树状远程通信总线系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种树状远程通信总线系统。它包括井上通信系统和井下通信系统，井上单片机通过井上通信芯片连接一个通信呼叫接收驱动电路，井下通信系统包括信号接收电路和信号回答电路，井下通信芯片与信号回答电路连接，信号接收电路与井下通信芯片之间连接相位检测控制电路，相位检测控制电路通过通信时钟连接井下通信芯片，通信呼叫接收驱动电路与信号接收电路和信号回答电路连接并能够进行信息传输；井下单片还连接控制输出电路和显示电路。采用上述的结构后，能够长距离进行通信传输，可以任意树状连接，网络拓扑不需要依靠有源节点扩展，并且每一个传输单元不需要电缆阻抗匹配，不需要对准极性连接，能够抗共模干扰无中继长距离驱动。
【专利说明】树状远程通信总线系统
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种煤矿井下用网络通信总线系统，具体地说是一种树状远程通信总线系统。
【背景技术】
[0003]网络通信总线技术应用广泛，其主要缺点是通信距离短通常不超过10M，虽然有速率自适应长距离总线，但都是点对点通信不能任意树状连接，网络拓扑必须依靠有源节点扩展，并且每一个传输单元电缆阻抗必须匹配，否则会发生严重的信号反射造成误码，这对煤矿井下应用条件过于苛刻；现有技术中并没有无中继长距离驱动总线，因此，制约了煤矿井下通信的发展。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种可任意树状链接、且不需要阻抗匹配、不需要对准极性连接，能够抗共模干扰无中继长距离驱动的树状远程通信总线系统。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明的树状远程通信总线系统，包括位于地面的井上通信系统和位于地下的井下通信系统，井上通信系统包括通过信号变换电路与上位计算机连接的井上单片机，井上单片机通过井上通信芯片连接一个通信呼叫接收驱动电路，上位计算机通过信号变换电路将TTL呼叫信号转换为双向不归零码，井下通信系统包括信号接收电路和信号回答电路，信号接收电路与一个信号极性检测电路和一个极性控制电路连接，信号极性检测电路与极性控制电路之间进行信息传输，信号接收电路还通过井下通信芯片与一个井下单片机连接，所述井下单片机与一个数据采集变换电路连接并能够通过数据采集变换电路采集井下数据信息，所述井下通信芯片与信号回答电路连接并能够向信号回答电路传输信息，信号接收电路与井下通信芯片之间连接相位检测控制电路，相位检测控制电路通过通信时钟连接井下通信芯片，所述通信呼叫接收驱动电路与信号接收电路和信号回答电路连接并能够进行信息传输；井下单片还连接控制输出电路和显示电路。
[0006]所述信号变换电路、井上单片机以及井上通信芯片由直流电源供电。
[0007]所述井上单片机连接有状态指示单元，通信呼叫接收驱动电路连接有井上本安电源。
[0008]所述信号回答电路连接井下本安电源。
[0009]所述通信呼叫接收驱动电路包括两只互为反向电压的比较器IC9A和比较器IC9B以及连接井上通信芯片串行数据发送端的端口 C和连接井上通信芯片串行数据接收端的端口 SI，所述端口 C的通信线路上连接光电耦合器1G3，所述端口 SI的通信线路上连接光电耦合器1G2，所述比较器IC9A的I脚同时连接晶体管1BG4和晶体管1BG5的两个一号管脚，所述比较器IC9B的7脚同时连接晶体管1BG6和晶体管1BG7的两个一号管脚，所述晶体管1BG5和晶体管1BG7的两个二号管脚通过一号支路连接，晶体管1BG4和晶体管1BG6的两个二号管脚通过二号支路连接，所述比较器IC9A的2脚、比较器IC9B的5脚之间通过电阻1R24连接在一号支路上，比较器IC9A的2脚、比较器IC9B的5脚之间还通过电阻1R23连接在二号支路上，所述比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间通过电阻1R26连接在一号支路上，所述比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间通过电阻1R25连接在二号支路上，所述光电耦合器1G3的受光端一端连接在比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间，另外一端连接在一号支路上，所述晶体管1BG6和晶体管1BG7的三号管脚共同连接通信接口 CRl的I脚，所述光电耦合器1G2的一端通过电阻1R21连接在晶体管1BG4和晶体管1BG5的三号管脚之间，光电耦合器1G2的另外一端通过三号支路连接CRl的2脚，所述三号支路上并联有电阻1R22UD2以及相互串联的IDl和1D5，所述三号支路还连接晶体管1BG4、晶体管1BG5的三号管脚，晶体管1BG6、晶体管1BG7的三号管脚通过1DLY2连接三号支路。
[0010]采用上述的结构后，通过信号变换电路将TTL呼叫信号转换为+/-30V双向不归零码，同时将回答信号转换为阻抗高/低特征，实现网络远程信号传递；分站中的信号极性控制电路可以将随机连接之总线控制到正确状态，从而实现使用普通2芯线电缆实现长距离、无极性连接的单片机分布式网络通信，由此实现了长距离进行通信传输，可以任意树状连接，网络拓扑不需要依靠有源节点扩展，并且每一个传输单元不需要电缆阻抗匹配，不需要对准极性连接，能够抗共模干扰无中继长距离驱动。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明树状远程通信总线系统原理框图；
图2为本发明中通信呼叫接收驱动电路原理图；
图3为本发明中信号接收回答电路原理图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明的树状远程通信总线系统作进一步详细说明。
[0013]如图所示，本发明的树状远程通信总线系统，包括位于地面的井上通信系统和位于地下的井下通信系统，井上通信系统包括通过信号变换电路与上位计算机连接的井上单片机，井上单片机能够通过信号变换电路与上位计算机连接之间互相进行传输，井上单片机通过井上通信芯片连接一个通信呼叫接收驱动电路，所述井下通信系统包括信号接收电路和信号回答电路，信号接收电路与一个信号极性检测电路和一个极性控制电路连接，信号极性检测电路与极性控制电路之间进行信息传输，信号接收电路还通过井下通信芯片与一个井下单片机连接，信号接收电路能够通过井下通信芯片与井下单片机之间互相进行信息传输，井下单片机与一个数据采集变换电路连接并能够通过数据采集变换电路采集井下数据信息，井下通信芯片与信号回答电路连接并能够向信号回答电路传输信息，信号接收电路与井下通信芯片之间连接相位检测控制电路，相位检测控制电路通过通信时钟连接井下通信芯片，通信呼叫接收驱动电路与信号接收电路和信号回答电路连接并能够进行信息传输；井下单片还连接控制输出电路和显示电路；其中，信号变换电路、井上单片机以及井上通信芯片由直流电源供电；井上单片机连接有状态指示单元，通信呼叫接收驱动电路连接有井上本安电源，信号回答电路连接井下本安电源。
[0014]需要说明的是，本发明中所说的通信呼叫接收驱动电路包括两只互为反向电压的比较器IC9A和比较器IC9B以及连接井上通信芯片串行数据发送端的端口 C和连接井上通信芯片串行数据接收端的端口 SI，所述端口 C的通信线路上连接光电耦合器1G3，所述端口 SI的通信线路上连接光电耦合器1G2，所述比较器IC9A的I脚同时连接晶体管1BG4和晶体管1BG5的两个一号管脚，比较器IC9B的7脚同时连接晶体管1BG6和晶体管1BG7的两个一号管脚，所述晶体管1BG5和晶体管1BG7的两个二号管脚通过一号支路连接，晶体管1BG4和晶体管1BG6的两个二号管脚通过二号支路连接，所述比较器IC9A的2脚、比较器IC9B的5脚之间通过电阻1R24连接在一号支路上，比较器IC9A的2脚、比较器IC9B的5脚之间还通过电阻1R23连接在二号支路上，所述比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间通过电阻1R26连接在一号支路上，所述比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间通过电阻1R25连接在二号支路上，所述光电耦合器1G3的受光端一端连接在比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间，另外一端连接在一号支路上，所述晶体管1BG6和晶体管1BG7的三号管脚共同连接通信接口 CRl的I脚，所述光电耦合器1G2的一端通过电阻1R21连接在晶体管1BG4和晶体管1BG5的三号管脚之间，光电耦合器1G2的另外一端通过三号支路连接CRl的2脚，所述三号支路上并联有电阻1R22UD2以及相互串联的IDl和1D5，所述三号支路还连接晶体管1BG4、晶体管1BG5的三号管脚，晶体管1BG6、晶体管1BG7的三号管脚通过1DLY2连接三号支路。
[0015]通过附图可见，本发明中，下行信号采用高压桥路隔离驱动、正负差分30V不归零码，信号摆动峰值高达60Vpp，上行信号采用无源阻抗探测(通/断状态码元)，网络通信模式主从应答方式即:有源正负差分30V下行呼叫，无源群路阻抗状态上行回答。
[0016]下行信号能源取自仪表用30V DC/DC隔离变换电源，具有200mA的驱动能力(井下防爆本质安全参数限制，地面可以做到600mA)，此悬浮电源供给双桥路长线驱动器，可以实现驱动20公里内64台分站的无中继网络，接口芯片与桥路驱动器用高速光电耦合器隔离，将信号线路与计算机主板完全绝缘隔离使之具有1500V以上的共模抑制能力。
[0017]上行信号是整个网络群组，每个终端均无需辅助电源设备，回答信号以阻抗导通、截止特征向中心站传导，每个终端等效并联在一起的若干个光电耦合器，在回答期间发码休止，总线处于空号直流电位状态，此电位为每一个终端提供探测电源，任意终端受到光电激励都会在总线中产生电流，总站检测此电流的有无状态既还原了终端的回答信息，在总线中每个时间片只允许单一终端使用，表达时序由中心站统一指挥。由于采用了无源光电隔离，使终端设备与通信总线实现了电器完全隔离并具有耐受1500V以上的共模抑制能力。
[0018]本发明的总线系统不仅可以随意树状扩展，也没有对电缆阻抗匹配的严苛要求，仅仅在接口电流环分离接收处有一个漏电流平衡电阻，用以抵消井下潮湿环境下长距离电缆的漏电流干扰，此电阻50欧与电缆阻抗相当，无需再调整。
[0019]驱动桥路采用类似BTL功放驱动，采用运算放大器激励二只互补晶体管，使之具有瞬间30V/0.5A的驱动能力，驱动桥路前端采用自行设计的光电耦合器倒相电路，用以做5V电源与30V悬浮电源隔离之用，具有高速摆动特性，能有效减少交越失真和开关切换损耗；设置的控制电路，能自动监测信号总线的接入极性，通过光电隔离开关自动切换信号总线的接入极性并自动记忆，在基带双向总线上实现了二线制无极性连接，即使在运行期间总线发生了极性反转，全系统都会自动跟随改变，克服了用电缆芯线颜色来区分接线极性的麻烦，使用者如同照明线接电灯一样简捷，当仪器掉电自动对极电路失效后，仪器内的电子开关自动切断与总线的电气连接，不会对总线阻抗产生任何影响。
[0020]由于系统中终端通信线路的二根导线随意连接后都会有50%的错误概率出现，本技术根据信息流中通信协议呼叫码的特征自动判断并调整自身接入极性，同步通信的每一场间隔期间会插入一个固定的回答周期，此刻恰好是发送器空号状态，发送电平呈现静止的高电平状态一个数据场的时长，使用图示的硬件时序电路即能检测出回答场信号，如果总线反向错接则信号相位发生反转，回答场电平变成低电平，检测电路据此可以准确判断线路的接入极性，使整个网络统一到相同的极性上；如图所示，信号输入端使用正反二输入方向的一对光电I禹合器，总线信息输入必须经由其中一只进入，二只光电I禹合器只能有一只被接入另一只被电子开关锁死，二光电的接入权由记忆单元锁定，改变光电耦合器的接入状态就改变了输入信号极性，监视信号输入口的码元，当检测不到回答场周期电平并持续若干个周期后便自动发出极性调整命令，触发记忆单元取反翻转，使输入极性跟随扭转，直到能够正确接收到回答场信号为止，否则继续取反控制。当正确收到回答场电平后，检测电路不再输出触发脉冲，记忆单元便会记忆本次状态，如果仪器不掉电将一直保持极性记忆。
[0021]其工作原理如下:
图2中C端接通信芯片(Z85C30，以下称通信芯片)的串行数据发送端，SI端接通信芯片的串行数据接收端，采用SDLC主从呼叫/应答方式通信。
[0022]1、呼叫:
呼叫信号由通信芯片的串行数据输出端输出即图中C端，进入光电耦合器1G3，跳动的TTL脉冲信号使G3受光端跟随信号发生导通截至变化，它跨接在桥路电阻1R26上，变化的1G3会使桥路电压跟随驱动信号上下摆动，接成比较器的IC9的A、B 二组运放，2、5脚连接在一个0.57V的基准电压上，该电压是由1R23，1R24组成的分压器产生的。二组运放输出互为反向的电压，经过大功率互补射极输出器放大，将TTL电平转换成了+、一跳动的30V强力脉冲信号。
[0023]当C端为低电平时光耦1G3受光端导通，1R26短路，运放3、6脚电平低于2、5脚，7脚为高电平，I脚为低电平，1BG7UBG4截止，1BG5UBG6导通，CRl的I脚为30V, 2脚为OV。
[0024]当C端为高电平时光耦1G3受光端截止，1R26非短路，运放3、6脚电平高于2、5脚，7脚为低电平，I脚为高电平，1BG7UBG4导通，1BG5UBG6截止，CRl的I脚为0V, 2脚为30V。
[0025]CRl连接于传输线上，此基带信号有极强的驱动能量，峰峰电压为60V，短路电流可达200mA，因此它有良好的抗干扰性能和极强的通信能力。
[0026]通信芯片电路通过光电耦合器与驱动电路隔离，30V电源与5V通信新芯片供电电源各自也是隔离的，当外线路出现异常电压后，可保障仪器内部电路安全。
[0027]2、接收:
接收终端回答信号时，终端以阻抗导通、截止特征向上传导，每个终端等效并联在一起的若干个光电耦合器，在回答期间发码休止，总线处于空号直流电位状态，此电位为每一个终端提供探测电源，任意终端受到光电激励都会在总线中产生电流，通过检测此电流的有无状态还原终端的回答信息，在总线中每个时间片只允许单一终端使用，时序由主站统一指?车。
[0028]接收信息期间，CRl的I脚为0V，2脚接近30V。当终端回答信息为截止时，总线环路无电流，1R22两端电压为0，1G2发光端不发光，受光端截止SI为高电平。当终端回答信息为导通时，总线环路有电流，1R22两端电压高于1.4V，1G2发光端发光，受光端导通，SI为低电平。这样还原出终端回答信息。
[0029]1、信号接收
(I)当CRl的I脚为信号+，2脚为信号-时，经信号极性检测电路使HX端输出高电平，⑶104导通。
[0030]此时，当CRl的I脚为30V，2脚为OV时，信号电流经R101, R110,⑶104，D107,86103，1?109，0)102，0106，1?102流到 CRl 的 2 脚，且⑶ 102，BG102 导通，RXD 端输出低电平并送往通信芯片的信号接收端。当CRl的I脚为0V，2脚为30V时，由于⑶103截止，使⑶102截止，BG102也截止，RXD端输出高电平并送往通信芯片的信号接收端。
[0031](2)当CRl的2脚为信号+，I脚为信号_时，经信号极性检测电路使HX端输出低电平，⑶103导通。
[0032]此时，当CRl的2脚为30V, I脚为OV时，信号电流经R102, R111,⑶103，D108,86103，1?109，0)102，0106，1?102流到 CRl 的 I 脚，且⑶ 102，BG102 导通，RXD 端输出低电平并送往通信芯片的信号接收端。当CRl的I脚为30V，2脚为OV时，由于⑶104截止，使⑶102截止，BG102也截止，RXD端输出高电平并送往通信芯片的信号接收端。
[0033]经过上述过程，实现分站对主站呼叫信号的接收。
[0034]1、回答信号
在分站正确接收到被呼叫的信号后，进入回答周期，在回答期间，TffiZ端被CPU置为高电平(非回答期间为低电平)，TXD端接通信芯片的串行数据输出端。
[0035](I)在回答期间，当CR2的I脚为30V，2脚为OV时，如果TXD端为高电平，BGlOl截止，通信线路中无电流流过，属于分站回答信号的截止状态；如果TXD端为低电平，BGlOl导通，通信线路中有电流流过，属于分站回答信号的导通状态。电流流通路径依次经CR2的I脚、RlOl、DlOl、BGlOl、D104、R102到达CR2的2脚进入通信线路。
[0036](2)在回答期间，当CR2的I脚为0V，2脚为30V时，如果TXD端为高电平，BGlOl截止，通信线路中无电流流过，属于分站回答信号的截止状态；如果TXD端为低电平，BGlOl导通，通信线路中有电流流过，属于分站回答信号的导通状态。电流流通路径依次经CR2的2脚、R102、D103、BG101、D102、R101到达CR2的I脚进入通信线路。
[0037]经过上述过程，分站将回答数据帧依次通过导通、截止的变化，实现分站数据向主站的传送即回答。
【权利要求】
1.一种树状远程通信总线系统，包括位于地面的井上通信系统和位于地下的井下通信系统，其特征在于:所述井上通信系统包括通过信号变换电路与上位计算机连接的井上单片机，所述井上单片机通过井上通信芯片连接一个通信呼叫接收驱动电路，所述上位计算机通过信号变换电路将TTL呼叫信号转换为双向不归零码，所述井下通信系统包括信号接收电路和信号回答电路，信号接收电路与一个信号极性检测电路和一个极性控制电路连接，信号极性检测电路与极性控制电路之间进行信息传输，信号接收电路还通过井下通信芯片与一个井下单片机连接，所述井下单片机与一个数据采集变换电路连接并能够通过数据采集变换电路采集井下数据信息，所述井下通信芯片与信号回答电路连接并能够向信号回答电路传输信息，所述信号接收电路与井下通信芯片之间连接相位检测控制电路，相位检测控制电路通过通信时钟连接井下通信芯片，所述通信呼叫接收驱动电路与信号接收电路和信号回答电路连接并能够进行信息传输；所述井下单片还连接控制输出电路和显示电路。
2.按照权利要求1所述的树状远程通信总线系统，其特征在于:所述信号变换电路、井上单片机以及井上通信芯片由直流电源供电。
3.按照权利要求1所述的树状远程通信总线系统，其特征在于:所述井上单片机连接有状态指示单元，通信呼叫接收驱动电路连接有井上本安电源。
4.按照权利要求1所述的树状远程通信总线系统，其特征在于:所述信号回答电路连接井下本安电源。
5.按照权利要求1所述的树状远程通信总线系统，其特征在于:所述通信呼叫接收驱动电路包括两只互为反向电压的比较器IC9A和比较器IC9B以及连接井上通信芯片串行数据发送端的端口 C和连接井上通信芯片串行数据接收端的端口 SI，所述端口 C的通信线路上连接光电耦合器1G3，所述端口 SI的通信线路上连接光电耦合器1G2，所述比较器IC9A的I脚同时连接晶体管1BG4和晶体管1BG5的两个一号管脚，所述比较器IC9B的7脚同时连接晶体管1BG6和晶体管1BG7的两个一号管脚，所述晶体管1BG5和晶体管1BG7的两个二号管脚通过一号支路连接，晶体管1BG4和晶体管1BG6的两个二号管脚通过二号支路连接，所述比较器IC9A的2脚、比较器IC9B的5脚之间通过电阻1R24连接在一号支路上，比较器IC9A的2脚、比较器IC9B的5脚之间还通过电阻1R23连接在二号支路上，所述比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间通过电阻1R26连接在一号支路上，所述比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间通过电阻1R25连接在二号支路上，所述光电耦合器1G3的受光端一端连接在比较器IC9A的3脚、比较器IC9B的6之间，另外一端连接在一号支路上，所述晶体管1BG6和晶体管1BG7的三号管脚共同连接通信接口 CRl的I脚，所述光电耦合器1G2的一端通过电阻1R21连接在晶体管1BG4和晶体管1BG5的三号管脚之间，光电耦合器1G2的另外一端通过三号支路连接CRl的2脚，所述三号支路上并联有电阻1R22UD2以及相互串联的IDl和1D5，所述三号支路还连接晶体管1BG4、晶体管1BG5的三号管脚，晶体管1BG6、晶体管1BG7的三号管脚通过1DLY2连接三号支路。
【文档编号】H04L12/40GK104394054SQ201410783838
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】贾柏青 申请人:镇江中煤电子有限公司