ГИРЛЯНДНАЯ ДВУХПРОВОДНАЯ ДАТЧИКОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ
DAISY CHAIN TWO-WIRE SENSOR MEASURING SYSTEM AND METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится к области технологий связи и, в частности, к гирляндной двухпроводной датчиковой измерительной системе и способу.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] В большинстве известных датчиковых сетей используют технологию шины, такую как сетевая технология RS485. Каждый узел имеет два провода связи, а также имеет два провода питания при подаче питания с использованием шины, и у каждого узла независимый адрес. Сеть такого типа поддерживает двустороннюю связь, выгрузку данных и доставку команды управления, и подходит в качестве обычной системы измерения и управления. Однако, в сети этого типа шина содержит четыре провода, что усложняет прокладку кабелей и повышает затраты на провода и оборудование. Каждому узлу требуется независимый адрес, поэтому протокол сложный. Неудобны также установка и отладка системы.
[003] Микросхема DS18B20 для измерения температуры от компании Maxim, широко распространенная на рынке, использует однопроводную шину датчиков. В дополнение к двум проводам питания требуется только одна шина связи. Все интегральные микросхемы соединены тремя одинаковыми проводами для совершения обмена данными, и каждая интегральная микросхема имеет уникальный независимый идентификационный (ИД) номером. Таким образом, прокладка кабеля упрощается до определенной степени. Однако, все равно требуются три провода, а узлы различают по идентификационному номеру, причем идентификационный номер нужно считывать во время установки и развертывания, что приводит к неудобствам при замене.
[004] В качестве общей топологии связи к датчиковой сети может быть применена гирляндная сеть. В гирляндной сети каждый узел имеет две пары приемопередатчиков и соединен с двумя проводами связи. Каждый провод связи соединен с двумя узлами, а узлы последовательно соединены друг с другом. Данные узла пересылаются примыкающим узлом. Поэтому в гирляндной сети нет необходимости в адресах. Однако узел в гирляндной сети все же нуждается в независимом проводе питания и, следовательно, нуждается в двух проводах питания и двух интерфейсах связи. Если для связи используют один провод, каждый узел также должен быть соединен с четырьмя внешними проводами, а передача данных из оконечного узла на главный узел требует много операций пересылки. В результате этого данные могут быть легко утеряны, и это не подходит для построения широкомасштабной сети.
[005] В некоторых приложениях для управления батареями, таких как контейнерные системы накопления энергии на литиевых батареях, часто используют сотни блоков батарей, соединенных последовательно, а каждый блок батарей состоит из множества литиевых батарей, соединенных параллельно. Для безопасности батарей необходимо измерять температуру этих батарей. В решении, известном из уровня техники, требуется много датчиков и шин связи, что приводит к сложному соединению и затрудняет выполнение эффективного управления. С учетом вышеизложенного, в настоящем изобретении предложены гирляндная двухпроводная измерительная система и способ.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[006] Для решения проблем в известном уровне техники в настоящем изобретении предложены гирляндная двухпроводная датчиковая измерительная система и способ.
[007] Настоящее изобретение реализуется посредством следующих технических решений.
[008] В соответствии с первым аспектом в настоящем изобретении предложена гирляндная двухпроводная датчиковая измерительная система, содержащая:
[009] один или более подчиненных модулей, соединенных с одним или более датчиками и выполненных с возможностью обнаружения датчикового сигнала и модуляции обнаруженного датчикового сигнала в соответствующий сигнал тока;
[0010] главный модуль, последовательно каскадно соединенный с первым подчиненным модулем, подчиненным модулем верхней ступени и подчиненным модулем нижней ступени из указанных одного или более подчиненных модулей посредством провода гирляндного соединения с образованием гирляндной датчиковой сети, и соединенный с верхним компьютером посредством провода связи; и
[0011] провод гирляндного соединения, выполненный с возможностью подачи питания и передачи сигнала тока, полученного подчиненными модулями посредством модуляции, так что главный модуль получает и затем декодирует сигнал тока в проводе гирляндного соединения для получения соответствующих данных датчика.
[0012] Кроме того, главный модуль содержит интерфейс питания, главный нижний переключатель, главный нижний интерфейс, схему демодуляции сигнала, главную схему стабилизации напряжения, главный контроллер и интерфейс связи.
[0013] Кроме того, интерфейс питания соединен с внешним источником питания и главной схемой стабилизации напряжения. Главная схема стабилизации напряжения соединена с главным контроллером и выполнена с возможностью стабилизации входного напряжения питания и вывода стабилизированного напряжения питания на главный контроллер и периферийную схему главного контроллера.
[0014] Кроме того, главный нижний переключатель соединен с главным контроллером и последовательно соединен с проводом гирляндного соединения и управляет проводимостью подчиненного верхнего интерфейса первого подчиненного модуля через главный нижний интерфейс.
[0015] Кроме того, схема демодуляции сигнала соединена с главным контроллером и выполнен с возможностью декодирования сигнала тока в проводе гирляндного соединения для получения соответствующих данных датчика.
[0016] Кроме того, интерфейс связи соединен с верхним компьютером и передает данные датчика верхнему компьютеру.
[0017] Кроме того, подчиненный модуль содержит подчиненный верхний интерфейс, подчиненный нижний интерфейс, подчиненную схему стабилизации напряжения, схему модуляции сигнала, подчиненный контроллер и подчиненный нижний переключатель. Подчиненный модуль также содержит схему защиты от обратного соединения для предотвращения повреждения схемы подчиненного модуля при обратном соединении провода гирляндного соединения.
[0018] Кроме того, подчиненный верхний интерфейс подчиненного модуля нижней ступени соединен с подчиненным нижним интерфейсом подчиненного модуля верхней ступени или подчиненный верхний интерфейс первого подчиненного модуля соединен с главным нижним интерфейсом главного модуля.
[0019] Между подчиненным верхним интерфейсом и подчиненным нижним интерфейсом подсоединен подчиненный нижний переключатель шины для управления проводимостью подчиненного модуля нижней ступени;
[0020] Подчиненная схема стабилизации напряжения подсоединена между подчиненным верхним интерфейсом и подчиненным контроллером и выполнена с возможностью стабилизации напряжения, вводимого шиной гирляндного соединения, и вывода стабилизированного напряжения на подчиненный контроллер и периферийную схему подчиненного контроллера для подачи питания, а также выполнена с возможностью экранирования помех подчиненному контроллеру, вызываемых передачей сигнала при передаче данных подчиненным модулем.
[0021] Схема модуляции сигнала подсоединена между подчиненным верхним интерфейсом и подчиненным контроллером и выполнена с возможностью модуляции датчикового сигнала в соответствующий сигнал тока и передачи сигнала тока главному модулю по проводу гирляндного соединения.
[0022] Кроме того, схема модуляции сигнала использует светоизлучающий диод для выполнения модуляции сигнала и отображает рабочее состояние подчиненного модуля во время передачи данных.
[0023] Кроме того, подчиненный модуль содержит внутренний датчик и внешний датчик, а подчиненный контроллер соединен с внутренним датчиком и внешним датчиком для обнаружения внутреннего датчика и внешнего датчика. Внутренний датчик выполнен с возможностью получения внутреннего параметра подчиненного модуля. Внешний датчик содержит, без ограничений, один или более элемент из температурного датчика, ультразвукового датчика, датчика ускорения, газодымового датчика, датчика влажности, датчика вибрации, светочувствительного датчика или бесконтактного переключателя на датчике Холла.
[0024] В соответствии со вторым аспектом в настоящем изобретении предложен способ гирляндного двухпроводного датчикового измерения, причем способ измерения использует гирляндную двухпроводную датчиковую измерительную систему, описанную в первом аспекте, и включает следующие этапы:
[0025] S1: инициализация системы, активация дискретизации датчикового сигнала и кодирование собранного датчикового сигнала;
[0026] S2: модуляция датчикового сигнала в соответствующий сигнал тока и отправка сигнала тока в провод гирляндного соединения;
[0027] S3: декодирование сигнала тока с этапа S3 для получения соответствующих данных датчика; и
[0028] S4: определение на основе данных датчика наличия неисправного подчиненного модуля или ненормальных данных датчика.
[0029] Кроме того, согласно указанному способу передача данных и определение местоположения неисправности отдельного подчиненного модуля включают следующие периоды времени:
[0030] T0 представляет период времени, в котором шина выключена и управляется главным модулем, причем в этот период времени главный модуль выключает главный нижний переключатель, а все подчиненные модули находятся в состоянии с выключенным питанием;
[0031] T1 представляет период времени для синхронизации, причем в этот период времени главный модуль уже включает главный нижний переключатель, и последовательно включается питание подчиненных модулей, а продолжительность периода T1 определяется подчиненными модулями; подчиненные модули подготавливаются к передаче данных после включения питания и выполнения дискретизации сигнала с датчика в течение T1, причем верхним пределом продолжительности T1 является T1max; и
[0032] T2 представляет период времени для передачи данных, причем в этот период времени подчиненные модули завершают сбор данных датчика, обрабатывают и передают эти данные, при этом продолжительность T2 имеет верхний предел T2max.
[0033] Кроме того, согласно указанному способу передача данных и определение местоположения неисправности N подчиненных модулей включают следующие этапы:
[0034] S1: включение главного нижнего переключателя главным модулем, прекращение периода T0 и активация отсчета времени для T1, причем n устанавливают на 1;
[0035] S2: если в течение T1max главный модуль не получает никаких данных, определение того, что n подчиненным модулям не удается выполнить считывание, и переход к этапу SE;
[0036] S3: активация отсчета времени для T2 после того, как главный модуль принимает данные, прекращение сбора всех данных и ожидание завершения передачи данных;
[0037] S4: если T2>T2max, определение того, что ошибка данных имеет место в n-ом подчиненном модуле, и переход к этапу SE;
[0038] S5: если в данных есть ошибка проверки, переход к этапу SE; если в данных неисправность, указывающая на обрыв или короткое замыкание датчика, переход к этапу S6;
[0039] S6: установка n на n+1 и активация отсчета времени для T1;
[0040] S7: переход к этапу S2 и
[0041] SE: если n=N+1, что указывает на то, что данные всех подчиненных модулей приняты и передача данных завершена, выключение главного нижнего переключателя главным модулем; если n<N+1, определение того, что имеет место неисправность связи в n-ом подчиненном модуле.
[0042] Настоящее изобретение обладает следующими преимуществами.
[0043] В настоящем изобретении главный модуль и множество подчиненных модулей обнаружения датчиков последовательно соединены один за другим посредством провода питания с образованием гирляндной датчиковой сети контроля, что упрощает расширение. Провод используется совместно для подачи питания и связи, другими словами, для подачи питания главному модулю и множеству подчиненных модулей обнаружения датчиков и передачи данных используется только провод питания, что упрощает прокладку кабеля в месте эксплуатации. Сигнал передают в режиме тока, так что усиливается защита от помех и не требуется кодирование адреса. Кроме того, преимуществами настоящего изобретения являются низкая стоимость и низкое потребление энергии.
[0044] В настоящем изобретении используется специальная гирляндная структура. Данные подчиненного модуля обнаружения датчика нижней ступени отправляют непосредственно в главный модуль без пересылки подчиненным модулем обнаружения верхней ступени. Каждый подчиненный модуль обнаружения датчика выполнен с возможностью только дискретизации, передачи данных и управления нижним переключателем шины, что налагает низкие требования на подчиненный контроллер и способствует реализации с низкими затратами.
[0045] В настоящем изобретении используется двухпроводная шина, и прокладка кабеля удобна. Данное техническое решение также может быть использовано для других датчиковых систем контроля. Каждый подчиненный модуль обнаружения датчика также может быть соединен с множеством внешних датчиков и используется один общий канал передачи данных, что еще больше снижает стоимость системы и упрощает установку устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0046] Для более ясного описания технических решений в вариантах реализации настоящего изобретения или в известном уровне техники далее кратко описаны чертежи, требуемые для описания вариантов реализации или известного уровня техники. Очевидно, что чертежи в нижеследующем описании показывают лишь некоторые варианты реализации настоящего изобретения, и специалисты в данной области могут без творческих усилий получить другие чертежи на основе этих чертежей:
[0047] на ФИГ. 1 приведена принципиальная схема структуры гирляндной двухпроводной датчиковой измерительной системы в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;
[0048] на ФИГ. 2 приведена принципиальная схема структуры подчиненного модуля в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;
[0049] на ФИГ. 3 приведена схема электрических соединений подчиненного модуля в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;
[0050] на ФИГ. 4 приведена принципиальная схема структуры главного модуля в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;
[0051] на ФИГ. 5 приведена схема электрических соединений главного модуля в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;
[0052] на ФИГ. 6 приведена блок-схема способа гирляндного двухпроводного измерения температуры в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения;
[0053] на ФИГ. 7 приведена принципиальная схема структуры схемы, используемой для измерения температуры батарей в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения; и
[0054] на Фиг. 8 приведена временная диаграмма гирляндной двухпроводной датчиковой измерительной системы в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0055] Чтобы сделать более понятными цели, технические решения и преимущества вариантов реализации настоящего изобретения, технические решения в вариантах реализации настоящего изобретения будут ясно и полно описаны ниже со ссылкой на чертежи в вариантах реализации настоящего изобретения. Очевидно, что описанные варианты реализации являются частью, а не всеми, вариантами реализации настоящего изобретения. Все другие варианты реализации, полученные специалистами в данной области на основе вариантов реализации настоящего изобретения без творческого подхода, попадают в объем охраны настоящего изобретения.
[0056] Вариант реализации 1
[0057] Как показано на ФИГ. 1, данный вариант реализации обеспечивает гирляндную двухпроводную датчиковую измерительную систему, содержащую:
[0058] один или более подчиненных модулей, соединенных с одним или более датчиками и выполненных с возможностью обнаружения датчикового сигнала и модуляции обнаруженного датчикового сигнала в соответствующий сигнал тока;
[0059] главный модуль, последовательно каскадно соединенный с первым подчиненным модулем, подчиненным модулем верхней ступени и подчиненным модулем нижней ступени в одном или более подчиненных модулей посредством провода гирляндного соединения с образованием гирляндной датчиковой сети, и соединенный с верхним компьютером посредством провода связи; и
[0060] провод гирляндного соединения, соединенный между главным модулем и первым подчиненным модулем или между подчиненным модулем верхней ступени и подчиненным модулем нижней ступени, и выполненный с возможностью подачи питания и передачи сигнала тока, полученного подчиненными модулями посредством модуляции, так что главный модуль получает и затем декодирует сигнал тока в проводе гирляндного соединения для получения соответствующих данных датчика.
[0061] В этом варианте реализации главный модуль содержит интерфейс питания, главный нижний переключатель, главный нижний интерфейс, схему демодуляции сигнала, главную схему стабилизации напряжения, главный контроллер и интерфейс связи.
[0062] В этом варианте реализации интерфейс питания соединен с внешним источником питания и главной схемой стабилизации напряжения. Главная схема стабилизации напряжения соединена с главным контроллером и выполнена с возможностью стабилизации входного напряжения питания и вывода стабилизированного напряжения питания в главный контроллер и периферийную схему главного контроллера.
[0063] В этом варианте реализации главный нижний переключатель соединен с главным контроллером и последовательно соединен с проводом гирляндного соединения и управляет проводимостью подчиненного верхнего интерфейса первого подчиненного модуля через главный нижний интерфейс.
[0064] В этом варианте реализации схема демодуляции сигнала соединена с главным контроллером и выполнен с возможностью декодирования сигнала тока в проводе гирляндного соединения для получения соответствующих данных датчика.
[0065] В этом варианте реализации интерфейс связи соединен с верхним компьютером и передает данные датчика верхнему компьютеру.
[0066] В этом варианте реализации подчиненный модуль содержит подчиненный верхний интерфейс, подчиненный нижний интерфейс, схему защиты от обратного соединения, подчиненную схему стабилизации напряжения, схему модуляции сигнала, подчиненный контроллер и подчиненный нижний переключатель.
[0067] Подчиненный верхний интерфейс подчиненного модуля нижней ступени соединен с подчиненным нижним интерфейсом подчиненного модуля верхней ступени или подчиненный верхний интерфейс первого подчиненного модуля соединен с главным нижним интерфейсом главного модуля.
[0068] Между подчиненным верхним интерфейсом и подчиненным нижним интерфейсом соединен подчиненный нижний переключатель шины для управления проводимостью подчиненного модуля нижней ступени.
[0069] Подчиненная схема стабилизации напряжения соединена между подчиненным верхним интерфейсом и подчиненным контроллером и выполнена с возможностью стабилизации напряжения, вводимого шиной гирляндного соединения, и вывода стабилизированного напряжения в подчиненный контроллер и периферийную схему подчиненного контроллера для подачи питания, и также выполнена с возможностью экранирования помех подчиненному контроллеру, вызываемых передачей сигнала при передаче данных подчиненным модулем.
[0070] Схема модуляции сигнала соединена между подчиненным верхним интерфейсом и подчиненным контроллером и выполнена с возможностью модуляции датчикового сигнала в соответствующий сигнал тока и передачи сигнала тока главному модулю по проводу гирляндного соединения.
[0071] В этом варианте реализации схема модуляции сигнала использует светоизлучающий диод для выполнения модуляции сигнала и отображает рабочее состояние подчиненного модуля во время передачи данных. Во время передачи данных светоизлучающих диод мигает.
[0072] В этом варианте реализации подчиненный модуль содержит внутренний датчик и внешний датчик, а подчиненный контроллер соединен с внутренним датчиком и внешним датчиком для обнаружения внутреннего датчика и внешнего датчика, и внутренний датчик выполнен с возможностью получения внутреннего параметра подчиненного модуля.
[0073] В этом варианте реализации внешний датчик содержит один или более из температурного датчика, ультразвукового датчика, датчика ускорения, газодымового датчика, датчика влажности, датчика вибрации, светочувствительного датчика или бесконтактного переключателя на датчике Холла.
[0074] В этом варианте реализации соединение простое. Для соединения главного модуля и первого подчиненного модуля и соединения подчиненного модуля верхней ступени и подчиненного модуля нижней ступени используют только два провода.
[0075] В этом варианте реализации данные подчиненного модуля отправляются непосредственно главному модулю без пересылки промежуточным узлом, а для передачи данных используют сигнал тока, который подходит для системы с большим радиусом действия и множеством узлов.
[0076] В этом варианте реализации нет необходимости в кодировании адреса подчиненным модулем. В протоколе не требуется поле адреса. Это удобно для установки, развертывания, отладки, технического обслуживания и замены.
[0077] В этом варианте реализации в схеме подчиненного модуля требуются только схема стабилизации напряжения, схема аналого-цифровой (АЦ) дискретизации, металл-оксид-полупроводниковый (МОП) переключатель и множество резисторов, и нет большого конденсатора и индуктивного элемента. Это упрощает реализацию интегральной схемы и дополнительно снижает предельные издержки.
[0078] В этом варианте реализации каждый узел работает только тогда, когда он должен передать данные, а в остальное время находится в режиме пониженного потребления энергии или в режиме сна. В режиме сна модуль потребляет около 10 мкА. Даже в сети, содержащей 100 узлов, среднее потребление энергии сетью составляет только 1 мА.
[0079] Вариант реализации 2
[0080] Данный вариант реализации обеспечивает гирляндную топологию. Выполняется односторонняя связь, при которой подчиненный модуль определения температуры отправляет данные главному модулю, причем подчиненный модуль определения температуры соединен с множеством датчиков температуры, которые обычно распределены в среде, в которой датчики температуры находятся рядом друг с другом.
[0081] Например, датчики температуры прикреплены к различным частям одного и того же блока батарей, поэтому разность температур мала. Учитывая, что главный модуль тратит много времени на прием большого количества данных датчиков температуры, что влияет на среднюю скорость обновления данных, в этом варианте реализации предложен алгоритм сжатия данных.
[0082] В этом варианте реализации, чтобы дополнительно уменьшить стоимость, интенсивность и частоту неисправностей системы, в подчиненном контроллере подчиненного модуля определения температуры в качестве источника тактового сигнала может быть использован генератор низкой точности.
[0083] Например, внутри схемы используется RC-генератор. Для этой цели в данном варианте реализации предложен протокол передачи данных, который может допускать большую ошибку тактового сигнала.
[0084] Во-первых, отсеивается неисправность датчика температуры. Если датчик температуры разомкнут, то Tn = Tmax; если датчик температуры замкнут накоротко, то Tn = 0. Значение в диапазоне (0, Tmax) является измеренным значением датчика температуры. Например, если Tn = 1, то соответствующая температура равна -40°C; если Tn = 160, то соответствующая температура равна 120°C.
[0085] Минимальное значение Tmin N нормальных значений температуры датчиков, которые собраны подчиненным контроллером, вычисляют как опорное значение, а в качестве разности температур используют Tn′ = Tn - Tmin. В качестве примера рассмотрим четыре датчика температуры, тогда соответствующий протокол передачи состоит из следующих полей:
[0086] 1. Поле интервала измерения. Поле интервала измерения указывает время для измерения измеряемого значения каждого датчика температуры после включения питания подчиненного модуля определения температуры и поддерживаемый определенный интервал времени для разделения формы сигнала данных передачи данных подчиненного модуля 12 определения температуры верхней ступени.
[0087] 2. Поле тактовой синхронизации. Подчиненный модуль определения температуры использует в качестве опорного свой собственный генератор тактового сигнала для последовательной отправки 1010, чтобы информировать главный модуль о тактовой частоте, используемой подчиненным модулем определения температуры. На основе интервала времени приема двух чисел «1» главный модуль определяет опорный тактовый сигнал, используемый подчиненным модулем определения температуры. Ширину бита тактового сигнала устанавливают в этом поле как W.
[0088] 3. Поле опорного значения температуры. Двоичный код Tmin отправляют побитно с интервалом W. Если все датчики температуры замкнуты накоротко, то Tmin = 00000000b, а поле разности температур пустое. Если все датчики температуры разомкнуты, то Tmin = 11111111b, а поле разности температур пустое. Если некоторые датчики температуры разомкнуты, а другие датчики температуры замкнуты накоротко, другими словами, нет нормального датчика температуры, то Tmin = 00000000 b, а поле разности температур не пустое.
[0089] 4. Поле разности температур. N разностей Tn′ температур отправляют последовательно в соответствии со следующим правилом кодирования: если разность температур меньше 8, то отправляют 10b+TN'3 (TN′3 указывает 3-битовое двоичное число); если разность температур равна 0, то отправляют 1100b; если датчик температуры разомкнут, то отправляют 1110b; если датчик температуры замкнут накоротко, то отправляют 1101b; если разность температур больше или равна 8, то отправляют 01b+Tn′8.
[0090] 5. Проверочное поле. С помощью проверки четности или другой проверки вычисляют и отправляют результат проверки.
[0091] В этом варианте реализации поле тактовой синхронизации, поле опорной температуры, поле разности температур и поле проверки в совокупности называют полем передачи данных.
[0092] Протокол и правило кодирования в этом варианте реализации определяют типы неисправности и коды датчиков температуры, тем самым облегчая отладку. В кодовом потоке не встретится комбинация 0000000000b, поэтому потеря синхронизации вряд ли произойдет. В кодовом потоке не встретится комбинация 1111111111b, поэтому потеря синхронизации вряд ли произойдет. Передача кода неисправности занимает мало времени, так что неисправность датчика мало влияет на общую связь. Протокол явно определяет тактовый сигнал, используемый подчиненным модулем, и, следовательно, может быть использован для системы с тактовым сигналом низкой точности. Если взять в качестве примера четыре датчика температуры, в большинстве случаев протокол может сэкономить время передачи данных 8-12 битов данных. Даже при большой разности температур все равно может быть реализована точная передача.
[0093] Вариант реализации 3
[0094] Чтобы дополнительно уменьшить время передачи, улучшить частоту обновления данных (например, в больших системах накопления энергии, в которых имеются две сотни блоков батарей, а каждый блок содержит десять отдельных батарей, соединенных параллельно, передача тысяч значений температуры занимает много времени), обнаружения неисправной батареи как можно скорее и улучшения безопасности, в данном варианте реализации используют структуру схемы, показанную на ФИГ. 7.
[0095] На ФИГ. 7 R21, R24 и Q22 составляют один модуль 28 модуляции сигнала, а R21a, R24a и Q22a составляют другой модуль 28 модуляции сигнала. Два модуля 28 модуляции сигнала соединены параллельно и управляются подчиненными контроллерами 21, соответственно. Если игнорировать сопротивление Q22 и Q22a, то в предположении, что R21>R21a, возможны следующие четыре случая:
[0096] 1. Q22 и Q22a выключены, общий выходной ток модулей 28 модуляции сигнала, обозначенный как I0, равен 0, и напряжение на R11 равно 0.
[0097] 2. Q22a выключен, Q22 включен, и общий выходной ток модулей 28 модуляции сигнала равен току на R21 и обозначен как I1.
[0098] 3. Q22a включен, Q22 выключен, и общий выходной ток модулей 28 модуляции сигнала равен току на R21a и обозначен как I2.
[0099] 4. Q22a включен, Q22 включен, и общий выходной ток модулей 28 модуляции сигнала равен сумме тока на R21a и тока на R21 и обозначен как I3.
[00100] В этом варианте реализации, так как R21>R21a, то I0<I1<I2<I3. Путем выбора надлежащих значений сопротивления R21 и R21a можно получить четыре разных значения сопротивления на R11 главного модуля (как показано на ФИГ. 5). С помощью этой схемы модуляции можно реализовать четырехсимвольное кодирование, например: I0 соответствует 00b, I1 соответствует 01b, I2 соответствует 10b и I3 соответствует 11b. Этот тип символьного кодирования может значительно улучшить скорость передачи данных.
[00101] Схема модуляции в этом варианте реализации простая, может быть легко реализована и имеет низкую стоимость. Символьное кодирование значительно экономит время передачи. Кроме того, символы сильно отличаются друг от друга, поэтому вызвать битовую ошибку непросто.
[00102] В данном варианте реализации используют четырехсимвольный протокол передачи и следующее правило кодирования.
[00103] 1. Поле интервала измерения.
[00104] 2. Поле тактовой синхронизации. Подчиненный модуль 12 определения температуры использует в качестве опорного свой собственный тактовый сигнал для последовательной отправки I3, I2, I1 и I0, чтобы информировать главный модуль 11 о тактовой частоте и уровне символа, которые используются подчиненным модулем 12 определения температуры.
[00105] 3. Поле опорного значения температуры. Четверичный код Tmin отправляют побитно с интервалом W. Если все датчики температуры замкнуты накоротко, то Tmin=0000q (четверичная система), а поле разности температур пустое. Если все датчики температуры разомкнуты, то Tmin=3333q (четверичная система), а поле разности температур пустое. Если некоторые датчики температуры разомкнуты, а другие датчики температуры замкнуты накоротко, другими словами, нет нормального датчика температуры, то Tmin=0000q, а поле разности температур не пустое.
[00106] 4. Поле разности температур. N разностей Tn′ температур отправляют последовательно в соответствии со следующим правилом кодирования: если разность температур меньше 16, то отправляют 2q+TN'2q (TN′2q указывает 2-битовое четверичное число); если разность температур равна 0, то отправляют 30q; если датчик температуры разомкнут, то отправляют 32q; если датчик температуры замкнут накоротко, то отправляют 31q; если разность температур больше или равна 16, то отправляют 1q+Tn′4q.
[00107] 5. Проверочное поле. С помощью проверки четности или другой проверки вычисляют и отправляют результат проверки.
[00108] В протоколе этого варианта реализации используют символьное кодирование, тем самым достигая высокой эффективности передачи. В кодовом потоке не будет ни 00000q, ни 33333q, поэтому потеря синхронизации вряд ли произойдет, что снижает требования к точности тактового сигнала. Поле синхронизации выполняет передачу тактовой синхронизации и кодирования битов синхронно.
[00109] Вариант реализации 4
[00110] Если в качестве примера взять измерение температуры, данный вариант реализации обеспечивает гирляндную двухпроводную систему измерения температуры, содержащую: главный модуль, выполненный с возможностью получения сигнала температуры, и множество подчиненных модулей определения температуры, выполненных с возможностью обнаружения сигнала температуры. Главный модуль и множество подчиненных модулей определения температуры последовательно соединены один за другим посредством провода питания с образованием гирляндной сети контроля температуры. Подчиненный модуль определения температуры модулирует обнаруженный сигнал температуры в соответствующий сигнал тока и передает сигнал тока по проводу питания. Главный модуль декодирует сигнал тока в проводе питания для получения соответствующих данных температуры.
[00111] В этом варианте реализации каждой из множества подчиненных модулей определения температуры содержит верхний интерфейс передачи температуры и нижний интерфейс передачи температуры, которые соединены друг с другом. Верхний интерфейс передачи температуры подчиненного модуля определения температуры нижней ступени соединен с нижним интерфейсом передачи температуры подчиненного модуля определения температуры верхней ступени посредством провода питания для непосредственной передачи сигнала температуры главному модулю без необходимости обработки сигнала температуры подчиненным модулем определения температуры верхней ступени.
[00112] Концепция гирляндного соединения в этом варианте реализации относится к гирлянде, образованной путем последовательного соединения множества гирлянд. В этом варианте реализации гирляндное соединение означает, что множество подчиненных модулей определения температуры последовательно соединены один за другим, включая подчиненный модуль определения температуры первой ступени, подчиненный модуль определения температуры второй ступени, …, и т.д., и передают обнаруженные сигналы температуры главному модулю.
[00113] Самым большим преимуществом гирляндной структуры в этом варианте реализации является то, что множество устройств могут быть соединены путем использования ограниченного провода передачи сигнала для совместного использования идентичной службы в отсутствии конкуренции в шине, блокировки и других проблем. Когда требуется добавить новый подчиненный модуль определения температуры, его нужно только соединить с хвостовой частью гирляндной структуры. Следовательно, гирляндная структура может быть легко расширена.
[00114] В известном уровне техники используют провод питания для подачи питания и провод связи для обмена данными. При наличии множества подчиненных модулей определения температуры сложность провода возрастает, и он подвержен возникновению неисправность провода.
[00115] В данном варианте реализации подчиненный модуль определения температуры кодирует сигнал температуры для изменения тока провода, так что главный модуль декодирует сигнал тока в проводе питания для получения соответствующих данных температуры, тем самым реализуя передачу сигнала температуры. Провода питания используются для подачи питания и передачи сигнала температуры одновременно, так что провод связи для отдельного обмена данными не требуется, и в кодировании адреса нет необходимости. Сигнал передают в режиме тока, что усиливает помехозащищенность.
[00116] При кодировании подчиненным модулем определения температуры сигнала температуры добавляется соответствующее уникальное число. На основе этого числа главный модуль может определить источник сигнала температуры при декодировании сигнала тока. Если сигнал температуры ненормальный, можно обнаружить неисправный подчиненный модуль определения температуры.
[00117] Как показано на ФИГ. 2 и 4, в этом варианте реализации главный модуль содержит интерфейс питания и нижний интерфейс передачи температуры, а каждый из множества подчиненных модулей определения температуры содержит верхний интерфейс передачи температуры и нижний интерфейс передачи температуры.
[00118] Интерфейс питания соединен с источником питания, нижний интерфейс передачи температуры соединен с верхним интерфейсом передачи температуры подчиненного модуля определения температуры первой ступени посредством провода питания, а верхний интерфейс передачи температуры подчиненного модуля определения питания нижней ступени соединен с нижним интерфейсом передачи температуры подчиненного модуля определения температуры верхней ступени посредством провода питания. Режим соединения на основе гирляндного соединения облегчает расширение и не требует интерфейса связи главного модуля.
[00119] Напряжение постоянного тока (DC) вводят в интерфейс питания. Рекомендуемое напряжение входного источника питания - 12В. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрен диод защиты от обратного соединения для предотвращения соединения входного источника питания в обратном порядке, или может быть предусмотрена полная мостовая выпрямительная схема для игнорирования полярности источника питания, так что источник питания может работать независимо от соединения в прямом или обратном порядке.
[00120] В этом варианте реализации каждый из множества подчиненных модулей определения температуры содержит: датчик температуры, выполненный с возможностью получения сигнала температуры; и подчиненный нижний переключатель шины, соединенный между верхним интерфейсом передачи температуры и нижним интерфейсом передачи температуры для управления проводимости подчиненного модуля определения температуры нижней ступени.
[00121] Подчиненный контроллер, соединенный с датчиком температуры, подчиненным нижним переключателем шины и нижним интерфейсом передачи температуры, выполнен с возможностью управления датчиком температуры, подчиненным нижним переключателем шины и нижним интерфейсом передачи температуры.
[00122] Модуль модуляции сигнала, соединенный между верхним интерфейсом передачи температуры и подчиненным контроллером, выполнен с возможностью модуляции сигнала температуры в соответствующий сигнал тока.
[00123] В этом варианте реализации каждый из множества подчиненных модулей определения температуры также содержит: подчиненную схему стабилизации напряжения, соединенную между верхним интерфейсом передачи температуры и нижним интерфейсом передачи температуры для стабилизации входного напряжения питания и вывода стабилизированного напряжения питания. При сильном изменении напряжения выходное напряжение стабилизируется для обеспечения устойчивой подачи питания постоянного тока для подчиненного контроллера.
[00124] На ФИГ. 3 приведена схема электрических соединений подчиненного модуля определения температуры. На ФИГ. 3 MCU_ S представляет подчиненный контроллер, а LDO представляет подчиненную схему стабилизации напряжения. Резистор R24, переключающий транзистор Q22, конденсатор C21 и резистор R21 составляют модуль модуляции сигнала. R5 и RT составляют схему датчика температуры. Резистор R22, конденсатор C22, переключающий транзистор Q21, резистор R23 и переключающий транзистор Q22 составляют подчиненный нижний переключатель шины. BUS+0 и BUS- составляют верхний интерфейс передачи температуры, а BUS+1 и BUS- составляют нижний интерфейс передачи температуры.
[00125] После подачи напряжения на верхнюю шину передачи температуры включается питание подчиненного контроллера для его запуска. После того, как подчиненный контроллер устойчив в течение некоторого периода времени, активируется дискретизация температуры. После включения питания подчиненного модуля определения температуры напряжения конденсатора C22 и конденсатора C21 остается равным 0В. Контакт DO подчиненного контроллера выводит высокий уровень для включения переключающего транзистора Q22. Напряжение конденсатора C22 не может измениться резко, поэтому переключающий транзистор Q21 остается выключенным. Напряжение конденсатора C21 не может измениться резко, и резистор R21 мгновенно принимает напряжение верхнего интерфейса передачи температуры, что приводит к большому модулированному току.
[00126] Контакт DO подчиненного контроллера выводит низкий уровень, и переключающий транзистор Q22 выключается, или по меньшей мере время переключающий транзистор Q22 включается на непродолжительное время. Переключающий транзистор Q21 остается выключенным. Во время включения и выключения переключающего транзистора Q22 в верхней шине формируется импульсный ток. Поскольку нижние переключатели шины подчиненных модулей определения температуры верхней ступени включены, информация о температуре может быть передана верхней шине передачи температуры путем использования импульсного тока, и схема демодуляции главного контроллера может непосредственно восстановить модулированные данные температуры.
[00127] Когда данные температуры полностью переданы, контакт DO подчиненного контроллера остается в состоянии вывода высокого уровня, ток резистора R21 постепенно уменьшается до нуля, напряжение конденсатора C22 постепенно возрастает, так что включается переключающий транзистор Q21, и запускается подчиненный модуль определения температуры нижней ступени. Тем временем подчиненный модуль определения температуры может войти в состояние сна с пониженным потреблением энергии.
[00128] В этом варианте реализации главный модуль содержит: схему демодуляции сигнала, выполненную с возможностью декодирования сигнала тока в проводе питания для получения соответствующих данных температуры; и главный контроллер, соединенный со схемой демодуляции сигнала и нижним интерфейсом передачи температуры для управления проводимостью нижнего интерфейса передачи температуры.
[00129] В этом варианте реализации главный нижний переключатель шины соединен между нижним интерфейсом передачи температуры и главным контроллером. Кроме того, между нижним интерфейсом передачи температуры и главным нижним переключателем шины последовательно соединен низкоомный резистор R, а схема демодуляции сигнала соединена параллельно с низкоомным резистором R и соединена с главным контроллером.
[00130] В этом варианте реализации схема демодуляции сигнала содержит низкоомный резистор R, который соединен последовательно на проводе питания и соединен параллельно схеме демодуляции сигнала, а схема демодуляции сигнала дискретизирует и демодулирует напряжение на низкоомном резисторе.
[00131] При изменении тока в проводе питания напряжение на низкоомном резисторе R изменяется, и схема демодуляции сигнала выполняет декодирование на основе изменения напряжения для получения соответствующих данных температуры.
[00132] В этом варианте реализации главный модуль также содержит главный нижний переключатель шины, соединенный с интерфейсом питания и нижним интерфейсом передачи температуры для управления проводимостью подчиненного модуля определения температуры.
[00133] В этом варианте реализации главный модуль также содержит главную схему стабилизации напряжения, соединенную с интерфейсом питания и главным контроллером и выполненную с возможностью стабилизации входного напряжения питания и вывода стабилизированного напряжения питания.
[00134] При сильном изменении напряжения питания выходное напряжение стабилизируется для обеспечения устойчивой подачи питания постоянного тока для главного контроллера.
[00135] В этом варианте реализации, чтобы облегчить хранение и анализ данных температуры, главный модуль также содержит интерфейс связи, соединенный с главным контроллером и верхним компьютером для передачи данных температуры верхнему компьютеру.
[00136] Схема электрических соединений главного модуля в этом варианте реализации приведена на ФИГ. 5. На ФИГ. 5 MCU_ M представляет главный контроллер. Компаратор COMP, резистор R11, резистор R12 и диод D11 составляют простую схему демодуляции. Резистор R10 и переключающий транзистор Q11 составляют нижний переключатель шины. После включения переключающего транзистора Q11 под управлением главного контроллера на низкоомном резисторе R11 формируется напряжение. После формирования тока в схеме модуляции подчиненного модуля ток также протекает через резистор R11 с формированием напряжения. Схема демодуляции может сравнивать значения этих напряжений для восстановления сигнала данных температуры.
[00137] Вариант реализации 5
[00138] Как показано на ФИГ. 6, данный вариант реализации обеспечивает гирляндный двухпроводной способ измерения температуры, включающий следующие этапы:
[00139] S1: Подчиненный модуль определения температуры активирует дискретизацию температуры и кодирует сигнал температуры.
[00140] S2: Подчиненный модуль определения температуры модулирует сигнал температуры в соответствующий сигнал тока посредством модуля модуляции сигнала и отправляет сигнал тока в провод питания.
[00141] S3: Схема демодуляции сигнала демодулирует сигнал тока для получения соответствующих данных температуры.
[00142] S4: Главный контроллер на основе данных температуры определяет, имеет ли место неисправный подчиненный модуль определения температуры или ненормальная температура.
[00143] В этом варианте реализации главный модуль принимает команду от интерфейса связи верхнего компьютера и начинает процесс измерения температуры. Главный контроллер включает нижний переключатель шины и подготавливается к приему данных.
[00144] В этом варианте реализации после включения питания подчиненный модуль определения температуры начинает работу, активирует дискретизацию температуры и кодирует сигнал температуры. Подчиненный модуль определения температуры отправляет сигнал температуры в провод питания посредством модуля модуляции сигнала. Сигнал температуры, проходящий через провод питания, преобразуется блоком демодуляции сигнала главного модуля в изменение активной составляющей напряжения, а затем преобразуется схемой демодуляции в последовательный сигнал, который будет принят главным контроллером главного модуля.
[00145] В этом варианте реализации подчиненный модуль определения температуры включает нижний переключатель шины и активирует режим сна после соединения шины с подчиненным модулем определения температуры нижней ступени, так что подчиненный модуль определения температуры текущей ступени находится в состоянии сна с пониженным потреблением энергии.
[00146] Вышеуказанные этапы повторяются до тех пор, пока не будет завершена передача данных всех подчиненных модулей определения температуры. Главный контроллер выключает нижний переключатель шины и обрабатывает все данные температуры, затем определяет, имеет ли место неисправный подчиненный модуль определения температуры или ненормальная температура.
[00147] В этом варианте реализации главный модуль передает собранные данные температуры и информацию о неисправностях верхнему компьютеру через интерфейс связи верхнего компьютера. На этом один процесс сбора данных температуры завершен. Во всем процессе измерения подчиненные модули включают питание последовательно и входят в режим сна после передачи данных, чтобы перейти в состояние пониженного потребления энергии. По завершении измерения главный контроллер выключает нижний переключатель шины, и все подчиненные модули определения температуры выключаются, чтобы уменьшить потребление энергии. Следовательно, система имеет низкое потребление энергии во всем процессе измерения.
[00148] Вариант реализации 6
[00149] Данный вариант реализации обеспечивает способ определения местоположения неисправности. На ФИГ. 9 приведена временная диаграмма двухпроводной гирляндной датчиковой системы.
[00150] T0 представляет период времени, в котором шина выключена и управляется главным контроллером. В этот период времени главный контроллер выключает главный нижний переключатель, и все подчиненные модули находятся в состоянии с выключенным питанием.
[00151] T1 представляет период времени для синхронизации. В этот период времени главный контроллер уже включает главный нижний переключатель, и питание подчиненных модулей последовательно включается. Продолжительность T1 определяется подчиненными модулями. В течение T1 подчиненные модули при включении питания подготавливаются к передаче данных и выполнению дискретизации сигнала с датчика. Продолжительность T1 имеет верхний предел T1max.
[00152] T2 представляет период времени для передачи данных. В этот период времени подчиненные модули выполняют сбор данных датчика, обрабатывают и передают эти данные. Верхним пределом продолжительности T2 является T2max.
[00153] Данный вариант реализации обеспечивает способ передачи данных и определения местоположения неисправности двухпроводной гирляндной датчиковой системы с N подчиненными модулями, включающий следующие этапы:
[00154] S1: включение главного нижнего переключателя главным модулем, прекращение периода T0 и активация отсчета времени для T1, причем n устанавливают на 1.
[00155] S2: если в течение T1max главный модуль не получает никаких данных, определение того, что n подчиненным модулям не удается выполнить считывание, и переход к этапу SE.
[00156] S3: активация отсчета времени для T2 после приема данных главным модулем, прекращение приема всех данных и ожидание завершения передачи.
[00157] S4: если T2>T2max, определение того, что ошибка данных имеет место в n-ом подчиненном модуле, и переход к этапу SE.
[00158] S5: если в данных ошибка проверки, переход к этапу SE; если в данных неисправность, указывающая на обрыв или короткое замыкание датчика, переход к этапу S6.
[00159] S6: установка n на n+1 и активация отсчета времени для T1.
[00160] S7: переход к этапу S2.
[00161] SE: если n=N+1, что указывает на то, что данные всех подчиненных модулей приняты и передача данных завершена, выключение главного нижнего переключателя главным модулем; если n<N+1, определение того, что имеет место неисправность связи в n-ом подчиненном модуле.
[00162] В заключение необходимо отметить, что в настоящем изобретении главный модуль и множество подчиненных модулей обнаружения датчиков последовательно соединены один за другим посредством провода питания с образованием гирляндной датчиковой сети контроля, что упрощает расширение. Провод используется совместно для подачи питания и связи, другими словами, для подачи питания главному модулю и множеству подчиненных модулей обнаружения датчиков и передачи данных используется только провод питания, что упрощает прокладку кабеля в месте эксплуатации. Сигнал передают в режиме тока, поэтому усиливается защита от помех и не требуется кодирование адреса. Кроме того, преимуществами настоящего изобретения являются низкая стоимость и низкое потребление энергии.
[00163] В настоящем изобретении используется специальная гирляндная структура. Данные подчиненного модуля обнаружения датчика нижней ступени отправляются непосредственно в главный модуль без пересылки подчиненным модулем обнаружения верхней ступени. Каждый подчиненный модуль обнаружения датчика выполнен с возможностью только дискретизации, передачи данных и управления нижним переключателем шины, что налагает низкие требования на подчиненный контроллер и способствует реализации с низкими затратами.
[00164] В настоящем изобретении используется двухпроводная шина, и прокладка кабеля удобна. Данное техническое решение также может быть использовано для других датчиковых систем контроля. Каждый подчиненный модуль обнаружения датчика также может быть соединен с множеством внешних датчиков с использованием одного общего канала передачи данных, что еще больше снижает стоимость системы и упрощает установку устройства.
[00165] Вышеприведенные варианты реализации используются только для объяснения технических решений настоящего изобретения и не предназначены для ограничения настоящего изобретения. Хотя настоящее изобретение подробно описано со ссылкой на вышеприведенные варианты реализации, специалистам в данной области следует понимать, что они, тем не менее, могут модифицировать технические решения, описанные в вышеприведенных вариантах реализации, или произвести эквивалентные замены некоторых их технических признаков без отклонения соответствующих технических решений от сущности и объема технических решений вариантов реализации настоящего изобретения.