CN1147884A - 双绞线与智能单元之间的接口方法及装置 - Google Patents

Abstract

用于连接分配式智能网络中的单元(27)和双绞线(23)的收发器模块(40)。模块从线路接收电能并给其相应的单元供电。在数据包传送的末端，收发器发送一个反码，然后是一个反反码，以在线路中分散能量，这之后，是在两个包(图7)之间的死期内对线路箝位。N个收发器可被互连(没单元)以形成中继器(图5)。该收发器模块能被用在具有自由拓扑结构的网中，即无需具有端点的理想传输。

Description

双绞线与智能单元之间的 接口方法及装置

发明背景

1.发明领域

本发明涉及收发器及收发器模块这一领域，特别是那些能提供双绞线与智能单元接口及在数据传输介质之间进行功率分布的收发器。

2.先有技术

众所周知，分布式智能网络能提供感测、通信和控制功能，如在美国第4918690号专利中所描述的那种网络。这种网络由一个多元节点组成，每一个节点含一个单元和一个收发器，他们连接到诸如双绞线的公共介质上。

在美国第5,148,144号专利和1991年8月Echelon公司发表的题为“用Neuron芯片来实施双绞线收发器”(ImplementingTwisted-Pair Transceivers with Neuron Chips”)的论文中对组成该网络的收发器和相关器件进行过阐述。

如我们所将看到的，本发明提供了一种运作于单对双绞线上，且在它上面能进行功率和通信传输的改进型收发器模块。

发明概述

在由诸如双绞线这样的线路互联多元节点网络上描述了一种改进方法，在网络上，通过线路传送数据包来实现通信，且数据包的末端由首发脉中来标识。首发脉冲除了有确定的极性外，还有一个事先规定的长于数据包中代表数据的脉中的持续时间。首先脉冲发送到线路上之后，随之而来的是次发脉冲被传送至传输线上。次发脉冲的极性与首发脉冲相反，但持续时间与首脉冲大致相等。次发脉冲之后，传输线被箝位。这种方法可以减弱传输线上每两个包之间所产生的瞬变。

我们即将看到，本发明的收发器模块可以被互联成一个可以在网络间中继数据包的中继器。

另外，我们将看到每个收发器模块可以工作于能降低模块内电能消耗的睡眠模式。这种模式在单元需要周期性地感测目前状态和事件时特别有用。

本发明的其它方面在下面的详细描述中是显而易见的。

附图概述

图1是网络的总体框图。该框图显示了本发明中所涉及的装置和方法所用到的灵活拓扑结构。

图2显示了与图1中每个节点相关的主要部件。

图3是根据本发明的收发器模块框图。

图4是根据本发明的收发器模块的联接框图。

图5示意了将本发明的两个收发器模块联接在一起形成一个中继器。

图6示意了与本发明的睡眠模式相关的一系列过程。

图7示意了本发明所给出的信号波形，该信号被耦合到两个数据包之前的传输线上，以分散信号能量，防止在传输线上产生瞬变。

本发明的详细描述

描述了用于具有分布式智能的网络中的收发器模块。在下面的描述中，为了对本发明每一个细致的了解，一些具体的细节如具体的电压电平等被列举出来，对本领域熟悉的人显而易见，不用这些细节也将可以实现本发明。在其它的例子中，为了不必要地混淆本发明，一些熟知的电路和方法没有被详细列举。

                     网络总述

参考图1所示，示意了含多个节点的网络，如节点16、17和18由双绞线互连。所示的传输线形成了如11、12、13、14和15那样的分枝。本发明中的收发器模块实际上允许分枝可被置于任何地方，也就是说网络拓扑没有限制。分枝可以简单地加在需要的地方。不需要终结，如末端19点没有被终结。此外，我们将看到两个节点间两段线的互连是极性不敏感的。也可以使用不同口径的线，如11线可以是12口径的线而15线是22口径的线。这种可以包含一个单个分枝、一个环、星形或者是它们的组合的灵活拓扑结构与那些要求完美的，两端终结的传输线的双绞线拓扑结构形成鲜明对比。

在当前优选的实施例中，所有的节点通过双绞线从中央电源9接受电源供给。电源供给9通过源耦合器10连入网络。源耦合器10在双绞线和电源之间提供隔离；当允许双绞线上的高频通讯信号存在时，它允许电能从电源9放出。连接10的当前所选实施例在共同未决申请序列号为：，关于的领域，题目为

中被说明，且被转让给该申请的受让人。在当前优选实施例中，42V(或更低)的直流电源被用在双绞线11上，以从电源耦合器10调节的电源9分配电能给网络上的所有节点。

图1所示的网络通常象在美国第4,918,690号专利中所描述的那样来运行。例如，一个光开关被连入节点17，且当开关的位置被改变时，它可以被感测到且一个合适的或几个数据包通过分枝被传至能控制光的节点16。

在图2中用虚线40框起的，充当双绞线23和单元27之间接口的收发器模块是图1中的一个典型节点。如美国第4,918,690号专利所描述，单元可以通过线21来控制并/或感测。在当前所选实施例中，收发器模块40包含一个节点耦合器24，电源26和信号收发器25。耦合器24一方面允许高频通信包从线23被耦合至收发器25，另一方面允许直流电从线23被耦合到电源26。收发器25检测流入的数据且将它传至单元。收发器也接收来自单元27的流出数据，为网络上传输建立适当的波形且通过耦合器将流出的数据耦合至线23。电源26从传输线23上以线路电压(如42V)接受电能，并把它转变成+5V给收发器25和单元27供电。

本发明中收发器模块的当前优选实施例

图2中的收发器模块40在图3中有更详细的展示。极性桥30被直接连到双绞线上，同时保证网络上正直流电势被耦合到线路60上，双绞线的另一根被连到线61上。

在当前优选实施例中，电源26将双绞线上的直流电能转化为+5V。当前优选实施例中的DC/DC电源26能接收18～42V的直流电压且将它们转换成+5V的直流电压给收发器25和单元供电。电源26通过两个节点电源隔离器：隔离器31和32，被连至传输线23上。在隔离器输出端，直流通过电容34，然后该直流电能在DC/DC电源26中被转化成+5V。实际上，绝缘器31和32使直流通过电容34并且防止线60和61上的高频通信信号被电源26衰减。因此，绝缘器31和32在直流到1KHz的频率上应有理想的零阻抗，且在1KHz～100KHz的频率上有一个相当大的阻抗。隔离器可以用技术上已知的离散的、无源器件来实现。在当前的优选实例中，隔离器采用了双极性技术(无导体)实现，并且事实上，隔离器31和32和电源26在一个基片上被制成一个双极性的集成电路。隔离器和相关电路的当前所选实例在序号为：

题目为：“”关于领域的共同未决专利申请中被公开。且转让给本申请的受让人。

收发器25通过电容35、36与双绞线通信，通过传输线42与单元通信。因为图1网络中所允许的灵活拓扑结构，从收发器25到传输线上的脉中波形被整形以降低如瞬变、反射、类因素。当前所选的收发器25采用了互补金属氧化物半导体(CMOS)技术被做在一个单基片上。收发器25所用到的特殊波形和其它细节在序列号为，在领域中，题目为共同未决专利申请中被公开，且被转让给本发明的受让人。

当前所选的，图3中的所有器件都被组合在图4所示的象收发器模块40那样的单个模块中。模块40被示意连到双绞线23上。在线65上模块40提供+5V电平；这个电能也被连至单元27。外部电感线圈56和电容57是DC/DC电源26的一部分。返回的电源线是线66。这个电源也可以用来给与节点相关的其它元件供电，例如，该电源可以给感测器或通过线37连到单元27的控制元件供电。

外接至单元27，含一个晶振的线路41为单元27和收发器模块40提供时钟信号。模块40的端点66和67相对地接至+5V电压和地，以选择一个模块的工作频率。例如，将端点66和67都接地，则选择10MHz的频率，将端点66连到+5V上，将端点67接至地则获得2.5MHz的频率。另外，收发器模块的比特率是通过将端点68和69接+5V或地来选择的。例如，将端点68和69都接地，则比特率为78Kbps；反之都接+5V，则得到最小的比特率9.8Kbps。

当单元27准备发送数据时，它给连至收发器模块40TXE端的线72发一使能信号。这个使能信号使模块能接收线70上的数据包，然后把它们发到双绞线23上。当数据在双绞线上被感测到时，模块内产生一载波检测信号，且该信号被传至73端上。至于图4中的实施例，这个信号没有被使用。双绞线23上的数据通过从RXD端连出的线71被传至单元。

单元27能通过线74给模块40提供一睡眠信号。该信号使收发器模块断电，就是说降低能量消耗。处于睡眠状态时，模块40不能感测线23上的数据。然而，模块40的电源还工作着，以给单元和模块40的某一电路供电，例如，叫醒电路。模块40的叫醒电路接至外部电容76。该电容的值是根据睡眠周期的长短来定的。当睡眠周期结束时，一个叫醒信号通过线77从模块40被传至单元27。睡眠态的操作在相关的图6中被描述。电容75也被连到模块44上以提供电源过滤。复位信号经线78连至模块。

                    中继器

两个或更多的图4的收发器模块40被连在一起以形成一个n-路中继器，且不需单元。参考图5，假定需要在双绞线48和49之间中继信号。如图5所示，为了形成一个中继器，使用了两个模块44和45；每一个模块都与图4中的模块40是一样的。图5中所展示的仅是那些描述中继器功能所需的模块端点。

为形成一个中继器，模块44的接收数据端连至模块45的发送数据端。同样，模块45的接收端连至模块44的发送数据端。模块44的接收载波检测端被接至模块45的发送使能端。同样，模块45的接收载波检测端被接至模块44的发送使能端。这些连接通过光电隔离器被很好地实现。

假如双绞线48上有数据，模块44中将产生一载波检测信号，且该信号将触发模块45的发送功能。线48上的数据将从模块44的RXD端连到模块45的发送端，最后被传送到双绞线49上。同样，如果线49上有数据，模块45将检测到载波，且触发模块44的发送。来自线49的数据将被耦合至模块44的发送端，然后被传送到线48上。

如图5所示，晶振50与图4中的晶振41一样，给模块44和45提供时钟信号。该晶振由两个模块中任意一个来供电。

通过收发器模块的一个内部特性，使得一个n路中继器相对比较简单。该特性保证一旦模块的RXCD信号变为有效(比如高电平)，则它内部的TXE信号将保持无效(比如低电平)。因此，n路中继器仅用两个n输入或门。一个或门(OR)接收所有的RXCD信号作为输入，其输出被连至全部TXE端上。由于上面所提到的特性的缘故，即使接收模块的TXE端被或门驱动，它也不发送数据。另外一个或门接收所有的RXD作为输入，它的输出连至所有的TXD端上。再者，象图5所示的那种双向的情况，可以使用光电隔离器。

睡眠模式

在某些工作情况下，图4中的单元27只需周期性的工作。例如，假如单元27感测到一个火警探测器，烟探测器或一个安全设备等，它只需周期性地感测一次这样的检测器，例如每二十秒钟一次。在这种情况下，收发器模块只是用来传送由单元所决定的探测器的状态给网络，不需要从网络传送数据给单元。为了在类似这样的操作中节省能量，在当前所选实施例中，单元和收发器被置于睡眠态。

假定单元27已经完成了对传感器的查询，也完成了通过收发器模块报告传感器状态这一工作。在完成这一功能后(如图6所示功能53)，单元通过74线给模块40提供一睡眠信号。单元本身则进入断电状态，从而节省了对电源的使用。线74上的信号使模块断电，例如，模块不再感测线23上的通信信号。这由图6中的步骤54表示。

睡眠周期的持续时间由电容76的电容值控制，例如，两秒钟之后，模块40如图6中的步骤54所示重新开始工作。如步骤52所示，叫醒信号经线77传至单元27，这一信号重新激活单元并使它重新执行如感测检测器状态。把数据包或与检测器状态有关的数据包传送给网络。

抑制双绞线上的离散信号

在当前所选实施例中，数据流以被附加到DC电源上、幅值为±1V的脉冲的形式传输。数据被打成包通过单元来传送。在两个包之间会出现一个事先设定的最短“死区”。由于这种灵活的拓扑结构，在“死区”时，双绞线上会有一过渡状态。

图7中，比特79代表发送到双绞线上的数据包末端出现的数据比特。在传送结束时，对于提供传输的单元，传送使能信号变为无效。就是图4中线72上的信号。在数据包传输结束时，单元发出一个宽度是数据脉冲宽度两倍的脉冲。这在图7中表示为“反码”。这种反码可用来标识包的结束，如在以太网上。所有的节点都能感测这种反码并且利用它来触发时间顺序脉冲。反码的任一极性都有预定的长度，如+1V。

在本发明中，紧跟着反码的是反反码。这是一个极性与反码相反，长度与反码相等的脉冲；如图7所示的幅值为-1V，两个比特宽的脉冲。反反码是由传送反码的收发器模块提供的。它的目的是使反码的影响无效。注意，如果在反码结束时，收发器模块释放双绞线，则它就会充电，并且在网络上会产生一个所不期望的过渡过程。反反码就是用来弥补反码的这一影响的。然而，不同于反码，它不能被用来给网络传送信息。

在反反码之后，两个收发器模块的输出端通过一个低阻开关被箝位在一起，在当前所选实施例中，这一周期至少是300微秒。如图7所示的“箝位”。这个箝位电压可以抑制传输线上不必要的过渡过程。在数据包之间的允许死区内，箝位可以持续存在。

因此，在含有双绞线互联的智能单元的网络中，具有特别用处的收发器模块已被描述完了。

Claims (18)

1.在一个含有由传输线互连的多个节点的网络中，其中通过在传输线上发送数据包来进行通信，数据包的结束是由传送具有一个预定持续时间，一定极性的首发脉中来标识，改进过的方法包含有如下所述的步骤：

首发脉冲之后，向传输线上发送次发脉冲，次发脉冲与首发脉冲极性相反，持续时间与首发脉冲的预定时间大致相等；并且，次发脉冲之后，对传输线箝位。

2.权利要求1所定义的方法，其中箝位是在下一包被发送前被中止的。

3.权利要求2所定义的方法，其中至双绞线上的传送产生于一对端点并且箝位包括把这对端点连在一起。

4.在一个数据在传输线上的包中被传送的网络中，降低传输线上所不希望的充电的方法包含如下几步：

在包的末端发一结束脉冲，结束脉冲有比用于在包中传送数据的脉冲更长的持续时间，结束脉冲有极性；

在结束脉冲之后，发送另一个极性与结束脉冲相反，持续时间与结束脉冲大致相等的脉冲。

5.权利要求4所定义的方法，其中，传送步骤从一对端点开始，且将这对端点连在一起的另外的步骤是在另一个脉冲之后进行。

6.网络中，在一个用于传送数据包的收发器中，该方法包含如下几步：

在包结束时，发一结束脉冲，结束脉冲的持续时间比在包中用于表示数据的脉冲长，结束脉冲有极性。

结束脉冲之后，传送一个与结束脉冲极性相反的附加脉冲，该脉冲的持续时间和结束脉冲大致相等。

7.由权利要求6所定义的方法包括在网络上对传输线的箝位这一步骤。

8.由权利要求7所定义的方法，其中箝位包括把线连在一起。

9.在一个有多个节点的网络中，每个节点有一个收发器和一个单元，改进的工作方法含如下几步：

在一个预先设定事件发生时，从单元给收发器提供一个睡眠信号；

响应睡眠信号后降低节点电能消耗；

在经过一个预先设定的持续时间后，叫醒收发器；并且，给单元发送一个叫醒信号。

10.权利要求9中所定义的方法，其中预先设定的事件是单元所执行的一个功能的结束。

11.权利要求10所定义的方法，其中预先设定的持续时间是可选的。

12.权利要求11所定义的方法，其中持续时间的可选性包含在收发器的一个端点连一个电容这样的步骤。

13.中继器包含：

用于连到n条线上的n个收发器，每个收发器有一个接收数据端，从其中一条线上来的数据被接到这端上，有一个发送数据端，用于接收将被发送到n条线中某条线上的数据，有一个使能发送端，用于接收发到n条线中某条线上的信号，还有一个信号检测端，当在n条线之一上检测到传输时，提供信号的信号检测端。

用于互联n个收发器接收数据端和发送数据端的第一逻辑装置；以及

互联n个收发器的信号检测端和使能发送端的第二逻辑装置。

14.权利要求13中所定义的中继器，其中第一和第二逻辑装置都是或门。

15.权利要求13所定义的的中继器，其中当它的信号检测端的信号有效时，每一个收发器中止它的数据传送。

16.中继器包括：

用于连到第一条线上的第一个收发器，所述收发器有一个数据接收端，来自第一条线上的数据被接至该端，一个数据发送端，用于接收将被发送到第一条线上的数据，一个使能发送端，用于接收触发到第一条线上发送的信号，和一个信号检测端，当第一条线上的传输被检测到时提供一个信号；

用于连到第二条线上的第二个收发器，所述收发器有一个数据接收端，来自第二条线上的数据被接至此端，一个数据发送端，用于接收将被发送到第二条线上的数据，一个使能发送端，用于接收触发至第二条线上发送的信号，和一个信号检测端，当第二条线上的传输被检测到时，该端口提供一个信号。

所述第一个收发器的数据接收端和所述第二个收发器的数据发送端之间的第一连接；

所述第一个收发器的数据发送端和第二个收发器的接收端之间的第二连接；

所述第一个收发器的发送使能端和所述第二个收发器的信号检测端之间的第三连接。

所述第一个收发器的信号检测端和所述第二个收发器的发送使能端之间的第四连接。

17.权利要求16所定义的中继器包括一个能提供时钟信号的晶振，所说的晶振被连到了所述的第一和第二个收发器上。

18.权利要求16所定义的中继器包括能在所述连接中提供隔离的隔离装置。

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