Способ сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи

Использование: в области приборостроения при построении распределенных измерительных систем, систем контроля, телеметрии и дистанционного управления. Технический результат - уменьшение энергопотребления и повышение достоверности обмена информацией. Согласно способу от ведущего устройства по двухпроводной линии связи подают сигнал запроса в виде широтно-модулированных импульсов тока на датчики с цифровым выходом, которые формируют ответные сигналы путем изменения длительности импульсов тока. В начале каждого импульса задают максимальное значение тока, подаваемого от ведущего устройства в линию связи, сравнивают напряжение в линии связи с напряжением питания ведущего устройства и при их равенстве уменьшают амплитуду импульса тока и стабилизируют амплитуду импульсов напряжения в линии связи. При опросе датчиков первый бит передаваемых данных формируют коротким импульсом тока, соответствующим «Лог.0», после чего передают номер опрашиваемого датчика широтно-модулированными импульсами тока, а для получения ответного сигнала формируют ведущим устройством импульсы тока, соответствующие «Лог.1», длительность которых модулируют выходным кодом опрашиваемого датчика, и подтверждают наличие импульсов тока в линии связи импульсами напряжения, поступающими на микроконтроллер ведущего устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при построении распределенных измерительных систем, систем контроля, телеметрии, дистанционного управления и систем охраны для обмена информацией по проводным линиям связи длиной до 1000 м и более.

Известен способ передачи информации по совмещенной линии связи в системе сбора и обработки данных, поступающих на центральный пункт от периферийных терминалов, в которой информационный кодированный сигнал передается по линии связи через трансформаторы, содержащие две последовательно соединенные вторичные обмотки. К средней точке соединения этих обмоток подключают источник напряжения питания периферийных терминалов (патент RU №221759 от 18.05.2002, МПК H04B 3/54).

Реализация этого способа не позволяет сократить число линий связи до двух проводов, т.к. напряжение питания для удаленных терминалов формируется между обмотками трансформатора и заземленной шиной, т.е. в качестве третьего провода нужно использовать заземление схемы центрального пункта и удаленных терминалов. При этом для передачи сигналов по линии связи применяют дополнительные буферные усилители, устройства амплитудно-частотной коррекции, аналоговые фильтры и другие аналоговые функциональные узлы, имеющие сравнительно большую потребляемую мощность. Кроме того, передача последовательности широтно-модулированных импульсов через трансформаторы приводит к искажению их формы и, как следствие, уменьшает достоверность передачи данных по линии связи.

Более совершенным является способ построения систем контроля, дистанционного управления, телеметрии и охраны объектов (патент RU №2381627 от 30.05.2006, МПК H04L 5/14, H04B 1/56), согласно которому питание отдельных модулей системы и передача информации между ними осуществляются только по одной паре проводов.

Согласно данному способу сопряжения устройств передачи и приема информации по совмещенной линии связи выполняют аналоговую модуляцию информационных сигналов, которые суммируют с постоянным напряжением питания и передают по линии связи, а на приемной стороне для восстановления информационного сигнала используют фильтр на основе трансформатора с колебательным контуром и декодирующий микроконтроллер.

Недостатком такого способа совместной передачи напряжения питания и информационных сигналов является необходимость применения при его реализации аналоговых устройств. В частности, используются усилители с регулируемым коэффициентом усиления для повышения амплитуды принимаемых высокочастотных сигналов, заграждающие и узкополосные фильтры для выделения информации, поступающей по линии связи, и компараторы с изменяющимся порогом срабатывания для формирования широтно-модулированных импульсов из сигнала, приходящего по линии связи.

Вследствие этого такие устройства характеризуются большой потребляемой мощностью, которая мало зависит от скорости передачи информации. Кроме того, наличие ряда промежуточных преобразований информационных сигналов (амплитудная модуляция высокочастотного сигнала широтно-модулированными импульсами, аналоговое суммирование полученной смеси с напряжением питания, выделение информационного сигнала из суммарного напряжения индуктивно-емкостными фильтрами, регулировка порога срабатывания компаратора в зависимости от динамики изменения амплитуды продетектированного сигнала) приводят к уменьшению достоверности обмена информацией в распределенных системах передачи и приема данных.

Известен также способ передачи информации и напряжения питания по двухпроводной линии связи в телеметрической системе, применяемой при исследовании скважин в нефтяной и газовой промышленности (патент RU №2474958 от 26.07.2011, МПК H04B 3/00). Согласно этому способу, для сбора и обработки данных в центральном и периферийном устройствах используют микроконтроллеры. По совмещенной линии связи передают сумму питающего напряжения и информационного сигнала в виде широтно-модулированных импульсов тока, которые формируют ключевым элементом или управляемым источником тока по командам микроконтроллеров. Информационный сигнал выделяют с помощью дифференцирующих цепей и формирователей импульсов, установленных на входах микроконтроллеров, а в составе периферийного устройства используют измерительный блок и блок питания с дополнительными стабилизаторами тока и напряжения.

Недостатком такого способа является относительно малая амплитуда широтно-модулированных импульсов напряжения в линии связи, которую формируют путем изменения тока, протекающего по выходному сопротивлению источника напряжения питания в центральном устройстве. Поэтому даже небольшие изменения тока потребления периферийного устройства или случайные флуктуации напряжения питания могут восприниматься как ложный сигнал, что снижает достоверность передачи информации по совмещенной линии связи. Кроме того, применение автономного блока питания и стабилизаторов напряжения и тока в периферийном устройстве приводит к повышению рассеиваемой мощности и, как следствие, к уменьшению времени его работы без замены гальванических элементов питания.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявленному является способ сопряжения устройств в электронной системе с совмещенной линией питания и передачи данных (патент RU №2404510 от 20.11.2010, МПК H04B 3/54, G06F 13/38), согласно которому с помощью ведущего устройства на основе микроконтроллера формируют сигнал запроса в виде цифровой последовательности амплитудно-модулированных или широтно-модулированных импульсов, подаваемых на совмещенную линию связи, а подключенные к этой линии датчики с импульсным выходом по запросу ведущего устройства формируют ответные сигналы путем изменения длительности или временной задержки импульсов в совмещенной линии связи.

Недостатком известного способа является большая мощность потребления, т.к. при его реализации напряжение питания в каждом датчике задается блоками выпрямления, фильтрации и стабилизации, и во время формирования ответного сигнала в датчике выход стабилизатора питающего напряжения шунтируется электронным ключом, рассеивающим большую мощность в течение длительности каждого импульса при передаче ответного сигнала с датчика. Кроме того, амплитуда импульсов напряжения ответного сигнала, поступающего от датчиков по линии связи, формируется за счет протекания импульсов тока через небольшое выходное сопротивление блока питания ведущего устройства, поэтому она значительно меньше напряжения питания ведущего устройства и напряжения питания датчиков. Наличие возможных помех и электрических наводок на линии связи приводит к уменьшению достоверности обмена информацией между датчиками и ведущим устройством, особенно при большой длине линии связи.

Задачей изобретения является создание способа сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи, позволяющего получить уменьшение энергопотребления и повышение достоверности обмена информацией в распределенных измерительных системах с совмещенной двухпроводной линией связи и напряжения питания.

Сущность способа сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи заключается в том, что сигнал запроса ведущего устройства с помощью управляющего микроконтроллера формируют в виде цифровой последовательности широтно-модулированных импульсов тока, которые подают в двухпроводную линию связи. К этой линии связи подключают датчики, имеющие цифровой выход, которые по запросу ведущего устройства формируют ответные сигналы путем изменения длительности импульсов тока, потребляемого датчиками от ведущего устройства. При этом в начале каждого импульса задают максимальное значение тока, подаваемого от ведущего устройства в линию связи, и сравнивают напряжение в этой линии с напряжением питания ведущего устройства, а при достижении их равенства уменьшают амплитуду импульса тока. Таким способом стабилизируют амплитуду импульсов напряжения в совмещенной двухпроводной линии связи и питания на уровне, соответствующем напряжению питания ведущего устройства. Кроме того, при формировании сигнала запроса ведущим устройством первый бит данных, передаваемых по линии связи и питания, формируют в виде короткого импульса тока, соответствующего «Лог.0», а затем передают номер опрашиваемого датчика широтно-модулированными импульсами тока. Для получения ответного сигнала от опрашиваемого датчика формируют на выходе ведущего устройства последовательность широких импульсов тока, эквивалентных «Лог.1», длительность которых модулируют ключевым элементом схемы опрашиваемого датчика в зависимости от значения кода, передаваемого от него на ведущее устройство. При этом наличие импульсов тока в линии связи подтверждают импульсами напряжения, которые подают на вход микроконтроллера ведущего устройства.

Заявляемый способ реализуется устройством, структурная схема которого приведена на фиг.1, работа его основных функциональных узлов поясняется временными диаграммами, показанными на фиг.2, а на фиг.3 приведена схема модели устройства передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи.

Структурная схема содержит ведущее устройство 1, к которому подключены датчики 2.1…2.N через двухпроводную линию связи 3. В ведущее устройство 1 входит формирователь импульсов 4, служащий для увеличения крутизны фронтов импульсов, поступающих с его выхода на управляющий микроконтроллер 5 и на первый вход мажоритарного элемента 6. Выход управляющего микроконтроллера 5 подключен ко второму входу мажоритарного элемента 6 и через одновибратор 7 соединен с его третьим входом. Выход мажоритарного элемента 6 подключен к первому входу управляемого источника тока 8 и к первому входу блока сравнения напряжений 9. Выход управляемого источника тока 8 соединен с линией связи 3 и со вторым входом блока сравнения напряжений 9, выход которого подключен ко второму входу управляемого источника тока 8.

В структурной схеме каждого датчика 2.1…2.N применен амплитудный детектор 10, выходное напряжение которого используется в качестве напряжения питания формирователя импульсов 11, измерительного преобразователя 12 и микроконтроллера 13. Микроконтроллер 13 формирует широтно-модулированные импульсы, пропорциональные выходному сигналу измерительного преобразователя 12, которые подаются на управляющий вход ключевого элемента 14, коммутирующего двухпроводную линию связи 3. Датчики 2.1…2.N подключены параллельно к двухпроводной линии связи 3 и используются для контроля различных физических величин, преобразуемых в электрические сигналы или в цифровые коды различными измерительными преобразователями 12.

Ведущее устройство 1 работает в режиме последовательного циклического опроса датчиков 2.1…2.N по двухпроводной линии связи 3. В процессе опроса управляющий микроконтроллер 5 ведущего устройства 1 формирует последовательность широтно-модулированных импульсов для задания номера опрашиваемого датчика. При этом управляющий микроконтроллер 5 формирует байт передаваемых данных, содержащий импульс стартового бита малой длительности t_И1=0,25Т, составляющей 25% от тактового периода T частоты передачи, и короткий импульс первого бита передачи/приема данных аналогичной длительности t_И1=0,25Т₁ (фиг.2). Малая длительность этого импульса соответствует «Лог.0» и является признаком передачи информации от ведущего устройства 1 к датчикам 2.1…2.N. Выходные импульсы управляющего микроконтроллера 5 проходят через мажоритарный элемент 6 и затем преобразуются управляемым источником тока 8 в импульсы тока. Импульсы тока от ведущего устройства 1 по двухпроводной линии связи 3 одновременно подаются на датчики 2.1…2.N и используются в качестве информационных посылок, а также служат для подзаряда накопительных конденсаторов, применяемых в амплитудном детекторе 10 каждого датчика 2.1…2.N для получения напряжения питания.

При появлении импульса тока малой длительности в первом бите передачи данных по двухпроводной линии связи 3 все микроконтроллеры 13 каждого датчика 2.1…2.N переводятся в режим приема данных, поступающих от ведущего устройства 1. Затем управляющий микроконтроллер 5 формирует последовательность импульсов, образующих информационные биты, которыми в двоичном коде задается номер опрашиваемого датчика. При этом большая длительность t_И1=0,75Т широтно-модулированных импульсов соответствует передаче «Лог.1», а малая длительность импульсов t_И1=0,25Т - передаче «Лог.0». При передаче данных широтно-модулированные импульсы тока проходят по двухпроводной линии связи 3 на вход формирователя 11, применяемого в датчиках 2.1…2.N, который преобразует их в импульсы напряжения и одновременно уменьшает длительность их фронтов, после него сформированные импульсы напряжения поступают на вход микроконтроллера 13 каждого датчика 2.1…2.N. Микроконтроллер 13 выполняет преобразование поступающего последовательного кода в параллельный код и после окончания последнего информационного бита запроса сравнивает полученный код с заданным значением, соответствующим номеру конкретного датчика. При совпадении этих кодов микроконтроллер 13 опрашиваемого датчика переводится в режим выдачи информации, соответствующей значению параметра, контролируемого измерительным преобразователем 12 этого датчика. Для приема информации от датчиков управляющий микроконтроллер 5 ведущего устройства 1 в следующем байте данных формирует импульс малой длительности t_И1=0,25T в стартовом бите, а первый бит приема/передачи данных и остальные информационные биты формируются управляющим микроконтроллером 5 только единичной длительности, т.е. длительность каждого широтно-модулированного импульса составляет 75% от длительности периода T тактовой частоты передачи. При этом микроконтроллер 13 опрашиваемого датчика формирует импульсы, управляющие работой ключевого элемента 14, т.е. после появления фронта каждого широтно-модулированного импульса, поступающего через формирователь 11 на вход микроконтроллера 13, выполняется замыкание ключевого элемента 14 с задержкой на интервал времени, составляющий 25% от длительности T одного бита при передаче «Лог.0», либо ключевой элемент 14 вообще не замыкается микроконтроллером 13 при передаче бита, соответствующего «Лог.1».

После приема одного байта информации от опрашиваемого датчика, поступающей по двухпроводной линии связи 3 в виде последовательности широтно-модулированных импульсов через формирователь 4 на вход управляющего микроконтроллера 5, последний формирует два стоповых бита, имеющих общую длительность t_СТ=1,75Т. В течение этого времени микроконтроллер 13 опрошенного датчика выполняет сброс в исходное (нулевое) состояние всех входящих в него функциональных узлов (регистров сдвига и хранения данных, счетчиков импульсов, таймеров и т.п.). После окончания двух стоповых битов управляющий микроконтроллер 5 ведущего устройства 1 снова переходит в режим передачи данных и выполняет опрос следующего датчика по аналогичному алгоритму, заданному в блоке памяти управляющего микроконтроллера 5.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна». Отличительные признаки: установка максимального значения тока в начале каждого импульса, подаваемого от ведущего устройства в линию связи, сравнение напряжения в линии связи с напряжением питания ведущего устройства, автоматическое регулирование амплитуды импульсов тока для стабилизации амплитуды импульсов напряжения в линии связи, дублирование импульсов тока, передаваемых по линии связи, импульсами напряжения, поступающими на управляющий микроконтроллер ведущего устройства, модуляция ширины импульсов тока с отключением управляемого источника тока в ведущем устройстве выходным кодом опрашиваемого датчика при формировании его ответного сигнала, в них не встречаются. Следовательно, заявленное изобретение удовлетворяет критерию «изобретательский уровень».

Промышленная применимость функциональных узлов устройства, реализующего предлагаемый способ, обусловлена наличием современной элементной базы, на основе которой они могут быть выполнены. В частности, формирователи импульсов 4 и 11 можно реализовать на микросхемах К561ТЛ1 типа «Триггер Шмитта», микроконтроллеры 5 и 13 - на микросхемах PIC16LF1936 с током потребления 50 мкА, обеспечивающих преобразование и формирование широтно-модулированных импульсов в код и наоборот, ключевой элемент 14 - на транзисторе КП306; мажоритарный элемент 6 - на микросхеме К561ЛП13; одновибратор 7 - на микросхеме К561ТЛ1 с интегрирующей резистивно-емкостной цепью. В составе измерительного преобразователя 12 можно использовать усилитель типа LMV301SQ2T с однополярным напряжением питания U_ПИТ=(2…5) В и током потребления менее 200 мкА и аналого-цифровой преобразователь AD7091R с током потребления менее 350 мкА. Применение такой микромощной элементной базы позволяет ограничить общий ток потребления каждого датчика на уровне менее 1 мА. Количество датчиков ограничивается максимальным значением тока, подаваемого от ведущего устройства в линию связи, и заданного количества информационных битов. В частности, при I_8.мах>128 мА количество датчиков ограничивается семью информационными битами в байте запроса номера датчика, формируемого ведущим устройством, и составляет N_max=127.

Снижение энергопотребления в устройстве, реализующем предложенный способ, обеспечивается за счет применения блока сравнения напряжений 9, уменьшающего амплитуду импульсов тока на выходе управляемого источника тока 8 при равенстве его выходного напряжения U₈ выходному напряжению U₆ мажоритарного элемента 6. При этом автоматическая регулировка силы тока I₈ в двухпроводной линии связи 3 схемы устройства (фиг.1) реализуется следующим образом.

При появлении фронта импульса на выходе управляющего микроконтроллера 5 запускается одновибратор 7 и формирует короткий импульс, длительность которого t_И7≥t_ФР<0,1T выбирается больше длительности фронта t_ФР импульсов напряжения в линии связи. При поступлении импульсов от управляющего микроконтроллера 5 и от одновибратора 7 на два входа мажоритарного элемента 6 появляется импульс на его выходе и, соответственно, формируется импульс тока I₈ на выходе управляемого источника тока 8. В начальный момент времени после включения управляемый источник тока 8 формирует максимальное значение тока для быстрого заряда распределенной емкости двухпроводной линии связи 3 и быстрого подзаряда накопительных конденсаторов, применяемых в амплитудных детекторах 10 датчиков 2.1…2.N. При этом напряжение U₈ на выходе управляемого источника тока 8 и в двухпроводной линии связи 3 быстро возрастает по экспоненциальному закону (фиг.2). Большое значение начального тока I₈ на выходе управляемого источника тока 8 позволяет значительно сократить длительность фронтов импульсов напряжения U₈ в двухпроводной линии связи 3. После заряда распределенной емкости двухпроводной линии связи 3 и подзаряда накопительных емкостей амплитудных детекторов 10 амплитуда напряжения U₈ в двухпроводной линии связи 3 становится примерно равной выходному напряжению U₆ мажоритарного элемента 6. При выполнении условия U₈≈U₆ срабатывает блок сравнения напряжений 9, который уменьшает ток I₈ на выходе управляемого источника тока 8 до минимального значения. Минимальное значение тока I₈ в линии связи поддерживается выходным сигналом блока сравнения напряжений 9 вплоть до окончания широтно-модулированного импульса. При этом одновременно обеспечивается равенство напряжений U₈≈U₆ на выходах управляемого источника тока 8 и мажоритарного элемента 6, т.е. равенство напряжений питания датчиков 2.1…2.N ведущего устройства 1, что обеспечивает автоматическое согласование уровней сигналов. Кроме того, при приеме информации, поступающей от каждого датчика 2.1…2.N на ведущее устройство 1, после коммутации линии связи ключевым элементом 14 уменьшается до низкого уровня напряжение U₈ в линии связи. При этом срабатывает формирователь 4 ведущего устройства 1, на выходе которого появляется сигнал «Лог.0», и на выходе мажоритарного элемента 6 также устанавливается низкий уровень напряжения независимо от высокого уровня сигнала «Лог.1» на выходе управляющего микроконтроллера 5. Вследствие этого при коммутации линии связи ключевым элементом 14 в любом из датчиков 2.1…2.N и появлении уровня «Лог.0» на выходе мажоритарного элемента 6 выключается управляемый генератор тока 8. В итоге срабатывание ключевого элемента 14 при формировании в линии связи широтно-модулированного импульса, соответствующего «Лог.0», приводит к уменьшению тока в двухпроводной линии связи 3 и, как следствие, к резкому уменьшению мощности, рассеиваемой на ключевом элементе 14 и на управляемом источнике тока 8.

Таким образом, уменьшение энергопотребления при приеме и передаче информации предлагаемым способом достигается не только за счет автоматической регулировки амплитуды импульсов тока при опросе датчиков центральным блоком, но и при формировании ответной последовательности импульсов тока в процессе передачи данных от датчиков на ведущее устройство.

Повышение достоверности обмена информацией предложенным способом в данном устройстве (фиг.1) обеспечивается за счет дублирования импульсов, передаваемых от управляющего микроконтроллера 5 через мажоритарный элемент 6 и управляемый источник тока 8 в двухпроводную линию связи 3, выходными импульсами формирователя 4, которые поступают на вход управляющего микроконтроллера 5 и тем самым подтверждают правильность передачи широтно-модулированных импульсов тока по двухпроводной линии связи 3 на датчики 2.1…2.N.

Для оценки выигрыша в энергопотреблении предложенным способом проведено исследование параметров упрощенной принципиальной схемы устройства (фиг.3) с помощью программы схемотехнического моделирования Electronics Workbench. В этой схеме для получения импульсов напряжения с крутыми фронтами из импульсов тока в схеме формирователя 4 использована диодно-резистивная цепь на элементах 4.1, 4.2 и триггер Шмитта 4.1 с типовым напряжением питания U_ПИТ=(3…5) В (фиг.3). Вместо управляющего микроконтроллера 5 и одновибратора 7 применены генераторы импульсов, подключенные к входам мажоритарного элемента 6. При этом один генератор формирует импульсы большой длительности t_И5=0,75Т, а синхронизированный с ним другой генератор выдает короткие импульсы длительностью t_И7=0,1T, составляющие 10% от длительности T периода тактовой частоты. К выходу мажоритарного элемента 6 подключен транзистор 8.1 с резистором 8.2 в цепи эмиттера и резистором 8.3 в цепи коллектора для регулировки выходного тока I₈ управляемого источника тока, максимальное значение которого ограничивается резистором 8.4 в цепи эмиттера транзистора 8.5, служащего для усиления выходного тока. Блок сравнения напряжений 9 собран на двух диодах 9.1, 9.2 с конденсатором 9.3 малой емкости (C_9.3≈50 пФ), который необходим для исключения коротких импульсов большой амплитуды, возникающих по фронтам широтно-модулированных импульсов тока из-за распределенной индуктивности двухпроводной линии связи 3.

В упрощенной схеме датчика 2.1 применен амплитудный детектор на диоде 10.1 с накопительным конденсатором 10.2 большой емкости для получения напряжения питания датчика. Формирователь импульсов 11 собран на диодно-резистивной цепи 11.1, 11.2 и триггере Шмитта 11.3, а вместо микроконтроллера 13 применен элемент задержки импульса на время t_ЗД=0,25T, выходным сигналом которого открывается транзистор 14.1 с токоограничивающим резистором 14.2, выполняющий функцию ключевого элемента.

В схеме модели устройства передачи и приема (фиг.3) при появлении импульсов на выходах генераторов срабатывает мажоритарный элемент 6 и формирует импульс с амплитудой U₆≈U_ПИТ, примерно равной напряжению питания U_ПИТ=(3…5) В. При этом открывается транзистор 8.1, и через него начинает протекать коллекторный ток, который усиливается транзистором 8.5 и по линии связи поступает на амплитудный детектор 10.1, 10.2 и на формирователи импульсов на элементах 4.1-4.3 и 11.1-11.3. Этим током подзаряжается накопительная емкость 10.2 амплитудного детектора через открывающийся диод 10.1 до тех пор, пока напряжение U₈ на коллекторе транзистора 8.5 не сравняется с выходным напряжением U₈≈U_ПИТ мажоритарного элемента 6. При равенстве напряжений U₆≈U₈ открываются диоды 9.1, 9.2, через которые часть выходного тока I₈ протекает по резистору 8.2, увеличивая на нем падение напряжения. Это приводит к частичному закрыванию транзистора 8.1 и уменьшению его коллекторного тока, что вызывает уменьшение тока I₈ в цепи коллектора транзистора 8.5 до минимального уровня. Фактически при открывании диодов 9.1 и 9.2 образуется цепь глубокой отрицательной обратной связи по току в управляемом источнике тока, собранном на транзисторах 8.1 и 8.5. Поэтому амплитуда импульсов выходного тока при открывании диодов 9.1, 9.2 уменьшается примерно в 100 раз (пропорционально коэффициенту усиления тока базы h₂₁≥100 транзистора 8.5) по сравнению с максимальным значением тока I₈, протекающего в линии связи при закрытых диодах 9.1, 9.2.

В результате проведенного схемотехнического моделирования установлено, что при срабатывании элемента задержки 13 и открывании транзистора 14.1 напряжение U₈ на коллекторе транзистора 8.5 и в линии связи понижается до уровня менее одного вольта. При этом срабатывает формирователь импульсов на триггере Шмитта 4.3 и его выходное напряжение уменьшается до нулевого уровня, что приводит к аналогичному понижению напряжения на выходе мажоритарного элемента 6, которым закрывается транзистор 8.1. Поэтому выходной ток I₈ уменьшается до нулевого значения независимо от наличия импульса напряжения t_И5 на выходе генератора.

Для оценки динамических параметров устройства при формировании импульсов выходного тока I₈ и напряжения U₈ применялась модель двухканального осциллографа 15 (фиг.3), причем импульсы тока контролировались по падению напряжения на резисторе 8.4 в цепи эмиттера транзистора 8.5.

В результате моделирования установлено, что при формировании импульсов тока с амплитудой I_8.max≈0,5 А длительность процесса подзаряда емкости 10.2 амплитудного детектора, составляющей С_10.2=10 мкФ, не превышает значения t_ПП≤10 мкс, и при выполнении условия t_ПП≤0,1T, т.е. при длительности переходного процесса не более 10% от периода T тактовой частоты, минимальное время передачи одного бита данных составляет Т≈0,1 мс, что позволяет передавать информацию со скоростью V=9,6 кбит/с.

Кроме того, установлено, что построение устройства передачи и приема информации заявляемым способом позволяет реализовать автоматическое согласование амплитуды широтно-модулированных сигналов ведущего устройства и датчиков в стандартном диапазоне питающего напряжения U_ПИТ=(3…5) В современных цифровых микросхем. При этом изменение напряжения питания управляемого источника тока в диапазоне от 9 до 15 В не оказывает влияния на достоверность обмена информацией между ведущим устройством и датчиками.

Согласно полученным данным применение автоматической регулировки амплитуды импульсов тока в зависимости от напряжения в линии связи и выключение управляемого источника тока в ведущем устройстве при передаче по линии связи сигналов «Лог.0» от опрашиваемого датчика позволяет в 2-3 раза уменьшить среднее значение тока потребления по сравнению с прототипом.

Повышение достоверности обмена информацией предлагаемым способом обеспечивается следующим. Во-первых, факт передачи каждого широтно-модулированного импульса тока от ведущего устройства 1 в двухпроводную линию связи 3 подтверждается напряжением формирователя 4, поступающим на управляющий микроконтроллер 5. Во-вторых, обеспечивается возможность контроля рабочего состояния каждого датчика 2.1…2.N при опросе управляющим микроконтроллером по виду ответных широтно-модулированных импульсов. В частности, если после передачи байта с номером опрашиваемого датчика в следующем (ответном) байте отсутствует модуляция широтно-импульсного сигнала, что соответствует ответному коду «11111111», то управляющий микроконтроллер 5 формирует сигнал тревоги, указывающий на неисправность этого датчика. В-третьих, при случайном замыкании линии связи или цепи питания любого из датчиков 2.1…2.N в процессе формирования импульсов запроса управляющим микроконтроллером 5 не будут появляться импульсы на выходе формирователя 4, т.е. не будет подтверждения правильности передачи данных, по которой можно судить о неисправности системы обмена информацией.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает достижение технического результата - позволяет уменьшить энергопотребление и повысить достоверность обмена информацией в системах с совмещенной двухпроводной линией связи и питания.

Способ сопряжения передачи, приема информации и питания импульсным током в двухпроводной линии связи, согласно которому сигнал запроса ведущего устройства на основе микроконтроллера формируют в виде цифровой последовательности широтно-модулированных импульсов тока, подаваемых в двухпроводную линию связи, а подключенные к этой линии датчики, имеющие цифровой выход, на запрос ведущего устройства формируют ответные сигналы путем изменения длительности импульсов тока, потребляемого от ведущего устройства, отличающийся тем, что в начале каждого импульса задают максимальное значение тока, подаваемого от ведущего устройства в двухпроводную линию связи, сравнивают напряжение в этой линии с напряжением питания ведущего устройства и после достижения их равенства уменьшают амплитуду импульса тока и автоматически стабилизируют амплитуду импульсов напряжения в линии связи на уровне напряжения питания ведущего устройства, причем в процессе запроса ведущего устройства первый бит передаваемых данных формируют в виде короткого импульса тока, соответствующего «Лог.0», после чего передают номер опрашиваемого датчика широтно-модулированными импульсами тока, а для получения ответного сигнала формируют на выходе ведущего устройства последовательность широких импульсов тока, соответствующих «Лог.1», длительность которых модулируют в зависимости от значения выходного кода опрашиваемого датчика, и подтверждают наличие импульсов тока в линии связи импульсами напряжения, поступающими на вход микроконтроллера ведущего устройства.