單線集供電和通訊技術(shù)的探討

龍逸

摘要：在兩線的主從通訊電路里，利用電源 VCC線來(lái)作為供電和數(shù)據(jù)交換線，供電端主機(jī)需要一個(gè)恒流源給下位機(jī)供電，在沒(méi)有數(shù)據(jù)交換時(shí)即主機(jī)直接供電給從機(jī)，在有數(shù)據(jù)交換時(shí)從機(jī)通過(guò)一個(gè)整流二極管來(lái)整流通訊信號(hào)來(lái)獲得電系統(tǒng)工作電源，通過(guò)合適的協(xié)議，使得通訊時(shí)從機(jī)可以獲得穩(wěn)定工作電源，因只有兩根線，成本大幅下降，且優(yōu)化布線空間。

關(guān)鍵詞：串口通訊、恒流源、主從機(jī)、發(fā)送、接收

一、背景技術(shù)

在家電領(lǐng)域很多雙MCU的控制器基本都采用串口通訊技術(shù)，這種技術(shù)傳輸可靠，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)。這類通訊主要在主從控制系統(tǒng)采用四跟線：即VCC，GND，TX，RX，VCC和GND主要是給從機(jī)供電;由于成本的原因，也有采用三根線：VCC，GND，TX和RX共用一芯，節(jié)省一根線，所以通常最少都要用三根線來(lái)連接主從之間來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。

二、現(xiàn)有主流兩種通訊的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1.1 四線上下位機(jī)通訊的技術(shù)方案

通常稱之為串口通訊，即一根發(fā)送數(shù)據(jù)TX，一根接收數(shù)據(jù)RX，兩者是收發(fā)分開，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)用另一根線接收數(shù)據(jù)，如果加上供電的VCC和GND，這樣就是需要四根線來(lái)完成這個(gè)上下位機(jī)的供電和通訊功能。

電路如圖（一）： 上位機(jī)的TX對(duì)應(yīng)下位機(jī)的RX，上位機(jī)的RX對(duì)應(yīng)下位機(jī)的TX，線路上串接電阻和電容為提升抗干擾能力作用。

2.1.2 此技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)

由于很多單片機(jī)都有自帶的UART口，所以在軟件處理上簡(jiǎn)單，只要設(shè)定波特率往寄存器里放需要發(fā)送的數(shù)據(jù)就可以了。

2.1.3 此技術(shù)方案的缺點(diǎn)

由于是采用串口的通訊方式，所以需要四根線，連接線的成本比較高。

2.2.1 三線通訊的技術(shù)方案

此技術(shù)方案也是屬于串口通訊的領(lǐng)域，但采用三線通訊，即收發(fā)數(shù)據(jù)都是同一根線，這樣就需要上下位機(jī)有約定的協(xié)議，雙方按照此協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，此關(guān)鍵處是主機(jī)發(fā)送完數(shù)據(jù)后需要一個(gè)約定的碼來(lái)確定數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完，從機(jī)在收到這個(gè)結(jié)束碼后由接收轉(zhuǎn)換成發(fā)送，主機(jī)由發(fā)送轉(zhuǎn)成接收。此方案?jìng)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)有限，但基本都能滿足傳統(tǒng)家電產(chǎn)品控制器數(shù)據(jù)不多的系統(tǒng)要求。

如圖（二），電源+5V，GND，數(shù)據(jù)線，三線，主從電路一致，D20為箝位二極管，保護(hù)通訊線上的三極管，使的通訊線上的電壓保持在-0.7—5.7V之間。R93，R94，R92，TR1，R91，R90，C90構(gòu)成接收電路，C91，R95，TR2，R97，R96構(gòu)成發(fā)送電路。當(dāng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)：TXD端高電平時(shí)，TR2導(dǎo)通，從機(jī)的TR1截至，即從機(jī)接收端RXD為高電平，反之為低電平，這樣完成了數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2.2 此技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)串口通訊來(lái)講，節(jié)省了一根線，成本有一定的優(yōu)勢(shì)。

2.2.3 此技術(shù)方案的缺點(diǎn)

雖然已經(jīng)比傳統(tǒng)串口通訊方案少了一根線，但還是需要三根線來(lái)完成上下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，成本還是較高。

三、單線通訊

3.1單線通訊需要解決的技術(shù)問(wèn)題

由于家電控制器行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壓力越來(lái)越大，成本要求越來(lái)越嚴(yán)，四線或三線在成本和所需要占的走線空間都有一定限制，成本肯定要高，且一些電器的走線空間有限，無(wú)法穿過(guò)（例如冰箱的顯示部分在門上，控制部分在其他地方，所以需要用連接線通過(guò)門軸來(lái)連接，但門軸的孔很小，不方便穿過(guò)，且線較粗容易與門軸摩擦導(dǎo)致異常），以及一些線控類產(chǎn)品，涉及到上下位機(jī)通訊的都可以應(yīng)用。

為了解決上述問(wèn)題或是缺陷引出單線通訊解決方案。

3.2單線通訊的完整技術(shù)方案

此技術(shù)方案主要包括上下位對(duì)應(yīng)的電路，對(duì)于上位機(jī)部分：根據(jù)電器的上下位機(jī)的遠(yuǎn)近來(lái)選擇合適的電源，連接線越長(zhǎng)就用電壓比較高點(diǎn)的，本文因?yàn)檫B接線達(dá)幾米所以選用12V，這樣就是考慮連接線的一些阻抗，確保通訊能得到可靠的高低電平信號(hào)，三極管TR102，TR103，R122，R121以及12V電源組成恒流源，電流的大小由R122的參數(shù)來(lái)定，在本技術(shù)分析報(bào)告里的電流大小約為10毫安：（0.6/62=0.0096A，0.6V為三極管的Vbe），R112，R124，C108，TR104組成發(fā)送電路，R110，R111，R109，D106組成接收電路，TR102，TR103三極管的基極可以各接一個(gè)10歐的電阻，以構(gòu)成偏置和限流電路。上下位機(jī)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)線就是電源線，其跟GND一起給下位機(jī)提供電源，當(dāng)要通訊是，上下位機(jī)可以分別發(fā)送數(shù)據(jù)給到對(duì)方，但需要分時(shí)，即任何端都是需要在接收完后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，具體需要根據(jù)程序編寫者定義的通訊協(xié)議來(lái)設(shè)定。圖（三）為上位機(jī)的電源和通訊原理圖。

下位機(jī)是由系統(tǒng)工作電源是由D202，R222，ZD201，C201，C202組成，TR201，R216，R212，C205組成發(fā)送電路，R213，R214，R215，D201組成接收電路，下圖（四）為下位機(jī)電源和通訊電路。

3.3此技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)過(guò)程：

3.3.1 恒流源的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

系統(tǒng)一上電，三極管TR103開始導(dǎo)通工作，由于在基極中有電流流動(dòng)，TR103中就會(huì)有集電極電流流過(guò)，發(fā)射極電流流過(guò)R122后在R122兩端會(huì)產(chǎn)生電壓降。當(dāng)R122兩端的電壓降達(dá)到0.6V時(shí)，TR102會(huì)隨之導(dǎo)通，TR102的集電極電流流經(jīng)R121，對(duì)TR103的基極電流形成分流，TR103的基極電流會(huì)隨之減小，集電極電流也隨之減小。因此TR102導(dǎo)通之后會(huì)對(duì)TR103的基極電流產(chǎn)生限制作用，使電路的輸出電流穩(wěn)定于某一個(gè)電流值。恒流電流的大小由R122的電阻值和TR102的Vbe決定。

3.3.2 主從機(jī)的發(fā)送和接收實(shí)現(xiàn)過(guò)程

TX高電平信號(hào)使的三極管TR104導(dǎo)通時(shí)，由于為恒流源電源，所以電源線的電平直接為低（到地），從機(jī)上由于R213，R214都接到地，所以RX通過(guò)電阻R215上讀到為低電平信號(hào)，反之，如果主機(jī)TX端為低電平信號(hào)時(shí)，TR104截止，從機(jī)RX端讀取到高電平信號(hào)（近似11V通過(guò)R213，R214分壓得到4.3V的電平），這樣實(shí)現(xiàn)了主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，只是信號(hào)取反即可。從機(jī)的信號(hào)發(fā)送實(shí)現(xiàn)過(guò)程是，首先在沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，電源直接通過(guò)D202和電阻R222以及穩(wěn)壓管ZD201形成5V芯片工作電壓，二極管D202的作用是在通訊時(shí)實(shí)現(xiàn)隔斷從機(jī)的電源和對(duì)通訊時(shí)進(jìn)行整流，以便給從機(jī)單片機(jī)能正常供電。從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程跟主機(jī)一樣，也是TX為高電平時(shí)TR201導(dǎo)通，集電極到地，主機(jī)的RX端讀到低電平信號(hào)，反之，讀到高電平信號(hào)。重要一點(diǎn)就是通訊協(xié)議的1和0需要定義為高低脈沖型號(hào)，以確保在通訊時(shí)實(shí)現(xiàn)邊傳輸數(shù)據(jù)邊給從機(jī)提供電源。

四、結(jié)束語(yǔ)：

通常控制器都需要電源，所以都需要兩根線，即VCC和GND，或是交流的L/N輸入通過(guò)轉(zhuǎn)換得到系統(tǒng)工作的電源，所以系統(tǒng)要工作就必須有電源，本技術(shù)方案就是利用電源線的VCC線來(lái)復(fù)用，這樣可以節(jié)省上下位機(jī)之間的通訊線。

由于只有兩根線，所以對(duì)于一些布線緊湊的控制系統(tǒng)可以節(jié)省空間，尤其是對(duì)于一些上下位機(jī)需要通過(guò)穿過(guò)門軸連接的電器，由于線少，所占空間小，減少了線與門軸之間的接觸和摩擦，提升了電器的可靠性。

本技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利，并取得國(guó)家發(fā)明專利證書，并已經(jīng)用于公司產(chǎn)品上，已經(jīng)批量生產(chǎn)并取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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