CN118054796A - 基于对称的差分非归零编码的接收解码电路及二总线通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于对称的差分非归零编码的接收解码电路及二总线通信方法，包括：整流和电源模块：将总线输入的极性不确定的电源整流成直流电源，并对其降压稳压以供其它模块工作；差分比较器：检测总线输入的差分信号的极性，将其转换为供数字电路处理的单端信号以便进行接收解码；RC振荡器：产生数字电路所需的时钟信号；数字电路：使用整流和电源模块产生的直流电源和RC振荡器产生的时钟信号，处理差分比较器产生的单端信号，最终输出字节数据。本发明利用对同步字段进行计时的结果设置采样窗口，并在随后的数据字段的接收中实时校正采样窗口，便于主设备根据组网参数实时调节每次通信的速率，实现通信可靠性和通信速率的最佳平衡。

Description

基于对称的差分非归零编码的接收解码电路及二总线通信 方法

技术领域

本发明涉及二总线通信技术领域，具体地，涉及一种基于对称的差分非归零编码的接收解码电路及二总线通信方法。

背景技术

在二总线系统中，如果总线的寄生电阻、电容较大，或者从设备的功耗较大时，极性切换的速度会减慢。因此，每发送一位数据所需的总线极性切换次数越少越好。同时，如果通信过程中二总线长时间保持在某一极性，则其下次极性切换所需的时间就会更长。这两方面问题，都严重限制了二总线通信的通信速率，或者在相同通信速率下的通信可靠性。

公开号为CN110645851B的专利文献公开了一种电子雷管起爆器与电子雷管有线调频通讯方法，采用将信号调制到频率为f1和频率f2的两个载波脉冲上的方式进行编码，其方法每发送一位数据需要进行6次极性切换(发送数据位0)或者10次极性切换(发送数据位1)，然而这种通信方法极大地限制了通信速率。

公开号为CN113074598A的专利文献公开了一种电子雷管的通信方法，采用发送不同占空比的方波的方式进行编码，其方法每发送一位数据需要进行2次极性切换。

公开号为CN114900394B的专利文献公开了一种电源通信二总线的调制解调方法，采用宽窄脉冲信号进行调制编码，其方法不进行极性切换，而是在不同电平之间切换，但其每发送一位数据也需要进行2次电平切换。

除此之外，现有技术还广泛采用简单的差分非归零编码方式进行编码，其方法每发送一位数据需要进行1次极性切换(与前一位不同时)或者0次极性切换(与前一位相同时)，在极性切换次数上和本专利相似。但其方法在连续发送数据位0或连续发送数据位1时，总线可能会长时间维持在同一极性上不变，由此也极易引起总线波形畸变，最终导致误码。

以上各种现行的通信方法中，均采用预先确定的通信速率，这样一来，主设备就无法根据组网的实时情况进行速率调节，所以在这些方法中，预先确定的通信速率必须考虑到在组网条件最差的情况下确保通信可靠，因此限制了大多数情况下的通信速率，导致现场使用时操作时间过长，效率低下，用户满意度低。

公开号为CN111780632B的专利文献公开了一种电子雷管通信速率的调整方法，采用一个独立于指令数据通信的特殊流程进行速率调整，这种方法的缺点在于需要一个额外的特殊流程，而且无法针对每条指令单独进行速率调整。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于对称的差分非归零编码的接收解码电路及二总线通信方法。

根据本发明提供的基于对称的差分非归零编码的接收解码电路，其特征在于，包括：

整流和电源模块：将总线输入的极性不确定的电源整流成直流电源，并对其降压稳压以供其它模块工作；

差分比较器：检测总线输入的差分信号的极性，将其转换为供数字电路处理的单端信号以便进行接收解码；

RC振荡器：产生数字电路所需的时钟信号；

数字电路：使用整流和电源模块产生的直流电源和RC振荡器产生的时钟信号，处理差分比较器产生的单端信号，最终输出字节数据；

二总线中，将第一总线电压为工作电压，第二总线电压为0电压的情况称为第一极性；第二总线电压为工作电压，第一总线电压为0电压的情况称为第二极性。

优选地，所述数字电路包括：

同步器和滤波器：将差分比较器输出的异步的单端信号转化为同步信号，并滤除其中宽度小于一个时钟周期的干扰信号；

计时器：接收同步字段时，对其进行计时；

采样计数器：若总线处于第一极性则自增，计时器产生超时信号时清零；

移位寄存器：计时器产生超时信号时，若采样计数器的值小于1/2采样窗口则移入0，若采样计数器的值大于等于1/2采样窗口则移入1；

位计数器：接收同步字段时，对接收到的总线边沿进行计数；接收数据字段时，计时器产生超时信号时自增，计数到预设阈值时清零；

字节输出模块：位计数器清零时，根据移位寄存器的值产生输出字节。

优选地，在检测到总线极性切换时，根据当前计时值进行校正，若计时值小于1/2采样窗口则清零，并将当前计时值右移一位再和采样窗口相加的值记录为新的采样窗口；若计时值大于等于1/2采样窗口则提前产生超时信号，并将当前计时值和采样窗口相加再右移一位的值记录为新的采样窗口。

优选地，当位计数器计数到4时，将当前计时值右移3位，记录为采样窗口；接收数据字段时，按照采样窗口进行循环计时，每次计时到采样窗口时产生一个超时信号。

优选地，移位寄存器中每两位对应输出字节中的一位，若这两位相同则输出1，不同则输出0；若移位寄存器中存在连续3位均不同的情况，则输出错误信号。

根据本发明提供的基于对称的差分非归零编码的二总线通信方法，包括如下步骤：

步骤1：上电进入待机状态，主设备控制总线进入第一极性并保持；

步骤2：发送同步字段；

步骤3：完成发送同步字段后，立刻开始发送数据字段。

优选地，当处在待机状态下需要进行数据发送时，主设备控制总线切换极性，等待T时间，再切换总线极性，再等待T时间，如此重复7次，然后等待T/2时间，切换总线极性，再等待T/2时间，从而完成一次同步字段的发送，其中T为预设时长。

优选地，如果当前要发送的数据位是0，主设备等待T/2时间，然后切换总线极性，再等待T/2时间；如果当前要发送的数据位是1，主设备判断之前发送的数据位，如果是0，则不切换总线极性，等待T时间；如果是1，则切换总线极性，再等待T时间，其中T为预设时长。

优选地，每发送一位数据所需的总线极性切换次数不大于一次，同时总线保持在某一极性下的时间最短为T时间，最长为2T时间，其中T为预设时长。

优选地，T时间的默认值为400μs，并在300μs～1000μs的范围内自适应识别。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明通过采用全新设计的对称的差分非归零编码，使得每发送一位数据所需的总线极性切换次数不大于一次，同时确保总线保持在某一极性下的时间最短为T时间，最长为2T时间，从而最大限度地减小了上述两方面问题对通信速率和通信可靠性的负面影响；

(2)本发明通过对编码中同步字段的计时来设置采样窗口，并利用该通信编码总线极性不会长期保持在同一极性下的特点，在后续的数据字段中根据总线极性切换来实时校正采样窗口，即可实现对通信速率的自适应调节，便于主设备根据组网参数实时调节每次通信的速率，以实现通信可靠性和通信速率的最佳平衡。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为二总线系统示意图；

图2为基于对称的差分非归零编码的二总线通信方法的流程图；

图3为上电并进入待机状态的二总线电压波形图；

图4为从待机状态开始发送同步字段的二总线电压波形图；

图5为从同步字段开始发送全0数据字段的二总线电压波形图；

图6为从同步字段开始发送全1数据字段的二总线电压波形图；

图7为从同步字段开始发送01交替数据字段的二总线电压波形图；

图8为接收解码电路的原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

如图1所示，二总线是一种通信、供电二合一的总线系统，系统中具有一个主设备和一个或多个从设备，从设备和主设备之间仅有两条总线连接，因此称为二总线。如果有多个从设备，多个从设备均以并联的方式连接到总线上。因为二总线中的两条总线既承担通信功能也承担供电功能，所以通信过程中必须时刻保持两条总线中有一条处于工作电压而另一条处于0电压。

虽然二总线中的两条总线实际完全一致，但为了表述方便，我们将第一总线电压为工作电压，第二总线电压为0电压的情况称为第一极性；第二总线电压为工作电压，第一总线电压为0电压的情况称为第二极性。总线电压从第一极性改变为第二极性，或者从第二极性改变为第一极性的过程称为切换总线极性。

在本发明的一个实施例中，工作电压为8.5V。该工作电压还可为5V～40V的任意电压，在通信过程中也可以根据其它方面的需要进行改变，改变工作电压不会影响本发明所述的通信方法。

本发明提供了一种基于对称的差分非归零编码的二总线通信方法，如附图2所示，其主要步骤包括：

步骤1：上电进入待机状态。主设备控制总线进入第一极性并保持，如附图3所示。

步骤2：发送同步字段。当处在待机状态下需要进行数据发送时，主设备控制总线切换极性，然后等待T时间，再切换总线极性，再等待T时间，如此重复7次。然后，等待T/2时间，切换总线极性，再等待T/2时间。这样就完成了一次同步字段的发送，如附图4所示。

步骤3：发送数据字段。完成发送同步字段后，立刻开始发送数据字段。在发送数据字段时，如果当前要发送的数据位是0，主设备等待T/2时间，然后切换总线极性，再等待T/2时间。如果当前要发送的数据位是1，主设备还要判断之前发送的数据位，如果是0，则不切换总线极性，等待T时间；如果是1，则切换总线极性，再等待T时间。上述波形特征如附图5、6、7所示，这3张附图分别说明了总线发送数据为0x00、0xFF和0x55(即全0、全1和0/1交替)的情况。

在本发明的一个实施例中，T时间的默认值为400μs，并可在300μs～1000μs的范围内自适应识别。该时间还可根据组网条件(包括从设备数量、从设备功耗、总线电阻、总线电容等)以及所需的通信速率综合确定。从设备数量越多、从设备功耗越大、总线电阻越大、总线电容越大，该时间就需要越长，以确保通信可靠。相应地，能实现的通信速率就会越慢。另外，如果所需的通信速率更慢，该时间也可以适当延长以进一步提高通信可靠性。

本发明提供了一种基于对称的差分非归零编码的接收解码电路，如附图8所示，包括：

整流和电源模块：将总线输入的极性不确定的电源整流成直流电源，并对其降压稳压以供其它模块工作；

差分比较器：检测总线输入的差分信号的极性，将其转换为数字电路可以处理的单端信号以便进行接收解码；

RC振荡器：产生数字电路所需的时钟信号；

数字电路：使用整流和电源模块产生的电源和RC振荡器产生的时钟信号，处理差分比较器产生的单端信号，最终输出字节数据。

数字电路包括以下子模块：

同步器和滤波器：将差分比较器输出的异步的单端信号转化为同步信号，并滤除其中宽度小于一个时钟周期的干扰信号。

计时器：接收同步字段时，对其进行计时，当位计数器计数到4时，将当前计时值右移3位(即除以8)，记录为采样窗口。接收数据字段时，按照采样窗口进行循环计时，每次计时到采样窗口时产生一个超时信号。在检测到总线极性切换时，根据当前计时值进行校正，具体方法是：若计时值小于1/2采样窗口则清零，并将当前计时值右移一位再和采样窗口相加的值记录为新的采样窗口；若计时值大于等于1/2采样窗口则提前产生超时信号，并将当前计时值和采样窗口相加再右移一位的值记录为新的采样窗口。

采样计数器：若总线处于第一极性则自增，计时器产生超时信号时清零。

移位寄存器：计时器产生超时信号时，若采样计数器的值小于1/2采样窗口则移入0，若采样计数器的值大于等于1/2采样窗口则移入1。

位计数器：接收同步字段时，对接收到的总线边沿进行计数；接收数据字段时，计时器产生超时信号时自增，计数到15时清零，同时控制字节输出模块根据移位寄存器的值产生输出字节。

字节输出模块：位计数器清零时，根据移位寄存器的值产生输出字节。具体规则是：移位寄存器中每两位对应输出字节中的一位，若这两位相同则输出1，不同则输出0。另外，若移位寄存器中存在连续3位均不同的情况，则输出错误信号。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于对称的差分非归零编码的接收解码电路，其特征在于，包括：

整流和电源模块：将总线输入的极性不确定的电源整流成直流电源，并对其降压稳压以供其它模块工作；

差分比较器：检测总线输入的差分信号的极性，将其转换为供数字电路处理的单端信号以便进行接收解码；

RC振荡器：产生数字电路所需的时钟信号；

数字电路：使用整流和电源模块产生的直流电源和RC振荡器产生的时钟信号，处理差分比较器产生的单端信号，最终输出字节数据；

二总线中，将第一总线电压为工作电压，第二总线电压为0电压的情况称为第一极性；第二总线电压为工作电压，第一总线电压为0电压的情况称为第二极性。

2.根据权利要求1所述的基于对称的差分非归零编码的接收解码电路，其特征在于，所述数字电路包括：

同步器和滤波器：将差分比较器输出的异步的单端信号转化为同步信号，并滤除其中宽度小于一个时钟周期的干扰信号；

计时器：接收同步字段时，对其进行计时；

采样计数器：若总线处于第一极性则自增，计时器产生超时信号时清零；

移位寄存器：计时器产生超时信号时，若采样计数器的值小于1/2采样窗口则移入0，若采样计数器的值大于等于1/2采样窗口则移入1；

位计数器：接收同步字段时，对接收到的总线边沿进行计数；接收数据字段时，计时器产生超时信号时自增，计数到预设阈值时清零；

字节输出模块：位计数器清零时，根据移位寄存器的值产生输出字节。

3.根据权利要求2所述的基于对称的差分非归零编码的接收解码电路，其特征在于，在检测到总线极性切换时，根据当前计时值进行校正，若计时值小于1/2采样窗口则清零，并将当前计时值右移一位再和采样窗口相加的值记录为新的采样窗口；若计时值大于等于1/2采样窗口则提前产生超时信号，并将当前计时值和采样窗口相加再右移一位的值记录为新的采样窗口。

4.根据权利要求2所述的基于对称的差分非归零编码的接收解码电路，其特征在于，当位计数器计数到4时，将当前计时值右移3位，记录为采样窗口；接收数据字段时，按照采样窗口进行循环计时，每次计时到采样窗口时产生一个超时信号。

5.根据权利要求2所述的基于对称的差分非归零编码的接收解码电路，其特征在于，移位寄存器中每两位对应输出字节中的一位，若这两位相同则输出1，不同则输出0；若移位寄存器中存在连续3位均不同的情况，则输出错误信号。

6.一种基于对称的差分非归零编码的二总线通信方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任一项所述的基于对称的差分非归零编码的接收解码电路，包括如下步骤：

步骤1：上电进入待机状态，主设备控制总线进入第一极性并保持；

步骤2：发送同步字段；

步骤3：完成发送同步字段后，立刻开始发送数据字段。

7.根据权利要求6所述的基于对称的差分非归零编码的二总线通信方法，其特征在于，当处在待机状态下需要进行数据发送时，主设备控制总线切换极性，等待T时间，再切换总线极性，再等待T时间，如此重复7次，然后等待T/2时间，切换总线极性，再等待T/2时间，从而完成一次同步字段的发送，其中T为预设时长。

8.根据权利要求6所述的基于对称的差分非归零编码的二总线通信方法，其特征在于，如果当前要发送的数据位是0，主设备等待T/2时间，然后切换总线极性，再等待T/2时间；如果当前要发送的数据位是1，主设备判断之前发送的数据位，如果是0，则不切换总线极性，等待T时间；如果是1，则切换总线极性，再等待T时间，其中T为预设时长。

9.根据权利要求6所述的基于对称的差分非归零编码的二总线通信方法，其特征在于，每发送一位数据所需的总线极性切换次数不大于一次，同时总线保持在某一极性下的时间最短为T时间，最长为2T时间，其中T为预设时长。

10.根据权利要求7或8或9所述的基于对称的差分非归零编码的二总线通信方法，其特征在于，T时间的默认值为400μs，并在300μs～1000μs的范围内自适应识别。