一种轮询应答总线系统的制作方法

1.本发明属于总线技术领域，具体涉及一种轮询应答总线系统。


背景技术：

2.在一个主机和多个从机组成的电子系统(简称“一主多从电子系统”)中，有一类远距离一主多从电子系统，例如，多节点互动娱乐系统、舞台控制系统、会议系统等，这类远距离一主多从电子系统通常具有以下特点：1)主机为1个，从机的最大数目可达200；2)从机与主机的最大距离可达1000米；3)从机的状态要发送给主机，其状态只有两种(有或无，真或假)；4)从机状态要在非常短的时间内(例如，小于10ms)发送到主机；5)从机的电源由主机提供；6)主机和从机之间的连线数目尽量少。
3.目前传输距离能达到1000米的传输总线主要为rs-422总线和rs-485总线。而这些外部总线应用在远距离一主多从电子系统时，通常会存在以下两个问题，即：1)延时不满足要求；2)线的数目较多。
4.结合图1，以rs-485总线为例来说明上述存在的问题。采用rs-485总线为传输总线的情形下，为防止多个从机(例如，有100台，依次编号为1号从机、2号从机、
…
、100号从机)同时发送数据而导致数据错误，主机接收从机的数据只能采取轮询方式。轮询过程为：主机发送1号从机的编码，所有从机均接收到该编码，而只有1号从机判断该编码与本从机编号一致，故1号从机发送它的状态给主机；接着，主机发送2号从机的编码，......，以此类推，直到100号从机发送它的状态给主机。因此，一次轮询(从1到100)所花费的时间为单次发送和接收的时间与从机数目的乘积。采用uart(通用异步收发传输器) rs-485总线的形式进行通信时，若传输波特率为9600，发送格式为1位起始位，8位数据位，1位停止位。单次发送或接收的时间为10/9600＝1.04ms，因此传输时间约为100*2*1.04ms＝208ms，显然不能满足系统要求。若以半双工的形式进行通信时，线的数目为4根，其中，rs-485总线2根，供电线1根，地线1根。若以全双工的形式进行通信时，线的数目为6根，其中，rs-485总线4根，供电线1根，地线1根。此外，由于rs-485总线存在着在共模干扰较大时无法通信、某一节点故障会影响邻近节点等问题、故障率较高。并且，由于rs485在使用时需要使用光电隔离等芯片，其成本相对于普通光电耦合器等器件较高。
5.由此可见，现有总线应用在远距离一主多从电子系统应用中存在传输时间较长和连线数目较多的技术问题，并且，使用常规总线还会存在故障率高、成本较高等问题。


技术实现要素：

6.为解决现有总线在远距离一主多从电子系统应用中存在传输时间较长和连线数目较多的问题，本发明提出一种总线系统，采用轮询应答技术，可实现传输时间的减少和传输线路数目的减少。
7.本发明公开一种轮询应答总线系统，包括：
8.总线线束，具有一根双向信号线、一根地线和一根电源线；
9.一组主机总线电路，具有主机总线控制模块以及耦接至所述双向信号线的轮询信号发送单元和应答接收单元；
10.至少一组从机总线电路，具有从机总线控制模块以及耦接至所述双向信号线的轮询信号接收单元和应答发送单元；
11.通过控制与轮询信号发送单元输入端连接的主机总线控制模块的第一端口的输出状态，使所述总线系统交替进入空闲时段t1或者状态轮询和应答时段t2；
12.所述空闲时段t1：与轮询信号发送单元输入端连接的主机总线控制模块的第一端口持续输出高电平；
13.所述状态轮询和应答时段t2：与轮询信号发送单元输入端连接的主机总线控制模块的第一端口交替输出高低电平，使所述双向信号线上交替出现占用态和空闲态，构成轮询脉冲信号；相邻的占用态和空闲态构成一个查询周期，每个查询周期对应一个从机编号，所有从机的查询周期构成一个轮询周期；主机通过轮询信号发送单元发送轮询脉冲信号至所述双向信号线，从机通过轮询信号接收单元接收轮询脉冲信号，并在判断所述查询周期与自身编号相对应时，根据自身状态在空闲态时通过应答发送单元选择发送应答脉冲信号至所述双向信号线或者不作任何应答；所述从机的自身状态包括第一状态和第二状态两种，主机通过应答接收单元接收所述应答脉冲信号并判定对应编号的从机有应答。
14.作为一种优选方案，所述查询周期内，占用态和空闲态的时间宽度相一致。
15.作为一种优选方案，所述空闲时段t1的时长大于状态轮询和应答时段t2的时长。
16.作为一种优选方案，所述轮询信号发送单元的输入端连接主机总线控制模块的第一端口；所述应答接收单元的输出端连接主机总线控制模块的第二端口；所述轮询信号发送单元的输出端和应答接收单元第一输入端分别连接至所述双向信号线；
17.所述应答发送单元的输入端连接从机总线控制模块的第一端口；所述轮询信号接收单元的输出端连接从机总线控制模块的第二端口；所述轮询信号接收单元的输入端和应答发送单元的输出端分别连接至所述双向信号线；
18.所述轮询信号发送单元、轮询信号接收单元、应答发送单元和应答接收单元的接地端连接地线；
19.所述主机根据总线控制模块第二端口的电平判断信号线上是空闲态还是占用态；所述从机根据总线控制模块第二端口的电平判断信号线上是空闲态还是占用态。
20.作为一种优选方案，所述轮询信号发送单元的供电端通过电源线连接第一电源；所述应答接收单元的第二输入端连接第二电源，输出端还通过电源线连接第一电源；所述轮询信号接收单元的第二输入端连接第三电源，输出端还通过电源线连接第四电源；所述应答发送单元的供电端通过电源线连接第三电源；所述第一电源和第三电源的电压值相等。
21.作为一种优选方案，所述主机总线电路还具有主机稳压模块，所述主机稳压模块的输入端为第一电源，输出端为第二电源；所述从机总线电路还具有从机稳压模块，所述从机稳压模块的输入端为第三电源，输出端为第四电源。
22.作为一种优选方案，所述第二电源和和第四电源的电压值相等。
23.作为一种优选方案，所述轮询信号发送单元采用由轮询开关控制的第一开关电路实现，所述轮询开关包括双极型晶体管、场效应晶体管中的至少一种；所述应答接收单元采
用第一光耦电路实现；所述应答发送单元采用由应答开关控制的第二开关电路实现，所述应答开关包括双极型晶体管、场效应晶体管中的至少一种；所述轮询信号接收单元采用第二光耦电路实现；
24.在所述状态轮询和应答时段t2：第一开关电路和第二开关电路截止时，所述总线系统处于空闲态；所述第一开关电路或任意一个第二开关电路导通时，所述总线系统处于占用态。
25.作为一种优选方案，所述第一开关电路和第二开关电路采用相同电路设计；所述第一光耦电路和第二光耦电路采用包括光电耦合器的相同电路设计。
26.作为一种优选方案，所述主机总线控制模块为独立的处理器或者集成于主机处理器内；和/或，所述从机总线控制模块为为独立的处理器或者集成于从机处理器内。
27.本发明具有以下技术效果：
28.(1)本发明所公开的轮询应答总线系统采用了轮询应答方式，仅需3根线即可完成总线需求，并可实现总线的轮询周期控制在10ms以内。
29.(2)本发明所公开的轮询应答总线系统在主机和从机的接收端都采用光电耦合器，保证接收端的输出电压只从本接收端的电源中取电，避免远距离的取电而导致的干扰增加。
30.(3)本发明所公开的轮询应答总线系统总线通信均采用电流驱动的电路方式，具有较强的抗干扰能力，传输距离可达1000米。
31.(4)本发明所公开的轮询应答总线系统结构简单、成本低，各节点相对独立，故障率低。
附图说明
32.图1为rs-485传输总线在一主多从电子系统中的电路结构示意图；
33.图2为总线系统在一主多从电子系统中的整体结构示意图1；
34.图3为总线系统在一主多从电子系统中的整体结构示意图2；
35.图4为状态轮询和应答模块结构与稳压电路示意图；
36.图5为总线的空闲和轮询应答时序示意图；
37.图6为总线的轮询应答时序示意图；
38.图7轮询应答的时间特性示意图。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步解释说明。
40.结合图2至图4所示，本发明公开一种适用于远距离一主多从电子系统的轮询应答总线系统，主要包括主机总线电路、从机总线电路和总线线束，其中总线线束为3根线，一根为双向信号线(本文也称“信号总线”或者“总线”)、一根为电源线，另一根为地线。其中，双向信号线主要用于状态轮询和应答，电源线主要用于连接各器件的供电端，地线主要用于连接各器件的接地端，为简化图示，其它附图中均不画出电源线、地线。应理解的是，在实际应用时，一主多从电子系统中，从机通常有两个以上，为简化图示和描述，实施例中各从机的器件标号均统一表示，电路结构图中仅示出一个从机。
41.主机总线电路主要包括主机总线处理器、主机稳压模块、以及与主机总线处理器连接的轮询信号发送和应答接收模块。轮询信号发送和应答接收模块包括轮询信号发送单元和应答接收单元。其中，轮询信号发送单元用于将轮询信号发送到总线，可采用mos管开关电路、双极型晶体管(三极管)开关电路等实现，又称主机发送电路，具有输入端、输出端、电源端和接地端。轮询信号发送单元的输入端连接主机总线处理器的端口1，输出端连接总线，电源端连接电源v1，接地端与地线连接。本实施例中，轮询信号发送单元中的开关器件主要包括npn型三极管q1和n型mos管q4，主机总线处理器的端口1通过依次连接的电阻r10、三极管q1、电阻r8和mos管q4与总线连接，端口1输出低电平时，三极管q1截止，mos管q4导通，总线进入占用态，反之，三极管导通，mos管q4截止，总线进入空闲态。
42.其中，应答接收单元可采用光耦电路实现，又称主机接收电路，用于接收来自总线的从机应答脉冲信号。光耦电路配置有光电耦合器，主要用于隔离各个电压的信号耦合关系，避免信号的相互干扰。光电耦合器u1的第一输入端通过电源线连接供电电源输出的电源v1，第二输入端连接总线，第一输出端连接主机总线处理器的端口2，第二输出端与地线连接，主机稳压模块输出的电源v2设置在第一输出端处。本实施例中，光耦电路可由光电耦合器u1、电阻r1和上拉电阻r3组成，光电耦合器u1包括发光二极管和光敏三极管，发光二极管的正极即光电耦合器u1的第一输入端，其串联分压电阻r1后通过电源线连接电源v1，负极即光电耦合器u1的第二输入端，光敏三极管的集电极(即光电耦合器u1的第一输出端)串联上拉电阻r3后连接主机稳压模块输出的电源v2，光敏三极管的发射极(即光电耦合器u1的第二输出端)接地。需要说明的是，为使总线抗干扰能力增强，电源v1的电压较高，一般为12v。而电源v2主要是给处理器供电的电压，电压值较低，一般可设为5v。
43.从机总线电路主要包括从机总线处理器、从机稳压模块以及与从机总线处理器连接的轮询信号接收和应答模块。轮询信号接收和应答模块具有从总线接收轮询脉冲和进行应答的作用，可采用与主机的轮询信号发送和应答接收模块相同或相近的电路结构实现，主要包括轮询信号接收单元和应答发送单元。
44.其中，轮询信号接收单元可采用光耦电路实现，用于接收来自总线的轮询脉冲信号。光电耦合器u2的第一输入端通过电源线连接电源v3，第二输入端连接总线，第一输出端连接从机总线处理器的端口2，一级稳压单元输出的电源v4设置在第一输出端，第二输出端与地线连接，从机总线处理器的端口2设置在第一输出端处。本实施例中，光耦电路可由光电耦合器u2、分压电阻r2和上拉电阻r4组成，光电耦合器u2包括发光二极管和光敏三极管，发光二极管的正极即光电耦合器u2的第一输入端，其串联分压电阻r2后通过电源线连接供电电源输出的电源v3，负极即光电耦合器u2的第二输入端，光敏三极管的集电极即光电耦合器u2的第一输出端，其串联上拉电阻r4后连接一级稳压单元输出的电源v4，光敏三极管的发射极即光电耦合器u2的第二输出端。其工作原理同主机总线电路的应答接收单元，从机总线处理器可感知到总线的状态，此处不再赘述。
45.其中，应答发送单元用于将应答脉冲信号发送到总线上，可采用mos管开关电路实现，具有输入端、输出端、电源端和接地端，其输入端连接从机总线处理器端口1，输出端连接总线，电源端连接电源v3，接地端与地线连接。本实施例中，应答发送单元中的开关器件包括npn三极管q2和n型mos管q3，从机总线处理器的端口1通过依次连接的电阻r9、三极管q2、电阻r7、mos管q3与总线连接，端口1输出低电平时，三极管q2截止，mos管q3导通，总线进
入占用态，反之，三极管q2导通，mos管q3截止，总线进入空闲态。
46.工作时，当总线所连接的mos管q3和q4全部为截止状态，总线所连接的光电耦合器的发光二极管都会截止而不发光，对应的光敏三极管因而截止，光敏三极管的集电极输出高电平，处理器的io口(主机处理器的端口2、从机处理器的端口2)读到数值“1”。当总线所连接的mos管q3和q4中的任何一个导通，总线所连接的光电耦合器的发光二极管都会因导通而发光，对应的光敏三极管因而导通，光敏三极管的集电极输出低电平，处理器的io口(主机处理器的端口2、从机处理器的端口2)读到数值“0”。由此，总线状态可到达主机总线处理器和从机处理器。
47.需要说明的是，以上单元电路中的开关器件包括不限于使用双极型晶体管(bjt，又称三极管)、场效应晶体管(mosfet)等器件，具体可根据需求进行配置，电路总体结构基本不变。
48.本实施例中，主机总线处理器和从机总线处理器均为独立的处理器，其中，主机总线处理器通过并行或串行接口与主机处理器电性连接，从机总线处理器通过并行或串行接口与从机处理器电性连接。在其它实施例中，主/从机总线处理器也可以是集成于主/从机处理器的一个控制模块。
49.本实施例中，电源v1、v2处于主机总线电路中,其中，电源v1为电源线提供的供电电源，电源v2为电源v1稳压后得到的电源，电源v1为主机用于查询从机状态所使用的电源，v2主要用于为主机处理器供电。电源v3、v4处于从机总线电路中，电源v3的电压值可设置与电源v1的电压值相同，作为状态轮询和应答模块的电源；电源v4为电源v3稳压后得到的电源，作为从机总线处理器的供电电源，电源v4的电压值小于电源v3的电压值。例如，可设置电源v1、v3为12v，电源v2、v4为5v或者3.3v，电源v2和v4可以设置为相同，也可以不同。
50.结合图4所示，当连接到总线上的轮询/应答开关管截止时，连接到总线的光电耦合器中的发光二极管均不导通，此时总线的状态为空闲态。当连接到总线上的轮询/应答开关管中的一个为导通状态时，连接到总线的光电耦合器中的发光二极管全部导通，此时总线的状态为占用态。总线上的轮询/应答开关管主要包括主机总线电路中的mos管q4、从机总线电路中的mos管q3等，其中，mos管q4为轮询开关，mos管q3为应答开关。
51.当总线为空闲态时，可通过改变主机或从机的端口(主机总线处理器端口1、从机总线处理器端口1等)的电平使得总线进入占用态。以主机控制为例，具体过程是：主机总线处理器端口1由输出高电平变为输出低电平，三极管q1截止，mos管q4的栅极变为高电压，mos管q4导通，总线进入占用态。
52.总线的状态(空闲态或占用态)能够被主机或任意一个从机所感知。如果总线为空闲态，主机中光电耦合器u1内的发光二极管不发光，光电耦合器u1中的光敏三极管不导通，因而主机总线处理器端口2输出高电平；如果总线为占用态，主机中光电耦合器u1内的发光二极管发光，使光电耦合器u1中的光敏三极管导通，主机总线处理器端口2输出低电平。因此，主机总线处理器可根据其端口2的电平判断出总线是空闲态还是占用态。
53.同样的，如果总线为空闲态，从机n中光电耦合器u2内的发光二极管不发光，光电耦合器u2中的光敏三极管不导通，因而从机n处理器端口2输出高电平；如果总线为占用态，从机n中光电耦合器u2内的发光二极管发光，使光电耦合器u2中的光敏三极管导通，从机n处理器端口2输出低电平。因此，从机n处理器可根据其端口2的电平判断出总线是空闲态还
是占用态。
54.如图5所示，总线的时序将时间分为两个片段t1和t2，时序t1表示空闲时段，t2表示状态轮询和应答时段(也称“工作时间”)。时间轴上，t1后是t2，t2后又是t1，交替出现，不断循环。当连接到总线上的轮询/应答开关管截止时，连接到总线的光电耦合器中的发光二极管均不导通，进入空闲时段t1；当连接到总线上的轮询/应答开关管中的任意一个为导通状态时，连接到总线的光电耦合器中的发光二极管全部导通，进入状态轮询和应答时段t2。
55.在空闲时段t1，总线处于空闲状态，用于间隔两个轮询应答周期；在状态轮询和应答时段t2，主机通过总线进行状态轮询而从机进行应答。考虑到设置空闲状态可以有效的解决相邻两个轮询应答周期之间出现数据干扰，例如，本实施例中，可设定t1》t2。
56.在状态轮询和应答时段t2，主机通过总线进行状态轮询而从机进行应答。t2的起始瞬间，所有从机总线处理器的端口1和主机总线处理器端口1都为高电平，使得总线为空闲态。随后，主机总线处理器端口1交替输出低电平(此时对应占用态)和高电平，使总线上交替出现占用态(低电平)和空闲态(高电平)，1个低电平和紧接着的高电平称为1个脉冲。相邻的占用态和空闲态(占用态在前，空闲态在后)称为一个查询周期，1个脉冲对应一个查询周期。在实际应用时，可以是先占用态，再空闲态；也可以先为空闲态，而后为占用态。占用态和空闲态的时间可以根据主/从处理器的速度进行适当调整，实施例中，占用态和空闲态的时间相一致，但占用态和空闲态的时间也可以不相同。
57.对于总线上脉冲与从机编号的关系，总线上输出脉冲(查询周期)的先后决定了对应的从机编号，先输出的编号小而后输出的编号大(也可相反，即先出现的编号大而后出现的编号小)。以从机数目为100为例，结合图5所示，第1个查询周期(第1个脉冲)对应1号从机；第2个查询周期(第2个脉冲)对应2号从机；
……
第100个查询周期(第100个脉冲)对应100号从机。
58.主机查询和从机应答过程为：从机在与自身编号相对应的查询周期选择应答或不应答。应答与不应答代表了从机的两种状态，例如，有或无，真或假。这里的应答与不应答和实际状态的对应关系可自行设定。例如，应答对应有和真，不应答对应无或假，反之亦可。
59.图5中，1号、2号、3号、5号、
…
、100号从机均未进行应答，而4号从机进行了应答。从总线信号形状上看，4号从机在第4个查询周期的空闲态输出了一个宽度小于空闲态的应答脉冲。例如：轮询应答周期内空闲态设为10us，应答脉冲信号的宽度设为3us。
60.图6列出了4个信号的波形，这4个信号遵从以下关系：主机总线处理器端口1和从机4处理器端口1(均为输出)相与得到总线信号；总线信号会到达主机总线处理器端口2和从机总线处理器端口2(均为输入)。这4个信号遵从以下时间关系角度看：1、主机总线处理器端口1发出轮询脉冲(第一个信号)；2、总线上出现轮询脉冲信号(第三个信号)；3、从机总线处理器端口2收到轮询脉冲信号(第一个信号)；4、从机总线处理器端口1输出应答脉冲(第二个信号，凹陷信号)；5、主机总线处理器端口2接收到该应答脉冲信号(第四个信号)。
61.状态轮询和应答时段t2的起始时刻，主机总线处理器端口1输出轮询信号，该轮询信号通过总线到达从机总线处理器端口2，4号从机总线处理器对轮询信号进行计数，并与本机编号进行比较。当计数值达到4时，与本机编号相同，4号从机总线处理器端口1输出应答脉冲，这时总线信号出现凹陷。主机总线处理器端口2接收到该凹陷信号，判定4号从机有应答，从而获得从机的状态信息。
62.目前，中高端处理器(例如，stm32处理器)的一个io端口执行一条输出指令或一条输入指令的时间通常为几百ns(纳秒)，因此可将一个查询周期设为10μs或10μs以内，以便处理器能有足够时间进行读取。场效应晶体管、双极型晶体管等开关器件的导通和关断时间为ns级(一般为几十ns)，完全满足轮询应答时序的要求。结合图7所示，t2为100*20μs＝2ms，一个查询周期为20μs，因为t1》t2即可，假设t1为6ms，一个轮询应答周期为6ms 2ms＝8ms，完全满足总线轮询周期小于10ms的时间特性要求。
63.对于通信距离不小于200米的应用场景，一主多从总线系统应具有较强的抗干扰能力，因为距离较远的情形下，干扰造成的信号畸变会导致接收值与实际发送值不同而使系统崩溃。本发明中，采用两种抗干扰措施，一方面在主机和从机的接收端都采用光电耦合器，保证接收端的输出电压只从本接收端的电源中取电，避免远距离的取电而导致的干扰增加；另一方面，总线的通信均采用电流驱动的电路方式，使其具有很强的抗干扰能力，保证通信稳定可靠地进行。在实际应用时，实际电流可设定为每节点10ma的电流，干扰信号虽有一定的电压幅度，但功率较小，电流驱动的驱动方相当于一个内阻较小的信号源，干扰信号叠加在信号源上时，大部分能量消耗在内阻上，其幅度大大衰减。因此，电流驱动方式抗干扰能力较强。例如，图5中，v3电压为12v，r2阻值为1千欧，则当mos管q3导通时，流过光耦u2中发光二极管的电流约为10ma。由于该电流的作用，使通信可靠性增强。
64.最后需要说明的是，尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。