一种能量/信息时分传输的二总线技术研究*

王 斌，赵 云，尹云辉

（嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001）

在楼宇消防、小区安防和环境监控等系统中，由于系统的通信距离较长、节点多，通常采用便于施工布线的二线制电力载波的技术方案[1-3]。在通信距离较长时，线材成本优势明显，但是，通信节点通过耦合电路把数据耦合到传输能量的电力线上，需要复杂的电路及专用信号调制芯片，使得设备制造成本高[4-5]。此外，在这些场合通信数据以控制信息或状态信息为主，信息量相对较少；通信实时性相对弱，时间响应在秒级；监控节点能耗相对较小[6-7]。为此，本文研究了一种结构简单、成本低的低压电力线通信，并应用于类似场合。

1 总线的原理

本文总线系统中的二线分别为P线和C线，P线用于传输能量和信息，C线为电源和信号的参考接地。总线系统的拓扑结构如图1所示。总线系统由通信电源和通信节点组成，通信电源用于提供时分的能量和通信调制电压，并通过P线输出；通信节点并联在总线上，分为主机节点和从机节点，只有主机节点能主动发起通信。

图1 总线系统的拓扑结构

P线上分时进行能量和通信调制电压的传输，周期各为10 ms，波形如图2所示。在能量周期Te，总线提供正弦半波能量；在通信周期Ts，总线提供直流信号，供通信节点进行通信调制。

通信电源是产生P线波形的部件，其原理如图3所示。220 V的市电通过变压器T1转换为低于36 V的安全电压V1。在V1的正半周期，正弦电压从P线出，C线上由D5到V1的负端，从而在P线上产生了以Te周期的能量波形。在V1的负半周期，通过稳压管D2在P线产生一个直流信号，经D4、R1输出。R2为可调电阻，具有吸收回波和调整通信灵敏度的作用，阻值根据节点的数目和通信距离调节。

通信节点具有接收能量和通信数据的功能，原理图如图4所示，其分为电源变换和信号调制两个部分。D1和D6保证能量周期传送能量到节点电源变换部分。C1平波储能，经过LM7805CT稳压芯片输出5 V电压。D11和D12保证通信周期的调制信号与调制部分接通，U3和U4为光耦，起着隔离和调制的作用。发送时，如果TXD为高电平，则U4导通P线和C线之间的电压钳低，U3截止，RXD为高电平；如果 TXD为低电平，则U4截止，P线和 C线之间的电平为高电平，U3导通，RXD为低电平。R6为调节接收灵敏度的电阻。D22为稳压管，具有防反接保护电路的功能。实际运行时P线波形如图5所示。

2 通信协议

在工程应用中，推荐总线使用线径截面积为0.75 mm2的护套2芯线，黑色为C线，另一种颜色为P线。

2.1 数据帧设计

总线设计仅适用于只传送简单的状态和控制信息的场合，通信数据帧规定如表1所示，包含3 B（即24 bit），分别为地址、命令和参数。

表1 数据帧的格式

（1）地址：占 8 bit，0～255，其中 255 代表广播地址，0～15表示 15个主机地址，16～254代表从机地址。

（2）命令：占 4 bit，其中 B8 bit为 1时表示主机发往从机的命令，为0时表示从机回复的命令，其他3 bit命令自定义。当B8为1时，数据帧中的地址指目的地址，当B8为0时，数据帧中的地址表示源地址。

（3）参数：占 12 bit，用户自定义。

调制方式采用 UART调制，1 bit起始位，1 bit停止位，无校验位，比特率为4 800 b/s，这样总线上一个通信周期正好发一个数据帧。

2.2 通信规则

为了保证各节点能够共享通信介质，在通信过程中须遵从以下规则：

（1）应答规则。所有主机节点发送的数据必须有应答帧。一次通信过程需要2个Ts。在一个通信过程内不允许有其他节点发送数据。

（2）目的地址优先规则。发送所有数据必须在Ts开始的时刻发送，当主机节点发送完地址以后，比对自己接收的地址。如果与自己发送的地址相同，则继续发送；如果不同，则等待总线当前应答完毕后再发送。目的地址小的数据帧具有优先级，因此具有冲突总线仲裁机制。

3 应用实例

将该总线应用于小区地下车库自动控制系统中，实现车位引导和车库通风。系统由停车场服务、连接地感线圈、指示灯光和风机控制器组成，拓扑结构如图6所示。

图6中，停车场服务器通过转接器连接到总线，作为总线中唯一的主机。地感线圈传感器和灯光指示器从总线取电，作为总线上的从机不断地应答主机。计算机通过串口和转接模块连接。转接模块基本电路和图4，增加了MAX232电平转换芯片，并且计算机DB9的1脚DCD接图4中的RTX，用于检测Ts周期。上位机采用C++builder6开发，利用MSComm32控件实现通信。采用STC12C5628单片机控制地感线圈和LED灯光指示控制器，采用Keil C51开发。

当有车辆进入地下车库时，服务器根据停车的目标车位规划引导路径，按照几个铺设的关键地感线圈的状态启动附近的LED灯光指示器，引导车辆停车。服务器根据一段时间地感线圈的数据计算该地区的汽车数量，当累计达到一定值时启动该地区的风机进行通风。

本文研究了一种结构简单、成本低的二线制现场总线，适用于消防、安防等特定场合。利用总线分时复用实现了在两根线上分别对能量和信息的传输，大大简化了调制和接收电路。总线仲裁机制较好地解决了冲突问题。但是本系统还存在一些问题，如通信速率低和灵敏度调节繁琐等，需要进一步研究。

[1]张培仁，王洪波，朱东杰.二总线远程直流供电及信号发送接收[J].消防科学与技术，2000（4），42-43.

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