一种通信总线阻抗自动匹配装置及方法与流程

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种通信总线阻抗自动匹配装置及方法。

背景技术：

船舶在复杂的海洋环境中经常会受到风浪等环境力的作用，因此船体会受到比设计载荷更大的载荷，从而造成船体结构的疲劳损伤和严重过载。因此需要安装船体结构长期监测系统，实现对船体结构强度的实施评估，保证船舶的安全航行。

在实际使用时，由于各船厂电气布线设计、施工设计、线缆选型等差异，船体结构长期监测系统所采用的通信总线经常会出现通信总线阻抗不匹配导致通讯异常、通讯失败等问题，严重干扰了船体结构长期监测系统的正常工作。因此在设备安装完成后需要根据现场环境对通信总线的终端电阻进行调整，使得通信总线阻抗匹配。

通常在对通信总线进行阻抗匹配时，技术人员根据经验在通信总线两端加入终端电阻后进行通讯测试，通讯失败则更换其他阻值的电阻再进行测试，但是由于电阻的选择是根据经验确定的，存在随机性和盲目性，因此匹配效率较低。

技术实现要素：

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种通信总线阻抗自动匹配装置。

本发明的技术方案如下：

第一方面，一种通信总线阻抗自动匹配装置，所述装置包括：主设备和从设备，所述主设备与所述从设备的结构相同，所述主设备和所述从设备用于分别连接在所述通信总线的两端；所述主设备包括控制芯片、通信芯片、数字电位器、显示屏和接线端子；所述控制芯片内集成有通信控制器；

所述控制芯片的第一引脚与所述通信芯片的控制引脚相连；所述控制芯片的第二引脚与所述数字电位器的输入引脚相连；所述控制芯片的第三引脚与所述显示屏的数据引脚相连；

所述通信芯片的总线引脚与所述接线端子相连；

所述数字电位器的输出引脚与所述接线端子相连。

其进一步的技术方案为：所述主设备还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、电容和电感；

所述第一电阻串联在所述控制芯片与所述通信芯片之间；

所述第二电阻串联在所述控制芯片与所述数字电位器之间；

所述第三电阻串联在所述通信芯片与所述接线端子之间；

所述电容的一端与所述接线端子相连，另一端接地；

所述电感串联在所述第三电阻和所述接线端子之间。

第二方面，一种通信总线阻抗自动匹配方法，应用于如第一方面所述的通信总线阻抗自动匹配装置中，所述方法包括：

将所述主设备和所述从设备分别连接在所述通信总线的两端；

初始化所述主设备和所述从设备；

通过所述主设备发送预设报文；

判断所述从设备是否收到所述预设报文；

当所述从设备没有收到所述预设报文时，判断是否达到主机等待时间；当没有达到所述主机等待时间时，循环改变所述从设备中的数字电位器的阻值，继续执行所述通过所述主设备发送预设报文的步骤；当达到所述主机等待时间时，循环改变所述主设备中的数字电位器的阻值，将所述从设备中的数字电位器的阻值初始化，继续执行所述通过所述主设备发送预设报文的步骤；

当所述从设备收到所述预设报文时，通过所述从设备发送响应报文，判断所述主设备是否接收到所述响应报文；

当所述主设备没有接收到所述响应报文时，判断是否达到所述主机等待时间；当没有达到所述主机等待时间时，循环改变所述从设备中的数字电位器的阻值，继续执行所述通过所述主设备发送预设报文的步骤；当达到所述主机等待时间时，循环改变所述主设备中的数字电位器的阻值，将所述从设备中的数字电位器的阻值初始化，继续执行所述通过所述主设备发送预设报文的步骤；

当所述主设备接收到所述响应报文时，通过所述主设备中的显示屏显示所述主设备中的数字电位器的当前阻值，通过所述从设备中的显示屏显示所述从设备中的数字电位器的当前阻值。

其进一步的技术方案为：所述循环改变所述从设备中的数字电位器的阻值，包括：

将所述从设备中的数字电位器的阻值按照预定步长增加，直到增加到最大值；

所述循环改变所述主设备中的数字电位器的阻值，包括：

将所述主设备中的数字电位器的阻值按照所述预定步长增加，直到增加到最大值。

其进一步的技术方案为：所述主机等待时间大于或等于所述从设备中的数字电位器从初始值变化到最大值所需的变化时间，所述变化时间等于所述数字电位器改变一次的时间乘以所述数字电位器的变化次数，所述变化次数等于所述数字电位器的最大值除以所述预定步长。

其进一步的技术方案为：所述从设备中的数字电位器改变一次的时间大于所述主设备从发送所述预设报文至接收所述响应报文所需的时间。

其进一步的技术方案为：所述初始化所述主设备和所述从设备之前，还包括：

同步所述主设备和所述从设备；

判断所述主设备和所述从设备是否同步成功；当同步成功时，继续执行所述初始化所述主设备和所述从设备的步骤；当同步失败时，继续执行所述同步所述主设备和所述从设备的步骤。

本发明的有益技术效果是：

本发明通过结构相同的主设备和从设备分别连接在通信总线的两端，由于主设备或从设备中的控制芯片上集成有通信控制器，因此通信控制器结合通信芯片可以实现数据报文的收发，通过主设备发送预设报文，当从设备没有收到预设报文时，根据主机等待时间确定调整从设备的数字电位器的阻值还是调整主设备的数字电位器的阻值，从设备在接收到预设报文后，向主设备发送响应报文，当主设备没有收到响应报文时，根据主机等待时间确定调整从设备的数字电位器的阻值还是调整主设备的数字电位器的阻值。当主设备发送预设报文，并成功收到从设备返回的响应报文时，则将当前主设备数字电位器的阻值和从设备中数字电位器的阻值确定为该通信总线匹配的阻值，将当前阻值输出显示在显示屏上，使得技术人员可以利用普通的固定阻值电阻替换该装置，从而避免了根据经验选择电阻，导致匹配效率低的问题，达到了提高通信总线阻抗匹配效率的效果。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种通信总线阻抗自动匹配装置的结构方框图。

图2是本发明另一个实施例提供的一种通信总线阻抗自动匹配装置的结构方框图。

图3是本发明一个实施例提供的一种通信总线阻抗自动匹配方法的方法流程图。

图4是本发明一个实施例提供的一种通信总线阻抗自动匹配方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明一个实施例提供的一种通信总线阻抗自动匹配装置，如图1所示，该装置包括主设备100和从设备200，并且主设备100和从设备200的结构相同，主设备100和从设备200用于分别连接在通信总线300的两端。

主设备100包括控制芯片110、通信芯片120、数字电位器130、显示屏140和接线端子150。其中，控制芯片110内集成有通信控制器10，通信控制器10结合通信芯片120可以实现数据报文的收发。

控制芯片110的第一引脚与通信芯片120的控制引脚相连，控制芯片110的第二引脚与数字电位器130的输入引脚相连，控制芯片110的第三引脚与显示屏140的数据引脚相连。通信芯片120的总线引脚与接线端子150相连。数字电位器130的输出引脚与接线端子150相连。

其中，控制芯片110的第一引脚、第二引脚和第三引脚均为控制芯片110上的输入/输出(I/O)引脚。通过配置控制芯片110的引脚功能可以实现与通信芯片120、数字电位器130和显示屏140的连接。

控制芯片110通过数据写入，可以改写数字电位器130的电阻值。显示屏140可以实时显示当前的数字电位器130的电阻值，即当前主设备100的接入电阻值。

可选的，控制芯片110可以是微控制单元(英文：Microcontroller Unit，简称：MCU)。

可选的，通信总线300可以是控制器局域网络(英文：Controller Area Network，简称：CAN)总线，可以是RS-485串行总线，也可以是过程现场总线(英文：Profibus)，还可以是Modbus。通信总线300通常是两条信号线，两条信号线通过电平差来表示0或1，从而实现数据报文的传输。

需要说明的是，通信芯片120需要根据通信总线300的类型选择对应的芯片类型，比如：通信总线300为CAN总线，通信芯片120为CAN芯片(通信芯片120的总线引脚包括CAN-H和CAN-L两个引脚)。又比如：通信总线300为RS-485总线，通信芯片120为RS-485芯片。

可选的，控制芯片110可以选择STM32F103RBT6，当通信芯片120位CAN芯片时，可以将芯片STM32F103RBT6的第一引脚(比如：PA11和PA12引脚)配置成CAN-H和CAN-L，即可完成控制芯片110和通信芯片120的连接。

数字电位器130内部集成了一个最大值固定的可调电阻，控制芯片110通过第二引脚发出指令改写数字电位器130的电阻值。可选的，数字电位器130的最大值为1kΩ。

数字电位器130的输出引脚并联在通信总线300的两根信号线上，实现对接入到通信总线的终端电阻的改写。

可选的，显示屏140可以是液晶显示器(英文：Liquid Crystal Display，简称：LCD)。

对应的，从设备200包括控制芯片210、通信芯片220、数字电位器230、显示屏240和接线端子250。其中，控制芯片210内集成有通信控制器20，通信控制器20结合通信芯片220可以实现数据报文的收发。

控制芯片210的第一引脚与通信芯片220的控制引脚相连，控制芯片210的第二引脚与数字电位器230的输入引脚相连，控制芯片210的第三引脚与显示屏240的数据引脚相连。通信芯片220的总线引脚与接线端子250相连。数字电位器230的输出引脚与接线端子250相连。

其中，接线端子150和接线端子250用于与通信总线300相连。

可选的，主设备100或从设备200中还包括用于保护芯片或电路的其他器件，结合参考图2，主设备100还包括第一电阻111、第二电阻112、第三电阻113、电容114和电感115。

第一电阻111串联在控制芯片110与通信芯片120之间，第二电阻112串联在控制芯片110与数字电位器130之间，第三电阻113串联在通信芯片120与接线端子150之间，电容114的一端与接线端子150相连，电容114的另一端接地，电感115串联在第三电阻113与接线端子150之间。

第一电阻111、第二电阻112和第三电阻113的作用是限流，以起到保护芯片的作用。电容114和电感115的作用是抑制干扰，提高通信质量。

需要说明的是，当主设备100中的各个模块之间通过不止一条线路相连时，每条线路上都需要连接相应的保护器件。如图2所示，示例性的，主设备100中的第一电阻111包括两个电阻值为1kΩ的电阻，第二电阻112包括两个电阻值为100Ω的电阻，第三电阻113包括两个4.7kΩ的电阻，电容114包括两个电容值为22pF的电容，电感115包括两个220/100MHz的电感。

对应的，从设备200还包括第一电阻211、第二电阻212、第三电阻213、电容214和电感215。

第一电阻211串联在控制芯片210与通信芯片220之间，第二电阻212串联在控制芯片210与数字电位器230之间，第三电阻213串联在通信芯片220与接线端子250之间，电容214的一端与接线端子250相连，电容214的另一端接地，电感215串联在第三电阻213与接线端子250之间。

第一电阻211、第二电阻212和第三电阻213的作用是限流，以起到保护芯片的作用。电容214和电感215的作用是抑制干扰，提高通信质量。

需要说明的是，当从设备200中的各个模块之间通过不止一条线路相连时，每条线路上都需要连接相应的保护器件。如图2所示，示例性的，从设备200中的第一电阻211包括两个电阻值为1kΩ的电阻，第二电阻212包括两个电阻值为100Ω的电阻，第三电阻213包括两个4.7kΩ的电阻，电容214包括两个电容值为22pF的电容，电感215包括两个220/100MHz的电感。

图3是本发明一个实施例提供的通信总线阻抗自动匹配方法，该方法应用于如图1或图2所示的通信总线阻抗自动匹配装置中，该方法包括：

步骤401，将主设备和从设备分别连接在通信总线的两端。

主设备和从设备分别通过接线端子与通信总线相连之后，主设备中数字电位器的电阻输出端并联在通信总线的两根信号线上，从设备中数字电位器的电阻输出端并联在通信总线的两根信号线上。

步骤402，初始化主设备和从设备。

初始化主设备和从设备包括对主设备和从设备设置相同的波特率，并且将主设备和从设备中数字电位器的电阻值设置为初始值(最小值)。

可选的，在初始化主设备和从设备之前，还包括以下步骤：

第一步，同步主设备和从设备。

同步主设备和从设备是一个手动同步的过程，比如：两个技术人员分别控制主设备和从设备，通过对讲设备约定同时开始。

第二步，判断主设备和从设备是否同步成功，当同步成功时，继续执行步骤402，当同步失败时，继续执行同步主设备和从设备的步骤。

步骤403，通过主设备发送预设报文。

预设报文是预设的、具有固定格式和内容的数据报文。

步骤404，判断从设备是否收到预设报文。

步骤405，当从设备没有收到预设报文时，判断是否达到主机等待时间。

主机等待时间是预设的时长，在实际应用中，主机等待时间需要大于从设备中数字电位器从小到大的变化过程所需的时间。

步骤406，当没有达到主机等待时间时，循环改变从设备中的数字电位器的阻值，继续执行步骤403。

可选的，循环改变从设备中的数字电位器的阻值，包括：将从设备中的数字电位器的阻值按照预定步长增加，直到增加到最大值。

在实际应用中，预定步长可以设置为4Ω，也就是说，从设备中的数字电位器每次调节均在当前电阻值的基础上增加4Ω，直到增加到最大值1kΩ。

可选的，主机等待时间大于或等于从设备中的数字电位器从初始值变化到最大值所需的变化时间，变化时间等于数字电位器改变一次的时间乘以数字电位器的变化次数，变化次数等于数字电位器的最大值除以预定步长。比如：数字电位器的最大值为1kΩ，预定步长为4Ω，则变化次数为250次，假设从设备中数字电位器每隔时间t调整一次，则主机等待时间大于或等于250t。

从设备中数字电位器改变一次的时间是预设的，并且从设备中数字电位器改变一次的时间大于主设备从发送预设报文到接收响应报文所需的时间。

步骤407，当达到主机等待时间时，循环改变主设备中的数字电位器的阻值，将从设备中的数字电位器的阻值初始化，继续执行步骤403。

由于主机等待时间大于或等于从设备中的数字电位器从初始值变化到最大值所需的变化时间，因此当主机等待时间达到时，从设备中数字电位器的电阻值已经变化到最大值，因此在对主设备中的数字电位器的阻值调节时，将从设备中数字电位器的阻值重置为最小值，然后继续按照预定步长增加。通过这种设置，可以使得主设备中数字电位器与从设备中数字电位器的阻值能够实现各种可能的组合，从而避免遗漏某种情况。

需要说明的是，主机等待时间达到之后，调节主设备中数字电位器的阻值的同时，不仅对从设备中数字电位器的阻值进行初始化，而且主机等待时间也同时重置，重新开始计时。

可选的，循环改变主设备中的数字电位器的阻值，包括：将主设备中的数字电位器的阻值按照预定步长增加，直到增加到最大值。

在实际应用中，预定步长可以设置为4Ω，也就是说，主设备中的数字电位器每次调节均在当前电阻值的基础上增加4Ω，直到增加到最大值1kΩ。

由于主设备是在主机等待时间达到时进行调节，因此主设备中的数字电位器调节一次的时间足够从设备中数字电位器完成一次全值变化(从初始值到最大值)。

主设备中的数字电位器每调节一次，主机等待时间重置一次。

步骤408，当从设备收到预设报文时，通过从设备发送响应报文。

从设备在接收到完整的预设报文后，向主设备发送响应报文。

可选的，为了提高阻抗匹配的准确度，可以将预设报文和响应报文的数据设置为二进制格式，二进制格式的报文通过的难度最大，通常在阻抗匹配的情况下实现成功通讯。

步骤409，判断主设备是否接收到响应报文。

通过比较主设备接收到的响应报文与发送的预设报文是否完全一致，可以判断出主设备是否接收到响应报文。

步骤410，当主设备没有接收到响应报文时，判断是否达到主机等待时间。

步骤411，当没有达到主机等待时间时，循环改变从设备中的数字电位器的阻值，继续执行步骤403。

可选的，循环改变从设备中的数字电位器的阻值，包括：将从设备中的数字电位器的阻值按照预定步长增加，直到增加到最大值。

步骤412，当达到主机等待时间时，循环改变主设备中的数字电位器的阻值，将从设备中的数字电位器的阻值初始化，继续执行步骤403。

可选的，循环改变主设备中的数字电位器的阻值，包括：将主设备中的数字电位器的阻值按照预定步长增加，直到增加到最大值。

需要说明的是，主机等待时间达到之后，调节主设备中数字电位器的阻值的同时，不仅对从设备中数字电位器的阻值进行初始化，而且主机等待时间也同时重置，重新开始计时。

步骤413，当主设备接收到响应报文时，通过主设备中的显示屏显示主设备中的数字电位器的当前阻值，通过从设备中的显示屏显示从设备中的数字电位器的当前阻值。

当主设备接收到的响应报文与发送的预设报文完全一致时，表明主设备接收到响应报文。

需要说明的是，当主设备接收到响应报文时，主设备中控制芯片控制数字电位器停止改变电阻值，从设备中控制芯片控制数字电位器停止改变电阻值。

可选的，从设备中的数字电位器改变一次的时间大于等于主设备从发送预设报文至接收响应报文所需的时间。

当主设备接收到响应报文时，表明通信总线阻抗匹配成功，从显示屏上可以看到主设备的数字电位器的当前阻值和从设备的数字电位器的当前阻值，技术人员可以按照显示屏显示的阻值选择普通的固定阻值的电阻替换本实施例中的通信总线阻抗匹配装置。

可选的，本实施例中提供的通信总线阻抗自动匹配方法还可以表示为图4所示的流程图。

通过本实施例中的通信总线阻抗自动匹配装置及方法可以改变并联在通信总线终端的数字电位器的阻值以得到最佳的通讯效果，快速确定通信总线所需要的匹配电阻值，提高通讯的可靠性和调试的效率，由于保证了通信总线的正常工作，因此还能提高船体结构长期监测系统的调试质量，提高船体结构长期监测系统的可靠性。

另外，本发明实施例提供的通信总线阻抗自动匹配装置的适用范围广，可以用于远距离总线传输、节点较多、阻抗不匹配导致的通讯不稳定的场景。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。