一种温度补偿的数传隔离主从设备通讯方法与流程

本发明涉及工业数字隔离通信，具体涉及一种温度补偿的数传隔离主从设备通讯方法。

背景技术：

1、现有数传隔离主从通讯系统普遍采用单端温度补偿或固定参数配置，未考虑主设备与从设备所处环境温度存在差异的实际工况。工业现场中主设备通常位于控制柜内部，从设备分布于生产现场不同位置，两侧环境温度差异可达数十摄氏度。数字隔离器内部通过磁耦合或电容耦合传输信号，半导体器件载流子迁移率随温度变化而改变，导致传输延迟随温度发生漂移。主从两端温度不对称时，正向传输延迟与反向传输延迟存在明显差异，造成半双工方向切换时序错位。同时双绞线中电磁波传播速度受介质介电常数影响，介电常数随温度缓慢变化，长距离通讯场景下线缆延迟与隔离器延迟的耦合效应进一步加剧时序偏差。现有方案仅针对单侧器件进行静态校准，无法补偿双向延迟不对称导致的采样窗口偏移，高温差环境下通讯误码率上升，严重时导致通讯中断。

2、因此亟需一种能够感知双端温度差异并进行全链路动态补偿的数传主从通讯方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术中存在的缺点，而提出一种温度补偿的数传隔离主从设备通讯方法，应用于包含主设备和从设备的隔离通讯系统，所述主设备设置有主端数字隔离器，所述从设备设置有从端数字隔离器，所述主设备与所述从设备通过通讯线缆连接，包括以下步骤：

2、s1：采集所述主端数字隔离器的工作温度得到主端温度，采集所述从端数字隔离器的工作温度得到从端温度，获取所述通讯线缆所处环境的线缆温度；

3、s2：根据所述主端温度、所述从端温度和所述线缆温度，分别计算主端隔离延迟分量、从端隔离延迟分量以及线缆传播延迟分量，合成得到主到从方向和从到主方向的双向链路总传输延迟；

4、s3：基于所述双向链路总传输延迟计算波特率校准系数，根据所述波特率校准系数同步调整所述主设备和所述从设备的通讯波特率；

5、s4：计算所述主到从方向传输延迟与所述从到主方向传输延迟的差值得到延迟不对称度，结合当前波特率对应的角频率计算最佳采样相位，根据所述最佳采样相位校准接收端采样时刻；

6、s5：所述主设备与所述从设备按照调整后的通讯波特率以及校准后的采样相位执行数据收发操作。

7、优选的，所述采集所述主端数字隔离器的工作温度得到主端温度，采集所述从端数字隔离器的工作温度得到从端温度的步骤，包括：在所述主设备侧设置贴片式温度传感器，贴片式温度传感器贴合于所述主端数字隔离器的壳体表面，采集所述主端数字隔离器的壳体温度；采集得到的原始温度数据经一阶惯性滤波算法处理，消除高频温度波动后输出所述主端温度；在所述从设备侧设置贴片式温度传感器，贴片式温度传感器贴合于所述从端数字隔离器的壳体表面，采集所述从端数字隔离器的壳体温度；采集得到的原始温度数据经一阶惯性滤波算法处理，消除高频温度波动后输出所述从端温度；所述主设备发送通讯帧时在帧头预留字段携带所述主端温度数据，所述从设备回复响应帧时在帧头预留字段携带所述从端温度数据，双方各自解析接收帧中的温度字段，完成双向温度数据同步交换。

8、进一步优选的，所述获取所述通讯线缆所处环境的线缆温度的步骤，包括：在所述通讯线缆的首端位置、中段位置以及尾端位置分别设置温度采集节点，每个温度采集节点采集对应位置的环境温度数值；将所述首端位置的温度数值、所述中段位置的温度数值以及所述尾端位置的温度数值输入算术平均运算单元，求取三个位置温度数值的算术平均值；算术平均值作为所述线缆温度输出至延迟计算单元；实时监测所述主端温度与所述从端温度的变化速率，任意一端温度变化量超过触发阈值时，立即启动链路延迟参数更新流程；温度变化量未超过触发阈值时，按照固定周期执行延迟参数更新。

9、进一步优选的，所述基于所述双向链路总传输延迟计算波特率校准系数，根据所述波特率校准系数同步调整所述主设备和所述从设备的通讯波特率的步骤，包括：读取预先存储的基准参考延迟阈值与基准位周期时长；取所述主到从方向传输延迟与所述从到主方向传输延迟中的较大值，作为所述双向链路总传输延迟的代表值；计算所述双向链路总传输延迟代表值与所述基准参考延迟阈值的差值，得到延迟增量；将所述延迟增量除以所述基准位周期时长，得到延迟占比变化量；根据所述延迟占比变化量计算波特率校准系数；预设基准波特率数值乘以所述波特率校准系数，得到当前最优工作波特率；所述主设备生成波特率配置帧，波特率配置帧携带新波特率参数与切换时间戳；所述主设备向所述从设备发送波特率配置帧，所述从设备收到配置帧后返回确认应答；到达所述切换时间戳时刻，所述主设备与所述从设备同时切换至新的通讯波特率。

10、进一步优选的，所述分别计算主端隔离延迟分量、从端隔离延迟分量以及线缆传播延迟分量的步骤，包括：读取基准温度下的主端隔离器延迟参数、从端隔离器延迟参数以及线缆信号传播速度参数；分别计算主端温度与基准温度的差值、从端温度与基准温度的差值以及线缆温度与基准温度的差值；主端温度差值乘以主端延迟温度系数后叠加至基准延迟数值，得到主端隔离延迟分量；从端温度差值乘以从端延迟温度系数后叠加至基准延迟数值，得到从端隔离延迟分量；线缆温度差值乘以线缆速度温度系数后修正基准传播速度数值，线缆长度除以修正后的传播速度数值得到线缆传播延迟分量。

11、进一步优选的，所述计算所述主到从方向传输延迟与所述从到主方向传输延迟的差值得到延迟不对称度，结合当前波特率对应的角频率计算最佳采样相位，根据所述最佳采样相位校准接收端采样时刻的步骤，包括：将所述主到从方向传输延迟数值减去所述从到主方向传输延迟数值，运算结果作为双向延迟不对称度；当前生效的波特率数值乘以二倍圆周率常数，换算得到波特率角频率；将所述双向延迟不对称度数值与所述波特率角频率数值相乘，得到总相位偏移量；所述总相位偏移量除以二得到单侧补偿相位偏移量；理想中心相位数值叠加所述单侧补偿相位偏移量，运算结果作为最佳采样相位；接收端数字采样电路根据所述最佳采样相位数值调整采样时钟的相位偏移量，使采样触发时刻对准数据位中心位置。

12、进一步优选的，所述方法还包括补偿参数自学习优化步骤：通讯过程中持续记录不同温度组合对应的通讯质量统计数据，通讯质量统计数据包括误码帧计数、数据重传次数以及帧成功接收数量；统计数据累积达到样本数量阈值时，启动参数优化流程；采用最小二乘法对历史数据进行拟合运算，优化更新隔离器温度系数与线缆速度温度系数；优化后的参数写入非易失性存储单元；系统每次上电启动时，自动从非易失性存储单元加载最新的优化参数；按照固定时间周期执行参数自校准流程，补偿器件老化与环境长期变化导致的参数漂移。

13、进一步优选的，所述主设备与所述从设备按照调整后的通讯波特率以及校准后的采样相位执行数据收发操作的步骤，包括：半双工通讯方向切换的时序参数，根据所述双向链路总传输延迟进行对应调整；发送端按照调整后的通讯波特率组帧并发送数据帧，数据帧依次包含帧起始字段、地址字段、控制字段、数据字段以及校验字段；接收端信号经前端模拟电路处理后输入数字采样单元；数字采样单元按照校准后的采样相位对接收信号进行电平采样与判决；采样判决得到的串行数据经串并转换后输入校验单元；校验单元通过校验字段验证数据正确性，验证通过后输出数据至上层处理单元。

14、进一步优选的，所述一阶惯性滤波算法的滤波系数根据温度变化速率进行对应调整；温度变化速率低于第一速率阈值时，采用第一滤波系数进行处理；温度变化速率高于第二速率阈值时，采用第二滤波系数进行处理；所述第一速率阈值小于所述第二速率阈值；所述第一滤波系数数值大于所述第二滤波系数数值。

15、进一步优选的，所述到达所述切换时间戳时刻，所述主设备与所述从设备同时切换至新的通讯波特率的步骤，包括：所述主设备发送波特率配置帧后启动计时，记录发送时刻时间戳；所述从设备接收波特率配置帧后记录接收时刻时间戳；所述从设备根据接收时刻时间戳与链路延迟参数计算切换时刻，确保所述主设备与所述从设备切换时刻的时间差小于半个位周期；切换时刻到达前，双方维持原波特率进行通讯；切换时刻到达时，双方同时更新波特率寄存器配置；配置更新完成后，所述主设备发送验证帧，所述从设备接收验证帧并返回应答帧，确认波特率切换成功。

16、技术效果包括：

17、本发明通过双端温度采集与双向链路时延合成，解决主从设备温度不对称导致的半双工通讯时序失配问题。基于总延迟动态调整波特率，保证不同温度下采样窗口裕量一致。利用双向延迟差校准接收采样相位，使采样点始终对准数据眼图中心。三级补偿机制协同作用，提升宽温域长距离场景下的通讯可靠性。参数自学习功能可补偿器件老化漂移，延长系统稳定工作周期。