武洪濤

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

用電源線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y控網(wǎng)絡設計

武洪濤

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

為了簡化測控網(wǎng)絡線路結構和提高從機效率，提出了一種在電源線上實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。系統(tǒng)采用直流電壓源供電，用正電壓脈沖實現(xiàn)由主機到從機的數(shù)據(jù)傳輸，用電流的變化實現(xiàn)從機到主機的數(shù)據(jù)傳輸；從機檢測電壓變化，輸出電流變化，避免了從機處理來自其他從機的信號。在波特率9600bps，3000m距離傳輸穩(wěn)定可靠，是一種較好的數(shù)據(jù)傳輸方法。

現(xiàn)場總線；數(shù)據(jù)傳輸；電壓調(diào)制；電流調(diào)制

現(xiàn)場總線是小型測控系統(tǒng)不可缺少的組成部分，總線承擔設備之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸任務。隨著計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)場總線得到了廣泛的應用[1]?，F(xiàn)場總線的應用優(yōu)化了現(xiàn)場設備之間的線路連接結構，用數(shù)據(jù)脈沖傳輸替代了模擬信號的傳輸，提高了抗干擾能力。外設以微處理器為核心，具有智能數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)了現(xiàn)場采集現(xiàn)場控制，減少了數(shù)據(jù)傳輸量，避免了主機的繁忙工作，提高了系統(tǒng)性能。為了進一步簡化系統(tǒng)和提高性能，筆者提出了一種在供電電源線上實現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ā?/p>

1 數(shù)據(jù)傳輸原理

數(shù)據(jù)傳輸分為單向數(shù)據(jù)傳輸、雙向數(shù)據(jù)傳輸和總線數(shù)據(jù)傳輸，單向數(shù)據(jù)傳輸是一個信號獨占一個傳輸線路，線路的一端輸出信號，另一端接收信號，不會發(fā)生改變；雙向數(shù)據(jù)傳輸多采用時分方式，線路的兩端都有信號輸出電路和信號接收電路，2個輸出電路不能同時工作，必需有一個協(xié)調(diào)機制實現(xiàn)分時工作來避免沖突；總線數(shù)據(jù)傳輸有多個設備在一個線路上相互連接，每個設備都有數(shù)據(jù)輸出電路和接收電路，除了要解決每個設備的輸出和輸入狀態(tài)控制以外還要考慮設備之間的相互影響[2]。

RS-232(recommeded standard)采用雙極性不歸零編碼，以提高電壓幅度的方法來提高抗干擾的能力，接口電路簡單，在線路上采用接收、發(fā)送分開的辦法來避免干擾,即全雙工工作方式[3]，常規(guī)的RS-232接口電路由于輸出電路沒有三態(tài)功能，只能支持單向傳輸，采用雙線路實現(xiàn)雙向傳輸。

RS-485采用差動傳輸，提高了抗共模干擾的能力，接收信號檢測門檻降低，同時降低了輸出電壓，接口輸出電路具有三態(tài)功能[3]，輸出接口可以相互并聯(lián)分時工作，可以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。在總線連接結構的測控網(wǎng)絡中被廣泛采用[4]。通常所有設備都處于接收狀態(tài)，可以接收到所有其他設備的輸出信號，接收的無效的數(shù)據(jù)比較多。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

CAN(Controller Area Network)總線采用差動傳輸，為了解決總線競爭問題，采用總線狀態(tài)監(jiān)聽機制[5]，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時還要對每個數(shù)據(jù)位進行檢查，電路相對復雜，必須采用專門的接口模塊。

為了進一步簡化線路，筆者設想采用電源線路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒╗6，7]，線路結構如圖1所示。

電源的傳輸采用直流方式，數(shù)據(jù)傳輸采用脈沖方式[8]，主機到從機的下行信號采用正脈沖表示，疊加在正電源線上傳輸?shù)綇臋C，從機的輸出信號通過開關電路接入負載電阻來加大電源供電電流來實現(xiàn)，變化量設置在10mA左右，上位機通過檢測回路電流的變化來獲得數(shù)據(jù)信息，不需要單獨的傳輸線路；由于從機電流的變化引起的總線電壓變化遠小于下行信號的幅度，不會被其他從機所接收，從而不可能影響其他從機的工作，消除了485總線、CAN總線還要過濾從機輸出信號的問題。

2 電路設計

總線傳輸系統(tǒng)的電路結構如圖1所示。上位機由PC機擔任，使用標準的串行接口，輸出信號為RS-232格式，下位機由單片機擔任，可以有多個下位機。

把上位機傳遞給下位機信號稱為下行信號[9]，從上位機輸出經(jīng)過信號處理電路、極性變換和放大處理后疊加在電源線上傳輸給下位機，下位機的脈沖檢測電路識別電源線上的脈沖，將其變成TTL格式的信號送給下位機。

把下位機傳遞給上位機的信號稱為上行信號，從單片機輸出經(jīng)電流調(diào)制電路變成總線電流的變化，電流檢測電路檢測電流的變化[10]，經(jīng)信號處理電路變成上位機可以接收的信號，送給上位機。

上位機接口電路如圖2所示。D3將上位機輸出的負電平去掉，Q2將正脈沖變成低電平使Q1導通，通過C1在總線上輸出一個高出電源電壓的正脈沖，當脈沖結束時Q3導通恢復C1上的電壓到初始狀態(tài)。

圖2 上位機接口

圖3 下位機接口(脈沖檢測與電流調(diào)制電路)

TR1檢測總線電流的變化，增大時輸出正脈沖，減小時輸出負脈沖。

U2:A構成放大電路，U2:B構成遲滯比較器，當正脈沖到來輸出變?yōu)楦?，當負脈沖到來輸出變成低，當電流不變化時，由于輸入信號在高門檻和低門檻之間，輸出保持原來狀態(tài)不變，遲滯比較器的輸出和下位機的輸出信號相同。

下位機接口電路如圖3所示，當總線上有正脈沖時Q1導通，輸出低電平給單片機串口，當總線為電源電壓是Q1關閉，輸出保持高電平。

當下位機輸出低電平時，經(jīng)反相器使Q2導通總線電路加大，當下位機輸出為高電平是Q2關閉，這樣保障沒信號輸出時為小電流狀態(tài)。

下行信號的波形如圖4所示，上行信號的波形如圖5所示。

3 結 語

筆者的設計思想是將總線上的上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù)用不同的形式表示，使從機的輸出信息與接收信息有著不同的表示形式，避免了從機輸出信息被其他的從機接收，可以節(jié)省較多的數(shù)據(jù)檢測時間，減輕從機CPU的負擔，這種總線構成形式可以把供電線路和數(shù)據(jù)傳輸線路合并在一起，減少了傳輸線的數(shù)量，使總線的連接更加簡單。

這種總線傳輸方式適合于PC作為主機，多個單片機作為從機的測控系統(tǒng)，由于兩者都有現(xiàn)成的串行接口，可以大大降低系統(tǒng)的設計成本，采用集中供電方式，簡化了從機系統(tǒng)的供電線路。當外設較多、工作電流比較大和傳輸距離較遠時，必須提高供電的電壓，也可以采用單獨設置電源線。在試驗過程中，最大總供電電流100mA，傳輸距離3000m，波特率9600bps，得到了滿意的傳輸效果。

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[編輯] 易國華

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1673-1409(2009)03-N074-03

2009-06-01

武洪濤(1958-)，男，1982年大學畢業(yè),副教授，現(xiàn)主要從事計算機接口及應用、現(xiàn)場總線技術、測控系統(tǒng)原理方面的教學和研究工作。