[发明专利]一种具有电源传输和数据通信功能的总线系统

说明书

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种能够同时进行数字通信和电源传输的总线系统。

背景技术

在工业控制，智能家居、物联网等应用场合，使用有线通信且距离较远时，为了降低网络的线缆成本，往往需要在一对线缆上，同时进行数据通信和电源传输。IEC61158-2标准就是为了在一对线缆上同时进行数据通信和电源传输而制定的。该标准通过电流源型的电源和负载进行电源的传输；数据通过增量电流的方式，在总线上形成电压脉冲，实现电源传输和数据通信的并发。但是该标准也有明显的缺陷，第一，标准要求通信节点的电流不能突变，导致节点的设计受到限制；第二，该标准不能支持物理层的总线仲裁，在节点数量较多时会导致通信效率下降。

中国发明专利“电源、数据信号、音频模拟信号时分复用的单总线通信系统”（申请号201010125972.5）公开了一种可以同时电源传输、数据通信和语音通信的总线系统，在一对总线上，实现了电源，数据和语音的传输，并且总线接口电路结构简单，成本低廉。但该专利存在以下的缺陷：第一，总线上跨接2个阻抗匹配电阻，当总线工作电压较高时，该电阻会消耗很大的功率，降低了总线供电的效率，限制了总线的工作电压和通信距离； 第二，总线上的通信模块，在通信中会消耗自身存储的电量去驱动总线，驱动功率较大，导致通信模块必须含有大型的储能元件，不利于进一步降低成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种成本低廉，结构简单的电源/通信总线系统，不但能比现有技术实现更远的通信距离，支持更大功率的总线供电，并且还支持物理层的总线仲裁。

本发明所述的总线系统，由一对差分总线、连接在该差分总线上的一个供电模块、以及连接在该差分总线上的的两个或两个以上的通信模块所组成，不包含用于阻抗匹配的终端电阻。

所述的差分总线，包括正和负2根信号线，连接所述的供电模块和通信模块，是电源传输和数据通信的共同媒介。

所述的供电模块，通过差分总线，给总线上的通信模块提供工作电源。

所述的通信模块，从所述的差分总线上取得自身工作所需的电源，并可通过所述的差分总线，彼此之间进行数据通信。

本发明所述的总线系统周期性的工作，一个完整的工作周期可被划分为2个时隙，分别是电源时隙和通信时隙，2个时隙在总线上交替出现。

在电源时隙，供电模块输出差分电压驱动总线，向总线上输出同步信号和电源，并最终将总线驱动为一个高电平；通信模块在电源时隙接收上述的同步信号，并从总线上取得工作电源。

在通信时隙，供电模块放弃对总线的驱动，由作为发送端的通信模块，根据所需发送的数据，选择性的将差分总线的正负信号线短接，使得总线上的差分电压随发送的数据不同而呈现不同的变化。

在通信时隙，作为接收端的通信模块，根据总线上差分电压的变化，恢复出数据，完成数据接收。

上述的电源时隙，进一步被划分为2个阶段，分别是下拉阶段和驱动阶段，其中　　　　在电源时隙的下拉阶段，供电模块短接差分总线的正负信号线，使得差分总线上的差分电压较低；在电源时隙的驱动阶段，供电模块用差分电压驱动所述的差分总线，使得差分总线上差分电压变高。

上述差分电压的变化沿，会被通信模块检测到，并将该边沿作为总线同步信号，用于数据的发送和接收。

通信模块的内部包含储能元件，在电源时隙的驱动阶段，通信模块从总线上取得电源．并存储在内部的储能元件上，作为为自身的工作电源；在此阶段通信模块还能够吸收所述差分总线上的反射电压并存储在内部储能元件上，取得额外的电源供应。

通信模块内部包含一个可控开关，能够将差分总线的正负信号线短接。在通信时隙的起始，由于没有外部驱动，总线电压保持为电源驱动时隙末期的高电压状态。在通信时隙中，作为数据发送端的通信模块，根据所需发送的信息，选择是否短接差分总线，从而使得总线上根据发送信息的不同而呈现不同的差分电压。而作为数据接收端的通信模块，在通信时隙中，能检测上述的差分电压，恢复出发送端所发送的数据。

本发明所述的总线系统支持总线仲裁，允许多个通信模块同时发送数据。当所述总线系统中有一个以上的通信模块同时作为为数据发送端发送不同的数据时，作为发送端的通信模块，在发送的同时，接收差分总线上的数据并跟自身发送出的数据进行对比，当发现上述两个数据不一致时，该通信模块就获取了总线有冲突的信息，并能够通过中止当前发送操作的方法，将总线让给其他通信模块，实现了总线仲裁。