一种环路通信总线、自动编址及广播通信方法转让专利
申请号 : CN201910953894.9
文献号 : CN110535741B
文献日 : 2021-08-13
发明人 : 雷雨田 , 刘旭超
申请人 : 陕西菲拉姆消防科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种FIRAMBUS环路通信总线,其特征在于:包括环路卡和多个现场单元,所述环路卡与多个现场单元依次串联形成环形信道,环形信道包括正极信号线及负极信号线;
所述环路卡包括CPU、码型控制电路、首端控制电路、末端控制电路及电流采样电路;
所述首端控制电路及末端控制电路分别设有两个控制开关,所述码型控制电路通过正极信号线分别与首端控制电路及末端控制电路的其中一个控制开关连接,以从首端控制电路及末端控制电路向环形信道上供应电源;所述电流采样电路通过负极信号线分别与环路卡的CPU及首端控制电路及末端控制电路的另一个控制开关连接;所述环路卡的电流采样电路用于检测环形信道上是否及时返回应答帧信息;
所述现场单元包括窃电电路、电平采样电路、电流采样电路、CPU、电流码控制电路、EEPROM、探测电路以及控制电路;
所述环路卡的首端控制电路的正极输出端分别与电流码控制电路、电平采样电路连接;所述环路卡的首端控制电路的接地端分别与电流码控制电路、现场单元的电流采样电路连接;所述现场单元的CPU分别与电平采样电路、电流码控制电路、现场单元的电流采样电路、控制电路、探测电路及EEPROM连接;所述电平采样电路以及现场单元的电流采样电路用于环形信道中信息的识别。
2.如权利要求1所述的FIRAMBUS环路通信总线,其特征在于:所述FIRAMBUS环路通信总线在没有数字信号发出时,所述码型控制电路从首端或末端向环路信道上供应电源;在有数字信号要发送时,发送完一帧信息后,环路卡再向环路信道上供应电源,并用现场单元的电流采样电路检测环形信道上是否及时返回应答帧信息。
3.如权利要求1所述的FIRAMBUS环路通信总线,其特征在于:所述窃电电路从环形信道上窃取电源储存并转换为现场单元的工作电源;探测电路将传感元件的模拟信号发送至现场单元的CPU,CPU对模拟信号进行A/D转换;环形信道上的帧信息经电平采样电路和现场单元的电流采样电路串行送入现场单元的CPU,CPU根据帧信息中的命令码进行相应的操作;
若帧信息包含地址码,则还需和存于EEPROM中的本机地址码匹配;若接到控制命令,现场单元的CPU通过控制电路完成设备的控制;命令处理完后,现场单元的CPU组织一帧应答信息,通过电流码控制电路串行发向环形信道上。
4.如权利要求1所述的FIRAMBUS环路通信总线,其特征在于:所述环路卡还包括两个滤波器,所述环路卡的滤波器分别设于首端控制电路及末端控制电路之后,以对环路卡的电信号进行滤波。
5.如权利要求1所述的FIRAMBUS环路通信总线,其特征在于:所述现场单元还包括滤波器,所述现场单元的滤波器与环路卡的滤波器的对应连接,以对现场单元的电信号进行滤波。
6.如权利要求1所述的FIRAMBUS环路通信总线,其特征在于:所述码型控制电路从首端控制电路或末端控制电路向信道上供应24V电源。
7.一种FIRAMBUS环路通信总线的编址方法,其特征在于:应用于权利要求1‑6任一项所述的FIRAMBUS环路通信总线,包括以下步骤,S10、按照序列号从大到小的顺序,对现场单元进行登记,并给登记的现场单元赋予一个暂时短地址;
S20、每个现场单元的电流码控制电路逐次给环路通信总线发送一个电流冲击,以使从该节点到控制器首端的最短路径上的所有现场单元都能通过电流采样电路采到这一冲击信号,根据每个现场单元接到冲击信号的个数和冲击之间的相互关系,确定环路通信总线网络节点的拓扑结构;
S30、控制器按照拓扑结构和编址规则给所有现场单元编排新的短地址码以取代暂时短地址码,完成自动编址。
8.如权利要求7所述的FIRAMBUS环路通信总线的编址方法,其特征在于:所述步骤S20具体包括,
S21、控制器按照暂时短地址的顺序,逐次让每个现场单元给发送电流冲击,在每个现场单元中产生一个记忆序列;
S22、控制器按照暂时短地址的顺序,让每个现场单元返回冲击电流的记忆序列,根据每个现场单元接到的电流冲击信号的个数和冲击之间的关系,确定树型拓扑结构;
S23、末端上电,首端断开,让树型拓扑结构的首个现场单元,也就是根节点发送电流冲击信号,判断哪个叶节点收到了电流冲击信号,收到电流冲击信号的叶节点即为环形主干线的末节点,从而找到了环形主干线。
9.如权利要求7所述的FIRAMBUS环路通信总线的编址方法,其特征在于:所述步骤S30具体包括,
S31、控制器按照树型拓扑结构和编址规则给所有现场单元编排新的短地址码,然后按照暂时短地址的顺序,即给每个单元发送新的短地址码,此时,现场单元既有暂时短地址,又有新的短地址码;
S32、给环路通信总线断电,当环路通信总线再次上电时,每个现场单元都用新的短地址码代替暂时短地址码,完成自动编址。
10.一种FIRAMBUS环路通信总线的广播通信方法,其特征在于:应用于权利要求1‑6任一项所述的FIRAMBUS环路通信总线,包括以下步骤,S41、控制器通过环路卡定时向环路通信总线上的现场单元发送询问信号;
S42、每个现场单元在接收到询问信号后,若现场单元有检测到有新情况发生,则发生了新情况的现场单元同时给控制器回复一个高电平信号;
S43、控制器在接收到高电平信号后,通过环路卡向环路通信总线上的所有现场单元发送一个倒计时信号;
S44、发生了新情况的现场单元在接收到倒计时信号后,按照各自预设定的倒计时时间进行倒计时,倒计时结束后向控制器发送一个高电平信号;
S45、控制器在接收到高电平信号后,按照倒计时的时间,确定发生新情况的现场单元的地址;
S46、控制器根据发生新情况的现场单元的地址,向现场单元发送一个情况问询信息;
S47、发生新情况的现场单元根据发生的新情况,向控制器反馈发生的情况信息。
说明书 :
一种环路通信总线、自动编址及广播通信方法
技术领域
背景技术
控制系统之间的信息传递问题。但目前总线技术还有如下缺点:
前面最近一个隔离器跳开,切断该隔离器后面的所有现场单元,只确保其前面的现场单元
继续工作。当总线在某一处断路时,也只有断点前面的现场单元能继续工作。如果短路断路
点靠前,甚至根部故障,保护的现场单元很少甚至不保护。
子编码器这一额外的设备,人工操作完成。这二者都是在现场单元安装之前一个一个单独
手动编址,安装调试人员的手工工作量相当大,容易编错或装错,且一旦错误,则很难找出。
讯的效率。各个厂家为了能够提高通讯效率或满足国家标准,只能一味地提高通信频率。通
信频率越高,信号越容易失真,反而造成通信不可靠。
发明内容
道包括正极信号线及负极信号线;
制电路及末端控制电路向环形信道上供应电源;所述电流采样电路通过负极信号线分别与
环路卡的CPU及首端控制电路及末端控制电路的另一个控制开关连接;所述环路卡的电流
采样电路用于检测环形信道上是否及时返回应答帧信息;
电路连接;所述现场单元的CPU分别与电平采样电路、电流码控制电路、现场单元的电流采
样电路、控制电路、探测电路及EEPROM连接;所述电平采样电路以及现场单元的电流采样电
路用于环形信道中信息的识别。
卡再向环路信道上供应电源,并用现场单元的电流采样电路检测环形信道上是否及时返回
应答帧信息。
环形信道上的帧信息经电平采样电路和现场单元的电流采样电路串行送入现场单元的
CPU,CPU根据帧信息中的命令码进行相应的操作;若帧信息包含地址码,则还需和存于
EEPROM中的本机地址码匹配;若接到控制命令,现场单元的CPU通过控制电路完成设备的控
制;命令处理完后,现场单元的CPU组织一帧应答信息,通过电流码控制电路串行发向环形
信道上。
冲击信号,根据每个现场单元接到冲击信号的个数和冲击之间的相互关系,确定环路通信
总线网络节点的拓扑结构;
主干线的末节点,从而找到了环形主干线。
址,又有新的短地址码;
常工作,提高通信总线的稳定性;通过电流采样电路及电平采样电路,能够实现全自动拓扑
编址,现场接线顺序一目了然,大大地减少了安装调试人员的工作量,提高了安装调试人员
的工作效率;通过广播通信,大大地提高了通信的效率,可使现场单元或设备做出快速的报
警或响应。
附图说明
具体实施方式
信号线及负极信号线;
制电路及末端控制电路向环形信道上供应电源;所述电流采样电路通过负极信号线分别与
环路卡的CPU及首端控制电路及末端控制电路的另一个控制开关连接;所述环路卡的电流
采样电路用于检测环形信道上是否及时返回应答帧信息;
电路连接;所述现场单元的CPU分别与电平采样电路、电流码控制电路、现场单元的电流采
样电路、控制电路、探测电路及EEPROM连接;所述电平采样电路以及现场单元的电流采样电
路用于环形信道中信息的识别。
卡再向环路信道上供应电源,并用现场单元的电流采样电路检测环形信道上是否及时返回
应答帧信息。
环形信道上的帧信息经电平采样电路和现场单元的电流采样电路串行送入现场单元的
CPU,CPU根据帧信息中的命令码进行相应的操作;若帧信息包含地址码,则还需和存于
EEPROM中的本机地址码匹配;若接到控制命令,现场单元的CPU通过控制电路完成设备的控
制;命令处理完后,现场单元的CPU组织一帧应答信息,通过电流码控制电路串行发向环形
信道上。
高通信总线的稳定性。
码构成一帧信息,控制码型控制电路将其串行发向信道上,信道上二进制码的脉冲高电平
为24V,低电平为9V,帧同步电平为0V。发送完一帧信息后,环路卡再向信道上供应24V,并用
电流采样电路检测信道上是否及时返回应答帧信息。若正确返回,则本次通信完成,否则通
信失败。
的帧信息经电平采样和电流采样电路,串行送入CPU,CPU根据帧信息中的命令码进行不同
的操作。若帧信息包含地址码,则还需和存于EEPROM中的本机地址码匹配。若接到控制命
令,CPU通过控制电路完成设备的控制。命令处理完后,CPU根据需要,组织一帧应答信息,通
过电流码控制电路串行发向信道上。
极性信号线上采样的,因此,现场单元负极性信号线的接线端子有两个,即入端和出端。正
是由于多了电流采样电路,才使得基于FIRAMBUS的控制系统,具有自动拓扑编址和广播通
信的特点。
冲击信号,根据每个现场单元接到冲击信号的个数和冲击之间的相互关系,确定环路通信
总线网络节点的拓扑结构;
主干线的末节点,从而找到了环形主干线。
址,又有新的短地址码;
率。
形成的一种混合性编码。环路卡发向现场单元的信号采用多电平码;现场单元向环路卡的
应答信号采用电流码。
表二进制码的“0”和“1”。我们将电流信号折射到电压波形上,当有电流冲击时为0V电平,代
表二进制码的“1”;当无电流冲击时为9V电平,代表二进制码的“0”。当环路卡要向现场单元
发送一帧信息时,首先发送T1宽度的0V电平作为帧同步信号,延时T2,发送命令字节CMD,再
延时Tc,发送若干个数据字节DATA1~DATAn。每个数据字节之间同样有Tc的延时间隔。环路
卡发送完一帧信息后,延时T3,发送td宽度的9V电平以启动现场单元返回第一个数据字节
data1,再延时T4,发送td宽度的9V电平以启动现场单元返回第二个数据字节data2,……,
如此反复,直至现场单元所有数据返回完成。所有字节都由8位数据位和1位校验位组成。
击(0V电平);若该位为“0”,则保持tw宽度的9V电平。环路卡若检测到有电流冲击,则延时tw
宽度的9V电平;若未检测到电流冲击,则发送tw宽度的19V电平。对于校验位,若不正确,环
路卡延时tw宽度的9V电平,告诉现场单元通信中途失败,终止本次通信;若正确,则发送tw
宽度的19V电平,告诉现场单元,本字节通信正确。
直至4字节序列号全部通信完成。
收方都能遵守的信息约定。传统型总线的通信协议是一个固定协议,完全取决于编解码芯
片本身。智能型总线和FIRAMBUS的通信属于计算机网络通信,其协议完全由设计者去制定。
答。而FIRAMBUS除了能进行单址通信外,还能进行多址通信,又称广播通信,即在同一时刻
可以有多个网络从节点对网络主节点的询问产生应答。FIRAMBUS将单址通信和广播通信有
机地结合在一起,形成了一种混合通信协议,也即总线上既传送单址通信命令,也传送广播
通信命令。
结构。本文指的是物理配置结构,即指网络节点和传输链路的布局或几何排列,反映了网络
的物理形状和物理上的连接性。FIRAMBUS的网络拓扑结构如图4所示。
线供电,并和现场单元通信。当环形主干线上有短路或断路故障时,控制器从首、末端同时
供电和通信。如果环形主干线上最后一个现场单元不接回控制器的末端,则FIRAMBUS的网
络拓扑结构演化为“串形+分支”结构,即通信主干线为串形,在串形线上可以接分支,实际
上是一种简单的树形结构。
一个网络节点的地址码是“1”;若从后到前编,则最后一个网络节点的地址码是“1”。为了便
于讨论问题,我们要求每种拓扑结构只遵循一种编址规则。
果有分支,环形主干线上出现间断,分支点后,先将分支上的排完,再接着排分支点后主干
线上的。一条分支上的现场单元,也是按照自然数顺序不间断排列。
程称为拓扑识别。
节点间的连接关系。因此,对于FIRAMBUS,拓扑识别就是要确定现场单元间的父子关系。
时,从该节点到控制器首端的最短路径上的所有现场单元都能通过电流采样电路采到这一
冲击信号,而其它现场单元通过电流采样电路都采不到这一冲击信号。采到冲击信号的现
场单元都是该节点的“祖先”,该节点则是“子孙”。系统正是依据每个现场单元接到冲击信
号的个数和相互关系,通过一定的算法来确定环路总线网络节点的父子关系图,即拓扑结
构。
成。此时,所有单元都有一个暂时短地址,而不是一个拓扑地址。暂时短地址按照序列号从
大到小的顺序排列,即序列号最大者暂时短地址为1、次之为2,依次类推。
电流冲击。该过程完成后,每个单元都产生一个记忆序列,记录了其它单元的电流冲击信号
该单元是否收到。
构。
点,从而找到了环形主干线。
时,现场单元既有暂时短地址TSA,又有(拓扑)短地址SA。
没有通信地址;因此,每个现场单元就必须有一个能够唯一代表其自身的标识,暂时利用该
标识来与控制器进行通信,由此引入“序列号”的概念。
信息,又包含了在同类产品中它的生产(或出厂)顺序号,在此我们只关心它的唯一性。假设
一个智能现场单元,其序列号为一个占用4个字节31位的整数代码,即序列号范围为1~
2147483647。该序列号出厂前已固化到智能现场单元的EEPROM中,且单元外壳上也贴有序
列号标签。
对不允许的。基于FIRAMBUS的系统,利用FIRAMBUS的特点,开创了另外一种巧妙的登记方
法,即利用2#命令进行登记。2#命令为读取当前序列号最大的单元序列号并分配暂时短地
址TSA(见表2.1),其通信码型如图3所示。此处介绍如何利用2#命令实现自动登记。
字节位,若该位为“1”,则发tw宽度的电流冲击;若该位为“0”,则不发电流冲击。环路卡若检
测到有电流冲击,则在该位记“1”,并延时tw宽度的9V电平,告诉那些本次发电流冲击的单
元,下一位时继续参与本次登记;同时告诉那些本次未发电流冲击的单元,从此退出本次登
记。环路卡若未检测到电流冲击,则在该位记“0”,并发送tw宽度的19V电平,告诉所有本次
参与登记的单元,下一位时继续参与。对于校验位,若不正确,环路卡延时tw宽度的9V电平,
告诉现场单元通信中途失败,终止本次登记;若正确,则发送tw宽度的19V电平,告诉现场单
元,本字节通信正确。
直至4字节序列号全部通信完成。
逐位记录下来。该单元将本次登记接到的TSA作为其暂时短地址储存下来。
原理,依据“冲击电流记忆序列”找出网络节点间的拓扑关系,完成了拓扑识别。为了便于理
解,我们按照FIRAMBUS的布线规则,任意构造如图7所示的一个网络结构为例,对拓扑识别
的方法和实现过程进行详细的论述。
序列号顺序分配了一个暂时短地址TSA,圆括号中的数字即为TSA。该总线网络的拓扑识别
方法和过程如下:
“1”,表示其为发送电流冲击的那个单元的祖先;未采到冲击信号就记“0”,表示其不是发送
电流冲击的那个单元的祖先。如(12)号单元发电流冲击,则(5)、(10)、(2)和(6)号单元能采
到电流冲击信号,为(12)号的祖先。再如(8)号单元发电流冲击,则(5)、(10)、(2)和(9)号单
元能采到电流冲击信号,为(8)号的祖先。这样,当12个单元全部发完电流冲击后,每个单元
都有一个12位的电流冲击记忆序列,记忆序列按照TSA=1~12的顺序从高到低排列,哪位
为“1”,说明这一位代表的那个单元是该单元的子孙,“1”的个数就是所采集到的电流冲击
数,也即为子孙的个数。表6.1给出本步结束后所有单元的记忆序、冲击总数、及子孙。
(2) 10110111101 9 (1)(3)(4)(6)(7)(8)(9)(11)(12)
(3) 000100000010 2 (4)(11)
(4) 000000000000 0 ‑‑
(5) 111101111111 11 (1)(2)(3)(4)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)
(6) 101100111011 8 (1)(3)(4)(7)(8)(9)(11)(12)
(7) 000000000000 0 ‑‑
(8) 000000000000 0 ‑‑
(9) 000000010000 1 (8)
(10) 111101111011 10 (1)(2)(3)(4)(6)(7)(8)(9)(11)(12)
(11) 00010000000 1 (4)
(12) 101100100010 5 (1)(3)(4)(7)
计,从而得出每个单元所采集到的电流冲击总数,即该单元的子孙个数。如图8所示,中花括
号中的数字即为每个单元的子孙个数。控制器正是利用每个单元的子孙个数和各单元记忆
序列间的关系确定树型拓扑结构。(5)号单元子孙最多为根节点,(8)、(4)和(7)号单元无子
孙为叶节点,其它为中间节点;(2)、(10)和(5)号子孙个数依次少1,则(2)号为(10)号的子
节点,(10)号为(5)号的子节点;(9)号只有一个子孙,(8)、(4)和(7)号单元三个叶节点中哪
个为(9)号的子节点。根据记忆序列间的关系,(9)号只接到(8)号的电流冲击,所以(8)号是
(9)号的子节点;比(2)号子孙个数少的所有节点中,(6)号子孙个数最多,(6)号肯定是(2)
号的子节点,但(6)号和(2)号的子孙数不连续,说明(2)号后出现了分支,再从(6)号的记忆
序列中查出,(9)号和(8)号不是(6)号的子孙,所以(9)号和(8)号是(2)号后的另一条分支
上的单元,(9)号子孙多于(8)号,(9)号是(2)号的另一子节点。
(4)和(7)号三个叶节点中哪个收到了冲击信号?结果(4)号收到冲击信号,(4)号即为环形
主干线的末节点,(5)号和(4)号间的最短路径也就是环形主干线。至此,一个“环形+分支”
的网络拓扑结构完全识别出来。
是伴随着拓扑识别的过程并行进行的,其方法和过程如下:
将两个分支分别排序,(8)号和(9)号这一路分支子孙数量不间断递减,而(6)号这一路分支
出现间断,说明前者真分支,后者为主干线。真分支的拓扑地址SA可以确定下来,(9)号的SA
=4,(8)号的SA=5。主干线的下一个间断点(3)号前的(6)号和(12)号,拓扑地址SA也可以
确定下来,分别为6和7。
另一分支。将两个分支分别排序,子孙数量皆不间断递减,说明到了最后一处分支点。
和(7)号这一路分支出是真分支,(3)号、(11)号和(4)号这一路分支出是环形主干线,这样
确定出(1)号的SA=8,(7)号的SA=9,(3)号的SA=10,(11)号的SA=11,(4)号的SA=12。至
此,图7的网络拓扑编址已经完成,地址分配见如图9所示。图中,每个网络节点正上方的数
字即为该节点的拓扑地址SA。
元,同时向总线上发1位确认电流,而没有新情况的单元则不发确认电流。该命令从微观上
讲,所有单元是同时发送1位反馈信息的,完全可能造成信息的重叠,但由于该命令是一个
快速综合判断命令,所有单元的反馈信息是“或”的关系,“重叠”并不影响判断结果,即控制
器只要收到一位冲击确认电流,就会认为总线上至少有一个现场单元探测到新情况,否则
一个都没有。这一命令是一个没有引入“时隙”的特殊的广播通信命令。9#命令的信号码型
如图10所示。
地址(SA)从高到低的顺序,逐个向总线上发送1位固定宽度的有无新情况的确认电流。由此
可见,10#命令是一个典型的、引入“时隙”概念的广播通信命令。10#命令的信号码型如图11
所示,每8个确认位组成一个确认字节datan,字节间有一个T4宽度的19V电平和一个td宽度
的9V电平,以启动下一确认字节的发送。由于FIRAMBUS上最多可挂接255个现场单元,255位
组成32个确认字节,最高位空缺。255个单元的位反馈信息宏观上好像是同时发出的,是重
叠的,微观上则是分时发出的,是不重叠的。控制器接到255个单元的位反馈信息,逐位进行
判断,若某位为“1”,即有冲击确认电流,则表示该位所对应的单元探测到新情况,否则无新
情况。
信双方必须在严格的帧同步和比特同步的条件下进行。我们以10#命令为例,结合10#命令
的信号码型,来详细介绍广播通信的实现过程。具体过程如下:
反馈信息。所有现场单元接到首字节同步信号后,第7~1号单元,严格按照比特同步的要
求,首比特位空缺,然后按照遵地址从大到小的顺序,逐个发送一位反馈信息。有新情况的
单元,在其时隙内发送一比特位宽度的冲击电流信号,否则,则保持一比特位宽度的当前电
平。
个单元,分时在自己的时隙内发出一位反馈信息。
断完,就得到了所有单元的信息。
况标记为已报过状态,以免下一次重报。
术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。