一种具有电源传输和数据通信功能的总线系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种同时具备电源传输和数据通信功能的总线系统，成本低廉，结构简单，不但能在较远的距离上实现电源传输和数据通信，还支持物理层的总线仲裁。本发明所述的总线系统，由一对差分总线、连接在该差分总线上的一个供电模块、以及连接在该差分总线上的两个或两个以上的通信模块所组成，不使用终端电阻进行阻抗匹配。
【专利说明】一种具有电源传输和数据通信功能的总线系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及电子通信【技术领域】，尤其涉及一种能够同时进行数字通信和电源传输的总线系统。
【背景技术】
[0002]在工业控制，智能家居、物联网等应用场合，使用有线通信且距离较远时，为了降低网络的线缆成本，往往需要在一对线缆上，同时进行数据通信和电源传输。IEC61158-2标准就是为了在一对线缆上同时进行数据通信和电源传输而制定的。该标准通过电流源型的电源和负载进行电源的传输；数据通过增量电流的方式，在总线上形成电压脉冲，实现电源传输和数据通信的并发。但是该标准也有明显的缺陷，第一，标准要求通信节点的电流不能突变，导致节点的设计受到限制；第二，该标准不能支持物理层的总线仲裁，在节点数量较多时会导致通信效率下降。
[0003]中国发明专利“电源、数据信号、音频模拟信号时分复用的单总线通信系统”(申请号201010125972.5)公开了一种可以同时电源传输、数据通信和语音通信的总线系统，在一对总线上，实现了电源，数据和语音的传输，并且总线接口电路结构简单，成本低廉。但该专利存在以下的缺陷:第一，总线上跨接2个阻抗匹配电阻，当总线工作电压较高时，该电阻会消耗很大的功率，降低了总线供电的效率，限制了总线的工作电压和通信距离；第二，总线上的通信模块，在通信中会消耗自身存储的电量去驱动总线，驱动功率较大，导致通信模块必须含有大型的储能元件，不利于进一步降低成本。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种成本低廉，结构简单的电源/通信总线系统，不但能比现有技术实现更远的通信距离，支持更大功率的总线供电，并且还支持物理层的总线仲裁。
[0005]本发明所述的总线系统，由一对差分总线、连接在该差分总线上的一个供电模块、以及连接在该差分总线上的的两个或两个以上的通信模块所组成，不包含用于阻抗匹配的终端电阻。
[0006]所述的差分总线，包括正和负2根信号线，连接所述的供电模块和通信模块，是电源传输和数据通信的共同媒介。
[0007]所述的供电模块，通过差分总线，给总线上的通信模块提供工作电源。
[0008]所述的通信模块，从所述的差分总线上取得自身工作所需的电源，并可通过所述的差分总线，彼此之间进行数据通信。
[0009]本发明所述的总线系统周期性的工作，一个完整的工作周期可被划分为2个时隙，分别是电源时隙和通信时隙，2个时隙在总线上交替出现。
[0010]在电源时隙，供电模块输出差分电压驱动总线，向总线上输出同步信号和电源，并最终将总线驱动为一个高电平；通信模块在电源时隙接收上述的同步信号，并从总线上取得工作电源。
[0011]在通信时隙，供电模块放弃对总线的驱动，由作为发送端的通信模块，根据所需发送的数据，选择性的将差分总线的正负信号线短接，使得总线上的差分电压随发送的数据不同而呈现不同的变化。
[0012]在通信时隙，作为接收端的通信模块，根据总线上差分电压的变化，恢复出数据，完成数据接收。
[0013]上述的电源时隙，进一步被划分为2个阶段，分别是下拉阶段和驱动阶段，其中 在电源时隙的下拉阶段，供电模块短接差分总线的正负信号线，使得差分总线上的
差分电压较低；在电源时隙的驱动阶段，供电模块用差分电压驱动所述的差分总线，使得差分总线上差分电压变闻。
[0014]上述差分电压的变化沿，会被通信模块检测到，并将该边沿作为总线同步信号，用于数据的发送和接收。
[0015]通信模块的内部包含储能元件，在电源时隙的驱动阶段，通信模块从总线上取得电源.并存储在内部的储能元件上，作为为自身的工作电源；在此阶段通信模块还能够吸收所述差分总线上的反射电压并存储在内部储能元件上，取得额外的电源供应。
[0016]通信模块内部包含一个可控开关，能够将差分总线的正负信号线短接。在通信时隙的起始，由于没有外部驱动，总线电压保持为电源驱动时隙末期的高电压状态。在通信时隙中，作为数据发送端的通信模块，根据所需发送的信息，选择是否短接差分总线，从而使得总线上根据发送信息的不同而呈现不同的差分电压。而作为数据接收端的通信模块，在通信时隙中，能检测上述的差分电压，恢复出发送端所发送的数据。
[0017]本发明所述的总线系统支持总线仲裁，允许多个通信模块同时发送数据。当所述总线系统中有一个以上的通信模块同时作为为数据发送端发送不同的数据时，作为发送端的通信模块，在发送的同时，接收差分总线上的数据并跟自身发送出的数据进行对比，当发现上述两个数据不一致时，该通信模块就获取了总线有冲突的信息，并能够通过中止当前发送操作的方法，将总线让给其他通信模块，实现了总线仲裁。
[0018]本发明所述的总线系统，可以灵活的选择工作电压。通过提高工作电压，就能很容易地提高电源传输功率，提高噪声容限并增加通信距离。
[0019]本发明所述的总线系统，与已有技术相比，拥有更高的噪声容限，可以实现更远的通信距离，支持总线仲裁，并且接口电路简单可靠，成本低廉，可以广泛的应用于工控，安防，智能家居，传感器网络等场景。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明所述的总线系统的组成和连接关系示意图。
[0021]图2是本发明所述总线系统的工作周期和时隙划分示意图。
[0022]图3是本发明所述供电模块的一个具体实施例的电路原理示意图。
[0023]图4是上述供电模块的具体实施例在工作时的电压波形示意图。
[0024]图5是本发明所述通信模块的一个具体实施例的电路原理示意图。
[0025]图6是上述通信模块的具体实施例，作为接收端工作时的电压波形示意图。
[0026]图7是上述通信模块的具体实施例，作为发送端工作时的电压波形示意图。[0027]图8是本发明所述的总线系统上，两个通信模块进行总线仲裁的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0028]在图1是本发明所描述的总线系统的组成和连接关系示意图。从图中可以看出，整个系统由一对差分总线，以及连接在差分总线上的一个供电模块和多个通信模块所组成。在本实施例中，差分总线的正负信号线分别被命名为BUS+和BUS-。需要特别强调的是，本发明所描述的总线系统中，没有使用终端电阻。
[0029]图2是本发明所描述总线系统的总线周期划分示意图，每个工作周期被划分为电源时隙和通信时隙两个部分，其中，电源时隙又被划分为两个阶段，分别是下拉阶段和驱动阶段。
[0030]在本实施例中，供电模块的原理示意如图3所示。所述供电模块由控制电路U1、两个光耦OCl和0C2、三个开关元件Tl、T2和T3、以及几个外围的电阻组成。其中，控制芯片可以用可编程逻辑器件(PLD)实现，也可以使用其他的方法，如微控制器(MCU)等实现。
[0031]在电源时隙的下拉阶段，控制芯片Ul输出到OCl的控制信号CTl为低电平，输出到0C2的控制信号CT2为高电平。这样会让0C1、Tl和T3都不导通，而让0C2和T2导通，BUS+和BUS-被T2短接在一起，总线上的差分电压较低。
[0032]在电源时隙的驱动阶段，控制芯片输出到OCl的控制信号CTl为高电平，输出到0C2的控制信号CT2为低电平。这样会让0C2和T2不导通，而让OCl、Tl和T3导通，从而将+12V和-12V的差分电压加在BUS+和BUS-上，总线上的差分电压升高到24V。
[0033]在通信时隙，供电模块控制芯片Ul输出的两个控制信号均为低电平，T1、T2和Τ3都不导通。如果总线上没有数据传输，就没有外部驱动，总线将保持电源时隙驱动阶段的高电压状态不变。
[0034]图4对上述供电模块的工作原理做了进一步的说明，给出了在总线上没有数据传输时，供电模块控制芯片Ul输出的控制信号CT1、CT2以及总线电压波形的时序关系,包含了两个工作周期。
[0035]图5是通信模块的原理框图。通信模块由电源电路，接收电路、发送电路和通信控制电路共四部分组成。其中，通信控制电路Ui由微控制器实现，也可以由可编程逻辑器件等其他方法实现。
[0036]图5中，通信模块的电源电路包括二极管Dl、D2，电容Cl、C2，稳压管Zl、Ζ2，电阻Rl、R2。Dl、D2和Cl在电源时隙的驱动阶段从总线取电并储存起来；R1，R2以及Zl、Z2组成稳压电路，输出一个稳定的电压，再通过C2滤波后，作为通信模块的工作电源。其中，Rl和R2取值相同，Zl和Z2型号相同，这样就能保证无论BUS+和BUS-的电压高低，只要正负电压完全对称，则通信模块的工作地就能保持在BUS+和BUS-电压的中心点，即保持为地电平稳定不变。
[0037]图5中，通信模块的接收电路，仅包括4个分压电阻R3/R4/R5和R6，用于将BUS+和BUS-上的高电压波形，按比例进行分压，转换为通信控制芯片能接收的一个合适的逻辑电平。其中，R3和R6取值相同，R4和R5取值相同，这样就能保证无论BUS+和BUS-的电压高低，只要正负电压完全对称，BUS+和BUS-电压的中心点就保持为地电平稳定不变，进一步确保了通信模块工作地的稳定。
[0038]图5中，通信模块的发射电路由光耦OCl和晶体管Tl组成。需要发送数据O时，在通信时隙，控制电路通过OCl让Tl导通，短接BUS+和BUS-，使得总线上差分电压变低。当需要发送数据I时，Tl在整个通信时隙不导通，此时差分总线没有外部驱动，总线上的差分电压保持高电平不变。
[0039]图5中，通信控制电路对接收电路输出的RX信号进行解码并得出数字信息。当总线上正脉冲较宽时，表示发送电路没有短接总线，接收到的数据为I ;当总线上的正脉冲较窄时，表示发送电路短接了差分总线，接收到的数据为O。图6是一个示例，展示了接收信号RX波形和所接收到的数据两者之间的之间的对应关系。
[0040]图5中，通信控制电路还根据所需发送的数据，输出TX信号给发送电路。在通信时隙，当需要发送数据O时，输出TX为高电平，短接差分总线，使总线上差分电压变低；当需要发送数据I时，输出TX为低电平，不短接差分总线，总线保持为高电平不变。图7是一个示例，展示了所发送的数据、控制信号TX电压波形，以及总线差分电压波形三者之间的对应关系。
[0041]当总线系统中有2个或者更多个通信模块同时往总线上发送数据时，该总线系统能够实现总线仲裁。这个仲裁基于“线与”原理，即只要有一个通信模块发送数据O (即在通信时隙将差分总线短接)，则总线上的差分电压就会降低，此时，发送数据I的通信模块，能通过检测总线上的电压，发现总线已被别的通信模块下拉，主动退出发送，让出总线的使用权。
[0042]图8是一个由2个通信模块竞争总线使用权的例子。其中，模块A企图发送的数据是二进制的10101100(次序为从左到右)，而模块B企图发送的数据是二进制的10110011(次序为从左到右)。在前3个比特101，由于2个模块发送的数据完全相同，不能检测到任何冲突；到了第四个比特，模块A发送0，在通信时隙将总线短接，而模块B虽然没有短接总线，但却检测到了总线上的低电压(参考图中的阴影部分)，根据此信息，模块B可以得知有其他通信模块正在占用总线，随即停止发送后续的4个BIT ;于是，在后面的第5到第8这4个工作周期中，由模块A独占总线，将4个比特1100的发送到差分总线上。
【权利要求】
1.在一种既能完成电源传输，又能进行有线数据通信的总线系统，包括一对差分总线，以及连接在此差分总线上的一个供电模块和至少两个通信模块，其特征在于: 所述的总线系统中，不包含用于阻抗匹配的终端电阻； 所述的供电模块，通过差分总线，给总线上的通信模块提供工作电源； 所述的通信模块，从所述的差分总线上取得自身工作所需的电源，并通过所述的差分总线，在彼此之间进行数据通信； 所述的总线系统周期性地工作，一个完整的工作周期被划分为2个时隙，分别是电源时隙和通信时隙，其中电源时隙又可以被进一步划分为下拉阶段和驱动阶段； 在所述的电源时隙，供电模块向总线上输出同步信号和电源，并最终将总线驱动为高电平； 在所述的电源时隙，通信模块从总线上接收上述的同步信号，并取得工作电源； 在所述的通信时隙，供电模块放弃对总线的驱动，由作为发送端的通信模块，根据所需发送的数据，选择是否短接差分总线的正负信号线，使得总线随发送的数据不同而呈现不同的差分电压； 在所述的通信时隙，作为接收端的通信模块，根据差分总线上的电压变化，判断出发送端所发送的数据，完成接收。
2.根据权利要求1所述的供电模块，其特征在于: 所述的供电模块在电源时隙的下拉阶段，短接差分总线的正负信号线，使得差分总线上的差分电压较低； 所述的供电模块在电源时隙的驱动阶段，用差分电压驱动总线，使总线上的差分电压变高； 所述的供电模块在通信时隙，不对总线进行驱动。
3.根据权利要求1所述的通信模块，其特征在于: 所述的通信模块在电源时隙的下拉阶段转换为驱动阶段时，能检测到差分电压的上升沿，并以此作为通信的同步信号； 所述的通信模块，内部包含储能元件，在电源驱动时隙，能够从总线上取得电源，并存储在内部的储能元件上，作为为自身的工作电源； 所述的通信模块，在电源驱动时隙，还能够吸收上升沿的反射电压并存储在内部储能元件上，取得额外的电源供应； 所述的通信模块作为数据发送端时，在通信时隙，根据所需发送的信息，选择是否短接差分总线，以控制总线上差分电压的变化； 所述的通信模块作为数据接收端时，在通信时隙，能够检测总线上差分电压的变化，并根据检测的结果，恢复出发送端所发送的数据。
4.根据权利要求1所述的总线系统，在多个通信模块同时发送数据时，能检测到总线冲突，实现总线仲裁，其特征在于: 所述通信模块，在发送数据的每一个比特的同时，接收总线上的数据并跟自身发送出的数据进行对比，当发现上述两个数据不一致时，该通信模块就止当前发送操作，让出总线的使用权； 所述的通信模块在检测到总线冲突并让出总线使用权后，经过一个随机的时间间隔，能够再次向总线发送数据。`
【文档编号】H04L12/40GK103684943SQ201210318385
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月2日 优先权日:2012年9月2日
【发明者】刘新丽 申请人:刘新丽