电源、数据信号、音频模拟信号时分复用的单总线通信系统

摘要

本发明公开了一种电源、数据信号、音频模拟信号时分复用的单总线通信系统，包括接在电源/通信总线上的电源模块和至少两个通信模块，电源/通信总线的始端和终端分别跨接一个阻抗匹配电阻，通信模块包括：整流稳压电路、数据信号发送电路、数据信号接收电路、音频模拟信号发送电路、音频模拟信号接收电路和通信控制电路。本发明的总线供电通信系统电路结构简单，大大简化了电路的复杂度并降低了成本。在构成多节点总线通信方式时，支持主从通信和对等通信。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低压直流电源线与数据信号线和音频模拟信号线同时传输的电路，属于通信与现场总线传输技术领域。

背景技术

在工业控制、智能楼宇、设备监控等领域，大量存在将现场分散的检测点和控制点通过总线技术进行连接的需求。目前常用的总线技术有RS485、CAN、ProfiBus等。与集中式星型连线相比，总线方式可大大减少连线的总长度和布线的复杂度。每个总线模块的接口只需两对线：一对电源线和一对数据信号线。在需要语音通信的场合，比如智能楼宇对讲系统，还需要另外一对音频模拟信号线。

为了进一步减少连线，目前也有通过一对线同时传输信号和电源的技术。这些技术一般是采用在电源线上进行载波信号叠加的方法。采用这种方法存在以下缺点：1、成本增加；2、传输距离和速度受到限制；3、总线上节点数受限；4、对电源和接受设备的性能要求增加。因此，设计一种低成本的简单的电源线通信收发电路成为需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种在一对电源/通信总线上能够同时实现电源供应、数据信号传输和音频模拟信号传输的总线通信系统。

一种电源、数据信号、音频模拟信号时分复用的单总线通信系统，包括接在电源/通信总线上的电源模块和至少两个通信模块，电源/通信总线的始端和终端分别跨接一个阻抗匹配电阻(Rz1、Rz2)。

所述的通信模块包括：

整流稳压电路；

数据信号发送电路，用于向电源/通信总线发送数字信号；

数据信号接收电路，用于接收电源/通信总线上的数字信号；

带音频采集装置的音频模拟信号发送电路，用于采集音频信号并发送至电源/通信总线上；

带音频播放装置的音频模拟信号接收电路，用于接收电源/通信总线上的音频信号并进行播放；

通信控制电路，用于根据预定条件向音频模拟信号发送电路和音频模拟信号接收电路发出使能控制信号。

所述的电源/通信总线上的信号具有固定时间间隔的时隙周期，该时隙周期分为电源阶段、数据通信阶段和音频通信阶段，其中：

电源阶段时，电源模块通过通信模块中的整流稳压电路向数据信号发送电路、数据信号接收电路、音频模拟信号发送电路、音频模拟信号接收电路和通信控制电路供电；

数据通信阶段时，数据信号发送电路在通信控制电路的控制下向电源/通信总线发送数字信号，数据信号接收电路将从电源/通信总线上接收的数字信号发送给通信控制电路；

音频模拟信号发送电路和音频模拟信号接收电路在音频通信阶段时发送、接收音频信号。

所述的电源模块包括功率开关电路和开关控制电路，功率开关电路的输入端与直流电源相连，输出端接电源/通信总线，开关控制电路与功率开关电路相连用于向功率开关电路中的功率开关提供控制信号。

所述的电源/通信总线分别与整流稳压电路的输入端、数据信号接收电路的输入端、音频模拟信号接收电路的输入端、数据信号发送电路的输出端以及音频模拟信号发送电路的输出端相连；

所述的数据信号接收电路的数字信号输出端与通信控制电路的数字信号接收端相连；

所述的音频模拟信号发送电路和音频模拟信号接收电路的使能控制信号输入端均与通信控制电路的使能控制信号输出端相连；

所述的整流稳压电路的输出端与数据信号发送电路、数据信号接收电路、音频模拟信号发送电路、音频模拟信号接收电路和通信控制电路的电源输入端相连。

音频模拟信号发送电路包括输入放大电路、抗混叠低通滤波器、输出电路、输出电阻和使能控制电路；

输入放大电路的输入端与音频采集装置相连，输入放大电路的输出端与抗混叠低通滤波器的输入端相连，抗混叠低通滤波器的输出端与输出电路的输入端相连，输出电路的输出端经过一个输出电阻与电源/通信总线相连，使能控制电路的电源输入端与整流稳压电路的输出端相连，使能控制电路的电源输出端分别为输入放大电路、抗混叠低通滤波器和输出电路提供电源；

使能控制电路的使能控制信号输入端与通信控制电路的使能控制信号输出端相连。

所述的音频模拟信号接收电路包括输入跟随电路、消侧音电路、采样保持电路、低通滤波器、音频功率放大电路和使能控制电路；

输入跟随电路的输入端与电源/通信总线相连，输入跟随电路的输出端和消侧音电路的输入端相连，消侧音电路的输出端与采样保持电路的输入端相连，采样保持电路的输出端与低通滤波器的输入端相连，低通滤波器的输出端与音频功率放大电路的输入端相连，音频功率放大电路的输出端与音频播放装置相连；

使能控制电路的电源输出端分别为输入跟随电路、消侧音电路、采样保持电路、低通滤波器和音频功率放大电路提供电源；

采样保持电路的采样保持控制信号输入端与通信控制电路的采样保持信号输出端相连。

所述的音频模拟信号发送电路中的抗混叠低通滤波器的输出端和音频模拟信号接收电路中的消侧音电路的消侧音信号输入端相连。

所述的阻抗匹配电阻以及所有通信模块的音频模拟信号发送电路的输出电阻具有相同的电阻值，且其电阻值等于电源/通信总线的特征阻抗。

所述的通信模块中的模拟信号发送电路和模拟信号接收电路受到通信控制电路的使能控制引脚的控制，未被使能时，音频模拟信号发送电路和音频模拟信号接收电路功耗为零，与电源/通信总线断开。

本发明所述的音频模拟信号发送电路和音频模拟信号接收电路中的使能控制电路，可以是分别设置的，也可以共用一个使能控制电路，当共用一个使能控制电路时，使能控制电路的使能控制信号输入端与通信控制电路的使能控制信号输出端相连就可以了，当音频模拟信号发送电路和音频模拟信号接收电路分别独立的设置使能控制电路时，音频模拟信号发送电路中的使能控制电路和音频模拟信号接收电路中的使能控制电路需要分别与通信控制电路的使能控制信号输出端相连。

本系统在实现位传输的基础上，定义相应的帧格式，就可实现通信节点间的数据通信。通过设计通信协议，可以协调所有通信模块的工作，保证在任何时刻，电源/通信总线上至多有两个通信模块占用信道并处于通信状态，其他通信模块则处于等待状态。处于等待状态的通信模块的通信控制电路通过使能控制引脚控制其音频模拟信号发送电路与音频模拟信号接收电路不工作，处于掉电状态，在电源/通信总线上呈现高阻态，不会对正在通信的通信模块造成影响。

本发明的总线供电通信系统电路结构简单，大大简化了电路的复杂度并降低了成本。在构成多节点总线通信方式时，支持主从通信和对等通信。

附图说明

图1是电源、数据信号、音频模拟信号时分复用的单总线通信系统的构成框图；

图2是电源模块的构成框图；

图3是通信模块的构成框图；

图4是音频模拟信号发送电路的构成框图；

图5是音频模拟信号接收电路的构成框图；

图6是一种具体的电源模块的电路实例；

图7是一种具体的通信模块的数据信号发送电路、数据信号接收电路、整流稳压电路和通信控制电路的实例；

图8是一种具体的音频模拟信号发送电路的实例；

图9是一种具体的音频模拟信号接收电路的实例；

图10是总线上若干个时隙周期的电压波形的示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明电源、数据信号、音频模拟信号时分复用的单总线通信系统，包括接在电源/通信总线上的电源模块1和至少两个通信模块2，电源/通信总线的始端和终端分别跨接一个阻抗匹配电阻(电阻Rz1和电阻Rz2)。

电源模块1如图2所示，包括功率开关电路3和开关控制电路4，功率开关电路3的输入端与直流电源相连，输出端接电源/通信总线，开关控制电路4与功率开关电路3相连用于向功率开关电路3中的功率开关提供控制信号。

通信模块2如图3所示，包括：

整流稳压电路5；

数据信号发送电路6，用于向电源/通信总线发送数字信号；

数据信号接收电路7，用于接收电源/通信总线上的数字信号；

带音频采集装置11的音频模拟信号发送电路8，用于采集音频信号并发送至电源/通信总线上；

带音频播放装置12的音频模拟信号接收电路9，用于接收电源/通信总线上的音频信号并进行播放；

通信控制电路10，用于根据预定条件向音频模拟信号发送电路8和音频模拟信号接收电路9发出使能控制信号。

电源/通信总线分别与整流稳压电路5的输入端、数据信号接收电路7的输入端、音频模拟信号接收电路9的输入端、数据信号发送电路6的输出端以及音频模拟信号发送电路8的输出端相连；

数据信号接收电路7的数字信号输出端与通信控制电路10的数字信号接收端相连；

音频模拟信号发送电路8和音频模拟信号接收电路9的使能控制信号输入端均与通信控制电路10的使能控制信号输出端相连；

整流稳压电路5的输出端与数据信号发送电路6、数据信号接收电路7、音频模拟信号发送电路8、音频模拟信号接收电路9和通信控制电路10的电源输入端相连。

音频模拟信号发送电路8如图4所示，包括输入放大电路13、抗混叠低通滤波器14、输出电路15、输出电阻(Rs)和使能控制电路16；

输入放大电路13的输入端与音频采集装置11相连，输入放大电路13的输出端与抗混叠低通滤波器14的输入端相连，抗混叠低通滤波器14的输出端与输出电路15的输入端相连，输出电路15的输出端经过一个输出电阻(Rs)与电源/通信总线相连，使能控制电路16的电源输入端与整流稳压电路5的输出端相连，使能控制电路16的电源输出端分别为输入放大电路13、抗混叠低通滤波器14和输出电路15提供电源；

使能控制电路16的使能控制信号输入端与通信控制电路10的使能控制信号输出端相连。

音频模拟信号接收电路9如图5所示，包括输入跟随电路17、消侧音电路18、采样保持电路19、低通滤波器20、音频功率放大电路21和使能控制电路16；

输入跟随电路17的输入端与电源/通信总线相连，输入跟随电路17的输出端和消侧音电路18的输入端相连，消侧音电路18的输出端与采样保持电路19的输入端相连，采样保持电路19的输出端与低通滤波器20的输入端相连，低通滤波器20的输出端与音频功率放大电路21的输入端相连，音频功率放大电路21的输出端与音频播放装置12相连；

使能控制电路16的电源输出端分别为输入跟随电路17、消侧音电路18、采样保持电路19、低通滤波器20和音频功率放大电路21提供电源；

采样保持电路19的采样保持控制信号输入端与通信控制电路10的采样保持信号输出端相连。

所述的音频模拟信号发送电路8中的抗混叠低通滤波器14的输出端和音频模拟信号接收电路9中的消侧音电路18的消侧音信号输入端相连。

阻抗匹配电阻Rz1、阻抗匹配电阻Rz2以及所有通信模块2的音频模拟信号发送电路8的输出电阻Rs具有相同的电阻值，且其电阻值等于电源/通信总线的特征阻抗。

通信模块2中的模拟信号发送电路8和模拟信号接收电路9受到通信控制电路10的使能控制引脚的控制，未被使能时，音频模拟信号发送电路8和音频模拟信号接收电路9功耗为零，与电源/通信总线断开。

电源/通信总线上的信号具有固定时间间隔的时隙周期，该时隙周期分为电源阶段T1、数据通信阶段T2和音频通信阶段T3，其中：

电源阶段T1时，电源模块1通过通信模块2中的整流稳压电路5向数据信号发送电路6、数据信号接收电路7、音频模拟信号发送电路8、音频模拟信号接收电路9和通信控制电路10供电；

数据通信阶段T2时，数据信号发送电路6在通信控制电路10的控制下向电源/通信总线发送数字信号，数据信号接收电路7将从电源/通信总线上接收的数字信号发送给通信控制电路10；

音频模拟信号发送电路8和音频模拟信号接收电路9在音频通信阶段T3时发送、接收音频信号。

图10给出了电源/通信总线上电压波形的示意图。

图6是一种具体的电源模块1的电路实例，功率MOS管Q1是功率开关，三极管Q2和上拉电阻R1以及MCU或FPGA、CPLD等硬件逻辑电路构成开关控制电路，对功率MOS管Q1的开通和关断进行控制。在电源阶段T1，三极管Q2的基级控制信号为高电平时，三极管Q2导通，功率MOS管Q1随之导通，电源模块输出正电压到电源/通信总线，为通信模块2供电；在数据通信阶段T2和音频通信阶段T3，三极管Q2的基级控制信号为低电平，三极管Q2关断，功率MOS管Q1随之关断，电源模块关断输出，对电源/通信总线呈现高阻态，为通信模块2进行通信让渡出信道。功率MOS管Q1也可为IGBT、GTR等其他功率半导体开关器件。

图7是一种具体的通信模块2的数据信号发送电路8、数据信号接收电路9、整流稳压电路5和通信控制电路10的实例。二极管D1和电容C1构成整流电路，将电源/通信总线上的脉冲电压整流成基本稳定的直流电压，第一稳压芯片和第二稳压芯片向具有不同电压需求的模拟和数字电路提供稳定的两路直流电源。三极管Q3和三极管Q4构成数据信号发送电路。在数据通信阶段T2，数据发送电路的数据发送引脚通过三极管Q4控制三极管Q3的导通和关断，当三极管Q3导通时，总线上呈现高电平，发送数据“0”；当三极管Q3关断时，总线上呈现低电平，发送数据“1”。当处于电源阶段T1或音频通信阶段T3时，三极管Q3也处于关断状态，不会干扰供电和音频通信。数据信号接收电路为一个由比较器芯片组成的单端比较电路，对总线上的电平是否超过阈值Vref进行判断，如果超过阈值Vref，则认为总线上正在发送数据“0”，反之认为发送数据“1”。通信控制电路可以由一片MCU编程实现，也可为FPGA、CPLD等硬件逻辑电路。

图8是一种具体的音频模拟信号发送电路8的实例。运算放大器U8及其周围的电阻构成反相放大电路，对麦克风输入的音频电压信号进行放大，C6是隔直电容。运算放大器U7及其周围的电阻电容构成多路反馈二阶低通滤波电路。运算放大器U6及其周围的电阻R5、R4，二极管D2和三极管Q5构成输出电路，当电源/通信总线处于电源阶段T1时或者处于数据通信阶段T2且某个通信模块在总线上输出高电平时，二极管D2自动截止(这是因为电源电压高于运算放大器的最大输出电压)；当电源通信总线处于数据通信阶段T2且电源/通信总线上没有通信模块输出电压时，二极管D2导通，总线上出现一定电压，为避免此时对总线上的数据通信造成干扰，可对数据接收电路设置较高的阈值Vref，使总线上的数据位“1”不会被误判为“0”；当总线处于音频通信阶段T3，二极管D2自动导通，将音频电压信号输出到总线上。上述分析表明本电路通过二极管D2的自动导通或截止，实现了音频通信与电源供电和数据通信互不影响。MID是运算放大器供电电源电压的二分之一，是单电源供电下运算放大器组成的模拟电路的参考零点，可由两等值电阻将运算放大器供电电源分压得到。三极管Q6、三极管Q7和电阻R11构成使能控制电路，控制音频模拟信号发送电路是否工作，当通信控制电路的使能控制引脚为高电平时，三极管Q7、三极管Q6导通，电路上电；当通信控制电路的使能控制引脚为低电平时，三极管Q7、三极管Q6截止，电路处于掉电状态，且由于二极管D2的单向导电性，此时音频模拟信号发送电路在总线上呈现高阻态。

图9是一种具体的音频模拟信号接收电路9的实例。运算放大器U9构成跟随器，使得音频模拟信号接收电路在总线上呈现高阻态，不影响通信。运算放大器U10及其周围电阻构成反相加法器，由于音频模拟信号发送电路传送来的消侧音信号与其输出到总线的信号正好反相，因此将总线上的信号与消侧音信号相加后即可消去侧音得到有用的信号。采样保持芯片U11及其周围电阻电容构成采样保持电路，在通信控制电路采样保持引脚的控制下对运算放大器U10的输出采样。运算放大器U12及其周围电阻电容构成多路反馈二阶低通滤波器，将运算放大器U10输出的采样保持后的阶梯形信号复原为音频信号。二极管D3、二极管D4、三极管Q8和三极管Q9构成推挽式功率输出电路，经隔直电容C8输出到扬声器，转换成声音。使能控制电路与图8所示的音频模拟信号接收电路共用。

通过设计通信协议，保证任何时刻最多有两个通信模块2处于通信状态，可以互相发送音频和数据信号，其中音频信号通信以全双工方式进行，而数据信号通信以半双工方式进行。由通信协议规定的未处于通信状态的通信模块2必须处于待机状态，由其通信控制电路将其音频模拟信号发送电路8和音频模拟信号接受电路9取消使能，并使其数据发送电路的三极管Q3处于关闭状态。处于待机状态的通信模块不会对总线上的通信造成干扰，并且功耗很小。各通信模块何时可以占用总线(即处于通信状态)，何时必需让出总线(即处于待机状态)皆由通信协议协调，通信协议可以由软件编程实现，也可通过逻辑电路固化在硬件中。本系统支持主从式通信和对等通信。