СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
METHOD OF TRANSMISSION OF DISCRETE ELECTRIC SIGNALS

Изобретение относится к способам передачи информации, а именно к интерфейсам связи электронных устройств, в частности к способам передачи дискретных электрических сигналов.
Известен способ передачи электрических сигналов по шине Micro-LAN (″Automatic Identification Data-Book″, Dallas Semiconductor, 1995; www.Dalsemi.com, см. также Maxim ″DS2409 MicroLAN Coupler″, February 7, 2003). Известный способ передачи дискретных электрических сигналов от передатчика к приемнику, расположенным на двухпроводной линии связи с источником напряжения питания, причем первый полюс источника и первый провод линии связи заземляют, а второй провод линии связи подключают ко второму полюсу источника через резистор, включает передачу логического сигнала в двоичном коде путем замыкания линии связи передатчиком с помощью электрического ключа и считывание приемником значения напряжения в проводе относительно земли. При этом логическим нулем обычно считается уровень напряжения в линии связи ниже первого заданного порога, а логической единицей - более второго заданного порога. Как правило, для таких порогов выбирают значения 0,8 В и 1,2 В, соответствующие логическим TTL-уровням. Подобным образом помимо интерфейса MicroLAN устроены многие другие известные интерфейсы.
Известный способ позволяет соединять между собой большое количество устройств и обеспечивает передачу сигнала в обе стороны по двум проводам, допускает питание устройств от линии связи, что удешевляет способ.
Недостатком известного способа передачи дискретных электрических сигналов является его низкая помехоустойчивость. При воздействии помехи, несмотря на то, что это воздействие одинаково для обоих проводов линии связи, результат воздействия различен, так как различны условия распространения помехи в заземленном и незаземленном проводах линии связи, а более конкретно, в результате установки в одном из проводов ограничительного резистора различны сопротивления для протекания тока помехи в каждом проводе от точки воздействия до полюса источника напряжения питания или заземления. В результате в точке воздействия помехи, а также и в остальных участках линии связи возникает разность потенциалов, т.е. напряжение помехи, что препятствует правильной передаче полезного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному способу является способ передачи дискретных электрических сигналов от передатчиков к приемнику, подключенных к двухпроводной линии связи, соединенной с источником напряжения питания линии связи, причем сигнал считывания как логический ноль и единицу определяют по уровню сигнала в линии связи относительно заданных порогов, приемник снабжают датчиком тока, который подключают в разрыв линии связи между источником напряжения питания линии связи и ближайшим к нему передатчиком, передачу сигнала осуществляют путем изменения величины тока в линии связи передатчиком за счет изменения его выходного сопротивления, и измерения величины тока датчиком тока, а каждый передатчик снабжают внутренним вторичным источником питания, который получает энергию от линии связи (International Publication Number WO 2009/067037, International filing date 12.09.2007).
Известный способ передачи дискретных электрических сигналов позволяет по одной линии связи поддерживать связь с большим числом передатчиков при условии, что питание передатчиков осуществляется от внешних источников. Недостатком известного способа является невозможность питания от линии связи большого количества передатчиков, либо передатчика с большим энергопотреблением. Питание передатчиков обычно осуществляют от конденсаторов, заряжающихся от линии связи через вентиль (диод). Это позволяет обеспечивать бесперебойное питание передатчиков даже в момент снижения напряжения в линии связи при передаче сигналов.
При подключении к линии связи нескольких передатчиков, питающихся от линии связи, их количество не может быть большим, т.к. ограничен суммарный ток питания передатчиков: он должен быть значительно меньше тока, связанного с передачей сигнала, формируемого в процессе передачи одним из передатчиков. Связано это со следующей причинно-следственной цепочкой в процессе передачи.
Ток, протекающий через датчики тока, в отсутствие передачи сигналов равен суммарному току питания передатчиков. На первый взгляд во время передачи сигнала к току питания передатчиков должен добавиться формируемый передатчиком ток передачи сигнала, и датчик тока должен зарегистрировать изменение тока. Это было бы верно, если бы сопротивление проводов линии связи было бы равно нулю. Однако провода линии связи имеют конечное сопротивление, и протекание тока, связанного с передачей сигнала, приводит к падению напряжения в линии связи. В результате другие передатчики временно перестают питаться от линии связи и переключаются на свой вторичный (внутренний, обычно конденсаторный) источник питания, т.е. во время передачи ток в линии связи, обусловленный питанием передатчиков, снижается по мере увеличения тока, связанного с передачей сигнала, компенсируя его. При этом общая величина тока, протекающего через датчик тока, остается неизменной, и поэтому токовый сигнал от передатчика не поступает на приемник. Только после того как ток, связанный с передачей сигнала, превысит суммарный ток питания передатчиков, напряжение в линии связи упадет ниже своего минимального значения в статическом режиме. Это приведет к отключению питания всех передатчиков в линии связи, и при дальнейшем увеличении тока, связанного с передачей сигнала, сигнал в датчике тока начнет увеличиваться. Таким образом, происходит компенсация тока, связанного с передачей сигнала, током питания передатчиков, и для устойчивой передачи данных ток, связанный с передачей сигнала, должен значительно превышать ток питания передатчиков. Учитывая, что общий ток, протекающий в линии связи, должен быть ограничен, чтобы не вызывать некоторые негативные волновые процессы в линии связи, ограничение возникает и для суммарного тока питания передатчиков, а значит, и для их количества. Кроме того, величина сигнала в датчике тока имеет большой разброс, т.к. зависит от расположения передатчика в линии связи: чем ближе передатчик к датчику тока, тем меньше эффект компенсации токов и тем больше полезный сигнал.
В рамках данной заявки решается задача увеличения допустимого количества передатчиков, питающихся от линии связи, увеличения длины линии связи и выравнивания по величине сигналов от различно расположенных передатчиков при снижении энергопотребления линии связи.
Поставленная задача решается тем, что в способе передачи дискретных электрических сигналов от, по крайней мере, одного передатчика к приемнику, подключенных к двухпроводной линии связи, соединенной с источником напряжения питания линии связи, причем сигнал считывания как логический ноль и единицу определяют по уровню сигнала в линии связи относительно заданных порогов, приемник снабжают датчиком тока, который подключают в разрыв линии связи между источником напряжения питания линии связи и ближайшим к нему передатчиком, передачу сигнала от каждого передатчика осуществляют путем изменения тока в линии связи передатчиком за счет изменения его выходного сопротивления, и измерения величины тока датчиком тока, каждый передатчик снабжают внутренним вторичным источником питания, который заряжают от линии связи, перед передачей сигнала снижают напряжение источника питания линии связи, а по окончании передачи сигнала восстанавливают напряжение источника питания линии связи.
Предпочтительно напряжение источника питания линии связи снижают до величины ниже минимального значения напряжения в линии связи по ее длине в статическом режиме, при отсутствии передачи сигналов (минимальное значение напряжения в линии связи наблюдается на ее конце, наиболее удаленном от источника питания линии связи). Другими словами можно сказать, что напряжение источника питания линии связи снижают на величину не менее падения напряжения по длине линии связи при отсутствии передачи сигналов. При этом напряжение источника питания линии связи снижают не до нуля, а до разумной величины, достаточной для того, чтобы передатчик был в состоянии сформировать такой сигнал тока в линии связи, который может быть определен датчиком тока приемника сигнала на фоне возможных электромагнитных помех и потерь сигнала в результате волновых процессов в линии связи. Определив величину этого минимального приемлемого сигнала тока, в соответствии с законом Ома умножают эту величину на электрическое сопротивление участка линии связи между источником питания линии связи и передатчиком, наиболее удаленным от этого источника питания. К полученной величине прибавляют возможное падение напряжения на активной части передатчика, зависящее от его конструкции, и результат будет соответствовать минимальному приемлемому значению, до которого может быть снижено напряжение источника питания линии связи. При правильном выборе параметров системы это напряжение должно быть не больше, чем, как было указано выше, минимальное значение напряжения в линии связи по ее длине в статическом режиме, при отсутствии передачи сигналов. Наилучшим решением будет выбор максимально возможного значения напряжения из полученного диапазона оптимальных значений.
Предпочтительно в качестве внутреннего вторичного источника питания каждый передатчик содержит конденсатор, подключенный к линии связи через диод.
Сущность изобретения поясняется графическим материалом, включающим следующие чертежи:
фиг.1 - принципиальная электрическая схема предпочтительного варианта выполнения линии связи, источника напряжения питания, передатчиков и приемника для реализации способа.
фиг.2 - эпюра напряжений по длине линии связи L от источника напряжения питания до места расположения наиболее удаленного передатчика N.
На фиг.1 раскрыта структура линии связи, содержащая для простоты понимания только три передатчика одинаковой конструкции, однако количество передатчиков может быть значительно увеличено, например, до 256, за счет использования данного изобретения.
Для раскрытия сущности изобретения на фиг.1 введены следующие обозначения: 1 - источник напряжения питания; 2 - двухпроводная линия связи; 3 - приемник; 4 - микропроцессор приемника; 5 - датчик тока; 6, 12, …N - передатчики сигнала; 7, 13, 18 - диоды передатчиков; 8, 14, 19 - конденсаторы, являющиеся внутренним вторичным источником питания передатчиков; 9, 15, 20 - микропроцессоры передатчиков; 10, 16, 21 - ключи передатчиков; 11, 17, 22 - ограничительные резисторы передатчиков.
На фиг.2 координата «0» соответствует расположению источника напряжения питания и датчика тока, позиция N соответствует расположению передатчика, наиболее удаленного от источника напряжения питания. Места (координаты) расположения серии из N передатчиков обозначены соответственно 6, 12, 23, 24, 25, 26, 27, …N.
Штриховой линией на фиг.2 показаны эпюры напряжений в линии связи при кратковременном снижении напряжения источника напряжения питания 1 до значений 5 В, 4,5 В и 3,3 В. Как следует из фиг.2, при этом перестают питаться от линии связи передатчики, расположенные вблизи источника питания: при снижении до 5 В - передатчики 6, 12 и 23, при снижении до 4,5 В - кроме перечисленных также передатчики 24, 25 и 26, а при снижении до 3,3 В - все передатчики в линии связи.
Сущность изобретения состоит в следующем.
При питании передатчиков 6, 12, …N от линии связи 2 их ток питания вызывает падение напряжения в линии связи 2, поэтому наименьшее напряжение питания наблюдается у передатчика N, наиболее удаленного от источника напряжения питания 1. В данном способе напряжение источника питания 1 кратковременно (на время передачи электрических сигналов от передатчиков 6, 12, …N) снижают. В этот период времени передатчики, напряжение питания которых было выше, отключаются диодами 7, 13, 18 от линии связи 2 и переходят на питание от своих внутренних вторичных источников питания (конденсаторы 8, 14, 19). При этом при передаче «единицы» (ключи передатчиков 10, 16, 21 разомкнуты) ток в линии связи 2, регистрируемый датчиком тока 5, определяется потреблением передатчиков, продолжающих питаться от линии связи, т.е. тех, для которых напряжение в линии связи не уменьшилось (см. фиг.2). В предельном случае, если напряжение в линии связи 2 снижают ниже уровня напряжения питания передатчика N, имеющего самое низкое напряжение питания (наиболее удаленного от источника напряжения питания 1), то при передаче «единицы» питание передатчиков 6, 12, …N полностью прекращается, при этом ток через датчик тока 5 отсутствует.
Для передачи «нуля» от одного из передатчиков, например передатчика 12, его микропроцессор 15 ключом 16 замыкает линию связи 2 через резистор 17, формируя тем самым ток передачи сигнала от передатчика. При этом датчик тока 5 зарегистрирует только этот ток, связанный с передачей сигнала, т.к. в момент передачи сигнала напряжение в линии связи 2 под воздействием этого тока еще более опустится, и все ранее остававшиеся под питанием передатчики также отключатся.
Таким образом, датчик тока 5 при передаче «нуля» регистрирует ток передачи сигнала от передатчика 12, а при передаче «единицы» регистрирует ток питания передатчиков, продолжающих питаться от линии связи 2. Если ток передачи сигнала от передатчика 12 оказывается меньше, чем ток питания передатчиков, продолжающих питаться от линии связи 2, то в результате описанной выше компенсации токов ток через датчик тока 5 не изменится. Если ток передачи сигнала от передатчика 12 оказывается больше, чем ток питания передатчиков, продолжающих питаться от линии связи 2, то датчик тока 5 зарегистрирует скачок тока, равный превышению тока, связанного с передачей сигнала, над током питания тех передатчиков, продолжающих питаться от линии связи 2. Этот скачок будет сформирован даже в том случае, если общий ток питания всех передатчиков в стационарном режиме, т.е. до снижения напряжения источника питания 1, был больше тока, связанного с передачей сигнала. Другими словами, благодаря применению изобретения, ток, связанный с передачей сигнала, стало возможным регистрировать на фоне гораздо большего по величине тока питания передатчиков от линии связи. В прототипе, который работает в стационарном режиме, это было недостижимо. Это дает возможность увеличения тока питания передатчиков, т.е. возможность увеличения их количества в линии связи 2.
Важно также, что ток передачи «нуля» одинаков для всех подключенных к линии связи передатчиков 6, 12, …N, что обеспечивает стабильную и воспроизводимую связь для всех передатчиков, подключенных к линии связи 2.
Сущность способа передачи дискретных электрических сигналов от передатчика к приемнику по двухпроводной линии связи, обеспечивающего связь и питание большого количества передатчиков от линии связи, поясняется неограничивающим примером его реализации.
Пример 1
К полюсам источника напряжения питания 1 с напряжением 5,6 В подключают провода двухпроводной линии связи 2, как показано на фиг.1. К проводам линии связи 2 подключают приемник 3 и передатчики 6, 12, …N, причем приемник 3 подключают между передатчиками 6, 12, …N и источником напряжения питания 1. Здесь N может принимать любые значения, например 256.
Приемник 3 содержит в своем составе микропроцессор 4, соединенный с датчиком тока 5, установленным в разрыве провода линии связи 2.
Передатчики 6,12,…N имеют одинаковую конструкцию, включающую микропроцессоры 9,15,…20, питающиеся соответственно от конденсаторов 8, 14, …19, причем конденсаторы заряжаются от линии связи 2 соответственно через диоды 7, 13, …18. Передатчики 6, 12, …N снабжены выходными каскадами в виде ключей 10, 16, …21, управляемых микропроцессорами 9, 15, …20. Для обеспечения заданной величины тока в линии связи 2 в процессе передачи сигналов ключи подключены параллельно к линии связи 2 через ограничительные резисторы 11, 17, …22.
Обычное состояние линии связи 2 соответствует передаче логической единицы, при этом напряжение в линии связи 2 определяется напряжением источника напряжения питания 1 и падением напряжения на проводах линии связи 2, связанным с током питания подключенных к ней передатчиков 6, 12, …N. В результате напряжение в линии связи 2 в месте установки наиболее удаленного передатчика N составляет 3,5 В.
Перед началом передачи сигналов замыканием ключа 16 напряжение источника напряжения питания 1 снижают до величины 4,5 В, т.е. ниже напряжения источника питания 5,6 В, но несколько выше минимального напряжения в линии связи (3,5 В). При этом отключается питание от линии связи 2 тех передатчиков, для которых напряжение в линии связи 2 снизилось (которые расположены в линии связи 2 ближе к источнику напряжения питания 1 - на фиг.2 это передатчики 6, 12, 23, 24, 25 и 26): их диоды 7, 13, … закрываются и перестают питать конденсаторы 8, 14, … от линии связи 2. Передатчики 6, 12, 23, 24, 25 и 26 переходят на питание от своих вторичных внутренних источников питания - конденсаторов 8, 14, …, и ток в линии связи 2 уменьшается (это значение тока соответствует передаче «единицы). При формировании логического нуля за счет создания тока в линии связи 2 замыканием ключа 16 одного из передатчиков 12 через ограничительный резистор 17 датчик тока 5 зафиксирует скачок тока, равный разнице между током передачи «нуля» и током передачи «единицы» (током питания оставшихся под питанием передатчиков).
Пример 2
Устройство линии связи 2 и подключенных к ней устройств полностью идентично приведенному в примере 1.
Перед началом передачи сигналов от передатчика 12 замыканием ключа 16 напряжение источника напряжения питания 1 снижают до величины 3,3 В, т.е. заведомо ниже минимального напряжения в линии связи (3,5 В). При этом диоды 7, 13, …18 закрываются и перестают питать конденсаторы 8, 14, …19 от линии связи 2, передатчики 6, 12, …N переходят на питание от своих вторичных внутренних источников - конденсаторов 8, 14, …19, и ток в линии связи 2 полностью прекращается. После этого начинают передачу сигналов путем кратковременного формирования логического нуля за счет создания тока в линии связи 2 замыканием ключа 16 одного из передатчиков 12 через ограничительный резистор 17. В результате снижения напряжения питания датчик тока 5 фиксирует только ток, формируемый ключом 16, не искаженный током питания передатчиков 6, 12, …N.
Преимущества изобретения обеспечиваются тем, что в результате кратковременного снижения напряжения в линии связи удается отделить ток передачи сигнала от маскирующего его тока питания передатчиков, который также протекает по линии связи. Это позволяет снизить суммарный ток в линии связи и за счет этого допускает применение линии связи с более высоким сопротивлением (на практике до 500 Ом). Это означает, что становится возможным увеличить длину линии связи, а также снизить затраты на обеспечение связи: уменьшить сечение проводов, емкость аккумуляторной батареи, мощность блока питания. Снижение токовой нагрузки линии связи позволяет работать при более высоком суммарном токе потребления передатчиков, т.е. увеличить допустимое количество передатчиков, питающихся от линии связи, повысить дальность и надежность связи и достичь лучших условий приема сигнала за счет выравнивания по величине сигналов от различно расположенных передатчиков.