需要经过前一级传感器检测从模块的转发，每个传感器检测从模块无需数字电路和单片机，仅用阻容元件、开关器件和线性稳压芯片实现，实现成本低。

本发明二线总线传感器系统，接线方便；该技术方案也可用于其他传感器的监测系统。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，其特征在于，由一个主模块、多个从模块、连接主从模块间的二线总线组成；

所述主模块与多个从模块中的第一从模块之间通过二线总线连接；上级从模块与下级从模块之间也通过二线总线连接，依次级联构成传感器网络；主模块通过通讯线与上位机互联；

从模块将传感器监测的物理量转换成相应模拟量电流信号，通过二线总线发送至主模块；

二线总线，用于为从模块供电同时传输所述从模块转换的传感器电流信号；二线总线上同时传输节点切换信号；

所述从模块包括传感器、上级接口、下级接口、电流开关单元、电流转换单元、下级开关、从切换信号识别电路；

所述从模块中，处于下一级从模块的上级接口连接上一级从模块所述下级接口，第一从模块的上级接口连接主模块的下位接口，所述上级接口和下级接口之间连接下级开关，用于对下一级从模块通断的控制；

所述电流转换单元，用于将所述传感器监测的物理量信号转换成相应的模拟电流信号，并通过二线总线传输至主模块；

其中，电流转换单元LDO1是低压差稳压电路，电流转换单元LDO1的Vout引脚与GND引脚间连接所述传感器，电流转换单元LDO1的Vout引脚电流不变；

MOS管Q24与电阻R23组成了电流开关单元，其中，电阻R23连接MOS管Q24的栅极，控制MOS管Q24的通断；电阻R23另一端为低电平时MOS管Q24导通，电流转换单元工作，反之MOS管Q24截止则电流转换单元失电而不工作；

电阻R23、电容C22与MOS管Q22组成了下级开关电路；电阻R22连接MOS管Q22栅极，控制MOS管Q22的通断，电容C22也连接MOS管Q22栅极，电阻R22、电容C22组成串联RC回路，MOS管Q23导通后，电容C22维持低电平，MOS管Q22维持关闭，经过一定时间充电后，电容C22电压上升，达到MOS管Q22导通阈值时，MOS管Q22导通，接通下一级；

电流转换单元LDO2、电阻R24、电阻R25、MOS管Q23、电容C23组成了从切换信号识别电路；电流转换单元LDO2为低压差稳压器；电流转换单元LDO2为低压差稳压器，其VIN引脚连接到电流转换单元LDO1的VIN引脚，其Vout引脚连接MOS管Q23的栅极，电容C23与电阻R25串联，组成RC回路，并连接与MOS管Q23栅极；电阻R24一端接地，一端连接至电流转换单元LDO2的GND引脚，并连接电阻R25；MOS管Q24导通时，电流转换单元LDO1的Vout电位Vo＝Vref*(R24+R25)/R25,Vref为电流转换单元LDO2的Vout与GND引脚间的电压差。

2.根据权利要求1所述的一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，其特征在于，所述主模块包括电源接口、下位开关、下位接口、信号转换电路、主稳压电路、主控制器和通信接口；

所述电源接口连接外部电源和主稳压电路，所述主稳压电路连接所述主控制器，所述主稳压电路用于将输入的电源电压稳压后输出给主控制器及其外围电路；

主控制器连接下位开关，主控制器通过对所述下位开关的控制，对所述第一从模块的上级接口进行通断控制；

所述信号转换模块连接所述主控制器，用于对二线总线上的传感器电流信号转换成主控制器可采样的电压信号；

所述通信接口连接上位机，用于将所有从模块的传感器数据传输至所述上位机。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，其特征在于，所述主模块还包含主切换信号发送电路。

4.根据权利要求1-2任一项所述的一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，其特征在于，所述主模块还包含主切换信号识别电路，所述从模块还包含从切换信号发送电路。

5.根据权利要求4所述的一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，其特征在于，所述主切换信号识别电路的识别过程由主控制器使用程序完成。

6.根据权利要求5所述的一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统，其特征在于，其中单个从模块数据传输包括以下情况：

T0时段为静默时段，主模块下位开关断开，所有从模块失电，总线电流为0；

T1时段为传感信号传输时段，每个被启动的从模块均有一次T1时段，在此时段，该从模块发送由电流转换单元所转换的传感器电流信号，该时段的末期，电流信号稳定，主模块在T1时段的末期，采样该信号，从而获得该从模块的传感器信息；

T2时段为节点切换信号时段，在该时段由主模块或从模块发送节点切换信号；如果由主模块发送节点切换信号，当前工作的从模块将关闭电流开关单元，然后导通下级开关，启动下一级从模块；如果从模块发送节点切换信号，表明从模块已完成节点切换任务或者即将启动节点切换任务；如果即将启动节点切换任务，则从模块在发送该信号前关闭电流开关单元，在发送该信号后闭合下级开关，启动下一级从模块，而主模块收到该节点切换信号后，获得节点切换信息，则将后续的总线电流信号识别为下一级从模块传感器信号；如果从模块已完成节点切换任务，则表明从模块准备发送传感器数据，等待主模块的检测。

7.一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统测量方法，应用于权利要求1-6任一项所述的模拟信号传输的二线制传感器网络系统，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：T0静默时段,主模块的下位开关维持断开，所有从模块失电，二线总线电流为0；

步骤S2：主模块初始化，打开下位开关，启动第N(N＝1)从模块的采样和信号传输；同时启动T1传感信号传输时段；

步骤S3：主控制器通过信号转换电路获得第N从模块传输的传感器信号；

步骤S4：主控制器通过主切换信号发送电路发送节点切换信号；同时结束T1时段，并启动T2节点切换信号时段

步骤S5：第N从模块的从切换信号识别电路收到节点切换信号后，关闭该从模块的电流开关单元，再导通下级开关，结束T2时段，并启动下一级从模块的T1时段

步骤S6：第N从模块处于状态，第N+1模块被启动；令N＝N+1；

步骤S7：重复步骤S3-S6，直至所有从模块完成信号传输；

步骤S8：返回S1，等待下一次传感器采样周期。

8.根据权利要求7所述的一种模拟信号传输的二线制传感器网络系统测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S4：第N从模块通过从切换信号发送电路发送节点切换信号；同时结束T1时段，并启动T2节点切换信号时段，关闭第N从模块的电流开关单元，再导通下级开关，结束T2时段，并启动第N+1从模块的T1时段

步骤S5：主模块的主切换信号识别电路收到节点切换信号后，确认当前工作从模块为第N+1；令N＝N+1；

步骤S6：重复步骤S3-S5，直至所有从模块完成信号传输；

步骤S7：返回S1，等待下一次传感器采样周期。