一種平行二總線通訊方法的研究與實現

王建華 劉存良

摘要：消防控制器與現場監控單元之間的通信線路常采用多芯平行線纜，這種平行布線方式使得線路間的干擾增強，通信成功率降低。針對上述問題，本文提出一種基于平行二總線通訊的發送、接收方法。其中，控制器端發碼采用邊沿調制技術，減小電壓信號跳變產生的干擾，監控單元端收碼提出過采樣算法進行數據精確解調。

關鍵詞：平行二總線;邊沿調制;過采樣

一、行業背景

目前，消防火災報警系統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制，而監控單元上行通信采用電流環方式。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。

但在實際工程應用中，為了兼顧不同控制系統施工便捷并節省成本，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，容易造成解調錯誤。為了增加通信距離，提高通信成功率，行業普遍采用打補丁式方法實現，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送、接收方法。

二、鼎信方案

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

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

（一）控制器端發碼方案

1.半壓驅動

鼎信提出的發碼方案中，控制器端采用非滿幅電壓驅動（簡稱半壓驅動），即低電平幅值與高電平幅值的比例可設置為1：m，其中m為正整數。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）所示的方案基礎上進行邊沿調制，使高低電平轉換的邊沿變緩，一方面能夠減少信號失真的情況，另一方面繼續減少電壓跳變對通訊的干擾。根據對方波信號、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。

3.相位校準編碼

控制器需要將通信數據按二進制位1或0轉換成對應的高電平或低電平電壓信號，并通過二總線傳送給監控端。總線上的電壓信號連續發送，中間不出現間隔，為了防止連續發送1（高電平）的情況較多造成監控單元鎖相困難，需要預先對通信數據進行編碼，插入相位校準碼0。圖2為一個字節數據每兩位連續1出現時插入相位校準碼0的示例。當然，對通信數據進行相位編碼的規則可以根據實際應用需求制定。

（二）監控設備端接收方案

1.過采樣數據集

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

例如控制器端的發碼速率為f1（T=1/f1），監控單元端的收碼速率為f2=10×f1，設定10×T為一個過采樣窗口，得到采樣數為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）所示的鎖相窗口內的數據分組求和算法，如圖3（b）所示。

取Min{SUM01，SUM02，…，SUM10}中的最小值對應的第一個過采樣相位點即為最佳相位點，作為數據解調計算的初始位置，本次數據鎖相完成。

3.時鐘同步

進一步的，由于控制器與監控單元之間采用異步通信，為防止時鐘偏移的影響，保證數據解調位置正確，提出時鐘同步方法：根據過采樣速率和鎖相窗口的大小，計算時鐘偏移量并進行調整。假設時鐘誤差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、結語

綜上所述，本文提出了一種應用于平行二總線通訊的發送、接收方法，在控制器端，減小發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制，使其中高低電壓轉換的邊沿變緩，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。在監控單元端，提出過采樣技術對數據進行鎖相，保證了數據解調的準確性。

參考文獻：

[1]王建華.新時代消防企業自主創新與發展[J]，消防界（電子版），2019，22（5）：53-54.