一種平行二總線通訊方法的研究與實現(xiàn)

■ 王建華 劉存良 青島鼎信通信股份有限公司 青島鼎信消防安全通信股份有限公司

一、行業(yè)背景

目前，消防火災(zāi)報警系統(tǒng)采用的二總線是一種不對稱的通訊總線，即控制器下行通信采用電壓調(diào)制，而監(jiān)控單元上行通信采用電流環(huán)方式。為了增大傳輸距離，保證通訊可靠，多選用雙絞線作為傳輸線纜。

但在實際工程應(yīng)用中，為了兼顧不同控制系統(tǒng)施工便捷并節(jié)省成本，消防控器到各樓宇之間的通信線路常常使用帶護套的多芯平行線。這種平行布線使得線路間的干擾變大，容易造成解調(diào)錯誤。為了增加通信距離，提高通信成功率，行業(yè)普遍采用打補丁式方法實現(xiàn)，如增加中繼模塊或定制專用電纜。因此，需要研究一種基于平行二總線通訊的發(fā)送、接收方法。

二、鼎信方案

目前，消防行業(yè)普遍采用如圖1（a）所示的調(diào)制解調(diào)方案：發(fā)碼的高電平（TH 碼元）為VCC、低電平（TL 碼元）為0V 的滿幅電壓調(diào)制，且高低電平為等脈寬；監(jiān)控單元端接收采用標準的UART 解調(diào)。

本文提出的一種基于平行二總線通訊的發(fā)送、接收方法（下稱鼎信方案），包括以下內(nèi)容。

（一）控制器端發(fā)碼方案

1.半壓驅(qū)動

鼎信提出的發(fā)碼方案中，控制器端采用非滿幅電壓驅(qū)動（簡稱半壓驅(qū)動），即低電平幅值與高電平幅值的比例可設(shè)置為1:m，其中m 為正整數(shù)。圖1（b）示例中高電平幅值為VCC，低電平幅值與高電平幅值之比為1:3，本方案通過減小高電平與低電平之間的幅值差，從而降低電壓跳變引起的線間干擾。為了增強總線供電能力，重新定義TL 碼元，在其中增加高電平，TL 碼元脈寬為2T，如圖1（b）所示。

2.邊沿調(diào)制

為了進一步降低高低電平跳變的影響，在圖1（b）所示的方案基礎(chǔ)上進行邊沿調(diào)制，使高低電平轉(zhuǎn)換的邊沿變緩，一方面能夠減少信號失真的情況，另一方面繼續(xù)減少電壓跳變對通訊的干擾。根據(jù)對方波信號、斜坡信號和升余弦信號的頻域特性分析，本文采用升余弦信號作為雙邊沿調(diào)制信號，如圖1（c）所示。圖1（d）示例為進一步縮短低電平信號，加大高電平，使帶載能力更強。

圖1 行業(yè)方案V 鼎信方案

3.相位校準編碼

控制器需要將通信數(shù)據(jù)按二進制位1 或0 轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的高電平或低電平電壓信號，并通過二總線傳送給監(jiān)控端。總線上的電壓信號連續(xù)發(fā)送，中間不出現(xiàn)間隔，為了防止連續(xù)發(fā)送1（高電平）的情況較多造成監(jiān)控單元鎖相困難，需要預(yù)先對通信數(shù)據(jù)進行編碼，插入相位校準碼0。圖2為一個字節(jié)數(shù)據(jù)每兩位連續(xù)1 出現(xiàn)時插入相位校準碼0 的示例。當然，對通信數(shù)據(jù)進行相位編碼的規(guī)則可以根據(jù)實際應(yīng)用需求制定。

圖2 相位校準編碼示例

（二）監(jiān)控設(shè)備端接收方案

1.過采樣數(shù)據(jù)集

監(jiān)控單元端使用接收速率大于發(fā)碼速率的采樣速率對控制器端發(fā)送的總線信號進行過采樣操作。

例如控制器端的發(fā)碼速率為f1（T=1/f1），監(jiān)控單元端的收碼速率為f2=10×f1，設(shè)定10×T 為一個過采樣窗口，得到采樣數(shù)為10×10=100 個過采樣信號的鎖相窗口，如圖3（a）所示。

其中，S01—S10 為第1T 時間內(nèi)的采樣值，以此類推，D91—D100 為第10T 的采樣值。

2.鎖相算法

對如圖3（a）所示的鎖相窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)分組求和算法，如圖3（b）所示。

圖3 鼎信解調(diào)方案

取Min{SUM01，SUM02，…，SUM10} 中的最小值對應(yīng)的第一個過采樣相位點即為最佳相位點，作為數(shù)據(jù)解調(diào)計算的初始位置，本次數(shù)據(jù)鎖相完成。

3.時鐘同步

進一步的，由于控制器與監(jiān)控單元之間采用異步通信，為防止時鐘偏移的影響，保證數(shù)據(jù)解調(diào)位置正確，提出時鐘同步方法：根據(jù)過采樣速率和鎖相窗口的大小，計算時鐘偏移量并進行調(diào)整。假設(shè)時鐘誤差1%，以圖3為例，則每100 個過采樣點會偏移1 位，因此第二次鎖相前，前移至少1 個過采樣點作為鎖相窗口。

三、結(jié)語

綜上所述，本文提出了一種應(yīng)用于平行二總線通訊的發(fā)送、接收方法，在控制器端，減小發(fā)碼時總線電壓信號高低電平的幅值差，從而降低信號跳變產(chǎn)生的干擾，并且增加高電平在整個總線信號中的占比，提升供電能力，且進一步對總線信號進行雙邊沿調(diào)制，使其中高低電壓轉(zhuǎn)換的邊沿變緩，進一步減少電壓跳變造成的干擾，使得到的總線信號能夠進行長距離傳輸，并保證自身信號不失真。在監(jiān)控單元端，提出過采樣技術(shù)對數(shù)據(jù)進行鎖相，保證了數(shù)據(jù)解調(diào)的準確性。