專利名稱：電器的串行總線控制的制作方法
隨著對提高家用電器的效率和操作能力所作的努力，家用電器正在變得越來越復雜。此處所用的“家用電器”一詞是指這樣一些設備，如洗衣機、干衣機、洗碗機、爐灶、微波爐和冰箱，它們至少有些用電來控制的功能。這樣的家用電器一般是獨立的單元，它們的制造和銷售與在其內使用的建筑物結構無關。
為了降低功耗(例如使冰箱、干衣機、爐灶等運行的電能)和其它資源消耗，例如降低洗衣機和洗碗機中所消耗的水，希望提高電器的效率。已經通過采用傳感器對電器進行電子控制來提高效率，傳感器監測電器的性能并提供數據，根據所要求的操作種類調節電器的操作部件(例如溫度傳感器改善制冷系統的運行情況，或水傳感器檢測洗碗機中水的清潔度)。
常規的電器制造技術還包括在電源(例如與電源線相連的接點)和電器中需要電源的各個部件之間連接電線。具有電子控制系統的大多數電器已經包括類似的配線，即在電器控制器和種類不同的傳感器及致動器之間直接進行連線，導致“星”型配線。這種系統中的所有引線一般都具有比較粗的線規(例如18號線規或更粗)，因為系統通常依靠模擬通信，由此使得所需的電壓或電流較大，以及為了便于裝配(引線必須在組裝線的環境中經歷將其穿過電器的多次擺弄)。由于控制系統的復雜性(例如取決于用戶對一種特定電器的選擇項的數量，以及用于提高能源和資源效率的傳感器和系統)提高了，所以配線的量和布線所花費的時間都增加了。
考慮到生產方面的問題，如將每個傳感器或致動器與控制器相連的引線，布線所花費的時間，以及對具有不同選擇或配制的每種電器所必須具有的獨特的布線約定，這樣的裝配技術具有許多困難。此外，由于導線相互連接的數量增加了，所以對電器控制系統而言引線的某些部分出現故障的可能性也增加了。
在家用電器中，希望在保持運行可靠性的同時，盡可能地減少用于控制系統傳感器和致動器的引線總體數量。對很寬范圍內的產品可以采用標準的布線約定，這也將在很大程度上提高生產效率。
根據本發明，一種家用電器包括串行總線控制系統，該系統包括一個主通信模塊、多個從節點和一個串行總線連接器。從節點包括傳感器、致動器或類似部件，它們與串行總線連接器相連，并對由主通信模塊產生的被選擇的從節點地址碼作出響應。串行總線連接器通常包括一個導體回路，導體回路的每一端與主通信模塊相連，從節點在沿回路的中間位置與回路相連。主通信模塊包括一個詢問電路，用于向一個或多個所述從節點地址碼產生數字傳輸，以及一個接收器電路，用于從與串行總線連接器相連的所述從節點接收數字傳輸。
串行總線控制系統通常還包括一個系統控制器，主通信模塊是系統控制器的一部分。系統控制器進一步包括一個處理器，用于從由通信模塊定址的從節點接收傳感器信號，并且為與串行總線連接器相連的致動器的控制操作產生各個控制信號。
串行總線連接器可以既包括通信總線又包括電源總線，通信總線用于在主通信模塊和各個從節點之間傳遞數字通信信號，而電源總線用于向從節點和它們相關的部分提供電源。
據信是新穎的本發明的特征在所附權利要求書中給出。然而通過參照以下結合附圖
所作的描述，可以更好地理解作為結構和操作方法的發明本身與發明的進一步目的和優點，其中附圖是根據本發明的電器串行總線控制系統的框圖。
根據本發明，(如上定義的)家用電器100包括利用主—從通信模態的串行總線控制系統110(用虛線畫出)。串行總線控制系統包括系統控制器120、多個從節點170和串行總線連接器(或電纜)150，系統控制器120和每個從節點170都與串行總線連接器150電連接。系統控制器120包括主通信模塊122并且通常還包括處理器124(二者可以包括在一塊芯片或微處理器器件中)；通信模塊122控制串行總線連接器150上的通信。從節點170包括諸如傳感器(例如確定被測參數的條件或狀態)、致動器(例如操作機械、電、液壓或氣壓部件)等設備。
此處所采用的“串行總線”是指一種通信系統，其中每個部件分別與相同的總線相連，因此與每個從節點的通信經過相同的總線，每個從節點通過地址碼訪問。采用相同的總線(即相同的導線或一組導線)與各個從節點通信避免了每個節點通過各自的導線(或一組導線)直接與控制器連線。此處所采用的“主—從”或類似術語是指一種控制系統，其中由主通信模塊啟動對各個從節點的全部通信，即每個從節點只根據來自主通信模塊的詢問在串行通信總線上產生信號。這種“主—從”系統不同于對等或“令牌環”類型的控制系統，在這些系統中一個以上的節點可以開始通信或者作用或修改其它節點的通信，于是使得能夠在節點之間進行通信，而在主—從系統中，從節點只與主通信模塊進行通信。
在典型的電器控制系統中，控制器120適用于檢測電器的狀態和向電器的部件產生控制信號，引起所要求的操作狀態，例如使能量效率最優化等。主通信模塊122在控制器120和各個從節點170之間進行通信。主通信模塊122通常包括適用于與一個或多個傳感器和致動器進行數字通信的電路，比如產生訪問被選擇從節點的數字地址碼信號的詢問電路和將由從節點接收的信號傳輸給處理器124的接收器電路。主通信模塊的一個例子是諸如Intell8051系列芯片或類似芯片的微控制器(或微處理器)。每個從節點170具有數字地址碼；當這一主通信模塊傳輸該地址時，建立控制器120和該節點之間的通信。一個從節點和主通信模塊之間已經建立通信以后，來自處理器電路124的控制信號直接到達該節點，命令對諸如報告檢測的參數、用戶輸入等那樣的詢問作出響應。雖然在某些結構中多個從節點可以具有一個共同的地址，這就是說，來自主通信模塊的一個地址碼使得多個從節點中的每個從節點作出響應，比如命令幾個部件(例如分隔室中的多盞燈)接通或關斷，但是一般情況下從節點都具有各自的地址。
控制器120的處理器124適用于接收從從節點傳輸過來(經過主通信模塊122)的數據信號并且為致動器等產生控制信號，以便控制電器的操作。處理器124通常還包括時鐘電路，用以協調控制系統中的數據交換。處理器124還包括微處理器芯片上的各種應用程序(或程序)，用于有選擇地控制對來自從節點的信息進行更新的速率。對電器操作的不同模式采用不同的取樣速率(例如從不同節點采集數據)。例如，當洗碗機或爐灶那樣的電器不用時，用相當長的周期更新信息是合適的，而當電器在使用時，較短的周期是合適的。類似地，冰箱冷藏室門已經開啟以后，冰箱中的更新間隔時間應較短，直到冷藏室已經返回穩定狀態。在典型的電器環境中，甚至控制器120中的更新信息的最大速率都可以相對較低(即更新周期在幾秒的數量級)，這樣便降低了控制器電路的復雜性和成本。例如，控制器120的波特率可以在大約50波特至10,000波特的范圍之間，典型值是大約200至1,000波特。
此外，控制器120和從節點170包括功率下降控制電路，以便當電器停機或發生類似情況時減小能耗。例如，功率下降電路通常減緩控制器的更新周期，并且在不使用電器時切斷不用的輔助設備如內部顯示模塊或溫度傳感器的電源。另外，控制器120還包括應用程序，因此在預定時間內如果致動器不被主通信模塊尋址，那么通常切斷包括用于電器控制的致動器的從節點，于是電器工作在“故障自動防護”模式。例如如果在預定時間(例如1-3分鐘)內不被控制系統120尋址，那么爐中的加熱元件將被切斷電源，這只是個例子，不作為一種限制。實際上這種安全系統“選通”或周期性地命令部件的特定的性能；在沒有這樣輸入的情況下，該部件處于故障自動防護狀態。
串行總線連接器(或電纜)150通常包括安排在電器100的一個回路中的一條或多條導電電線。總線連接器150放在電器100中，使得電器100中的各個從節點170可以很容易地與總線導線電連接，因此在主通信模塊122和一個或多個從節點之間可以進行雙向通信。串行總線連接器包括一條通信總線(未單獨示出)，它具有第一端152和第二端154；通常每端分別與主通信模塊122相連；在沿通信總線的某處出現開路的情況下，這種結構為相連的從節點提供了最佳的通信可靠性。另外，串行總線連接器150也可以這樣放置，使得總線只有一端與通信模塊122相連；在這樣的結構中串行總線連接器150所需的導線的量可以減少了，因為導線不需要經過電器返回通信模塊122。
串行總線連接器通常包括至少兩條導線，一條導線用來向需要電源的從節點部件提供電源(例如直流(DC)電源)，一條導線用來提供雙向通信線路。在這種結構中，電器的外殼可以用作低壓(DC)電源的返回通路。然而一般情況下串行總線連接器包括三條(或如上所述三條以上)導線，第三條導線為從節點提供DC電源返回通路。串行總線連接器150的DC電源線與DC電源126相連。串行總線連接器150中另外的導線(超過三條)用于冗余通信能力和主通信模塊的同步信號，同步信號對傳輸來自各個從節點170的響應進行協調。
在本發明的另一個實施例中，串行總線連接器150還包括交流電源線，因此電器中所有的電線(控制、通信和電源線)都包括在一個共同的電纜和線束中。另外，向電器部件(例如電動機、泵、壓縮機等)供電的AC電源線在串行總線連接器150中是獨立走線的，如同常規的電器中那樣。
從節點170包括傳感器、致動器或組合型設備。常用的從節點傳感器的例子包括溫度傳感器(例如檢測冰箱中分隔室的溫度或爐中的爐溫)；壓力傳感器(例如檢測制冷系統中的制冷劑壓力)；環境狀態傳感器(例如檢測溫度和濕度)；混濁度傳感器(例如檢測洗碗機和洗衣機中水的清潔度)；電動機負荷傳感器；機械部件位置傳感器(例如檢測門開啟和關閉)；以及類似的傳感器。致動器的例子包括啟動電動機的控制繼電器；冰箱中諸如氣流調節器那樣的部件的驅動電動機；電器中的發光元件；以及類似的致動器。傳感器/致動器組合的例子包括也指示氣流調節器位置的氣流調節器驅動電動機(或蒸發器風扇控制致動器)，以及與風扇速度傳感器相連的環境傳感器(溫度或濕度)。從節點170最好例如通過夾在串行總線導線上而能夠很容易地與串行總線連接器150相連，因此在制造過程中可以高效率地裝配帶有各種特征(例如在不同型號的電器中可以找到的不同的傳感器和致動器)的電器。這也便于在制造過程中進行最后的確認，以便提供制造過程中的靈活性。此外，根據本發明的控制系統也適合于用戶購買后所增加的選擇項。
串行總線連接器150最好還包括連接外部診斷模塊185的連接點180。服務人員為了在需要修理時分析和診斷故障，可以使用這種診斷模塊185，檢查控制系統的操作和電器的工作狀態。診斷模塊185可以產生直接給從節點170的命令(例如數據傳輸命令)信號(例如控制進入診斷模塊)，或者向主通信模塊產生控制信號，以便產生訪問所要求的從節點的命令信號(其中主通信模塊作為中介服務器)。
根據本發明的串行總線控制系統110可以用于以下電器，這只是作為例子提出的，不是對本發明的限制。例如在電的范圍內，控制系統110可以用來減少AC電源線上的導體數量；通過上述低壓DC控制電路輸入用戶輸入信號(例如燃燒器和爐中的溫度選擇)，控制器120對此進行處理，為致動器產生低壓DC控制信號，命令各個加熱元件接通或關斷，或者命令致動器設置爐溫。根據本發明，通過串行總線控制系統110可以很容易地產生電器控制顯示(例如設置溫度、實際溫度等等)。
作為再一個例子，包括串行總線控制系統110的洗衣機為用戶提供控制水溫和相應致動器(為了得到熱水和冷水)的輸入手段，以便控制供水，提供洗衣機中所要求的溫度和水位。此外，可以用水“清潔度”傳感器(例如混濁度傳感器等)決定洗滌周期的長度、增添洗滌劑的時間等。其它傳感器，例如失去平衡傳感器、速度傳感器等也可以類似地為機器控制提供輸入信號。
在冰箱中，三線串行總線連接器150置于冰箱中的所有位置，可以支持為冰箱提供的選擇或特征。根據為冰箱增添的選擇，適當的傳感器和致動器與串行總線連接器相連，并進而與控制系統相連。例如，用于各個分隔室和環境狀態的適當的溫度傳感器為有效地控制制冷系統的能量提供輸入信號。(例如冷凍室、新鮮食物、快速冷凍、蔬菜和肉類或制冰室的最佳冷卻操作)。AC高壓引線可以限制在照明部分和壓縮機部分，這樣便減小了由于大量的銅導體穿過冰箱的絕熱系統而引起的冰箱中的熱損耗。為冰箱能量的有效使用用戶需要進行選擇和控制，這就需要許多導線，因此最好最大限度地減小執行所需功能所必需的導線的尺寸，并且最大限度地減小熱損耗。
串行總線控制系統110還方便地適用于提供“自配置”能力。在這樣的系統中，通常對處理器124編程，以便控制一種或多種型號的電器(例如具有各種選擇如制冰器、不同的內部分隔室等的冰箱)或不同類型的電器(例如爐灶和干衣機)。當向控制系統110施加電源時(開始或停機以后)，處理器124使通信模塊122對與系統相連的從節點170和它們的各個地址碼進行“編目”。根據電器100的從節點配制(例如在特定地址的特定類型或范圍的溫度傳感器)，處理器124可以確定電器的類型和型號，并從它們存儲的存儲器中選擇和實施適合的控制規則。這種自配置特征進一步提高了零件的互換性，降低了生產成本和生產時間。
雖然這里已經展示并描述了本發明的某些特征，但是對本領域的一般技術人員來說可以做許多修改和改變。因此應懂得，所附權利要求書旨在復蓋本發明精神范圍內的所有這些修改和改變。
權利要求
1.一種家用電器包括串行總線控制系統，所述串行總線控制系統包括一個主通信模塊、一個與所述主通信模塊相連的串行總線連接器、以及多個從節點，每個所述從節點與所述串行總線連接器相連，并對被選擇的從節點地址碼作出響應。
2.權利要求1的家用電器，其中所述多個從節點包括從電器控制傳感器、電器控制致動器和它們的組合構成的組中選擇的設備。
3.權利要求2的家用電器，其中所述通信模塊包括向一個或多個所述從節點地址碼產生數字傳輸的詢問電路，以及接收與所述串行總線連接器相連的從節點產生的數字傳輸的接收器電路。
4.權利要求3的家用電器，其中所述從節點中的至少兩個包括各自不同的從節點地址碼。
5.權利要求3的家用電器，其中所述從節點中的至少兩個包括相同的從節點地址碼。
6.權利要求1的家用電器，其中所述電器包括從洗衣機、干衣機、洗碗機、單獨的冰箱、爐灶、微波爐和室內空調單元構成的組中選擇的設備。
7.權利要求3的家用電器，其中所述主通信模塊還適用于根據從與所述串行總線連接器相連的從節點接收并在所述電器控制器中處理的數據，產生指示致動器操作的控制信號。
8.一種家用電器包括串行總線控制系統，所述串行總線控制系統包括系統控制器，所述系統控制器還包括具有詢問電路和接收器電路的主通信模塊；與所述主通信模塊相連的串行總線連接器；以及與所述串行總線連接器相連的多個從節點，所述從節點中的至少一個包括致動器，并且所述從節點中的至少一個包括非致動器的傳感器；具有一個地址碼的每個所述從節點，于是來自所述主通信模塊的數字傳輸直接到達與所述串行總線連接器相連的被選擇的從節點。
9.權利要求8的家用電器，其中所述系統控制器還包括處理器，用于接收來自由所述主通信模塊定址的從節點的傳感器信號，以及為與所述串行總線連接器相連的致動器的控制操作產生各個控制信號。
10.權利要求9的家用電器，其中所述串行總線連接器包括具有第一端和第二端的回路，所述第一端和第二端都與所述主通信模塊相連。
11.權利要求9的家用電器，其中一個所述從節點包括診斷模塊連接器，適用于將外部診斷處理器與所述串行總線控制系統相連。
12.權利要求8的家用電器，其中所述串行總線連接器包括用于在所述主通信模塊和每個所述從節點之間連接信號的通信總線，和用于向至少一個所述從節點提供電源的電源總線。
13.權利要求9的家用電器，其中所述系統控制器包括自配置控制模塊，因此在一個啟動周期中，它對與所述串行總線連接器相連的傳感器和致動器進行編目，并根據所具有的傳感器和致動器選擇一種電器控制程序。
14.權利要求8的家用電器，其中所述系統控制器具有在50波特至10,000波特范圍之間的處理率。
全文摘要
一種具有串行總線控制系統的家用電器包括一個系統控制器、多個從節點和一個串行總線連接器。每個從節點是傳感器、致動器等，它們與串行總線連接器相連，并對由主通信模塊產生的被選擇的從節點地址碼作出響應。串行總線連接器是一個導體回路，回路的每一端與主通信模塊相連，從節點位于中間位置與回路相連。主通信模塊包括向一個或多個從節點地址碼產生數字傳輸的詢問電路，以及從與串行總線連接器相連的從節點接收數字傳輸的接收器電路。
文檔編號G06F15/163GK1153330SQ95118189
公開日1997年7月2日 申請日期1995年11月29日 優先權日1995年11月29日
發明者W·韋普, H·A·蘇瑟蘭 申請人:通用電氣公司