專利名稱：差分通訊單總線數字傳輸裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種單總線數字傳輸裝置，特別涉及一種具有差分通訊功能的單總線數字傳輸裝置，屬于信號檢測及總線數字傳輸設備。
現就應用于溫度檢測及傳輸領域加以說明經申請人調研及查閱資料，目前常用的單總線數字溫度傳感器，如《電子技術應用》雜志(2000年第6期第31-32頁及66-68頁)“用單總線技術設計環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)”一文及“單總線溫度傳感器的原理與應用”一文中介紹美國達拉斯(DALLAS)半導體公司近年生產的單總線數字溫度傳感器DS1820芯片，可把溫度信號直接轉換成串行數字信號供主機(微機或單片機)處理，由于每個芯片具有唯一的序列號(即身份證號)，所以，在一條總線上可掛接多個DS1820芯片，并可被唯一地識別。因而，僅需一根數據總線(芯片與主機共地構成回路，確切講是二總線。)即可完成地址、數據、控制信號的雙向傳輸，同時，主機還通過該數據線向DS1820芯片的電容充電，以構成芯片的工作電源，使現場的芯片無需自備電源即可工作?？梢姡_拉斯公司生產的單總線數字溫度傳感器DS1820芯片以及相應的單總線傳輸裝置具有構成簡單、性能價格比高等特點。但是，上述芯片及單總線技術設備存在一定的缺陷，即采用的是一根數據線及一根公共地線構成的單端方式進行數字信號通訊的，此種方式存在如下缺點1．共模抑制能力低，在通訊的過程中容易受到各種電磁波的干擾，使通訊的誤碼率高。
2．由于是單端方式通訊，類似RS232通訊標準，因而對數字信號的幅值要求較高。傳輸距離較短(50米)。
3．對線路按裝要求較高，由于通訊線路安裝時經常采用樹狀結構，存在很多分叉，單端方式傳輸要求分叉后距離很短(一般不超過數米)。否則，容易形成反射，造成信號波型失真，導致通訊失敗。
本發(fā)明的目的，是為了提供一種具有差分方式通訊功能的單總線溫度傳感器及總線傳輸裝置。與現有傳輸裝置相比，能使單總線傳輸處于差分方式工作狀態(tài)，因而，具有很高的共模抑制比，提高了通訊的可靠性。
為了達到上述目的，本發(fā)明所涉及的單總線差分方式通訊裝置包含一組差分模塊(差分通訊芯片)及一組場效應晶體管(MOSFET)構成的電子開關。溫度傳感器方面，包含有一只差分模塊以及兩只電子開關，一只安裝在信號傳輸通道，另外一只安裝在傳輸總線與地線之間。主機方面，包含有一只差分模塊以及三只電子開關，一只電子開關安裝在信號傳輸通道，另外兩只分別安裝在充電電源端與傳輸總線之間以及地線與傳輸總線之間。電子開關的控制端與主機的I/O口線相聯(lián)。
上述發(fā)明的差分傳輸單總線溫度傳感器以及差分方式通訊裝置，其工作原理如下當系統(tǒng)開始工作時，主機的I/O口首先發(fā)出控制信號給由MOSFET場效應晶體管構成的電子開關控制端(既MOSFET器件的柵極G)，使主機差分通訊芯片的傳輸線與總線之間的電子開關斷開(高阻態(tài))，而使主機的地線與傳輸總線之問的電子開關以及主機的充電電源端與傳輸總線之間的電子開關閉合(低阻態(tài))。傳感器方面總線之一經二極管接至傳感器的充電電容，總線另一根經電子開關接至傳感器的地線，此時總線為充電電壓占有。主機將通過總線向所有掛在總線上的傳感器的電容充電，為其提供電源。充電結束后，主機發(fā)出控制信號，斷開上述電子開關，而把差分傳輸模塊與總線之間的電子開關閉合，使主機能夠進行差分方式通訊。通過主、從通訊方式向所有傳感器發(fā)布通訊信息。傳感器方面則利用MOSFET器件的特性，即源、柵、漏三極分別接至低電位、控制信號、高電位。在本發(fā)明線路中，其導通原理為當柵極G電位高于漏極D電位時，源、漏之間導通，導通電阻毫歐姆數量級，相當于電子開關閉合。反之，當柵極G電位低于漏極D電位時，源、漏之間截止，導通電阻兆歐姆數量級，相當于電子開關斷開。利用MOSFET場效應晶體管這一特性，傳感器方面的電子開關通過感知總線上的電位情況，自動進行切換。當主機向傳感器電容充電時，傳感器方面的兩只電子開關的源、柵、漏狀態(tài)使之切換至電容充電狀態(tài)。而當主機與傳感器進行通訊時，傳感器方面的兩只電子開關的源、柵、漏狀態(tài)則使主機的差分傳輸端與傳感器的差分傳輸端相聯(lián)，從而完成單總線差分傳輸數字通訊。
因此，當本發(fā)明所述的差分傳輸單總線溫度傳感器及差分方式通訊裝置，應用于單總線數字通訊時可顯示出很大的優(yōu)越性同樣單總線數字傳輸，差分傳輸距離較遠，對線路安裝要求不高，對各種電磁波的共模干擾具有很強的抑制能力，提高了通訊的可靠性。
本發(fā)明將結合附圖并通過如下實施例加以說明，其中

圖1為現有技術構成的單端方式通訊的單總線溫度檢測裝置；圖2為本發(fā)明所述差分方式通訊的單總線溫度檢測裝置的主機內部結構框圖3為本發(fā)明所述差分方式通訊的單總線溫度傳感器內部結構框圖；圖4為本發(fā)明所述差分方式通訊的單總線裝置通訊波形的時序圖；圖5為本發(fā)明所述差分方式通訊的單總線溫度檢測裝置的主機部份的原理圖；圖6為本發(fā)明所述差分方式通訊的單總線溫度檢測裝置的傳感器部份的原理圖；以下結合附圖，對本發(fā)明的具體實施方案作進一步說明。
如圖1所示現有單端方式通訊的單總線溫度檢測裝置89C51單片機1的P1.0口接至由MOSFET場效應晶體管構成的電子開關2的控制極(柵極G)。P1.0口輸出為高時，場效應晶體管導通使傳輸總線4與VCD充電電源相接，主機通過掛在總線上的DS1820溫度傳感器3、5、6內部二極管11向其電容10充電，使其有足夠的能量進入工作狀態(tài)。89C51單片機1的P1.1口作為發(fā)送口Tx，P1.2口作為接受口Rx與數字溫度傳感器DS1820芯片進行單總線單端方式(半雙工)通訊。圖1中3、5、6均為掛在總線上的DS1820芯片，圖1中6為DS1820芯片管腳及內部結構圖，芯片管腳7為地線GND端與主機地線相聯(lián)，8為信號線DQ端接至單總線信號端4,9為電源VDD端，在無自備電源時與芯片地線GND端相聯(lián)，以構成單總線單端方式通訊。圖1中10、11、為DS1820芯片內部電容和二極管構成單方向充電回路。圖1中12、13、14、15、16、17分別為序列號(即身份證號)64bitROM存儲單元、通訊收發(fā)的存儲器控制邏輯電路、用于檢測溫度的溫度傳感器及上、下限控制電路、檢測溫度的存儲器、可使數據交換可靠的8位CRC校驗電路及電源檢測電路。上述電路確保主機與掛接在總線上多個DS1820芯片進行單總線單端方式通訊，并向芯片提供電源。
圖2為本發(fā)明所述差分方式通訊的單總線裝置的主機內部結構框圖。如圖2所示主機部份為與現場隔離，單片機20通訊發(fā)送口Tx經驅動器21通過光電隔離器22a加在差分傳輸模塊23上，將單端方式傳輸轉換成雙端A、B差分方式傳輸。單片機20控制信號經驅動器28并通過光電隔離器27加在由MOSFET場效應晶體管構成的電子開關24、25、26控制端上。當主機部份向單總線溫度傳感器發(fā)出VCD充電電壓時，單片機20的I/O發(fā)出控制信號使電子開關24斷開，而25、26閉合，此時傳輸總線29a、29b兩端為VCD充電電壓端與地端占有。充電結束后，單片機20發(fā)出控制信號使電子開關25、26斷開，而24閉合。此時，傳輸總線兩端29a、29b為差分通訊兩信號線占有，單片機可與溫度傳感器進行差分方式單總線串行通訊。
圖3為本發(fā)明所述差分方式通訊的單總線溫度傳感器內部結構框圖。當主機部份向單總線溫度傳感器發(fā)出VCD充電電壓時，傳感器中電子開關39通過電平轉換器30降壓后感知總線上的電位情況，因柵極G高于漏極D而閉合；電子開關32因柵極G低于漏極D而斷開，總線處于電容充電狀態(tài)。充電結束后，主機與傳感器進行通訊時，電子開關39因柵極G電位低于漏極D而斷開，電子開關32因柵極G高于漏極D而閉合，使傳感器差分模塊38的差分傳輸端A、B與總線傳輸端40a、40b相聯(lián)，并進而與主機的差分傳輸端相聯(lián)，從而完成單總線差分傳輸數字通訊。差分模塊38把差分傳輸信號轉換成單端傳輸信號與單片機37通訊。單片機37與地址開關34構成傳感器唯一地址編碼，以區(qū)別于總線上其他傳感器。熱敏電阻35與時基電路36共同構成溫度采集、轉換部份，并將溫度信息交單片機處理。二極管31、電容33a、33b共同構成單方向充電電路，電容33a、33b充電后分壓，以便給單片機37、差分模塊38等芯片提供適當的電源。
圖4為本發(fā)明所述差分方式單總線通訊波形時序圖。圖4中A段時序為主機向傳感器發(fā)出VCD充電電壓，B段時序為VCD充電電壓切換至差分傳輸兩信號線的時間間隔，C段時序為主機與傳感器之間半雙工差分通訊的過程。C1段為主機向傳感器發(fā)出地址、控制及數據編碼的差分信號，選擇傳感器和通訊內容。C2段為傳感器向主機發(fā)出的應答信號、溫度信號及用于描述現場的各種報警信息。D段為從差分傳輸兩信號線切換至VCD充電電壓的時間間隔。然后，重新開始A、B、C、D段的通訊過程。但此時，主機已開始與另一傳感器進行通訊了。
圖5為差分方式通訊的單總線溫度檢測裝置的主機部份的原理圖。單片機20的TXD端通過驅動器21及高速光電隔離器22a與差分通訊芯片23的數據輸入端DI相聯(lián)，并轉換成差分信號由芯片23的A、B端輸出，當電子開關25、26斷開，24導通時，主機與傳感器之間進行差分通訊。從傳感器向主機返回的差分信號由差分通訊芯片23的A、B端輸入，并轉換成單端信號由芯片23的RO端輸出，經高速光電隔離器22b接至單片機20的RXD端，從而完成主機與傳感器之間的差分通訊。單片機20的I/O口P00端經驅動器28a接至光電隔離器27a的輸入端，其輸出接至差分通訊芯片23的控制輸入端RE、DE，以控制通訊方向，完成主機與傳感器之間的半雙工差分通訊。單片機20的I/O口P01、P02端經驅動器28b、28c接至光電隔離器27b、27c、27d的輸入端，其輸出接至電子開關24、25、26的控制端。當單片機20的I/O口P01為低，P02為高時電子開關25、26導通，24關斷?？偩€輸出端29a、29b分別接至VCD(7V)充電電壓端及VSS(地)端，主機向傳感器發(fā)出VCD充電電壓。當單片機20的I/O口P01為高，P02為低時電子開關25、26關斷，24導通，總線輸出端29a、29b分別接至差分通訊芯片23的A、B端，從而完成主機與傳感器之間的差分通訊。
圖6為差分方式通訊的單總線溫度檢測裝置傳感器部份的原理圖。圖6中40a、40b為總線輸入端。當主機向傳感器電容充電時主機VCD充電電壓經總線輸入端40a、二極管31向電容33a、33b充電，電容33a、33b接成串聯(lián)分壓方式，分別給傳感器芯片提供電源電壓，給電子開關32控制端提供適當的電位。充電時，由于電子開關32柵G、源S、漏極D電位的設置使其處于高阻態(tài)，對差分通訊芯片38的A端無影響。充電電壓經電阻30b擊穿穩(wěn)壓管30a，經降壓后給電子開關39柵極提供適當的電位，使電子開關39處于低阻態(tài)，總線輸入端40b與地端相聯(lián)，使充電電壓構成回路。充電結束后，主機向傳感器發(fā)出差分通訊信號，由于信號幅值僅為5V，二極管31處于反向偏置而阻斷，而穩(wěn)壓管30a穩(wěn)壓數值高于5V無法擊穿，處于斷路狀態(tài)，此時，電子開關39柵極經電阻30c接地而處于阻斷狀態(tài)。而此時，電子開關32柵G、源S、漏極D電位的設置使其處于低阻導通狀態(tài)。總線40a端與差分通訊芯片38的A端相聯(lián)，總線40b端與差分通訊芯片38的B端相聯(lián)，使總線與傳感器差分通訊構成回路。差分通訊信號經差分通訊芯片38的A、B端轉換成單端信號，并由芯片38的RO端輸出接至單片機37的串行輸入端RXD。單片機37的串行輸出端TXD經差分通訊芯片38的DI輸入端轉換成差分輸出，經其A、B端及電子開關32接至總線端40a、40b，從而完成傳感器與主機之間的半雙工差分通訊。圖6中34為DIP地址開關，通過設置與單片機37共同構成傳感器特定地址。時基電路芯片36與外接的熱敏電阻35共同構成溫度/頻率變換器。當測量現場溫度變化時，熱敏電阻35的阻值發(fā)生變化，時基電路芯片36的振蕩頻率隨之變化，代表不同溫度的頻率信號由芯片36的Q端輸出，接至單片機37的TO輸入端，被單片機采集、處理、并轉換成單端串行通訊數據，再通過芯片38變換成差分串行通訊數據，然后經電子開關32及總線端40a、40b傳送給主機，從而完成與主機的單總線溫度檢測的差分方式通訊。
比較本發(fā)明所述差分方式單總線串行通訊裝置和上述單端方式單總線串行通訊裝置的實驗結果，本裝置傳輸距離可達1200m，單端方式單總線串行通訊裝置傳輸距離僅為50m。由于差分傳輸具有很高的共模抑制比，對傳輸沿途各種干擾信號具有很強的抑制能力，提高了通訊的可靠性。在克服波形失真、信號衰減等方面也明顯優(yōu)于單端方式傳輸，因而，可提高通訊數據速率，由單端方式單總線的最大值20(Kb/s)增加至差分方式單總線的500(Kb/s)，大幅度提高了通訊效率。
以上已結合實施例對本裝置作了詳盡的說明，本領域技術人員不難根據本裝置的原理作出若干改型，但它們不會超出本發(fā)明權力要求所限定的精神與范圍。
權利要求
1．一種差分通訊單總線數字傳輸裝置，含有以單片機(20)、驅動器(21、28)、光電隔離器(22a、22b、27)、差分模塊(23)、電子開關(24、25、26)構成的主機，以及單片機(37)、時基電路(36)、熱敏電阻(35)、地址開關(34)、電子開關(32、39)、二極管(31)、電容(33a、33b)、電平轉換器(30)、差分模塊(38)構成的溫度傳感器，其特征在于，主機與溫度傳感器之間進行單總線數字傳輸時，通過一組差分模塊(23、38)以及一組電子開關(24、25、26)、(32、39)自動切換進行的，主機向傳感器的電容充電時，單片機(20)發(fā)出控制信號使電子開關(24)斷開，而(25、26)閉合，此時傳輸總線(29a、29b)兩端為充電電壓與地端占有，傳感器中電子開關(39)閉合，電子開關(32)斷開，總線處于電容充電狀態(tài)，充電結束后，單片機(20)發(fā)出控制信號使電子開關(25、26)斷開，而(24)閉合，傳輸總線(29a、29b)兩端為差分通訊兩信號線占有，傳感器的電子開關(39)斷開，電子開關(32)閉合，使傳感器差分模塊(38)的差分傳輸端與主機的差分模塊(23)差分傳輸端經傳輸總線(29a、29b、40a、40b)端相聯(lián)進行差分通訊。
2．根據權力要求1所述的差分通訊單總線數字傳輸裝置，其特征是，當所述的電子開關(25、26)斷開，而(24)閉合，電子開關(39)斷開，電子開關(32)閉合時，傳輸總線從共地的充電狀態(tài)切換至差分傳輸狀態(tài)。
全文摘要
一種差分方式通訊單總線數字傳輸裝置,包括單片機及外圍電路構成的主機和單片機、時基電路芯片、熱敏電阻構成的溫度傳感器。在兩者之間進行單總線數字通訊時,增加了一組差分通訊芯片以及一組自動切換的電子開關。在保持單總線數字傳輸裝置構成簡單、性能價格比高等特點同時,進行差分方式通訊。因而具有很高的共模抑制比,提高了通訊的可靠性和數據通訊速率。在克服波形失真和信號衰減方面也優(yōu)于單端方式傳輸,并延長了傳輸距離。
文檔編號H04L5/00GK1322941SQ0111987
公開日2001年11月21日 申請日期2001年7月3日 優(yōu)先權日2001年7月3日
發(fā)明者方穗明, 王廣生 申請人:方穗明