单总线单片机多机通讯系统设计

       传统的多机通讯系统一般需要四条线完成：
       1.电源线；2.地线；3.发送信号线；4.接收信号线。然而，对于主机和分机距离较远、分机台数较多的系统，采用四线制的经费投入较大，安装起来也颇困难。基于这一问题，本文结合为某医院研制的既有模拟信号（语音）又有数字信号的传输呼叫系统，提出用单总线实现多机通讯，并给出了一个完整的技术方案。

        1 单总线制多机通讯系统的总线设计方案

        本设计实现的多机呼叫系统的主要功能是：分机呼叫主机，利用单片微机向主机发送数字呼叫信息，主机响应后，显示出呼叫的分机号，打开主机和分机的模拟通道进行主机与分机的对讲；主机呼叫某分机，主机部分输出分机号，直接打开相应分机的模拟通道，进行分机与主机的对讲；群呼，主要逐一发送打开所有分机的数字信息，数秒之内打开所有分机的模拟通道，主机向各分机传送语音信号。用单总线制实现这种多机通讯的核心问题是电源、地线和信号线如何分配，如何进行信号的双向传输，如何解决它们之间的相互干扰。作者将信号（包括数字信号和模拟信号）和电源共用一根线，另一线为地线——单总线制。在电路结构和技术上，采用电源隔离电路，极大限度地减小电源滤波对信号的影响；用消侧音电路完成对模拟信号的处理。主机电路原理框图如图1所示。

       当主机需要与某机通话时，操作者拿起话筒，通过常用的电话机键盘拨号，显示器显示出被呼叫的分机号，同时，将数字信号发送到总线，分机接到数字信号并确认主机要求通话时，接通模拟通道。主机的语音信号经功放、单总线到分机的功放推动扬声器。分机的语音信号经功放放大、消侧音电路、单总线到主机的功放推动扬声器或听筒。通话完毕，主机挂断，与此同时，主机的微机发出停止显示信号和分机挂断信号，显示器熄灭，分机接到挂断信号后，使分机的模拟通道的地悬浮，从而完成了一次通话过程。
       在主机需要与各分机同时接通时，例如医院里需要把某件事通知所有病床时，如果用键盘逐一拨通分机，就不可思议了。本设计考虑到这方面的问题，只要操作者按动群呼键，可在数秒之内接通各分机实现群呼。

       在分机需要与主机通话时，按一下通话按键（分机仅此一按键），单片微机发出数字信号，经单总线送到主机的单片微机。主机单片微机接到信号后，显示分机号码，判断话机是否挂断，若为挂断状态，则循环判断直至话机挂起，拿起话筒后，主机立即向相应的分机发出允许通话的信号，分机接通模拟通道便可进行通话，通话完毕，话筒挂断，主机向分机发送挂断信号，分机将模拟通道的地悬浮。这样，既节约了电能又不影响佞机部分人员的正常工作。

       通讯的优先级，对于医院的重病号、机关的要害部门等，在呼叫系统中必须优先考虑。在本设计中，在主机接到众多的呼叫信号后，首先判断优先级，接通优先级最高的分机通话，而后逐步与低优先级的分机通话。
       2 电源隔离
       在单总线制多机通讯系统中，数字信号、模拟信号和电源共用一条线，如果不采取措施，交变的数字信号和模拟信号将被电源的滤波电容器吸收。在本设计中，未加电源隔离电路时，交变的5V信号经传输线到分机后仅有10mV。采用如图2所示隔离电路后，信号传到分机大于250mV，信号的衰减程度得到明显改善。图中的二极管、三极管、稳压管、电感和电阻的隔离电路用于主机，而分机只需一只电感和一只二极管即可。
       3 模拟信号处理电路
       单总线既要发送语音信号，又要接收语音信号，势必形成环流。为了解决讲话时听到自己的声音（称为侧音），采取了消侧音措施。一般地，消侧音有种方法：一种是桥式消侧电路；另一种是相位抵消法的消侧音电路，后者效果更佳。考虑到一台主机和多台分机的成本调试因素，故主机部分采用相位抵消消侧音电路，分机则用桥式消侧音电路。

      相位抵消消侧音电路如图3所示，该电路由三个运算放大器及相应的电阻、电容和电位器组成。由总线来的分机信号经RW1、F3至功放，主机的话筒信号一路经功放1、总线、RW1至F3的同相输入端，另一路经F1、F2、RW2至F3的反相输入端。调节适当的K、C、RW1、RW2值可使主机的话筒信号在F3输出端接近零伏，从而侧音被消除。
      桥式消侧音电路如图4所示。整个电路由国个晶体管（语音发送放大）及R、C元件组成，图中ZL为外线路的等效阻抗。当该分机发送话机信号时，由三极管发射极输出单频信号电流，国路经外线ZL和电阻R3再加到三极管的发射极形成电流环路；另国路则经R1、C1、R2和C2形成电流环路。若电桥平衡，即
      ZL（R2-j1/ωC2）=R3(R1-j1/ωC1)则Vc0=0
       由于后级功放的输入信号为零，故扬声器不发声，侧音被消除。主机通过总线来的模拟信号，经R1、C1和RC到电压放大器进行电压放大再进行功率放大。