本实用新型涉及通信和电力技术领域，尤其一种具有自动组网功能的电流环总线系统，以及支持自动组网的从机装置。
背景技术：
电流环通讯总线是一种适用于短距离，高密度连接的现场总线，广泛适用于蓄电池监控系统、智能变配电管理系统等领域。电流环总线系统工作于主从模式，总线上只能有一个主站，并且有多台从机通过总线与主站连接，主站通过轮询从机的方式与从机通讯，并通过电流对光耦的驱动实现信号发送和接收。因此，在电流环总线系统进行组网时，往往需要先对从机进行地址配置，然后将从机的地址设置情况在主站中配置地址映射关系，这样才能将主站读取到的数据与从机对应起来。
现有的电流环总线系统在进行组网时，需要工程人员将从机的地址先一个一个对照安装位置抄写下来，然后再将从机地址一个一个输入至主站，在主站里建立地址映射表才能实现总线通讯。当从机数量较多时，人工组网配置的工作量非常巨大，由于抄写和配置地址是枯燥的重复性体力劳动，很容易出现将从机地址抄写错误或配置总站时出现地址输入错误。人工组网操作效率低，容易出错，配置一个从机数量较多的总线网络，需要花费较多的时间和人工成本。
技术实现要素：
本实用新型提供一种可以自动组网的自组网式电流环总线系统，及可支持自动组网的从机装置，用于解决现有的总线系统人工组网效率低成本高及易出错的缺点。
本实用新型提供了一种自组网式电流环总线系统，所述系统包括主站、总线单元、组网信号线和至少两个从机；所述总线单元包括主站信号传输线、从机信号传输线和参考地线；所述主站包括用于控制所述主站信号传输线的传输模式的开关单元，所述开关单元与所述主站信号传输线电连接，所述主站与所述从机信号传输线和参考地线电连接；每个从机均与所述总线单元直接或间接连接；所述组网信号线将主站和从机以菊花链拓扑形式级联。
更进一步的，所述开关单元可以是二极管、三极管、场效应管、组合逻辑门电路中的一种或几种，连接在所述主站的微控制器和所述主站信号传输线之间，控制所述主站信号传输线在通讯模式和供电模式之间转换。所述主站和每个从机均设置有组网指令单元，所述组网指令单元通过所述组网信号线与下一级的从机耦接。
更进一步的，所述“至少两个从机”(即本系统中的所有从机)按照与主站的连接次序分类，应该包括一个一级从机和至少一个二级从机，其中，每个从机都包括：第一电流隔离器、第二电流隔离器、第三电流隔离器和第四电流隔离器。
第一电流隔离器，连接在从机微控制器和所述主站信号传输线之间，其中所述第一电流隔离器将从所述主站信号传输线接收主站数据，并将所述数据发送至所述从机的微控制器；
第二电流隔离器，连接在从机微控制器和所述从机信号传输线之间，其中所述第二电流隔离器将从所述从机微控制器接收到的数据发送至所述从机信号传输线；
第三电流隔离器，连接在从机组网指令单元和所述组网信号线之间，且与主站信号传输线连接，其中所述第三电流隔离器接收所述主站信号传输线的电压信号，并将从所述组网信号线接收数据，并将所述数据发送至所述从机的组网指令单元；
第四电流隔离器，连接在所述从机的组网指令单元和组网信号线之间，其中所述第四电流隔离器将所述从组网指令单元接收到数据发送至所述从机的微控制器。
其中，所述一级从机的第三电流隔离器通过所述组网信号线与所述主站连接，所述一级从机的第四电流隔离器通过所述组网信号线与一个二级从机的第三电流隔离器连接。所述二级从机的第三电流隔离器通过所述组网信号线与上一级从机的第四电流隔离器连接，所述二级从机的第四电流隔离器通过所述组网信号线与下一级从机的第三电流隔离器连接。
优选的，所述主站信号传输线、从机信号传输线和组网信号线均是信号单向传输线。
本实用新型还提供一种可支持自动组网的从机装置，包括：微控制器，用于接收和发送组网指令的组网指令单元，和与外部建立通讯连接的第一外部端口和第二外部端口；所述第一外部端口包括第一数据接收端、第一数据发送端、组网指令信号接收端和第一接地端；所述第二外部端口组网指令信号发送端。所述第一数据接收端和所述第一数据发送端分别与所述微控制器耦接；所述组网指令信号接收端与所述组网指令单元耦接；所述组网指令信号发送端与所述组网指令单元耦接。
进一步的，所述从机装置还包括：连接在所述第一数据接收端和所述微控制器之间的第一电流隔离器；连接在所述第一数据发送端和所述微控制器之间的第二电流隔离器；连接在所述组网指令信号接收端和所述组网指令单元之间的第三电流隔离器；连接在所述组网指令信号发送端和所述组网指令单元之间的第四电流隔离器。
优选的，所述第二数据接收端与所述第一数据接收端短路连接；所述第二数据发送端与所述第一数据发送端短路连接；所述第二数据接地端与所述第一数据接收端短路连接。本实用新型提供的可支持自动组网的从机装置通过第一外部端口与上一级设备连接，通过第二外部端口与下一级设备连接，即可构成自组网式电流环总线系统。
本实用新型提供的自组网式电流环总线系统，所有从机通过相应的硬件接口直接或间接得连接到总线单元，需要交互的信息数据按广播方式通信，一个结点发出的信息，总线上的主站和从机均可“收听”到；同时，又通过组网信号线将主站和从机串联成一级一级的菊花链拓扑结构，主站和从机均通过组网信号线向下一级从机发送组网指令，主站通过分析从机地址返回的顺序实现对从机的位置定位，实现对从机设备地址的自动搜索和自动生成配置映射表的功能，从而在实现自动组网功能的同时，又能保持总线通讯的结构简单、布线容易、可靠性较高，易于扩充的优点。
【附图说明】
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本实用新型一实施例提供的总线系统结构示意图；
图2为本实用新型一实施例提供的从机装置结构示意图；
图3为本实用新型一实施例提供的总线系统电路控制原理图；
图4为本实用新型提供的总线系统自动组网方法流程图；
图5为本实用新型提供的主站执行自动组网后生成的地址映射表示例；
图6为本实用新型又一实施例提供的总线系统电路控制原理图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它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。往往是一台主站与多部从机相连，主站通过总线向各个从机发送指令信息，并且通过总线接收来各个从机的信息数据，具体的这些信息数据可以是从机采集到的电压、温度、内阻等技术参数，也可以是从机中存储的数据。
本实用新型提供了一种自组网式电流环总线系统(以下简称“总线系统”) 如图1所示，总线系统包括主站01、总线单元02、组网信号线03和至少两个从机S1、S2……Sn，(n≥2)，所述总线单元02包括：主站信号传输线21、从机信号传输线22和参考地线23。
主站01通过总线单元02与所述从机S1、S2……Sn进行通讯，并且主站内部设置有开关单元11，其分别与所述主站01的微控制器(图中未示出)、供电单元(图中未示出)和主站信号传输线21电连接，控制所述主站信号传输线 21在通讯模式和供电模式之间转换。
当所述开关单元11控制主站01的微控制器与主站信号传输线21电连接时，主站信号传输线21启动通讯模式，用于传输主站01向从机S1、S2……Sn发送的广播信号。从数据结构上来说，广播信号通常包括报文和通讯指令，所述通讯指令具体可以是主站向从机写入的数据信息、主站要求从机执行各项操作的指令数据等。
当所述开关单元11控制主站01的供电单元与主站信号传输线21电连接时，主站信号传输线21启动供电模式，持续保持为高电平，用于在自动组网过程中与组网信号线03之间形成回路，为组网指令信号的产生提供驱动电源。
所述从机S1、S2……Sn都连接在所述总线单元02上，因此所有总线上的从机都能收到主站01发送的广播信号。收到广播信号后，从机S1、S2……Sn 解析广播信号内的地址码，并与自身的地址码进行对比，如果不一致，则不做回应，继续监听总线上的报文，如果从机解析出的报文内地址码与自身的地址码一致，则执行报文内的通讯指令。
从机信号传输线22为主站01接收从机S1、S2……Sn返回信息的信号线，当被叫从机接收到广播数据包后，可通过从机信号传输线22向主站01发送回应的数据包。参考地线23为所述总线系统提供公共参考地信号。
主站01通过组网信号线03仅与从机S1单向电连接，从机S1通过组网信号线03与从机S2单向电连接，从机S2通过组网信号线03与从机S3单向电连接……每个从机一级级相连，从而组网信号线03将主站01和从机S1、S2…… Sn连接为菊花链结构，为方便描述，我们可以将通过组网信号线03与主站01 直接级联的从机S1，称为一级从机；将其余从机S2……Sn称为二级从机。
通过菊花链的拓扑结构，从机与主站间就有了物理连接上的顺序，即从机相对于主站的位置。主站01通过组网信号线03向一级从机S1发送组网指令信号，一级从机S1通过组网信号线03向与之相连的二级从机S2发送组网指令信号，二级从机S2向与与之相连的下一级从机S3发送组网指令信号……，这样组网指令信号一级接着一级传递，从机S1、S2……Sn一个接一个的将地址返回给主站，主站通过分析从机地址返回的顺序实现对从机的位置定位，完成对从机设备地址的自动搜索和自动生成配置映射表的功能，从而实现自动组网。
为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面将举例说明所述自组网式电流环总线系统的组网实现方式，为使描述方便，以下各实施例均采用以一个主站连接三个从机的情况为例，实际从机的数量可以是两个或两个以上。
图3为本实用新型一实施例提供的总线系统电路控制原理图。如图3所示，总线系统10包括主站01、总线单元02、组网信号线03和一级从机S1、二级 S2和S3，所述总线单元02包括：主站信号传输线21、从机信号传输线22和参考地线23。
主站01包括：主站微控制器(图中未示出)、隔离电源DC-DC1、光耦U1～ U3，开关单元11以及若干电阻和电容。主站微控制器中包括组网指令单元，所述组网指令单元具体可以是主站微控制器中的一段实现组网指令发送的程序代码，也可以是一个实现组网指令发送的电路单元，用于向组网信号线03发送组网指令信号。
在实际应用中，主站微控制器可以是CPU、MCU、MPU或DSP，本实施例以单片机为例，开关单元11可以是二极管、三极管、场效应管或者组合逻辑门电路中的一种或几种，本实施例以MOS管Q1为例。
MOS管Q1的源极S接电源正极VCC,漏极D与光耦U1连接主站信号传输线21，栅极G通过光耦U1连接主站微控制器的信号输出端M_TX，主站微控制器通过控制栅极G的电压从而控制Q1导通或截止：当施加在栅极G的电压大于源极S电压时，Q1截止，电源正极VCC与主站信号传输线21连接，主站信号传输线21启动供电模式；当VG-VS<0,且|VG-VS|大于Q1的开启电压时， Q1导通，主站微控制器的信号输出端M_TX通过光耦U1与主站信号传输线21 电性连接，主站信号传输线21启动通讯模式。
主站微控制器的信号输入端M_RX通过光耦U2与从机信号传输线22电性连接；主站01的组网指令单元的组网指令输出端M_Addr通过光耦U3与组网信号线03电性连接。其中，隔离电源DC-DC1为总线系统10的信号发送和接收提供驱动电源；光耦U1～U3为主站01和总线单元02及组网信号线03之间提供了安全可靠的隔离连接，使总线具有较好的抗干扰性能。MOS管Q1控制广播命令的下发以及在自动组网模式下对组网信号的发送提供驱动电源。电阻 R01、R02、R03分别与光耦U1、U2、U3电连接，为光耦驱动信号的限流电阻。电阻R11、R12、R13为信号的上拉或者下拉电阻。
由于每个从机的内部结构相同，因此仅以从机S1为例具体说明总线系统10 中支持自动组网的从机装置的结构，如图2所示，从机S1包括从机微控制器040、第一外部端口041、第二外部端口042以及若干电阻。从机微控制器中也包括组网指令单元，所述组网指令单元具体可以是从机微控制器中的一段实现组网指令发送的程序代码，也可以是一个实现组网指令发送的电路单元，用于向组网信号线发送组网指令信号。在实际应用中，从机微控制器可以是CPU、MCU、MPU 或DSP，本实施例以单片机为例。
第一外部端口041和第二外部端口042作为从机连接其他设备的外部通讯端口，其中第一外部端口041用于连接该从机的上一级设备，对于从机S1来说主站是它的上一级设备。第一外部端口041包括：第一数据接收端410，用于接收主站信号传输线21上广播的电信号；第一数据发送端411，用于向从机信号传输线22输出数据；组网指令信号接收端412，用于接收上一级设备发送来的组网指令信号；第一接地端413用于接收参考地线23提供的公共参考地信号。
第二外部端口042用于连接该从机的下一级设备，对于从机S1来说从机S2 是它的下一级设备。第二外部端口042包括：第二数据接收端420，与所述第一数据接收端410短路连接，用于将第一数据接收端410接收到的电信号输出给本从机的下一级设备；第二数据发送端421，其与所述第一数据发送端411短路连接，用于接收来自本从机的下一级设备回应的数据包，并传输给第一数据发送端411；组网指令信号发送端422，用于向本从机的下一级设备输出组网指令信号；第二接地端423用于接收参考地线23提供的公共参考地信号并输出给从机的下一级设备。
为了在从机和总线单元02及组网信号线03之间提供安全可靠的隔离连接，使总线具有较好的抗干扰性能，从机S1还包括第一电流隔离器U4、第二电流隔离器U5、第三电流隔离器U6和第四电流隔离器U7，本实施例中使用光耦作为电流隔离器，电阻R04、R05、R06、R07为光耦驱动信号的限流电阻；R14、 R15为信号的上拉或者下拉电阻。从机微控制器的信号输入端S_RX通过第一电流隔离器U4与所述第一数据接收端410电性连接。从机微控制器的信号输出端 S_TX通过第二电流隔离器U5与所述第一数据发送端411电性连接。从机的组网指令单元的组网指令输入端Addr_IN通过第三电流隔离器U6连接至组网指令信号接收端412。从机的组网指令单元的组网指令发送端Addr_OUT通过第四电流隔离器U7连接至所述组网指令信号发送端422。
如图2和图3所示的总线系统10中，从机S1的第一外部端口041与总线单元02直接连接，其中第一数据接收端410与主站信号传输线21直接连接；第一数据发送端411与从机信号传输线22直接连接；第一接地端413与参考地线23直接连接；组网指令信号接收端412通过组网信号线03连接至主站01的组网指令输出端M_Addr。
从机S2的第一外部端口051通过其上一级设备与总线单元02间接连接，具体的，其第一外部端口051与从机S1的第二外部端口042电连接：从机S2 的第一数据接收端510连接至所述从机S1的第二数据接收端420，从而与主站信号传输线21间接连接；从机S2的第一数据发送端511连接至所述从机S1的第二数据发送端421，从而与从机信号传输线22间接连接；从机S2的第一接地端513连接至所述从机S1的第二接地端423，从而与参考地线23间接连接；从机S2的组网指令信号接收端512通过组网信号线03连接至从机S1的组网指令信号发送端422。
同理，从机S3的第一外部端口通过与从机S2的第二外部端口042电连接，实现与总线单元02的间接连接。
在本实施例中，每一个从机的第一外部端口都连接主站或上一级从机的第二外部端口，每一个从机的第二外部端口都连接下一级从机的第一外部端口。由于在从机内部，第一外部端口和第二外部端口中，除了组网指令信号的传输端子外，其余数据端均是短路连接，从而每一个从机都直接或间接得连接在总线单元上，可以通过总线单元上收到主站发送的广播数据，并向主站01发送回应的数据包。
同时，由于每一个从机的组网指令信号接收端均连接至主站或上一级从机的组网指令信号发送端，其组网指令信号发送端均连接至下一级从机的组网指令信号接收端，从而组网指令信号仅能由上一级设备向下一级从机发送，这样组网信号一级接着一级传递，从机一个接一个的将地址返回给主站，主站通过分析从机地址返回的顺序完成对从机设备地址的自动搜索。
图4示出了本实用新型提供的总线系统自动组网方法流程图。下面结合附图详细说明实用新型提供的总线系统的自动组网流程。
当主站需要运行自动组网功能时，首先执行步骤S100。
步骤S100，主站01的微控制器停止总线上的通讯。
步骤S101，开启主站信号传输线21的供电模式。具体的，主站01的微控制器将M_TX信号对应的单片机引脚改为普通IO模式，并输出低电平，使MOS 管Q1保持为导通状态，VCC与主站信号传输线21连接，主站信号传输线21 启动供电模式，保持高电平信号为总线提供驱动电源，然后执行步骤S102。
步骤S102，向一级从机发送组网指令信号。具体的，主站01的组网指令单元通过的组网指令输出端M_Addr向与之在物理上第一个连接的从机S1发送第一个从机发送组网指令信号。然后执行步骤S103。
步骤S103，主站01监听从机信号传输线22上从机回应的数据包，等待第一个从机S1返回第一个从机的地址码(SN码)。
步骤S104，主站01判断在预设时间内是否接收到有效的地址，即从机返回的地址数据。本实施例中预设时间为3秒，若3秒内接收到有效的数据包，则执行步骤S105；若3秒内未接收有效的数据包，则结束。
步骤S105，主站01的微控制器将收到的从机地址码与序号保存进地址映射表，然后执行步骤106。
步骤S106，开启主站信号传输线21的通讯模式。具体的，主站01的微控制器将M_TX信号对应的单片机引脚恢复为串口模式，并输出高电平，使MOS 管Q1保持为截至状态，主站微控制器的信号输出端M_TX通过光耦U1与主站信号传输线21电性连接，主站信号传输线21启动通讯模式，然后执行步骤S107。
步骤S107，主站01通过主站信号传输线21广播发送指令给当前返回了地址的从机，命令该从机继续执行自动组网功能。具体的，主站微控制器的信号输出端M_TX向主站信号传输线21发送广播信号，该广播信号包含步骤S105中返回的从机地址码和要求从机执行继续执行自动组网的指令数据。然后执行步骤 S108
步骤S108，开启主站信号传输线21的供电模式。具体的方式与步骤S101 相同。同时，执行步骤S109。
步骤S109，被叫从机发送组网指令信号。具体的，所有总线上的从机收到广播信号后，解析广播信号内的地址码，并与自身的地址码进行对比，如果不一致，则不做回应，继续监听总线上的报文，如果从机解析出的报文内地址码与自身的地址码一致，则执行报文内的通讯指令，从而步骤S105中返回地址码的从机执行组网指令信号：该从机的组网指令单元通过组网指令信号发送端向其下一级从机的组网指令信号接收端发送组网指令信号。然后执行步骤S110。
步骤S110，下一级从机返回其地址码。具体的，组网指令信号接收端接收到组网指令信息的从机，其从机微控制器通过第一数据发送端向从机信号传输线 22发送回应的地址数据。然后执行步骤S104。
这样，对应从机接收到组网指令信号后，通过从机的Addr_OUT信号向下一个从机发送执行自动组网的指令。从机一个接一个的将地址返回给主站，主站将收到的地址和对应序号生成地址映射表，保存至内部存储器中，直至结束。自动组网完成后，主站就可以根据存储的地址映射表，向总线上的从机逐个通过地址读取相应的数据，实现组网通讯。
图5为本实用新型提供的主站执行自动组网后生成的地址映射表示例。如图5所示，地址映射表包含有从机序号ID，从机地址Address，从机设备类型Node，以及所在的总线端口号COM。所述从机序号ID表征了从机地址返回的顺序，也就是表征了总线系统中从机距离主站的连接位置顺序。为了避免从机出现相同的地址导致设备间的通讯冲突，本实施例利用从机设备的序列号作为从机地址 Address，保障所有从机设备的地址的唯一性，所述序列号由六位设备生产日期编码加四位流水码组成。从机设备类型Node用于表征所述从机的类型。当一部主站同时作为多个总线系统的主站时，总线端口号COM可利于标的从机所属的总线系统。由于整个总线通讯过程中不会对从机设备的地址进行变更设置，只是进行地址的读取操作，所以如果自动组网过程中出现异常导致组网失败不会改变从机状态，重新再次发起自动组网即可，直到组网成功。
本实用新型提供的自组网式电流环总线系统，利用较少的元器件，和较低的成本，不仅实现了主站设备和多个从机设备之间安全可靠的总线通讯，而且实现了主站与从机的自动组网，使用非常的便捷高效，大大减少了现场工程人员对设备进行组网配置的工作量。该通讯总线非常适合用于从机数量多，通讯距离短的应用场景，例如分布式的电池监测传感器设备，相比较采用RS-485总线和CAN总线，节省了80％的物料成本。使用该总线的主站设备和从机设备在完成符合要求的设备间接线后，只需要主站执行自动地址搜索指令，即可在很短的时间内完成总线上所有从机设备的位置定位、地址搜索和点表配置，完成自动组网的过程，省去了人工抄写地址和点表配置花费的时间，减少了工程调试人员的调试工作量，并杜绝了人工抄写地址导致的错误，提升了工程实施效率，降低了人工成本。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，在实际应用场景中还可以有其他总线连接方式，如图6所示的总线系统10’，其主站01’和总线单元02’的结构及连接方式，组网信号线03’与各个设备之间的连接方式均与上述实施例相同，不同之处仅在于所有从机S1’、S2’……Sn’均直接连接在总线单元02’上。图6所示的总线系统10’虽然能够实现自动组网功能，但由于每个从机均与总线单元直接连接，在布线时势必增加大量的接头，不易于扩充，因此不做赘述，但是凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。