專利名稱：差分通訊單總線數(shù)字傳輸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單總線數(shù)字傳輸裝置，特別涉及一種具有差分通訊功能的單總線數(shù)字傳輸裝置，屬于信號(hào)檢測(cè)及總線數(shù)字傳輸設(shè)備。
現(xiàn)就應(yīng)用于溫度檢測(cè)及傳輸領(lǐng)域加以說明經(jīng)申請(qǐng)人調(diào)研及查閱資料，目前常用的單總線數(shù)字溫度傳感器，如《電子技術(shù)應(yīng)用》雜志(2000年第6期第31-32頁及66-68頁)“用單總線技術(shù)設(shè)計(jì)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(yīng)用”一文中介紹美國達(dá)拉斯(DALLAS)半導(dǎo)體公司近年生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820芯片，可把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供主機(jī)(微機(jī)或單片機(jī))處理，由于每個(gè)芯片具有唯一的序列號(hào)(即身份證號(hào))，所以，在一條總線上可掛接多個(gè)DS1820芯片，并可被唯一地識(shí)別。因而，僅需一根數(shù)據(jù)總線(芯片與主機(jī)共地構(gòu)成回路，確切講是二總線。)即可完成地址、數(shù)據(jù)、控制信號(hào)的雙向傳輸，同時(shí)，主機(jī)還通過該數(shù)據(jù)線向DS1820芯片的電容充電，以構(gòu)成芯片的工作電源，使現(xiàn)場(chǎng)的芯片無需自備電源即可工作?？梢姡_(dá)拉斯公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS1820芯片以及相應(yīng)的單總線傳輸裝置具有構(gòu)成簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。但是，上述芯片及單總線技術(shù)設(shè)備存在一定的缺陷，即采用的是一根數(shù)據(jù)線及一根公共地線構(gòu)成的單端方式進(jìn)行數(shù)字信號(hào)通訊的，此種方式存在如下缺點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，因而對(duì)數(shù)字信號(hào)的幅值要求較高。傳輸距離較短(50米)。
3．對(duì)線路按裝要求較高，由于通訊線路安裝時(shí)經(jīng)常采用樹狀結(jié)構(gòu)，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(shù)米)。否則，容易形成反射，造成信號(hào)波型失真，導(dǎo)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(xiàn)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(dá)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)構(gòu)成的電子開關(guān)。溫度傳感器方面，包含有一只差分模塊以及兩只電子開關(guān)，一只安裝在信號(hào)傳輸通道，另外一只安裝在傳輸總線與地線之間。主機(jī)方面，包含有一只差分模塊以及三只電子開關(guān)，一只電子開關(guān)安裝在信號(hào)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(guān)的控制端與主機(jī)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(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，主機(jī)的I/O口首先發(fā)出控制信號(hào)給由MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成的電子開關(guān)控制端(既MOSFET器件的柵極G)，使主機(jī)差分通訊芯片的傳輸線與總線之間的電子開關(guān)斷開(高阻態(tài))，而使主機(jī)的地線與傳輸總線之問的電子開關(guān)以及主機(jī)的充電電源端與傳輸總線之間的電子開關(guān)閉合(低阻態(tài))。傳感器方面總線之一經(jīng)二極管接至傳感器的充電電容，總線另一根經(jīng)電子開關(guān)接至傳感器的地線，此時(shí)總線為充電電壓占有。主機(jī)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(jié)束后，主機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，斷開上述電子開關(guān)，而把差分傳輸模塊與總線之間的電子開關(guān)閉合，使主機(jī)能夠進(jìn)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(hào)、高電位。在本發(fā)明線路中，其導(dǎo)通原理為當(dāng)柵極G電位高于漏極D電位時(shí)，源、漏之間導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻毫歐姆數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于電子開關(guān)閉合。反之，當(dāng)柵極G電位低于漏極D電位時(shí)，源、漏之間截止，導(dǎo)通電阻兆歐姆數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于電子開關(guān)斷開。利用MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管這一特性，傳感器方面的電子開關(guān)通過感知總線上的電位情況，自動(dòng)進(jìn)行切換。當(dāng)主機(jī)向傳感器電容充電時(shí)，傳感器方面的兩只電子開關(guān)的源、柵、漏狀態(tài)使之切換至電容充電狀態(tài)。而當(dāng)主機(jī)與傳感器進(jìn)行通訊時(shí)，傳感器方面的兩只電子開關(guān)的源、柵、漏狀態(tài)則使主機(jī)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(shù)字通訊。
因此，當(dāng)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(yīng)用于單總線數(shù)字通訊時(shí)可顯示出很大的優(yōu)越性同樣單總線數(shù)字傳輸，差分傳輸距離較遠(yuǎn)，對(duì)線路安裝要求不高，對(duì)各種電磁波的共模干擾具有很強(qiáng)的抑制能力，提高了通訊的可靠性。
本發(fā)明將結(jié)合附圖并通過如下實(shí)施例加以說明，其中

圖1為現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)成的單端方式通訊的單總線溫度檢測(cè)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(cè)裝置的主機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shí)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(cè)裝置的主機(jī)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(cè)裝置的傳感器部份的原理圖；以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案作進(jìn)一步說明。
如圖1所示現(xiàn)有單端方式通訊的單總線溫度檢測(cè)裝置89C51單片機(jī)1的P1.0口接至由MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成的電子開關(guān)2的控制極(柵極G)。P1.0口輸出為高時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通使傳輸總線4與VCD充電電源相接，主機(jī)通過掛在總線上的DS1820溫度傳感器3、5、6內(nèi)部二極管11向其電容10充電，使其有足夠的能量進(jìn)入工作狀態(tài)。89C51單片機(jī)1的P1.1口作為發(fā)送口Tx，P1.2口作為接受口Rx與數(shù)字溫度傳感器DS1820芯片進(jìn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，芯片管腳7為地線GND端與主機(jī)地線相聯(lián)，8為信號(hào)線DQ端接至單總線信號(hào)端4,9為電源VDD端，在無自備電源時(shí)與芯片地線GND端相聯(lián)，以構(gòu)成單總線單端方式通訊。圖1中10、11、為DS1820芯片內(nèi)部電容和二極管構(gòu)成單方向充電回路。圖1中12、13、14、15、16、17分別為序列號(hào)(即身份證號(hào))64bitROM存儲(chǔ)單元、通訊收發(fā)的存儲(chǔ)器控制邏輯電路、用于檢測(cè)溫度的溫度傳感器及上、下限控制電路、檢測(cè)溫度的存儲(chǔ)器、可使數(shù)據(jù)交換可靠的8位CRC校驗(yàn)電路及電源檢測(cè)電路。上述電路確保主機(jī)與掛接在總線上多個(gè)DS1820芯片進(jìn)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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。如圖2所示主機(jī)部份為與現(xiàn)場(chǎng)隔離，單片機(jī)20通訊發(fā)送口Tx經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換成雙端A、B差分方式傳輸。單片機(jī)20控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)器28并通過光電隔離器27加在由MOSFET場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成的電子開關(guān)24、25、26控制端上。當(dāng)主機(jī)部份向單總線溫度傳感器發(fā)出VCD充電電壓時(shí)，單片機(jī)20的I/O發(fā)出控制信號(hào)使電子開關(guān)24斷開，而25、26閉合，此時(shí)傳輸總線29a、29b兩端為VCD充電電壓端與地端占有。充電結(jié)束后，單片機(jī)20發(fā)出控制信號(hào)使電子開關(guān)25、26斷開，而24閉合。此時(shí)，傳輸總線兩端29a、29b為差分通訊兩信號(hào)線占有，單片機(jī)可與溫度傳感器進(jìn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。當(dāng)主機(jī)部份向單總線溫度傳感器發(fā)出VCD充電電壓時(shí)，傳感器中電子開關(guān)39通過電平轉(zhuǎn)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(guān)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(jié)束后，主機(jī)與傳感器進(jìn)行通訊時(shí)，電子開關(guān)39因柵極G電位低于漏極D而斷開，電子開關(guān)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(jìn)而與主機(jī)的差分傳輸端相聯(lián)，從而完成單總線差分傳輸數(shù)字通訊。差分模塊38把差分傳輸信號(hào)轉(zhuǎn)換成單端傳輸信號(hào)與單片機(jī)37通訊。單片機(jī)37與地址開關(guān)34構(gòu)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(shí)基電路36共同構(gòu)成溫度采集、轉(zhuǎn)換部份，并將溫度信息交單片機(jī)處理。二極管31、電容33a、33b共同構(gòu)成單方向充電電路，電容33a、33b充電后分壓，以便給單片機(jī)37、差分模塊38等芯片提供適當(dāng)?shù)碾娫础?br> 圖4為本發(fā)明所述差分方式單總線通訊波形時(shí)序圖。圖4中A段時(shí)序?yàn)橹鳈C(jī)向傳感器發(fā)出VCD充電電壓，B段時(shí)序?yàn)閂CD充電電壓切換至差分傳輸兩信號(hào)線的時(shí)間間隔，C段時(shí)序?yàn)橹鳈C(jī)與傳感器之間半雙工差分通訊的過程。C1段為主機(jī)向傳感器發(fā)出地址、控制及數(shù)據(jù)編碼的差分信號(hào)，選擇傳感器和通訊內(nèi)容。C2段為傳感器向主機(jī)發(fā)出的應(yīng)答信號(hào)、溫度信號(hào)及用于描述現(xiàn)場(chǎng)的各種報(bào)警信息。D段為從差分傳輸兩信號(hào)線切換至VCD充電電壓的時(shí)間間隔。然后，重新開始A、B、C、D段的通訊過程。但此時(shí)，主機(jī)已開始與另一傳感器進(jìn)行通訊了。
圖5為差分方式通訊的單總線溫度檢測(cè)裝置的主機(jī)部份的原理圖。單片機(jī)20的TXD端通過驅(qū)動(dòng)器21及高速光電隔離器22a與差分通訊芯片23的數(shù)據(jù)輸入端DI相聯(lián)，并轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)由芯片23的A、B端輸出，當(dāng)電子開關(guān)25、26斷開，24導(dǎo)通時(shí)，主機(jī)與傳感器之間進(jìn)行差分通訊。從傳感器向主機(jī)返回的差分信號(hào)由差分通訊芯片23的A、B端輸入，并轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)由芯片23的RO端輸出，經(jīng)高速光電隔離器22b接至單片機(jī)20的RXD端，從而完成主機(jī)與傳感器之間的差分通訊。單片機(jī)20的I/O口P00端經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(jī)與傳感器之間的半雙工差分通訊。單片機(jī)20的I/O口P01、P02端經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(guān)24、25、26的控制端。當(dāng)單片機(jī)20的I/O口P01為低，P02為高時(shí)電子開關(guān)25、26導(dǎo)通，24關(guān)斷?？偩€輸出端29a、29b分別接至VCD(7V)充電電壓端及VSS(地)端，主機(jī)向傳感器發(fā)出VCD充電電壓。當(dāng)單片機(jī)20的I/O口P01為高，P02為低時(shí)電子開關(guān)25、26關(guān)斷，24導(dǎo)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(jī)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(cè)裝置傳感器部份的原理圖。圖6中40a、40b為總線輸入端。當(dāng)主機(jī)向傳感器電容充電時(shí)主機(jī)VCD充電電壓經(jīng)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(guān)32控制端提供適當(dāng)?shù)碾娢?。充電時(shí)，由于電子開關(guān)32柵G、源S、漏極D電位的設(shè)置使其處于高阻態(tài)，對(duì)差分通訊芯片38的A端無影響。充電電壓經(jīng)電阻30b擊穿穩(wěn)壓管30a，經(jīng)降壓后給電子開關(guān)39柵極提供適當(dāng)?shù)碾娢?，使電子開關(guān)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(gòu)成回路。充電結(jié)束后，主機(jī)向傳感器發(fā)出差分通訊信號(hào)，由于信號(hào)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(shù)值高于5V無法擊穿，處于斷路狀態(tài)，此時(shí)，電子開關(guān)39柵極經(jīng)電阻30c接地而處于阻斷狀態(tài)。而此時(shí)，電子開關(guān)32柵G、源S、漏極D電位的設(shè)置使其處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)?？偩€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(gòu)成回路。差分通訊信號(hào)經(jīng)差分通訊芯片38的A、B端轉(zhuǎn)換成單端信號(hào)，并由芯片38的RO端輸出接至單片機(jī)37的串行輸入端RXD。單片機(jī)37的串行輸出端TXD經(jīng)差分通訊芯片38的DI輸入端轉(zhuǎn)換成差分輸出，經(jīng)其A、B端及電子開關(guān)32接至總線端40a、40b，從而完成傳感器與主機(jī)之間的半雙工差分通訊。圖6中34為DIP地址開關(guān)，通過設(shè)置與單片機(jī)37共同構(gòu)成傳感器特定地址。時(shí)基電路芯片36與外接的熱敏電阻35共同構(gòu)成溫度/頻率變換器。當(dāng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻35的阻值發(fā)生變化，時(shí)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(hào)由芯片36的Q端輸出，接至單片機(jī)37的TO輸入端，被單片機(jī)采集、處理、并轉(zhuǎn)換成單端串行通訊數(shù)據(jù)，再通過芯片38變換成差分串行通訊數(shù)據(jù)，然后經(jīng)電子開關(guān)32及總線端40a、40b傳送給主機(jī)，從而完成與主機(jī)的單總線溫度檢測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，本裝置傳輸距離可達(dá)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(duì)傳輸沿途各種干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的抑制能力，提高了通訊的可靠性。在克服波形失真、信號(hào)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(shù)據(jù)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(jié)合實(shí)施例對(duì)本裝置作了詳盡的說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員不難根據(jù)本裝置的原理作出若干改型，但它們不會(huì)超出本發(fā)明權(quán)力要求所限定的精神與范圍。
權(quán)利要求
1．一種差分通訊單總線數(shù)字傳輸裝置，含有以單片機(jī)(20)、驅(qū)動(dòng)器(21、28)、光電隔離器(22a、22b、27)、差分模塊(23)、電子開關(guān)(24、25、26)構(gòu)成的主機(jī)，以及單片機(jī)(37)、時(shí)基電路(36)、熱敏電阻(35)、地址開關(guān)(34)、電子開關(guān)(32、39)、二極管(31)、電容(33a、33b)、電平轉(zhuǎn)換器(30)、差分模塊(38)構(gòu)成的溫度傳感器，其特征在于，主機(jī)與溫度傳感器之間進(jìn)行單總線數(shù)字傳輸時(shí)，通過一組差分模塊(23、38)以及一組電子開關(guān)(24、25、26)、(32、39)自動(dòng)切換進(jìn)行的，主機(jī)向傳感器的電容充電時(shí)，單片機(jī)(20)發(fā)出控制信號(hào)使電子開關(guān)(24)斷開，而(25、26)閉合，此時(shí)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(guān)(39)閉合，電子開關(guān)(32)斷開，總線處于電容充電狀態(tài)，充電結(jié)束后，單片機(jī)(20)發(fā)出控制信號(hào)使電子開關(guān)(25、26)斷開，而(24)閉合，傳輸總線(29a、29b)兩端為差分通訊兩信號(hào)線占有，傳感器的電子開關(guān)(39)斷開，電子開關(guān)(32)閉合，使傳感器差分模塊(38)的差分傳輸端與主機(jī)的差分模塊(23)差分傳輸端經(jīng)傳輸總線(29a、29b、40a、40b)端相聯(lián)進(jìn)行差分通訊。
2．根據(jù)權(quán)力要求1所述的差分通訊單總線數(shù)字傳輸裝置，其特征是，當(dāng)所述的電子開關(guān)(25、26)斷開，而(24)閉合，電子開關(guān)(39)斷開，電子開關(guān)(32)閉合時(shí)，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(shù)字傳輸裝置,包括單片機(jī)及外圍電路構(gòu)成的主機(jī)和單片機(jī)、時(shí)基電路芯片、熱敏電阻構(gòu)成的溫度傳感器。在兩者之間進(jìn)行單總線數(shù)字通訊時(shí),增加了一組差分通訊芯片以及一組自動(dòng)切換的電子開關(guān)。在保持單總線數(shù)字傳輸裝置構(gòu)成簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)同時(shí),進(jìn)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(shù)據(jù)通訊速率。在克服波形失真和信號(hào)衰減方面也優(yōu)于單端方式傳輸,并延長(zhǎng)了傳輸距離。
文檔編號(hào)H04L5/00GK1322941SQ0111987
公開日2001年11月21日 申請(qǐng)日期2001年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月3日
發(fā)明者方穗明, 王廣生 申請(qǐng)人:方穗明