一种单线防冲突竞争式总线网络的制作方法

本实用新型涉及数据通信技术领域，特别涉及一种单线防冲突竞争式总线网络。

背景技术：

现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络，被誉为自动化领域的计算机局域网，是安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。现场总线以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。

目前存在着大约四十余种现场总线，如：FF总线、Profibus总线、Interbus总线、CAN总线、HART总线等。目前，应用较多的RS485总线、CAN总线、工业以太网都属于现场总线范畴，用户根据不同的场合和应用需求而采用不同的现场总线方式，每种总线有不同的标准特性。

RS485总线的电气特性以两线间的电压差为+(2-6)V表示逻辑“1”，以两线间的电压差为-(2-6)V表示逻辑“0”。接口信号电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS485接口组成半双工网络，一般需二根连线，为满足RS485通信需求，必须使用线径0.75或者1.0的屏蔽双绞线，否则会容易导致通信失败。大多数MCU控制的RS485网络使用总线型的拓扑结构，并采用主从式多址轮询方式实现多址接入，即所有通信节点共享一条通信线路，主节点按照地址依次轮流查询每一从节点，被查询的从节点返回相应的数据或空操作。因此，RS485的轮询周期随从节点数量增大而延长，系统反应变慢，使数据传输效率低。同时，RS485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意一些细节的处理，常出现通信失败甚至系统瘫痪等故障。

CAN总线采用双线串行通信方式，以报文的形式发送数据，每组报文的前十一位字符为标识符，是对报文优先级的定义。CAN总线以广播的方式发送数据，当一个节点获得总线使用权时，该节点变为发送报文状态，网络中其他的节点都处于接收状态，所有节点根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。由于CAN总线具有优先权和仲裁功能，因此可在不修改软硬件的情况下向CAN总线中加入新节点，便于灵活地配置、构建CAN总线网络。CAN总线采用短帧结构，每帧有8个有效字节，一般用于不需大量数据传输的控制类领域，若要进行多字节数据传输，则要对报文进行大量重组实现。

基于TCP/IP的工业以太网是一种标准开放式的网络，采用IEEE802参考模型，由其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享，但存在单点成本高、系统成本高、后期维护成本高等问题。以太网采用带有冲突检测的载波侦听多路访问协议，很难满足工业网络通信的实时性和确定性的要求。以太网采用超时重发机制，在网络负载很重或单点出现故障的情况下，可能造成整个网络系统的瘫痪。

技术实现要素：

为此，需要提供一种解决RS485的轮询周期随从节点数量增大而延长，系统反应变慢，使数据传输效率低，及自适应和自保护功能脆弱、工业以太网单点成本高、系统成本高、后期维护成本高等问题并且CAN总线数据包大小不足的单线防冲突竞争式总线网络。

为实现上述目的，发明人提供了一种单线防冲突竞争式总线网络，包括节点、总线、中继器及主机；

所述节点包括主控芯片及总线接口，所述总线接口一端与主控芯片的数据接收IO口连接；所述总线接口另一端连接于总线，所述总线接口另一端与主控芯片的数据发送IO口连接；所述总线连接于中继器的一端；所述中继器的一端通过电阻Rbus连接于24V电源，所述中继器的另一端连接于主机。

进一步优化，所述节点为多个。

进一步优化，所述总线接口包括三极管Q2、三极管Q3，所述三极管Q2为PNP型三极管，所述三极管Q2的基极通过电阻R3连接于中继器的一端及主控芯片的数据发送IO口，所述三极管Q2的发射极连接于24V电源，所述三极管Q2的集电极通过电阻R4接地，所述三极管Q3为NPN型三极管，所述三极管Q3的基极通过电阻R5连接于三极管Q2的集电极，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3通过电阻R6连接于3.3V电源及通过电阻R7连接于主控制芯片的数据接收IO口。

进一步优化，所述主控芯片的数据发送接IO接口通过电阻R1连接于三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极连接于中继器的一端。

区别于现有技术，上述技术方案利用节点的主控芯片及简单的硬件结构实现低成本单总线双向通信，其结构简单，成本低廉。可灵活配置节点的优先级，利用分布式仲裁进行冲突检测，保证同一时刻内只用一个节点在进行数据发送，保证数据通信的可靠性；并采用串行通信方式，单次最多可传送256字节数据，解决CAN总线数据包大小不足的问题。

附图说明

图1为具体实施方式所述一种单线防冲突竞争式总线网络的一种结构示意图；

图2为具体实施方式所述总线接口的一种结构示意图，

图3为具体实施方式所述总线时序图的一种结构示意图。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1及图2，本实施例一种单线防冲突竞争式总线网络，包括节点、总线、中继器及主机；

所述节点包括主控芯片及总线接口，所述总线接口一端与主控芯片的数据接收IO口连接；所述总线接口另一端连接于总线，所述总线接口另一端与主控芯片的数据发送IO口连接；所述总线连接于中继器的一端；所述中继器的一端通过电阻Rbus连接于24V电源，所述中继器的另一端连接于主机。其中，该总线一般用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。则，节点可以为一个或者多个。主机的控制芯片通过Bus_RX、Bus_TX引脚分别与中继器相应引脚相连，经中继器的1_Wire_Bus与节点1～n的1_Wire_Bus引脚相连，实现主从机的网络连接，从而实现一对一、一对多通信。其中主机的控制芯片也可以通过总线接口与节点的总线接口相连，主机的总线接口与节点的总线接口的结构及连接方式相同。为保证数据传输的可靠性和稳定性，在主机与从机节点之间通过中继器来代替总线接口的功能，可通过调节上拉电子Rbus的阻值进行调节总线的负载能力。在从机节点与主机在100米线距范围内，总线负载32个以内节点传输效果最佳。若要进一步增加传输距离或增加从机节点，则应根据需求及实际现场情况中继器。其中主控芯片可以采用STM32系列的单片机。

在总线网络中，所有的节点通过一条总线经1_Wire_Bus并联至中继器中，中继器经上拉电阻Rbus连接于24V电源，上拉电阻Rbus可安装在中继器上，通过调节电阻Rbus的阻值，动态调节总线的负载能力；当总线空闲时，节点的主控芯片的数据接收IO口Bus_RX处于接收监听状态；一旦中继器或者某个节点发出数据时，节点的主控芯片的数据发送IO口Bus_TX输出数据将总线电位拉低，总线的电位状态随主控芯片的数据发送IO口Bus_TX发送数据的变化而变化，当总线的电位被拉低时，则总线接口处于导通状态，从而其他节点的主控芯片的数据接收IO口Bus_RX将收到总线发来的数据，并逐位传输至其主控芯片进行接收缓冲存储，接收到的数据结合预先拟定的通讯协议进行数据解析，实现单总线的数据通信功能。

通过利用节点的主控芯片及简单的硬件结构实现低成本单总线双向通信，其结构简单，成本低廉。可灵活配置节点的优先级，利用分布式仲裁进行冲突检测，保证同一时刻内只用一个节点在进行数据发送，保证数据通信的可靠性，解决由于总线问题而造成网络瘫痪的问题；并采用串行通信方式，单次最多可传送256字节数据，解决CAN总线数据包大小不足的问题。

具体的，所述总线接口包括三极管Q2、三极管Q3，所述三极管Q2为PNP型三极管，所述三极管Q2的基极通过电阻R3连接于中继器的一端及主控芯片的数据发送IO口，所述三极管Q2的发射极连接于24V电源，所述三极管Q2的集电极通过电阻R4接地，所述三极管Q3为NPN型三极管，所述三极管Q3的基极通过电阻R5连接于三极管Q2的集电极，所述三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q3通过电阻R6连接于3.3V电源及通过电阻R7连接于主控制芯片的数据接收IO口。所述主控芯片的数据发送接IO接口通过电阻R1连接于三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极连接于中继器的一端。

当总线处于空闲状态时，总线处于高电位，所有节点处于接收监听状态；当某个节点准备发送数据前，先对总线的状态进行检测，该节点的主控芯片的数据发送IO口BUS_TX输出数据经电阻R1及电阻R2控制三极管Q1将总线电位拉低，总线的电位状态随主控芯片的数据发送IO口Bus_TX发送数据的变化而变化，当总线的电位被拉低时，三极管Q2及三极管Q3处于导通状态，从而其他节点的主控芯片的数据接收IO口Bus_RX将收到总线发来的数据，并逐位传输至主控芯片进行接收缓冲存储，接收到的数据结合预先拟定的通讯协议进行数据解析，从而实现单总线的数据通信功能。

参阅图3，总线时序图，表明了一次完整的数据传输时序。完整的数据信息由起始符、数据信息头、数据信息、结束符等4部分组成。首先，当总线处于空闲状态时，总线处于常态，即高电位状态。随后，发送节点发出一个字节的起始符，用以表明数据信息传输开始。接着，发送节点将7字节数据信息头传至总线，数据信息头包含5字节的目的节点地址和2字节的数据长度信息，其中2字节的数据长度信息表明了后续数据域的信息长度。接着根据数据信息的不同，开始传送N字节的数据信息，该数据信息包含CRC数据校验。最后，待数据传输结束，将总线电平拉高，完成本次总线数据传输的全过程。由于总线使用串行通信方式进行传输，预先对总线的数字逻辑进行了约定，总线以1位低电位与1位高电位组合表示逻辑“1”，以2位低电位与1位高电位组合表示逻辑“0”。

另一个实施例中，一种单线防冲突竞争式总线通信方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1.当总线处于空闲状态时，总线处于高电位，所有节点处于接收监听状态；

步骤2.当某个节点准备发送数据前，先对总线的状态进行检测，以确定总线是否处于空闲状态，若总线忙，则需等待直至总线空闲；

步骤3.发送节点将带有目的地址的数据包送入总线，此时总线上可能有多个节点参与总线竞争；由于总线采用串行通信方式，所有参与本次竞争的节点通过发送端，经NPN电路将目的地址逐位送入总线；竞争时，从目的地址的最高位至最低位逐位竞争，只有上一位竞争得胜者才能继续下一位目的地址的传送；

步骤4.竞争不到的发送节点自动撤除其目的地址，最后竞争得胜的节点获得总线使用权，随即启动数据发送，其余节点处于数据监听接收状态；数据传输过程中，总线的电位将随发送引脚变化而变化，目的节点的接收引脚将收到的数据进行接收并存储；为保证数据传输的正确性和完整性，总线采用CRC校验。

通过可方法可实现一对一或者一对多的通信，各个主控芯片之间确定相互竞争的通信协议，明确所指定的目标地址、起始标志位、结束标志位就能实现准确可靠的远程通信。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本实用新型的专利保护范围。因此，基于本实用新型的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型专利的保护范围之内。