帶時鐘信號的半雙工串行總線通信方法及通信系統的製作方法
2023-04-24 19:34:46
專利名稱：帶時鐘信號的半雙工串行總線通信方法及通信系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種小型工業控制網絡的通信系統及其方法。
背景技術：
目前，在小型工業控制網絡中，RS-232、RS-422與RS-485標準是應用最廣泛的串行數據接口標準，是由電子工業協會(EIA)制訂並發布的，是串行數據接口的工業標準。
RS-232標準是單端一對一連接的全雙工通信方式，計算機上的串行通信口就是這種標準。
為改進RS-232通信距離短、速率低的缺點，RS-422定義了一種單機發送、多機接收的單工、平衡傳輸規範，被命名為TIA/EIA-422-A標準。
為擴展應用範圍，EIA又於1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，使用半雙工通信方式。
由於RS-232、RS-422與RS-485標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉及通信協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。
對RS-232、RS-422與RS-485標準的簡要分析1)RS-232、RS-422與RS-485標準中串行總線只包括數據線，總線上的多節點採用異步方式完成同步，並且在總線上傳輸的信息的最小單位只能是標準的ASCII碼字符。
2)在RS485標準中，總線上的節點數量是有限制的，最多255個，通常在實際使用中因為傳輸距離、傳輸速率等方面的限制，總線上的節點數量還要少。
3)在RS485標準中，主機與某個從機進行通信時，要先發送從機的地址碼，建立與從機之間的連接，然後再傳輸數據。
4)在RS485標準中，進行一主多從的多節點間的通信時，如果主機發往每個從機的數據不同，那麼主機需要與每個從機分別建立一次連接，然後再傳輸數據。這樣當從機節點數量多時，主機與某個從機通信等待時間會比較長，對時間延遲要求嚴格的場合不適用。
5)在小型的工業控制網絡中，總線上傳輸的多是數位化的控制信息，比如接近開關、限位開關的輸入信號有無，溫度、流量傳感器檢測到的溫度值、流量值等等。這些信息如果轉換成標準的ASCII碼傳送，轉換和還原過程非常煩瑣。因此，RS485標準總線不十分適合這種工業控制場合。
通過對RS-232、RS-422與RS-485標準的分析，我們可以發現基於這種標準建立的通信系統存在如下不足
1)總線上傳輸的ASCII字符信息，不適合工業控制中的數字量信息的傳輸。
2)總線上接點數量較多時，接點間通信的延遲時間長，並且延遲時間是變化的，通信系統的實時性差。
發明內容本發明是針對基於RS485標準建立的通信系統存在不適合工業控制中的數字量信息的傳輸，接點間通信的延遲時間長，通信系統的實時性差的缺陷，提供一種簡單、高效，適合小型工業控制網絡中數字信息傳輸的帶時鐘信號的半雙工串行總線通信方法，以及應用該方法的通信系統。
本發明所述的帶時鐘信號的半雙工串行總線通信方法，包括以下步驟——確定用於通信的共享式串行總線；——確定共享式串行總線上接入的N個通信從機中的每個從機以地址號作為從機唯一的識別碼，其中N為整數，且N≥1；——由通信主機按幀結構向串行總線上發送並接收周期性交換信息；——各從機根據主機發送的幀結構中的對應識別碼與主機進行數據交換；——結束一次通信周期過程。
其中主機發送的幀結構包括同步段、功能段、數據段、結束段；——同步段為持續一定時間的邏輯值＝1的時鐘信號，寬度設定為W1＝a*T，T為總線定時的基準信號周期，a為整數，且a≥1；用於表示一個通信周期的開始，由主機發出，連接在總線上的所有從機在檢測到同步信號後，開始一個新的通信周期；——功能段為事先定義好的總線命令，由主機發出，所有的從機都會接收和響應；功能段的寬度設定為W2＝b*T，b為整數，且b≥1，寬度係數b代表功能段所佔用的數據位的多少；——數據段用於完成主機與從機之間的數據交換，包括N個子數據段，每個子數據段與一個從機的地址對應，通信從機個數的最大值為N＝2n，n為從機地址碼的寬度；子數據段包括主機發送給從機的c位數據和校驗位以及從機發送給主機的c位數據和校驗位兩部分；單個子數據段的寬度W3＝2(c+1)*T，c為整數，且c≥1，整數c代表主機與從機之間每次數據交換的數據位數；——結束段表示一次通信周期的結束，由主機發出的邏輯值＝0的時鐘信號，寬度W5＝d*T，d為整數，且d≥1；
一種帶時鐘信號的半雙工串行總線通信系統，包括主機、從機、串行通信總線，串行通信總線包括電源線、公共地線、數據線和時鐘線4根導線，串行通信總線兩端分別連接終端電路，主機與從機分別通過接口電路接入串行通信總線上。
本發明的優點和積極效果1)本通信系統的網絡結構是共享式串行總線，總線中包括時鐘信號和數據信號；2)本通信系統由多個通信接點控制器構成；3)本通信系統中有且只有一個通信主機；4)本通信系統中可以有一個或多個通信從機，每個從機有唯一的地址號作為從機的識別碼；5)本通信系統中主機與從機之間採用帶有時鐘信號的同步傳輸協議。6)本通信系統採用半雙工式的數據通信。7)本通信系統中的數據通信的發起和結束由主機控制。8)總線上的通信是周期性的，接點間的通信延遲是確定的。9)每個通信周期中，主機可以與全部從機交換數據。10)總線上傳輸的信息格式是二進位的0、1比特流。11)總線上傳輸的二進位數據的實時性有保證，適合工業控制需要。
圖1、帶時鐘信號的半雙工串行總線通信系統結構示意圖；圖2、幀結構示意圖；圖3、主機通信工作流程圖；圖4、功能碼發送流程圖；圖5、主機依次執行與每個從機的數據發送與接收流程圖；圖6、子數據段的工作流程圖；圖7、從機i通信工作流程圖；圖8、從機接收功能碼流程圖；圖9、從機i的尋址過程流程圖；圖10、從機i與主機交換數據過程的流程圖；圖11、串行總線接口電路；圖12、主機控制器原理圖；圖13、從機控制器原理圖。
圖14、從機外部接口電路圖；圖15、本發明在電梯外部輸入輸出信號中的應用框圖。
具體實施方式實施例1帶時鐘信號的半雙工串行總線通信方法如圖1～10所示，本發明主要闡述現場總線的數據鏈路層的通信協議，對於底層物理層硬體電路的設計原理沒有明確的規定，即使用本通信協議的人員可以使用不同的方法來實現硬體電路的設計。
同樣本發明對上層的協議沒有明確的規定，即使用本通信協議的人員可以根據實際使用的情況來定義總線上傳輸的數據的含義。
本發明通信系統結構如圖1所示，其通信方法包括第一、定義(一)串行總線信號的定義基本時鐘周期總線定時的基準信號，它的周期設定為T，並且規定前半周期為邏輯值0，後半周期為邏輯值1。
串行總線中包括兩個脈衝信號時鐘信號和數據信號；時鐘信號時鐘信號有兩個基本功能產生總線的同步信號和串行數據的移位脈衝。
總線上的時鐘信號的實際周期是變化的，但是它的大小是基本時鐘周期T的整數倍。
數據信號表示串行數據的邏輯值是1，還是0；(二)串行總線通信周期(幀)結構的定義串行總線上的通信是按(幀)周期性的進行組織的，見圖2。
幀結構同步段、功能段、數據段、結束段。1)同步段持續一定時間的邏輯值＝1的時鐘信號，它的寬度設定為W1＝a*T，(a為整數，且a≥1)。同步段的功能表示一個通信周期的開始，由主機發出，連接在總線上的所有從機在檢測到同步信號後，復位串行數據移位計數器C，開始一個新的通信周期。
2)功能段事先定義好的一些總線命令，它是由主機發出的，所有的從機都會接收和響應的。例如，從機正常運行命令、從機緊急停止命令、從機復位命令、從機測試命令等等。
功能段的寬度設定為W2＝b*T，(b為整數，且b≥1)。寬度係數b的大小代表了功能段所佔用的數據位的多少，也就代表了功能段所能夠定義功能的多少。，3)數據段完成主機與從機之間的數據交換，包括若干個子數據段，每個子數據段與一個從機的地址對應。
子數據段包括主機發送給從機的c位數據及校驗位和從機發送給主機的c位數據及校驗位兩部分。
單個子數據段的寬度W3＝((c+1)+(c+1))*T＝2(c+1)*T，(c為整數，且c≥1)，整數c的大小代表了主機與從機之間每次數據交換的數據位多少，例如c＝8，表示總線上數據的寬度是8位。
數據子段的數目N等於從機的數目，從機的數目決定於從機地址碼的寬度，從機地址碼採用二進位編碼，因此N＝2n，例如2位地址碼對應的從機數目最多為4，3位地址碼對應的從機數目最多為8，依次類推，8位地址碼對應的從機數目最多為256等等。
校驗位可以三種校驗方式偶校驗、奇校驗、無校驗。
主機數據校驗對主機發送給從機的數據進行奇偶校驗。
從機數據校驗對從機發送給主機的數據進行奇偶校驗。
數據段的寬度W4＝N*W3＝(2n)*W3，其中n表示從機地址碼的寬度。
4)結束段表示一次通信周期的結束，由主機發出的寬度為W5的邏輯值＝0的時鐘信號。設定結束段的寬度W5＝d*T，(d為整數，且d≥1)。
第二、工作過程——包括兩部分主機通信流程和從機通信流程。
(一)串行總線上主機通信算法(見圖3)1)同步段主機在時鐘信號線上持續輸出邏輯值為1的信號。同時啟動內部定時器t1，比較t1與設定的同步段寬度值W1的大小關係，直到t1＝W1，表示同步信號有效。
同步信號完成後，時鐘信號切換為邏輯值0。
在同步階段，總線上的數據信號保持為邏輯值0。
2)功能段主機發送功能碼階段，總線上的時鐘信號周期＝基本時鐘周期，即時鐘信號線上是固定周期T的脈衝信號。主機功能碼發送流程，見圖4。
功能碼是按照由低位到高位的順序發送的。每個時鐘周期發送1位。因此數據寬度為b的功能代碼，發送過程要持續b個時鐘周期。
3)數據段在數據段完成主機與從機之間的數據交換，主機對於總線上的多個從機的尋址方式是依靠從機地址號來識別的，見圖5。
在每個通信周期中，主機按照從機地址號的順序依次執行與每個從機的數據發送與接收，在本通信系統中有多少個從機，就有多少個子數據段。因此在一次通信周期中主機重複執行子數據段的操作，直到與全部從機都完成數據的交換。
在子數據段中，分為主機發送給從機i(i表示從機地址號，為整數，且N≥i≥1)的c位數據及校驗位和接收從機i發送的c位數據及校驗位兩部分，見圖7。
4)結束段主機在時鐘信號線上持續輸出邏輯值為0的信號。同時啟動內部定時器t2，比較t1與設定的結束段寬度值W5的大小關係，直到t2＝W5，表示結束信號有效。
在結束段，總線上的數據信號保持為邏輯值0。
(二)串行總線上從機通信算法
連接在總線上的多個從機按照通信協議與主機進行通信。從機i通信工作流程，見圖6。
1)同步段從機檢測到時鐘信號線上邏輯值為1的信號。同時啟動內部定時器t3，記錄時鐘信號保持為邏輯值1的時間，比較t3與設定的同步信號寬度值W1的大小關係，如果t1≥W1，表示同步信號有效。
2)功能段串行總線上的所有從機在檢測到有效的同步時鐘信號後，當時鐘信號由邏輯值1切換到邏輯值0時，自動進入接收功能碼階段。
由主機發出的功能碼不區分從機的地址號碼，而是面對所有連接在總線上的從機的，因此，所有從機接收相同的功能碼，從機接收功能碼後，執行相同的操作。
從機接收功能碼流程，見圖8。
3)數據段在進入數據段後，從機開始記錄串行時鐘脈衝的計數值C1，與本身的地址號i比較，並以此判斷主機是否與本從機交換數據。這樣的地址判斷過程，我們稱為從機地址尋址過程。
地址號為i的從機尋址過程見圖9(i表示從機地址號，為整數，且N≥i≥1)。
如果本機地址號與被尋址從機號相同，那麼本從機將執行數據的接收和發送操作。地址號為i的從機與主機交換數據的過程如圖10。
4)結束段從機檢測到時鐘信號線上邏輯值為0的信號。同時啟動內部定時器t4，記錄時鐘信號保持為邏輯值0的時間，比較t4與設定的結束信號寬度值W5的大小關係，如果t4≥W5，表示結束信號有效。
實施例2、帶時鐘信號的半雙工串行總線通信系統一)本發明設計的串行總線通信系統裝置的構成，參見圖1。
1)四線制，即兩對非屏蔽雙絞線，定義如下1號線第一對雙絞線的第一根線直流電源+24V；2號線第一對雙絞線的第二根線直流電源地，即0V；3號線第二對雙絞線的第一根線串行時鐘信號SCLK；4號線第二對雙絞線的第二根線串行數據信號SDAT；2)總線電源為連接在總線上的通信接點提供工作電源。
3)終端電路在總線中傳輸的信號是數字量，為防止信號在電路終端發生反射，造成幹擾，可以使用終端吸收電路來抑制信號在電路終端發生反射。常見的終端電路可以用電阻充當，比如阻值為120歐的電阻基本上可以起到終端吸收的作用。
二)本發明設計的串行總線接口電路，參見圖11。
串行總線接口電路包括兩部分串行通信發送信號轉換電路、串行通信接收信號轉換電路。
串行總線接口電路功能為提高傳輸的距離和可靠性，串行總線上的時鐘和數據信號的傳送格式是差分形式。通常要傳遞一個差分信號需要兩根線路來形成一個電流環路，例如RS485標準就是這樣規定的。如果這樣，本發明中的時鐘和數據信號要實現差分傳輸，就必須用四根線路來構成兩個電流迴路。
為此，本發明設計了專用的串行總線接口電路，它的特點是在一對雙絞線路上完成兩個差分信號的傳輸。它的工作原理是時鐘信號和數據信號交替傳輸，時鐘信號和數據信號相互作為比較基準，可以消除共模幹擾造成的信號電壓浮動。
本發明中的主機控制器和從機控制器所使用的串行接口電路就是按照上述原則設計的。
三)主機控制器原理圖，參見圖12。
主機控制器組成通信協議處理器、串行通信發送信號轉換電路、串行通信接收信號轉換電路、電源轉換電路。其中通信協議處理器是主機控制器的核心部分，它通常是一個帶固化程序的微處理器或單片機，按照本發明設計的串行通信協議對發送和接收的數據信息進行處理和存儲。
主機控制器功能通過並行數據總線與中央控制器(例如電梯控制器的電腦板、其它應用中系統原有的可編程序控制器等等)交換數據，這裡的並行數據總線包括四個主機輸出的信號E1OUT、E2OUT、E3OUT、E4OUT，四個主機輸入的信號E5IN、E6IN、E7IN、E8IN。主機控制器將中央處理器發送來的並行數據，通過主機內的協議處理，轉換成串行數據發送到串行總線上去，傳送給總線上的指定的從機。主機控制器將串行總線上從機發送來的串行數據，通過主機內的協議處理，轉換成並行數據發送到並行總線上，傳送給中央控制器。
四)從機控制器原理圖，參見圖13。
從機控制器組成與主機控制器的組成相同，不同點是從機的通信協議處理器中的固化程序。從機通信協議處理器中固化的是本發明設計的從機通信協議。
從機控制器功能通過並行數據總線與外部接口電路(例如電梯的大廳呼梯按鈕指示燈、其它應用中的開關信號等等)交換數據，這裡的並行數據總線包括四個從機輸出的信號E1B、E2B、E3B、E4B，四個主機輸入的信號E5B、E6B、E7B、E8B。從機控制器將外部接口電路發送來的並行數據，通過從機內的協議處理，轉換成串行數據發送到串行總線上去，傳送給總線上的主機。從機控制器將串行總線上主機發送來的串行數據，通過從機內的協議處理，轉換成並行數據發送到並行總線上，傳送給外部接口電路。
五)從機的外部接口電路，參見圖14。
從機外部接口電路組成輸出驅動電路和輸入採集電路。輸出驅動電路用於驅動外部執行器件，如指示燈、繼電器、接觸器等等，輸出驅動電路主要由三極體9013完成信號燈的驅動。輸入採集電路使用電阻分壓電路完成輸入信號的採集，並傳送給從機。
從機外部接口電路功能將從機控制器輸入輸出的信號進行電平轉換，以適應從機控制和外部實際控制信號的需要。本實例設計的電路是電梯大廳呼梯按鈕指示電路，可以完成四個按鈕信號的輸入和四個指示燈信號的輸出。
實施例3、本發明在電梯外部信號控制中的應用本發明在電梯外部輸入輸出信號中的應用框圖，參見圖15。
通常一部電梯有多個樓層(用整數M表示，M≥2)，每個樓層大廳有一些輸入或輸出信號，例如在最低層有上行呼梯按鈕和指示器(稱為外呼按鈕指示器)、消防開關、鎖梯開關等，在中間層有上行/下行呼梯按鈕和指示器，在最高層有下行呼梯按鈕和指示器等。
與電梯樓層數目M相對應，電梯的轎廂內操縱盤上有M個內選按鈕和指示器。
電梯在運行時需要連續採集和更新外呼和內選信號，因為這些信號都是離散開關信號，如果使用傳統的接線方式，每個按鈕指示器至少接2根信號線，M層的電梯共計有M個內選按鈕和(M-2)*2+2個外呼按鈕，那麼需要從電梯控制櫃中並行引出至少2M+(M-2)*4+4＝6M-4根信號線，當樓層數目M較大時(通常M≥10)，所需的信號線數量明顯增大，布線工藝複雜，穩定性差，維護難度加大。
對於這種情況使用本發明設計的串行通信系統，只需要從電梯控制櫃引兩組串行總線，其中一組接電梯轎廂內選，另一組去樓層外呼，可以明顯簡化布線工藝，提高信號傳輸的穩定性，方便運行維護。
權利要求
1.一種帶時鐘信號的半雙工串行總線通信方法，其特徵是該方法包括以下步驟——確定用於通信的共享式串行總線；——確定共享式串行總線上接入的N個通信從機中的每個從機以地址號作為從機唯一的識別碼，其中N為整數，且N≥1；——由通信主機按幀結構向串行總線上發送並接收周期性交換信息；——各從機根據主機發送的幀結構中的對應識別碼與主機進行數據交換；——結束一次通信周期過程。
2.根據權利要求1所述的帶時鐘信號的半雙工串行總線通信方法，其特徵是主機發送的幀結構包括同步段、功能段、數據段、結束段；其中——同步段為持續一定時間的邏輯值＝1的時鐘信號，寬度設定為W1＝a*T，T為總線定時的基準信號周期，a為整數，且a≥1；用於表示一個通信周期的開始，由主機發出，連接在總線上的所有從機在檢測到同步信號後，開始一個新的通信周期；——功能段為事先定義好的總線命令，由主機發出，所有的從機都會接收和響應；功能段的寬度設定為W2＝b*T，b為整數，且b≥1，寬度係數b代表功能段所佔用的數據位的多少；——數據段用於完成主機與從機之間的數據交換，包括N個子數據段，每個子數據段與一個從機的地址對應；子數據段包括主機發送給從機的c位數據和校驗位以及從機發送給主機的c位數據和校驗位兩部分；單個子數據段的寬度W3＝2(c+1)*T，c為整數，且c≥1，整數c代表主機與從機之間每次數據交換的數據位數；——結束段表示一次通信周期的結束，由主機發出的邏輯值＝0的時鐘信號，寬度W5＝d*T，d為整數，且d≥1；
3.根據權利要求1或2所述的通信方法，其特徵是通信從機個數的最大值為N＝2n，n為從機地址碼的寬度。
4.一種帶時鐘信號的半雙工串行總線通信系統，包括主機、從機、串行通信總線，其特徵是串行通信總線包括電源線、公共地線、數據線和時鐘線4根導線，串行通信總線兩端分別連接終端電路，主機與從機分別通過串行總線接口電路接入串行通信總線上。
5.根據權利要求4所述的半雙工串行總線通信系統，其特徵是串行總線接口電路包括串行通信發送信號轉換電路和串行通信接收信號轉換電路兩部分，發送轉換電路的輸入端和接收轉換電路的輸出端分別連接主機或從機，發送轉換電路的輸出端和接收轉換電路的輸入端分別連接串行總線。
6.根據權利要求4或5所述的半雙工串行總線通信系統，其特徵是主機控制器包括通信協議處理器——用於將外部控制中央處理器發送來的並行數據，轉換成串行數據發送到串行總線上去，傳送給總線上的指定的從機，以及將串行總線上從機發送來的串行數據，轉換成並行數據發送到並行總線上，傳送給中央控制器；串行通信發送信號轉換電路——用於將通信協議處理器發送的串行數據發送到串行總線上去；串行通信接收信號轉換電路——用於接收串行總線上從機發送來的串行數據，並送入通信協議處理器；電源轉換電路——用於提供各部分所需的電源。
7.根據權利要求4或5所述的半雙工串行總線通信系統，其特徵是從機控制器包括通信協議處理器——用於將串行總線上主機發送來的串行數據，轉換成並行數據發送到外部並行總線上，通過外部接口電路傳送給外部應用單元，以及將外部應用單元發送來的並行數據，轉換成串行數據發送到串行總線上，傳送給總線上的主機；串行通信接收信號轉換電路——用於接收串行總線上主機發送來的串行數據，並送入從機通信協議處理器；串行通信發送信號轉換電路——用於將通信協議處理器發送的串行數據發送到串行總線上去；電源轉換電路——用於提供各部分所需的電源。
8.根據權利要求7所述的半雙工串行總線通信系統，其特徵是從機的外部接口電路包括輸出驅動電路用於驅動外部執行器件；和輸入採集電路，用於完成輸入信號的採集並傳送給從機。
全文摘要
本發明涉及一種小型工業控制網絡的通信系統及其方法。帶時鐘信號的半雙工串行總線通信系統，包括主機、從機、串行通信總線，串行通信總線包括電源線、公共地線、數據線和時鐘線4根導線，串行通信總線兩端分別連接終端電路，主機與從機分別通過接口電路接入串行通信總線上。其通信方法是確定共享式串行總線上接入的N個通信從機中的每個從機以地址號作為從機唯一的識別碼；由通信主機按幀結構向串行總線上發送並接收周期性交換信息；各從機根據主機發送的幀結構中的對應識別碼與主機進行數據交換。本通信系統採用半雙工式的數據通信，數據通信的發起和結束由主機控制，並可與全部從機交換數據，其通信是周期性的，接點間的通信延遲星確定的。
文檔編號H04L5/16GK1662008SQ20041007234
公開日2005年8月31日 申請日期2004年10月20日 優先權日2004年10月20日
發明者張德軍, 張德民 申請人:天津市英克瑞電子技術有限公司