用電源線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

武洪濤

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

用電源線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

武洪濤

(長江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

為了簡(jiǎn)化測(cè)控網(wǎng)絡(luò)線路結(jié)構(gòu)和提高從機(jī)效率，提出了一種在電源線上實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。系統(tǒng)采用直流電壓源供電，用正電壓脈沖實(shí)現(xiàn)由主機(jī)到從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，用電流的變化實(shí)現(xiàn)從機(jī)到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；從機(jī)檢測(cè)電壓變化，輸出電流變化，避免了從機(jī)處理來自其他從機(jī)的信號(hào)。在波特率9600bps，3000m距離傳輸穩(wěn)定可靠，是一種較好的數(shù)據(jù)傳輸方法。

現(xiàn)場(chǎng)總線；數(shù)據(jù)傳輸；電壓調(diào)制；電流調(diào)制

現(xiàn)場(chǎng)總線是小型測(cè)控系統(tǒng)不可缺少的組成部分，總線承擔(dān)設(shè)備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線得到了廣泛的應(yīng)用[1]?，F(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用優(yōu)化了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的線路連接結(jié)構(gòu)，用數(shù)據(jù)脈沖傳輸替代了模擬信號(hào)的傳輸，提高了抗干擾能力。外設(shè)以微處理器為核心，具有智能數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)采集現(xiàn)場(chǎng)控制，減少了數(shù)據(jù)傳輸量，避免了主機(jī)的繁忙工作，提高了系統(tǒng)性能。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)和提高性能，筆者提出了一種在供電電源線上實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?/p>

1 數(shù)據(jù)傳輸原理

數(shù)據(jù)傳輸分為單向數(shù)據(jù)傳輸、雙向數(shù)據(jù)傳輸和總線數(shù)據(jù)傳輸，單向數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)信號(hào)獨(dú)占一個(gè)傳輸線路，線路的一端輸出信號(hào)，另一端接收信號(hào)，不會(huì)發(fā)生改變；雙向數(shù)據(jù)傳輸多采用時(shí)分方式，線路的兩端都有信號(hào)輸出電路和信號(hào)接收電路，2個(gè)輸出電路不能同時(shí)工作，必需有一個(gè)協(xié)調(diào)機(jī)制實(shí)現(xiàn)分時(shí)工作來避免沖突；總線數(shù)據(jù)傳輸有多個(gè)設(shè)備在一個(gè)線路上相互連接，每個(gè)設(shè)備都有數(shù)據(jù)輸出電路和接收電路，除了要解決每個(gè)設(shè)備的輸出和輸入狀態(tài)控制以外還要考慮設(shè)備之間的相互影響[2]。

RS-232(recommeded standard)采用雙極性不歸零編碼，以提高電壓幅度的方法來提高抗干擾的能力，接口電路簡(jiǎn)單，在線路上采用接收、發(fā)送分開的辦法來避免干擾,即全雙工工作方式[3]，常規(guī)的RS-232接口電路由于輸出電路沒有三態(tài)功能，只能支持單向傳輸，采用雙線路實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。

RS-485采用差動(dòng)傳輸，提高了抗共模干擾的能力，接收信號(hào)檢測(cè)門檻降低，同時(shí)降低了輸出電壓，接口輸出電路具有三態(tài)功能[3]，輸出接口可以相互并聯(lián)分時(shí)工作，可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。在總線連接結(jié)構(gòu)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中被廣泛采用[4]。通常所有設(shè)備都處于接收狀態(tài)，可以接收到所有其他設(shè)備的輸出信號(hào)，接收的無效的數(shù)據(jù)比較多。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

CAN(Controller Area Network)總線采用差動(dòng)傳輸，為了解決總線競(jìng)爭(zhēng)問題，采用總線狀態(tài)監(jiān)聽機(jī)制[5]，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)還要對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)位進(jìn)行檢查，電路相對(duì)復(fù)雜，必須采用專門的接口模塊。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化線路，筆者設(shè)想采用電源線路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒╗6，7]，線路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電源的傳輸采用直流方式，數(shù)據(jù)傳輸采用脈沖方式[8]，主機(jī)到從機(jī)的下行信號(hào)采用正脈沖表示，疊加在正電源線上傳輸?shù)綇臋C(jī)，從機(jī)的輸出信號(hào)通過開關(guān)電路接入負(fù)載電阻來加大電源供電電流來實(shí)現(xiàn)，變化量設(shè)置在10mA左右，上位機(jī)通過檢測(cè)回路電流的變化來獲得數(shù)據(jù)信息，不需要單獨(dú)的傳輸線路；由于從機(jī)電流的變化引起的總線電壓變化遠(yuǎn)小于下行信號(hào)的幅度，不會(huì)被其他從機(jī)所接收，從而不可能影響其他從機(jī)的工作，消除了485總線、CAN總線還要過濾從機(jī)輸出信號(hào)的問題。

2 電路設(shè)計(jì)

總線傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機(jī)由PC機(jī)擔(dān)任，使用標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，輸出信號(hào)為RS-232格式，下位機(jī)由單片機(jī)擔(dān)任，可以有多個(gè)下位機(jī)。

把上位機(jī)傳遞給下位機(jī)信號(hào)稱為下行信號(hào)[9]，從上位機(jī)輸出經(jīng)過信號(hào)處理電路、極性變換和放大處理后疊加在電源線上傳輸給下位機(jī)，下位機(jī)的脈沖檢測(cè)電路識(shí)別電源線上的脈沖，將其變成TTL格式的信號(hào)送給下位機(jī)。

把下位機(jī)傳遞給上位機(jī)的信號(hào)稱為上行信號(hào)，從單片機(jī)輸出經(jīng)電流調(diào)制電路變成總線電流的變化，電流檢測(cè)電路檢測(cè)電流的變化[10]，經(jīng)信號(hào)處理電路變成上位機(jī)可以接收的信號(hào)，送給上位機(jī)。

上位機(jī)接口電路如圖2所示。D3將上位機(jī)輸出的負(fù)電平去掉，Q2將正脈沖變成低電平使Q1導(dǎo)通，通過C1在總線上輸出一個(gè)高出電源電壓的正脈沖，當(dāng)脈沖結(jié)束時(shí)Q3導(dǎo)通恢復(fù)C1上的電壓到初始狀態(tài)。

圖2 上位機(jī)接口

圖3 下位機(jī)接口(脈沖檢測(cè)與電流調(diào)制電路)

TR1檢測(cè)總線電流的變化，增大時(shí)輸出正脈沖，減小時(shí)輸出負(fù)脈沖。

U2:A構(gòu)成放大電路，U2:B構(gòu)成遲滯比較器，當(dāng)正脈沖到來輸出變?yōu)楦?，?dāng)負(fù)脈沖到來輸出變成低，當(dāng)電流不變化時(shí)，由于輸入信號(hào)在高門檻和低門檻之間，輸出保持原來狀態(tài)不變，遲滯比較器的輸出和下位機(jī)的輸出信號(hào)相同。

下位機(jī)接口電路如圖3所示，當(dāng)總線上有正脈沖時(shí)Q1導(dǎo)通，輸出低電平給單片機(jī)串口，當(dāng)總線為電源電壓是Q1關(guān)閉，輸出保持高電平。

當(dāng)下位機(jī)輸出低電平時(shí)，經(jīng)反相器使Q2導(dǎo)通總線電路加大，當(dāng)下位機(jī)輸出為高電平是Q2關(guān)閉，這樣保障沒信號(hào)輸出時(shí)為小電流狀態(tài)。

下行信號(hào)的波形如圖4所示，上行信號(hào)的波形如圖5所示。

3 結(jié) 語

筆者的設(shè)計(jì)思想是將總線上的上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù)用不同的形式表示，使從機(jī)的輸出信息與接收信息有著不同的表示形式，避免了從機(jī)輸出信息被其他的從機(jī)接收，可以節(jié)省較多的數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)間，減輕從機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)，這種總線構(gòu)成形式可以把供電線路和數(shù)據(jù)傳輸線路合并在一起，減少了傳輸線的數(shù)量，使總線的連接更加簡(jiǎn)單。

這種總線傳輸方式適合于PC作為主機(jī)，多個(gè)單片機(jī)作為從機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)，由于兩者都有現(xiàn)成的串行接口，可以大大降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，采用集中供電方式，簡(jiǎn)化了從機(jī)系統(tǒng)的供電線路。當(dāng)外設(shè)較多、工作電流比較大和傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，必須提高供電的電壓，也可以采用單獨(dú)設(shè)置電源線。在試驗(yàn)過程中，最大總供電電流100mA，傳輸距離3000m，波特率9600bps，得到了滿意的傳輸效果。

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[編輯] 易國華

TN919

A

1673-1409(2009)03-N074-03

2009-06-01

武洪濤(1958-)，男，1982年大學(xué)畢業(yè),副教授，現(xiàn)主要從事計(jì)算機(jī)接口及應(yīng)用、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、測(cè)控系統(tǒng)原理方面的教學(xué)和研究工作。