用电源线实现数据传输的测控网络设计

武洪涛

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

用电源线实现数据传输的测控网络设计

武洪涛

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

为了简化测控网络线路结构和提高从机效率，提出了一种在电源线上实现双向数据传输的方法。系统采用直流电压源供电，用正电压脉冲实现由主机到从机的数据传输，用电流的变化实现从机到主机的数据传输；从机检测电压变化，输出电流变化，避免了从机处理来自其他从机的信号。在波特率9600bps，3000m距离传输稳定可靠，是一种较好的数据传输方法。

现场总线；数据传输；电压调制；电流调制

现场总线是小型测控系统不可缺少的组成部分，总线承担设备之间的双向数据传输任务。随着计算机技术的发展，现场总线得到了广泛的应用[1]。现场总线的应用优化了现场设备之间的线路连接结构，用数据脉冲传输替代了模拟信号的传输，提高了抗干扰能力。外设以微处理器为核心，具有智能数据处理能力，实现了现场采集现场控制，减少了数据传输量，避免了主机的繁忙工作，提高了系统性能。为了进一步简化系统和提高性能，笔者提出了一种在供电电源线上实现总线数据传输的方法。

1 数据传输原理

数据传输分为单向数据传输、双向数据传输和总线数据传输，单向数据传输是一个信号独占一个传输线路，线路的一端输出信号，另一端接收信号，不会发生改变；双向数据传输多采用时分方式，线路的两端都有信号输出电路和信号接收电路，2个输出电路不能同时工作，必需有一个协调机制实现分时工作来避免冲突；总线数据传输有多个设备在一个线路上相互连接，每个设备都有数据输出电路和接收电路，除了要解决每个设备的输出和输入状态控制以外还要考虑设备之间的相互影响[2]。

RS-232(recommeded standard)采用双极性不归零编码，以提高电压幅度的方法来提高抗干扰的能力，接口电路简单，在线路上采用接收、发送分开的办法来避免干扰,即全双工工作方式[3]，常规的RS-232接口电路由于输出电路没有三态功能，只能支持单向传输，采用双线路实现双向传输。

RS-485采用差动传输，提高了抗共模干扰的能力，接收信号检测门槛降低，同时降低了输出电压，接口输出电路具有三态功能[3]，输出接口可以相互并联分时工作，可以实现双向数据传输。在总线连接结构的测控网络中被广泛采用[4]。通常所有设备都处于接收状态，可以接收到所有其他设备的输出信号，接收的无效的数据比较多。

图1 系统结构框图

CAN(Controller Area Network)总线采用差动传输，为了解决总线竞争问题，采用总线状态监听机制[5]，在发送数据的同时还要对每个数据位进行检查，电路相对复杂，必须采用专门的接口模块。

为了进一步简化线路，笔者设想采用电源线路实现数据传输的方法[6，7]，线路结构如图1所示。

电源的传输采用直流方式，数据传输采用脉冲方式[8]，主机到从机的下行信号采用正脉冲表示，叠加在正电源线上传输到从机，从机的输出信号通过开关电路接入负载电阻来加大电源供电电流来实现，变化量设置在10mA左右，上位机通过检测回路电流的变化来获得数据信息，不需要单独的传输线路；由于从机电流的变化引起的总线电压变化远小于下行信号的幅度，不会被其他从机所接收，从而不可能影响其他从机的工作，消除了485总线、CAN总线还要过滤从机输出信号的问题。

2 电路设计

总线传输系统的电路结构如图1所示。上位机由PC机担任，使用标准的串行接口，输出信号为RS-232格式，下位机由单片机担任，可以有多个下位机。

把上位机传递给下位机信号称为下行信号[9]，从上位机输出经过信号处理电路、极性变换和放大处理后叠加在电源线上传输给下位机，下位机的脉冲检测电路识别电源线上的脉冲，将其变成TTL格式的信号送给下位机。

把下位机传递给上位机的信号称为上行信号，从单片机输出经电流调制电路变成总线电流的变化，电流检测电路检测电流的变化[10]，经信号处理电路变成上位机可以接收的信号，送给上位机。

上位机接口电路如图2所示。D3将上位机输出的负电平去掉，Q2将正脉冲变成低电平使Q1导通，通过C1在总线上输出一个高出电源电压的正脉冲，当脉冲结束时Q3导通恢复C1上的电压到初始状态。

图2 上位机接口

图3 下位机接口(脉冲检测与电流调制电路)

TR1检测总线电流的变化，增大时输出正脉冲，减小时输出负脉冲。

U2:A构成放大电路，U2:B构成迟滞比较器，当正脉冲到来输出变为高，当负脉冲到来输出变成低，当电流不变化时，由于输入信号在高门槛和低门槛之间，输出保持原来状态不变，迟滞比较器的输出和下位机的输出信号相同。

下位机接口电路如图3所示，当总线上有正脉冲时Q1导通，输出低电平给单片机串口，当总线为电源电压是Q1关闭，输出保持高电平。

当下位机输出低电平时，经反相器使Q2导通总线电路加大，当下位机输出为高电平是Q2关闭，这样保障没信号输出时为小电流状态。

下行信号的波形如图4所示，上行信号的波形如图5所示。

3 结 语

笔者的设计思想是将总线上的上行数据与下行数据用不同的形式表示，使从机的输出信息与接收信息有着不同的表示形式，避免了从机输出信息被其他的从机接收，可以节省较多的数据检测时间，减轻从机CPU的负担，这种总线构成形式可以把供电线路和数据传输线路合并在一起，减少了传输线的数量，使总线的连接更加简单。

这种总线传输方式适合于PC作为主机，多个单片机作为从机的测控系统，由于两者都有现成的串行接口，可以大大降低系统的设计成本，采用集中供电方式，简化了从机系统的供电线路。当外设较多、工作电流比较大和传输距离较远时，必须提高供电的电压，也可以采用单独设置电源线。在试验过程中，最大总供电电流100mA，传输距离3000m，波特率9600bps，得到了满意的传输效果。

[1]马献果,曹奇英，焦阳.现场总线技术的应用及发展[J].石油化工建设，2006，(3)：23～44.

[2]胡少兵,武洪涛.基于UART的小型测控网络设计[J].现代电子技术，2006，(3)：104～106.

[3]刘乐善.微型计算机接口技术及应用[M].武汉：华中理工大学出版社，2005.

[4]陈跃飞,樊利民.基于RS-485总线的电子设备测控系统的设计[J].电子技术，2008，(1)：15～18.

[5]朱齐丹,汪瞳.CAN通信物理层建模与仿真[J].计算机工程与应用，2008，(36)：11～15.

[6]田亮,刘鑫屏.一种总线供电的现场总线智能仪表设计方案[J].中国仪器仪表，2001，(4)：16～18.

[7]王峻松,朱潇挺.一种改进的寄生供电串行通信总线及其收发器[J].微电子学，2007，(6)：882～886.

[8]高雪.HART协议现场总线技术应用浅析[J].科技信息，2008，(27)： 430.

[9]王鸿昌,李宝康.HART技术的特点及进展[J].自动化与仪器仪表，2002，(4)：1～11.

[10]田亮,乔弘.LIN总线协议分析[J].中国仪器仪表，2004，(3)：5～6，29.

[11]谷威昭，方滨. 基于普通单片机的LIN协议实现方案[J].单片机与嵌入式系统应用，2005，(7)：5～11.

[编辑] 易国华

TN919

A

1673-1409(2009)03-N074-03

2009-06-01

武洪涛(1958-)，男，1982年大学毕业,副教授，现主要从事计算机接口及应用、现场总线技术、测控系统原理方面的教学和研究工作。