一種具備遠程硬復位功能的fsk通信電路及其通信方法
【專利摘要】本發明提供一種具備遠程硬復位功能的FSK通信電路及其通信方法，該FSK通信電路包括基準時鐘電路、信號調制電路、信號解調電路、復位信號生成電路和總線隔離收發器。本發明還提供一種具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法。本發明通過FSK技術，將原本近距離通信的UART串行信號傳輸模擬化，設計實現了能夠傳輸三態信號的現場總線通信方式，總線上的通信電路接口保持電氣隔離，通信波特率4800bps，單條總線的直接通信傳輸距離不小于5km，所設計的FSK總線上傳輸的第三態信號能夠實現對遠程監控目標進行硬件復位，提供了及時、便捷的日常維護手段。
【專利說明】—種具備遠程硬復位功能的FSK通信電路及其通信方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業監控現場總線通信【技術領域】，具體是一種具備遠程硬復位功能的FSK通/[目電路及其通/[目方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]在計算機監控技術的通信應用領域，特別是在工業監控現場，監控目標通常分布在非常廣的范圍內，若采用LAN組件總線型拓撲結構，雖然可以減少電纜長度，但是增加的LAN介質及相關硬件和軟件又使其系統造價攀升；若選用無線方式，對于工業監控來說，不僅造價高，其穩定性和健壯性往往又不能達到預期。為了實現對惡劣環境下的遠程監控，特別是滿足煤礦用環境下的遠距離通信信號的本質安全特性需求，迫切需要設計出一種能夠在工業現場環境運行的、性能可靠、造價低廉的現場總線通信網絡，構成底層監控網絡，完成現場監控目標之間的多點通信以及生產現場與外界的信息交換。串行通信方式盡管通信距離近，但卻是一種通信速率可控和點對點傳輸的數據傳輸標準，輔助以完善的超時判斷及糾錯校驗通信協議，能夠實現更高層級的通信應用。
[0004]
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種以UART串行通信模式為基礎、具備遠程硬復位功能的FSK通信電路及其通信方法，以滿足煤礦用環境下的遠距離通信信號的本質安全特性需求，構建工作穩定、實時性高、性能可靠、造價低廉的現場總線通信網絡。
[0006]本發明的技術方案為:
一種具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，包括基準時鐘電路、信號調制電路、信號解調電路、復位信號生成電路和總線隔離收發器；
所述基準時鐘電路，用于輸出頻率為fo的基準時鐘源，所述基準時鐘源為晶振產生的方波信號；所述信號調制電路，用于根據預置計數數據t將基準時鐘源進行分頻，形成載波頻率為A的正弦波調制信號，表示位流數據O、I或者復位R，所述正弦波調制信號通過總線隔離收發器傳輸至FSK總線；所述信號解調電路，用于將通過總線隔離收發器從FSK總線上獲取的載波頻率為A的正弦波調制信號進行解調，得到串行位流數據O、I或者復位R ;所述復位信號生成電路，用于在接收到信號解調電路輸出的連續N個復位R脈沖后，產生復位信號啟動設備硬復位；所述總線隔離收發器，用于接收信號調制電路輸出的調制信號并將其傳輸至FSK總線上，也用于將FSK總線上傳輸的調制信號耦合進來并將其發送給信號解調電路。
[0007]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，所述基準時鐘電路具體為6MHz的晶振電路。
[0008]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，所述信號調制電路包括四位二進制計數器、串并轉換器、相位累加和加權電路、反相器和功率放大器，所述相位累加和加權電路由串并轉換器的并行輸出端口和RC阻容電路構成；所述四位二進制計數器，用于根據預置計數數據t將基準時鐘源進行第一次分頻，并將第一次分頻后的時鐘提供給串并轉換器的串行輸入端口，作為其移位控制時鐘；所述串并轉換器，用于將第一次分頻后的時鐘進行串并轉換，并輸入相位累加和加權電路，再經過反相器疊加，實現對基準時鐘源的第二次分頻，并將方波信號轉換為載波頻率為A的正弦波調制信號，所述正弦波調制信號經過功率放大器放大輸出至總線隔離收發器。
[0009]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，所述信號解調電路包括無源低通濾波電路、有源帯通濾波電路、波形整定電路、分頻器電路和數字解調電路；所述無源低通濾波電路，用于將通過總線隔離收發器從FSK總線上獲取的載波頻率為的正弦波調制信號進行初級波形整定；所述有源帯通濾波電路，由運算放大器構成，用于對經過初級波形整定的正弦波調制信號進行再次信號調理；所述波形整定電路，由微分和非門電路構成，用于對經過再次信號調理的正弦波調制信號進行波形整定，整定輸出具有載波頻率的脈沖波，所述脈沖波在一個載波周期Vfi內對分頻器電路進行一次有效復位；所述分頻器電路，用于在一定的載波周期Vfi內，完成對基準時鐘源的計數；所述數字解調電路，用于將分頻器電路的計數結果進行門電路邏輯處理，得到串行位流數據0、1或者復位R。
[0010]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，所述復位信號生成電路包括四位二進制計數器、微分處理電路和比較器；所述四位二進制計數器，用于復位邏輯判斷，在接收到信號解調電路輸出的連續8個復位R脈沖后，與之連接的外圍門電路邏輯產生復位脈沖信號;
所述微分處理電路，用于通過設置自身元器件的參數來調整復位脈沖信號的脈寬；所述比較器，用于根據輸入的復位脈沖信號和基準電壓，產生硬件復位信號輸出。
[0011]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，包括以下步驟:(I)基準時鐘電路輸出頻率為fo的基準時鐘源，所述基準時鐘源為晶振產生的方波信號；(2)信號調制電路根據預置計數數據t將基準時鐘源進行分頻，形成載波頻率為A的正弦波調制信號，表示位流數據O、I或者復位R，所述正弦波調制信號通過總線隔離收發器傳輸至FSK總線；(3)信號解調電路將通過總線隔離收發器從FSK總線上獲取的載波頻率為A的正弦波調制信號進行解調，得到串行位流數據0、1或者復位R ； (4)復位信號生成電路在接收到信號解調電路輸出的連續N個復位R脈沖后，產生復位信號啟動設備硬復位；(5)總線隔離收發器接收信號調制電路輸出的調制信號并將其傳輸至FSK總線上，也將FSK總線上傳輸的調制信號耦合進來并將其發送給信號解調電路。
[0012]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，步驟(I)中，所述基準時鐘電路采用6MHz的晶振電路，輸出頻率為6MHz的基準時鐘源。
[0013]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，步驟(2)中，所述信號調制電路包括四位二進制計數器、串并轉換器、相位累加和加權電路、反相器和功率放大器；四位二進制計數器根據預置計數數據t將基準時鐘源進行第一次分頻，并將第一次分頻后的時鐘提供給串并轉換器的串行輸入端口，作為其移位控制時鐘，串并轉換器將第一次分頻后的時鐘進行串并轉換,并輸入相位累加和加權電路,再經過反相器疊加,實現對基準時鐘源的第二次分頻，并將方波信號轉換為載波頻率為A的正弦波調制信號，所述正弦波調制信號經過功率放大器放大輸出至總線隔離收發器。
[0014]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，步驟(3)中，所述信號解調電路包括無源低通濾波電路、有源帯通濾波電路、波形整定電路、分頻器電路和數字解調電路；無源低通濾波電路將通過總線隔離收發器從FSK總線上獲取的載波頻率為的正弦波調制信號進行初級波形整定，經過初級波形整定的正弦波調制信號進入由運算放大器構成的有源帯通濾波電路進行再次信號調理，經過再次信號調理的正弦波調制信號進入由微分和非門電路構成的波形整定電路進行波形整定，輸出具有載波頻率fi的脈沖波，所述脈沖波在一個載波周期內對分頻器電路進行一次有效復位，分頻器電路在一定的載波周期I/fi內，完成對基準時鐘源的計數，數字解調電路將分頻器電路的計數結果進行門電路邏輯處理，得到串行位流數據0、1或者復位R。
[0015]所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，步驟(4)中，所述復位信號生成電路包括用于復位邏輯判斷的四位二進制計數器、微分處理電路和比較器；四位二進制計數器在接收到信號解調電路輸出的連續8個復位R脈沖后，與之連接的外圍門電路邏輯產生復位脈沖信號，所述復位脈沖信號經后級微分處理電路進行脈寬調整后，與基準電壓一起作為比較器的輸入信號，比較器產生硬件復位信號輸出。
[0016]本發明通過FSK技術的現場總線，將原本近距離通信的UART串行信號傳輸模擬化，設計實現了能夠傳輸三態信號的現場總線通信方式，使連接各通信終端的總線通信線路上傳輸的是經過調制的信號，總線上的通信電路接口保持電氣隔離，實現多機通信，造價低廉，實時性較高，傳輸信號本質安全，通信波特率4800bps，單條總線的直接通信傳輸距離不小于5km，監控半徑不小于5km，所設計的FSK總線上傳輸的第三態信號能夠實現對遠程監控目標進行硬件復位，提供了及時、便捷的日常維護手段。
[0017]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是FSK通信系統總體結構示意圖；
圖2是本發明的FSK通信電路結構原理框圖；
圖3是本發明的基準時鐘電路結構框圖；
圖4是本發明的信號調制電路結構框圖；
圖5是本發明的信號解調電路結構框圖；
圖6是本發明的數字解調工作原理圖；
圖7是本發明的復位信號生成電路結構框圖；
圖8是本發明的總線隔離收發器結構框圖。
[0019]
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例進一步說明本發明。
[0021]如圖1所示，一種FSK通信系統，包括主控計算機100、信息傳輸接口 200和控制分站300。主控計算機100與信息傳輸接口 200之間通過RS232通訊線102交互式連接，兩者采用RS232串行方式通訊；信息傳輸接口 200與控制分站300之間通過FSK總線203交互式連接，在信息傳輸接口 200和控制分站300的內部配置有具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，使信息傳輸接口 200與控制分站300之間的FSK總線上可以傳輸經調制的三態信號:‘O’、‘I’和‘復位R’。
[0022]如圖2所示，一種具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，包括基準時鐘電路1、信號調制電路2、信號解調電路3、復位信號生成電路4和總線隔離收發器5。
[0023]如圖3所示，基準時鐘電路I選用6MHz的晶振電路，由晶振源11、匹配電容12、匹配電阻13和反相器14組成，輸出頻率?^θΜΗζ的基準時鐘源，基準時鐘源為方波信號。
[0024]如圖4所示，信號調制電路2包括四位二進制計數器21、八位串并轉換器22、相位累加和加權電路23、反相器24和功率放大器25。當需要進行數據發送時，發送使能電路生效，四位二進制計數器21根據預置的計數數據t將基準時鐘源進行分頻，預置的計數數據t為四位二進制的低兩位，當其為00時是進行12分頻，為01時是進行13分頻，為10時是進行14分頻。分頻后的時鐘提供給八位串并轉換器22的串行輸入端口，作為其移位控制時鐘，八位串并轉換器22的并行輸出端口和與其連接的RC阻容電路構成相位累加和加權電路23，經反相器24疊加，進行16分頻的扭環計數，實現12、13或者14分頻后的16再分頻，從而將方波信號轉換為載波頻率為的正弦波調制信號，實現‘O’、‘I’、‘復位R’信號的調制，調制的信號經過可控功率放大器25輸出至總線隔離收發器5。
[0025]根據如上電路原理可知，將基準時鐘源標記為&，四位二進制計數器21預置的計數數據記為t(t=12、13或者14)，八位串并轉換器22的并行輸出端口連接的相位累加和加權電路23經反相器24后，由16個計數脈沖構成一個完整相位周期，f0信號經這兩級分頻電路后，得到的信號載波頻率為A= fc/(t*T)。電路中?^θΜΗζ,Τ=^，則當四位二進制計數器 21 預置的計數數據 t=12 時，^=31.25KHz ；t=13 時，f2=28.84KHz ；t=14 時，f3=26.79KHz。用?\=31.25KHz的正弦波調制信號表示數據‘0’，用f2=28.84KHz的正弦波調制信號表示數據‘1’，用f3=26.79KHz的正弦波調制信號表示‘復位R’，如表1所示:
【權利要求】
1.一種具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，其特征在于:包括基準時鐘電路、信號調制電路、信號解調電路、復位信號生成電路和總線隔離收發器； 所述基準時鐘電路，用于輸出頻率為fo的基準時鐘源，所述基準時鐘源為晶振產生的方波信號； 所述信號調制電路，用于根據預置計數數據t將基準時鐘源進行分頻，形成載波頻率為fi的正弦波調制信號，表示位流數據O、I或者復位R，所述正弦波調制信號通過總線隔離收發器傳輸至FSK總線； 所述信號解調電路，用于將通過總線隔離收發器從FSK總線上獲取的載波頻率為A的正弦波調制信號進行解調，得到串行位流數據0、1或者復位R ； 所述復位信號生成電路，用于在接收到信號解調電路輸出的連續N個復位R脈沖后，產生復位信號啟動設備硬復位； 所述總線隔離收發器，用 于接收信號調制電路輸出的調制信號并將其傳輸至FSK總線上，也用于將FSK總線上傳輸的調制信號耦合進來并將其發送給信號解調電路。
2.根據權利要求1所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，其特征在于:所述基準時鐘電路具體為6MHz的晶振電路。
3.根據權利要求1所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，其特征在于:所述信號調制電路包括四位二進制計數器、串并轉換器、相位累加和加權電路、反相器和功率放大器，所述相位累加和加權電路由串并轉換器的并行輸出端口和RC阻容電路構成； 所述四位二進制計數器，用于根據預置計數數據t將基準時鐘源進行第一次分頻，并將第一次分頻后的時鐘提供給串并轉換器的串行輸入端口，作為其移位控制時鐘； 所述串并轉換器，用于將第一次分頻后的時鐘進行串并轉換，并輸入相位累加和加權電路，再經過反相器疊加，實現對基準時鐘源的第二次分頻，并將方波信號轉換為載波頻率為A的正弦波調制信號，所述正弦波調制信號經過功率放大器放大輸出至總線隔離收發器。
4.根據權利要求1所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，其特征在于:所述信號解調電路包括無源低通濾波電路、有源帯通濾波電路、波形整定電路、分頻器電路和數字解調電路； 所述無源低通濾波電路，用于將通過總線隔離收發器從FSK總線上獲取的載波頻率為fi的正弦波調制信號進行初級波形整定； 所述有源帯通濾波電路，由運算放大器構成，用于對經過初級波形整定的正弦波調制信號進行再次信號調理； 所述波形整定電路，由微分和非門電路構成，用于對經過再次信號調理的正弦波調制信號進行波形整定，整定輸出具有載波頻率的脈沖波，所述脈沖波在一個載波周期Vfi內對分頻器電路進行一次有效復位； 所述分頻器電路，用于在一定的載波周期Vfi內，完成對基準時鐘源的計數； 所述數字解調電路，用于將分頻器電路的計數結果進行門電路邏輯處理，得到串行位流數據O、I或者復位R。
5.根據權利要求1所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路，其特征在于:所述復位信號生成電路包括四位二進制計數器、微分處理電路和比較器；所述四位二進制計數器，用于復位邏輯判斷，在接收到信號解調電路輸出的連續8個復位R脈沖后，與之連接的外圍門電路邏輯產生復位脈沖信號； 所述微分處理電路，用于通過設置自身元器件的參數來調整復位脈沖信號的脈寬； 所述比較器，用于根據輸入的復位脈沖信號和基準電壓，產生硬件復位信號輸出。
6.根據權利要求1所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)基準時鐘電路輸出頻率為&的基準時鐘源，所述基準時鐘源為晶振產生的方波信號; (2)信號調制電路根據預置計數數據t將基準時鐘源進行分頻，形成載波頻率為A的正弦波調制信號，表示位流數據O、I或者復位R，所述正弦波調制信號通過總線隔離收發器傳輸至FSK總線； (3)信號解調電路將通過總線隔離收發器從FSK總線上獲取的載波頻率為A的正弦波調制信號進行解調，得到串行位流數據0、1或者復位R ； (4)復位信號生成電路在接收到信號解調電路輸出的連續N個復位R脈沖后，產生復位信號啟動設備硬復位； (5)總線隔離收發器接收信號調制電路輸出的調制信號并將其傳輸至FSK總線上，也將FSK總線上傳輸的調制信號耦合進來并將其發送給信號解調電路。
7.根據權利要求6所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，其特征在于: 步驟(1)中，所述基準時鐘電路采用6MHz的晶振電路，輸出頻率為6MHz的基準時鐘源。
8.根據權利要求6所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，其特征在于: 步驟(2)中，所述信號調制電路包括四位二進制計數器、串并轉換器、相位累加和加權電路、反相器和功率放大器； 四位二進制計數器根據預置計數數據t將基準時鐘源進行第一次分頻，并將第一次分頻后的時鐘提供給串并轉換器的串行輸入端口，作為其移位控制時鐘，串并轉換器將第一次分頻后的時鐘進行串并轉換，并輸入相位累加和加權電路，再經過反相器疊加，實現對基準時鐘源的第二次分頻，并將方波信號轉換為載波頻率為A的正弦波調制信號，所述正弦波調制信號經過功率放大器放大輸出至總線隔離收發器。
9.根據權利要求6所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，其特征在于: 步驟(3)中，所述信號解調電路包括無源低通濾波電路、有源帯通濾波電路、波形整定電路、分頻器電路和數字解調電路； 無源低通濾波電路將通過總線隔離收發器從FSK總線上獲取的載波頻率為的正弦波調制信號進行初級波形整定，經過初級波形整定的正弦波調制信號進入由運算放大器構成的有源帯通濾波電路進行再次信號調理，經過再次信號調理的正弦波調制信號進入由微分和非門電路構成的波形整定電路進行波形整定，輸出具有載波頻率fi的脈沖波，所述脈沖波在一個載波周期內對分頻器電路進行一次有效復位，分頻器電路在一定的載波周期I/fi內，完成對基準時鐘源的計數，數字解調電路將分頻器電路的計數結果進行門電路邏輯處理，得到串行位流數據0、1或者復位R。
10.根據權利要求6所述的具備遠程硬復位功能的FSK通信電路的通信方法，其特征在于: 步驟(4)中，所述復位信號生成電路包括用于復位邏輯判斷的四位二進制計數器、微分處理電路和比較器； 四位二進制計數器在接收到信號解調電路輸出的連續8個復位R脈沖后，與之連接的外圍門電路邏輯產生復位脈沖信號，所述復位脈沖信號經后級微分處理電路進行脈寬調整后，與基準電壓一起作為比較器的輸入信號，比較器產生硬件復位信號輸出。
【文檔編號】H04L27/10GK103684947SQ201310670903
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】魏臻, 韓江洪, 陸陽, 徐自軍, 程運安, 鮑紅杰, 徐偉, 陳雄 申請人:合肥工大高科信息科技股份有限公司