Способ передачи и приема информации по двухпроводной линии

 

Изобретение относится к телемеханике, телеизмерениям и телеуправлению и может быть использовано в управляющих и информационно-измерительных системах для организации мультиплексных моноканалов с совмещенной передачей информации и энергии питания оконечным устройствам. Технический результат заключается в повышении надежности синхронизации, помехоустойчивости и энергетической эффективности двустороннего обмена с совмещенной передачей данных и энергии питания по двухпроводным линиям с гальванической развязкой оконечных устройств от линии. Особенность способа заключается в том, что передачу информации в прямом направлении, энергии питания оконечным устройствам и синхронизацию обмена проводят двухполярными импульсами напряжения, имеющими перепады уровней, кодирование информации в прямом направлении производят комбинацией уровней и знаков их перепадов, а передачу информации в обратном направлении производят модуляцией тока в линии при низких уровнях напряжений в линии, формируемых при передаче информации в прямом направлении. 4 ил.

Изобретение относится к телемеханике, телеизмерениям и телеуправлению и может быть использовано в управляющих и информационно-измерительных системах для организации мультиплексных моноканалов с совмещенной передачей информации и энергии питания оконечным устройствам.

Известен способ двустороннего обмена по двухпроводной линии с одновременной передачей энергии питания оконечному устройству, реализованный в устройстве (А. с. СССР 1534483, кл. G 08 C 19/16, заявл. 02.02.88, опубл. 07.01.90) и основанный на передаче питания импульсами напряжения прямоугольной формы, являющихся одновременно сигналом синхронизации для оконечного устройства, формировании сигналов передаваемой информации в прямом направлении в первую половину бестоковой паузы импульсов напряжения питания в виде присутствия или отсутствия напряжения на линии и формировании сигналов в виде присутствия или отсутствия тока в линии при передаче информации в обратном направлении во второй половине бестоковой паузы импульсов напряжения питания.

Недостатками такого способа обмена является низкая помехоустойчивость, плохие энергетические показатели, ограничивающие потребляемую мощность оконечного устройства, отсутствие гальванической развязки от линии и сложность организации обмена при подключении к линии нескольких оконечных устройств.

Известен также способ двустороннего обмена по двухпроводной линии с одновременной передачей энергии питания к оконечным устройствам, реализованный в устройстве (Патент США 4945353, кл. H 04 Q 9/00, 31.07.1990), и основанный на передаче энергии питания постоянным напряжением, формировании сигналов при передаче в прямом направлении в виде отсутствия питания в линии, задании адреса оконечного устройства количеством передаваемых импульсов и формировании окна в виде снижения напряжения на линии для передачи информации в обратном направлении путем формирования токового импульса в линии.

Недостатком такого способа обмена являются невозможность синхронной работы системы, низкая помехоустойчивость, отсутствие гальванической развязки, прекращение обмена в прямом направлении при формировании окна и возможность передачи в обратном направлении, характеризующих только позиционное состояние датчиков оконечных устройств. Следует отметить также ограниченные возможности при передаче в прямом направлении по виду передаваемой информации, т. к. передается только адресная и (с ограничениями) управляющая информация. Указанные недостатки существенно ограничивают область применения устройств, реализующих данный способ обмена.

Цель изобретения - повышение надежности синхронизации, помехоустойчивости и энергетической эффективности двустороннего обмена с совмещенной передачей данных и энергии питания по двухпроводным линиям с гальванической развязкой оконечных устройств от линии.

Поставленная цель достигается тем, что в способе двухстороннего обмена с передачей энергии питания оконечным устройствам по двухпроводной линии, основанном на передаче в прямом направлении путем изменения уровней напряжения в линии, а в обратном направлении путем формирования окна в виде пониженного напряжения в линии, передачу информации в прямом направлении, энергии питания оконечным устройствам и синхронизацию обмена производят двухполярными импульсами напряжения, имеющими перепады уровней, кодирование информации в прямом направлении производят комбинацией уровней и знаков их перепадов, а передачу информации в обратном направлении производят модуляцией тока в линии при низких уровнях напряжений в линии, формируемых при передаче информации в прямом направлении.

Временные диаграммы сигналов в линии, поясняющие предложенный способ обмена, приведены на фиг. 1. Основные правила кодирования в виде временных диаграмм напряжения в линии приведены на фиг. 1, а, передача в обратном направлении с использованием различных способов пояснена на фиг. 1, б, в. На фиг. 2 приведена общая схема реализации способа двустороннего обмена. На фиг. 3 представлена схема контроллера канала, на фиг.4 схема оконечного устройства.

Формирование сигнала при передаче информации в прямом направлении производят с использованием пяти уровней напряжения U₁, U₂, O, -U₁ и -U₂. Кодирование данных производят перепадами уровней следующих типов: П_1-2 - перепад от U₁ к U₂; -П_1-2 - от -U₁ к -U₃; П_2-1 - от U₂ к U₁; -П_2-1 - от -U₂ к -U₁.

Для устранения постоянной составляющей в посылке произвольного типа двоичное кодирование осуществляют по определенным правилам.

Кодирование "0" осуществляют перепадами П_1-2 или -П_1-2, а кодирование "1" перепадами П_2-1 или - П_2-1. То есть цикл передачи одного бита длительностью T_ц содержит два такта с равными длительностями T₁ + T₂ - T_ц с формированием перепада посредине цикла. Так как одно и тоже логическое состояние бита может быть закодировано перепадами двух типов, то вводят условное кодирование по следующему правилу.

Кодирование "0" производят перепадом П_1-2, если в предыдущем цикле были переданы "1" перепадом - П_2-1 или "0" перепадом -П_1-2, или перепадом -П_1-2, если в предыдущем цикле были переданы "0" перепадом П_1-2 или "1" перепадом П_2-1. Кодирование "1" производят перепадом П_2-1 или "0" перепадом -П_1-2, или перепадом -П_2-1, если в предыдущем цикле были переданы "1" перепадом П_2-1 или "0" перепадом П_1-2.

Описанные правила кодирования пояснены на фиг. 1, а. Использование пяти уровней напряжения для кодирования сигналов позволяет сформировать и другие формы сигналов. Эти сигналы целесообразно использовать для кодирования набора команд управления, служебной информации передаваемой к оконечным устройствам, а также заполнения пауз между передачами в прямом направлении для передачи энергии питания.

Передачу информации в обратном направлении осуществляют в тех тактах, при которых в линии действуют низкие уровни напряжения U₂ или -U₂. При этом возможно три варианта кодирования информации: - кодирование уровнями тока (фиг. 1, б) - например, при высоком уровне токе передается логическая "1", а при низком - логический "0"; - кодирование перепадами уровней тока (фиг. 1, в) - кодирование информации производят аналогично кодированию при прямой передаче; - кодирование модуляцией какого-либо параметра несущего токового сигнала.

Предложенный способ двустороннего обмена обеспечивает высокую надежность синхронизации обмена, которую производят по перепадам напряжения в линии при передаче каждого символа, и возможность гальванической развязки оконечных устройств от линии на основе трансформаторов. За счет введения избыточности по количеству уровней сигнала появляется возможность передачи энергии питания, управления режимами работы оконечных устройств и передачи ряда команд управления и служебной информации без формирования специальных кодовых слов.

На фиг. 2 изображена общая схема реализации способа двустороннего обмена. Схема содержит контроллер канала 1, оконечные устройства 2₁ ... 2_N, линию связи 3 и согласующее устройство 4. На фиг. 3 и 4 показаны примеры построения контроллера канала и оконечного устройства для реализации предложенного способа обмена.

Контроллер канала 1 содержит контроллер 5, генератор 6 тактовых импульсов, передатчик, содержащий кодирующее устройство 7, формирующее устройство 8 и трансформатор 9, приемник, содержащий декодирующее устройство 10 и приемное устройство 11.

Оконечное устройство содержит трансформатор 12, выпрямитель 13, фильтрующий конденсатор 14, стабилизатор 15 напряжения, детектор 16 уровней, дешифратор 17 символов, формирователь 18 синхросигналов, дешифратор 19 типа информации, дешифратор 20 данных, дешифратор 21 команд, дешифратор 22 адреса, схему 23 управления функциональный блок 24, модулятор 25 и кодирующее устройство 26.

Способ осуществляют следующим образом.

В начале работы контроллер 5 формирует служебную кодовую последовательность, которая кодируется в кодирующем устройстве 7 синхронно с тактовыми импульсами, поступающими с генератора 6 тактовых импульсов. С выхода кодирующего устройства 7 сигнал подают на формирующее устройство 8, которое формирует передаваемые через трансформатор 9 в линию символы в виде двухполярных импульсов напряжений с перепадами уровней. Эти импульсы принимаются оконечными устройствами через трансформатор 12. После выпрямления в выпрямителе 13 эти импульсы заряжают конденсатор 14 до необходимого для работы узлов оконечного устройства напряжения. После установления на выходе стабилизатора 15 напряжения необходимого напряжения питания оконечное устройство готово к обмену. При дальнейшей работе энергия питания оконечного устройства поддерживается за счет заряда конденсатора 14 от импульсов напряжения в линии при передаче информационных символов или служебных символов в паузах между передачами от контроллера канала.

В режиме прямой передачи от контроллера канала способ реализуют следующим образом. Передаваемая информация из контроллера 1 после кодирования и формирования в передатчике передается в линию в виде двухполярных импульсов с перепадами напряжений (см. фиг. 1, а). Сигнал с линии поступает в оконечное устройство через трансформатор 12. С выхода трансформатора сигнал подается на детектор 16 уровней и формирователь 18 синхросигналов. В детекторе 18 производится определение уровня сигнала в линии в каждом такте передачи. Формирователь 18 выделяет из сигнала в линии перепады напряжений и формирует синхросигналы, которые используются как для синхронизации приема информации из линии, так и для синхронизации передачи информации в линию. Сигналы с выхода детектора 16 после дешифрации в дешифраторе 17 символов подают в виде цифрового кода на дешифраторы 19 .... 22. В зависимости от типа принятой информации, который определяется дешифратором 19 типа информации, производится дешифрация адреса оконечного устройства в дешифраторе 22 адреса данных в дешифраторе 20 данных или команд в дешифраторе 21 команд. При совпадении адреса оконечного устройства с переданным контроллером канала адресом схема 23 управления формирует сигнал разрешения приема, которым разрешается прием данных функциональным блоком 24.

В режиме обратной передачи от оконечного устройства к контроллеру канала способ реализуют следующим образом.

Передача может быть инициализирована как контроллером канала, так и любым оконечным устройством. В первом случае контроллер канала передает адрес оконечного устройства, после дешифрации которого схема 23 управления разрешает передачу данных из функционального блока 24. Во втором случае функциональный блок 24 формирует сигнал запроса, под действием которого схема 23 управления формирует запрос на обмен, передаваемый контроллеру канала. Приняв такой сигнал, контроллер канала определяет номер оконечного устройства, от которого пришел запрос на обмен, и передает в линию адрес этого оконечного устройства.

При передаче информации от оконечного устройства передача в прямом направлении от контроллера канала не прекращается. В это время контроллер канала может передавать информацию другим оконечным устройствам или служебные символы. При этом передачу от оконечного устройства производят в тех тактах передачи символов в прямом направлении, при которых в линии действуют пониженные уровни напряжений U₂ или -U₂ (см. фиг. 1). При действии пониженных уровней напряжения прекращается заряд конденсатора 14 и оконечные устройства не потребляют энергию из линии, т.е. находятся в отключенном от линии состоянии. Передаваемая информация поступает на кодирующее устройство 26, работающее под управлением сигналов с выходом детектора 16 уровней и формирователя 18 синхросигналов. С выхода кодирующего устройства 26 сигнал подается на модулятор 25, который модулирует уровни тока в линии, одним из вышеописанных способов. В контроллере канала прием информации из линии осуществляется приемником. Приемное устройство 11 преобразует изменяющийся в линии ток в сигнал, удобный для дальнейшего декодирования в декодирующем устройстве 10, с выхода которого цифровой код поступает на контроллер 5.

Существенными достоинствами предложенного способа обмена является посимвольная синхронизация обмена и возможность посимвольного контроля правильности принимаемой информации.

Предложенный способ обмена был реализован и испытан. При длине линии связи 600 м скорость обмена составила 15 Кбит/с. К линии подключались оконечные устройства с суммарной потребляемой мощностью 2 Вт.

Результаты цифрового моделирования показали, что реализация канала по предложенному способу позволяет достигнуть технические характеристики в соответствии с требованиями на каналы передачи информации проекта стандарта Международной Электротехнической Комиссии (группа SC65C WG7) на информационные сети типа FIELDBUS класса H1.

Формула изобретения

Способ двухсторонней передачи информации с одновременной передачей энергии питания по двухпроводной линии, основанной на передаче энергии питания импульсами напряжения и формировании информации в прямом направлении изменением уровня импульсов напряжения в линии, а в обратном направлении - путем изменения уровня тока, отличающийся тем, что передачу информации в прямом направлении производят двухполярными импульсами напряжения, имеющими нулевое среднее значение за два передаваемых цикла, что обеспечивает гальваническую развязку оконечных устройств от линии при помощи трансформаторов, при этом кодирование информации в прямом направлении производят комбинацией уровней - нулевого и двухполярных низкого и высокого, формирующих из этих уровней набор информационных и служебных символов, при этом высокий уровень обеспечивает передачу энергии питания, при действии низкого уровня осуществляют передачу в обратном направлении, а синхронизацию обмена осуществляют перепадами напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4