单线集供电和通讯技术的探讨

龙逸

摘要：在两线的主从通讯电路里，利用电源 VCC线来作为供电和数据交换线，供电端主机需要一个恒流源给下位机供电，在没有数据交换时即主机直接供电给从机，在有数据交换时从机通过一个整流二极管来整流通讯信号来获得电系统工作电源，通过合适的协议，使得通讯时从机可以获得稳定工作电源，因只有两根线，成本大幅下降，且优化布线空间。

关键词：串口通讯、恒流源、主从机、发送、接收

一、背景技术

在家电领域很多双MCU的控制器基本都采用串口通讯技术，这种技术传输可靠，传输距离远，抗干扰性强。这类通讯主要在主从控制系统采用四跟线：即VCC，GND，TX，RX，VCC和GND主要是给从机供电;由于成本的原因，也有采用三根线：VCC，GND，TX和RX共用一芯，节省一根线，所以通常最少都要用三根线来连接主从之间来进行数据传输和控制。

二、现有主流两种通讯的优缺点

2.1.1 四线上下位机通讯的技术方案

通常称之为串口通讯，即一根发送数据TX，一根接收数据RX，两者是收发分开，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据，如果加上供电的VCC和GND，这样就是需要四根线来完成这个上下位机的供电和通讯功能。

电路如图（一）： 上位机的TX对应下位机的RX，上位机的RX对应下位机的TX，线路上串接电阻和电容为提升抗干扰能力作用。

2.1.2 此技术方案的优点

由于很多单片机都有自带的UART口，所以在软件处理上简单，只要设定波特率往寄存器里放需要发送的数据就可以了。

2.1.3 此技术方案的缺点

由于是采用串口的通讯方式，所以需要四根线，连接线的成本比较高。

2.2.1 三线通讯的技术方案

此技术方案也是属于串口通讯的领域，但采用三线通讯，即收发数据都是同一根线，这样就需要上下位机有约定的协议，双方按照此协议来进行数据通信，此关键处是主机发送完数据后需要一个约定的码来确定数据已经发送完，从机在收到这个结束码后由接收转换成发送，主机由发送转成接收。此方案传输的数据有限，但基本都能满足传统家电产品控制器数据不多的系统要求。

如图（二），电源+5V，GND，数据线，三线，主从电路一致，D20为箝位二极管，保护通讯线上的三极管，使的通讯线上的电压保持在-0.7—5.7V之间。R93，R94，R92，TR1，R91，R90，C90构成接收电路，C91，R95，TR2，R97，R96构成发送电路。当主机发送数据时：TXD端高电平时，TR2导通，从机的TR1截至，即从机接收端RXD为高电平，反之为低电平，这样完成了数据的传输。

2.2.2 此技术方案的优点

相对于传统串口通讯来讲，节省了一根线，成本有一定的优势。

2.2.3 此技术方案的缺点

虽然已经比传统串口通讯方案少了一根线，但还是需要三根线来完成上下位机的数据传输，成本还是较高。

三、单线通讯

3.1单线通讯需要解决的技术问题

由于家电控制器行业的竞争压力越来越大，成本要求越来越严，四线或三线在成本和所需要占的走线空间都有一定限制，成本肯定要高，且一些电器的走线空间有限，无法穿过（例如冰箱的显示部分在门上，控制部分在其他地方，所以需要用连接线通过门轴来连接，但门轴的孔很小，不方便穿过，且线较粗容易与门轴摩擦导致异常），以及一些线控类产品，涉及到上下位机通讯的都可以应用。

为了解决上述问题或是缺陷引出单线通讯解决方案。

3.2单线通讯的完整技术方案

此技术方案主要包括上下位对应的电路，对于上位机部分：根据电器的上下位机的远近来选择合适的电源，连接线越长就用电压比较高点的，本文因为连接线达几米所以选用12V，这样就是考虑连接线的一些阻抗，确保通讯能得到可靠的高低电平信号，三极管TR102，TR103，R122，R121以及12V电源组成恒流源，电流的大小由R122的参数来定，在本技术分析报告里的电流大小约为10毫安：（0.6/62=0.0096A，0.6V为三极管的Vbe），R112，R124，C108，TR104组成发送電路，R110，R111，R109，D106组成接收电路，TR102，TR103三极管的基极可以各接一个10欧的电阻，以构成偏置和限流电路。上下位机没有数据传输时，数据线就是电源线，其跟GND一起给下位机提供电源，当要通讯是，上下位机可以分别发送数据给到对方，但需要分时，即任何端都是需要在接收完后才能发送数据，具体需要根据程序编写者定义的通讯协议来设定。图（三）为上位机的电源和通讯原理图。

下位机是由系统工作电源是由D202，R222，ZD201，C201，C202组成，TR201，R216，R212，C205组成发送电路，R213，R214，R215，D201组成接收电路，下图（四）为下位机电源和通讯电路。

3.3此技术方案实现的详细过程：

3.3.1 恒流源的实现过程

系统一上电，三极管TR103开始导通工作，由于在基极中有电流流动，TR103中就会有集电极电流流过，发射极电流流过R122后在R122两端会产生电压降。当R122两端的电压降达到0.6V时，TR102会随之导通，TR102的集电极电流流经R121，对TR103的基极电流形成分流，TR103的基极电流会随之减小，集电极电流也随之减小。因此TR102导通之后会对TR103的基极电流产生限制作用，使电路的输出电流稳定于某一个电流值。恒流电流的大小由R122的电阻值和TR102的Vbe决定。

3.3.2 主从机的发送和接收实现过程

TX高电平信号使的三极管TR104导通时，由于为恒流源电源，所以电源线的电平直接为低（到地），从机上由于R213，R214都接到地，所以RX通过电阻R215上读到为低电平信号，反之，如果主机TX端为低电平信号时，TR104截止，从机RX端读取到高电平信号（近似11V通过R213，R214分压得到4.3V的电平），这样实现了主机的数据传输，只是信号取反即可。从机的信号发送实现过程是，首先在没有数据传输时，电源直接通过D202和电阻R222以及稳压管ZD201形成5V芯片工作电压，二极管D202的作用是在通讯时实现隔断从机的电源和对通讯时进行整流，以便给从机单片机能正常供电。从机发送数据过程跟主机一样，也是TX为高电平时TR201导通，集电极到地，主机的RX端读到低电平信号，反之，读到高电平信号。重要一点就是通讯协议的1和0需要定义为高低脉冲型号，以确保在通讯时实现边传输数据边给从机提供电源。

四、结束语：

通常控制器都需要电源，所以都需要两根线，即VCC和GND，或是交流的L/N输入通过转换得到系统工作的电源，所以系统要工作就必须有电源，本技术方案就是利用电源线的VCC线来复用，这样可以节省上下位机之间的通讯线。

由于只有两根线，所以对于一些布线紧凑的控制系统可以节省空间，尤其是对于一些上下位机需要通过穿过门轴连接的电器，由于线少，所占空间小，减少了线与门轴之间的接触和摩擦，提升了电器的可靠性。

本技术已经申请发明专利，并取得国家发明专利证书，并已经用于公司产品上，已经批量生产并取得很好的经济效益。

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