远距离带宽速率可变高速差分通信装置、系统及通信方法技术领域
本发明涉及一种远距离带宽速率可变高速差分通信装置、系统及通信方法。
背景技术
随着我国经济建设的高速发展，我国的城市地下网络工作大力地开展。城市地下
管网的安全性越来越重要，越来越多的监控设备遍布城市地下。很多地下管网不具备大功
率供电条件、没有基站信号、没有以太网，使用传统的通信方式的监控设备无法在这种环境
下布设。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种远距离带宽速率可变高速差分通
信装置、系统及通信方法，它可利用普通的通信电缆，实现低压远程供电，高带宽、高速率通
信，并可根据现场情况改变上下行带宽。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种远距离带宽速率可变高速差分通信装置，包括：
MCU单元，所述MCU单元设有以太网接口和若干串行接口，所述以太网接口与以太
网通信单元连接；每个所述串行接口均与差分电路连接；差分电路实现将MCU单元的串行
uart信号转换为差分信号，实现上下行通信；
所述差分电路包括彼此连接的信号调理单元和电平转换单元，所述信号调理单元
与串行接口连接，所述电平转换单元与外界的多芯双绞通信电缆连接。
所述MCU单元采用多串口ARM芯片。
所述串行接口至少为四个，所述串行接口为全双工串行接口。
所述串口接口的通信速率为1200bps/秒～11.0592Mbps/秒。
所述以太网通信单元与第三方设备连接和通信。
一种远距离带宽速率可变高速差分通信装置的通信方法，包括如下步骤：
步骤(1)：通过多芯双绞通信电缆将差分通信装置逐级级联形成链型拓扑结构；
步骤(2)：多芯双绞通信电缆中芯线的通信和供电连接分配；
步骤(3)：通信速率的最优选择，以实现高速率通信；
步骤(4)：通信带宽的动态调节，以实现带宽的可变。
所述步骤(2)步骤为：多芯双绞通信电缆中8芯用于差分通信装置间通信，剩余线
芯用于供电，采用DC24～48V低压直流远程供电，根据挂载差分通信装置数量以及通信距
离，供电线芯数量不同。
所述步骤(3)：随着差分通信装置距离的不同，距离越近，通信速率越高，通信时，
差分通信装置的MCU单元采用自适应速率调节法根据距离的不同自动匹配最优的通信速
率，在保证通信准确率的情况下，实现在不同距离下最高的通信速率。
所述步骤(3)：差分信号通信速率范围是1200bps～11.0592Mbps/S。
所述步骤(3)：最高通信速率与通信距离成反比，距离越远最高通信速率越低。
所述自适应速率调节法，是指差分通信装置默认为波特率自适应模式。
所述自适应速率调节法有3点：
(1)接收端：差分通信装置的接收端为波特率自适应模式，接收端自动检测发送端
的数据速率，进而调整自身的接收速率与发送速率一致。
(2)发送端：差分通信装置A的发送端上电后，首先以最高通信速率向连接的差分
通信装置B的接收端发送握手协议，差分通信装置B的接收端收到握手协议之后，将按最高
通信速率回复握手信息；如果差分通信装置A没有收到差分通信装置B回复的握手信息，差
分通信装置A将逐渐降低发送端波特率，直到接收到差分通信装置B回复的握手信息为止。
(3)差分通信装置A接收到差分通信装置B回复的握手信息后，差分通信装置A与差
分通信装置B进行若干轮信息交互，确认通信稳定性。如果信息交互时，发现通信不稳定，则
差分通信装置A继续降低通信速率，再次进行若干轮信息交互，直到通信稳定为止，从而实
现自适应速率调节功能。
当装置A安装上电之后，差分信号的发送端以最高通信速率向与装置A连接的装置
B发送握手协议，装置B接收到握手协议之后，将按此波特率回复握手信息；
装置A如果没有接收到装置B设备回复的握手信息，则装置A设备将逐渐降低波特
率，直到接收到装置B设备回复的握手信息，并进行若干轮信息交互，确认通信稳定性，实现
自适应速率调节功能。
所述步骤(4)：差分通信装置具备上行和下行差分电路各两路；
所述步骤(4)：在通信过程中，经差分通信装置中的MCU单元判断，若上下行数据量
一致，则认为上下行带宽处于平衡的情况，运行中的差分通信装置设备默认保持上行和下
行差分通信通道各两路；
所述步骤(4)：在通信过程中，经差分通信装置中的MCU单元判断，若上下行数据量
偏差大于设定阈值，则认为上下行带宽处于不平衡的情况下，MCU单元切换差分电路的差分
信号方向，实现一路上行三路下行或者三路上行一路下行的模式，实现带宽动态调整。
采用一种远距离带宽速率可变高速差分通信装置的系统，通过多芯双绞通信电缆
将差分通信装置逐级级联形成链型拓扑结构，多芯双绞通信电缆中芯线分别用于通信和供
电；差分通信装置采用自适应速率调节法根据差分通信装置距离的不同自动匹配最优的通
信速率。
本发明的有益效果：
1.实现供电与通信一体，低压远程供电，安全可靠。
2.带宽可变的通信方式，灵活性高，可满足不同需求的应用方式。
速率可变的通信方式，可满足不同距离下的数据通信需求。同时根据通信数据量
的多少，选择不同的速率，可调整节点间距离，改进节点数量，降低工程成本。
附图说明
图1为本发明差分通信装置的硬件框图；
图2为本发明的差分通信方法流程图；
其中，1、第一电平转换电路，2、第二电平转换电路，3、第三电平转换电路，4、第四
电平转换电路，5、第一信号调理电路，6、第二信号调理电路，7、第三信号调理电路，8、第四
信号调理电路，9、第一串行接口，10、第二串行接口，11、第三串行接口，12、第四串行接口。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种远距离带宽速率可变高速差分通信装置，包括MCU单元，所述MCU
单元分别设有第一串行接口9、第二串行接口10、第三串行接口11、第四串行接口12和以太
网接口，所述以太网接口与以太网通信单元连接，所述第一串行接口9与第一差分电路连
接；所述第二串行接口10与第二差分电路连接；所述第三串行接口11与第三差分电路连接；
所述第四串行接口12与第四差分电路连接；差分电路实现将MCU单元的串行uart信号转换
为差分信号，实现差分通信装置的上下行通信；
所述第一差分电路包括彼此连接的第一信号调理单元5和第一电平转换单元1，所
述第一信号调理单元5与第一串行接口9连接，所述第一电平转换单元1与外界的多芯双绞
通信电缆连接。
所述第二差分电路包括彼此连接的第二信号调理单元6和第二电平转换单元2，所
述第二信号调理单元6与第二串行接口10连接，所述第二电平转换单元与外界的多芯双绞
通信电缆连接。
所述第三差分电路包括彼此连接的第三信号调理单元7和第三电平转换单元3，所
述第三信号调理单元7与第三串行接口11连接，所述第三电平转换单元与外界的多芯双绞
通信电缆连接。
所述第四差分电路包括彼此连接的第四信号调理单元8和第四电平转换单元4，所
述第四信号调理单元8与第四串行接口12连接，所述第四电平转换单元与外界的多芯双绞
通信电缆连接。
其中MCU单元采用多串口ARM芯片。差分通信占用4个全双工串口，每个串口通信速
率为1200bps/秒～11.0592Mbps/秒。MCU单元的具有4路串行接口。
其中信号调理单元和电平转换单元为电路一致的4组单元，可以实现将MCU单元的
串行uart信号转换为差分信号，实现差分通信装置的上下行通信。
其中以太网通信单元，可以实现差分通信装置和第三方设备的连接和通信。
如图2所述，流程如下：
装置级联：远距离带宽速率可变高速差分通信装置之间通过多芯双绞通信电缆逐
级级联形成链型拓扑结构。
电缆分配：远距离带宽速率可变高速差分通信装置之间的连接电缆为多芯电缆，
一般实施中，多芯双绞通信电缆中8芯用于差分通信装置间通信，剩余电缆用于为系统供
电，采用低压直流远程供电(DC24～48V)，根据挂载差分通信装置数量以及通信距离，供电
线芯数量不同。
通信速率的优化：当装置A安装上电之后，差分信号的发送端以最高速率向其连接
的装置B发送握手协议，装置B接收到之后，将按此波特率回复握手信息。如果没有接收到装
置B设备的回复信息，则装置A设备将逐渐降低波特率，直到接收到装置B设备的回复信息，
并进行多轮信息交互，确认通信稳定性，实现自适应速率调节功能。随着差分通信装置距离
的不同，距离越近，通信速率越高，例如：间距100米时，通信速率可达10Mb/秒；间距1000米
时，通信速率可达100Kb/秒等。通信时，差分通信装置的MCU单元会根据距离的不同自动匹
配最优的通信速率，在保证通信准确率的情况实现在该距离下最快的通信速率。差分信号
通信速率范围(1200bps～11.0592Mbps/S)。
通信带宽的优化：差分通信装置具备上行和下行差分通信通道各2路,在上下行带
宽平衡的情况下，运行中的差分通信装置设备默认保持上行和下行差分通信通道各2路；在
上下行带宽不平衡的情况下，差分通信装置中的MCU单元可自动判断，并切换差分信号方
向，可实现1路上行3路下行或者3路上行1路下行的模式，实现带宽动态调整。
例如：在实际应用中经常会出现的一种情况：下行数据为巡检信息、控制信息等，
数据量很小，每秒数据量仅为几K字节；而上行数据为视频或者图片信息等，数据量较大，每
秒中可能达到1M字节。这种就是典型的带宽不平衡的一种应用。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范
围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不
需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。