一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯方法及其装置，设有物理层和链路层，物理层包括单片机、Tx发送脚、Rx接收脚和换能器，单片机包括第一单片机、第二单片机，换能器包括第一换能器、第二换能器，链路层包括起始位、数据位、校验位和停止位；第一单片机用于发送数据，第二单片机用于接收数据，第一换能器用于将电能转化为超声波，第二换能器用于将超声波转化为电能。其解决了现有模块间通讯方式在恶劣环境中应用的成本高、功耗高、体积大、难以大规模应用的技术问题。本发明专利技术可广泛应用于模块间固体、液体、气体介质存在时近距离、低功耗、高速率的数据通讯。

A high speed half duplex ultrasonic communication method and its device for short distance between modules

【技术实现步骤摘要】
一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯方法及其装置
本专利技术涉及一种超声波通讯方法及其装置，特别是涉及一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯方法及其装置。
技术介绍
随着智能科技的发展，在由多个模块组成的设备中，需要各个模块间能够实现数据互通，以智能水表为例，现有的数据交互方式为：基表中增加带金属片的表盘，通过表盘转动中的LC振荡实现无磁流量计量，这种方式无法传递数字信号，仅能用于流量计量，使用非常受限。实现数字信号传递的模式一般采用有线数据通讯、红外光通讯和RF无线射频通讯的方式，这三种方式存在以下优缺点：(1)采用有线数据通讯，例如串口、I2C、SPI或者高速总线方式，这是目前最主要的通讯方式，成本和功耗较低、速率较高、通讯可靠。对于水表这种工作环境比较恶劣的产品，必须要达到IP68防水等级，有线连接的防水处理比较困难，特别是模块更换维护时，难以实现快速、可靠的防水处理；(2)采用红外光通讯方式：光通讯可实现无线非接触通讯，使用方便，性价比较高。但对于工作环境恶劣的产品，红外灯表面易覆盖沉积污物，光衰严重，难以长期可靠通讯；(3)采用RF无线射频通讯方式：RF无线射频通讯方式可实现非接触、长距离的数据通讯，功能强大，但射频通讯方式的成本、功耗较高，体积较大，实际中难以大规模应用。
技术实现思路
本专利技术针对现有模块间通讯方式在恶劣使用中应用的成本高、功耗高、体积大、难以大规模应用的技术问题，提供一种可应用于固体、液体、气体介质，且信息传递不受恶劣环境影响、成本低、体积小、可大规模推广应用的模块间近距离的高速半双工超声波通讯方法及其装置。为此，本专利技术的技术方案是，一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯装置，设有物理层和链路层，物理层包括单片机、Tx发送脚、Rx接收脚和换能器，单片机包括第一单片机、第二单片机，换能器包括第一换能器、第二换能器，链路层包括起始位、数据位、校验位和停止位；第一单片机用于发送数据，第二单片机用于接收数据，第一换能器用于将电能转化为超声波，第二换能器用于将超声波转化为电能。优选的，第一单片机与第一换能器通过Tx发送脚连接，第二单片机与第二换能器通过Rx接收脚连接。优选的，Rx接收脚上设有比较器，比较器可检测换能器是否接收到超声波信号。优选的，换能器采用高速超声波换能器，工作频率为200kHz，通讯距离不大于10mm。优选的，单片机Tx发送脚可通过PWM、定时器、IO轮询翻转方式发出方波。一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯方法，第一单片机发送数据时，第一单片机的Tx发送脚产生所述第一换能器工作频率的方波，第二单片机的Rx接收脚的比较器检测到换能器起振的波形信号后，立即按设置的波特率解析数据位，并同时复位换能器，开始数据接收处理。优选的，第一换能器发送数据将电能转化为超声波，第二换能器接收数据将超声波转化为电能。优选的，比较器预先设定阈值，阈值大于三分之一波峰值，可根据工况进行动态调整，当比较器检测到波形幅值超过设定阈值时，启动单片机的接收定时器，开始字节接收过程。优选的，单片机Tx发送脚发出换能器工作频率的方波，单片机Tx发送脚在比特0时发出方波，在比特1时不发送方波，单片机Tx发送脚每个比特发出的方波个数为5个或以上，每个比特发送方波时间与方波传输时间之和小于波特率位宽的一半。优选的，单片机Rx接收脚可通过内置或外置的比较器在比特位宽时间内检测换能器是否接收到超声波信号，接收到所述换能器信号则认为接收到比特0，没接收到所述换能器信号则认为接收到比特1。本专利技术有益效果如下：(1)由于设有换能器，可以将电能与超声波进行转换，不受工作环境的影响，可以广泛适用于近距离的固体、液体、气体的数据传输中；(2)由于Rx接收脚上设有比较器，可以判断有无超声波信号，比较器阈值可调整，可以根据数据接收的需要设置阈值，有效滤除杂波，进而更高效的收集所需的数据信息；(3)由于链路层比特位仅通过超声波的有和无来判断，不需要调压、调频以及复杂的采样、编码算法，链路处理非常简单；(4)通过以上技术方案，两个相近的模块间传递数据，可以通过电能和超声波互相转换，采用超声波传递的方式，环境适应性强，设备成本低，体积小，通讯速率高，可广泛推广应用。附图说明图1是本专利技术实施例的模块间通讯原理示意图；图2是本专利技术实施例的数据收发波形图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述。如图1-2所示，一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯方法及其装置，物理层包括第一单片机、第一换能器、第二单片机、第二换能器，链路层数据字节包括起始位、数据位、校验位和停止位，第一单片机发送数据、第二单片机接收数据时，第一单片机引脚设置为Tx发送脚，连接第一换能器，第二单片机引脚设置为Rx接收脚，启用内部或外部比较器，连接第二换能器，第一单片机的Tx发送脚启用PWM功能，发送第一个字节数据起始位，发送5个方波，第一换能器起振，发出超声波信号，第二换能器接收到超声波信号开始起振，幅值逐渐增大，第二单片机比较器检测到波形幅值电压超过阈值电压，接收到比特0，启动接收定时器，开始字节接收过程，同时将Rx引脚立即拉至低电平5个波形周期，使换能器停止震荡，第一单片机发送后续的字节比特位，第二单片机根据定时器解析每个比特位，校验比特位，保存字节数据。通讯双方继续发送数据字节，完成整个数据帧的转发过程。第二单片机发送数据，第一单片机接收数据时，第二单片机引脚设置为Tx发送脚，第一单片机引脚设置为Rx接收脚，重复上节过程完成通讯。本专利技术中，物理层提供了数据通讯的物理媒体规范特性，采用定制的固液气中均可工作的高速超声波换能器，数据发送时，如果为比特1，单片机Tx发送脚不发出方波，如果为比特0，发出换能器工作频率的方波，方波个数为5个或以上，每个比特发送总时间与方波传输时间之和小于波特率位宽的一半，达到接收换能器的起振和阈值幅度要求。单片机Rx接收脚可通过内置或外置的比较器电路检测换能器是否接收到超声波信号，比较器阈值可动态调整，检测到信号则认为接收到比特0，没检测到换能器信号则认为接收到比特1，单片机Rx接收脚可在检测换能器信号后，立即将引脚置为低电平，复位换能器，结束本次换能器起振过程，准备下个比特数据接收。本专利技术中，链路层定义了数据通讯的链路特性，每个数据帧包含若干字节，每个字节包含1个起始位、8个数据位、1个校验位、1个停止位，数据帧之间存在帧间隔，数据帧间隔不小于22个比特位，起始位为比特0，数据位先发送低位比特，校验位支持奇校验、偶校验和无校验，停止位为比特1，单片机Tx发送脚在发送数据帧时，首先判断声道空闲时间不小于22个比特位，如果声道不空闲，应优先完成数据帧的接收过程。本专利技术中，通讯速率为2400bps时，比特位宽为417us，换能器工作频率为200kHz，5个方波时长25us，换能器间距10mm时超声波空气中传输时长29us本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯装置，其特征在于，设有物理层和链路层，所述物理层包括单片机、Tx发送脚、Rx接收脚和换能器，所述单片机包括第一单片机、第二单片机，所述换能器包括第一换能器、第二换能器，所述链路层包括起始位、数据位、校验位和停止位；所述第一单片机与第一换能器通过所述Tx发送脚连接，所述第二单片机与第二换能器通过所述Rx接收脚连接；/n所述第一单片机用于发送数据，所述第二单片机用于接收数据，所述第一换能器用于将电能转化为超声波，所述第二换能器用于将超声波转化为电能。/n

【技术特征摘要】
1.一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯装置，其特征在于，设有物理层和链路层，所述物理层包括单片机、Tx发送脚、Rx接收脚和换能器，所述单片机包括第一单片机、第二单片机，所述换能器包括第一换能器、第二换能器，所述链路层包括起始位、数据位、校验位和停止位；所述第一单片机与第一换能器通过所述Tx发送脚连接，所述第二单片机与第二换能器通过所述Rx接收脚连接；
所述第一单片机用于发送数据，所述第二单片机用于接收数据，所述第一换能器用于将电能转化为超声波，所述第二换能器用于将超声波转化为电能。


2.根据权利要求1所述的高速半双工超声波通讯装置，其特征在于，所述Rx接收脚上设有比较器，所述比较器可检测换能器是否接收到超声波信号。


3.根据权利要求1所述的高速半双工超声波通讯装置，其特征在于，所述换能器采用固液气中均可工作的超声波换能器，工作频率为200kHz，通讯距离不大于10mm。


4.根据权利要求1所述的高速半双工超声波通讯装置，其特征在于，所述单片机Tx发送脚可通过PWM、定时器、IO轮询翻转方式发出方波。


5.一种模块间近距离的高速半双工超声波通讯方法，其特征在于，所述第一单片机发送数据时，所述第一单片机的Tx发送脚产生所述第一换能器工作频率的方波，所述第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：付涛，王晓春，毕勇冠，
申请(专利权)人：威海市天罡仪表股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37