原创多cpu电源线（或者单线）通信的实现方法

 2010-9-29 13:30  4472 17 17 分类: MCU/ 嵌入式

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所谓单线通信，其实还是需要两根导线，否则形不成电流回路。这里的意思是，共用CPU电源线完成信号的传递，而不需要单独的信号线。
  两根线，既要给CPU供电，又要传递信号，供电电压需要稳定，信号电压需要交变，看起来是矛盾的。
  解决方法无非是折中：供电电压稳定性做点牺牲，让信号调制上来，再加一个低通滤波器将其消除；信号的调制方法做点让步，尽量减少对
电源的影响，借用电源通道传输，再加一个高通滤波器将信号提取出来。在电力线上传输信号已经是成熟技术，在此我不想讨论，我只想做一
个简单的方案，能够使CPU之间以不太低的速率可靠传输数据即可。
  方案如图所示。

1. DC是供电电源，L1是电感，GND和COM是公用线，既给CPU供电，又供CPU间传递信号。
2. C1是滤波电容，储存电能给CPU供电。
3. D2有两个作用，一是截止作用：当COM线上的电位由高变低时，C1上的电能不会回灌到COM；二是导通作用：当COM线上的电位由低变高时，
L1上会感应出高电压，导致COM线电位高于C1电位，D2起到泄压作用。
4. D1的作用是防止多个CPU 同时发送数据时造成电流短路。

原理:
  没有数据发送时，COM线高电平；有CPU发送数据时，COM线电平随发送CPU的Tx信号高低变化，因为所有Rx（包括发送CPU的）都连在一起，因
此都可以接收到该数据，这样就完成了数据的发送与接收。

通信协议可以自定义，我提出两个例子。
协议1：主从协议
  只有一个CPU做主，其余都是从，所有通信都由主CPU发起，其余只能被动应答。通信过程分三步：1）主CPU发送命令，2）从CPU回应数据，3
）主CPU回应ACK。或，1）主CPU发送命令，2）主CPU发送数据，3）从CPU回应ACK。
命令格式：2字节同步码 + 1字节标记码 + 1字节从CPU地址码 + 1字节命令码 + 2字节参数码 + 1字节CRC校验码
数据格式：2字节同步码 + 1字节标记码 + 1字节数据长度码 + N 字节数据 + 1字节CRC校验码
ACK格式：2字节同步码 + 1字节标记码 + 1字节回应码 (0x55表示接收正确，否则失败) + 1字节CRC校验码
侦错与纠错机制：靠同步码进行帧同步，靠CRC校验码进行帧检错，接收方发现错误丢弃错误帧，发送方等待数据超时重发，连续重发3次失败
放弃发送。

协议2：竞争协议
借用以太网的机制，每个CPU都是平等地位，都可以随时发送数据。步骤如下，当任何一个CPU想发送数据时，
1）探听COM线1ms时间，之内若无数据接收，则转2），否则继续探听。
2）向COM线发送数据，同时接收回来，一旦发现接收数据和发送数据不相同，则转3），否则一直发送数据直到数据发送完毕，返回。
3）停止发送，等待一个随机时间 N ms，转1）。
发送数据格式：2字节同步码 + 1字节源CPU地址码 + 1字节目的CPU地址码 + 1字节数据长度码 + N 字节数据 + 1字节CRC校验码
侦错与纠错机制：靠同步码进行帧同步，靠CRC校验码进行帧检错，靠高层协议进行纠错，高层协议略。

疑问解答：发送数据时Tx变成低电平，电源岂不对地短路啦？
  如果不接电感L1，COM又接地，确实会发生电源对地短路，但是接了L1后就不会了，COM接地相当于此时电源只接了L1一个负载，电源消耗的
电能随着L1电流增加变成了储存在L1中的磁能，当COM又变回高电平时，这部分磁场能量会随着D2的泄压作用转移到电容C1中，变成电场能量，
最终被CPU消耗掉，是不是和升压DC-DC有点像？因此可以预期在通信期间，CPU供电电压（即C1电压）会有所升高。

疑问解答：为何选择串口（Tx、Rx）作为数据收发口？
  从原理上看，调制信号占空比应该越大越好，占空比越大，每个周期内低电平时间相对越短，因DC-DC效应对CPU电源电压影响就越小；凡事
不能走极端，占空比也不能太小，否则抗干扰能力就差了。
  另外，通信速率也不宜太低，速率太低，造成发送1bit时COM线电平被拉低时间太长，L1电流过大，会造成L1储能饱和，电源效率降低。
  因此，使用串口不是最好选择，串口信号调制占空比为‘1’100%可以，‘0’0%太小了；串口速率普遍较低，最高才115Kbps。但是，因为单
片机上一般不集成有专门适用于我这个方案的硬件收发器，软件模拟或外挂CPLD又太麻烦，所以干脆用串口算了，硬件简单，成本还低，软件
也不复杂，直接操作串口就行了。