CN2746666Y - 带时钟信号的半双工串行总线通信装置 - Google Patents

Abstract

本新型涉及一种小型工业控制网络的通信装置。包括主机、从机、串行通信总线，串行通信总线包括：电源线、公共地线、数据线和时钟线4根导线，串行通信总线两端分别连接终端电路，主机与从机分别通过接口电路接入串行通信总线上。本通信装置的网络结构是共享式串行总线，总线中包括时钟信号和数据信号；主机与从机之间采用带有时钟信号的同步传输协议。数据通信的发起和结束由主机控制。总线上的通信是周期性的，节点间的通信延迟是确定的。每个通信周期中，主机可以与每个从机交换数据。总线上传输的信息格式是二进制的0、1比特流。总线上传输的二进制数据的实时性有保证，适合工业控制需要。

Description

带时钟信号的半双工串行总线通信装置

【技术领域】：本新型涉及一种小型工业控制网络的通信系统装置。

【背景技术】：目前，在小型工业控制网络中，RS-232、RS-422与RS-485标准是应用最广泛的串行数据接口标准，是由电子工业协会(EIA)制订并发布的，是串行数据接口的工业标准。

RS-232标准是单端一对一连接的全双工通信方式，计算机上的串行通信口就是这种标准。

为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种单机发送、多机接收的单工、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。

为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，使用半双工通信方式。

由于RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及通信协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。

对RS-232、RS-422与RS-485标准的简要分析：

1)RS-232、RS-422与RS-485标准中串行总线只包括数据线，总线上的多节点采用异步方式完成同步，并且在总线上传输的信息的最小单位只能是标准的ASCII码字符。

2)在RS485标准中，总线上的节点数量是有限制的，最多255个，通常在实际使用中因为传输距离、传输速率等方面的限制，总线上的节点数量还要少。

3)在RS485标准中，主机与某个从机进行通信时，要先发送从机的地址码，建立与从机之间的连接，然后再传输数据。

4)在RS485标准中，进行一主多从的多节点间的通信时，如果主机发往每个从机的数据不同，那么主机需要与每个从机分别建立一次连接，然后再传输数据。这样当从机节点数量多时，主机与某个从机通信等待时间会比较长，对时间延迟要求严格的场合不适用。

5)在小型的工业控制网络中，总线上传输的多是数字化的控制信息，比如接近开关、限位开关的输入信号有无，温度、流量传感器检测到的温度值、流量值等等。这些信息如果转换成标准的ASCII码传送，转换和还原过程非常烦琐。因此，RS485标准总线不十分适合这种工业控制场合。

通过对RS-232、RS-422与RS-485标准的分析，我们可以发现基于这种标准建立的通信系统存在如下不足：

1)总线上传输的ASCII字符信息，不适合工业控制中的数字量信息的传输。

2)总线上节点数量较多时，节点间通信的延迟时间长，并且延迟时间是变化的，通信系统的实时性差。

【发明内容】：本实用新型是针对基于RS485标准建立的通信系统存在不适合工业控制中的数字量信息的传输，节点间通信的延迟时间长，通信系统的实时性差的缺陷，提供一种简单、高效，适合小型工业控制网络中数字信息传输的带时钟信号的半双工串行总线通信装置。

一种带时钟信号的半双工串行总线通信装置，包括主机、从机、串行通信总线，串行通信总线包括：电源线、公共地线、数据线和时钟线4根导线，串行通信总线两端分别连接终端电路，主机与从机分别通过接口电路接入串行通信总线上。

本新型的优点和积极效果：1)本通信系统的网络结构是共享式串行总线，总线中包括时钟信号和数据信号；2)本通信系统由多个通信节点控制器构成；3)本通信系统中有且只有一个通信主机；4)本通信系统中可以有一个或多个通信从机，每个从机有唯一的地址号作为从机的识别码；5)本通信系统中主机与从机之间采用带有时钟信号的同步传输协议。6)本通信系统采用半双工式的数据通信。7)本通信系统中的数据通信的发起和结束由主机控制。8)总线上的通信是周期性的，节点间的通信延迟是确定的。9)每个通信周期中，主机可以与每个从机交换数据。10)总线上传输的信息格式是二进制的0、1比特流。11)总线上传输的二进制数据的实时性有保证，适合工业控制需要。

【附图说明】：

图1、带时钟信号的半双工串行总线通信系统结构示意图；

图2、串行总线接口电路；

图3、主机控制器原理图；

图4、从机控制器原理图。

图5、从机外部接口电路图；

图6、本发明在电梯外部输入输出信号中的应用框图。

【具体实施方式】：

实施例1：带时钟信号的半双工串行总线通信装置

一)本新型设计的串行总线通信系统装置的构成，参见图1。

1)四线制，即两对非屏蔽双绞线，定义如下：

1号线：第一对双绞线的第一根线：直流电源+24V；

2号线：第一对双绞线的第二根线：直流电源地，即0V；

3号线：第二对双绞线的第一根线：串行时钟信号SCLK；

4号线：第二对双绞线的第二根线：串行数据信号SDAT；

2)总线电源：为连接在总线上的通信节点提供工作电源。

3)终端电路：在总线中传输的信号是数字量，为防止信号在电路终端发生反射，造成干扰，可以使用终端吸收电路来抑制信号在电路终端发生反射。常见的终端电路可以用电阻充当，比如阻值为120欧的电阻基本上可以起到终端吸收的作用。

二)本发明设计的串行总线接口电路，参见图2。

串行总线接口电路包括两部分：串行通信发送信号转换电路、串行通信接收信号转换电路。

串行总线接口电路功能：为提高传输的距离和可靠性，串行总线上的时钟和数据信号的传送方式是差分形式。通常要传递一个差分信号需要两根线路来形成一个电流环路，例如RS485标准就是这样规定的。如果这样，本发明中的时钟和数据信号要实现差分传输，就必须用四根线路来构成两个电流回路。

为此，本发明设计了专用的串行总线接口电路，它的特点是：在一对双绞线路上完成两个差分信号的传输。它的工作原理是：时钟信号和数据信号交替传输，时钟信号和数据信号相互作为比较基准，可以消除共模干扰造成的信号电压浮动。

本发明中的主机控制器和从机控制器所使用的串行接口电路就是按照上述原则设计的。

串行通信发送信号转换电路：主要器件是三极管9012和二极管BAV70，其中9012起信号电平切换作用，BAV70起信号单向传输作用。通过这两个器件，可以向总线上输出差分信号1或0。

串行通信接收信号转换电路：主要器件是两个比较器LM393和电阻网络构成的电压比较电路，完成差分信号的接收与转换功能。当输入的时钟信号为低时，才能输入数据信号；当输入的数据信号为低时，才能输入时钟信号。即时钟信号和数据信号不同时为高电平。

三)主机控制器原理图，参见图3。

主机控制器组成：通信协议处理器、串行通信发送信号转换电路、串行通信接收信号转换电路、电源转换电路。

其中，通信协议处理器是主机控制器的核心部分，它通常是一个带固化程序的微处理器或单片机，它按照本发明设计的串行通信协议对发送和接收的数据信息进行处理和存储。在本例中，使用的是与MCS51兼容的ATMEL公司生产的8位单片机AT89C51。

主机控制器功能：通过微处理器或单片机的并行数据总线与中央控制器(例如电梯控制器的电脑板、其它应用中系统原有的可编程序控制器等等)交换数据，这里的并行数据总线包括四个主机输出的信号：E1OUT、E2OUT、E3OUT、E4OUT，四个主机输入的信号：E5IN、E6IN、E7IN、E8IN。主机控制器将中央处理器发送来的并行数据，通过主机内的协议处理，转换成串行数据发送到串行总线上去，传送给总线上的指定的从机。主机控制器将串行总线上从机发送来的串行数据，通过主机内的协议处理，转换成并行数据发送到并行总线上，传送给中央控制器。

四)从机控制器原理图，参见图4。

从机控制器组成：与主机控制器的组成相同，不同点是从机的通信协议处理器中的固化程序，从机通信协议处理器中固化的是本发明设计的从机通信协议。

从机控制器功能：通过微处理器或单片机的并行数据总线与外部接口电路(例如电梯的大厅呼梯按钮指示灯、其它应用中的开关信号等等)交换数据，这里的并行数据总线包括四个从机输出的信号：E1B、E2B、E3B、E4B，四个主机输入的信号：E5B、E6B、E7B、E8B。从机控制器将外部接口电路发送来的并行数据，通过从机内的协议处理，转换成串行数据发送到串行总线上去，传送给总线上的主机。从机控制器将串行总线上主机发送来的串行数据，通过从机内的协议处理，转换成并行数据发送到并行总线上，传送给外部接口电路。

五)从机的外部接口电路，参见图5。

从机外部接口电路组成：输出驱动电路和输入采集电路。

输出驱动电路用于驱动外部执行器件，如指示灯、继电器、接触器等等，输出驱动电路主要由三极管9013完成信号灯的驱动。

输入采集电路使用电阻分压电路完成按钮输入信号的采集。

从机外部接口电路功能：将从机控制器输入输出的信号进行电平转换与驱动，以适应从机控制和外部实际控制信号的需要。本实例设计的电路是电梯大厅呼梯按钮指示电路，可以完成四个按钮信号的输入和四个指示灯信号的输出。

实施例2、本新型在电梯外部信号控制中的应用

本发明在电梯外部输入输出信号中的应用框图，参见图6。

通常一部电梯有多个楼层(用整数M表示，M≥2)，每个楼层大厅有一些输入或输出信号，例如在最低层有上行呼梯按钮和指示器(称为外呼按钮指示器)、消防开关、锁梯开关等，在中间层有上行/下行呼梯按钮和指示器，在最高层有下行呼梯按钮和指示器等。

与电梯楼层数目M相对应，电梯的轿厢内操纵盘上有M个内选按钮和指示器。

电梯在运行时需要连续采集和更新外呼和内选信号，因为这些信号都是离散开关信号，如果使用传统的接线方式，每个按钮指示器至少接2根信号线(一根输入信号线，一根输出信号线)，M层的电梯共计有M个内选按钮和(M-2)*2+2个外呼按钮，那么需要从电梯控制柜中并行引出至少2M+(M-2)*4+4＝6M-4根信号线，当楼层数目M较大时(通常M≥10)，所需的信号线数量明显增大，布线工艺复杂，稳定性差，维护难度加大。

对于这种情况使用本发明设计的串行通信装置，只需要从电梯控制柜引两组串行总线，其中一组接电梯轿厢内选，另一组去楼层外呼，可以明显简化布线工艺，提高信号传输的稳定性，方便运行维护。

Claims (5)

1、一种带时钟信号的半双工串行总线通信装置，包括主机、从机、串行通信总线，其特征是串行通信总线包括：电源线、公共地线、数据线和时钟线4根导线，串行通信总线两端分别连接终端电路，主机与从机分别通过串行总线接口电路接入串行通信总线上。

2、根据权利要求1所述的半双工串行总线通信装置，其特征是串行总线接口电路包括：串行通信发送信号转换电路和串行通信接收信号转换电路两部分，发送信号转换电路的输入端和接收信号转换电路的输出端分别连接主机或从机，发送信号转换电路的输出端和接收信号转换电路的输入端分别连接串行总线。

3、根据权利要求1或2所述的半双工串行总线通信装置，其特征是主机控制器包括：

通信协议处理器——用于将外部控制中央处理器发送来的并行数据，转换成串行数据发送到串行总线上去，传送给总线上的指定的从机，以及将串行总线上从机发送来的串行数据，转换成并行数据发送到并行总线上，传送给中央控制器；

串行通信发送信号转换电路——用于将通信协议处理器发送的串行数据发送到串行总线上去；

串行通信接收信号转换电路——用于接收串行总线上从机发送来的串行数据，并送入通信协议处理器；

电源转换电路——用于提供各部分所需的电源。

4、根据权利要求1或2所述的半双工串行总线通信系统，其特征是从机控制器包括：

通信协议处理器——用于将串行总线上主机发送来的串行数据，转换成并行数据发送到外部并行总线上，通过外部接口电路传送给外部应用单元，以及将外部应用单元发送来的并行数据，转换成串行数据发送到串行总线上，传送给总线上的主机；

串行通信发送信号转换电路——用于将通信协议处理器发送的串行数据发送到串行总线上去；

串行通信接收信号转换电路——用于接收串行总线上从机发送来的串行数据，并送入通信协议处理器；

电源转换电路——用于提供各部分所需的电源。

5、根据权利要求4所述的半双工串行总线通信系统，其特征是从机的外部接口电路包括：输出驱动电路用于驱动外部执行器件；和输入采集电路，用于完成输入信号的采集并传送给从机。

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