CN114553830A - 一种基于串口双向级联通信电路系统及编址方法 - Google Patents

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刘旭东
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Abstract

本发明公开了一种基于串口双向级联通信电路系统，包括主机、连接线和从机，所述主机通过连接线与第一个从机“IN”输入接口连接，每个从机“OUT”输出接口与下一个从机“IN”输入接口连接，依次级联多个从机设备；所述从机包括上拉电路、电平转换电路、接收电路、发送电路、基准电压电路和开关控制电路。本发明与现有技术相比的优点是：本发明可以实现每个从机的自动编址，提高组网效率，双向级联通信，增加稳定性和通信距离。

Description

一种基于串口双向级联通信电路系统及编址方法
技术领域
本发明涉及一种级联通信电路及编址方法，尤其涉及一种基于串口双向级联通信电路系统及编址方法。
背景技术
级联通信技术能够实现一个主机控制多个从机和获取从机信息，实现双向互相通信，分配地址，自动组网。
现有串口通信距离较近，抗干扰能力差。经RS232芯片处理后，只能实现点对点通信，无法实现一对多通信需求。经RS485处理后，虽可以实现一对多通信，但是由于RS485的机制和驱动能力限制，在通信距离和接的从机数量有很大限制。对于500台以上从机，通信距离超过1千米，RS485更是无能为力。
因此，研发一种基于串口双向级联通信电路系统及编址方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述不足，提供了一种基于串口双向级联通信电路系统及编址方法，旨在解决现有设备中，若通信距离过长，级联设备过多，影响设备正常工作或需要加中继器的问题。
为解决这一问题，本发明设计有每级从机既是接收设备同时也是发送设备，每级间都是相当于点对点通信，稳定可靠。在每级从机接到信号时比较器会将波形整形直接转发至下一级。也可由MCU控制是否转发至下一级，对该从机进行分配地址和组网。
本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种基于串口双向级联通信电路系统，包括主机、连接线和从机，所述主机通过连接线与第一个从机“IN”输入接口连接，每个从机“OUT”输出接口与下一个从机“IN”输入接口连接，依次级联多个从机设备；所述从机包括上拉电路、电平转换电路、接收电路、发送电路、基准电压电路和开关控制电路；
所述上拉电路，用于将信号电平默认拉高为高电平；
所述电平转换电路，用于将信号电平翻转，低电平转换为高电平，高电平转换为低电平；
所述接收电路，用于将信号转换至适合MCU的电平电压标准；
所述发送电路，用于将从机的状态信息的高电平抬升至控制芯片的电源电压，低电平为电源地；作为网关发送或该从机的返回输入信号；
所述基准电压电路，用于控制器电路比较器的参考电压；
所述开关控制电路，用于从机将主机发送过来的地址匹配信息阻断与下一个从机的链接，待该从机匹配完地址后接通开关链接下一个从机，以此类推；
每个从机用于根据地址状态接收到的地址信号和数据，对应的地址从机会回发该从机的数据信息给主机。
进一步地，所述上拉电路包括电阻R4、R5、R7、R10、R11、R12上拉电阻，所述信号电平翻转与上拉电阻依次连接。
进一步地，所述电平转换电路包括U1A、U1B、U2A、U2B推挽式电压比较器，比较器参考电压为电源电压的1/2，参考电压接比较器U1A、U1B、U2A、U2B的正向输入端，信号接反向输入端。信号电平电压高于参考电压比较器输出端输出低电平，信号电平电压低于参考电压比较器输出高电平，也就是电源电压。将信号电平翻转两次后输出，减小脉宽误差。信号电平翻转两次后输出，减小脉宽误差，其原理是：比较器的上升沿时间tPLH与下降沿时间tPHL产生的时间不同，导致高电平信号时间变长，低电平信号时间变短，其高电平信号时间变长的时长绝对值与低电平信号时间变短的绝对值为|tPLH/2-tPHL/2|＝tH，既信号发生畸变。经过两次电平翻转就可以很大程度的抵消这一现象，分析如下，以初始高电平脉宽t为例，经过一次电平翻转后为低电平，其低电平脉宽为t-tH，第二次电平翻转后又为高电平，其高电平脉宽为(t-tH)+tH＝t。当初始信号为低电平时，经过一次电平翻转后为高电平，其低电平脉宽为t+tH，第二次电平翻转后又为低电平，其高电平脉宽为(t+tH)-tH＝t。两次电平翻转使输入输出电平一致，减小脉宽误差。
输入信号“TXD-IN”接TVS二极管D2、上拉电阻R5和限流电阻R8，限流电阻R8比较器U1A反向输入端。比较器U1A输出端接上拉电阻R4和限流电阻R9，经限流电阻R9接比较器U1B反向输入端，比较器U1B输出端接上拉电阻R7、TVS二极管D3和输出信号“TXD-OUT”。
输入信号“RXD-IN”接TVS二极管D4、上拉电阻R10和限流电阻R13，限流电阻R8比较器U2A反向输入端。比较器U2A输出端接上拉电阻R11和限流电阻R14，经限流电阻R14接比较器U2B反向输入端，比较器U2B输出端接上拉电阻R12、TVS二极管D5和输出信号“RXD-OUT”。
所述输入信号“TXD-IN”，接主机或上级从机的输出信号“TXD-OUT”，输出信号“TXD-OUT”接下级从机输入信号“TXD-IN”。输入信号“RXD-IN”接下级从机输出信号“RXD-OUT”，输出信号“RXD-OUT”接主机或上级从机输入信号“RXD-IN”。
所述TVS二极管D2、D3、D4、D5起保护作用，抑制瞬态脉冲电压。限流电阻R8、R9、R13、R14起限流作用，保护电压比较器输入端。
进一步地，所述接收电路包括运放U3B，电阻R20、R21、R23、R25、R26和三极管Q4，所述运放U3B设计为跟随电路，电阻R23、R25组成的分压电路，由电阻R23、R25所分的中间电压加三极管Q4基极，电阻R20起上拉作用，接MCU电源电压，电阻R21起限流作用，电阻R26接三极管Q4发射极和地。
所述运放U3B正向输入端接电压比较器U1A输出端和上拉电阻R4，运放U3B设计为跟随模式，起到增强驱动能力和稳定信号作用，由于运放的高阻态输入特性，对电压比较器U1A的输出信号几乎不会造成影响。运放U3B输出信号接电阻R23、R25限流分压后接三极管Q4基极，控制三极管Q4的通断，由于上拉电阻R20的作用，使信号“RXD1”呈现高低电平变化，所表示的信息也就是输入信号“TXD-IN”的信息。
输入信号“TXD-IN”经电压比较器U1A翻转之后呈现出电平反向，比较器U1A输出端接运放U3B的正向输入端，通过跟随电路，运放U3B的输出电平与比较器U1A的输出电平一致，在运放U3B输出高电平时，三极管Q4导通，使信号“RXD1”为低电平，在运放U3B输出低电平时，三极管Q4不导通，使信号“RXD1”为高电平。这样设计使得信号“RXD1”与输入信号“TXD-IN”电平方向一致，信息一致，只是将信号电压降为MCU适用电压。此方案成本更低，更可靠。
所述电阻R21为限流电阻，避免MCU“RXD”串口接收引脚过冲。信号“RXD1”接MCU“RXD”串口接收引脚。
进一步地，所述发送电路包括电阻R15、R16、R17、R18、R19和三极管Q2、Q3，所述三极管Q2、Q3为NPN型三极管，电阻R16接MCU串口发送引脚和三极管Q3的基极，电阻R18、R19组成分压电路，中间电压接电阻R16，使信号输入端默认为高电平；电阻R15接电源和三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极接电压比较器U2A的反向输入端，发射极接R17。
信号“TXD1”接限流电阻R16，信号“TXD1”经限流电阻R16接三极管Q3基极，控制三极管Q3通断。三极管Q3集电极接三极管Q2基极，限流电阻R15接三极管Q2基极和电源，在三极管Q3的控制下三极管Q2呈现导通断开变化，三极管Q2集电极接电压比较器U2A反向输入端，该输入端电平默认高电平，在三极管Q2导通时，该输入端电平为低电平，不导通时为默认高电平。电压比较器U2A反向输入端信息与发送信息“TXD1”一致，经电平转换电路将信息从“RXD-OUT”输出，传递给上一级从机或主机。电阻R18、R19组成分压电路，中间电压接信号“TXD1”，使信号“TXD1”默认为高电平。信号“TXD1”接MCU“TXD”串口发送引脚。
进一步地，所述基准电压电路包括运放U3A，电阻R22、R24和电容C4，所述电阻R22、R24组成分压电路，电容C4为滤波电容，运放U3A设计为跟随电路，电阻R22、R24分压的中间电压接运放U3A的正向输入端，经跟随电路输出，将运放U3A输出端电压接电压接比较器U1A、U1B、U2A、U2B的正向输入端，作为基准电压。
进一步地，所述开关电路包括电阻R1、R2、R3、R6，三极管Q1和二极管D1，所述电阻R3为限流电阻，接二极管和三极管Q1基极，电阻R2为下拉电阻，接电阻R3和地，三极管Q1起开关作用，集电极接电阻R6，发射极接电阻R1。
所述二极管D1接控制信号“EN-TX”和限流电阻R3、下拉电阻R2，限流电阻R3接三极管Q1基极，电阻R2下拉电阻，一端接地，默认信号为低电平。电阻R6、R9又组成分压电路，在控制信号为高电平时，三极管Q1导通，发射极经电阻R1接地，使电阻R6、R9间分压的电压始终低于电压比较器U1B正向输入端的基准电压，也就是反向输入端始终低于正向输入端，电压比较器U1B的输出端就会始终为高电平，阻断信息到下一级从机传递。
本发明实施例中，主机通过连接线与第一个从机连接，各个从机则依次通过“OUT”输出端接口依次与下一个从机的“IN”输入端接口连接级联。正常工作状态从机为问答式通信形式，主机根据从机地址依次向从机发送信息，从机接收到包含该从机的地址信息才会回复信息。
本发明的一种基于串口双向级联通信电路系统的编址方法，包括以下步骤：
S1：从机上电默认阻断与下一级从机的信号通信；
S2：根据接收到的地址状态信号判断是否为地址编址信号；
S3：若所述状态信号为编址信号，则确定本机地址为1，返回确认信号，打开与下一级从机信号通信，进入控制模式。
S4：若所述状态信不是为编址信号，测将信号传递至下一级从机编址，第二、第三、第四……编址信号，以此类推。
本发明与现有技术相比的优点是：本发明可以实现每个从机的自动编址，提高组网效率，双向级联通信，增加稳定性和通信距离。
附图说明
图1是本发明的接线图。
图2是本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详述。
本发明的一种基于串口双向级联通信电路系统，可以在主机与多个从机通过通信线实现通信时，为每个从机进行本机地址编码。
如图1所示，一种基于串口双向级联通信电路系统，包括输入端IN和输出单OUT，主机通过连接线与第一个从机“IN”输入接口连接，每个从机“OUT”输出端接口依次与下一个从机的“IN”输入端接口连接级联。
如图2所示，信号输入端“TXD-IN”由上一级从机或主机发送过来，由信号输出端“TXD-OUT”发送至下一级从机。信号输入端“RXD-IN”，由下一级从机发送过来，由信号输出端“RXD-OUT”发送至上一级从机或主机。信号发送端“TXD1”接MCU“TXD”串口发送引脚。信号接收端“RXD1”接MCU“RXD”串口接收引脚。开关控制端“EN-TX”接MCU任意I/O口即可。对外的输入输出接口都有TVS瞬态二极管保护防止脉冲尖峰损坏器件。
所述电平转换电路单元为电压比较器，正向输入端接参考电压，反向输入端接级联信号，同一片电压比较器有两路比较器，用同一片电压比较器的两路，做两次电平翻转，参考电压为信号电压的1/2。
所述发送电路单元，将MCU的TXD串口发送引脚，接控制三极管Q3的基极，中间串限流电阻，由Q3控制三极管Q2的通断，在上拉电阻R10的作用下使比较器反向输入端有高低电平变化，该信号脉宽与MCU端TXD发出信号一致，高电平电压值上拉电压一致，将信号电压抬高，信号数据一致。
接收电路信号端从电压比较器第一次翻转后电平引出，接运放正向输入端，做一个跟随电路输出控制三极管Q4，在上拉电阻R20作用下是MCU端RXD接收信号与原始信号数据一致，只是信号电压降为上拉电压3.3V，适配MCU工作电压。
电压比较器的参考电压为R22和R24平均分压值，分压后接运放U3A正向输入端，设计一个跟随电路输出，接电压比较器正向输入端，作为电压比较器基准电压。
开关控制电路MCU以I/O引脚控制，起到阻断信号向下一级传递，对该从机进行编址组网，二极管D1起到保护MCU的I/O口作用，防止方向电压尖峰击穿MCU。通过控制三极管Q1导通，使电压比较器信号输入端的信号电压始终低于参考电压，电压比较器输出端就会输出恒高电平，而不是通信信号，通过这种方式阻断信号传递。
本发明的一种基于串口双向级联通信电路系统的编址方法，包括以下步骤：
S1：从机上电默认阻断与下一级从机的信号通信；
S2：根据接收到的地址状态信号判断是否为地址编址信号；
S3：若所述状态信号为编址信号，则确定本机地址为1，返回确认信号，打开与下一级从机信号通信，进入控制模式。
S4：若所述状态信不是为编址信号，测将信号传递至下一级从机编址，第二、第三、第四……编址信号，以此类推。
本发明实施例中，初始上电状态从机将开关电路断开，阻断信息向下一级从机传递，主机发送地址编址信息，第一级从机编址完成后，开关电路打开，主机信息可以传递给第二级从机，此时主机再次发送地址编址信息，由于第一级从机已编址完成，将不再识别地址编址信息，地址编址信息可以直接发送至第二级从机，待第二级从机编址完成，会打开开关电路，主机再次发送地址编址信息可以直接传递至第三级从机，依次类推，对主机下所有从机进行编址。
以上所述仅为本发明的实施例，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或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于串口双向级联通信电路系统，包括主机、连接线和从机，其特征在于：所述主机通过连接线与第一个从机“IN”输入接口连接，每个从机“OUT”输出接口与下一个从机“IN”输入接口连接，依次级联多个从机设备；所述从机包括上拉电路、电平转换电路、接收电路、发送电路、基准电压电路和开关控制电路；
所述上拉电路，用于将信号电平默认拉高为高电平；
所述电平转换电路，用于将信号电平翻转，低电平转换为高电平，高电平转换为低电平；
所述接收电路，用于将信号转换至适合MCU的电平电压标准；
所述发送电路，用于将从机的状态信息的高电平抬升至控制芯片的电源电压，低电平为电源地；作为网关发送或该从机的返回输入信号；
所述基准电压电路，用于控制器电路比较器的参考电压；
所述开关控制电路，用于从机将主机发送过来的地址匹配信息阻断与下一个从机的链接，待该从机匹配完地址后接通开关链接下一个从机，以此类推；
每个从机用于根据地址状态接收到的地址信号和数据，对应的地址从机会回发该从机的数据信息给主机。
2.根据权利要求1所述的一种基于串口双向级联通信电路系统，其特征在于：所述上拉电路包括电阻R4、R5、R7、R10、R11、R12上拉电阻，所述信号电平翻转与上拉电阻依次连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于串口双向级联通信电路系统，其特征在于：所述电平转换电路包括U1A、U1B、U2A、U2B推挽式电压比较器，比较器参考电压为电源电压的1/2，参考电压接比较器U1A、U1B、U2A、U2B的正向输入端，信号接反向输入端。
4.根据权利要求1所述的一种基于串口双向级联通信电路系统，其特征在于：所述接收电路包括运放U3B，电阻R20、R21、R23、R25、R26和三极管Q4，所述运放U3B设计为跟随电路，电阻R23、R25组成的分压电路，由电阻R23、R25所分的中间电压加三极管Q4基极，电阻R20起上拉作用，接MCU电源电压，电阻R21起限流作用，电阻R26接三极管Q4发射极和地。
5.根据权利要求1所述的一种基于串口双向级联通信电路系统，其特征在于：所述发送电路包括电阻R15、R16、R17、R18、R19和三极管Q2、Q3，所述三极管Q2、Q3为NPN型三极管，电阻R16接MCU串口发送引脚和三极管Q3的基极，电阻R18、R19组成分压电路，中间电压接电阻R16，使信号输入端默认为高电平；电阻R15接电源和三极管Q2的基极，三极管Q2的集电极接电压比较器U2A的反向输入端，发射极接R17。
6.根据权利要求1所述的一种基于串口双向级联通信电路系统，其特征在于：所述基准电压电路包括运放U3A，电阻R22、R24和电容C4，所述电阻R22、R24组成分压电路，电容C4为滤波电容，运放U3A设计为跟随电路，电阻R22、R24分压的中间电压接运放U3A的正向输入端，经跟随电路输出，将输出运放U3A输出端电压接电压接比较器U1A、U1B、U2A、U2B的正向输入端，作为基准电压。
7.根据权利要求1所述的一种基于串口双向级联通信电路系统，其特征在于：所述开关电路包括电阻R1、R2、R3、R6，三极管Q1和二极管D1，所述电阻R3为限流电阻，接二极管和三极管Q1基极，电阻R2为下拉电阻，接电阻R3和地，三极管Q1起开关作用，集电极接电阻R6，发射极接电阻R1。
8.根据权利要求1-7任一权利要求所述的一种基于串口双向级联通信电路系统，其特征在于：所述基于串口双向级联通信电路系统的编址方法，包括以下步骤：
S1：从机上电默认阻断与下一级从机的信号通信；
S2：根据接收到的地址状态信号判断是否为地址编址信号；
S3：若所述状态信号为编址信号，则确定本机地址为1，返回确认信号，打开与下一级从机信号通信，进入控制模式；
S4：若所述状态信不是为编址信号，测将信号传递至下一级从机编址，第二、第三、第四……编址信号，以此类推。
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