CN110018726A - 使用二总线同时提供电源和进行通信的主站机装置 - Google Patents

Abstract

一种使用二总线可以同时提供电源和进行通信的主站机装置，通过将下行信号调制成由高压信号调制区段和低压保障电源区段构建的电压调制信号，实现主站机装置通过二总线完成与从站机群的通信和向从机群提供电源；通过主站机等效电子开关电路实现了大功率下行电压信号的调制；通过接收采样元件使用直流电阻极小的电感LM1，上行电流调制信号采用由微分电路分解出来的上升沿和下降沿进行比较放大后用软件判别解调，实现大功率、重负荷、远距离下的通信。本发明只需两条导线，既可通信又提供电源，通信速率高、距离远，可广泛用于允许布线的物联网系统中。

Description

使用二总线同时提供电源和进行通信的主站机装置

技术领域

一种使用二总线同时提供电源和进行通信的主站机装置。

背景技术

公知有一种M-BUS接口电路使用两线模式，可同时传输信息和供电。这种接口电路把通信功能和供电功能集合在一起，只需二根导线，非常方便，越来越多地被应用到设备之间的通信和管理上。该电路由主机站和从站机构成，主机站在向从站机发送信息时采用电压调制，而在接收从机发送的信息时采用电流调制。但这种电路至少有以下缺陷，影响了应用范围：

首先，解调接收电流信号（通常有10mA至50mA的变化电流）时需要在主供电电路中串入一个取样电阻，这个电阻虽然很小，通常只有几至几十欧姆，但当一个主机带有多个从机时，每个从机的负载、以及负载的变化都会构成流过取样电阻的电流变化，都会在取样电阻两端产生一个变化的偏置电压。每增加或减少从机都会改变取样电阻上的电压，而每个从机在工作过程中的负载变化还会成为在取样电阻上的变化信号，虽然负载变化可以通过滤波电容加以平滑，但产生的电压偏置无法消除。于是，一旦负载电流的改变量超过通信信号电流（10 mA至50mA），该电路就无法正常工作。这个缺陷影响该电路在多从机使用场合以及大负载场合的使用。同时采样电阻上的压降，直接降低从机的工作电源，影响多从机场合使用。

其次，功率难以做大。当主机模块既要带载功率，又要通信时，电源供给会影响通信，从而限制了系统的电源供应功率。

本发明人201610134844.4号发明专利申请，提出了一种使用两线同时传送信息和电源的电路。但这个电路缺乏从机电路的配合，在增加电源功率供给时，负荷会消耗通信信息，限制了供给电源的增加；同时，该电路接收电路由一个电感和电阻并联的方式完成，其灵敏度不高，影响大负荷场合接收解调，影响实际应用。

发明内容

本发明要解决的问题：本发明的目的是发明一种二总线的、能自适应变化负荷下工作的、不受重负荷影响的、既能通信又能供应电源的主站机装置。

下面通过对说明书附图的说明来说明本发明是怎样实现的。

图1是本发明系统的架构示意图。图中[U]代表系统的上位机，是本发明整个系统中提供系统电源供给、完成数据管理、采集、控制的管理中心。[M]是主站机。它首先完成对来自上位机的下行信号进行电压调制，实现供电和下行信息的调制；其次完成从站机[S]发送的上行电流信号解调；再次，主站机模块单元还要完成从站机[S]应急主动上报信息的识别、解调、转发和分发；完成其他向上位机请求、置忙等等任务，是本发明系统的核心装置。[S]是从站机群的总称，用Sn代表从站机群中的某一个从站机。图1中Uo-Mi是上位机[U]发送给主站机[M]的信息流，其中既包括下发给系统中从站机[S]的下行信息，也包括由[U]发送至[M]的由主站机[M]执行的指令信息；该信息也可以认为是[M]的输入信息； Ui-Mo是主站机[M]发送给上位机[U]的信息；该信息也可以认为是[U]的输入信息。REQ是本发明的一个实施例专用引脚信息，是一个可以包含也可以不包含的引脚。一个有REQ的实施例，在允许从站机主动发起上报请求时，主站机[M]在接收到从站机应急请求时会通过REQ引脚输出请求，由主站机[M]生成REQ“是”电平（一个实施例，在REQ有效的“是”电平期间，REQ引脚置为低电平，而无请求时为高电平）发送给上位机[U]。Mo-Si是主站机[M]在接收到上位机[U]发出的、发送至从站机[S]的下行信息时，会调制成由两个电压段构成的电压调制信号。这个电压调制信号由两个电压段构成：高电压段按信息调制，而低压段则保证从站机始终得到高于这个电压源的供电。Mi-So是从站机[S]发送至主站机[M]的电流调制信号。

图2是本发明一个实施例的电路原理框图，可以用来说明本发明的实现过程。图中[1]是主站机[M]中的微处理电路单元。它完成：下行电压信号的调制控制，上行电流信号的解调控制处理、接收信息和转发信息，完成信息的采集、协调、处理和管理。[2]是上位机[U]中的电源供给单元，下行电压调制信号，主要由两个电压段电源构成。所述两个电压段分别为：由△VH提供下行电压调制信号的信号调制区段，该段电压差区段用于调制信号；另一个低压保证区段的电压区段，由电源VL提供保障从站机工作所必需的总线最低工作电压稳压源。[3]是上位机[U]中的通信管理中心单元，是本发明系统完成系统运行目标、实现人机对话的系统枢纽。[4]是从站机[S]中下行电压调制信号解调电路单元。[5]是从站机[S]中的上行信号电流调制电路单元。[6]是从站机[S]中的核心处理电路单元；它不仅完成与主站机[M]的双向通信管理，还完成从站机的应用功能任务。

在图2主站机[M]中，KM2是等效电子切换单元。根据[M]接收到的由[U]发出的下行通信信号：在逻辑电平为“1”和“0”时，分别接通VH电源和VL电源，实现本发明所述电压调制。一个实施例，在信号逻辑为“1”时，接通二总线输入／输出端BUSL1（经过电感LM1）至VH电源；在信号逻辑为“0”时，接通二总线输入／输出端BUSL1（经过电感LM1）至VL电源；由于VH是叠接在VL上的，调制有信号的电压段均在超过VL的部分，从而可以保证二总线BUSL1和BUSL2之间始终保持有超过VL的电源电压。单向导电器件DM1可以防止电流向VL倒灌，也可以保证在BUSL1未和VH接通期间，由所述单向导电器件向二总线提供接近VL的电平输出。电感LM1在KM2电压切换过程中会产生一个下降沿和上升沿的过脉冲，这个过脉冲很多时候正好有利于总线上存在分布电容和其他负载侧等效过来的电容放电和充电，在匹配状态下有正面作用。当需要减少影响时，本发明的一个实施例，设计有等效电子开关KM1，它在主站机[M]接收上位机[U]收发来的下行电压信号Uo-Si期间短接，而在无下行信号期间释放，为接收[S]发来的上行电流调制信息So-Mi作准备。这期间，[M]由发送转变为接收，需要[M] 预留一个切换延迟时间。

单向导电器件DM1的一个实施例是一个二极管；单向导电器件DM1的一个实施例是具有单向导电特性的三极管、场效应管和开关管。

图2主站机[M]中，电容CM1、RM1构成其中一路微分电路，电容CM2、RM2构成另一路微分电路，比较放大器AM1、AM2，可调偏置电源VM1、VM2，以及采样电感LM1共同构建了本发明主站机[M]的电流解调实施例电路单元。采样电感LM1的直流电阻非常小，可达微欧级，因而流过该电感的主回路负载电流在电感上产生的直流压降非常小，对比较放大器偏置电压的影响非常小，使得本发明的装置可以广泛用于大负荷应用场合。当[S]发送上行电流调制方波信号时，在电感LM1、电容器CM1、电阻RM1的作用下，产生一个微分信号，加在比较放大器AM1的输入端，而偏置电压VM1加在比较放大器的另一个输入脚上，产生比较放大器的输入电压偏置。图2是一个实施例，在这个实施例中，比较放大器AM2由VM2产生了一个负电压偏置，比较放大器AM2可以检验出上行电流源信号的下降沿；比较放大器AM1由VM1产生了一个正输入电压偏置，比较放大器AM1可以检验出上行电流调制信号的上升沿。通过[M]中微处理电路单元[1] 的判断和处理就可以解调出上行电流信号TX；TX是上行电流信息的解调后的信息，它发送给上位机[U]。在二总线BUSL1和BUSL2之间的负载大小会影响输入比较放大器AM1和AM2的检测灵敏度。当二总线负载很重时，有效信号和干扰信号都会减小；而负载很轻时，有效信号和干扰信号都会很强。如在不同负载时用相同的偏置电压，那么，在负荷重时合适的偏置电压，在负荷轻的时候可能将干扰当成信号检出，也可能被过宽的沿影响解调，还可能被干扰信号干扰而误调解。本发明采用自动调节偏置电压VM1和VM2。为保证电流信号边沿的解调，本发明的一个实施例，其特征是在采样电感LM1两端并联有一个电容器CM，保证在上行电流信号上升沿和下降沿出现时有一个最好的谐振点，且所述谐振点保证上升沿信号和下降沿信号有最佳的宽度和幅度。

本发明采样元件采用直流电阻非常小的电感元件，而上行电流调制信号解调，使用的是由比较放大器输出的上升沿和下降沿，而这些“沿”只要电路中有电感存在都会存在，因而可在大负荷环境下使用。

在图2从站机[S]中，二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例，串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻，DS1是一个过压保护元件，用以削除过压脉冲危害。图2从站机[S]中，二极管DS6、电感LS1、电阻RS3、滤波电容CS1、稳压器件US1和滤波电容器CS2构成一个从站机电源供给实施例。这个所述实施例给从站机中的单元[6]提供稳压电源。由于二总线电路的电压可以达到20V至50V的高电压，稳压器件US1上的压降很大，器件的功耗容限会限制稳压电源的最大输出电流。本发明的一个实施例是在稳压器件US1输入端和输出端的外部引脚间并接一个旁流电阻RS，其电阻值和功率容限以保证稳压器件US1最大输入电压时最小工作电流的供应，这时，在US1输入最大电压时，稳压器的输出电流实际上是由外部电阻Rs提供的，而当US1输入电压降低时，虽然由US1提供的电流会增加，但US1上输入和输出间的压降减小，功耗增加有限。二极管DS7、电感LS2、电阻RS4、滤波电容CS3构成另一个从站机电源供给实施例，这个电源全部通过外部元器件提供，因此输出功率容限限制小，可以实现较大电流供给。

在图2从站机[S]中，一个实施例的二极管DS6和电感LS1、另一个实施例二极管DS7和电感LS2都是本发明的特征元件。在本发明的二总线系统中，二总线（BUSL1和BUSL2）不仅提供电源，而且还承载通信信息。这其中由主站机[M]发送至从站机[S]的下行电压调制信息实现过程中，由于主站机[M]数量少，成本、体积方面的限制小，允许设计强大的功率源来实现，可以在二总线间有电容且有大负荷存在的情况下，完成信号基本不失真情况下传送。但对数量多、分布广的从站机[S]来说，功率消耗高、部件体积大和产品成本高都难以接受。因此，从站机的一个上行电流调制的实施例，是使用10mA～50mA的电流，来调制上行电流调制信号。如果电路中没有所述的二极管DS6、电感LS1，或者没有二极管DS7、电感LS2，那么：

第一，贮存在电容CS1、CS2、CS3的电量就会倒灌到二总线，完全影响二总线系统的信息传送。

第二，所述使用10mA～50mA调制的电流调制信号的上升沿和下降沿就会被电容CS1、CS3 滤掉，以至于完全无法通信。

本发明所有从站机[S]的所有接有滤波电容的功率电源电路前都接有单向导电器件DSn和电感LSn；DSn和电感LSn是从站机中所有接有电容负荷前所必需接有的、属于本发明特征元器件单向导电器和电感的泛称，可以是一个，也可以是多个，但只要后面接有电容器，前面均需设计有；图2中电感LS1、LS2和二极管DS6、DS7就是LSn和DSn的具体实施例。电阻RS3、RS4是限流电阻，根据设计需要设计。本发明特征元件DSn和LSn的接入，可以确保本发明供电和通信任务的完成：

首先，由主站机[M]发送下行电压调制信号时，初始的空闲状态以及“1”信号状态是二总线的BUSL1接通VH的高电平，从站机所有电源即电容CS1、CS2、CS3经由单向导电器件DSn、电感LSn处于充电状态，而电压调制信号调制后，在二总线为VL的低信号电平时，所有从机的单向导电器件DSn均处于反向状态，不仅保证了从站机电源的稳定，也保证了电压调制过程的低功耗、低失真率。

单向导电器件Dsn的一个实施例是二极管。单向导电器件Dsn的一个实施例是具有单向导电特性的三极管、场效应管和开关管。

其次，从站机[S]向主站机[M]发送电流调制信号时，无论二总线间的负荷有多重、多大，只要本发明系统中，所有从站机的总负荷和总线间设计有本发明所述的LSn，存在有电感量，在电流调制信号的上升沿和下降沿都可以在主站机[M]中的LM1上产生上升沿和下降沿信号，建立起完成解调任务的基础条件，使之顺利完成电流信号解调。

图3是主站机[M]下行电压调制信号的实施例示意图。图中Uo-Mi是来自上位机的待调制下行信号，Mo-Si是主站机[M]调制后发送至从站机[S]的电压调制信号。调制后的信号由两个电压区段构成。其中△VH电压信号调制区段用于信号调制，是有信号的区段；另一个低压保证区段，由电源VL提供保障从站机工作所必需的总线最低工作电压源。

一种使用二总线可以同时提供电源和进行通信的主站机装置至少有接收从机电流调制信号的电感LM1、有依据待调制下行通信信号进行切换的等效电子切换单元KM2，其特征是：

a、主站机[M]下行电压调制信号是由调制下行通信信息的高电压区段和保障从站机供电的低电压区段构成的；

b、主站机[M]上行电流信号接收电路有串接在二总线BUSL1和电压调制电路的采样电感LM1；

c、主站机[M]上行电流信号接收电路有电容CM1、RM1和CM2、RM2构成的微分电流脉冲沿接收电路，有采集上行电流调制信号下降沿和上升沿的比较放大器AM2和AM1；

d、采集上行电流调制信号下降沿和上升沿的比较放大器AM2和AM1有可以由微处理微处理电路单元[1]控制的偏置电压VM1和VM2。

附图说明

图1是本发明系统的架构示意图。图中[U]代表系统的上位机，是本发明整个系统中提供系统电源供给、完成数据管理、采集、控制的管理中心。[M]是主站机；它首先完成对来自上位机的下行信号进行电压调制，实现供电和下行信息的调制；其次完成从站机[S]发送的上行电流信号解调；再次，主站机还要完成从站机[S]应急主动上报信息的识别、解调、转发和分发；完成其他向上位机请求、置忙等等任务，是本发明系统的核心单元。[S]是从站机群的总称，可以用Sn代表从站机群中的某一个从站机。图1中Uo-Mi是上位机[U]发送给主站机的信息流，其中既包括下发给系统中从站机[S]的下行信息，也包括由[U]发送至[M]的由主站机[M]执行的指令信息；该信息也可以认为是[M]的输入信息；Ui-Mo是主站机[M]发送给上位机[U]的信息；该信息也可以认为是[U]的输入信息。REQ是本发明的实施例专用引脚信息。

图2是本发明一个实施例的电路原理框图。图中[1]是主站机[M]中的微处理电路单元。它完成下行电压信号的调制，上行电流信号的解调、接收和转发，信息的采集、协调、处理和管理。[2]是上位机[U]中的电源供给单元，下行电压调制信号，由两个电压段构成。[3]是上位机[U]中的通信管理中心单元，是本发明系统完成系统运行目标、实现人机对话的系统枢纽。[4]是从站机[S]中下行电压调制信号解调电路单元。[5]是从站机[S]中的上行信号电流调制电路单元。[6]是从站机[S]中的核心处理电路单元；它不仅完成与主站机[M]的双向通信的管理，还完成从站机的应用功能任务。

在图2主站机[M]中，KM2是等效电子切换单元。根据[M]接收到的由[U]发出的RX下行通信信号：在逻辑电平为“1”和“0”时，分别接通VH电源和VL电源，实现本发明所述电压调制。调制有信号的电压段均在超过VL的部分，从而可以保证二总线BUSL1和BUSL2之间始终保持有超过VL的电源电压。二极管DM1可以防止电流向VL倒灌，也可以保证在BUSL1未和VH接通期间，由所述二极管向二总线提供接近VL的电平输出。KM1是一个实施例中，在[M]发送下行电压调制信号期间短接电感LM1的等效开关，用以减小电感对二总线通信的影响。

图2主站机[M]中，电容CM1、RM1构成的微分电路，电容CM2、RM2构成的微分电路，比较放大器AM1、AM2，可调偏置电源VM1、VM2，以及采样电感LM1共同构建了本发明主站机[M]的电流解调实施例电路单元。当[S]发送上行电流调制方波信号时，在电感LM1、电容器CM1、电阻RM1的作用下，产生一个微分信号，加在比较放大器AM1的输入端，而偏置电压VM1加在比较放大器的另一个输入脚上，产生比较偏置。图2是一个实施例，在这个实施例中，比较放大器AM2由VM2产生了一个负电压偏置，比较放大器AM2可以检验出上行电流源信号的下降沿；比较放大器AM1由VM1产生了一个正偏置，比较放大器AM1可以检验出上行电流调制信号的上升沿。通过[M]中微处理电路单元[1]的判断和处理就可以解调出上行电流信号TX，发送给[U]。

在图2从站机[S]中，二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例，串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻，DS1是一个过压保护元件，用以削除过压脉冲危害。图2从站机[S]中，二极管DS6、电感LS1、电阻RS3、滤波电容CS1、稳压器件US1和滤波电容器CS2构成一个从站机电源供给实施例。二极管DS7、电感LS2、电阻RS4、滤波电容CS3构成另一个从站机电源供给实施例，这个电源全部通过外部元器件提供，因此输出功率容限限制小，可以实现较大电流供给。

图3是主站机[M]下行电压调制信号的实施例示意图。图中Uo-Mi是来自上位机的待调制下行信号，Mo-Si是主站机[M]调制后发送至从站机[S]的电压调制信号。调制后的信号由两个电压区段构成。其中△VH电平信号调制区段用于信号调制；另一个低压保证区段，由电源VL提供保障从站机工作所必需的总线最低工作电压源。

图4是主站机[M]中的一个部分电路实施例电原理图。三极管Q1……Q2、Q3、Q12,电阻R1、R2、R3、R4、R20、R21、R27,MCU中的一个输出IO引脚P01（P01是一个特定实施例IO引脚的任意性代号，不专指一个具体单片机的引脚）为控制引脚，构建成图1中等效电子切换单元KM2的部分功能单元。MCU是微处理电路单元[1]的组成部分。在MCU接收到下行信号为“1”时，或者处于“1”信号的空闲态电平信号时，P01置高电平，通过电阻R27、R20，三极管Q12驱动Q3，再由Q3驱动功率三极管Q1……Q2，经过电感LM1，将二总线的BUSL1接至VH电平上，输出“1”信号电平，也提供接近VH的电源供应。由三极管Q8、Q9、Q10、Q11,电阻R17、R18、R24、R25、R19、R26、R28和二极管D2,且由MCU中的某一个输出IO引脚P02（P02也是一个特定实施例IO引脚的任意性代号，不专指一个具体单片机的引脚）控制，构建成图1中等效电子切换单元KM2的另一部分电压调制功能单元。

这其中Q1……Q2中以及R1……R2代表可以有更多的功率三极管和电阻并接，以增大功率输出能力；并接以后，每个功率三极管流过的电流被分流，压降大幅度降低，实现很小的功耗。电阻R1……R2串接在三极管的发射极，可以起到流过各并联三极管均流的效果。Q3给Q1……Q2提供大的通导驱动源，Q3集电极经过电阻R5接至VCC上，为了限制Q3的功耗。

在图4这个主站机[M]中，由微处理单元MCU通过DA功能IO口输出一个由内部数字控制的偏置数字电压源DA1和DA2。数字电压源DA1通过三极管Q13、电阻R22，产生一个集电极恒流；这个恒流在电阻RM2上产生一个比较放大器AM2的负输入端偏置电压VM2；由电容CM2、电阻RM2构成的微分电路，所接收的信号和偏置电压一起送比较放大器AM2；在从站机上行电流调制信号的下降沿到来时，在偏置电压适合时，所述比较放大器AM2会将上行电流信号的下降沿脉冲放大输出，经过三极管Q5、Q7和电阻R10、R13、R16、R14将沿信号电平转换成为INT1处理信号送MCU处理。数字电压源DA2通过三极管Q14、电阻R23，产生一个集电极恒流；这个恒流在电阻R7上产生一个比较放大器AM1的正输入端偏置电压（负输入端加负偏置）VM1；由电容CM1、电阻RM1构成的微分电路，所接收的信号和偏置电压一起送比较放大器AM1；在从站机上行电流调制信号的上升沿到来时，在偏置电压适合时，所述比较放大器AM1会将上行电流信号的上升沿脉冲放大输出，经过三极管Q4、Q6和电阻R9、R11、R15、R12将沿信号电平转换成为INT2处理信号送MCU处理。

在图4中，一路通过三极管Q4、Q6，电阻R9、R11、R15、R12进行电平转换；另一路通过三极管Q5、Q7，电阻R10、R13、R16、R14进行电平转换。

图5是等效开关KM1的一个实施例。图中MCU是电子单元[1]的组成部分。在[M]发送下行电压调制信号期间，由MCU的输出IO引脚P03、P04（它指设计中的特定IO口，并不代表具体芯片中的引脚）置高电平，一路通过电阻R34、R33、三极管Q31、电阻R31、R30驱动发射极接VH的三极管Q30，再通过电阻R32、R35，驱动NPN型功率三极管Q32及限流电阻R36，实现LM1在一个方向上的近似短路连接；另一路通过电阻R39、R41、三极管Q34、电阻R38、R37，驱动PNP型功率三极管Q33及限流电阻R40，实现LM1在另一个方向上的近似短路连接。

具体实施方式

图1是本发明系统的架构示意图。REQ是本发明的实施例专用引脚，其中[U]和[M]中的REQ脚均为开漏输出，且空闲时均置高，引脚均有上拉电阻。当[U]需要[M]发送同步信号及其他指令时，可以通过置低电平，告知[M]；同样，在允许从站机主动发起上报请求时，主站机[M]在接收到从站机应急请求时会通过REQ引脚向[U]输出请求;由主站机[M]生成REQ“是”电平发送给上位机[U]。当[U]和[M]之间采用光电隔离电路时，REQ可以设计为独立的两个支路，分别是[U]发往[M]的一路和[M]发往[U]的一路；还可以根据需要只保留其中的一路。

图2是本发明一个实施例的电路原理框图。图中微处理电路单元[1]根据通信管理中心单元[3]发送过来的RX下行待调制信号。按照下行电压调制信号由两个电压段构成的方式进行调制。控制等效电子切换单元KM2，使二总线BUSL1按照RX的信号接通VH和VL，形成图3的电压调制信号。接入二总线的从站机[Sn]在接收到电压调制信号后，会与电容CS1中的电位比较解调出TXS送核心处理电路单元送[6]。上位机[U]中的电源供给单元[2]向[M]提供工作电源。二总线通常传送距离比较远，甚至可达3000m，距离越远VH电源电压就越高。一个实施例，VH对GND的电压差可达50V。VH对VL的电压差涉及从站机[4]单元电压信号的解调稳定性。上行电流调制信号的产生和解调过程：待上传信息由从站机[S]中的核心处理电路单元[6]发出上行RXS待调制电流信号，在送达电流调制电路单元[5]后，会调制成电流信号。一个实施例，当RXS为“1”时为空闲，即无上行发送电流；当RXS为“0”时发送一个电流为Is的恒流，Is恒流的一个实施例是5mA～50mA的恒定电流，具体数值根据通信远近和负荷轻重设置。Is电流是一个方波脉冲电流，该电流会在[M]中的采样电感LM1上产生下降沿和上升沿。该信号沿经比较放大器AM2和AM1检出后，送微处理电路单元[1]，并由[1]解调出信息TX送上位机[U]。

从站机[Sn]有由二极管构建的整流电路，从二总线上直接得到工作所需要的电源。一个实施例通过二极管DS6、DS7以及LS1、LS2直接获取工作用电源。

图4是主站机[M]的一个实施例电原理图。三极管Q1……Q2、Q3、Q12,电阻R1……R2、R3、R4、R20、R21、R27,MCU中的一个输出IO引脚P01（P01是一个特定实施例IO引脚的任意性代号，不专指一个具体单片机的引脚），构建成图1中等效电子切换单元KM2的部分功能单元。MCU则是[M]中微处理微处理电路单元[1]中的一个组成部分。在MCU接收到下行信号为“1”时，或者处于“1”信号的空闲态电平信号时，P01置高电平，通过电阻R27、R20，三极管Q12驱动Q3，再由Q3驱动功率三极管Q1……Q2，经过电感LM1，将二总线的BUSL1接至VH电平上，输出“1”信号电平，也提供接近VH的电源供应。由三极管Q8、Q9、Q10、Q11,电阻R17、R18、R24、R25、R19、R26、R28和二极管D2,且由MCU中的某一个输出IO引脚P02（P02也是一个特定实施例IO引脚的任意性代号，不专指一个具体单片机的引脚）控制，构建成图1中等效电子切换单元KM2的另一部分电压调制功能单元。

在MCU接收到下行待调制信号为“0”时，电压调制过程的一个实施例：

第一步，先将P01置低电平，切断VH与BUSL1的通路；

第二步，将P02引脚置高电平。该高电平通过电阻R28、三极管Q11、Q9、电阻R24、驱动功率三极管Q10、限流电阻R18完成将BUSL1拉至VL电平的电路任务。在本发明实施例电路中，三极管Q8、二极管D2和电阻R17构成一个限制功率三极管在BUSL1低于VL电平时不导通的保护限制电路：当BUSL1由“1”电平输出转变为“0”电平输出时，BUSL1还处于VH电平，二极管D2正向导通，三极管Q8的发射极电平会高于经过电阻R17接至VL的Q8基极，使三极管Q8处于饱和导通状态，从而使三极管Q11、Q9在P02高电平期间导通，可以驱动功率三极管Q10导通，进而通过功率限流电阻R18将BUSL1的电平拉至供电功率二极管DM1导通，实现通过BUSL1向从站机发送接近VL电平的“0”信号电平。这个发明设计在BUSL1和BUSL2之间存在分布电容时，可以极大改善下降沿。二总线间的负荷也会助力下降沿及下行电压调制“0”信号电平的建立。本发明一个KM2等效电子切换单元的实施例中，信号电平“0”是在下拉功能电路和二总线间负荷使功率二极管DM1导通而钳位在接近VL电平上实现的。

所述主站机装置中电压调制中的“0”电平电压产生电路，至少有一个由电阻R17和三极管Q8构成的限制电路，其特征是：

a、三极管Q8是一个PNP型三极管，三极管基极经过电阻R17直接和VL相连接；

b、三极管Q8的发射极经过一个非必需二极管接在二总线BUSL1的供给线上，三极管Q8的集电极提供给放电电路使用。

本发明的主站机可以实现大功率的一个实施例，二总线空闲期间供电均由功率三极管Q1……Q2实现，其中电阻R1……R2是均流电阻，一个实施例，R1……R2为0.1至0.5欧姆电阻；这其中Q1……Q2中以及R1……R2代表可以有更多的功率三极管和电阻并接；并接以后，每个功率三极管流过的电流被分流，压降大幅度降低，单个功率管功耗小，而组合功率可以做得很大，实现中小功率三极管完成大功率的目标。电阻R1……R2串接在三极管的发射极，可以起到流过各并联三极管均流的效果：如果其中一个三极管的集电极电流大，在所述电阻上的压降会增大，就会降低该三极管的Veb电压，从而降低集电极电流达到稳定的目标。Q3给Q1……Q2提供大的通导驱动源，Q3集电极经过电阻R5接至VCC上，为了限制Q3的功耗，一个实施例VCC是选择比VH低2至5V的单独电源。

在图2中的一个由微处理单元电路[1]去自动调整比较放大器AM1、AM2偏置电压的电路实施例，可以由图4实施例说明：在图4这个主站机[M]中，由微处理单元MCU通过DA功能IO口输出一个由内部数字控制的偏置数字电压源DA1和DA2。数字电压源DA1通过三极管Q13、电阻R22，产生一个集电极恒流；这个恒流在电阻RM2上产生一个比较放大器AM2的负输入端偏置电压VM2；由电容CM2、电阻RM2构成的微分电路，所接收的信号和偏置电压一起送比较放大器AM2；在从站机上行电流调制信号的下降沿到来时，在偏置电压适合时，所述比较放大器AM2会将上行电流信号的下降沿脉冲放大输出，经过三极管Q5、Q7和电阻R10、R13、R16、R14将沿信号电平转换成为INT1处理信号送MCU处理。数字电压源DA2通过三极管Q14、电阻R23，产生一个集电极恒流；这个恒流在电阻R7上产生一个比较放大器AM1的正输入端偏置电压（负输入端加负偏置）VM1；由电容CM1、电阻RM1构成的微分电路，所接收的信号和偏置电压一起送比较放大器AM1；在从站机上行电流调制信号的上升沿到来时，在偏置电压适合时，所述比较放大器AM1会将上行电流信号的上升沿脉冲放大输出，经过三极管Q4、Q6和电阻R9、R11、R15、R12将沿信号电平转换成为INT2处理信号送MCU处理。图4中C3用于对偏置电压滤波。

在图4中，由三极管Q12、驱动三极管Q3、功率三极管Q1…Q2加上电阻元件构建了在MCU置高P01时，将二总线接至VH的的一个实施例，实现了高电平“1”的电压调制输出；当下行电压调制信号为“0”电平时，通过二总线BUSL1和BUSL2之间的负荷将总线电压拉至单向导电器件DM1导通而将二总线钳位在近似VL电平上。当然由三极管Q11、Q9等构成的电路可以帮助由“1”变“0”过程的速度，实现更高频率下的应用。

图4主站机[M]中，电容CM1、RM1构成的微分电路，电容CM2、RM2构成的微分电路，比较放大器AM1、AM2，可调偏置电源VM1、VM2，以及采样电感LM1共同构建了本发明主站机[M]的电流调制信号解调实施例电路。当[S]发送上行电流调制方波信号时，在电感LM1、电容器CM1、电阻RM1的作用下，产生一个微分信号，加在比较放大器AM1的输入端，而偏置电压VM1加在比较放大器的另一个输入脚上，产生比较偏置，相当于把整个采样信息加上了一个偏置电压，这时尽管在微分信号中既包含下降沿，也包含上升沿，但只有上升沿会被成为有效信号输出，因为其他信号都在偏置电压的作用下处于一个无信号输出的状态。在图2这个实施例中，比较放大器AM2由VM2产生了一个负电压偏置，比较放大器AM2可以检验出上行电流源信号的下降沿；比较放大器AM1由VM1产生了一个负偏置，比较放大器AM1可以检验出上行电流调制信号的上升沿。通过[M]中微处理电路单元[1] 的判断和处理就可以解调出上行电流信号。在二总线BUSL1和BUSL2之间的负载大小会影响输入比较放大器AM1和AM2的检测灵敏度。当二总线负载很重时，有效信号和干扰信号都会减小；而负载很轻时，有效信号和干扰信号都会很强。如在不同负载时用相同的偏置电压，那么，在负荷重时合适的偏置电压，在负荷轻的时候可能被过宽的沿影响解调，也可能被干扰信号干扰而误调解。本发明采用自动调节偏置电压VM1和VM2的发明。

为保证电流信号边沿的解调，本发明的一个实施例，其特征是在采样电感LM1两端并联有一个电容器CM，保证在上行电流信号上升沿和下降沿出现时有一个最好的谐振点，且所述谐振点保证上升沿信号和下降沿信号有最佳的宽度和幅度。

在图2从站机[S]中，二极管DS2、DS3、DS4、DS5是构成从站机无极性工作设计的一个实施例，串联在二总线中的电阻RS1、RS2是保护电阻，DS1是一个过压保护元件，用以削除过压脉冲危害。图2从站机[S]中，二极管DS6、电感LS1、电阻RS3、滤波电容CS1、稳压器件US1和滤波电容器CS2构成一个从站机电源供给实施例。这个所述实施例给从站机中的单元[6]提供稳压电源。由于二总线电路的电压可以达到20V至50V的高电压，稳压器件US1上的压降很大，器件的功耗容限会限制稳压电源的最大输出电流。本发明的一个实施例是在稳压器件US1输入端和输出端的外部引脚间并接一个旁流电阻RS，其电阻值和功率容限以保证稳压器件US1最大输入电压时最小工作电流的供应，这时，在US1输入最大电压时，稳压器的输出电流实际上是由外部电阻Rs提供的，而当US1输入电压降低时，虽然由US1提供的电流会增加，但US1上输入和输出间的压降减小，功耗增加有限。二极管DS7、电感LS2、电阻RS4、滤波电容CS3构成另一个从站机电源供给实施例，这个电源全部通过外部元器件提供，因此输出功率容限限制小，可以实现较大电流供给。

在图2从站机[S]中，一个实施例的二极管DS6和电感LS1、另一个实施例二极管DS7和电感LS2都是本发明的特征元件。在本发明的二总线系统中，二总线（BUSL1和BUSL2）不仅提供电源，而且还承载通信信息。这其中由主站机[M]发送至从站机[S]的下行电压调制信息实现过程中，由于主站机[M]数量少，成本、体积方面的限制小，允许设计强大的功率源来实现，可以在二总线间有电容且有大负荷存在的情况下，完成信号基本不失真情况下传送。但对数量多、分布广的从站机[S]来说，功率消耗高、部件体积大和产品成本高都难以接受。因此，从站机的一个上行电流调制的实施例，是使用10mA～50mA的电流，来调制上行电流调制信号。如果电路中没有所述的二极管DS6、电感LS1，或者没有二极管DS7、电感LS2，那么：

第一，贮存在电容CS1、CS2、CS3的电量就会倒灌到二总线，完全影响二总线系统的信息传送。

第二，所述使用10mA～50mA调制的电流调制信号的上升沿和下降沿就会被电容CS1、CS3 滤掉，以至于完全无法通信。本发明所有从站机[S]的所有接有滤波电容的功率电源电路前都接有二极管DSn（表示所述特征电路中的任一位置之二极管）和电感LSn（表示所述特征电路中的任一位置之电感）。电阻RS3、RS4是限流电阻，根据设计需要设计。本发明特征元件DSn和LSn的接入，可以确保本发明任务的完成：

首先，由主站机[M]发送下行电压调制信号时，初始的空闲状态以及“1”信号状态是二总线的BUSL1是接通VH的高电平，从站机所有电源即电容CS1、CS2、CS3经由二极管DSn、电感LSn处于充电状态，而电压调制信号调制后，在二总线为VL的低信号电平时，所有从站机的二极管DSn均处于反向状态，不仅保证了从站机电源的稳定，也保证了电压调制过程的低功耗、低失真率。

二极管DSn的一个实施例是使用具有单向导电特性的三极管、场效应管和开关管。

其次，从站机[S]向主站机[M]发送电流调制信号时，无论二总线间的负荷有多重、多大，只要本发明系统中，所有从站机的总负荷和总线间设计有本发明所述的LSn（表示所述特征电路中的任一位置之电感），存在有电感量，在电流调制信号的上升沿和下降沿都可以在主站机[M]中的LM1上产生上升沿和下降沿信号，完成电流信号解调。

由于一个完整的、有效信号有很多已知的规律。本发明的一个实施例，充分利用正常信息的规律性，进行设计，实现比较放大器AM1、AM2的偏置电压自适应调整。

本发明自适应调整是通过下述发明实现的：

a、让二总线处于空闲时，本发明总线处于“1”电平状态。当有一个有效的电流调制信号到达主站机[M]时，总是先有一个下降沿脉冲信号，再有一个上升沿信号；如果出现连续多个下降沿信号，一定表明产生下降沿信号的比较放大器AM2的偏置电压小了，造成干扰脉冲输出。本发明会不断监测INT1和INT2出现的次序，连续出现下降沿脉冲信号时，MCU会发出指令增加DA1的数值，从增加AM2的偏置电压值时，实现自动适应。当连续出现上升沿脉冲信号时，MCU会发出指令提高DA1的数值，增加AM1的偏置电压值，实现自适应；

b、所述二总线系统的通信波特率，是可以告知MCU的。当MCU已知通信波特率后，若发现下降沿和上升沿的间隔小于波特率，说明偏置电压低，本发明会通过软件依据下降沿还是上升沿的问题，针对性提高DA1或DA2的数值，从而自适应调整比较放大器的偏置。

所述主站机装置，至少有由MCU控制的两路数字电压输出DA1和DA2，其特征是：

a、比较放大器AM2、AM1有由DA1和DA2控制的偏置电压VM2和VM1；

b、自动调节的数字电压DA1和DA2输出是加至三极管Q13、Q14基极，通过改变三极管基极电压进而改变集电极电流，再由所述集电极电流生成可调整比较放大器偏置电压实现的。

本发明的一个实施例，三极管是选用具有类似功能的场效应管实现的。在由基极电阻和三极管构成的开关功能电路中，一个实施例是选择内置在三极管内的器件实现的。本发明的一个实施例，将电路经过场效应管改造后集成在一个集成电路中。

在本发明中，比较放大器AM1、AM2采集的是电感LM1上的上行电流调制信号，偏置电压亦以电感LM1处的电平为参考电平，而且比较放大器均工作在二总线空闲的“1”状态，BUSL1电平接近VH，这使得比较放大器的输入电平均工作在VH附近。本发明为解决这个问题，一个实施例，比较放大器AM1、AM2的电源分别接在VL和比VH高V0的电源上，其一降低了比较放大器的工作电源电压，其二保证了比较放器工作在放大区。一个实施例，V0是2V～10V的非稳压电源。在本实施例中，比较放大器选用开漏输出器件。一个实施例比较放大器选用了开漏输出的2903双比较器，用一个器件完成AM1和AM2的任务。在本发明实施例中，MCU参考地是GND，而比较放大器的参考地是VL，处在不同参考电平上，本发明实施例一路通过三极管Q4、Q6，电阻R9、R11、R15、R12进行电平转换；另一路通过三极管Q5、Q7，电阻R10、R13、R16、R14进行电平转换。本发明的另一个实施例，采用耐压满足要求的专用电平转换集成电路。

图5是等效开关KM1的一个实施例。图中MCU是微处理电子单元[1]的组成部分。在[M]发送下行电压调制信号期间，由MCU的输出IO引脚P03、P04（它指设计中的特定IO口，并不代表具体芯片中的引脚）置高电平，一路通过电阻R34、R33至三极管Q31导通，再通过电阻R31、R30驱动发射极与VH连接的三极管Q30，再通过电阻R32、R35，驱动NPN型功率三极管Q32及限流电阻R36，实现采样电感LM1在一个方向上的短路接通；另一路通过电阻R39、R41、三极管Q34、电阻R38、R37，驱动PNP型功率三极管Q33及限流电阻R40，实现采样电感LM1在一个方向上的短路接通。

所述主站机装置电压调制中的“1”电平电压产生电路，至少有一个由三极管Q3构成的驱动源电路，其特征是：

a、驱动三极管Q3集电极是通过限流电阻R5接在比VH低2V～5V电压源上的；

b、被驱动的功率三极管Q1……Q2由多个三极管构成；

c、每个功率三极管Q1……Q2的发射极均接有阻值相同的均流电阻。

所述主站机装置，至少有采样电感LM1、单向导电器件DM1,其特征是：

a、当二总线中BUSL1由等效电子切换单元KM2断开与VH的连接后，二总线“0”电平是由二极管DM1在二总线负荷下拉供电实现的；

b、在主站机[M]下行电压调制信号发送期间，等效电子开关KM1将采样电感LM1等效短接。

发明的效果：

一种使用二总线可以同时提供电源和进行通信的主站机装置，通过将下行信号调制成由高压信号调制区段和低压保障电源区段构建的电压调制信号，实现主站机装置通过二总线完成与从站机群的通信和向从机群提供电源的发明任务，通过主站机等效电子开关电路实现了大功率下行电压信号的调制；通过接收采样元件使用直流电阻极小的电感LM1，上行电流调制信号采用由微分电路分解出来的上升沿和下降沿进行比较放大后用软件判别解调，实现大功率、重负荷、远距离下的通信，完成了本发明的任务。本发明只需两条导线，既可通信又提供电源，通信速率高、距离远，可广泛用于允许布线的物联网系统中。

Claims (5)

1.一种使用二总线可以同时提供电源和进行通信的主站机装置至少有接收从站机电流调制信号的电感LM1、有依据待调制下行通信信号进行切换的等效电子切换单元KM2，其特征是：

a、主站机[M]下行电压调制信号是由调制下行通信信息的高电压区段和保障从站机供电的低电压区段构成的；

b、主站机[M]上行电流信号接收电路有串接在二总线BUSL1和电压调制电路的采样电感LM1；

c、主站机[M]上行电流信号接收电路有电容CM1、电阻RM1和电容CM2、电阻RM2构成的微分电流脉冲沿接收电路，有采集上行电流调制信号下降沿和上升沿的比较放大器AM2和AM1；

d、采集上行电流调制信号下降沿和上升沿的比较放大器AM2和AM1有可以由微处理电路单元[1]控制的偏置电压VM1和VM2。

2.根据权利要求1所述主站机装置，至少有采样电感LM1、单向导电器件DM1,其特征是：

a、当二总线中BUSL1由等效电子切换单元KM2断开与VH的连接后，二总线“0”电平是由二极管DM1在二总线负荷下拉供电实现的；

b、在主站机[M]下行电压调制信号发送期间，等效电子开关KM1将采样电感LM1等效短接。

3.根据权利要求1所述主站机装置，至少有由MCU控制的两路数字电压输出DA1和DA2，其特征是：

a、比较放大器AM2、AM1有由DA1和DA2控制的偏置电压VM2和VM1；

b、自动调节的数字电压DA1和DA2输出是加至三极管Q13、Q14基极，通过改变三极管基极电压进而改变集电极电流，再由所述集电极电流生成可调整比较放大器偏置电压实现的。

4.根据权利要求1所述主站机装置中电压调制中的“0”电平电压产生电路，至少有一个由电阻R17和三极管Q8构成的限制电路，其特征是：

a、三极管Q8是一个PNP型三极管，三极管基极经过电阻R17直接和VL相连接；

b、三极管Q8的发射极经过一个非必需二极管接在二总线BUSL1的供给线上，三极管Q8的集电极提供给放电电路使用。

5.根据权利要求1所述主站机装置电压调制中的“1”电平电压产生电路，至少有一个由三极管Q3构成的驱动源电路，其特征是：

a、驱动三极管Q3集电极是通过限流电阻R5接在比VH低2V～5V电压源上的；

b、被驱动的功率三极管Q1……Q2由多个三极管构成；

c、每个功率三极管Q1……Q2的发射极均接有阻值相同的均流电阻。