用於雙向數據和功率傳輸的方法和系統的製作方法

2023-09-11 15:41:20

專利名稱：用於雙向數據和功率傳輸的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於分發電功率和數據的方法和系統。本發明尤其涉及用於利用同一組線路傳輸功率和數據的方法和系統。
背景技術：
幾乎在所有我們日常生活所使用的電子設備中都有微處理器。微處理器的重要的應用在於控制安裝在車輛，包括汽車、公共汽車和飛機，中的電子設備。過去，已經機械地實現了很多關鍵的汽車功能。現在，利用電連接到微處理器的傳感器和執行器來控制汽車功能，諸如車輪差速調節(wheel differential adjustment)和發動機定時。
微控制器提供了眾所周知的優點，包括使複雜機器的診斷和維修更容易。也已經使用微處理器，以提高機器與反饋迴路中的傳感器和執行器一起使用時的效率，獲得更有效的工作模式。但是，使用微處理器也有一些缺點。
看一看更新的汽車的車蓋下面可能就足以了解微處理器使用的一個缺點在微處理器變得足夠小和足夠可靠以安裝在汽車中以前，可以看到各個發動機部件是怎樣連接的，甚至可能看到下面的道路。如今，發動機部件被線路和纜線覆蓋，這些線路和纜線從連接到機械部件的傳感器和執行器延伸到用於控制的微處理器。額外的線路和纜線是不利的每個所安裝的額外的線路消耗功率並增加重量。線路越多也使得維護越困難。
不幸的是，基本上不可能從大多數微控制器系統設計中消除線路。通常，對於功率、地、以及微控制器與一個或多個與其連接的傳感器或執行器之間的每條數據傳輸線，需要單獨的線路。
因此，需要一種方法和系統，能夠消除在功率和數據系統中的額外線路發明內容本發明通過這樣一種方法和系統來滿足上述要求，該方法和系統通過一組線路(通常是同一對)提供功率和雙向數據傳輸。在一個實施例中，本發明使用高速功率電晶體橋來通過切換電壓極性提供功率以及將控制信號從控制器發送到節點。節點然後利用有功電流吸收器(active current sink)，以響應信號進行響應。控制器處的敏感電流接收器電路接收響應信號。控制器和節點使用微控制器處理髮送和接收的信號。
在第一實施例中，本發明包括一種系統，該系統包括一對線路、用於提供DC電壓的電源、控制器和多個節點。該對線路用於連接控制器到多個節點，以為節點提供功率和雙向數據傳輸。在這個實施例中，控制器包括控制器微控制器、電流傳感器、以及電流接收器電路。每個節點包括有功電流吸收器、節點微處理器、以及可能是傳感器或執行器的負載。
儘管在低電壓和功率應用中，可能構造通過將控制器微處理器直接連接到該組線路能夠將信號從控制器發送到節點的控制器，但是，在本發明的一個實施例中，控制器利用包括功率電晶體橋的驅動器將信號發送到節點。控制器微處理器通過開關、緩衝器、以及橋驅動器連接到驅動器，其中橋驅動器調節(condition)來自控制器微處理器的電壓控制信號，以提供給功率電晶體橋。因此，功率電晶體橋能夠響應於來自控制器微處理器的不同電壓控制信號，在該組線路上切換來自電源的電壓極性，如以下在具體實施方式
中所述的那樣。
在一個實施例中，在每個節點，通過全波整流器(在一個實施例中是二極體橋)和無源濾波器接收功率。選擇無源濾波器元件，以匹配節點上的傳感器或執行器，但是在某些實施例中，無源濾波器元件可以是簡單的電容器。每個節點還包括節點微處理器，在一個實施例中，節點微處理器通過雙極性電晶體開關從控制器接收電壓極性反轉信號。節點微處理器通過該組線路(因此，最終到達控制器)，通過連接到有功電流吸收器的數字輸出端發送信號。在一個實施例中，有功電流吸收器包括雙極性電晶體和場效應電晶體的組合。
在一個實施例中，控制器還包括電流傳感器和電流接收器電路，用於檢測從節點發送到控制器的信號。電流傳感器可以是低阻抗電阻器或霍爾傳感器，電流接收器電路包括積分器、二極體網絡和比較器。在一些實施例中，使用由控制器微處理器控制的模擬門(analog gate)代替二極體網絡。電流傳感器和電流接收器電路一起能夠進冊來自節點的信號，並提供相應的數位訊號到控制器微處理器。
可以在多種環境中實現本發明，包括乘用車(諸如汽車、摩託車或公共汽車)、飛機(諸如民用或軍用飛機、直升飛機或火箭)、以及建築(諸如住宅或辦公室)。本發明的多功能性和模塊性提供了相對於現有技術的優點，因為在不同環境中安裝需要重新設計系統的一些方面以安裝在不同環境中。
本發明還包括用於在控制器和節點之間提供功率和往返發送數據的方法。在一個實施例中，來自DC電壓電源的功率通過一組線路提供給節點。通過在該組線路上切換DC電壓的極性，將數據從控制器發送到節點，並且通過該組線路上的有功吸入電流(actively sinkingcurrent)將數據從節點發送到控制器。由連接到控制器和節點的微處理器處理數據。在一個實施例中，方法使用特別適用於與本發明的系統一起使用的協議。


從以下的詳細描述和附圖中將了解本發明的前述和其他目的、優點以及特徵，其中圖1表示根據本發明一個實施例的完整系統的框圖；圖2A表示根據本發明一個實施例的電源、電流傳感器和包括二極體網絡的電流接收器電路的電路圖，其中低阻抗電阻器被用作電流傳感器；
圖2B表示根據本發明一個實施例的電源、電流傳感器和包括二極體網絡的電流接收器電路的電路圖，其中霍爾傳感器被用作電流傳感器；圖2C表示根據本發明一個實施例的電源、電流傳感器和包括模擬門的電流接收器電路的電路圖，其中低阻抗電阻被用作電流傳感器；圖2D表示根據本發明一個實施例的電源、電流傳感器和包括模擬門的電流接收器電路的電路圖，其中霍爾傳感器被用作電流傳感器；圖3A表示根據本發明一個實施例的驅動器的邏輯框圖；圖3B表示根據本發明一個實施例的驅動器的第一實施例的電路圖；圖3C表示根據本發明一個實施例的驅動器的第一實施例的電路圖；圖4A表示根據本發明一個實施例的節點的第一實施例的電路圖；圖4B表示根據本發明一個實施例的節點的第二實施例的電路圖；圖5A表示本發明一個實施例的截面圖，其中系統已經被安裝在汽車上；圖5B表示根據本發明一個實施例的汽車的透視圖；圖6表示本發明的一個實施例，其中系統已經被安裝在軍用飛機上；圖7表示本發明的一個實施例，其中系統已經安裝在辦公大樓內；圖8表示根據本發明一個實施例的控制器微處理器的一個實施例；圖9表示根據本發明一個實施例的、控制器和節點微處理器之間響應於輪詢傳感器命令的通信的時序圖；以及圖10表示根據本發明一個實施例的、控制器和節點微處理器之間響應於移位數據(Shift Data)命令的通信的時序圖。
具體實施例方式
本發明一般地提供了用於在中央單元(「控制器」)和被連接到傳感器或執行器「負載」的多個節點之間傳輸功率和雙向數據的、輕便的、低功率的、穩健的、易於維護的方法和系統。本發明只需要兩條線路來將控制器連接到這些多個節點，儘管如果希望也可以使用多於兩條線路。同時通過這兩條線路發送功率和數據。功率被提供作為DC電壓差。在第一方向(從控制器到這些多個節點中的一個)上通過切換DC電壓的極性發送數據，在第二方向(從這些多個節點中的一個到控制器)上通過節點處的有功吸入電流發送數據。
如本領域技術人員所知的那樣，傳感器包括能夠產生對應於物理狀態測量的信號的電子設備。例如，在汽車中，傳感器可以包括速度計、裡程表、溫度調節裝置、燃料和油量計、或電池充放電安時計。執行器包括任何能夠接收信號並響應地改變物理狀態的電子設備。在汽車中，執行器包括例如前燈、風擋刮水器、空調、車窗馬達(windowmotor)、門鎖、或噴油控制。傳感器用於由物理狀態生成電子信號，執行器用於利用電子信號改變物理狀態。
圖1以框圖表示完整的功率和雙向數據傳輸系統100的一個實施例。系統100包括作為電源的電池110、電流傳感器和電流接收器電路105、控制器微處理器125、以及驅動器120。電壓/電流輸入/輸出(「V/C I/O」)線和電池接地(「BG」)線連接電流傳感器和電流接收器電路105與驅動器120。在圖1所示實施例中，這裡所稱的「控制器」包括控制器微處理器125、電流傳感器和電流接收器電路105和(可選的)驅動器120的組合。
儘管在圖1的實施例中，電池110被表示為電源，但是，在本發明的很多其他實施例中，電源可以是電化電池或燃料電池，儘管也可以使用AC電壓源、變壓器和整流器。在本發明的其中系統被安裝在諸如汽車、摩託車或公共汽車的乘用車輛中的一個實施例中，電源一般為電化電池(即電池)。在本發明的被安裝在諸如辦公室或住宅的建築物中的一個實施例中，可以使用AC電壓源、變壓器和整流器作為電源。
除了作為電源的調節器之外，在一個實施例中，控制器提供系統中所傳輸的所有數據的中央協調在該組線路上傳輸的任何數據都通過控制器，包括只用於從第一節點傳送到第二節點的任何數據。有利地，這個具有本發明系統的數據傳輸邏輯體系結構允許更穩健的系統；系統中的數據傳輸是可能的，而不管多少節點已經不能使用或被毀壞。
控制器微處理器125提供了整個系統100的中央智能。在圖1的可安裝在乘用車輛中的實施例中，控制器微處理器125的發送線(「Tx」)被表示為斷開，接收線(「Rx」)被表示為連接到電流傳感器和電流接收器電路105。在另一實施例中，Tx和Rx可都連接到電流傳感器和電流接收器電路105。在再一實施例中，Tx線可連接到驅動器120，而Rx線被連接到電流接收器電路105。也在圖1的實施例中，控制器微處理器125的數字輸出線(「+P」、「-P」、「+N」、和「-N」)被直接連接到驅動器120，用於控制這對正負標稱線(nominal line)(「+NOM」和「-NOM」)上的電壓極性，其中正負標稱線從驅動器120延伸到多個節點1到N圖中表示為節點1(140)、節點2(160)、和節點N(180)的序列。
節點(140、160和180)被用於直接控制由連接到系統100的傳感器和執行器負載(135、155和175)所執行的物理狀態測量和改變。在圖1的實施例中，這些多個節點(1到N)140、160和180沿著該組線路+NOM和-NOM被串聯連接到驅動器120。而節點140、160和180分別通過正負功率線(「+POW」和「-POW」)被連接到負載135、155和175，這些負載可以是對於特定安裝必需的傳感器或執行器。最後的節點180被標為節點「N」，因為根據本發明的多個實施例，節點的數量「N」可能小於10、多達幾百、或更多。最後，如圖1所示，節點140、160和180分別通過接收和發送線(「Rx」和「Tx」)也連接到節點微處理器145、165和185。
儘管對於本發明不是確實必要，但是圖1還表示了連接到電流傳感器和電流接收器電路105以及每個節點的調整器115、112、114和116。調整器提供穩定參考電壓和用於低功率使用的功率源，例如用於對控制器的數字邏輯和節點微處理器(125、145、165和185)供電。
電流傳感器和電流接收器電路105用於接收由節點處的電流吸入所產生的信號。目前，電流傳感器和電流接收器電路105的四個不同實施例被考慮用於本發明中。在圖2A和2C所示的兩個實施例中，低阻抗電阻器被用作電路200和250中的電流傳感器。在圖2B和2D所示的另兩個實施例中，霍爾傳感器255被用作電路225和275中的電流傳感器。
除了低阻抗電阻器215以外，圖2A所示的電路200還包括電源110和5伏特調整器210。電流接收器電路的一個實施例被並行連接跨接在電阻器215上。在這個實施例中，低阻抗電流感測電阻器215可以大約為0.05歐姆。如圖所示，低阻抗電阻器215與電源110和延伸到驅動器120(圖2A中未示出)的V/C I/O線串聯。
當電路200工作時，V/C I/O線上電流隨時間的變化導致低阻抗電阻器215上的電壓降。電壓降通過增益電阻器(gain resistor)204和補償電阻器202被傳送到雙極性電晶體206的基極和發射極。在電流接收器電路的這個實施例中，電晶體206和208的網絡用作信號放大器。電晶體206的集電極通過增益控制電阻器216連接到電源接地端(或「電池接地端」)。具有標稱+5V電壓的電晶體206的集電極上的被放大信號被提供給運算放大器(「op-amp」)240的正輸入端。二極體偏置網絡218、積分電阻器226、以及op-amp積分器230被連接到op-amp240的負輸入端，電阻器226和電容器228構成用於op-amp積分器230的積分網絡。op-amp電壓跟隨器220被連接到5伏特調整器210，並且用作電路200的電壓偏置穩定源(voltage bias stabilizationsource)。在電路200中使用兩個op-amp比較器223和235。比較器223也用作二極體偏置網絡218的偏置驅動器。比較器235的輸出用作Rx線，以提供到控制器微處理器125(圖2A中未示出)。
在圖2C中以電路250表示電流傳感器和電流接收器電路105的可選實施例。電路250基本與電路200類似；但是，存在一些重要差別。首先，電路200的電晶體對206和208(及其偏置電阻器202、204、214和216)在電路250中被包括電阻器203、op-amp 207、和電晶體209的塊代替，這些元件被商業地提供為電流傳感器塊，例如由TEXASINSTRUMENTS提供。第二，電路200的二極體偏置網絡218在電路250中被模擬門219代替。模擬門219一般允許不用電路200的op-amp220和223。在一個實施例中，4066四列門晶片(quad-gate chip)提供模擬門219；但是，如本領域技術人員將認識到的，也可以使用其他模擬門組件。第三，電路250提供了一組電容器282和286，以及用於校準信號比較器235的電位計284。當積分器231的輸出保持穩定在+5V時，比較器235的輸出為高。
有利地，模擬門219還允許利用積分控制電晶體290接通或切斷信號的積分。在工作時，當節點正吸入電流時，電晶體209將模擬門219拉為斷開，使得保持op-amp 216的輸出端上的電壓的電流電平(current level)。相反，當正在切換電壓極性時，模擬門219的輸入端被短接(或連接跨接在大約400歐姆和500歐姆之間的阻抗上)，將op-amp 261的輸出端連接到積分器231的負輸入端。
電流傳感器和電流接收器電路200和250一般適於與小於大約300安培的電流一起使用。如果希望更大的電流，則圖2B和2D的電流傳感器和電流接收器電路225和275具有優勢。在圖2B和2D的實施例中，圖2A和2C的低阻抗電阻器215被霍爾傳感器255代替。但是，電路225和275仍然包括電源110、5伏特調整器210和用作積分器、驅動器和比較器的op-amp網絡。
霍爾感應DC電流傳感器是由很多電子設備生產商提供的標準的、現貨供應的元件。大多數霍爾傳感器包括有槽鐵氧體環形磁心(slotted ferrite ring core)。在槽中是霍爾晶片。補償線圈以環形(如圈餅)繞在環周圍，並且，通過環形線圈中心的孔允許導體穿過環的中心。當電流流過主導體時，在導體周圍產生磁場。磁場被鐵氧體磁心集聚，並且被霍爾晶片感測。電流方向決定霍爾設備的輸出電壓極性。如果允許與主導體電流相反的小電流流過補償線圈，則這兩個電流可以相互對抗，使得霍爾晶片產生零電壓輸出。霍爾傳感器以DC和AC電流工作。
參考圖2B，在電路225中顯示了霍爾傳感器255如何與V/C I/O線以及電池接地端串聯。霍爾傳感器的正負輸出端(圖2B中的「+」和「-」)被連接到圖2B的電流接收器電路。負輸出端連接到同相op-amp257的正輸入端，同相op-amp 257的輸出通過二極體陣列256和電容器276反饋回其負輸入端。Op-amp 257的輸出端還通過高阻抗電阻器258(大約10k歐姆)連接到積分op-amp 265的負輸入端。(電容器262和電阻器258形成用於op-amp積分器265的積分網絡。)op-amp積分器265的輸出被饋送到發射極跟隨器電晶體254的基極和限流電阻器252，並然後繼續通過霍爾傳感器255的補償線圈饋送到電池接地端。因此，閉合了一個完整的迴路，用於檢測V/C I/O線上電流的變化。
參考圖2D，電路275相對於電路225提供了與電路250相對於電路200所提供的相似的優點-圖2B中電路225的二極體網絡256在圖2D的電路275中由模擬門219代替。而且，積分控制電晶體290允許控制來自節點的信號的積分，並且一組電容器282和286以及電位計284允許調節比較器235。
注意，電路225(圖2B)的op-amp 270對應於電路200(圖2A)的op-amp 220，用作5伏特調整器210的電壓跟隨器，並且為電路250的其餘部分提供穩定的參考電壓。參考電壓在電路225中用於op-amp積分器265的正輸入端、比較器235(其輸出端提供用於控制器微處理器125的Rx信號)的正輸入端、以及二極體網絡256的op-amp驅動器260。有利地，圖2C和2D的電路250和275允許不用這樣的電壓跟隨器。
重新參考圖2B，更詳細地描述電路225的工作。在工作時，霍爾傳感器255通過改變其正負輸出端之間電壓差來指示V/C I/O線上的電流變化。電壓變化被op-amp 257感測，並通過二極體陣列256和op-amp積分器265。積分器265的輸出端連接到發射極跟隨器254，其改變通過限流電阻器252和霍爾傳感器255的補償線圈的電流，使得來自V/C I/O線的電流被平衡(counterbalance)。儘管流過V/C I/O線的電流很大，而流過霍爾傳感器255的補償線圈的電流很小，但是補償線圈中的很多匝增加了有效安培數，以平衡補償線圈和V/C I/O線上的電流。
V/C I/O線上電流的小變化最終反映在Rx信號輸出線的電壓變化中。當霍爾傳感器255檢測到電流的小變化時，op-amp 257的輸出將向op-amp比較器235表示該變化，op-amp比較器235的輸出端連接到控制器處理器。也可以檢測V/C I/O線上電流的大的變化，在這種情況下，op-amp 257的輸出非常大。背靠背的齊納二極體266(擊穿電壓大約為2.4V)允許op-amp 257的輸出偏移大於3V電壓。齊納二極體266通過分路電阻器264連接(在二極體陣列256和積分電阻器258周圍)。該分路有效地加速了由op-amp 265、積分電阻器258、和積分電容器262進行的積分。用於補償線圈的反饋迴路又顯著地更快。分路齊納二極體266和電阻器264允許節點處非常高的電流的有功吸入(active sinking)。
在本發明的多個實施例中，電流接收器電路(電路200、225、250或275中之一)與驅動器120協同工作，以控制延伸到節點的+NOM和-NOM上的電壓。圖3A中表示了驅動器的邏輯框圖300，在圖3B中表示驅動器的一個實施例的電路圖350。驅動器120可選地用於本發明，以便可以通過簡單地修改電流接收器電路，例如通過增加雙極性電晶體H橋315到圖2A和2B的V/C I/O和電池接地線中，來控制更低功率和更低速度的+NOM和-NOM線。但是，驅動圖300的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的H橋315允許+NOM和-NOM線上快得多和功率高得多的電壓切換。
如圖3A和3B所示，在一些實施例中，控制器微處理器125具有連接到驅動器120的四個數字輸出端正陽性、正陰性、負陽性、和負陰性(「+P」、「+N」、「-P」、和「-N」)。在一個實施例中，這四條線將在0V的數字低和+5V的數字高之間變化。在很多實施例中，V/CI/O和電池接地線之間的DC電壓差大得多，例如在+13.6V和0V之間。電平轉換裝置312、314、316和318用於將電壓電平向上變換到V/C I/O線與地的電壓差的電壓電平。在圖3C的實施例中，控制器微處理器125具有一個數字輸出端(Tx)，其通過電晶體390被連接到驅動器。
圖3B中表示了圖3A中的電平轉換裝置312、314、316和318的一個實施例，其中NPN雙極性電晶體362、364、366和368用作電路350中的電平轉換裝置。在這樣的實施例中，電阻器352與基極串聯，對於+線(電晶體362和364)，電阻器(354和376)位於集電極和V/C I/O線之間。例如，對於電壓電平從+5V轉換到+13.6V，選擇4.7k歐姆電阻器用於基極電阻器352，1k歐姆電阻器用於集電極電阻器354和376。
在驅動器電路的第二實施例中，圖3C所示電路375，來自控制器微處理器125的+P、+N、-P和-N線被來自控制器微處理器125的一條輸出線「TxD」代替。TxD線延連接到耗盡型MOSFET電晶體390的柵極，並通過高阻抗電阻器392(大約100k歐姆)連接到電池接地端。電晶體390的漏極連接到通過電阻器394延伸到電池端子的線上，電晶體390的源極連接到電池接地端。公共緩衝器360與電阻器394並聯地連接到電晶體390的漏極。
圖3C的電路375還解決了重要的問題用於+NOM或-NOM線的H橋電晶體(即，對於+NOM線，圖3B中的310和340，或圖3C中的311和341)必須不同時導通。如果+NOM或-NOM H橋電晶體導通，則電源110將通過H橋電晶體短接。在圖3B的實施例中，利用控制器微處理器125上的軟體解決這個問題，控制器微處理器控制+P、+N、-P和-N線。利用軟體，在H橋從+NOM切換到-NOM狀態或切換回之前，短暫地切斷所有線。這有效地避免了電源110通過H橋短接。但是，圖3C的電路375解決了同樣的問題，而沒有藉助於軟體，並且不需要用於控制H橋的四條單獨的線。
參考圖3C，電路塊396防止電晶體組311和341同時被導通，以及因此短接電源110。(電路塊398以與電路塊396基本相同的方式工作；因此，這裡只描述電路塊396。)在電路塊396中，電阻器382防止電流的大的驟增在電晶體311和341之間流過，並且允許非常快地截斷電晶體311，例如，如果電晶體372和374的rDS阻抗為0.1歐姆，並且電晶體311具有9nF的輸入電容，則RC時間常數為大約900皮秒。通過電路塊396，電晶體341將需要的導通時間比電晶體311需要截斷的時間長几個數量級，如果電晶體341的有效輸入阻抗包括9nF(5nF來自電晶體341，4nF來自電容器384)以及來自電阻器384的100歐姆，則RC時間常數為大約900納秒，或者長三個數量級。因此，相對大阻抗的電阻器382和平衡電容器384的組合防止電源110通過電晶體短接，而不需要藉助於軟體和微處理器上的附加輸出線。
重新參考圖3A的邏輯框圖300，除了電壓電平轉換以外，可能需要緩衝以驅動H橋315。在框圖300中，表示了使用緩衝器322、324、326和328以及橋驅動器332、334、336和338。在圖3B的電路350中所示的實施例中，緩衝器和橋驅動器被實現為CMOS反相緩衝器323、325、327和329(對於陽性線分別用兩個，對於陰性線分別用一個)和橋驅動器333、335、337和339。
驅動器電路的第二實施例，圖3C的電路375，相對於圖3B所示電路350在與更高電流工作方面提供了一些附加的優點。在電路375中，CMOS反相緩衝器364、366、368、370也用於為橋驅動器391和393提供輸入。(額外的CMOS反相緩衝器362與陽性線反相緩衝器368和370的輸入端串聯。)但是，除了橋驅動器391和393以外，電路375添加電晶體緩衝器372、374、376和378，以便降低電路375中H橋電晶體311、321、331和341的切換速率。電阻器382和386以及電容器384和388，與電晶體緩衝器372、374、376和378一起，提供用於H橋電晶體的互補MOSFET發射極跟隨器緩衝器。
H橋315是驅動器300的重要組件。H橋也表示在電路350和375中(圖3B和3C中)，但是在圖3A所示的傳統橋電路圖中沒有畫出。H橋一般包括允許按照希望反轉負載電流的四個MOSFET(兩個n通道和兩個p通道，均為增強型)。如上所述，雙極性電晶體也可用於構造相似的橋，但是MOSFET由於很多原因而更好，諸如在工作時更低的電阻。
表1是用於H橋一個實施例的狀態表。如表1所示，在系統工作時一般只使用兩個狀態(COM標記和COM空格COM Mark和COM Space)。在表1中也表示了未使用的但是非破壞性的狀態，以附加地說明H橋運行。破壞性的狀態包括其中電晶體310和340或電晶體320和330同時接通、導致電源110短路的那些狀態。當H橋在COM標記和COM空格狀態之間切換時，+NOM和-NOM線的DC電壓極性被交換。這個電壓極性反轉允許將信息從控制器微處理器125發送到節點，並最後到達節點微處理器。
表1H橋狀態 在圖4A和4B中，表示了節點電路的兩個實施例(電路400和425)，具有有功電流吸收器、節點微處理器185、和負載輸出線(+POW和-POW)。每個節點包括具有電容器402的全波橋整流器410，其中選擇電容器以匹配負載。每個節點電路還包括電阻器404和電晶體406的電平轉換網絡。電平轉換網絡驅動有功電流吸收器，該有功電流吸收器包括電晶體406、CMOS電晶體420的網絡，並且可選地包括(如圖4B的電路425中所示)具有電流控制電阻器422的雙極性電晶體418。圖4B中的二極體424和426用於當驅動器120切換電壓極性時保護有功電流吸收器。當在+NOM和-NOM線上接收作為電壓極性反轉而發送的數據時，包括電晶體416、基極電阻器414、和負載電阻器412的檢測器網絡將電壓極性反轉轉換為在Rx可由節點微處理器185讀取的信號。圖8中表示了用於控制器或節點微處理器的引腳分發的一個實施例。在圖8的實施例中，表示MOTOROLA 68HC908系列的KX8微處理器。
本發明還包括用於在一組線路上傳輸功率和雙向數據的方法。功率被提供作為該組線路上的統一DC電壓。在方法的一個實施例中，通過切換該組線路上DC電壓的極性而將數據從控制器通過該組線路傳輸到節點，並且通過節點上的有功吸入電流將數據從節點通過該組線路傳輸到控制器。
根據本發明的方法的一個實施例，當連接電源和啟動控制器微處理器125時，控制器微處理器125在傳輸數據之前等待建立穩態條件(在一個實施例中，COM標記狀態)。數據從控制器微處理器125通過+P、+N、-P和-N輸出端(見圖1、3A和3B)被發布，並被發送到驅動器120上的相應輸入端。在COM標記狀態中，電池110功率被加在+NOM線上。參考圖3B所示的驅動器120的實施例，當電晶體320截斷時，電晶體330截斷，電晶體340導通，並且電池接地端連接到-NOM線上。
在這樣的實施例中，標稱線通過+NOM線和-NOM線將節點(例如節點140、160和180)饋送到二極體橋410和電容器402，從而對電容器402充電並啟動每個節點處的節點微處理器(例如145、165和185)。當來自節點微處理器的Tx數據線具有數字高(即數字「1」)時，有功電流吸收器(在一個實施例中包括電阻器408、二極體424、電晶體418和420、以及電晶體422)截斷，電流不被吸入。在這樣的狀態中，-NOM線為低，電晶體416截斷，因此為Rx數據提供數字高。
已經達到穩態以後，可通過將數據從控制器傳輸到節點繼續該方法。當控制器微處理器125開始發出一個字節的數據時，第一字節的起始空格在所有控制器線(+P、+N、-P和-N)上設置數字低(即「0」或零)，從而切斷電壓電晶體362、364、366和368。到緩衝器323、325、327和329的輸入都為數字高，使同相緩衝器(323和327)的輸出為數字高，使得它們的相應橋驅動器(333和337)為數字高，並且電晶體310和320截斷。幾乎同時，反相緩衝器325和329的輸出為低，使它們的相應橋驅動器(335和339)的輸出為低，使得輸出電晶體330和340也截斷。因此，在數據從控制器傳輸到節點的開始時，+NOM線和-NOM線浮動(float)為高阻。在一個實施例中，該狀態存在至少大約1微秒。
在初始空格(或「OFF」狀態)以後，控制器微處理器125輸出切換到+P低、+N高、-P高和-N低(或「COM空格」狀態)。在COM空格狀態中，電晶體364導通。當364的輸出變為低時，緩衝器325及其橋驅動器335的輸出變為高，接通輸出電晶體340，使得+NOM線變為低。來自控制器微處理器125的-P輸出同時變為高，使電晶體366的輸出變為低(連同相應的緩衝器327和橋驅動器337)，接通輸出電晶體320，使得-NOM線變為高。在該組線路連接的所有節點處(例如140、160和180)經歷標稱線上的這個到COM空格的變化。
在方法的一個實施例中，每個節點處的橋整流器410接收-NOM線上的正電壓、以及+NOM線上的負電壓。每個橋整流器410將正功率施加到輸出+POW和-POW上。系統在COM空格狀態中是穩定的。來自控制器微處理器125的下一比特將在COM標記狀態中被發送，使得所有控制器微處理器125輸出線再次變為低，從而切斷電晶體362、364、366和368，並隨後切斷輸出驅動器電晶體310、320、330和340。如以前，在COM標記狀態中，系統浮動+NOM線和-NOM線。在一個實施例中，從COM空格狀態變化到COM標記狀態所需時間小於1微秒。
在COM標記狀態中，-NOM線被檢測為電晶體416處的低，從而將其切斷。負載電阻器412將Rx數據線拉為高，從而在到節點微處理器185的Rx數據輸入上指定標記(數字高)(圖4A和4B中)。相反，在COM空格狀態中，-NOM線被檢測為電晶體46處的高，從而允許電流流過並且將到節點微處理器185的Rx數據輸入拉為低，因而指定空格。因此，+NOM和-NOM線上極性的連續反轉有效地用於在到節點微處理器185的Rx數據輸入上產生數位訊號。此外，橋整流器410將輸入線的功率切換到對於每個節點上+POW和-POW適當的極性。在本發明的一個實施例中，每次控制器微處理器125將系統狀態從COM標記改變到COM空間時，通過系統多個部件之間的協作執行以上方法。
在節點處已經接收數據以後，節點微處理器185可以開始傳輸數據。來自節點微處理器185的數字數據出現在Tx數據輸出線上，通常作為數字高。當Tx線變為高時，電晶體406導通，並且有功電流吸收器(在一個實施例中，包括電晶體408、二極體424、電晶體418和420、以及電阻器422)切斷。當Tx線變低時，電晶體406截斷，並且允許有功電流吸收器工作。當有功電流吸收器工作時，電流流過電晶體408，將電晶體418的柵極拉高，並接通電晶體420。當電晶體420導通時，電流流入源極電阻器422；當電流增加時，電阻器422上的電壓增加到電晶體418將接通的狀態，從而將電晶體420的柵極拉低直到穩定不變的電流流過電阻器422和二極體424。數據通過該組線路被有效地發送，因為電流吸入在+NOM線上被感測到，並因此返回到電流接收器電路(例如電路200或250)。
在通過驅動器120時，電流通過電晶體330被從-NOM線轉移到電池接地端，並且電流也通過輸出驅動器310被從+NOM線轉移到V/C I/O線。V/C I/O線也延伸到傳感器(例如，霍爾傳感器255或電流感測電阻器215)。前面描述了用於感測通過電流接收器電路105(例如電路200或250)的電流信號的方法的實施例。
在一個實施例中，根據被設計與本發明一起使用的通信協議(「協議」)使用上述方法和系統。在本發明的其他實施例中，可以使用不同的通信協議，例如LIN協議或CAN協議。但是，這裡所描述的協議相對於其他可以與本發明的系統和方法一起使用的通信協議提供了優點，因為其是為在一組兩條線路上的通信所設計的。
在協議的一個實施例中，數據流被構造為9比特的字。每個字包括用於地址和命令信息的8個比特以及用於與糾錯程序使用的第九校驗位(例如，校驗位可以被設為高，使得任何字中高的位數為奇數；只要微處理器接收到非奇總數，就可以啟動糾錯程序)。
可以在協議中由9比特的字傳遞的地址信息與由在系統的特定實施例中如何使用節點所定義的數據結構相關。在一個實施例中，協議不區別具有傳感器負載的節點和具有執行器負載的節點。例如，在系統的一個實施例中，其中32個傳感器或執行器節點被連接到一組線路，每個節點具有4個子節點，用於協議的地址空間保留十六進位地址$00到$7F(對應於32×4＝128個不同地址)，用於尋址節點和子節點。在另一實施例中，不是子節點，而是為每個節點保留的四個地址可以被分發給節點的子函數。
如本領域技術人員將認識到的那樣，本發明的系統可以與多種通信速率中的任何一種一起使用。在一個實施例中，已經使用了31.25k波特，其允許大約350微秒/9比特字的傳送率。
在協議中可以在9比特的字中傳遞的命令信息被設置，使得特定命令與以緊接在保留地址結尾後的$80(十六進位)開始的特定8比特(二進位)數相關。表2表示了在協議中怎樣分發命令的實施例。
表2協議命令的實施例


如表2的實施例中所示，「BLANK」信號表示接下來是具有地址或命令的字。當BLANK信號後面是$80時，緊接著是傳感器節點的地址。「收集數據」是用於為控制器從節點收集新信息的標準命令(以下將進一步介紹)。跟隨在地址和命令序列後的「移位數據」($81)命令用於將從傳感器節點處的子函數(通常與傳感器相關)報告的所有數據放置到執行器輸出端上。因此，移位數據命令允許利用本發明的系統在傳感器輸入端和執行器輸出端之間建立反饋迴路。在表2所示的命令結構的實施例中還表示了「輪詢傳感器」命令，其在一個實施例中每1或2秒被執行，以便驗證系統配置的完整性。「警示所有地址」用於通知後面將跟有命令序列的所有地址(在一個實施例中，$00到$7F)。「執行器報告」和「傳感器報告」命令從地址空間中的所有執行器或傳感器請求數據，而「執行器錯誤報告」、「執行器狀態」、「傳感器錯誤報告」和「傳感器狀態」命令只涉及有效的執行器或傳感器。最後，在一個實施例中，「節點錯誤指示符」命令用於向控制器微處理器通知節點什麼時候經歷某種類型的錯誤。在一個實施例中，16位元組的RAM被設置在微處理器存儲器中，用於跟蹤這種類型的錯誤。
參考圖9和10，表示了用於控制器微處理器與節點微處理器之間完整的結構化(structured)通信的時序圖。圖9表示響應於輪詢傳感器命令的結構化通信的一個實施例，圖10表示響應於移位數據命令的結構化通信的一個實施例，這二者都是根據這裡所介紹的協議。
首先參考圖9，表示了在一個實施例中，控制器和節點微處理器之間的結構化通信如何以BLANK命令開始。系統在COM標記狀態中靜止。在這樣的實施例中，當H橋將極性反轉為COM空格狀態時，產生BLANK命令。在BLANK命令以後，控制器微處理器發出包括校驗位的輪詢傳感器命令(在一個實施例中，$82)，如上所述。在圖9的實施例中，輪詢傳感器命令首先被發送到已經被分發了地址$00的節點。在地址信息已經在該組線路上(通過電壓極性反轉)被發送到節點$00以後，H橋反轉到COM標記狀態。然後，控制器處理器等待(通過電流傳感器和電流接收器電路)從節點微處理器接收數據。
如圖9所示，根據上述用於有功電流吸入的方法和系統，來自節點$00處的傳感器的數據然後通過節點$00處的有功吸入電流被發送。在一個實施例中，節點響應於輪詢傳感器命令而發送的數據包括其自己的地址加上校驗位；節點將其自己的地址重複並反射回控制器。已經從節點$00接收這個數據以後，控制器切換回COM空格狀態，準備輪詢地址$01。在節點地址$01已經被發送以後(通過電壓極性反轉)，節點地址$01處的微處理器以用於節點$01的數據響應。儘管圖9的時序圖只表示了用於節點地址$00和$01的序列，但是序列然後為地址空間中的所有節點重複(在一個實施例中，從$00到$7F)。在一個實施例中，響應於輪詢傳感器命令而接收的數據被存儲在控制器微處理器處的存儲器中，在有效傳感器文件中。
命令、地址和響應的其他序列通常跟隨圖9所示的序列。在協議的一個實施例中，在輪詢傳感器命令之後，控制器處理器發布收集數據命令。控制器處理器切換到COM空格狀態(即發送BLANK)，發送$80(收集數據命令)，然後發送第一有效傳感器地址(例如$AA)。
作為響應，地址$AA處的節點微處理器將發送反映節點$AA處傳感器狀態的9比特的字。例如，如果地址$AA處的傳感器是開關，並且該開關閉合，則節點微處理器可以發送(利用有功電流吸收器)$FF作為響應。在一個實施例中，控制器處理器重新將響應($FF)發送回到節點微處理器。然後為下一個有效節點地址重複相同的序列。序列重複，直到已經從系統中的每個有效節點地址收集了數據。
儘管在上述例子中，只有一個9比特的字(1個字節加1個校驗位)被從節點微處理器發送到控制器微處理器，但是應該理解，該協議能夠被配置為允許從每個節點微處理器發送附加字到控制器微處理器，例如，當節點微處理器能夠發送模擬數據流(在節點處從模擬轉換為數字)時。節點和控制器微處理器能夠根據協議被編程，以在每個傳輸中發送和接收指定數量的字節。
現在參考圖10，表示了在已經執行收集數據命令之後，可以怎樣利用移位數據命令將數據從節點處的傳感器放置到執行器。控制器微處理器通過發出BLANK來指示新的命令或地址將跟在後面。然後，發出移位數據(在一個實施例中是$81)命令，此後，所有有效節點將被命令的數據傳送到執行器輸出端。在這個數據移位期間，控制器處理器將H橋維持在COM空格狀態，有效地保持長的BLANK，使得功率線在傳送附加數據之前穩定(settle)。
在移位數據命令之後，協議可以包括一個序列，包括發出執行器錯誤報告到每個活動節點，其中(與收集數據命令相似)每個活動節點將錯誤報告回控制器微處理器，然後接收關於如何處理錯誤的指令。如本領域技術人員可以理解的那樣，根據本發明的系統所使用的傳感器和執行器的配置，後面可以跟有其他命令序列。以31.25k波特的通信速率，整個通信序列(包括錯誤識別、診斷、以及性能監控)能夠每5秒重複一次。最後，根據本發明的協議的一個實施例，可以通過在加電復位上置零來清除每個微處理器處的錯誤。
本發明的方法和系統可以被安裝在多種物理環境中。圖5A和5B表示了其中本發明被安裝在汽車中的實施例。參考圖5A，汽車500(在一個實施例中，是軍用車輛)配備有交流發電機和電池510，其用作電源110。控制器微處理器和電流接收器電路被安裝在控制器盒520中。從控制器盒520，功率和雙向數據在一組線路上被傳輸到後附件總線(rear accessory bus)530，其例如可以控制尾燈540或其他執行器(或傳感器)。作為負載安裝在汽車500內的一個或多個節點上的計量器550和開關580(數字和模擬的傳感器)也通過一組線路電連接到控制器盒520。而且，前附件總線560被安裝在汽車500中，用於更多的傳感器和執行器，例如以監控功率和控制諸如前燈的車輛附件。在這樣的實施例中，前後附件總線530和560用於簡化系統的安裝和維護，並且不是系統工作必需的，因為在任何機械配置中通過一組線路與控制器盒520的電連接就允許節點設備的供能和控制。
在另一實施例中，本發明可被安裝在飛機上，如圖6所示。本發明的系統和方法的使用提高了飛機，諸如圖6所示軍用飛機的魯棒性、倖存能力以及簡單維護。
在軍事應用中，主要關心航空電子設備(avionics equipment)。戰鬥任務期間或電磁措施期間所受到的損壞要求多重冗餘布線(multiply redundant wiring)，其理想地被物理路由通過飛機的各個部分。實際上，這些要求由於對重量和功率的物理限制已經非常困難。利用本發明，消除了這種安裝中的多數線路。
參考圖6，在這樣的實施例中，附到發動機上的發電機610作為系統的電源。功率被集中在控制器組件620中，並且與來自駕駛員座艙630的控制電路匹配。從控制器組件620，多個傳感器或執行器640被加載到節點，其中節點連接到飛機中多個位置中的一組線路。由於節省了重量和功率，所以每組線路可以被裝有厚重的鋼板(heavilyarmor-plated)，以提高飛機電子設備的可靠性和倖存能力。而且，由於布線在數量和複雜性上更簡單，所以可以減少維護時間。本發明甚至可以用於生產即插即用或快速壓緊的(snap-in)模塊和電子元件。更簡單的維護導致更快的培訓、更低的成本、更大的戰場機動性(theater flexibility)、以及更少的倉儲時間。在非軍用飛機上也實現類似的優點。大飛機，諸如波音757，中所安裝的多達80％的布線可由根據本發明所使用的該組線路替換。
在再一實施例中，本發明安裝在建築物中，如圖7所示。在這樣的實施例中，整個計算機網絡從一個電源710和主控制器720開始。在建築物處接收功率，例如從電力公司以120V AC線的形式。DC變換器或電池710將功率變換為DC，並將功率發送到主控制器720。在建築物的牆內預安裝一組線路，普通電源出口被物理間隔地安裝在整個建築物的多個位置。相同的共同線路組將所有其他計算機和外部設備連接到系統700，包括個人計算機730和740、個人印表機750、掃描儀770、以及共享印表機760。電源710進行AC到DC的變換以及應急電源(例如通過電池)。
大多數計算機設備工作在12V電源。因此，通過使用本發明的系統和方法，可以從連接到系統的每個設備中去除笨重昂貴的電壓變換器(電源最可能導致計算機元件的故障)。而且，連接到系統的每個單元具有唯一的地址，該地址允許唯一地區別其，從而允許更有效的數據傳送和對於傳統的傳輸功率和數據方法不可能的安全措施。
由於很多原因，系統700是穩健的。首先，由於該組線路包括操作任何被連接單元所需的所有功率和數據流，所以其可被預安裝在建築物中，通過普通的牆面插頭來允許容易地安裝和移動元件。其次，由於所有單元(或節點)共享功率和數據線，所以節點能夠通過經由主控制器720發送消息來與其他節點通信(除了通常的方法，諸如連接個人計算機740和個人印表機750的並行纜線)。因此，與當前可用的選擇相比，系統700更智能和可修改。第三，由於功率和數據被從主控制器720監控和控制，所以系統更安全和可靠；其被構造以監控如何使用設備(並且，因此能夠防止設備被非法使用)。
圖8被提供作為用於典型控制器或節點微處理器的引腳外結構的例子。圖8所示微處理器是MOTOROLA 68HC908系列KX8微處理器，並且圖8表示了根據本發明的實施例，微處理器的引腳如何被連接到電池接地端、+P、+N、-P、-N、+5V、Rx、和Tx。
在介紹本發明的上下文中(尤其是以下權利要求的上下文中)術語「一個」、「一種」和「所述」以及類似指代詞的使用被解釋為覆蓋單個和多個，除非另有說明或者明顯與上下文矛盾。這裡對數值範圍的敘述僅僅用作分別涉及落入該範圍中的每個單獨值的簡單方法，除非另有說明，並且每個單獨值被包括在說明書中，如同它被單獨指出一樣。這裡所介紹的所有方法能夠以任何適當的順序執行，除非另有說明或者否則與上下文明顯矛盾。這裡所提供的任何和所有例子或示例性語言(例如「諸如」)的使用只是為了更好地說明本發明，其不構成對本發明的範圍的限制，除非在權利要求中要求保護。本說明書中的語言不應該被解釋為將任何非要求保護的元素指示為實現本發明的要素。
這裡描述了本發明的優選實施例，包括發明人所知的對於執行本發明的最好模式。當然，通過閱讀以上介紹，本領域技術人員將了解這些優選實施例的變體。在本發明的示例性實施例中為電路元件具體給出的具體阻抗值不應該被解釋為對本發明的範圍的限制，因為本領域技術人員熟知多個可選實施例，其中可以修改特定阻抗值或將其從電子電路中刪除。發明人認為熟練技術人員能夠適當地使用這樣的變體，並且發明人認為本發明能夠以這裡所具體描述的不同的方式實現本發明。相應地，本發明包括使用的法律所允許的、所附權利要求書中所要求保護的主題的所有修改和等價物。而且，本發明包括在所有可能的變體中對上述元素的任何組合，除非有相反的說明或者明顯與上下文衝突。
權利要求
1.一種用於在多條線路上分發DC功率和數據的雙向數據和功率傳輸系統，所述系統包括電源；電氣連接到所述電源和所述多條線路上的控制器，所述控制器包括電流傳感器、控制器微處理器、以及電流接收器電路；通過所述多條線路電氣連接到所述電流接收器的節點，所述節點包括有功電流吸收器、節點微處理器、以及負載；以及其中所述電源提供DC電壓。
2.根據權利要求1的系統，其中所述多條線路是一對線路。
3.根據權利要求1的系統，其中所述控制器還包括驅動器，所述驅動器包括電晶體橋，用於響應於來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓的極性。
4.根據權利要求3的系統，其中所述驅動器包括至少一個開關、至少一個緩衝器、以及至少一個橋驅動器，其中所述橋驅動器用於調節來自所述控制器微處理器的電壓控制信號。
5.根據權利要求1的系統，其中利用來自所述節點微處理器的至少一個數字輸出控制所述有功電流吸收器。
6.根據權利要求1的系統，其中所述負載具有傳感器，用於產生對應於物理狀態測量的傳感器信號，所述傳感器信號用於利用所述節點微處理器和所述有功電流吸收器進行從所述節點到所述控制器的傳輸。
7.根據權利要求1的系統，其中所述負載包括執行器，用於從所述控制器接收執行器信號並響應於所述執行器信號改變與所述系統相關的物理狀態。
8.根據權利要求1的系統，其中在所述節點處從所述控制器接收的功率在被提供給所述負載之前被傳遞通過全波整流器和無源濾波器。
9.根據權利要求1的系統，其中所述電流傳感器包括低阻抗電阻器，所述電流接收器電路包括積分器和比較器。
10.根據權利要求1的系統，其中所述電流傳感器包括霍爾傳感器，所述電流接收器電路包括積分器和比較器。
11.一種在雙向數據和功率傳輸系統中用於提供功率以及發送數據和從節點接收數據的控制器，所述控制器包括控制器微處理器；電源，用於提供DC電壓；電氣連接到所述電源和所述節點的多條線路；電氣連接到所述電源和所述多條線路的電流傳感器；電流接收器電路，包括放大器、積分器和比較器，所述電流接收器電路用於從所述電流傳感器接收輸入信號以及提供輸出信號到所述控制器微處理器；以及驅動器，包括電晶體橋，用於響應於來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓的極性。
12.根據權利要求11的控制器，其中所述多條線路為一對線路。
13.根據權利要求11的控制器，其中所述驅動器包括至少一個開關、至少一個緩衝器、以及至少一個橋驅動器，其中所述橋驅動器用於調節來自所述控制器微處理器的電壓控制信號。
14.根據權利要求11的控制器，其中所述電流傳感器包括低阻抗電阻器，所述電流接收器電路與所述電流傳感器並聯。
15.根據權利要求11的控制器，其中所述電流傳感器包括霍爾傳感器，所述電流接收器電路連接到所述霍爾傳感器的輸出端。
16.一種在雙向數據和功率傳輸系統中用於接收功率以及發送數據和從控制器接收數據的節點，所述節點包括節點微處理器；電氣連接到所述控制器的多條線路；從包括傳感器和執行器的組中選擇的負載；功率調節電路，包括全波整流器和無源濾波器，用於從所述多條線路接收功率以及為所述負載提供功率；數據調節電路，包括檢測器，用於在所述多條線路上從所述控制器接收數據，以及為所述微處理器提供數據；以及有功電流吸收器，所述有功電流吸收器由至少一個來自所述節點微處理器的數字輸出控制。
17.根據權利要求16的節點，其中所述多條線路是一對線路。
18.根據權利要求16的節點，其中所述負載是用於生成對應於物理狀態測量的傳感器信號的傳感器，所述傳感器信號用於利用所述節點微處理器和所述有功電流吸收器進行從所述節點到所述控制器的傳輸。
19.根據權利要求16的節點，其中所述負載是用於從所述控制器接收執行器信號以及響應於所述執行器信號改變與所述系統相關的物理狀態的執行器。
20.一種用於在多條線路上分發DC功率和數據的雙向數據和功率傳輸系統，所述系統包括電源，用於提供DC電壓；電氣連接到所述電源和所述多條線路的控制器，所述控制器包括電流傳感器、控制器微處理器、電流接收器電路、以及驅動器，其中所述驅動器包括電晶體橋，所述電晶體橋能夠響應於來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓的極性；以及通過所述多條線路電氣連接到所述控制器的節點，其中所述節點包括有功電流吸收器、節點微處理器以及負載。
21.根據權利要求20的系統，其中所述多條線路是一對線路。
22.根據權利要求20的系統，其中所述驅動器還包括至少一個開關、至少一個緩衝器、以及至少一個橋驅動器，所述橋驅動器用於調節來自所述控制器微處理器的電壓控制信號。
23.根據權利要求20的系統，其中利用至少一個來自所述節點微處理器的數字輸出控制所述有功電流吸收器。
24.根據權利要求20的系統，其中所述負載包括用於生成對應於物理狀態測量的傳感器信號的傳感器，利用所述節點微處理器和所述有功電流吸收器將所述傳感器信號從所述節點傳輸到所述控制器。
25.根據權利要求20的系統，其中所述負載包括用於從所述節點接收執行器信號以及響應於所述執行器信號改變與所述系統相關的物理狀態的執行器。
26.根據權利要求20的系統，其中在所述節點處從所述控制器接收的功率在被提供給所述負載之前被傳遞通過全波整流器和無源濾波器。
27.根據權利要求20的系統，其中所述電流傳感器包括低阻抗電阻器，所述電流接收器電路包括積分器和比較器。
28.根據權利要求20的系統，其中所述電流傳感器包括霍爾傳感器，所述電流接收器電路包括積分器和比較器。
29.一種在雙向數據和功率傳輸系統中用於提供功率以及發送數據和從節點接收數據的控制器，所述控制器包括控制器微處理器；電源，用於提供DC電壓；電氣連接到所述電源和所述節點的多條線路；電氣連接到所述電源和所述多條線路的電流傳感器；電流接收器電路，包括放大器、積分器、以及比較器，其中所述電流接收器電路用於從所述電流傳感器接收輸入信號以及將輸出信號提供給所述微處理器；以及驅動器，包括電晶體橋，所述電晶體橋用於響應於來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓極性，所述電壓控制信號被調節，以通過至少一個開關、至少一個緩衝器、以及至少一個橋驅動器提供給所述電晶體橋。
30.根據權利要求29的控制器，其中所述多條線路是一對線路。
31.根據權利要求29的控制器，其中所述電流傳感器包括低阻抗電阻器，所述電流接收器電路與所述電流傳感器並聯。
32.根據權利要求29的控制器，其中所述電流傳感器包括霍爾傳感器，所述電流接收器電路連接到所述霍爾傳感器。
33.一種用於在多條線路上分發DC功率和數據的雙向數據和功率傳輸系統，所述系統包括用於提供DC電壓的裝置；用於接收電流信號以及將所述電流信號提供給控制器微處理器的裝置，所述用於接收電流信號的裝置被電氣連接到所述用於提供DC電壓的裝置，以及用於檢測DC電壓極性變化以及從所述DC電壓接收功率的裝置，所述用於檢測的裝置被電氣連接到所述用於接收的裝置和所述用於提供的裝置。
34.根據權利要求33的系統，其中所述多條線路是一對線路。
35.根據權利要求33的系統，其中所述用於接收的裝置包括用於響應於來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓的極性的裝置。
36.根據權利要求33的系統，其中所述用於檢測的裝置包括用於生成對應於物理狀態測量的傳感器信號的裝置，所述傳感器信號被從所述用於檢測的裝置傳輸到所述用於接收的裝置。
37.根據權利要求33的系統，其中所述用於檢測的裝置包括用於響應於DC電壓極性的變化而改變與所述系統相關的物理狀態的裝置。
38.一種用於通過多條線路傳輸功率和雙向數據的方法，所述方法包括以下步驟將具有極性的DC電壓傳輸給節點，用於為連接到所述節點的負載提供功率；根據到所述節點的控制信號，切換所述DC電壓的極性；以及在所述節點處有功地吸入電流，以便發送響應信號。
39.根據權利要求38的方法，還包括以下步驟利用至少一個控制器輸出線生成所述控制信號；以及利用節點輸出線生成所述響應信號。
40.根據權利要求38的方法，其中，在所述切換步驟中，通過包括電晶體橋的驅動器實現所述切換。
41.根據權利要求38的方法，其中，在所述有功吸入的步驟中，通過包括電晶體和電阻器的網絡的有功電流吸收器實現所述吸入。
42.根據權利要求38的方法，還包括以下步驟對在所述節點處所接收的DC電壓進行整流；以及對在所述節點處所接收的DC電壓進行濾波。
43.根據權利要求38的方法，其中所述多條線路是一對線路。
44.一種用於驅動電晶體橋的方法，所述方法包括以下步驟切斷所述電晶體橋中的第一電晶體；在所述第一電晶體被切斷以後，接通所述電晶體橋中的第二電晶體；以及平衡所述第一電晶體的第一輸入電容和所述第二電晶體的第二輸入電容。
45.一種用於防止電源通過電晶體橋短接的電路塊，所述電晶體橋包括第一電晶體和第二電晶體，所述電路塊包括電阻器，用於防止電流流動，以及增加用於接通所述第二電晶體的時間常數；以及電容器，所述電容器的電容近似等於所述第一電晶體和所述第二電晶體之間的輸入電容差。
全文摘要
表示了介紹了一種用於雙向數據和功率的方法和系統。一個示例性實施例包括電流接收器和通過多條線路連接到電流接收器的多個節點，電流接收器包括微處理器和驅動器，線路允許電流接收器和多個節點之間的供電和雙向數據傳送。相對於現有技術，將多條線路用於功率和數據傳輸在重量減小和系統模塊性方面提供了顯著的優點。
文檔編號H04L25/02GK1813420SQ200480018092
公開日2006年8月2日 申請日期2004年6月22日 優先權日2003年6月26日
發明者詹姆斯·M.·海爾三世, 丹尼爾·L.·格裡恩 申請人:Abet技術有限公司