RU2534026C1 - Data transmission, data receipt and pulse current supply interfacing method in two-wire circuit - Google Patents
Data transmission, data receipt and pulse current supply interfacing method in two-wire circuit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2534026C1 RU2534026C1 RU2013129161/07A RU2013129161A RU2534026C1 RU 2534026 C1 RU2534026 C1 RU 2534026C1 RU 2013129161/07 A RU2013129161/07 A RU 2013129161/07A RU 2013129161 A RU2013129161 A RU 2013129161A RU 2534026 C1 RU2534026 C1 RU 2534026C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pulse
- current
- voltage
- master device
- pulses
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims description 18
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 74
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 7
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 6
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 4
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000035764 nutrition Effects 0.000 description 1
- 235000016709 nutrition Nutrition 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при построении распределенных измерительных систем, систем контроля, телеметрии, дистанционного управления и систем охраны для обмена информацией по проводным линиям связи длиной до 1000 м и более.The invention relates to the field of instrumentation and can be used in the construction of distributed measuring systems, control systems, telemetry, remote control and security systems for the exchange of information over wired communication lines up to 1000 m or more.
Известен способ передачи информации по совмещенной линии связи в системе сбора и обработки данных, поступающих на центральный пункт от периферийных терминалов, в которой информационный кодированный сигнал передается по линии связи через трансформаторы, содержащие две последовательно соединенные вторичные обмотки. К средней точке соединения этих обмоток подключают источник напряжения питания периферийных терминалов (патент RU №221759 от 18.05.2002, МПК H04B 3/54).A known method of transmitting information over a combined communication line in a system for collecting and processing data received at a central point from peripheral terminals, in which an information encoded signal is transmitted over the communication line through transformers containing two serially connected secondary windings. A peripheral terminal power supply is connected to the midpoint of the connection of these windings (patent RU No. 2221759 of 05/18/2002, IPC
Реализация этого способа не позволяет сократить число линий связи до двух проводов, т.к. напряжение питания для удаленных терминалов формируется между обмотками трансформатора и заземленной шиной, т.е. в качестве третьего провода нужно использовать заземление схемы центрального пункта и удаленных терминалов. При этом для передачи сигналов по линии связи применяют дополнительные буферные усилители, устройства амплитудно-частотной коррекции, аналоговые фильтры и другие аналоговые функциональные узлы, имеющие сравнительно большую потребляемую мощность. Кроме того, передача последовательности широтно-модулированных импульсов через трансформаторы приводит к искажению их формы и, как следствие, уменьшает достоверность передачи данных по линии связи.The implementation of this method does not allow to reduce the number of communication lines to two wires, because The supply voltage for remote terminals is formed between the transformer windings and the grounded bus, i.e. as the third wire, you need to use the grounding of the circuit of the central point and remote terminals. At the same time, additional buffer amplifiers, amplitude-frequency correction devices, analog filters and other analog functional units having a relatively large power consumption are used to transmit signals over the communication line. In addition, the transmission of a sequence of pulse-width modulated pulses through transformers leads to distortion of their shape and, as a result, reduces the reliability of data transmission over the communication line.
Более совершенным является способ построения систем контроля, дистанционного управления, телеметрии и охраны объектов (патент RU №2381627 от 30.05.2006, МПК H04L 5/14, H04B 1/56), согласно которому питание отдельных модулей системы и передача информации между ними осуществляются только по одной паре проводов.A more advanced method is the construction of control systems, remote control, telemetry and object security (patent RU No. 2381627 dated 05/30/2006, IPC
Согласно данному способу сопряжения устройств передачи и приема информации по совмещенной линии связи выполняют аналоговую модуляцию информационных сигналов, которые суммируют с постоянным напряжением питания и передают по линии связи, а на приемной стороне для восстановления информационного сигнала используют фильтр на основе трансформатора с колебательным контуром и декодирующий микроконтроллер.According to this method of pairing devices for transmitting and receiving information over a combined communication line, analog modulation of information signals is performed, which are summed with a constant supply voltage and transmitted over the communication line, and on the receiving side, a filter based on a transformer with an oscillatory circuit and a decoding microcontroller is used to restore the information signal .
Недостатком такого способа совместной передачи напряжения питания и информационных сигналов является необходимость применения при его реализации аналоговых устройств. В частности, используются усилители с регулируемым коэффициентом усиления для повышения амплитуды принимаемых высокочастотных сигналов, заграждающие и узкополосные фильтры для выделения информации, поступающей по линии связи, и компараторы с изменяющимся порогом срабатывания для формирования широтно-модулированных импульсов из сигнала, приходящего по линии связи.The disadvantage of this method of joint transmission of supply voltage and information signals is the need to use analog devices in its implementation. In particular, amplifiers with adjustable gain are used to increase the amplitude of the received high-frequency signals, blocking and narrow-band filters for extracting information coming from the communication line, and comparators with a changing threshold for generating pulse-width modulated pulses from the signal coming from the communication line.
Вследствие этого такие устройства характеризуются большой потребляемой мощностью, которая мало зависит от скорости передачи информации. Кроме того, наличие ряда промежуточных преобразований информационных сигналов (амплитудная модуляция высокочастотного сигнала широтно-модулированными импульсами, аналоговое суммирование полученной смеси с напряжением питания, выделение информационного сигнала из суммарного напряжения индуктивно-емкостными фильтрами, регулировка порога срабатывания компаратора в зависимости от динамики изменения амплитуды продетектированного сигнала) приводят к уменьшению достоверности обмена информацией в распределенных системах передачи и приема данных.As a result of this, such devices are characterized by high power consumption, which is little dependent on the information transfer rate. In addition, the presence of a number of intermediate transformations of information signals (amplitude modulation of a high-frequency signal by pulse-width modulated pulses, analog summation of the mixture with a supply voltage, isolation of the information signal from the total voltage by inductance-capacitive filters, adjustment of the threshold of the comparator depending on the dynamics of changes in the amplitude of the detected signal ) lead to a decrease in the reliability of the exchange of information in distributed transmission systems and data reception.
Известен также способ передачи информации и напряжения питания по двухпроводной линии связи в телеметрической системе, применяемой при исследовании скважин в нефтяной и газовой промышленности (патент RU №2474958 от 26.07.2011, МПК H04B 3/00). Согласно этому способу, для сбора и обработки данных в центральном и периферийном устройствах используют микроконтроллеры. По совмещенной линии связи передают сумму питающего напряжения и информационного сигнала в виде широтно-модулированных импульсов тока, которые формируют ключевым элементом или управляемым источником тока по командам микроконтроллеров. Информационный сигнал выделяют с помощью дифференцирующих цепей и формирователей импульсов, установленных на входах микроконтроллеров, а в составе периферийного устройства используют измерительный блок и блок питания с дополнительными стабилизаторами тока и напряжения.There is also a method of transmitting information and power supply via a two-wire communication line in a telemetry system used in the study of wells in the oil and gas industry (patent RU No. 2474958 of July 26, 2011, IPC
Недостатком такого способа является относительно малая амплитуда широтно-модулированных импульсов напряжения в линии связи, которую формируют путем изменения тока, протекающего по выходному сопротивлению источника напряжения питания в центральном устройстве. Поэтому даже небольшие изменения тока потребления периферийного устройства или случайные флуктуации напряжения питания могут восприниматься как ложный сигнал, что снижает достоверность передачи информации по совмещенной линии связи. Кроме того, применение автономного блока питания и стабилизаторов напряжения и тока в периферийном устройстве приводит к повышению рассеиваемой мощности и, как следствие, к уменьшению времени его работы без замены гальванических элементов питания.The disadvantage of this method is the relatively small amplitude of the pulse-width modulated voltage pulses in the communication line, which is formed by changing the current flowing through the output resistance of the power supply source in the central device. Therefore, even small changes in the current consumption of the peripheral device or random fluctuations in the supply voltage can be perceived as a false signal, which reduces the reliability of the transmission of information over a combined communication line. In addition, the use of an autonomous power supply and voltage and current stabilizers in a peripheral device leads to an increase in power dissipation and, as a result, to a reduction in its operating time without replacing galvanic batteries.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному является способ сопряжения устройств в электронной системе с совмещенной линией питания и передачи данных (патент RU №2404510 от 20.11.2010, МПК H04B 3/54, G06F 13/38), согласно которому с помощью ведущего устройства на основе микроконтроллера формируют сигнал запроса в виде цифровой последовательности амплитудно-модулированных или широтно-модулированных импульсов, подаваемых на совмещенную линию связи, а подключенные к этой линии датчики с импульсным выходом по запросу ведущего устройства формируют ответные сигналы путем изменения длительности или временной задержки импульсов в совмещенной линии связи.The closest in technical essence (prototype) to the claimed one is a method of pairing devices in an electronic system with a combined power and data transmission line (patent RU No. 2404510 of 11/20/2010, IPC H04B 3/54, G06F 13/38), according to which a master device based on a microcontroller generate a request signal in the form of a digital sequence of amplitude-modulated or latitudinal-modulated pulses supplied to a combined communication line, and sensors connected to this line with a pulse output at the request of the master CTBA response signals formed by varying the duration or time delay of pulses in the combined link.
Недостатком известного способа является большая мощность потребления, т.к. при его реализации напряжение питания в каждом датчике задается блоками выпрямления, фильтрации и стабилизации, и во время формирования ответного сигнала в датчике выход стабилизатора питающего напряжения шунтируется электронным ключом, рассеивающим большую мощность в течение длительности каждого импульса при передаче ответного сигнала с датчика. Кроме того, амплитуда импульсов напряжения ответного сигнала, поступающего от датчиков по линии связи, формируется за счет протекания импульсов тока через небольшое выходное сопротивление блока питания ведущего устройства, поэтому она значительно меньше напряжения питания ведущего устройства и напряжения питания датчиков. Наличие возможных помех и электрических наводок на линии связи приводит к уменьшению достоверности обмена информацией между датчиками и ведущим устройством, особенно при большой длине линии связи.The disadvantage of this method is the high power consumption, because when it is implemented, the supply voltage in each sensor is set by rectification, filtering and stabilization units, and during the formation of the response signal in the sensor, the output of the supply voltage stabilizer is shunted by an electronic switch, which dissipates a large power during the duration of each pulse when transmitting the response signal from the sensor. In addition, the amplitude of the voltage pulses of the response signal received from the sensors through the communication line is formed due to the flow of current pulses through the small output resistance of the power supply unit of the master device, therefore it is much less than the supply voltage of the master device and the supply voltage of the sensors. The presence of possible interference and electrical interference on the communication line leads to a decrease in the reliability of the exchange of information between the sensors and the host device, especially with a long communication line.
Задачей изобретения является создание способа сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи, позволяющего получить уменьшение энергопотребления и повышение достоверности обмена информацией в распределенных измерительных системах с совмещенной двухпроводной линией связи и напряжения питания.The objective of the invention is to provide a method for pairing the transmission, reception of information and power by pulse current in a two-wire communication line, which allows to reduce energy consumption and increase the reliability of information exchange in distributed measuring systems with a combined two-wire communication line and supply voltage.
Сущность способа сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи заключается в том, что сигнал запроса ведущего устройства с помощью управляющего микроконтроллера формируют в виде цифровой последовательности широтно-модулированных импульсов тока, которые подают в двухпроводную линию связи. К этой линии связи подключают датчики, имеющие цифровой выход, которые по запросу ведущего устройства формируют ответные сигналы путем изменения длительности импульсов тока, потребляемого датчиками от ведущего устройства. При этом в начале каждого импульса задают максимальное значение тока, подаваемого от ведущего устройства в линию связи, и сравнивают напряжение в этой линии с напряжением питания ведущего устройства, а при достижении их равенства уменьшают амплитуду импульса тока. Таким способом стабилизируют амплитуду импульсов напряжения в совмещенной двухпроводной линии связи и питания на уровне, соответствующем напряжению питания ведущего устройства. Кроме того, при формировании сигнала запроса ведущим устройством первый бит данных, передаваемых по линии связи и питания, формируют в виде короткого импульса тока, соответствующего «Лог.0», а затем передают номер опрашиваемого датчика широтно-модулированными импульсами тока. Для получения ответного сигнала от опрашиваемого датчика формируют на выходе ведущего устройства последовательность широких импульсов тока, эквивалентных «Лог.1», длительность которых модулируют ключевым элементом схемы опрашиваемого датчика в зависимости от значения кода, передаваемого от него на ведущее устройство. При этом наличие импульсов тока в линии связи подтверждают импульсами напряжения, которые подают на вход микроконтроллера ведущего устройства.The essence of the method of pairing the transmission, reception of information and power by a pulsed current in a two-wire communication line is that the request signal of the host device using the control microcontroller is formed in the form of a digital sequence of pulse-width modulated current pulses that are fed into the two-wire communication line. Sensors having a digital output are connected to this communication line, which, at the request of the master device, generate response signals by changing the duration of the current pulses consumed by the sensors from the master device. At the same time, at the beginning of each pulse, the maximum value of the current supplied from the master device to the communication line is set, and the voltage in this line is compared with the power supply voltage of the master device, and when they are equal, the amplitude of the current pulse is reduced. In this way, the amplitude of the voltage pulses in the combined two-wire communication and power lines is stabilized at a level corresponding to the supply voltage of the master device. In addition, when the master device generates a request signal, the first bit of data transmitted over the communication and power lines is formed in the form of a short current pulse corresponding to “Log.0”, and then the number of the polled sensor is transmitted by pulse-width modulated current pulses. To obtain a response signal from the interrogated sensor, a sequence of wide current pulses equivalent to “Log.1” is formed at the output of the master device, the duration of which is modulated by a key element of the interrogated sensor circuit depending on the value of the code transmitted from it to the master device. In this case, the presence of current pulses in the communication line is confirmed by voltage pulses that are fed to the input of the microcontroller of the master device.
Заявляемый способ реализуется устройством, структурная схема которого приведена на фиг.1, работа его основных функциональных узлов поясняется временными диаграммами, показанными на фиг.2, а на фиг.3 приведена схема модели устройства передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи.The inventive method is implemented by a device whose structural diagram is shown in figure 1, the operation of its main functional units is illustrated by the timing diagrams shown in figure 2, and figure 3 shows a diagram of a model of a device for transmitting, receiving information and supplying pulsed current in a two-wire communication line .
Структурная схема содержит ведущее устройство 1, к которому подключены датчики 2.1…2.N через двухпроводную линию связи 3. В ведущее устройство 1 входит формирователь импульсов 4, служащий для увеличения крутизны фронтов импульсов, поступающих с его выхода на управляющий микроконтроллер 5 и на первый вход мажоритарного элемента 6. Выход управляющего микроконтроллера 5 подключен ко второму входу мажоритарного элемента 6 и через одновибратор 7 соединен с его третьим входом. Выход мажоритарного элемента 6 подключен к первому входу управляемого источника тока 8 и к первому входу блока сравнения напряжений 9. Выход управляемого источника тока 8 соединен с линией связи 3 и со вторым входом блока сравнения напряжений 9, выход которого подключен ко второму входу управляемого источника тока 8.The block diagram contains a master device 1, to which sensors 2.1 ... 2.N are connected via a two-
В структурной схеме каждого датчика 2.1…2.N применен амплитудный детектор 10, выходное напряжение которого используется в качестве напряжения питания формирователя импульсов 11, измерительного преобразователя 12 и микроконтроллера 13. Микроконтроллер 13 формирует широтно-модулированные импульсы, пропорциональные выходному сигналу измерительного преобразователя 12, которые подаются на управляющий вход ключевого элемента 14, коммутирующего двухпроводную линию связи 3. Датчики 2.1…2.N подключены параллельно к двухпроводной линии связи 3 и используются для контроля различных физических величин, преобразуемых в электрические сигналы или в цифровые коды различными измерительными преобразователями 12.In the structural diagram of each sensor 2.1 ... 2.N, an amplitude detector 10 is used, the output voltage of which is used as the supply voltage of the pulse shaper 11, the measuring transducer 12 and the microcontroller 13. The microcontroller 13 generates pulse-width modulated pulses proportional to the output signal of the measuring transducer 12, which fed to the control input of the
Ведущее устройство 1 работает в режиме последовательного циклического опроса датчиков 2.1…2.N по двухпроводной линии связи 3. В процессе опроса управляющий микроконтроллер 5 ведущего устройства 1 формирует последовательность широтно-модулированных импульсов для задания номера опрашиваемого датчика. При этом управляющий микроконтроллер 5 формирует байт передаваемых данных, содержащий импульс стартового бита малой длительности tИ1=0,25Т, составляющей 25% от тактового периода T частоты передачи, и короткий импульс первого бита передачи/приема данных аналогичной длительности tИ1=0,25Т1 (фиг.2). Малая длительность этого импульса соответствует «Лог.0» и является признаком передачи информации от ведущего устройства 1 к датчикам 2.1…2.N. Выходные импульсы управляющего микроконтроллера 5 проходят через мажоритарный элемент 6 и затем преобразуются управляемым источником тока 8 в импульсы тока. Импульсы тока от ведущего устройства 1 по двухпроводной линии связи 3 одновременно подаются на датчики 2.1…2.N и используются в качестве информационных посылок, а также служат для подзаряда накопительных конденсаторов, применяемых в амплитудном детекторе 10 каждого датчика 2.1…2.N для получения напряжения питания.The master device 1 operates in sequential cyclic polling of sensors 2.1 ... 2.N via a two-
При появлении импульса тока малой длительности в первом бите передачи данных по двухпроводной линии связи 3 все микроконтроллеры 13 каждого датчика 2.1…2.N переводятся в режим приема данных, поступающих от ведущего устройства 1. Затем управляющий микроконтроллер 5 формирует последовательность импульсов, образующих информационные биты, которыми в двоичном коде задается номер опрашиваемого датчика. При этом большая длительность tИ1=0,75Т широтно-модулированных импульсов соответствует передаче «Лог.1», а малая длительность импульсов tИ1=0,25Т - передаче «Лог.0». При передаче данных широтно-модулированные импульсы тока проходят по двухпроводной линии связи 3 на вход формирователя 11, применяемого в датчиках 2.1…2.N, который преобразует их в импульсы напряжения и одновременно уменьшает длительность их фронтов, после него сформированные импульсы напряжения поступают на вход микроконтроллера 13 каждого датчика 2.1…2.N. Микроконтроллер 13 выполняет преобразование поступающего последовательного кода в параллельный код и после окончания последнего информационного бита запроса сравнивает полученный код с заданным значением, соответствующим номеру конкретного датчика. При совпадении этих кодов микроконтроллер 13 опрашиваемого датчика переводится в режим выдачи информации, соответствующей значению параметра, контролируемого измерительным преобразователем 12 этого датчика. Для приема информации от датчиков управляющий микроконтроллер 5 ведущего устройства 1 в следующем байте данных формирует импульс малой длительности tИ1=0,25T в стартовом бите, а первый бит приема/передачи данных и остальные информационные биты формируются управляющим микроконтроллером 5 только единичной длительности, т.е. длительность каждого широтно-модулированного импульса составляет 75% от длительности периода T тактовой частоты передачи. При этом микроконтроллер 13 опрашиваемого датчика формирует импульсы, управляющие работой ключевого элемента 14, т.е. после появления фронта каждого широтно-модулированного импульса, поступающего через формирователь 11 на вход микроконтроллера 13, выполняется замыкание ключевого элемента 14 с задержкой на интервал времени, составляющий 25% от длительности T одного бита при передаче «Лог.0», либо ключевой элемент 14 вообще не замыкается микроконтроллером 13 при передаче бита, соответствующего «Лог.1».When a current pulse of short duration appears in the first bit of data transmission over a two-
После приема одного байта информации от опрашиваемого датчика, поступающей по двухпроводной линии связи 3 в виде последовательности широтно-модулированных импульсов через формирователь 4 на вход управляющего микроконтроллера 5, последний формирует два стоповых бита, имеющих общую длительность tСТ=1,75Т. В течение этого времени микроконтроллер 13 опрошенного датчика выполняет сброс в исходное (нулевое) состояние всех входящих в него функциональных узлов (регистров сдвига и хранения данных, счетчиков импульсов, таймеров и т.п.). После окончания двух стоповых битов управляющий микроконтроллер 5 ведущего устройства 1 снова переходит в режим передачи данных и выполняет опрос следующего датчика по аналогичному алгоритму, заданному в блоке памяти управляющего микроконтроллера 5.After receiving one byte of information from the interrogated sensor, arriving via a two-
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна». Отличительные признаки: установка максимального значения тока в начале каждого импульса, подаваемого от ведущего устройства в линию связи, сравнение напряжения в линии связи с напряжением питания ведущего устройства, автоматическое регулирование амплитуды импульсов тока для стабилизации амплитуды импульсов напряжения в линии связи, дублирование импульсов тока, передаваемых по линии связи, импульсами напряжения, поступающими на управляющий микроконтроллер ведущего устройства, модуляция ширины импульсов тока с отключением управляемого источника тока в ведущем устройстве выходным кодом опрашиваемого датчика при формировании его ответного сигнала, в них не встречаются. Следовательно, заявленное изобретение удовлетворяет критерию «изобретательский уровень».The analysis of the prior art made it possible to establish that analogues that are characterized by a set of features identical to all the features of the claimed technical solution are absent, which indicates the compliance of the claimed method with the condition of patentability “novelty”. Distinctive features: setting the maximum current value at the beginning of each pulse supplied from the host device to the communication line, comparing the voltage in the communication line with the supply voltage of the host device, automatically adjusting the amplitude of the current pulses to stabilize the amplitude of the voltage pulses in the communication line, duplicating the current pulses transmitted on the communication line, voltage pulses supplied to the control microcontroller of the master device, modulation of the width of the current pulses with shutdown controlled of the current source in the master device with the output code of the interrogated sensor when generating its response signal, they do not occur. Therefore, the claimed invention meets the criterion of "inventive step".
Промышленная применимость функциональных узлов устройства, реализующего предлагаемый способ, обусловлена наличием современной элементной базы, на основе которой они могут быть выполнены. В частности, формирователи импульсов 4 и 11 можно реализовать на микросхемах К561ТЛ1 типа «Триггер Шмитта», микроконтроллеры 5 и 13 - на микросхемах PIC16LF1936 с током потребления 50 мкА, обеспечивающих преобразование и формирование широтно-модулированных импульсов в код и наоборот, ключевой элемент 14 - на транзисторе КП306; мажоритарный элемент 6 - на микросхеме К561ЛП13; одновибратор 7 - на микросхеме К561ТЛ1 с интегрирующей резистивно-емкостной цепью. В составе измерительного преобразователя 12 можно использовать усилитель типа LMV301SQ2T с однополярным напряжением питания UПИТ=(2…5) В и током потребления менее 200 мкА и аналого-цифровой преобразователь AD7091R с током потребления менее 350 мкА. Применение такой микромощной элементной базы позволяет ограничить общий ток потребления каждого датчика на уровне менее 1 мА. Количество датчиков ограничивается максимальным значением тока, подаваемого от ведущего устройства в линию связи, и заданного количества информационных битов. В частности, при I8.мах>128 мА количество датчиков ограничивается семью информационными битами в байте запроса номера датчика, формируемого ведущим устройством, и составляет Nmax=127.The industrial applicability of the functional units of the device that implements the proposed method is due to the presence of a modern element base, on the basis of which they can be performed. In particular, pulse shapers 4 and 11 can be implemented on K561TL1 microcircuits of the Schmitt Trigger type,
Снижение энергопотребления в устройстве, реализующем предложенный способ, обеспечивается за счет применения блока сравнения напряжений 9, уменьшающего амплитуду импульсов тока на выходе управляемого источника тока 8 при равенстве его выходного напряжения U8 выходному напряжению U6 мажоритарного элемента 6. При этом автоматическая регулировка силы тока I8 в двухпроводной линии связи 3 схемы устройства (фиг.1) реализуется следующим образом.Reducing energy consumption in a device that implements the proposed method is achieved through the use of a
При появлении фронта импульса на выходе управляющего микроконтроллера 5 запускается одновибратор 7 и формирует короткий импульс, длительность которого tИ7≥tФР<0,1T выбирается больше длительности фронта tФР импульсов напряжения в линии связи. При поступлении импульсов от управляющего микроконтроллера 5 и от одновибратора 7 на два входа мажоритарного элемента 6 появляется импульс на его выходе и, соответственно, формируется импульс тока I8 на выходе управляемого источника тока 8. В начальный момент времени после включения управляемый источник тока 8 формирует максимальное значение тока для быстрого заряда распределенной емкости двухпроводной линии связи 3 и быстрого подзаряда накопительных конденсаторов, применяемых в амплитудных детекторах 10 датчиков 2.1…2.N. При этом напряжение U8 на выходе управляемого источника тока 8 и в двухпроводной линии связи 3 быстро возрастает по экспоненциальному закону (фиг.2). Большое значение начального тока I8 на выходе управляемого источника тока 8 позволяет значительно сократить длительность фронтов импульсов напряжения U8 в двухпроводной линии связи 3. После заряда распределенной емкости двухпроводной линии связи 3 и подзаряда накопительных емкостей амплитудных детекторов 10 амплитуда напряжения U8 в двухпроводной линии связи 3 становится примерно равной выходному напряжению U6 мажоритарного элемента 6. При выполнении условия U8≈U6 срабатывает блок сравнения напряжений 9, который уменьшает ток I8 на выходе управляемого источника тока 8 до минимального значения. Минимальное значение тока I8 в линии связи поддерживается выходным сигналом блока сравнения напряжений 9 вплоть до окончания широтно-модулированного импульса. При этом одновременно обеспечивается равенство напряжений U8≈U6 на выходах управляемого источника тока 8 и мажоритарного элемента 6, т.е. равенство напряжений питания датчиков 2.1…2.N ведущего устройства 1, что обеспечивает автоматическое согласование уровней сигналов. Кроме того, при приеме информации, поступающей от каждого датчика 2.1…2.N на ведущее устройство 1, после коммутации линии связи ключевым элементом 14 уменьшается до низкого уровня напряжение U8 в линии связи. При этом срабатывает формирователь 4 ведущего устройства 1, на выходе которого появляется сигнал «Лог.0», и на выходе мажоритарного элемента 6 также устанавливается низкий уровень напряжения независимо от высокого уровня сигнала «Лог.1» на выходе управляющего микроконтроллера 5. Вследствие этого при коммутации линии связи ключевым элементом 14 в любом из датчиков 2.1…2.N и появлении уровня «Лог.0» на выходе мажоритарного элемента 6 выключается управляемый генератор тока 8. В итоге срабатывание ключевого элемента 14 при формировании в линии связи широтно-модулированного импульса, соответствующего «Лог.0», приводит к уменьшению тока в двухпроводной линии связи 3 и, как следствие, к резкому уменьшению мощности, рассеиваемой на ключевом элементе 14 и на управляемом источнике тока 8.When the pulse edge at the output of the control of the
Таким образом, уменьшение энергопотребления при приеме и передаче информации предлагаемым способом достигается не только за счет автоматической регулировки амплитуды импульсов тока при опросе датчиков центральным блоком, но и при формировании ответной последовательности импульсов тока в процессе передачи данных от датчиков на ведущее устройство.Thus, the reduction of energy consumption during reception and transmission of information by the proposed method is achieved not only by automatically adjusting the amplitude of the current pulses when interrogating the sensors by the central unit, but also by forming a response sequence of current pulses in the process of transmitting data from the sensors to the host device.
Повышение достоверности обмена информацией предложенным способом в данном устройстве (фиг.1) обеспечивается за счет дублирования импульсов, передаваемых от управляющего микроконтроллера 5 через мажоритарный элемент 6 и управляемый источник тока 8 в двухпроводную линию связи 3, выходными импульсами формирователя 4, которые поступают на вход управляющего микроконтроллера 5 и тем самым подтверждают правильность передачи широтно-модулированных импульсов тока по двухпроводной линии связи 3 на датчики 2.1…2.N.Improving the reliability of the exchange of information by the proposed method in this device (Fig. 1) is ensured by duplication of pulses transmitted from the
Для оценки выигрыша в энергопотреблении предложенным способом проведено исследование параметров упрощенной принципиальной схемы устройства (фиг.3) с помощью программы схемотехнического моделирования Electronics Workbench. В этой схеме для получения импульсов напряжения с крутыми фронтами из импульсов тока в схеме формирователя 4 использована диодно-резистивная цепь на элементах 4.1, 4.2 и триггер Шмитта 4.1 с типовым напряжением питания UПИТ=(3…5) В (фиг.3). Вместо управляющего микроконтроллера 5 и одновибратора 7 применены генераторы импульсов, подключенные к входам мажоритарного элемента 6. При этом один генератор формирует импульсы большой длительности tИ5=0,75Т, а синхронизированный с ним другой генератор выдает короткие импульсы длительностью tИ7=0,1T, составляющие 10% от длительности T периода тактовой частоты. К выходу мажоритарного элемента 6 подключен транзистор 8.1 с резистором 8.2 в цепи эмиттера и резистором 8.3 в цепи коллектора для регулировки выходного тока I8 управляемого источника тока, максимальное значение которого ограничивается резистором 8.4 в цепи эмиттера транзистора 8.5, служащего для усиления выходного тока. Блок сравнения напряжений 9 собран на двух диодах 9.1, 9.2 с конденсатором 9.3 малой емкости (C9.3≈50 пФ), который необходим для исключения коротких импульсов большой амплитуды, возникающих по фронтам широтно-модулированных импульсов тока из-за распределенной индуктивности двухпроводной линии связи 3.To assess the gain in energy consumption by the proposed method, the parameters of the simplified circuit diagram of the device (Fig. 3) were studied using the Electronics Workbench circuit simulation program. In this circuit, to obtain voltage pulses with steep edges from current pulses in the driver circuit 4, a diode-resistive circuit on elements 4.1, 4.2 and a Schmitt trigger 4.1 with a typical supply voltage U PIT = (3 ... 5) V are used (Fig. 3). Instead of the control of the
В упрощенной схеме датчика 2.1 применен амплитудный детектор на диоде 10.1 с накопительным конденсатором 10.2 большой емкости для получения напряжения питания датчика. Формирователь импульсов 11 собран на диодно-резистивной цепи 11.1, 11.2 и триггере Шмитта 11.3, а вместо микроконтроллера 13 применен элемент задержки импульса на время tЗД=0,25T, выходным сигналом которого открывается транзистор 14.1 с токоограничивающим резистором 14.2, выполняющий функцию ключевого элемента.In a simplified sensor circuit 2.1, an amplitude detector with a diode 10.1 is used with a large-capacity storage capacitor 10.2 to obtain a sensor supply voltage. The pulse shaper 11 is assembled on a diode-resistive circuit 11.1, 11.2 and a Schmitt trigger 11.3, and instead of the microcontroller 13, a pulse delay element is used for a time t ЗД = 0.25T, the output signal of which opens a transistor 14.1 with a current-limiting resistor 14.2, which performs the function of a key element.
В схеме модели устройства передачи и приема (фиг.3) при появлении импульсов на выходах генераторов срабатывает мажоритарный элемент 6 и формирует импульс с амплитудой U6≈UПИТ, примерно равной напряжению питания UПИТ=(3…5) В. При этом открывается транзистор 8.1, и через него начинает протекать коллекторный ток, который усиливается транзистором 8.5 и по линии связи поступает на амплитудный детектор 10.1, 10.2 и на формирователи импульсов на элементах 4.1-4.3 и 11.1-11.3. Этим током подзаряжается накопительная емкость 10.2 амплитудного детектора через открывающийся диод 10.1 до тех пор, пока напряжение U8 на коллекторе транзистора 8.5 не сравняется с выходным напряжением U8≈UПИТ мажоритарного элемента 6. При равенстве напряжений U6≈U8 открываются диоды 9.1, 9.2, через которые часть выходного тока I8 протекает по резистору 8.2, увеличивая на нем падение напряжения. Это приводит к частичному закрыванию транзистора 8.1 и уменьшению его коллекторного тока, что вызывает уменьшение тока I8 в цепи коллектора транзистора 8.5 до минимального уровня. Фактически при открывании диодов 9.1 и 9.2 образуется цепь глубокой отрицательной обратной связи по току в управляемом источнике тока, собранном на транзисторах 8.1 и 8.5. Поэтому амплитуда импульсов выходного тока при открывании диодов 9.1, 9.2 уменьшается примерно в 100 раз (пропорционально коэффициенту усиления тока базы h21≥100 транзистора 8.5) по сравнению с максимальным значением тока I8, протекающего в линии связи при закрытых диодах 9.1, 9.2.In the model diagram of the device for transmitting and receiving (Fig. 3), when pulses appear at the outputs of the generators, the
В результате проведенного схемотехнического моделирования установлено, что при срабатывании элемента задержки 13 и открывании транзистора 14.1 напряжение U8 на коллекторе транзистора 8.5 и в линии связи понижается до уровня менее одного вольта. При этом срабатывает формирователь импульсов на триггере Шмитта 4.3 и его выходное напряжение уменьшается до нулевого уровня, что приводит к аналогичному понижению напряжения на выходе мажоритарного элемента 6, которым закрывается транзистор 8.1. Поэтому выходной ток I8 уменьшается до нулевого значения независимо от наличия импульса напряжения tИ5 на выходе генератора.As a result of the circuit simulation, it was found that when the delay element 13 is triggered and the transistor 14.1 is opened, the voltage U 8 on the collector of transistor 8.5 and in the communication line decreases to less than one volt. In this case, the pulse former on the Schmitt trigger 4.3 is activated and its output voltage decreases to zero, which leads to a similar decrease in the voltage at the output of the
Для оценки динамических параметров устройства при формировании импульсов выходного тока I8 и напряжения U8 применялась модель двухканального осциллографа 15 (фиг.3), причем импульсы тока контролировались по падению напряжения на резисторе 8.4 в цепи эмиттера транзистора 8.5.To assess the dynamic parameters of the device when generating output current pulses I 8 and voltage U 8 , a two-
В результате моделирования установлено, что при формировании импульсов тока с амплитудой I8.max≈0,5 А длительность процесса подзаряда емкости 10.2 амплитудного детектора, составляющей С10.2=10 мкФ, не превышает значения tПП≤10 мкс, и при выполнении условия tПП≤0,1T, т.е. при длительности переходного процесса не более 10% от периода T тактовой частоты, минимальное время передачи одного бита данных составляет Т≈0,1 мс, что позволяет передавать информацию со скоростью V=9,6 кбит/с.As a result of the simulation, it was found that during the formation of current pulses with an amplitude of I 8.max ≈0.5 A, the duration of the process of recharging the capacitance of 10.2 of the amplitude detector, component C 10.2 = 10 μF, does not exceed the value of t PP ≤10 μs, and if the condition t PP ≤0.1T, i.e. with a transient duration of not more than 10% of the clock period T, the minimum transmission time of one data bit is T≈0.1 ms, which allows information to be transmitted at a speed of V = 9.6 kbit / s.
Кроме того, установлено, что построение устройства передачи и приема информации заявляемым способом позволяет реализовать автоматическое согласование амплитуды широтно-модулированных сигналов ведущего устройства и датчиков в стандартном диапазоне питающего напряжения UПИТ=(3…5) В современных цифровых микросхем. При этом изменение напряжения питания управляемого источника тока в диапазоне от 9 до 15 В не оказывает влияния на достоверность обмена информацией между ведущим устройством и датчиками.In addition, it was found that the construction of a device for transmitting and receiving information by the claimed method allows automatic matching of the amplitude of the width-modulated signals of the host device and sensors in the standard range of the supply voltage U PIT = (3 ... 5) in modern digital microcircuits. In this case, a change in the supply voltage of a controlled current source in the range from 9 to 15 V does not affect the reliability of the exchange of information between the host device and the sensors.
Согласно полученным данным применение автоматической регулировки амплитуды импульсов тока в зависимости от напряжения в линии связи и выключение управляемого источника тока в ведущем устройстве при передаче по линии связи сигналов «Лог.0» от опрашиваемого датчика позволяет в 2-3 раза уменьшить среднее значение тока потребления по сравнению с прототипом.According to the data obtained, the use of automatic adjustment of the amplitude of the current pulses depending on the voltage in the communication line and turning off the controlled current source in the master device when transmitting “Log.0” signals from the interrogated sensor through the communication line allows reducing the average value of the current Compared to the prototype.
Повышение достоверности обмена информацией предлагаемым способом обеспечивается следующим. Во-первых, факт передачи каждого широтно-модулированного импульса тока от ведущего устройства 1 в двухпроводную линию связи 3 подтверждается напряжением формирователя 4, поступающим на управляющий микроконтроллер 5. Во-вторых, обеспечивается возможность контроля рабочего состояния каждого датчика 2.1…2.N при опросе управляющим микроконтроллером по виду ответных широтно-модулированных импульсов. В частности, если после передачи байта с номером опрашиваемого датчика в следующем (ответном) байте отсутствует модуляция широтно-импульсного сигнала, что соответствует ответному коду «11111111», то управляющий микроконтроллер 5 формирует сигнал тревоги, указывающий на неисправность этого датчика. В-третьих, при случайном замыкании линии связи или цепи питания любого из датчиков 2.1…2.N в процессе формирования импульсов запроса управляющим микроконтроллером 5 не будут появляться импульсы на выходе формирователя 4, т.е. не будет подтверждения правильности передачи данных, по которой можно судить о неисправности системы обмена информацией.Improving the reliability of the exchange of information by the proposed method is provided by the following. Firstly, the fact of transferring each pulse-width modulated current pulse from the master device 1 to the two-
Таким образом, предложенный способ обеспечивает достижение технического результата - позволяет уменьшить энергопотребление и повысить достоверность обмена информацией в системах с совмещенной двухпроводной линией связи и питания.Thus, the proposed method ensures the achievement of a technical result - it allows to reduce power consumption and increase the reliability of information exchange in systems with a combined two-wire communication and power line.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013129161/07A RU2534026C1 (en) | 2013-06-25 | 2013-06-25 | Data transmission, data receipt and pulse current supply interfacing method in two-wire circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013129161/07A RU2534026C1 (en) | 2013-06-25 | 2013-06-25 | Data transmission, data receipt and pulse current supply interfacing method in two-wire circuit |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2534026C1 true RU2534026C1 (en) | 2014-11-27 |
Family
ID=53382911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013129161/07A RU2534026C1 (en) | 2013-06-25 | 2013-06-25 | Data transmission, data receipt and pulse current supply interfacing method in two-wire circuit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2534026C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2817614C1 (en) * | 2022-10-24 | 2024-04-16 | Общество ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "ЮГПРОМАВТОМАТИЗАЦИЯ" | Method of transmitting data through isolating transformer of single-cycle low-power supply voltage converter and device for implementation thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4641322A (en) * | 1983-10-18 | 1987-02-03 | Nec Corporation | System for carrying out spread spectrum communication through an electric power line |
| RU2390933C1 (en) * | 2008-09-29 | 2010-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Электронные информационные системы" | Method of address transmission of information via ac power lines |
| RU2404510C1 (en) * | 2009-08-20 | 2010-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Method of addressing slave device in electronic system with combined power and data transmission line |
| RU2474958C1 (en) * | 2011-07-26 | 2013-02-10 | Вячеслав Александрович Гавриков | Method to couple devices of information transceiving along combined double-wire communication line and dc supply and device for its realisation |
-
2013
- 2013-06-25 RU RU2013129161/07A patent/RU2534026C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4641322A (en) * | 1983-10-18 | 1987-02-03 | Nec Corporation | System for carrying out spread spectrum communication through an electric power line |
| RU2390933C1 (en) * | 2008-09-29 | 2010-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Электронные информационные системы" | Method of address transmission of information via ac power lines |
| RU2404510C1 (en) * | 2009-08-20 | 2010-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Резонанс" | Method of addressing slave device in electronic system with combined power and data transmission line |
| RU2474958C1 (en) * | 2011-07-26 | 2013-02-10 | Вячеслав Александрович Гавриков | Method to couple devices of information transceiving along combined double-wire communication line and dc supply and device for its realisation |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2817614C1 (en) * | 2022-10-24 | 2024-04-16 | Общество ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "ЮГПРОМАВТОМАТИЗАЦИЯ" | Method of transmitting data through isolating transformer of single-cycle low-power supply voltage converter and device for implementation thereof |
| RU2832237C1 (en) * | 2024-05-02 | 2024-12-23 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of interfacing devices for transmitting-receiving information over combined two-wire communication line and dc power supply and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10778034B2 (en) | Circuit and architecture for a demodulator for a wireless power transfer system and method therefor | |
| US10394749B2 (en) | Asynchronous transceiver for on-vehicle electronic device | |
| US10879921B2 (en) | Integrated circuit and method for communicating data | |
| US9768945B2 (en) | Isolated system data communication | |
| CN109347061B (en) | Leakage detection integrated circuit chip, leakage detection protection circuit and electrical equipment | |
| CN204228820U (en) | A kind of remote phase place real-time detection apparatus | |
| CN112202573B (en) | Two-wire system power supply and networking communication system | |
| CN212667157U (en) | Signal filtering circuit and charging pile | |
| RU2534026C1 (en) | Data transmission, data receipt and pulse current supply interfacing method in two-wire circuit | |
| CN109120075B (en) | Method and device for detecting object in charging area of wireless charging transmitter | |
| US8872649B2 (en) | Alarm system | |
| KR101165941B1 (en) | Control/monitor signal transmission system | |
| US7350307B2 (en) | System and method for checking mechanical pieces, with wireless signal transmission | |
| US10365319B2 (en) | Apparatus for determining deterioration of photocoupler | |
| RU2561454C1 (en) | Method of devices interfacing of distributed control via combined two-wire communication and power line | |
| RU2511429C2 (en) | Serial interface transceiver with galvanic isolation element | |
| US20240380430A1 (en) | Transmission system and transmission method for transmitting data and energy via a two-wire line | |
| JP2018164221A (en) | Load drive system and load drive method | |
| CN106301296B (en) | Dual integrator pulse wave shaper apparatus, systems, and methods | |
| CN102546002A (en) | Infrared receiving circuit | |
| JP6276601B2 (en) | Trigger detection circuit and trigger detection IC chip | |
| US10303638B2 (en) | Method of data acquisition and apparatus for data acquisition | |
| TW202215749A (en) | Decoding method for induction type power supply system and related supplying-end module | |
| RU2817614C1 (en) | Method of transmitting data through isolating transformer of single-cycle low-power supply voltage converter and device for implementation thereof | |
| RU2489790C1 (en) | Thyristor control current pulse former |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150626 |