專利名稱：用于雙向數(shù)據(jù)和功率傳輸?shù)姆椒ê拖到y(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般涉及用于分發(fā)電功率和數(shù)據(jù)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及用于利用同一組線路傳輸功率和數(shù)據(jù)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
幾乎在所有我們?nèi)粘Ｉ钏褂玫碾娮釉O備中都有微處理器。微處理器的重要的應用在于控制安裝在車輛，包括汽車、公共汽車和飛機，中的電子設備。過去，已經(jīng)機械地實現(xiàn)了很多關鍵的汽車功能?，F(xiàn)在，利用電連接到微處理器的傳感器和執(zhí)行器來控制汽車功能，諸如車輪差速調(diào)節(jié)(wheel differential adjustment)和發(fā)動機定時。
微控制器提供了眾所周知的優(yōu)點，包括使復雜機器的診斷和維修更容易。也已經(jīng)使用微處理器，以提高機器與反饋回路中的傳感器和執(zhí)行器一起使用時的效率，獲得更有效的工作模式。但是，使用微處理器也有一些缺點。
看一看更新的汽車的車蓋下面可能就足以了解微處理器使用的一個缺點在微處理器變得足夠小和足夠可靠以安裝在汽車中以前，可以看到各個發(fā)動機部件是怎樣連接的，甚至可能看到下面的道路。如今，發(fā)動機部件被線路和纜線覆蓋，這些線路和纜線從連接到機械部件的傳感器和執(zhí)行器延伸到用于控制的微處理器。額外的線路和纜線是不利的每個所安裝的額外的線路消耗功率并增加重量。線路越多也使得維護越困難。
不幸的是，基本上不可能從大多數(shù)微控制器系統(tǒng)設計中消除線路。通常，對于功率、地、以及微控制器與一個或多個與其連接的傳感器或執(zhí)行器之間的每條數(shù)據(jù)傳輸線，需要單獨的線路。
因此，需要一種方法和系統(tǒng)，能夠消除在功率和數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的額外線路發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明通過這樣一種方法和系統(tǒng)來滿足上述要求，該方法和系統(tǒng)通過一組線路(通常是同一對)提供功率和雙向數(shù)據(jù)傳輸。在一個實施例中，本發(fā)明使用高速功率晶體管橋來通過切換電壓極性提供功率以及將控制信號從控制器發(fā)送到節(jié)點。節(jié)點然后利用有功電流吸收器(active current sink)，以響應信號進行響應?？刂破魈幍拿舾须娏鹘邮掌麟娐方邮枕憫盘?。控制器和節(jié)點使用微控制器處理發(fā)送和接收的信號。
在第一實施例中，本發(fā)明包括一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一對線路、用于提供DC電壓的電源、控制器和多個節(jié)點。該對線路用于連接控制器到多個節(jié)點，以為節(jié)點提供功率和雙向數(shù)據(jù)傳輸。在這個實施例中，控制器包括控制器微控制器、電流傳感器、以及電流接收器電路。每個節(jié)點包括有功電流吸收器、節(jié)點微處理器、以及可能是傳感器或執(zhí)行器的負載。
盡管在低電壓和功率應用中，可能構(gòu)造通過將控制器微處理器直接連接到該組線路能夠?qū)⑿盘枏目刂破靼l(fā)送到節(jié)點的控制器，但是，在本發(fā)明的一個實施例中，控制器利用包括功率晶體管橋的驅(qū)動器將信號發(fā)送到節(jié)點?？刂破魑⑻幚砥魍ㄟ^開關、緩沖器、以及橋驅(qū)動器連接到驅(qū)動器，其中橋驅(qū)動器調(diào)節(jié)(condition)來自控制器微處理器的電壓控制信號，以提供給功率晶體管橋。因此，功率晶體管橋能夠響應于來自控制器微處理器的不同電壓控制信號，在該組線路上切換來自電源的電壓極性，如以下在具體實施方式
中所述的那樣。
在一個實施例中，在每個節(jié)點，通過全波整流器(在一個實施例中是二極管橋)和無源濾波器接收功率。選擇無源濾波器元件，以匹配節(jié)點上的傳感器或執(zhí)行器，但是在某些實施例中，無源濾波器元件可以是簡單的電容器。每個節(jié)點還包括節(jié)點微處理器，在一個實施例中，節(jié)點微處理器通過雙極性晶體管開關從控制器接收電壓極性反轉(zhuǎn)信號。節(jié)點微處理器通過該組線路(因此，最終到達控制器)，通過連接到有功電流吸收器的數(shù)字輸出端發(fā)送信號。在一個實施例中，有功電流吸收器包括雙極性晶體管和場效應晶體管的組合。
在一個實施例中，控制器還包括電流傳感器和電流接收器電路，用于檢測從節(jié)點發(fā)送到控制器的信號。電流傳感器可以是低阻抗電阻器或霍爾傳感器，電流接收器電路包括積分器、二極管網(wǎng)絡和比較器。在一些實施例中，使用由控制器微處理器控制的模擬門(analog gate)代替二極管網(wǎng)絡。電流傳感器和電流接收器電路一起能夠進冊來自節(jié)點的信號，并提供相應的數(shù)字信號到控制器微處理器。
可以在多種環(huán)境中實現(xiàn)本發(fā)明，包括乘用車(諸如汽車、摩托車或公共汽車)、飛機(諸如民用或軍用飛機、直升飛機或火箭)、以及建筑(諸如住宅或辦公室)。本發(fā)明的多功能性和模塊性提供了相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點，因為在不同環(huán)境中安裝需要重新設計系統(tǒng)的一些方面以安裝在不同環(huán)境中。
本發(fā)明還包括用于在控制器和節(jié)點之間提供功率和往返發(fā)送數(shù)據(jù)的方法。在一個實施例中，來自DC電壓電源的功率通過一組線路提供給節(jié)點。通過在該組線路上切換DC電壓的極性，將數(shù)據(jù)從控制器發(fā)送到節(jié)點，并且通過該組線路上的有功吸入電流(actively sinkingcurrent)將數(shù)據(jù)從節(jié)點發(fā)送到控制器。由連接到控制器和節(jié)點的微處理器處理數(shù)據(jù)。在一個實施例中，方法使用特別適用于與本發(fā)明的系統(tǒng)一起使用的協(xié)議。


從以下的詳細描述和附圖中將了解本發(fā)明的前述和其他目的、優(yōu)點以及特征，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的完整系統(tǒng)的框圖；圖2A表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電源、電流傳感器和包括二極管網(wǎng)絡的電流接收器電路的電路圖，其中低阻抗電阻器被用作電流傳感器；
圖2B表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電源、電流傳感器和包括二極管網(wǎng)絡的電流接收器電路的電路圖，其中霍爾傳感器被用作電流傳感器；圖2C表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電源、電流傳感器和包括模擬門的電流接收器電路的電路圖，其中低阻抗電阻被用作電流傳感器；圖2D表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的電源、電流傳感器和包括模擬門的電流接收器電路的電路圖，其中霍爾傳感器被用作電流傳感器；圖3A表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的驅(qū)動器的邏輯框圖；圖3B表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的驅(qū)動器的第一實施例的電路圖；圖3C表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的驅(qū)動器的第一實施例的電路圖；圖4A表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的節(jié)點的第一實施例的電路圖；圖4B表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的節(jié)點的第二實施例的電路圖；圖5A表示本發(fā)明一個實施例的截面圖，其中系統(tǒng)已經(jīng)被安裝在汽車上；圖5B表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的汽車的透視圖；圖6表示本發(fā)明的一個實施例，其中系統(tǒng)已經(jīng)被安裝在軍用飛機上；圖7表示本發(fā)明的一個實施例，其中系統(tǒng)已經(jīng)安裝在辦公大樓內(nèi)；圖8表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的控制器微處理器的一個實施例；圖9表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的、控制器和節(jié)點微處理器之間響應于輪詢傳感器命令的通信的時序圖；以及圖10表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的、控制器和節(jié)點微處理器之間響應于移位數(shù)據(jù)(Shift Data)命令的通信的時序圖。
具體實施例方式
本發(fā)明一般地提供了用于在中央單元(“控制器”)和被連接到傳感器或執(zhí)行器“負載”的多個節(jié)點之間傳輸功率和雙向數(shù)據(jù)的、輕便的、低功率的、穩(wěn)健的、易于維護的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明只需要兩條線路來將控制器連接到這些多個節(jié)點，盡管如果希望也可以使用多于兩條線路。同時通過這兩條線路發(fā)送功率和數(shù)據(jù)。功率被提供作為DC電壓差。在第一方向(從控制器到這些多個節(jié)點中的一個)上通過切換DC電壓的極性發(fā)送數(shù)據(jù)，在第二方向(從這些多個節(jié)點中的一個到控制器)上通過節(jié)點處的有功吸入電流發(fā)送數(shù)據(jù)。
如本領域技術(shù)人員所知的那樣，傳感器包括能夠產(chǎn)生對應于物理狀態(tài)測量的信號的電子設備。例如，在汽車中，傳感器可以包括速度計、里程表、溫度調(diào)節(jié)裝置、燃料和油量計、或電池充放電安時計。執(zhí)行器包括任何能夠接收信號并響應地改變物理狀態(tài)的電子設備。在汽車中，執(zhí)行器包括例如前燈、風擋刮水器、空調(diào)、車窗馬達(windowmotor)、門鎖、或噴油控制。傳感器用于由物理狀態(tài)生成電子信號，執(zhí)行器用于利用電子信號改變物理狀態(tài)。
圖1以框圖表示完整的功率和雙向數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)100的一個實施例。系統(tǒng)100包括作為電源的電池110、電流傳感器和電流接收器電路105、控制器微處理器125、以及驅(qū)動器120。電壓/電流輸入/輸出(“V/C I/O”)線和電池接地(“BG”)線連接電流傳感器和電流接收器電路105與驅(qū)動器120。在圖1所示實施例中，這里所稱的“控制器”包括控制器微處理器125、電流傳感器和電流接收器電路105和(可選的)驅(qū)動器120的組合。
盡管在圖1的實施例中，電池110被表示為電源，但是，在本發(fā)明的很多其他實施例中，電源可以是電化電池或燃料電池，盡管也可以使用AC電壓源、變壓器和整流器。在本發(fā)明的其中系統(tǒng)被安裝在諸如汽車、摩托車或公共汽車的乘用車輛中的一個實施例中，電源一般為電化電池(即電池)。在本發(fā)明的被安裝在諸如辦公室或住宅的建筑物中的一個實施例中，可以使用AC電壓源、變壓器和整流器作為電源。
除了作為電源的調(diào)節(jié)器之外，在一個實施例中，控制器提供系統(tǒng)中所傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)的中央?yún)f(xié)調(diào)在該組線路上傳輸?shù)娜魏螖?shù)據(jù)都通過控制器，包括只用于從第一節(jié)點傳送到第二節(jié)點的任何數(shù)據(jù)。有利地，這個具有本發(fā)明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸邏輯體系結(jié)構(gòu)允許更穩(wěn)健的系統(tǒng)；系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸是可能的，而不管多少節(jié)點已經(jīng)不能使用或被毀壞。
控制器微處理器125提供了整個系統(tǒng)100的中央智能。在圖1的可安裝在乘用車輛中的實施例中，控制器微處理器125的發(fā)送線(“Tx”)被表示為斷開，接收線(“Rx”)被表示為連接到電流傳感器和電流接收器電路105。在另一實施例中，Tx和Rx可都連接到電流傳感器和電流接收器電路105。在再一實施例中，Tx線可連接到驅(qū)動器120，而Rx線被連接到電流接收器電路105。也在圖1的實施例中，控制器微處理器125的數(shù)字輸出線(“+P”、“-P”、“+N”、和“-N”)被直接連接到驅(qū)動器120，用于控制這對正負標稱線(nominal line)(“+NOM”和“-NOM”)上的電壓極性，其中正負標稱線從驅(qū)動器120延伸到多個節(jié)點1到N圖中表示為節(jié)點1(140)、節(jié)點2(160)、和節(jié)點N(180)的序列。
節(jié)點(140、160和180)被用于直接控制由連接到系統(tǒng)100的傳感器和執(zhí)行器負載(135、155和175)所執(zhí)行的物理狀態(tài)測量和改變。在圖1的實施例中，這些多個節(jié)點(1到N)140、160和180沿著該組線路+NOM和-NOM被串聯(lián)連接到驅(qū)動器120。而節(jié)點140、160和180分別通過正負功率線(“+POW”和“-POW”)被連接到負載135、155和175，這些負載可以是對于特定安裝必需的傳感器或執(zhí)行器。最后的節(jié)點180被標為節(jié)點“N”，因為根據(jù)本發(fā)明的多個實施例，節(jié)點的數(shù)量“N”可能小于10、多達幾百、或更多。最后，如圖1所示，節(jié)點140、160和180分別通過接收和發(fā)送線(“Rx”和“Tx”)也連接到節(jié)點微處理器145、165和185。
盡管對于本發(fā)明不是確實必要，但是圖1還表示了連接到電流傳感器和電流接收器電路105以及每個節(jié)點的調(diào)整器115、112、114和116。調(diào)整器提供穩(wěn)定參考電壓和用于低功率使用的功率源，例如用于對控制器的數(shù)字邏輯和節(jié)點微處理器(125、145、165和185)供電。
電流傳感器和電流接收器電路105用于接收由節(jié)點處的電流吸入所產(chǎn)生的信號。目前，電流傳感器和電流接收器電路105的四個不同實施例被考慮用于本發(fā)明中。在圖2A和2C所示的兩個實施例中，低阻抗電阻器被用作電路200和250中的電流傳感器。在圖2B和2D所示的另兩個實施例中，霍爾傳感器255被用作電路225和275中的電流傳感器。
除了低阻抗電阻器215以外，圖2A所示的電路200還包括電源110和5伏特調(diào)整器210。電流接收器電路的一個實施例被并行連接跨接在電阻器215上。在這個實施例中，低阻抗電流感測電阻器215可以大約為0.05歐姆。如圖所示，低阻抗電阻器215與電源110和延伸到驅(qū)動器120(圖2A中未示出)的V/C I/O線串聯(lián)。
當電路200工作時，V/C I/O線上電流隨時間的變化導致低阻抗電阻器215上的電壓降。電壓降通過增益電阻器(gain resistor)204和補償電阻器202被傳送到雙極性晶體管206的基極和發(fā)射極。在電流接收器電路的這個實施例中，晶體管206和208的網(wǎng)絡用作信號放大器。晶體管206的集電極通過增益控制電阻器216連接到電源接地端(或“電池接地端”)。具有標稱+5V電壓的晶體管206的集電極上的被放大信號被提供給運算放大器(“op-amp”)240的正輸入端。二極管偏置網(wǎng)絡218、積分電阻器226、以及op-amp積分器230被連接到op-amp240的負輸入端，電阻器226和電容器228構(gòu)成用于op-amp積分器230的積分網(wǎng)絡。op-amp電壓跟隨器220被連接到5伏特調(diào)整器210，并且用作電路200的電壓偏置穩(wěn)定源(voltage bias stabilizationsource)。在電路200中使用兩個op-amp比較器223和235。比較器223也用作二極管偏置網(wǎng)絡218的偏置驅(qū)動器。比較器235的輸出用作Rx線，以提供到控制器微處理器125(圖2A中未示出)。
在圖2C中以電路250表示電流傳感器和電流接收器電路105的可選實施例。電路250基本與電路200類似；但是，存在一些重要差別。首先，電路200的晶體管對206和208(及其偏置電阻器202、204、214和216)在電路250中被包括電阻器203、op-amp 207、和晶體管209的塊代替，這些元件被商業(yè)地提供為電流傳感器塊，例如由TEXASINSTRUMENTS提供。第二，電路200的二極管偏置網(wǎng)絡218在電路250中被模擬門219代替。模擬門219一般允許不用電路200的op-amp220和223。在一個實施例中，4066四列門芯片(quad-gate chip)提供模擬門219；但是，如本領域技術(shù)人員將認識到的，也可以使用其他模擬門組件。第三，電路250提供了一組電容器282和286，以及用于校準信號比較器235的電位計284。當積分器231的輸出保持穩(wěn)定在+5V時，比較器235的輸出為高。
有利地，模擬門219還允許利用積分控制晶體管290接通或切斷信號的積分。在工作時，當節(jié)點正吸入電流時，晶體管209將模擬門219拉為斷開，使得保持op-amp 216的輸出端上的電壓的電流電平(current level)。相反，當正在切換電壓極性時，模擬門219的輸入端被短接(或連接跨接在大約400歐姆和500歐姆之間的阻抗上)，將op-amp 261的輸出端連接到積分器231的負輸入端。
電流傳感器和電流接收器電路200和250一般適于與小于大約300安培的電流一起使用。如果希望更大的電流，則圖2B和2D的電流傳感器和電流接收器電路225和275具有優(yōu)勢。在圖2B和2D的實施例中，圖2A和2C的低阻抗電阻器215被霍爾傳感器255代替。但是，電路225和275仍然包括電源110、5伏特調(diào)整器210和用作積分器、驅(qū)動器和比較器的op-amp網(wǎng)絡。
霍爾感應DC電流傳感器是由很多電子設備生產(chǎn)商提供的標準的、現(xiàn)貨供應的元件。大多數(shù)霍爾傳感器包括有槽鐵氧體環(huán)形磁心(slotted ferrite ring core)。在槽中是霍爾芯片。補償線圈以環(huán)形(如圈餅)繞在環(huán)周圍，并且，通過環(huán)形線圈中心的孔允許導體穿過環(huán)的中心。當電流流過主導體時，在導體周圍產(chǎn)生磁場。磁場被鐵氧體磁心集聚，并且被霍爾芯片感測。電流方向決定霍爾設備的輸出電壓極性。如果允許與主導體電流相反的小電流流過補償線圈，則這兩個電流可以相互對抗，使得霍爾芯片產(chǎn)生零電壓輸出?；魻杺鞲衅饕訢C和AC電流工作。
參考圖2B，在電路225中顯示了霍爾傳感器255如何與V/C I/O線以及電池接地端串聯(lián)?；魻杺鞲衅鞯恼撦敵龆?圖2B中的“+”和“-”)被連接到圖2B的電流接收器電路。負輸出端連接到同相op-amp257的正輸入端，同相op-amp 257的輸出通過二極管陣列256和電容器276反饋回其負輸入端。Op-amp 257的輸出端還通過高阻抗電阻器258(大約10k歐姆)連接到積分op-amp 265的負輸入端。(電容器262和電阻器258形成用于op-amp積分器265的積分網(wǎng)絡。)op-amp積分器265的輸出被饋送到發(fā)射極跟隨器晶體管254的基極和限流電阻器252，并然后繼續(xù)通過霍爾傳感器255的補償線圈饋送到電池接地端。因此，閉合了一個完整的回路，用于檢測V/C I/O線上電流的變化。
參考圖2D，電路275相對于電路225提供了與電路250相對于電路200所提供的相似的優(yōu)點-圖2B中電路225的二極管網(wǎng)絡256在圖2D的電路275中由模擬門219代替。而且，積分控制晶體管290允許控制來自節(jié)點的信號的積分，并且一組電容器282和286以及電位計284允許調(diào)節(jié)比較器235。
注意，電路225(圖2B)的op-amp 270對應于電路200(圖2A)的op-amp 220，用作5伏特調(diào)整器210的電壓跟隨器，并且為電路250的其余部分提供穩(wěn)定的參考電壓。參考電壓在電路225中用于op-amp積分器265的正輸入端、比較器235(其輸出端提供用于控制器微處理器125的Rx信號)的正輸入端、以及二極管網(wǎng)絡256的op-amp驅(qū)動器260。有利地，圖2C和2D的電路250和275允許不用這樣的電壓跟隨器。
重新參考圖2B，更詳細地描述電路225的工作。在工作時，霍爾傳感器255通過改變其正負輸出端之間電壓差來指示V/C I/O線上的電流變化。電壓變化被op-amp 257感測，并通過二極管陣列256和op-amp積分器265。積分器265的輸出端連接到發(fā)射極跟隨器254，其改變通過限流電阻器252和霍爾傳感器255的補償線圈的電流，使得來自V/C I/O線的電流被平衡(counterbalance)。盡管流過V/C I/O線的電流很大，而流過霍爾傳感器255的補償線圈的電流很小，但是補償線圈中的很多匝增加了有效安培數(shù)，以平衡補償線圈和V/C I/O線上的電流。
V/C I/O線上電流的小變化最終反映在Rx信號輸出線的電壓變化中。當霍爾傳感器255檢測到電流的小變化時，op-amp 257的輸出將向op-amp比較器235表示該變化，op-amp比較器235的輸出端連接到控制器處理器。也可以檢測V/C I/O線上電流的大的變化，在這種情況下，op-amp 257的輸出非常大。背靠背的齊納二極管266(擊穿電壓大約為2.4V)允許op-amp 257的輸出偏移大于3V電壓。齊納二極管266通過分路電阻器264連接(在二極管陣列256和積分電阻器258周圍)。該分路有效地加速了由op-amp 265、積分電阻器258、和積分電容器262進行的積分。用于補償線圈的反饋回路又顯著地更快。分路齊納二極管266和電阻器264允許節(jié)點處非常高的電流的有功吸入(active sinking)。
在本發(fā)明的多個實施例中，電流接收器電路(電路200、225、250或275中之一)與驅(qū)動器120協(xié)同工作，以控制延伸到節(jié)點的+NOM和-NOM上的電壓。圖3A中表示了驅(qū)動器的邏輯框圖300，在圖3B中表示驅(qū)動器的一個實施例的電路圖350。驅(qū)動器120可選地用于本發(fā)明，以便可以通過簡單地修改電流接收器電路，例如通過增加雙極性晶體管H橋315到圖2A和2B的V/C I/O和電池接地線中，來控制更低功率和更低速度的+NOM和-NOM線。但是，驅(qū)動圖300的金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的H橋315允許+NOM和-NOM線上快得多和功率高得多的電壓切換。
如圖3A和3B所示，在一些實施例中，控制器微處理器125具有連接到驅(qū)動器120的四個數(shù)字輸出端正陽性、正陰性、負陽性、和負陰性(“+P”、“+N”、“-P”、和“-N”)。在一個實施例中，這四條線將在0V的數(shù)字低和+5V的數(shù)字高之間變化。在很多實施例中，V/CI/O和電池接地線之間的DC電壓差大得多，例如在+13.6V和0V之間。電平轉(zhuǎn)換裝置312、314、316和318用于將電壓電平向上變換到V/C I/O線與地的電壓差的電壓電平。在圖3C的實施例中，控制器微處理器125具有一個數(shù)字輸出端(Tx)，其通過晶體管390被連接到驅(qū)動器。
圖3B中表示了圖3A中的電平轉(zhuǎn)換裝置312、314、316和318的一個實施例，其中NPN雙極性晶體管362、364、366和368用作電路350中的電平轉(zhuǎn)換裝置。在這樣的實施例中，電阻器352與基極串聯(lián)，對于+線(晶體管362和364)，電阻器(354和376)位于集電極和V/C I/O線之間。例如，對于電壓電平從+5V轉(zhuǎn)換到+13.6V，選擇4.7k歐姆電阻器用于基極電阻器352，1k歐姆電阻器用于集電極電阻器354和376。
在驅(qū)動器電路的第二實施例中，圖3C所示電路375，來自控制器微處理器125的+P、+N、-P和-N線被來自控制器微處理器125的一條輸出線“TxD”代替。TxD線延連接到耗盡型MOSFET晶體管390的柵極，并通過高阻抗電阻器392(大約100k歐姆)連接到電池接地端。晶體管390的漏極連接到通過電阻器394延伸到電池端子的線上，晶體管390的源極連接到電池接地端。公共緩沖器360與電阻器394并聯(lián)地連接到晶體管390的漏極。
圖3C的電路375還解決了重要的問題用于+NOM或-NOM線的H橋晶體管(即，對于+NOM線，圖3B中的310和340，或圖3C中的311和341)必須不同時導通。如果+NOM或-NOM H橋晶體管導通，則電源110將通過H橋晶體管短接。在圖3B的實施例中，利用控制器微處理器125上的軟件解決這個問題，控制器微處理器控制+P、+N、-P和-N線。利用軟件，在H橋從+NOM切換到-NOM狀態(tài)或切換回之前，短暫地切斷所有線。這有效地避免了電源110通過H橋短接。但是，圖3C的電路375解決了同樣的問題，而沒有借助于軟件，并且不需要用于控制H橋的四條單獨的線。
參考圖3C，電路塊396防止晶體管組311和341同時被導通，以及因此短接電源110。(電路塊398以與電路塊396基本相同的方式工作；因此，這里只描述電路塊396。)在電路塊396中，電阻器382防止電流的大的驟增在晶體管311和341之間流過，并且允許非?？斓亟財嗑w管311，例如，如果晶體管372和374的rDS阻抗為0.1歐姆，并且晶體管311具有9nF的輸入電容，則RC時間常數(shù)為大約900皮秒。通過電路塊396，晶體管341將需要的導通時間比晶體管311需要截斷的時間長幾個數(shù)量級，如果晶體管341的有效輸入阻抗包括9nF(5nF來自晶體管341，4nF來自電容器384)以及來自電阻器384的100歐姆，則RC時間常數(shù)為大約900納秒，或者長三個數(shù)量級。因此，相對大阻抗的電阻器382和平衡電容器384的組合防止電源110通過晶體管短接，而不需要借助于軟件和微處理器上的附加輸出線。
重新參考圖3A的邏輯框圖300，除了電壓電平轉(zhuǎn)換以外，可能需要緩沖以驅(qū)動H橋315。在框圖300中，表示了使用緩沖器322、324、326和328以及橋驅(qū)動器332、334、336和338。在圖3B的電路350中所示的實施例中，緩沖器和橋驅(qū)動器被實現(xiàn)為CMOS反相緩沖器323、325、327和329(對于陽性線分別用兩個，對于陰性線分別用一個)和橋驅(qū)動器333、335、337和339。
驅(qū)動器電路的第二實施例，圖3C的電路375，相對于圖3B所示電路350在與更高電流工作方面提供了一些附加的優(yōu)點。在電路375中，CMOS反相緩沖器364、366、368、370也用于為橋驅(qū)動器391和393提供輸入。(額外的CMOS反相緩沖器362與陽性線反相緩沖器368和370的輸入端串聯(lián)。)但是，除了橋驅(qū)動器391和393以外，電路375添加晶體管緩沖器372、374、376和378，以便降低電路375中H橋晶體管311、321、331和341的切換速率。電阻器382和386以及電容器384和388，與晶體管緩沖器372、374、376和378一起，提供用于H橋晶體管的互補MOSFET發(fā)射極跟隨器緩沖器。
H橋315是驅(qū)動器300的重要組件。H橋也表示在電路350和375中(圖3B和3C中)，但是在圖3A所示的傳統(tǒng)橋電路圖中沒有畫出。H橋一般包括允許按照希望反轉(zhuǎn)負載電流的四個MOSFET(兩個n通道和兩個p通道，均為增強型)。如上所述，雙極性晶體管也可用于構(gòu)造相似的橋，但是MOSFET由于很多原因而更好，諸如在工作時更低的電阻。
表1是用于H橋一個實施例的狀態(tài)表。如表1所示，在系統(tǒng)工作時一般只使用兩個狀態(tài)(COM標記和COM空格COM Mark和COM Space)。在表1中也表示了未使用的但是非破壞性的狀態(tài)，以附加地說明H橋運行。破壞性的狀態(tài)包括其中晶體管310和340或晶體管320和330同時接通、導致電源110短路的那些狀態(tài)。當H橋在COM標記和COM空格狀態(tài)之間切換時，+NOM和-NOM線的DC電壓極性被交換。這個電壓極性反轉(zhuǎn)允許將信息從控制器微處理器125發(fā)送到節(jié)點，并最后到達節(jié)點微處理器。
表1H橋狀態(tài) 在圖4A和4B中，表示了節(jié)點電路的兩個實施例(電路400和425)，具有有功電流吸收器、節(jié)點微處理器185、和負載輸出線(+POW和-POW)。每個節(jié)點包括具有電容器402的全波橋整流器410，其中選擇電容器以匹配負載。每個節(jié)點電路還包括電阻器404和晶體管406的電平轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡。電平轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡驅(qū)動有功電流吸收器，該有功電流吸收器包括晶體管406、CMOS晶體管420的網(wǎng)絡，并且可選地包括(如圖4B的電路425中所示)具有電流控制電阻器422的雙極性晶體管418。圖4B中的二極管424和426用于當驅(qū)動器120切換電壓極性時保護有功電流吸收器。當在+NOM和-NOM線上接收作為電壓極性反轉(zhuǎn)而發(fā)送的數(shù)據(jù)時，包括晶體管416、基極電阻器414、和負載電阻器412的檢測器網(wǎng)絡將電壓極性反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為在Rx可由節(jié)點微處理器185讀取的信號。圖8中表示了用于控制器或節(jié)點微處理器的引腳分發(fā)的一個實施例。在圖8的實施例中，表示MOTOROLA 68HC908系列的KX8微處理器。
本發(fā)明還包括用于在一組線路上傳輸功率和雙向數(shù)據(jù)的方法。功率被提供作為該組線路上的統(tǒng)一DC電壓。在方法的一個實施例中，通過切換該組線路上DC電壓的極性而將數(shù)據(jù)從控制器通過該組線路傳輸?shù)焦?jié)點，并且通過節(jié)點上的有功吸入電流將數(shù)據(jù)從節(jié)點通過該組線路傳輸?shù)娇刂破鳌?br> 根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施例，當連接電源和啟動控制器微處理器125時，控制器微處理器125在傳輸數(shù)據(jù)之前等待建立穩(wěn)態(tài)條件(在一個實施例中，COM標記狀態(tài))。數(shù)據(jù)從控制器微處理器125通過+P、+N、-P和-N輸出端(見圖1、3A和3B)被發(fā)布，并被發(fā)送到驅(qū)動器120上的相應輸入端。在COM標記狀態(tài)中，電池110功率被加在+NOM線上。參考圖3B所示的驅(qū)動器120的實施例，當晶體管320截斷時，晶體管330截斷，晶體管340導通，并且電池接地端連接到-NOM線上。
在這樣的實施例中，標稱線通過+NOM線和-NOM線將節(jié)點(例如節(jié)點140、160和180)饋送到二極管橋410和電容器402，從而對電容器402充電并啟動每個節(jié)點處的節(jié)點微處理器(例如145、165和185)。當來自節(jié)點微處理器的Tx數(shù)據(jù)線具有數(shù)字高(即數(shù)字“1”)時，有功電流吸收器(在一個實施例中包括電阻器408、二極管424、晶體管418和420、以及晶體管422)截斷，電流不被吸入。在這樣的狀態(tài)中，-NOM線為低，晶體管416截斷，因此為Rx數(shù)據(jù)提供數(shù)字高。
已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)以后，可通過將數(shù)據(jù)從控制器傳輸?shù)焦?jié)點繼續(xù)該方法。當控制器微處理器125開始發(fā)出一個字節(jié)的數(shù)據(jù)時，第一字節(jié)的起始空格在所有控制器線(+P、+N、-P和-N)上設置數(shù)字低(即“0”或零)，從而切斷電壓晶體管362、364、366和368。到緩沖器323、325、327和329的輸入都為數(shù)字高，使同相緩沖器(323和327)的輸出為數(shù)字高，使得它們的相應橋驅(qū)動器(333和337)為數(shù)字高，并且晶體管310和320截斷。幾乎同時，反相緩沖器325和329的輸出為低，使它們的相應橋驅(qū)動器(335和339)的輸出為低，使得輸出晶體管330和340也截斷。因此，在數(shù)據(jù)從控制器傳輸?shù)焦?jié)點的開始時，+NOM線和-NOM線浮動(float)為高阻。在一個實施例中，該狀態(tài)存在至少大約1微秒。
在初始空格(或“OFF”狀態(tài))以后，控制器微處理器125輸出切換到+P低、+N高、-P高和-N低(或“COM空格”狀態(tài))。在COM空格狀態(tài)中，晶體管364導通。當364的輸出變?yōu)榈蜁r，緩沖器325及其橋驅(qū)動器335的輸出變?yōu)楦撸油ㄝ敵鼍w管340，使得+NOM線變?yōu)榈汀碜钥刂破魑⑻幚砥?25的-P輸出同時變?yōu)楦?，使晶體管366的輸出變?yōu)榈?連同相應的緩沖器327和橋驅(qū)動器337)，接通輸出晶體管320，使得-NOM線變?yōu)楦?。在該組線路連接的所有節(jié)點處(例如140、160和180)經(jīng)歷標稱線上的這個到COM空格的變化。
在方法的一個實施例中，每個節(jié)點處的橋整流器410接收-NOM線上的正電壓、以及+NOM線上的負電壓。每個橋整流器410將正功率施加到輸出+POW和-POW上。系統(tǒng)在COM空格狀態(tài)中是穩(wěn)定的。來自控制器微處理器125的下一比特將在COM標記狀態(tài)中被發(fā)送，使得所有控制器微處理器125輸出線再次變?yōu)榈?，從而切斷晶體管362、364、366和368，并隨后切斷輸出驅(qū)動器晶體管310、320、330和340。如以前，在COM標記狀態(tài)中，系統(tǒng)浮動+NOM線和-NOM線。在一個實施例中，從COM空格狀態(tài)變化到COM標記狀態(tài)所需時間小于1微秒。
在COM標記狀態(tài)中，-NOM線被檢測為晶體管416處的低，從而將其切斷。負載電阻器412將Rx數(shù)據(jù)線拉為高，從而在到節(jié)點微處理器185的Rx數(shù)據(jù)輸入上指定標記(數(shù)字高)(圖4A和4B中)。相反，在COM空格狀態(tài)中，-NOM線被檢測為晶體管46處的高，從而允許電流流過并且將到節(jié)點微處理器185的Rx數(shù)據(jù)輸入拉為低，因而指定空格。因此，+NOM和-NOM線上極性的連續(xù)反轉(zhuǎn)有效地用于在到節(jié)點微處理器185的Rx數(shù)據(jù)輸入上產(chǎn)生數(shù)字信號。此外，橋整流器410將輸入線的功率切換到對于每個節(jié)點上+POW和-POW適當?shù)臉O性。在本發(fā)明的一個實施例中，每次控制器微處理器125將系統(tǒng)狀態(tài)從COM標記改變到COM空間時，通過系統(tǒng)多個部件之間的協(xié)作執(zhí)行以上方法。
在節(jié)點處已經(jīng)接收數(shù)據(jù)以后，節(jié)點微處理器185可以開始傳輸數(shù)據(jù)。來自節(jié)點微處理器185的數(shù)字數(shù)據(jù)出現(xiàn)在Tx數(shù)據(jù)輸出線上，通常作為數(shù)字高。當Tx線變?yōu)楦邥r，晶體管406導通，并且有功電流吸收器(在一個實施例中，包括晶體管408、二極管424、晶體管418和420、以及電阻器422)切斷。當Tx線變低時，晶體管406截斷，并且允許有功電流吸收器工作。當有功電流吸收器工作時，電流流過晶體管408，將晶體管418的柵極拉高，并接通晶體管420。當晶體管420導通時，電流流入源極電阻器422；當電流增加時，電阻器422上的電壓增加到晶體管418將接通的狀態(tài)，從而將晶體管420的柵極拉低直到穩(wěn)定不變的電流流過電阻器422和二極管424。數(shù)據(jù)通過該組線路被有效地發(fā)送，因為電流吸入在+NOM線上被感測到，并因此返回到電流接收器電路(例如電路200或250)。
在通過驅(qū)動器120時，電流通過晶體管330被從-NOM線轉(zhuǎn)移到電池接地端，并且電流也通過輸出驅(qū)動器310被從+NOM線轉(zhuǎn)移到V/C I/O線。V/C I/O線也延伸到傳感器(例如，霍爾傳感器255或電流感測電阻器215)。前面描述了用于感測通過電流接收器電路105(例如電路200或250)的電流信號的方法的實施例。
在一個實施例中，根據(jù)被設計與本發(fā)明一起使用的通信協(xié)議(“協(xié)議”)使用上述方法和系統(tǒng)。在本發(fā)明的其他實施例中，可以使用不同的通信協(xié)議，例如LIN協(xié)議或CAN協(xié)議。但是，這里所描述的協(xié)議相對于其他可以與本發(fā)明的系統(tǒng)和方法一起使用的通信協(xié)議提供了優(yōu)點，因為其是為在一組兩條線路上的通信所設計的。
在協(xié)議的一個實施例中，數(shù)據(jù)流被構(gòu)造為9比特的字。每個字包括用于地址和命令信息的8個比特以及用于與糾錯程序使用的第九校驗位(例如，校驗位可以被設為高，使得任何字中高的位數(shù)為奇數(shù)；只要微處理器接收到非奇總數(shù)，就可以啟動糾錯程序)。
可以在協(xié)議中由9比特的字傳遞的地址信息與由在系統(tǒng)的特定實施例中如何使用節(jié)點所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關。在一個實施例中，協(xié)議不區(qū)別具有傳感器負載的節(jié)點和具有執(zhí)行器負載的節(jié)點。例如，在系統(tǒng)的一個實施例中，其中32個傳感器或執(zhí)行器節(jié)點被連接到一組線路，每個節(jié)點具有4個子節(jié)點，用于協(xié)議的地址空間保留十六進制地址$00到$7F(對應于32×4＝128個不同地址)，用于尋址節(jié)點和子節(jié)點。在另一實施例中，不是子節(jié)點，而是為每個節(jié)點保留的四個地址可以被分發(fā)給節(jié)點的子函數(shù)。
如本領域技術(shù)人員將認識到的那樣，本發(fā)明的系統(tǒng)可以與多種通信速率中的任何一種一起使用。在一個實施例中，已經(jīng)使用了31.25k波特，其允許大約350微秒/9比特字的傳送率。
在協(xié)議中可以在9比特的字中傳遞的命令信息被設置，使得特定命令與以緊接在保留地址結(jié)尾后的$80(十六進制)開始的特定8比特(二進制)數(shù)相關。表2表示了在協(xié)議中怎樣分發(fā)命令的實施例。
表2協(xié)議命令的實施例


如表2的實施例中所示，“BLANK”信號表示接下來是具有地址或命令的字。當BLANK信號后面是$80時，緊接著是傳感器節(jié)點的地址?！笆占瘮?shù)據(jù)”是用于為控制器從節(jié)點收集新信息的標準命令(以下將進一步介紹)。跟隨在地址和命令序列后的“移位數(shù)據(jù)”($81)命令用于將從傳感器節(jié)點處的子函數(shù)(通常與傳感器相關)報告的所有數(shù)據(jù)放置到執(zhí)行器輸出端上。因此，移位數(shù)據(jù)命令允許利用本發(fā)明的系統(tǒng)在傳感器輸入端和執(zhí)行器輸出端之間建立反饋回路。在表2所示的命令結(jié)構(gòu)的實施例中還表示了“輪詢傳感器”命令，其在一個實施例中每1或2秒被執(zhí)行，以便驗證系統(tǒng)配置的完整性。“警示所有地址”用于通知后面將跟有命令序列的所有地址(在一個實施例中，$00到$7F)?！皥?zhí)行器報告”和“傳感器報告”命令從地址空間中的所有執(zhí)行器或傳感器請求數(shù)據(jù)，而“執(zhí)行器錯誤報告”、“執(zhí)行器狀態(tài)”、“傳感器錯誤報告”和“傳感器狀態(tài)”命令只涉及有效的執(zhí)行器或傳感器。最后，在一個實施例中，“節(jié)點錯誤指示符”命令用于向控制器微處理器通知節(jié)點什么時候經(jīng)歷某種類型的錯誤。在一個實施例中，16字節(jié)的RAM被設置在微處理器存儲器中，用于跟蹤這種類型的錯誤。
參考圖9和10，表示了用于控制器微處理器與節(jié)點微處理器之間完整的結(jié)構(gòu)化(structured)通信的時序圖。圖9表示響應于輪詢傳感器命令的結(jié)構(gòu)化通信的一個實施例，圖10表示響應于移位數(shù)據(jù)命令的結(jié)構(gòu)化通信的一個實施例，這二者都是根據(jù)這里所介紹的協(xié)議。
首先參考圖9，表示了在一個實施例中，控制器和節(jié)點微處理器之間的結(jié)構(gòu)化通信如何以BLANK命令開始。系統(tǒng)在COM標記狀態(tài)中靜止。在這樣的實施例中，當H橋?qū)O性反轉(zhuǎn)為COM空格狀態(tài)時，產(chǎn)生BLANK命令。在BLANK命令以后，控制器微處理器發(fā)出包括校驗位的輪詢傳感器命令(在一個實施例中，$82)，如上所述。在圖9的實施例中，輪詢傳感器命令首先被發(fā)送到已經(jīng)被分發(fā)了地址$00的節(jié)點。在地址信息已經(jīng)在該組線路上(通過電壓極性反轉(zhuǎn))被發(fā)送到節(jié)點$00以后，H橋反轉(zhuǎn)到COM標記狀態(tài)。然后，控制器處理器等待(通過電流傳感器和電流接收器電路)從節(jié)點微處理器接收數(shù)據(jù)。
如圖9所示，根據(jù)上述用于有功電流吸入的方法和系統(tǒng)，來自節(jié)點$00處的傳感器的數(shù)據(jù)然后通過節(jié)點$00處的有功吸入電流被發(fā)送。在一個實施例中，節(jié)點響應于輪詢傳感器命令而發(fā)送的數(shù)據(jù)包括其自己的地址加上校驗位；節(jié)點將其自己的地址重復并反射回控制器。已經(jīng)從節(jié)點$00接收這個數(shù)據(jù)以后，控制器切換回COM空格狀態(tài)，準備輪詢地址$01。在節(jié)點地址$01已經(jīng)被發(fā)送以后(通過電壓極性反轉(zhuǎn))，節(jié)點地址$01處的微處理器以用于節(jié)點$01的數(shù)據(jù)響應。盡管圖9的時序圖只表示了用于節(jié)點地址$00和$01的序列，但是序列然后為地址空間中的所有節(jié)點重復(在一個實施例中，從$00到$7F)。在一個實施例中，響應于輪詢傳感器命令而接收的數(shù)據(jù)被存儲在控制器微處理器處的存儲器中，在有效傳感器文件中。
命令、地址和響應的其他序列通常跟隨圖9所示的序列。在協(xié)議的一個實施例中，在輪詢傳感器命令之后，控制器處理器發(fā)布收集數(shù)據(jù)命令?？刂破魈幚砥髑袚Q到COM空格狀態(tài)(即發(fā)送BLANK)，發(fā)送$80(收集數(shù)據(jù)命令)，然后發(fā)送第一有效傳感器地址(例如$AA)。
作為響應，地址$AA處的節(jié)點微處理器將發(fā)送反映節(jié)點$AA處傳感器狀態(tài)的9比特的字。例如，如果地址$AA處的傳感器是開關，并且該開關閉合，則節(jié)點微處理器可以發(fā)送(利用有功電流吸收器)$FF作為響應。在一個實施例中，控制器處理器重新將響應($FF)發(fā)送回到節(jié)點微處理器。然后為下一個有效節(jié)點地址重復相同的序列。序列重復，直到已經(jīng)從系統(tǒng)中的每個有效節(jié)點地址收集了數(shù)據(jù)。
盡管在上述例子中，只有一個9比特的字(1個字節(jié)加1個校驗位)被從節(jié)點微處理器發(fā)送到控制器微處理器，但是應該理解，該協(xié)議能夠被配置為允許從每個節(jié)點微處理器發(fā)送附加字到控制器微處理器，例如，當節(jié)點微處理器能夠發(fā)送模擬數(shù)據(jù)流(在節(jié)點處從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字)時。節(jié)點和控制器微處理器能夠根據(jù)協(xié)議被編程，以在每個傳輸中發(fā)送和接收指定數(shù)量的字節(jié)。
現(xiàn)在參考圖10，表示了在已經(jīng)執(zhí)行收集數(shù)據(jù)命令之后，可以怎樣利用移位數(shù)據(jù)命令將數(shù)據(jù)從節(jié)點處的傳感器放置到執(zhí)行器?？刂破魑⑻幚砥魍ㄟ^發(fā)出BLANK來指示新的命令或地址將跟在后面。然后，發(fā)出移位數(shù)據(jù)(在一個實施例中是$81)命令，此后，所有有效節(jié)點將被命令的數(shù)據(jù)傳送到執(zhí)行器輸出端。在這個數(shù)據(jù)移位期間，控制器處理器將H橋維持在COM空格狀態(tài)，有效地保持長的BLANK，使得功率線在傳送附加數(shù)據(jù)之前穩(wěn)定(settle)。
在移位數(shù)據(jù)命令之后，協(xié)議可以包括一個序列，包括發(fā)出執(zhí)行器錯誤報告到每個活動節(jié)點，其中(與收集數(shù)據(jù)命令相似)每個活動節(jié)點將錯誤報告回控制器微處理器，然后接收關于如何處理錯誤的指令。如本領域技術(shù)人員可以理解的那樣，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)所使用的傳感器和執(zhí)行器的配置，后面可以跟有其他命令序列。以31.25k波特的通信速率，整個通信序列(包括錯誤識別、診斷、以及性能監(jiān)控)能夠每5秒重復一次。最后，根據(jù)本發(fā)明的協(xié)議的一個實施例，可以通過在加電復位上置零來清除每個微處理器處的錯誤。
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可以被安裝在多種物理環(huán)境中。圖5A和5B表示了其中本發(fā)明被安裝在汽車中的實施例。參考圖5A，汽車500(在一個實施例中，是軍用車輛)配備有交流發(fā)電機和電池510，其用作電源110。控制器微處理器和電流接收器電路被安裝在控制器盒520中。從控制器盒520，功率和雙向數(shù)據(jù)在一組線路上被傳輸?shù)胶蟾郊偩€(rear accessory bus)530，其例如可以控制尾燈540或其他執(zhí)行器(或傳感器)。作為負載安裝在汽車500內(nèi)的一個或多個節(jié)點上的計量器550和開關580(數(shù)字和模擬的傳感器)也通過一組線路電連接到控制器盒520。而且，前附件總線560被安裝在汽車500中，用于更多的傳感器和執(zhí)行器，例如以監(jiān)控功率和控制諸如前燈的車輛附件。在這樣的實施例中，前后附件總線530和560用于簡化系統(tǒng)的安裝和維護，并且不是系統(tǒng)工作必需的，因為在任何機械配置中通過一組線路與控制器盒520的電連接就允許節(jié)點設備的供能和控制。
在另一實施例中，本發(fā)明可被安裝在飛機上，如圖6所示。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的使用提高了飛機，諸如圖6所示軍用飛機的魯棒性、幸存能力以及簡單維護。
在軍事應用中，主要關心航空電子設備(avionics equipment)。戰(zhàn)斗任務期間或電磁措施期間所受到的損壞要求多重冗余布線(multiply redundant wiring)，其理想地被物理路由通過飛機的各個部分。實際上，這些要求由于對重量和功率的物理限制已經(jīng)非常困難。利用本發(fā)明，消除了這種安裝中的多數(shù)線路。
參考圖6，在這樣的實施例中，附到發(fā)動機上的發(fā)電機610作為系統(tǒng)的電源。功率被集中在控制器組件620中，并且與來自駕駛員座艙630的控制電路匹配。從控制器組件620，多個傳感器或執(zhí)行器640被加載到節(jié)點，其中節(jié)點連接到飛機中多個位置中的一組線路。由于節(jié)省了重量和功率，所以每組線路可以被裝有厚重的鋼板(heavilyarmor-plated)，以提高飛機電子設備的可靠性和幸存能力。而且，由于布線在數(shù)量和復雜性上更簡單，所以可以減少維護時間。本發(fā)明甚至可以用于生產(chǎn)即插即用或快速壓緊的(snap-in)模塊和電子元件。更簡單的維護導致更快的培訓、更低的成本、更大的戰(zhàn)場機動性(theater flexibility)、以及更少的倉儲時間。在非軍用飛機上也實現(xiàn)類似的優(yōu)點。大飛機，諸如波音757，中所安裝的多達80％的布線可由根據(jù)本發(fā)明所使用的該組線路替換。
在再一實施例中，本發(fā)明安裝在建筑物中，如圖7所示。在這樣的實施例中，整個計算機網(wǎng)絡從一個電源710和主控制器720開始。在建筑物處接收功率，例如從電力公司以120V AC線的形式。DC變換器或電池710將功率變換為DC，并將功率發(fā)送到主控制器720。在建筑物的墻內(nèi)預安裝一組線路，普通電源出口被物理間隔地安裝在整個建筑物的多個位置。相同的共同線路組將所有其他計算機和外部設備連接到系統(tǒng)700，包括個人計算機730和740、個人打印機750、掃描儀770、以及共享打印機760。電源710進行AC到DC的變換以及應急電源(例如通過電池)。
大多數(shù)計算機設備工作在12V電源。因此，通過使用本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，可以從連接到系統(tǒng)的每個設備中去除笨重昂貴的電壓變換器(電源最可能導致計算機元件的故障)。而且，連接到系統(tǒng)的每個單元具有唯一的地址，該地址允許唯一地區(qū)別其，從而允許更有效的數(shù)據(jù)傳送和對于傳統(tǒng)的傳輸功率和數(shù)據(jù)方法不可能的安全措施。
由于很多原因，系統(tǒng)700是穩(wěn)健的。首先，由于該組線路包括操作任何被連接單元所需的所有功率和數(shù)據(jù)流，所以其可被預安裝在建筑物中，通過普通的墻面插頭來允許容易地安裝和移動元件。其次，由于所有單元(或節(jié)點)共享功率和數(shù)據(jù)線，所以節(jié)點能夠通過經(jīng)由主控制器720發(fā)送消息來與其他節(jié)點通信(除了通常的方法，諸如連接個人計算機740和個人打印機750的并行纜線)。因此，與當前可用的選擇相比，系統(tǒng)700更智能和可修改。第三，由于功率和數(shù)據(jù)被從主控制器720監(jiān)控和控制，所以系統(tǒng)更安全和可靠；其被構(gòu)造以監(jiān)控如何使用設備(并且，因此能夠防止設備被非法使用)。
圖8被提供作為用于典型控制器或節(jié)點微處理器的引腳外結(jié)構(gòu)的例子。圖8所示微處理器是MOTOROLA 68HC908系列KX8微處理器，并且圖8表示了根據(jù)本發(fā)明的實施例，微處理器的引腳如何被連接到電池接地端、+P、+N、-P、-N、+5V、Rx、和Tx。
在介紹本發(fā)明的上下文中(尤其是以下權(quán)利要求的上下文中)術(shù)語“一個”、“一種”和“所述”以及類似指代詞的使用被解釋為覆蓋單個和多個，除非另有說明或者明顯與上下文矛盾。這里對數(shù)值范圍的敘述僅僅用作分別涉及落入該范圍中的每個單獨值的簡單方法，除非另有說明，并且每個單獨值被包括在說明書中，如同它被單獨指出一樣。這里所介紹的所有方法能夠以任何適當?shù)捻樞驁?zhí)行，除非另有說明或者否則與上下文明顯矛盾。這里所提供的任何和所有例子或示例性語言(例如“諸如”)的使用只是為了更好地說明本發(fā)明，其不構(gòu)成對本發(fā)明的范圍的限制，除非在權(quán)利要求中要求保護。本說明書中的語言不應該被解釋為將任何非要求保護的元素指示為實現(xiàn)本發(fā)明的要素。
這里描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，包括發(fā)明人所知的對于執(zhí)行本發(fā)明的最好模式。當然，通過閱讀以上介紹，本領域技術(shù)人員將了解這些優(yōu)選實施例的變體。在本發(fā)明的示例性實施例中為電路元件具體給出的具體阻抗值不應該被解釋為對本發(fā)明的范圍的限制，因為本領域技術(shù)人員熟知多個可選實施例，其中可以修改特定阻抗值或?qū)⑵鋸碾娮与娐分袆h除。發(fā)明人認為熟練技術(shù)人員能夠適當?shù)厥褂眠@樣的變體，并且發(fā)明人認為本發(fā)明能夠以這里所具體描述的不同的方式實現(xiàn)本發(fā)明。相應地，本發(fā)明包括使用的法律所允許的、所附權(quán)利要求書中所要求保護的主題的所有修改和等價物。而且，本發(fā)明包括在所有可能的變體中對上述元素的任何組合，除非有相反的說明或者明顯與上下文沖突。
權(quán)利要求
1.一種用于在多條線路上分發(fā)DC功率和數(shù)據(jù)的雙向數(shù)據(jù)和功率傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電源；電氣連接到所述電源和所述多條線路上的控制器，所述控制器包括電流傳感器、控制器微處理器、以及電流接收器電路；通過所述多條線路電氣連接到所述電流接收器的節(jié)點，所述節(jié)點包括有功電流吸收器、節(jié)點微處理器、以及負載；以及其中所述電源提供DC電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述多條線路是一對線路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述控制器還包括驅(qū)動器，所述驅(qū)動器包括晶體管橋，用于響應于來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓的極性。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動器包括至少一個開關、至少一個緩沖器、以及至少一個橋驅(qū)動器，其中所述橋驅(qū)動器用于調(diào)節(jié)來自所述控制器微處理器的電壓控制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中利用來自所述節(jié)點微處理器的至少一個數(shù)字輸出控制所述有功電流吸收器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述負載具有傳感器，用于產(chǎn)生對應于物理狀態(tài)測量的傳感器信號，所述傳感器信號用于利用所述節(jié)點微處理器和所述有功電流吸收器進行從所述節(jié)點到所述控制器的傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述負載包括執(zhí)行器，用于從所述控制器接收執(zhí)行器信號并響應于所述執(zhí)行器信號改變與所述系統(tǒng)相關的物理狀態(tài)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中在所述節(jié)點處從所述控制器接收的功率在被提供給所述負載之前被傳遞通過全波整流器和無源濾波器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述電流傳感器包括低阻抗電阻器，所述電流接收器電路包括積分器和比較器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述電流傳感器包括霍爾傳感器，所述電流接收器電路包括積分器和比較器。
11.一種在雙向數(shù)據(jù)和功率傳輸系統(tǒng)中用于提供功率以及發(fā)送數(shù)據(jù)和從節(jié)點接收數(shù)據(jù)的控制器，所述控制器包括控制器微處理器；電源，用于提供DC電壓；電氣連接到所述電源和所述節(jié)點的多條線路；電氣連接到所述電源和所述多條線路的電流傳感器；電流接收器電路，包括放大器、積分器和比較器，所述電流接收器電路用于從所述電流傳感器接收輸入信號以及提供輸出信號到所述控制器微處理器；以及驅(qū)動器，包括晶體管橋，用于響應于來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓的極性。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的控制器，其中所述多條線路為一對線路。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的控制器，其中所述驅(qū)動器包括至少一個開關、至少一個緩沖器、以及至少一個橋驅(qū)動器，其中所述橋驅(qū)動器用于調(diào)節(jié)來自所述控制器微處理器的電壓控制信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的控制器，其中所述電流傳感器包括低阻抗電阻器，所述電流接收器電路與所述電流傳感器并聯(lián)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的控制器，其中所述電流傳感器包括霍爾傳感器，所述電流接收器電路連接到所述霍爾傳感器的輸出端。
16.一種在雙向數(shù)據(jù)和功率傳輸系統(tǒng)中用于接收功率以及發(fā)送數(shù)據(jù)和從控制器接收數(shù)據(jù)的節(jié)點，所述節(jié)點包括節(jié)點微處理器；電氣連接到所述控制器的多條線路；從包括傳感器和執(zhí)行器的組中選擇的負載；功率調(diào)節(jié)電路，包括全波整流器和無源濾波器，用于從所述多條線路接收功率以及為所述負載提供功率；數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)電路，包括檢測器，用于在所述多條線路上從所述控制器接收數(shù)據(jù)，以及為所述微處理器提供數(shù)據(jù)；以及有功電流吸收器，所述有功電流吸收器由至少一個來自所述節(jié)點微處理器的數(shù)字輸出控制。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的節(jié)點，其中所述多條線路是一對線路。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的節(jié)點，其中所述負載是用于生成對應于物理狀態(tài)測量的傳感器信號的傳感器，所述傳感器信號用于利用所述節(jié)點微處理器和所述有功電流吸收器進行從所述節(jié)點到所述控制器的傳輸。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的節(jié)點，其中所述負載是用于從所述控制器接收執(zhí)行器信號以及響應于所述執(zhí)行器信號改變與所述系統(tǒng)相關的物理狀態(tài)的執(zhí)行器。
20.一種用于在多條線路上分發(fā)DC功率和數(shù)據(jù)的雙向數(shù)據(jù)和功率傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括電源，用于提供DC電壓；電氣連接到所述電源和所述多條線路的控制器，所述控制器包括電流傳感器、控制器微處理器、電流接收器電路、以及驅(qū)動器，其中所述驅(qū)動器包括晶體管橋，所述晶體管橋能夠響應于來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓的極性；以及通過所述多條線路電氣連接到所述控制器的節(jié)點，其中所述節(jié)點包括有功電流吸收器、節(jié)點微處理器以及負載。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述多條線路是一對線路。
22.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述驅(qū)動器還包括至少一個開關、至少一個緩沖器、以及至少一個橋驅(qū)動器，所述橋驅(qū)動器用于調(diào)節(jié)來自所述控制器微處理器的電壓控制信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中利用至少一個來自所述節(jié)點微處理器的數(shù)字輸出控制所述有功電流吸收器。
24.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述負載包括用于生成對應于物理狀態(tài)測量的傳感器信號的傳感器，利用所述節(jié)點微處理器和所述有功電流吸收器將所述傳感器信號從所述節(jié)點傳輸?shù)剿隹刂破鳌?br> 25.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述負載包括用于從所述節(jié)點接收執(zhí)行器信號以及響應于所述執(zhí)行器信號改變與所述系統(tǒng)相關的物理狀態(tài)的執(zhí)行器。
26.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中在所述節(jié)點處從所述控制器接收的功率在被提供給所述負載之前被傳遞通過全波整流器和無源濾波器。
27.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述電流傳感器包括低阻抗電阻器，所述電流接收器電路包括積分器和比較器。
28.根據(jù)權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中所述電流傳感器包括霍爾傳感器，所述電流接收器電路包括積分器和比較器。
29.一種在雙向數(shù)據(jù)和功率傳輸系統(tǒng)中用于提供功率以及發(fā)送數(shù)據(jù)和從節(jié)點接收數(shù)據(jù)的控制器，所述控制器包括控制器微處理器；電源，用于提供DC電壓；電氣連接到所述電源和所述節(jié)點的多條線路；電氣連接到所述電源和所述多條線路的電流傳感器；電流接收器電路，包括放大器、積分器、以及比較器，其中所述電流接收器電路用于從所述電流傳感器接收輸入信號以及將輸出信號提供給所述微處理器；以及驅(qū)動器，包括晶體管橋，所述晶體管橋用于響應于來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓極性，所述電壓控制信號被調(diào)節(jié)，以通過至少一個開關、至少一個緩沖器、以及至少一個橋驅(qū)動器提供給所述晶體管橋。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的控制器，其中所述多條線路是一對線路。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的控制器，其中所述電流傳感器包括低阻抗電阻器，所述電流接收器電路與所述電流傳感器并聯(lián)。
32.根據(jù)權(quán)利要求29的控制器，其中所述電流傳感器包括霍爾傳感器，所述電流接收器電路連接到所述霍爾傳感器。
33.一種用于在多條線路上分發(fā)DC功率和數(shù)據(jù)的雙向數(shù)據(jù)和功率傳輸系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于提供DC電壓的裝置；用于接收電流信號以及將所述電流信號提供給控制器微處理器的裝置，所述用于接收電流信號的裝置被電氣連接到所述用于提供DC電壓的裝置，以及用于檢測DC電壓極性變化以及從所述DC電壓接收功率的裝置，所述用于檢測的裝置被電氣連接到所述用于接收的裝置和所述用于提供的裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中所述多條線路是一對線路。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中所述用于接收的裝置包括用于響應于來自所述控制器微處理器的電壓控制信號切換所述多條線路上的DC電壓的極性的裝置。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中所述用于檢測的裝置包括用于生成對應于物理狀態(tài)測量的傳感器信號的裝置，所述傳感器信號被從所述用于檢測的裝置傳輸?shù)剿鲇糜诮邮盏难b置。
37.根據(jù)權(quán)利要求33的系統(tǒng)，其中所述用于檢測的裝置包括用于響應于DC電壓極性的變化而改變與所述系統(tǒng)相關的物理狀態(tài)的裝置。
38.一種用于通過多條線路傳輸功率和雙向數(shù)據(jù)的方法，所述方法包括以下步驟將具有極性的DC電壓傳輸給節(jié)點，用于為連接到所述節(jié)點的負載提供功率；根據(jù)到所述節(jié)點的控制信號，切換所述DC電壓的極性；以及在所述節(jié)點處有功地吸入電流，以便發(fā)送響應信號。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，還包括以下步驟利用至少一個控制器輸出線生成所述控制信號；以及利用節(jié)點輸出線生成所述響應信號。
40.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，在所述切換步驟中，通過包括晶體管橋的驅(qū)動器實現(xiàn)所述切換。
41.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中，在所述有功吸入的步驟中，通過包括晶體管和電阻器的網(wǎng)絡的有功電流吸收器實現(xiàn)所述吸入。
42.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，還包括以下步驟對在所述節(jié)點處所接收的DC電壓進行整流；以及對在所述節(jié)點處所接收的DC電壓進行濾波。
43.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中所述多條線路是一對線路。
44.一種用于驅(qū)動晶體管橋的方法，所述方法包括以下步驟切斷所述晶體管橋中的第一晶體管；在所述第一晶體管被切斷以后，接通所述晶體管橋中的第二晶體管；以及平衡所述第一晶體管的第一輸入電容和所述第二晶體管的第二輸入電容。
45.一種用于防止電源通過晶體管橋短接的電路塊，所述晶體管橋包括第一晶體管和第二晶體管，所述電路塊包括電阻器，用于防止電流流動，以及增加用于接通所述第二晶體管的時間常數(shù)；以及電容器，所述電容器的電容近似等于所述第一晶體管和所述第二晶體管之間的輸入電容差。
全文摘要
表示了介紹了一種用于雙向數(shù)據(jù)和功率的方法和系統(tǒng)。一個示例性實施例包括電流接收器和通過多條線路連接到電流接收器的多個節(jié)點，電流接收器包括微處理器和驅(qū)動器，線路允許電流接收器和多個節(jié)點之間的供電和雙向數(shù)據(jù)傳送。相對于現(xiàn)有技術(shù)，將多條線路用于功率和數(shù)據(jù)傳輸在重量減小和系統(tǒng)模塊性方面提供了顯著的優(yōu)點。
文檔編號H04L25/02GK1813420SQ200480018092
公開日2006年8月2日 申請日期2004年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月26日
發(fā)明者詹姆斯·M.·海爾三世, 丹尼爾·L.·格里恩 申請人:Abet技術(shù)有限公司