专利名称：一种基于可供电二线制总线的信号传输方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明属于信号传输方法与系统，具体涉及一种基于可供电二线制总线的信号传输方法及系统。
背景技术：
在通讯与控制领域，同时传输电源和信号的二线制总线系统技术，一直是领域内广大工程技术人员共同关注的焦点。在电源线上进行载波信号叠加是一种传统方法，但由于难以采用有效的隔离措施，载波信号将被供电电路和用电电路大幅衰减，从而导致信号传输距离短、通信速度低、节点容量小，对供电设备和用电设备性能要求高等问题的出现。有鉴于此，一份名为“电源、数据信号、音频模拟信号时分复用的单总线通讯系统”的专利(申请号201010125972.5) 提出了一种分时传输电源和信号的方法，在传输信号时断开供电与用电电路，从而有效解决了信号的衰落问题。但依然存在以下不足1)电源传输时间只有三分之一，效率低且平稳性差，电磁干扰大；2)只有三分之一时间传送数据,通信速度低；3)为了传输音频模拟信号，根据奈氏定律，信号的切换频率不得低于20KHZ，致使技术实现的电路复杂，难以兼顾系统的经济性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于可供电二线制总线的信号传输方法及系统，以实现在一对供电导线上无损传输模拟信号或/和数字信号，同时解决信号在通信节点之间的对等传输问题。本发明提供的基于可供电二线制总线的信号传输方法，是在一个由二线制总线、连接在该总线上的若干节点和向该总线提供第一供电电流的电压源构成的系统中传输模拟信号或/和数字信号，使所述电压源向二线制总线提供的供电电压随第一供电电流的变化而变化；使所述节点向二线制总线发送电流环信号，从二线制总线接收电压信号，从二线制总线吸收恒定电流。所述基于可供电二线制总线的信号传输方法，所述系统还包括向二线制总线提供第二供电电流的若干第二直流电流源，使所述第二供电电流之和小于所述节点从二线制总线吸收的恒定电流之和。所述传输模拟信号的方法为
使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为供电电压变化的幅度与第一供电电流变化的幅度成正比，变化的相位与第一供电电流变化的相位相反；
使所述节点向二线制总线发送的电流环信号变化的幅度与待发送的模拟电压信号变化的幅度成正比；
使所述节点从二线制总线接收的电压信号为模拟电压信号，该模拟电压信号变化的幅度与供电电压变化的幅度成正比，变化的相位与供电电压变化的相位相反。
所述传输数字信号的方法为
使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为当第一供电电流减小或变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最高值；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最低值；
使所述节点向二线制总线发送的电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值；
使所述节点从二线制总线接收的电压信号为数字电压信号，该数字电压信号在供电电压为供电电压预定最高值时的逻辑与在供电电压为供电电压预定最低值时的逻辑相反。所述传输数字信号的方法为
使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为当第一供电电流减小或变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压预定极性，当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性反转；使所述节点向二线制总线发送的电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值；
使所述节点从二线制总线接收的电压信号为数字电压信号，该数字电压信号在供电电压极性为供电电压预定极性时的逻辑与在供电电压极性反转时的逻辑相反。所述传输模拟信号和数字信号的方法是分时传输，所述分时传输的方法为 使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为当第一供电电流变化的幅度
小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压在供电电压预定范围内变化且变化幅度与第一供电电流变化的幅度成正比；当第一供电电流减小且减幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最高值；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最低值；所述供电电压预定范围的下限值高于供电电压预定最低值；
使所述节点向二线制总线发送的电流环信号满足在发送模拟信号时，电流环信号的变化幅度与待发送的模拟电压信号的变化幅度成正比，电流环信号之和的变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值；在发送数字信号时，电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值；
使所述节点从二线制总线接收的电压信号满足在传输模拟信号时，接收的电压信号为模拟电压信号，该模拟电压信号变化的幅度与供电电压变化的幅度成正比；在传输数字信号时，接收的电压信号为数字电压信号，
该数字电压信号在供电电压于供电电压预定范围内变化时的逻辑与在供电电压为供电电压预定最高值的逻辑相等，但与在供电电压为供电电压预定最低值时的逻辑相反。所述传输模拟信号和数字信号方法中的分时传输的方法为
使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为当第一供电电流变化的幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压的预定极性，供电电压变化的幅度与第一供电电流变化的幅度成正比，变化的相位与第一供电电流变化的相位相反；当第一供电电流减小且减幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压预定极性；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性反转；
使所述节点向二线制总线发送的电流环信号满足在发送模拟信号时，电流环信号的变化幅度与待发送的模拟电压信号的变化幅度成正比，电流环信号之和的变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值；在发送数字信号时，电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值；
使所述节点从二线制总线接收的电压信号满足在传输模拟信号时，接收的电压信号为模拟电压信号，该模拟电压信号的变化幅度与供电电压的变化幅度成正比；在传输数字信号时，接收的电压信号为数字电压信号，该数字电压信号在供电电压极性为供电电压预定极性时的逻辑与在供电电压极性反转时的逻辑相反。 本发明提供的基于可供电二线制总线的信号传输系统，包括二线制总线、连接在该总线上的若干节点和向该总线提供第一供电电流的电压源；所述电压源包括直流电压源，用于向下述流控电压源供电；流控电压源，用于向二线制总线提供随第一供电电流的变化而变化的供电电压；所述节点包括压控电流源，用于向二线制总线发送电流环信号；第一直流电流源，用于从二线制总线吸收恒定电流的；信号分离器，用于从二线制总线的供电电压中分离出待接收的电压信号；信号产生器，用于向压控电流源提供待发送的电压信号；电源电路，用于从第一直流电流源取电并向节点各电路提供工作电源；信号处理器，用于处理信号分离器收到的电压信号；极性转换电路，用于转换二线制总线极性并向节点各电路提供固定极性的信号通道。所述流控电压源包括电流取样电路，用于将第一供电电流信号转换成取样电压信号；交流耦合电路，用于从取样电压信号中分离出取样交流电压信号；控制电路，用于从取样交流电压信号中提取并向下述受控电压源输出控制电压信号；受控电压源，用于产生随控制电压信号变化的供电电压。本发明系统可根据传输不同的信号采用不同的控制电路。传输模拟信号时，所述控制电路包括第一反相比例放大电路，用于放大取样交流电压信号并输出模拟电压控制信号；所述受控电压源包括可调线性稳压电路，用于提供随模拟电压控制信号的变化而变化的供电电压；所述压控电流源包括线性电流源电路，用于输出幅度与待发送的模拟电压信号幅度成正比的电流环信号；所述信号分离器包括第二反相比例放大电路，用于反相放大供电电压中的交流电压信号并输出收到的模拟电压信号。传输数字信号时，所述控制电路包括第一电压比较电路，用于比较取样交流电压信号幅度并输出数字电压控制信号；所述受控电压源包括可调稳压电路，用于提供随数字电压控制信号电平的高低变化而变化的供电电压；所述压控电流源包括电流源电路，用于输出幅度随待发送的数字电压信号的逻辑电平的跳变而跳变的电流环信号；所述信号分离器包括第二电压比较电路，用于比较供电电压变化幅度并输出收到的数字电压信号。分时传输模拟信号和数字信号时，所述控制电路包括第一反相比例放大电路，用于放大取样交流电压信号和下述三态输出窗口电压比较电路的输出信号，同时输出模拟电压控制信号和数字电压控制信号；第三反相比例放大电路，用于放大取样交流电压信号并向下述三态输出窗口电压比较电路提供比较输入电压信号；三态输出窗口电压比较电路，用于比较电压变化范围并根据结果向上述第一反相比例放大电路输出高电平、低电平和高阻三种信号；所述受控电压源包括可调线性稳压电路，用于提供随模拟电压控制信号的变化而变化的供电电压；含驱动的H桥电路，用于根据数字电压控制信号电平的高低变化来改变供电电压的极性；所述压控电流源包括线性电流源电路，用于输出幅度与待发送的模拟电压信号幅度成正比的电流环信号；电流源电路，用于输出幅度随待发送的数字电压信号的逻辑电平的跳变而跳变的电流环信号；所述信号分离器包括第二反相比例放大电路，用于反相放大供电电压中的交流电压信号并输出收到的模拟电压信号；第二电压比较电路，用于比较供电电压变化幅度并输出收到的数字电压信号。上述本发明系统，还包括在二线制总线上的不同位置设置若干个向二线制总线提供第二工作电流的第二直流电流源。对于不包括所述第二直流电流源的本发明系统，根据传输不同的信号还可以采用以下不同的控制电路。传输数字信号时，所述控制电路包括第一电压比较电路，用于比较取样交流电压信号幅度并输出数字电压控制信号；所述受控电压源包括含驱动的H桥电路，用于根据数 字电压控制信号电平的高低变化来改变供电电压的极性；所述压控电流源包括电流源电路，用于输出幅度随待发送的数字电压信号的逻辑电平的跳变而跳变的电流环信号；所述信号分离器包括第三电压比较电路，用于识别供电电压极性并输出收到的数字电压信号。分时传输模拟信号和数字信号时，所述控制电路包括第一反相比例放大电路，用于放大取样交流电压信号并输出模拟电压控制信号；第一电压比较电路，用于比较取样交流电压信号幅度并输出数字电压控制信号；所述受控电压源包括可调线性稳压电路，用于提供随模拟电压控制信号的变化而变化的供电电压；含驱动的H桥电路，用于根据数字电压控制信号电平的高低变化来改变供电电压的极性；所述压控电流源包括线性电流源电路，用于输出幅度与待发送的模拟电压信号幅度成正比的电流环信号；电流源电路，用于输出幅度随待发送的数字电压信号的逻辑电平的跳变而跳变的电流环信号；所述信号分离器包括第二反相比例放大电路，用于反相放大供电电压中的交流电压信号并输出收到的模拟电压信号；第三电压比较电路，用于识别供电电压极性并输出收到的数字电压信号。本发明解决了模拟信号、数字信号和较大功率电源信号在可供电二线制总线系统中的传输问题，使今后的可供电二线制总线系统同时具备数字通信、语音通讯和驱动较大用电负荷的能力，对于需要同时提供通话功能、通信功能的自配电通信与控制系统具有特别重要的意义。下面结合附图详细说明本发明的技术方案。
图I是本发明系统结构示意图。图2是本发明系统中电压源结构示意图。图3是本发明系统中节点结构示意图。图4是本发明系统中第二直流电流源示意图。图5是本发明系统中流控电压源结构示意图。图6是本发明系统传输模拟信号时电压源电路原理图。图7是本发明系统传输模拟信号时节点电路原理图。
图8是本发明系统传输数字信号时电压源电路原理图之一。图9是本发明系统传输数字信号时节点电路原理图之一。图10是本发明系统传输数字信号时电压源电路原理图之二。图11是本发明系统传输数字信号时节点电路原理图之二。图12是本发明系统分时传输模拟信号和数字信号时电压源电路原理图之一。图13是本发明系统分时传输模拟信号和数字信号时节点电路原理图之一。图14是本发明系统分时传输模拟信号和数字信号时电压源电路原理图之二。图15是本发明系统中分时传输模拟信号和数字信号时节点电路原理图之二。
具体实施例方式本发明提供的基于可供电二线制总线的信号传输系统，如图I所示，包括二线制总线2、连接在该总线上的若干节点3和向该总线提供第一供电电流的电压源1，其中总线A和总线B分别为二线制总线2的两极；所述电压源I如图2所示，包括直流电压源5，用于向下述流控电压源4供电；流控电压源4，用于向二线制总线2提供随第一供电电流的变化而变化的供电电压；其中，流控电压源4的两个输入端分别与直流电压源5的两个输出端相连，两个输出端分别与二线制总线2的A、B两极相连。根据电路原理，容易推导电压源I向二线制总线2提供的供电电压就是流控电压源4的输出电压，提供的第一供电电流就是流控电压源4的输出电流，电压源I提供的供电电压的变化等于流控电压源4的输出电压的变化，电压源I提供的第一供电电流的变化等于流控电压源4输出电流的变化，这是下述信号传输技术的前提之一。所述节点3如图3所示，包括压控电流源6，用于向二线制总线2发送电流环信号；第一直流电流源7，用于从二线制总线2吸收恒定电流的；信号分离器8，用于从二线制总线2的供电电压中分离出待接收的模拟电压信号Ai或/和数字电压信号Di ;信号产生器9，用于向压控电流源6提供待发送的模拟电压信号Ao或/和数字电压信号Do ;电源电路10，用于从第一直流电流源7取电并向节点3各电路提供工作电源；信号处理器11，用于处理信号分离器8收到的电压信号；极性转换电路12，用于转换二线制总线2的极性并向节点3各电路提供固定极性的信号通道。其中，极性转换电路12的两个输入端分别与二线制总线2的A、B两极相连，正极P分别连接压控电流源6、第一直流电压源7、信号分离器8的一个信号输入端，负极N分别连接节点内电路的公共端；压控电流源6的控制输入端接信号产生器9的信号输出端，第一直流电流源7的电流输出端接电源电路10，信号分离器8的另外两个信号输入端分别连接二线制总线2的A、B两极，信号处理器11的信号输入端接信号分离器8的信号输出端，电源电路10为节点内的有关电路供电。根据电路原理，容易推导节点3从二线制总线2吸收的电流就是压控电流源6向二线制总线2发送的电流环信号电流、第一直流电流源7从二线制总线2吸收的恒定电流以及信号分离器8的电压信号输入电流三种电流之和。当信号分离器8的输入阻抗足够大时，信号输入电流可忽略，节点3从二线制总线2吸收的电流的变化就等于受控电压源6发送的电流环信号的电流的变化，这是下述信号传输技术的前提之二。结合图I、图2和图3，根据电路原理，容易推导电压源I向二线制总线2提供的第一供电电流是节点3从二线制总线2吸收的电流之和；第一供电电流的变化等于节点3发送的电流环信号电流的变化；节点3的交流等效阻抗极高，且与节点从总线吸收的电流大小无关，因此，不管传输的电源功率多大，节点的用电负荷有多大，电压源I输出的模拟电压信号和数字电压信号都可以几乎无损耗地在二线制总线2上传输。所述流控电压源4如图5所示，包括电流取样电路13，用于将第一供电电流信号转换成取样电压信号；交流耦合电路14，用于从取样电压信号中分离出取样交流电压信号；控制电路15，用于从取样交流电压信号中提取并向下述受控电压源输出电压控制信号；受控电压源16，用于产生随控制电压信号变化的供电电压。其中，电流取样电路13的两端串接在二线制总线2的一极B和直流电压源5的负极之间，交流耦合电路14串接在电流取样电路13的输出端和控制电路15的输入端之间，控制电路15的输出端连接受控电压源16的控制输入端，受控电压源16的电源输入端接直流电压源5的正极，输出端接二线制总线2的A、B两极。控制电路15和受控电压源16分别因传输信号的不同而采用不同的电路，电路的具体形式见各传输信号对应的具体实施例。二线制总线2可以是现有技术中相互绝缘的两股导线A和B ;电压源I内，直流电 压源5可以是现有技术中各种能够提供稳定直流电压的装置；节点3内压控电流源6可以是现有技术中各种电压控制的恒流源电路，第一直流电流源7可以是现有技术中能够提供恒定电流的各种直流电流源。信号产生器9可以是现有技术中能够按要求产生待发送的模拟电压信号Ao或/和数字电压信号Do的各种电路，信号处理电路11可以是现有技术中能够按要求处理收到的模拟电压信号Ai或/和数字电压信号Di的各种电路，电源电路10可以是现有技术中能够按要求向各负载供电的各种电路，极性变换电路12可以是现有技术中的全桥电路。其中，信号分离器8和压控电流源6分别因传输信号的不同而采用不同的电路，电路的具体形式见传输信号对应的具体实施例。本发明传输模拟信号时的具体实施例见图6和图7 :
图6是传输模拟信号时电压源I的电路原理图，其中，电流取样电路13是Rl，交流耦合 电路14是Cl ;控制电路15是电阻R2、R3、R4、R5和运算放大器Ul构成的反相比例放大电路；受控电压源16由电阻R6、R7和三端可调稳压器U2组成。根据电路原理，可以推导供电电压变化的幅度与第一供电电流变化的幅度成正比，变化的相位与第一供电电流变化的相位相反。图7是传输模拟信号时节点3的电路原理图，其中，极性变换电路12是整流桥Dl ；第一直流电流源 由电阻R36和三端可调稳压器Ull组成；电源电路10由稳压二极管DWl和电容C2组成；信号分离器8是电容C6、电阻R47、R48和非门U17组成的反相比例放大器；压控电流源6由电阻R49、NPN三极管T9和运算放大器U18组成；信号产生电路9包括电容C3、电阻R37、R38和非门U12组成的放大器、麦克风和第一微型控制器；信号处理器11包括电容C5、语音功放、扬声器和第二微型控制器。根据电路原理,可以推导电流环信号变化的幅度与待发送的模拟电压信号Ao变化的幅度成正比，模拟电压信号Ai变化的幅度与供电电压变化的幅度成正比，变化的相位与供电电压变化的相位相反。模拟信号的传输过程如下信号产生器9输出待发送的模拟电压信号Ao—压控电流源6输出的电流环信号的变化与模拟电压信号Ao的变化成正比一电压源I输出的第一供电电流的变化与模拟电压信号Ao的变化成正比一电压源I输出的供电电压变化的幅度与模拟电压信号AO变化的幅度成正比，变化的相位与模拟电压信号Ao变化的相位相反一信号分离器8输出的模拟电压信号Ai变化的幅度与供电电压变化的幅度成正比，变化的相位与供电点电压变化的相位相反一节点3收到的模拟电压信号Ai的变化与节点3发送的模拟电压信号Ao的变化成正比一传输结束。本发明传输数字信号时的具体实施例I见图8和图9 :
图8是传输模拟信号时电压源I的电路原理图之一，其中，电流取样电路13是Rl，交流耦合电路14是Cl ;控制电路15是电阻R8、R9、R10和电压比较器U3组成的电压比较电路；受控电压源16由电阻R6、R7和三端可调稳压器U2组成。根据电路原理，可以推导当第一供电电流减小或变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最高值；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最低值；其中第一供电电流变化幅度的预定值由电阻Rl、R9、RlO和第一直流电压源5的输出电压确定；供电电压预定最高值和供电电压预定最低值由电阻R6、R7、R9、RlO、U2、U3和第一直流电压源5的输出电压确定。图9是传输数字信号时节点3的电路原理图之一，其中，极性变换电路12是整流 桥Dl ;第一直流电流源7由电阻R36和三端可调稳压器Ull组成；电源电路10由稳压二极管DWl和电容C2组成；信号分离器8是电阻R55、R56、R57、R58和电压比较器U21组成的电压比较电路；压控电流源7由电阻R54、NPN三极管TlO和运算放大器U20组成；信号产生电路9是第一微型控制器；信号处理器11是第二微型控制器。根据电路原理，可以推导电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变，且跳变幅度由逻辑电平以及电阻R54决定，选择合适的值，即可保证跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值；信号分离器8的比较电路翻转电平由电阻R55、R56、R57、R58和VCC确定，选择合适的值，即可保证其输出的数字电压信号Di在供电电压为供电电压预定最高值时的逻辑与在供电电压为供电电压预定最低值时的逻辑相反。数字信号的传输过程如下信号产生器9输出待发送的数字电压信号Do—压控电流源6输出的电流环信号随Do的逻辑电平的变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值一电压源I输出的第一供电电流的变化与数字电压信号Do的变化同步且变化幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值一电压源I输出的供电电压在供电电压预定最高值和供电电压预定最低值之间跳变，且跳变方向与数字电压信号Do的逻辑电平的跳变方向相反一信号分离器8输出的数字电压信号Di随供电电压的跳变而跳变，且跳变方向与供电电压的跳变方向相反一节点3收到的数字电压信号Di与节点3发送的数字电压信号Do同步且逻辑相等一传输结束。本发明传输数字信号时的具体实施例2见图10和图11 :
图10是传输数字信号时电压源I的电路原理图之二，其中，电流取样电路13是R1，交流耦合电路14是Cl ;控制电路15是电阻R8、R9、RlO和电压比较器U3组成的电压比较电路；受控电压源16是电阻R26、R27、R28、R29、NPN三极管T3、T5、PNP三极管T4、T6和反相器U8组成的含驱动的H桥电路。根据电路原理，可以推导当第一供电电流减小或变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压预定极性，当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性反转；其中第一供电电流变化幅度的预定值由电阻Rl、R9、RlO和第一直流电压源5的输出电压确定。图11是传输数字信号时节点3的电路原理图之二，其中，极性变换电路12是整流桥Dl ;第一直流电流源7由电阻R36和三端可调稳压器Ull组成；电源电路10由稳压二极管DWl和电容C2组成；信号分离器8是电阻R50、R51、R52、R53和电压比较器U19组成的电压比较电路；压控电流源6由电阻R54、NPN三极管TlO和运算放大器U20组成；信号产生电路9是第一微型控制器；信号处理器11是第二微型控制器。根据电路原理，可以推导电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变，且跳变幅度由逻辑电平以及电阻R54决定，选择合适的值，即可保证跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值；信号分离器8输出的数字电压信号Di在供电电压极性为供电电压预定极性时的逻辑与在供电电压极性反转时的逻辑相反。数字信号的传输过程如下信号产生器9输出待发送的数字电压信号Do—压控电流源6输出的电流环信号随Do的逻辑电平的变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值一电压源I输出的第一供电电流的变化与数字电压信号Do的变化同步且变化幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值一电压源I输出的供电电压的极性随数字电压信号Do的跳变而跳变，且跳变方向与数字电压信号Do的逻辑电平的跳变方向相反一 信号分离器8输出的数字电压信号Di随供电电压极性的跳变而跳变，且跳变方向与极性的跳变方向相反一节点3收到的数字电压信号Di与节点3发送的数字电压信号Do同步且逻辑相等一传输结束。本发明分时传输模拟信号和数字信号时的具体实施I例见图12和图13
图12是分时传输模拟信号和数字信号时电压源I的电路原理图之一，其中，取样电路13是R1，交流耦合电路14是Cl ;控制电路15包括电阻Rll、R12、R13、R14和运算放大器U4组成的第一反相比例放大电路，电容CO、电阻R21、R22、R23、R24、R25和运算放大器U7组成的第二反相比例放大电路，以及电阻R15、R16、R17、R18、R19、R20、NPN三极管Tl、PNP三极管T2和电压比较器U5、U6组成的三态输出窗口电压比较电路；受控电压源16由电阻R6、R7和三端可调稳压器U2组成。根据电路原理，可以推导当第一供电电流变化的幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压在供电电压预定范围内变化且变化幅度与第一供电电流变化的幅度成正比，变化的相位与第一供电电流变化的相位相反；当第一供电电流减小且减幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最高值；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最低值。其中，第一供电电流变化幅度的预定值由电阻R1、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18和直流电压源5的输出电压决定，供电电压预定最高值和供电电压预定最低值由R6、R7、R23、R24、U2、U7和直流电压源5的输出电压决定，供电电压的预定范围由上述所有参数共同决定，适当选择它们的取值，可以保证电电压预定范围的下限值高于供电电压预定最低值。图13是分时传输模拟信号和数字信号时节点3的电路原理图之一，其中，极性变换电路12是整流桥Dl ;直流电流源7由电阻R36和三端可调稳压器Ull组成；电源电路10由稳压二极管DWl和电容C2组成；信号分离器8包括电容C4、电阻R45、R46和非门U16组成的反相比例放大器，以及电阻R41、R42、R43、R44和电压比较器U15组成的电压比较电路；压控电流源6包括电阻R39、NPN三极管T7和运算放大器U13组成的第一压控电流源、以及电阻R40、T8、U14组成的第二压控电流源；信号产生电路9由电容C3、电阻R37、R38、非门U12、麦克风和第一微型控制器组成；信号处理器11由电容C5、语音功放、扬声器和第二微型控制器组成。根据电路原理，可以推导在发送模拟信号时，电流环信号的变化幅度与待发送的模拟电压信号Ao的变化幅度成正比，电流环信号的变化范围由模拟电压信号Ao的变化范围和电阻R39决定，适当选择R39的值和控制模拟电压信号Ao的变化范围，可保证电流环信号之和的变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值，以免引起供电电压极性的变化；在发送数字信号时，电流环信号随待发送的数字电压信号Do的逻辑变化而跳变，电流环信号的变化范围由数字信号Do的逻辑电平和电阻R40决定，适当选择R40的值，可保证电流环信号的跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值。在传输模拟信号时，信号分离器8输出的模拟电压信号Ai的变化幅度与供电电压的变化幅度成正比，变化的相位与供电电压变化的相位相反；在传输数字信号时，适当选择R41、R42、R43和R44的值，即可使信号分离器8输出的数字电压信号Di在供电电压于供电电压预定范围内变化时的逻辑与在供电电压为供电电压预定最高值的逻辑相等，但与在供电电压为供电电压预定最低值时的逻辑相反。模拟信号和数字信号的分时传输过程如下传输模拟信号时，电流环信号之和的 变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值，供电电压在供电电压预定范围变化，信号分离器8的数字信号输出端维持固定逻辑电平不变，信号产生器9输出待发送的模拟电压信号Ao —压控电流源6输出的电流环信号的变化与模拟电压信号Ao的变化成正比一电压源I输出的第一供电电流的变化与模拟电压信号Ao的变化成正比一电压源I输出的供电电压变化的幅度与模拟电压信号Ao变化的幅度成正比，变化的相位与模拟电压信号Ao变化的相位相反一信号分离器8输出的电压信号Ai变化的幅度与供电电压变化的幅度成正比，变化的相位与供电点电压变化的相位相反一节点3收到的模拟电压信号Ai的变化与节点3发送的模拟电压信号Ao的变化成正比一传输结束；传输数字信号时，信号产生器9输出待发送的数字电压信号Do —压控电流源6输出的电流环信号随Do的逻辑电平的变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值一电压源I输出的第一供电电流的变化与数字电压信号Do的变化同步且变化幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值一电压源I输出的供电电压在供电电压预定最高值和供电电压预定最低值之间跳变，且跳变方向与数字电压信号Do的逻辑变化方向相反一信号分离器8输出的电压信号Di随供电电压的跳变而跳变，且跳变方向与供电电压的跳变方向相反一节点3收到的数字电压信号Di与节点3发送的数字电压信号Do同步且逻辑相等一传输结束。
本发明分时传输模拟信号和数字信号时的具体实施2例见图14和图15 :
图14是分时传输模拟信号和数字信号时电压源I的电路原理图之二，其中，取样电路13是R1，交流耦合电路14是Cl ;控制电路15包括电阻R30、R31、R32、R33和运算放大器U9组的反相比例放大电路，以及电阻R8、R9、R10和电压比较器U3组成的电压比较电路；受控电压源16包括电阻R34、R35和三端可调稳压器UlO组成的稳压电路，以及电阻R26、R27、R28、R29、NPN三极管T3、T5、PNP三极管T4、T6和反相器U8组成的含驱动的H桥电路。根据电路原理，可以推导当第一供电电流变化的幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压的预定极性，供电电压变化的幅度与第一供电电流变化的幅度成正比，变化的相位与第一供电电流变化的相位相反；当第一供电电流减小且减幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压预定极性；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性反转。其中，第一供电电流变化幅度的预定值由电阻Rl、R9、RlO和第一直流电压源5的输出电压确定。图15是分时传输模拟信号和数字信号时节点3的电路原理图之二，其中，极性变换电路12是整流桥Dl ;直流电流源7由电阻R36和三端可调稳压器Ull组成；电源电路10由稳压二极管DWl和电容C2组成；信号分离器8包括电容C4、电阻R45、R46和非门U16组成的反相比例放大器，以及电阻R41、R42、R43、R44和电压比较器U15组成的电压比较电路；压控电流源6包括电阻R39、NPN三极管T7和运算放大器U13组成的第一压控电流源，以及电阻R40、T8、U14组成的第二压控电流源；信号产生电路9由电容C3、电阻R37、R38、非门U12、麦克风和第一微型控制器组成；信号处理器11由电容C5、语音功放、扬声器和第二微型控制器组成。根据电路原理，可以推导在发送模拟信号时，电流环信号的变化幅度与待发送的模拟电压信号Ao的变化幅度成正比，电流环信号的变化范围由模拟电压信号Ao的变化范围和电阻R39决定，适当选择R39的值和控制模拟电压信号Ao的变化范围，可保证电流环信号之和的变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值，以免引起供电电压极性的变化；在发送数字信号时，电流环信号随待发送的数字电压信号Do的逻辑电平的变化而跳变，电流环信号的变化范围由数字信号Do的逻辑电平和电阻R40决定，适当选择R40 的值，可保证电流环信号的跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值。在传输模拟信号时，信号分离器8输出的模拟电压信号Ai的变化幅度与供电电压的变化幅度成正比，变化的相位与供电电压变化的相位相反；在传输数字信号时，信号分离器8输出的数字电压信号在供电电压极性为供电电压预定极性时的逻辑与在供电电压极性反转时的逻辑相反。模拟信号和数字信号的分时传输过程如下传输模拟信号时，电流环信号之和的变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值，供电电压极性维持不变，信号分离器8的数字信号输出端维持固定逻辑电平不变，信号产生器9输出待发送的模拟电压信号Ao —压控电流源6输出的电流环信号的变化与模拟电压信号Ao的变化成正比一电压源I输出的第一供电电流的变化与模拟电压信号Ao的变化成正比一电压源I输出的供电电压变化的幅度与模拟电压信号AO变化的幅度成正比，变化的相位与模拟电压信号Ao变化的相位相反一信号分离器8输出的电压信号Ai变化的幅度与供电电压变化的幅度成正比，变化的相位与供电点电压变化的相位相反一节点3收到的模拟电压信号Ai的变化与节点3发送的模拟电压信号Ao的变化成正比一传输结束；传输数字信号时，信号产生器9输出待发送的数字电压信号Do —压控电流源6输出的电流环信号随Do的逻辑电平的变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值一电压源I输出的第一供电电流的变化与数字电压信号Do的变化同步且变化幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值一电压源I输出的供电电压的极性随数字电压信号Do的逻辑电平的跳变而跳变，且跳变方向与数字电压信号Do的逻辑电平的变化方向相反一信号分离器8输出的电压信号Di随供电电压极性的跳变而跳变，且跳变方向与极性的跳变方向相反一节点3收到的数字电压信号Di与节点3发送的数字电压信号Do同步且逻辑相等一传输结束。如图4所示，本发明基于可供电二线制总线的信号传输系统，还包括至少一个向二线制总线2提供第二供电电流的第二直流电流源17。第二直流电流源17可以是现有技术中能够提供恒定电流的各种直流电流源。此时，电压源I向二线制总线2提供的第一供电电流等于节点3从二线制总线2吸收的电流之和减去第二直流电流源17向二线制总线提供的第二供电电流之和。
适当选择第二直流电流源17提供的第二供电电流之和的大小，以保证第一供电电流大于节点3向二线制总线2发送的电流环信号电流之和变化的幅度，则由于第二直流电流源的交流阻抗极高而不消耗二线制总线2上的交流信号能量，因而在传输模拟信号 时，具有与传输模拟信号的具体实施例相同的信号传输特性；在传输数字信号时，具有与传输数字信号的具体实施例2相同的信号传输特性，但不具有传输数字信号的具体实施例I相同的信号传输特性；在分时传输模拟信号和数字信号时，具有与分时传输模拟信号和数字信号的具体实施例2相同的信号传输特性，但不具有分时传输模拟信号和数字信号的具体实施例I相同的信号传输特性。
权利要求
1.一种基于可供电二线制总线的信号传输方法，其特征是在一个由二线制总线、连接在该总线上的若干节点和向该总线提供第一供电电流的电压源构成的系统中传输模拟信号或/和数字信号，使所述电压源向二线制总线提供的供电电压随第一供电电流的变化而变化；使所述节点向二线制总线发送电流环信号，从二线制总线接收电压信号，从二线制总线吸收恒定电流。
2.根据权利要求I所述的基于可供电二线制总线的信号传输方法，其特征是所述系统还包括向二线制总线提供第二供电电流的若干第二直流电流源，使所述第二供电电流之和小于所述节点从二线制总线吸收的恒定电流之和。
3.根据权利要求I或2所述的基于可供电二线制总线的信号传输方法，其特 征是所述传输模拟信号的方法为 使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为供电电压变化的幅度与第一供电电流变化的幅度成正比，变化的相位与第一供电电流变化的相位相反； 使所述节点向二线制总线发送的电流环信号变化的幅度与待发送的模拟电压信号变化的幅度成正比； 使所述节点从二线制总线接收的电压信号为模拟电压信号，该模拟电压信号变化的幅度与供电电压变化的幅度成正比，变化的相位与供电电压变化的相位相反。
4.根据权利要求I或2所述的基于可供电二线制总线的信号传输方法，其特征是所述传输数字信号的方法为 使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为当第一供电电流减小或变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最高值；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最低值； 使所述节点向二线制总线发送的电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值； 使所述节点从二线制总线接收的电压信号为数字电压信号，该数字电压信号在供电电压为供电电压预定最高值时的逻辑与在供电电压为供电电压预定最低值时的逻辑相反。
5.根据权利要求I所述的基于可供电二线制总线的信号传输方法，其特征是所述传输数字信号的方法为 使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为当第一供电电流减小或变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压预定极性，当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性反转； 使所述节点向二线制总线发送的电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值； 使所述节点从二线制总线接收的电压信号为数字电压信号，该数字电压信号在供电电压极性为供电电压预定极性时的逻辑与在供电电压极性反转时的逻辑相反。
6.根据权利要求I或2所述的基于可供电二线制总线的信号传输方法，其特征是所述传输模拟信号和数字信号的方法是分时传输，所述分时传输的方法为 使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为当第一供电电流变化的幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压在供电电压预定范围内变化且变化幅度与第一供电电流变化的幅度成正比；当第一供电电流减小且减幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最高值；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压为供电电压预定最低值；所述供电电压预定范围的下限值高于供电电压预定最低值； 使所述节点向二线制总线发送的电流环信号满足在发送模拟信号时，电流环信号的变化幅度与待发送的模拟电压信号的变化幅度成正比，电流环信号之和的变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值；在发送数字信号时，电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值； 使所述节点从二线制总线接收的电压信号满足在传输模拟信号时，接收的电压信号为模拟电压信号，该模拟电压信号变化的幅度与供电电压变化的幅度成正比；在传输数字信号时，接收的电压信号为数字电压信号， 该数字电压信号在供电电压于供电电压预定范围内变化时的逻辑与在供电电压为供电电压预定最高值的逻辑相等，但与在供电电压为供电电压预定最低值时的逻辑相反。
7.根据权利要求I所述的基于可供电二线制总线的信号传输方法，其特征是所述传输模拟信号和数字信号的方法是分时传输，所述分时传输的方法为 使所述供电电压随第一供电电流的变化而变化的规律为当第一供电电流变化的幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压的预定极性，供电电压变化的幅度与第一供电电流变化的幅度成正比，变化的相位与第一供电电流变化的相位相反；当第一供电电流减小且减幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性为供电电压预定极性；当第一供电电流增大且增幅大于第一供电电流变化幅度的预定值时，供电电压的极性反转； 使所述节点向二线制总线发送的电流环信号满足在发送模拟信号时，电流环信号的变化幅度与待发送的模拟电压信号的变化幅度成正比，电流环信号之和的变化幅度小于第一供电电流变化幅度的预定值；在发送数字信号时，电流环信号随待发送的数字电压信号的逻辑变化而跳变且跳变幅度大于第一供电电流变化幅度的预定值； 使所述节点从二线制总线接收的电压信号满足在传输模拟信号时，接收的电压信号为模拟电压信号，该模拟电压信号的变化幅度与供电电压的变化幅度成正比；在传输数字信号时，接收的电压信号为数字电压信号，该数字电压信号在供电电压极性为供电电压预定极性时的逻辑与在供电电压极性反转时的逻辑相反。
8.一种基于可供电二线制总线的信号传输系统，其特征是包括二线制总线、连接在该总线上的若干节点和向该总线提供第一供电电流的电压源；所述电压源包括直流电压源，用于向下述流控电压源供电；流控电压源，用于向二线制总线提供随第一供电电流的变化而变化的供电电压；所述节点包括压控电流源，用于向二线制总线发送电流环信号;第一直流电流源，用于从二线制总线吸收恒定电流的；信号分离器，用于从二线制总线的供电电压中分离出待接收的电压信号；信号产生器，用于向压控电流源提供待发送的电压信号；电源电路，用于从第一直流电流源取电并向节点各电路提供工作电源；信号处理器，用于处理信号分离器收到的电压信号；极性转换电路，用于转换二线制总线极性并向节点各电路提供固定极性的信号通道。
9.根据权利要求8所述的基于可供电二线制总线的信号传输系统，其特征是所述流控电压源包括电流取样电路，用于将第一供电电流信号转换成取样电压信号；交流稱合电路，用于从取样电压信号中分离出取样交流电压信号；控制电路，用于从取样交流电压信号中提取并向下述受控电压源输出控制电压信号；受控电压源，用于产生随控制电压信号变化的供电电压。
10.根据权利要求9所述的基于可供电二线制总线的信号传输系统，其特征是传输模拟信号时，所述控制电路包括第一反相比例放大电路，用于放大取样交流电压信号并输出模拟电压控制信号；所述受控电压源包括可调线性稳压电路，用于提供随模拟电压控制信号的变化而变化的供电电压；所述压控电流源包括线性电流源电路，用于输出幅度与待发送的模拟电压信号幅度成正比的电流环信号；所述信号分离器包括第二反相比例放大电路，用于反相放大供电电压中的交流电压信号并输出收到的模拟电压信号。
11.根据权利要求9所述的基于可供电二线制总线的信号传输系统，其特征是传输数字信号时，所述控制电路包括第一电压比较电路，用于比较取样交流电压信号幅度并输出 数字电压控制信号；所述受控电压源包括可调稳压电路，用于提供随数字电压控制信号电平的高低变化而变化的供电电压；所述压控电流源包括电流源电路，用于输出幅度随待发送的数字电压信号的逻辑电平的跳变而跳变的电流环信号；所述信号分离器包括第二电压比较电路，用于比较供电电压变化幅度并输出收到的数字电压信号。
12.根据权利要求9所述的基于可供电二线制总线的信号传输系统，其特征是传输数字信号时，所述控制电路包括第一电压比较电路，用于比较取样交流电压信号幅度并输出数字电压控制信号；所述受控电压源包括含驱动的H桥电路，用于根据数字电压控制信号电平的高低变化来改变供电电压的极性；所述压控电流源包括电流源电路，用于输出幅度随待发送的数字电压信号的逻辑电平的跳变而跳变的电流环信号；所述信号分离器包括第三电压比较电路，用于识别供电电压极性并输出收到的数字电压信号。
13.根据权利要求9所述的基于可供电二线制总线的信号传输系统，其特征是分时传输模拟信号和数字信号时，所述控制电路包括第一反相比例放大电路，用于放大取样交流电压信号和下述三态输出窗口电压比较电路的输出信号，同时输出模拟电压控制信号和数字电压控制信号；第三反相比例放大电路，用于放大取样交流电压信号并向下述三态输出窗口电压比较电路提供比较输入电压信号；三态输出窗口电压比较电路，用于比较电压变化范围并根据结果向上述第一反相比例放大电路输出高电平、低电平和高阻三种信号；所述受控电压源包括可调线性稳压电路，用于提供随模拟电压控制信号的变化而变化的供电电压；含驱动的H桥电路，用于根据数字电压控制信号电平的高低变化来改变供电电压的极性；所述压控电流源包括线性电流源电路，用于输出幅度与待发送的模拟电压信号幅度成正比的电流环信号；电流源电路，用于输出幅度随待发送的数字电压信号的逻辑电平的跳变而跳变的电流环信号；所述信号分离器包括第二反相比例放大电路，用于反相放大供电电压中的交流电压信号并输出收到的模拟电压信号；第二电压比较电路，用于比较供电电压变化幅度并输出收到的数字电压信号。
14.根据权利要求9所述的基于可供电二线制总线的信号传输系统，其特征是分时传输模拟信号和数字信号时，所述控制电路包括第一反相比例放大电路，用于放大取样交流电压信号并输出模拟电压控制信号；第一电压比较电路，用于比较取样交流电压信号幅度并输出数字电压控制信号；所述受控电压源包括可调线性稳压电路，用于提供随模拟电压控制信号的变化而变化的供电电压；含驱动的H桥电路，用于根据数字电压控制信号电平的高低变化来改变供电电压的极性；所述压控电流源包括线性电流源电路，用于输出幅度与待发送的模拟电压信号幅度成正比的电流环信号；电流源电路，用于输出幅度随待发送的数字电压信号的逻辑电平的跳变而跳变的电流环信号；所述信号分离器包括第二反相比例放大电路，用于反相放大供电电压中的交流电压信号并输出收到的模拟电压信号；第三电压比较电路，用于识别供电电压极性并输出收到的数字电压信号。
15.根据权利要求8或9或10或11或13所述的基于可供电二线制总线的信号传输系统，其特征是还包括在二线制总线上的不同位置设置若干个向二线制总线提供第二工作电流的第二直流电流源。
全文摘要
本发明公开了一种基于可供电二线制总线的信号传输方法及系统，其方法是在一个由二线制总线、连接在该总线上的若干节点和向该总线提供第一供电电流的电压源构成的系统中传输模拟信号或/和数字信号，使所述电压源向二线制总线提供的供电电压随第一供电电流的变化而变化；使所述节点向二线制总线发送电流环信号，从二线制总线接收电压信号，从二线制总线吸收恒定电流。本发明解决了模拟信号、数字信号和较大功率电源信号在可供电二线制总线系统中的传输问题，使今后的可供电二线制总线系统同时具备数字通信、语音通讯和驱动较大用电负荷的能力，对于需要同时提供通话功能、通信功能的自配电通信与控制系统具有重要的意义。
文档编号H04B3/54GK102723970SQ20121023773
公开日2012年10月10日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者肖伏初 申请人:湖南伊迈德科技有限公司