Способ передачи сигналов между ведущим и ведомыми устройствами
SIGNAL TRANSFER METHOD BETWEEN MASTER AND SLAVE DEVICES

Область техники
Настоящее изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам передачи сигналов между устройствами. Наилучшее применение изобретение находит в случаях, когда одно ведущее устройство имеет множество контактов, к которым подключается множество ведомых устройств, каждое к двум контактам, и происходит передача сигналов между ними. Изобретение может быть использовано в конструкциях электронных компонентов для обеспечения обмена данными между такими компонентами в составе систем связи, дистанционного управления, телеметрии, образовательного и игрового детского оборудования.
Уровень техники
Известен протокол передачи данных 1-Wire, разработанный корпорацией Dallas Semiconductor. Одна из реализаций этого протокола раскрыта в патенте на изобретение США № US 5,210,846 («Архитектура однопроводной компьютерной шины», опубл. 29.06.1999, МПК G11C8/20). Известное решение предполагает установление двустороннего соединения между ведущим и ведомыми устройствами по двум электрическим линиям для обмена данными и обеспечения питания ведомых устройств, что является главной особенностью известного протокола. Обмен данными начинается по инициативе ведущего устройства. Ведомые устройства, получив питание, передают по в линию связи импульс присутствия. Обмен данными происходит побайтно, т.н. тайм-слотами, каждый переданный в линию связи импульс соответствует одному биту информации. Различают 4 типа тайм-слотов: прием “1” или “0” ведущим устройством, передача “1” или “0” на ведомое устройство. Длительность любого тайм-слота ограничена во времени и между каждыми следующими друг за другом тайм-слотами предусматривается временной интервал. Помимо этого известный протокол имеет множество других аппаратных реализаций, раскрытых в других патентах.
Известно устройство для сбора информации и передачи ее по электрической сети, раскрытое в патенте на полезную модель РФ № 102 404 (опубл. 27.02.2011, МПК G06F 13/00). Известное устройство подключают к электрической сети совместно с M аналогичными устройствами, в результате чего образуется сеть из M+1 этих устройств. Каждому из устройство присваивается идентификационный номер, а одно из них назначается базовым. Базовое устройство проводит опрос подключенных к сети устройств путем посылки в сеть сигналов опроса, являющихся высокочастотными модулированными импульсами. Каждый такой сигнал содержит в себе данные об идентификационном номере запрашиваемого устройства (модема) и типе запрашиваемой информации. Затем сигнал в соответствии с типом запрашиваемой информации пересылают с запрошенного модема на внешнее устройство первичной информации (счетчик, концентратор и т.п.) посредством интерфейса RS-485. Сигнал с устройства первичной информации поступает обратно на модем, откуда в виде последовательности высокочастотных модулированных импульсов возвращается обратно в электрическую сеть и принимается базовым устройством, где преобразуется в пакет данных для учета.
Известен способ сопряжения устройств передачи-приема информации по совмещенной двухпроводной линии связи и питания постоянного тока, раскрытый в патенте РФ на изобретение № 2 474 958 (опубл. 10.02.2013, МПК H04B 3/00). В известном способе модулируют в передатчике устройства сигнал несущей частоты в сотни килогерц в виде информационного цифрового сигнала, суммируют полученный радиосигнал с напряжением питания и передают по совмещенной линии связи и питания, выделяют в приемнике устройства информационный радиосигнал из суммарного напряжения на линии, восстанавливают в приемнике устройства исходный цифровой сигнал, с помощью контроллера декодируют сигнал и формируют ответный сигнал для передатчика.
Известна система соединения между проводной линией связи, выполненной с возможностью передачи сигнала, одновременно содержащего электрическое питание и данные, и блоком управления, раскрытая в патенте РФ на изобретение № 2 539 648 (опубл. 20.01.2015, МПК H04B 3/54). В известной системе блок управления содержит контактный вывод электрического питания и контактный вывод данных.  Проводная линия связи имеет характеристическое полное сопротивление линии. Система выполнена с возможностью приема сигнала, одновременно содержащего электрическое питание и данные, причем электрическое питание и данные имеют одинаковый частотный спектр.
Общим недостатком всех представленных выше аналогов является то, что при большом количестве внешних контактов (внешних линий) на ведущем устройстве, к которым подключаются ведомые устройства, аппаратная реализация обмена сигналами усложняется, поскольку возникает необходимость установки отдельной приемо-передающей схемы на каждый контакт ведущего устройства. Кроме того, возникают сложности с определением того, к каким линиям подключены ведомые устройства.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в создании сравнительно простых технических средств для передачи сигналов, при производстве которых используются дешевые и широко распространенные компоненты.
Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в упрощении схемотехнической реализации передачи сигналов между ведущим устройством и подключенными к нему ведомыми устройствами.
Дополнительный технический результат - обеспечение возможности использования более дешевых и широко распространенных компонентов для реализации обмена сигналами.
В качестве изобретения заявлен способ передачи сигналов между ведущим и по меньшей мере одним ведомым устройством. Ведущее устройство имеет по меньшей мере два внешних контакта первого рода, по меньшей мере одну внутреннюю линию питания, средство измерения напряжения и по меньшей мере один внешний контакт второго рода, соединенный напрямую со средством измерения напряжения и через сопротивление с одной внутренней линией питания. Способ включает следующие шаги:
– обнаружение подключения между одним из контактов второго рода ведущего устройства и ведомым устройством путем определения напряжения на таком контакте второго рода;
– определение контакта первого рода ведущего устройства, к которому подключено ведомое устройство, путем установления на контактах первого рода разного напряжения и определения напряжения на контакте второго рода;
– изменение напряжения между контактом первого рода, к которому подключено ведомое устройство, и внутренней линией питания, соединенной через сопротивление с контактом второго рода, к которому подключено ведомое устройство;
– формирование сигнала на ведомом устройстве путем изменения сопротивления между подключенными к ведущему устройству контактами;
– прием сигнала на ведущем устройстве путем измерения напряжения на контакте второго рода, к которому подключено ведомое устройство.
Дополнительные преимущества и существенные признаки настоящего изобретения представлены в следующих частных вариантах осуществления.
В частности, осуществляют обнаружение подключения между ведущим устройством и более, чем одним ведомым устройством.
В частности, сопротивление между контактом второго рода ведущего устройства и внутренней линией питания представлено элементом, выбранным из группы, включающей резистор, конденсатор и катушку индуктивности, или комбинацией элементов из этой группы.
В частности, средство измерения напряжения представлено аналогово-цифровым преобразователем, каждый канал которого соединен не более, чем с одним контактом второго рода.
В частности, средство измерения напряжения представлено аналогово-цифровым преобразователем и по меньшей мере одним сумматором напряжения, при этом каждый вход каждого сумматора напряжения соединен с одним контактом второго рода, а выход каждого сумматора напряжения соединен с каналом аналогово-цифрового преобразователя.
В частности, средство измерения напряжения представлено аналогово-цифровым преобразователем и по меньшей мере двумя резисторами, при этом каждый резистор соединен с одним контактом второго рода и одним каналом аналогово-цифрового преобразователя, при этом по меньшей мере к одному каналу аналогово-цифрового преобразователя подключается более одного резистора.
В частности, для измерения напряжения на контакте второго рода на внутренних линиях питания устанавливают разное напряжение.
В частности, при определении контакта первого рода, к которому подключено ведомое устройство, контакты первого рода делят на две группы, при этом на всех контактах первой группы устанавливают одинаковое напряжение, на контактах второй группы также устанавливают одинаковое напряжение, отличное от напряжения на контактах первой группы.
В частности, при приеме сигнала на ведущем устройстве на одной внутренней линии питания устанавливают напряжение одной величины, на всех остальных внутренних линиях питания и контактах первого рода устанавливают одинаковое напряжение другой величины.
В частности, при изменении напряжения между контактом первого рода, к которому подключено ведомое устройство, и внутренней линией питания, соединенной через сопротивление с контактом второго рода, к которому подключено ведомое устройство, изменяют знак указанного напряжения.
В частности, ведомое устройство представлено схемой из пассивных электрических элементов. Ведомое устройство может быть представлено выпрямительным диодом или иным выпрямительным элементом. Через ведомое устройство на ведущее устройство может быть передан аналоговый сигнал от внешнего устройства.
В частности, ведомое устройство получает питание с двух своих контактов, подключенных к ведущему устройству.
В частности, ведомое устройство содержит преобразователь напряжения, преобразующий напряжение на двух контактах ведомого устройства, подключенных к ведущему устройству, в постоянное напряжение. Прочие элементы ведомого устройства могут получать питание с выходов указанного преобразователя напряжения. Подключаемое к ведомому устройству внешнее устройство может получать питание с выходов указанного преобразователя напряжения. Преобразователь напряжения может понижать напряжение.
В частности, на ведущем устройстве формируют цифровой или синхронизирующий сигнал путем изменения напряжения между контактом первого рода, к которому подключено ведомое устройство, и внутренней линией питания, соединенной через сопротивление с контактом второго рода, к которому подключено ведомое устройство, а на ведомом устройстве принимают указанный сигнал путем измерения напряжения на двух контактах, подключенных к ведущему устройству.
В частности, сопротивление между двумя контактами ведомого устройства, подключенными к ведущему устройству, меняют путем подключения и отключения резистора.
В частности, на ведомом устройстве формируют цифровой или синхронизирующий сигнал путем варьирования временного промежутка между подключениями и отключениями резистора.
В частности, осуществляют одновременную передачу сигналов от ведущего устройства к ведомому устройства и от ведомого устройства к ведущему.
Заявленный способ позволяет передавать как аналоговый сигнал (например, с аналоговых датчиков), так и цифровой (цифровые датчики, средства индикации), благодаря этому отсутствует необходимость в установке АЦП и ЦАП на ведомых устройствах.
В случае передачи цифровых сигналов возможна одновременная двухсторонняя передача, что повышает общую скорость передачи и позволяет снизить требования к временным характеристикам используемых компонентов.
В случае односторонней передачи цифровых сигналов, сигнал в обратную сторону можно использовать как синхронизирующий, благодаря этому можно отказаться от установки часов на ведомое устройство.
В случае, когда ведущее устройство имеет большое количество выходов, описанный способ позволяет использовать один многоканальный АЦП и множество сопротивлений, которые имеют низкую стоимость и широко распространены.
Заявленный способ предназначен для реализации в системах, состоящих из одного ведущего устройства, имеющего множество внешних контактов, и множества ведомых устройств, подключаемых двумя контактами к ведущему устройству, и не имеющих встроенного источника питания. Способ позволяет передавать питание от одного ведущего устройства множеству ведомых устройств по двум линиям одновременно с передачей сигналов.
Упрощение схемотехнической реализации передачи сигналов между ведущим устройством и подключенными к нему двумя контактами ведомыми устройствами достигается за счет отсутствия необходимости в установке аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) на ведомых устройствах, возможности одновременной двухсторонней передачи сигналов между ведущим и ведомыми устройствами, использования ответного сформированного на ведомом устройстве сигнала в качестве синхронизирующего (исключение установки часов на ведомом устройстве), использовании на ведущем устройстве одного многоканального АЦП и множества сопротивлений.
Использование терминов «контакт первого рода» и «контакт второго рода» обусловлено необходимостью обозначения функций этих контактов. Функцией контакта первого рода является установление напряжения. Функциями контакта второго рода являются установление напряжения и измерение напряжения. Если контакт схемотехнически реализован так, что на нем возможно и установление напряжения, и измерение напряжения, то при разных условиях он может выполнять функции как контакта первого рода, так и контакта второго рода.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение проиллюстрировано чертежами, в соответствии с которыми:
– на ФИГ.1 представлен пример функциональной схемы системы, реализующей заявленный способ передачи сигналов по цепи питания;
– на ФИГ.2a-2b представлены примеры реализации средства измерения напряжения;
– на ФИГ.3 представлен пример схемы для передачи аналогового сигнала;
– на ФИГ.4 представлен пример схемы ведомого устройства, содержащей микроконтроллер, для реализации заявленного способа.
Осуществление изобретения
В соответствии с ФИГ.1, ведущее устройство 101 может иметь множество внешних контактов первого 102 и второго рода 103, к которым через электрические линии подключается одно или несколько ведомых устройств. Каждый контакт второго рода 103 подключен к средству измерения напряжения 104 и через сопротивление 105 к одной внутренней линии питания 106. В представленном примере напряжение между контактами первого рода 102 и внутренней линией питания 106 изменяется путем переключения переключателей 107 между полюсами источника питания: первым полюсом (плюс питания Vcc) 109 и вторым полюсом (земля) 110.
Ведущее устройство 101 может дополнительно иметь одну или несколько внутренних линий питания, не связанных с контактами первого 102 и второго 103 рода. Такие линии предназначены для питания внутренних элементов устройства 101.
В качестве средства измерения напряжения 104 предпочтительно использовать многоканальный АЦП, при этом каждый контакт второго рода 103 подключается к одному каналу АЦП.
ФИГ. 2a иллюстрирует вариант реализации, в котором средство измерения напряжения 104 представлено АЦП 201, к одному каналу которого через резисторы 202 подключаются несколько контактов второго рода 103. Таким образом на каждом канале АЦП 201 появляется напряжение, равное среднему напряжению на всех подключенных к нему контактах. Предпочтительно, чтобы при этом каждый контакт второго рода 103, подключенный к одному каналу АЦП 201, был подключен через сопротивление 105 к отдельной внутренней линии питания 106. При такой схемотехнической реализации при измерении напряжения на контакте второго рода предпочтительно на всех контактах первого рода 102 и всех, кроме одной, линиях питания 106 установить одинаковое напряжение. При соблюдении данных условий на всех, кроме одного, контактах второго рода 103, подключенных к одному каналу АЦП 201, установится одинаковое напряжение, и по показаниям АЦП 201 можно определить напряжение на одном указанном контакте.
ФИГ. 2b иллюстрирует вариант реализации, в котором средство измерения напряжения 104 представлено АЦП 201, к одному каналу которого подключается выход сумматора 203, а ко входам сумматора 203 подключаются контакты второго рода 103. По аналогии с вариантом на ФИГ.2a, управляя напряжением на линиях питания и контактах первого рода 102, можно эффективно измерять напряжение на отдельных контактах второго рода 103.
По значению напряжения на контакте второго рода 103 можно определить, соединено ли с ним какое-либо из ведомых устройств 108. Предпочтительно ведущее устройство 101 может иметь более двух контактов первого рода 102. На одном из таких контактов может быть установлен потенциал, отличный от потенциала, установленного на остальных контактах первого рода 102. Это необходимо для того, чтобы по значению напряжения на контакте второго рода 103 определить, к какому контакту первого рода подключено ведомое устройство 108, подключенное к данному контакту второго рода 103.
Возможно также отключение контакта первого рода 102 от полюсов 109 и 110 источника питания, то есть его электрическая изоляция. В таком случае напряжение на контакте первого рода 102 становится равным напряжению на контакте второго рода, с которым он связан через ведомое устройство.
Предпочтительно переключатели 107 представлены транзисторными полумостами.
В предпочтительном варианте реализации после каждого переключения контакты первого 102 и второго 103 рода оказываются подключены к разным полюсам источника питания, таким образом при каждом переключении будет происходить изменение знака напряжения, иначе говоря, смена полярности напряжения на контактах.
Сопротивления 105 могут быть активными (резисторы) или реактивными (конденсаторы, катушки индуктивности). Сопротивления могут быть также представлены различными комбинациями из этих элементов.
Предпочтительно на ведущем устройстве 101 может быть установлен микроконтроллер для управления переключателями 107 и получения данных со средства измерения напряжения 104.
Каждое ведомое устройство 108 подключается к двум электрическим линиям. Через одну линию ведомое устройство соединено с контактом первого рода 102, через другую - с контактом второго рода 103. К одной линии могут подключаться несколько ведомых устройств 108.
В частном варианте реализации ведущее устройство 108 представлено схемой из пассивных электрических элементов, преобразующей аналоговый сигнал. В этом случае изменяя полярность напряжения на контактах, к которым подключено ведомое устройство 108, и определяя значение напряжения на контакте второго рода 103, можно получать сигнал от ведомого устройства 108 в виде отклика содержащейся в нем пассивной схемы на изменение полярности напряжения.
Рассмотрим случай, проиллюстрированный на ФИГ.3, когда сопротивление 105 ведущего устройства 101 представлено резистором, электрическая схема связанного с ним ведомого устройства 108 представлена выпрямительным диодом 301, и к ведомому устройству 108 параллельно диоду подключено внешнее устройство 302, представляющее собой терморезистор 303. В этом случае реализуется вариант, в котором через ведомое устройство 108 передают на ведущее устройство 101 аналоговый сигнал от внешнего устройства 302. Для этого по показаниям средства измерения напряжения 104 определяют сумму падений напряжений на соединяющих устройства 101 и 108 линиях и на схеме ведомого устройства 108 с подключенным к нему внешним устройством 302 при разных полярностях напряжения. При одной полярности падение напряжения на ведомом устройстве 108 становится нулевым, и по падению напряжения на соединяющей устройства линии можно определить ее сопротивление. С учетом этого при другой полярности напряжения можно определить сопротивление подключенного терморезиcтора 303. Таким образом с использованием описанного способа может быть решена задача получения данных с аналогового датчика - терморезистора.
В случае, если сопротивление 105 является реактивным, сумму сопротивлений линии и ведомого устройства 108 можно определить по изменению со временем напряжения на контакте второго рода 103.
В другом варианте реализации ведомое устройство 108 содержит цифровую схему. Вариант такой схемы представлен на ФИГ.4. Данная схема позволяет определять полярность напряжения на выходах и подключать резистор между выходами. Схема содержит микроконтроллер 401, преобразователь переменного напряжения в постоянное (диодный мост 402), резистор 403 и транзистор 404. Подключение резистора 403 происходит путем открытия транзистора 404. Полярность подключения определяется путем определения напряжения на выходе 405 микроконтроллера 401. Питание микроконтроллера 401 осуществляется от диодного моста 402. К схеме может подключаться внешнее устройство. Через выходы 406 внешнее устройство может получать питание, через выходы 407 внешнее устройство может обмениваться данными с микроконтроллером. Подключение ведомого устройства 108 к ведущему 101 обеспечивается при помощи выходов 408. К данной схеме могут быть добавлены элементы, защищающие от перенапряжения и электростатических разрядов.
Для компенсации падения напряжения на сопротивлениях 105 предпочтительно устанавливать на между контактами первого рода и внутренними линиями питания напряжение большее, чем рабочее напряжение ведомых устройств. В этом случае предпочтительно встраивать в схемы ведомых устройств также схемы понижения напряжения.
Передачу цифрового сигнала от ведущего устройства 101 к ведомому 108 производят путем варьирования временного промежутка (периода) между изменениями напряжений  (сменой полярности) на контактах первого рода 102 и внутренней линии питания 106 ведущего устройства 101. На ведомом устройстве 108 сигнал получают путем непрерывного определения полярности подключения, таким образом определяя длительность периодов смены полярности.
Для передачи сигнала от ведомого устройства 108 к ведущему 101 многократно меняют общее сопротивление между двумя контактами ведомого устройства 108. Сопротивление между контактами устройства 108 меняется путем подключения и отключения резистора. Возможно также короткое замыкание контактов 108 друг с другом, иначе говоря, подключение резистора с нулевым сопротивлением. Цифровой сигнал передается путем варьирования периода между подключениями. Ведущее устройство 101 получает сигнал путем постоянного определения сопротивления ведомого устройства 108, таким образом определяя периоды между подключениями.
Также возможны различные варианты для передачи сигналов между устройствами 101 и 108. В случае если к одному контакту первого рода ведущего устройства 101 подключено более одного ведомого устройства 108, то передача цифрового сигнала может происходить одновременно ко всем подключенным к данному контакту ведомым устройствам. Также могут быть использованы методы адресации, обычные для протоколов передачи данных по общей шине.
Возможна одновременная двусторонняя синхронная или асинхронная передача данных между ведущим 101 и ведомым 108 устройствами (full duplex).
В другом варианте реализации сигнал от ведущего устройства 101 к ведомому 108 может являться синхронизирующим сигналом для сигнала, передаваемого от ведомого устройства 108 к ведущему 101. При такой реализации ведущее устройство через равные промежутки времени меняет полярность напряжения на контактах, и каждая такая смена полярности служит значащим моментом для ведомого устройства 108.
Аналогичным образом сигнал от ведомого устройства 108 к ведущему 101 может являться синхронизирующим сигналом для сигнала, передаваемого от ведущего устройства 101 к ведомому 108.
В изделии, изготовленном с использованием настоящего изобретения, ведущее устройство 101 может быть представлено плоской пластиной, на поверхности которой в шахматном порядке расположены электрические контакты первого рода и контакты второго рода. На данной пластине размещаются ведомые устройства, по два контакта которых выведены наружу. Ведомые устройства могут быть сконструированы так, чтобы была возможность соединить их два выведенных наружу контакта только с двумя соседними контактами на упомянутой прямоугольной сетке, то есть с одним контактом первого рода 102 и одним контактом второго рода 103. При такой реализации на ведущем устройстве 101 можно размещать большое количество ведомых устройств, определять их расположение и обмениваться с ними данными.
Приведенный выше вариант реализации может быть применен в детских игровых наборах. Пользователь размещает ведомые устройства на ведущем устройстве в определенном порядке. Ведущее устройство 101 определяет, к каким контактам подключены ведомые устройства, запускает световую и звуковую индикацию на ведомых устройствах.
Также данный вариант реализации может быть применен для детских электронных конструкторов. В этом случае ведущее устройство 101 симулирует макетную плату, ведомые устройства - электрические элементы. Ведущее устройство 101 определяет положение ведомых устройств, рассчитывает получившуюся электрическую схему, запускает световую и звуковую индикацию в соответствии с расчетом.
Стоит отметить, что представленное выше описание нескольких вариантов осуществления изобретения приведено в качестве примера, и не должно быть истолкованы как ограничивающее объем охраны настоящего изобретения, определяемым исключительно объемом приложенной формулы изобретения.
Несмотря на то, что описанные выше частные случаи осуществления приведены со ссылкой на конкретные шаги, выполняемые в определенном порядке, должно быть очевидно, что эти шаги могут быть объединены, разделены или их порядок может быть изменен без отклонения от сущности настоящего изобретения. Соответственно, порядок и группировка шагов не носят ограничительного характера для сущности настоящего изобретения.
При этом описанные выше варианты осуществления приведены со ссылкой на конкретные элементы, соединенные друг с другом в определенном порядке. В их отношении также должно быть очевидно, что изобретение может включать такие элементы в нескольких экземплярах с наличием между ними соединений, обусловленных лишь увеличением числа однотипных элементов без отклонения от сущности настоящего изобретения.