二線制

二線制是一種相對於四線系統（兩根供電線路、兩根通訊線路），將供電線與信號線合二為一，兩根線實現通訊兼供電。二線制節省了施工和線纜成本，給現場施工和後期維護帶來了極大的便利。在消防，儀表，感測器，工業控制等領域廣泛的套用，代表技術：二匯流排、直流載波。

在通信傳輸中，若收信和發信電路共用同一迴路傳輸時，需要兩根導線的一種傳輸制式。若收信和發信電路各用一個迴路傳輸時，共需要四根導線傳輸，則稱為四線制。

基本介紹

• 中文名：二線制
• 外文名：Two-wire system
• 作用：各類非電物理量
• 原理：轉換成標準模擬量電信號
• 優點：節省了施工和線纜成本
• 所用電流：4~20mA直流電流
• 套用：長途通信等

簡介

工業上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等；另外電物理量(簡稱電量)，例如電流、電壓、功率、頻率等，都需要轉換成標準模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業上最廣泛採用的標準模擬量電信號是用4~20mA直流電流來傳輸模擬量。

從熱電阻引線方式上來講，二線制方式是熱電阻兩端各連一根導線，這種引線方式簡單、費用低，但是引線電阻隨環境溫度的變化會帶來附加誤差。只有當引線電阻r與元件電阻值R滿足2r/R<<=0.001時，引線電阻的影響才可以忽略。

三線制：在熱電阻的根部的一端連線一根引線，另一端連線兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業過程控制中的最常用的引線電阻。

四線制：在熱電阻的根部兩端各連線兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恆定電流I，把R轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表。可見這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用於高精度的溫度檢測。

熱電阻常採用三線制接法。採用三線制是為了消除連線導線電阻引起的測量誤差。這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連線導線（從熱電阻到中控室）也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環境溫度變化，造成測量誤差。採用三線制，將導線一根接到電橋的電源端，其餘兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導線線路電阻帶來的測量誤差。工業上一般都採用三線制接法。熱電偶產生的是毫伏信號，不存在這個問題。

在長途通信中，一對線同時進行兩個方向的傳輸，即既發信又收信，稱二線制。如果兩個傳輸方向各用一對線，其中一對線專做發信，另一對線專做收信，稱四線制。二線制一般用於架空明線線路，四線制一般用於電纜線路。在載波技術中，通過混合線圈進行二線制與四線制的轉換， 但要解決好回音抑制。

二線制的優點

用電流信號的原因是不容易受干擾。並且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在迴路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低於4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。

電流輸出型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節省一根線，稱之為三線制變送器。

二線制的接線

其實大家可能注意到，4-20mA電流本身就可以為變送器供電，變送器在電路中相當於一個特殊的負載，特殊之處在於變送器的耗電電流在4~20mA之間根據感測器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業電流環標準下限為4mA，因此只要在量程範圍內，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制感測器的設計成為可能。

在工業套用中，測量點一般在現場，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數十至數百米。按一百米距離計算，省去2根信號傳輸導線意味著成本降低近百元！另外四線制變送器和三線制變送器因導線內電流不對稱必須使用昂貴的禁止線,而兩線制變送器可使用非常便宜的的雙絞線導線,因此在套用中兩線制變送器必然是首選。

二線制原理

二線制技術是指現場控制臺與所需控制的對象聯繫僅用兩根導線，這兩根導線既是信號線又是電源線。它是由控制臺與控制對象組成。僅僅通過兩根電線便可實現對居室多個用電設備的智慧型控制。不僅安裝方便，安全可靠，省工省料省時，並且可以在不改變房屋現有布線的情況下，完成對各個用電設備的安裝和控制。尤其適合於家用電器較多的家庭。

二線制結構圖

設計控制臺主要由編碼按鍵組成。首先通過功能按鍵對電路進行編碼，按鍵輸入所需控制的電路信號，然後按鍵編碼電路產生的帶有地址編碼信息和開關狀態信息的編碼脈衝信號將通過兩根電線傳送到接收面板，接收電路對所傳送的編碼地址進行確認核實，若該編碼信息被確認為控制臺開關的系統信息，則接收面板通過單片機晶片產生相應的信號對控制對象的繼電器進行通斷，若不是，則繼續等待，繼電器狀態不改變。通過這種控制方式實現對家庭用電器的控制。

二線制通信協定

數據幀格式設計

數據通信方式有兩種，一種是串列通信，另一種是並行通信。並行通信速度快，但是可靠性低並且成本較高。考慮到這款設計針對於普通家庭用戶，並且傳輸數據較少，故採用串列通信的方式。串口通信概念非常簡單，串口按位傳送和接收位元組，用於ASCII碼字元傳輸。通過一根線傳送數據，能夠實現遠距離傳輸。

設計採用串口通信的同步通信方式，即在傳送端正式傳送前，先傳送一個同步字元去通知接收端，接收端在收到同步字元後，便開始按照雙方約定的格式和速率接收數據。

首先，傳送端在獲取的數據位後面添加校驗位得到新的字元串，在字元串面前添加幀頭和命令字，字元串後面加幀尾，完成第一個數據幀的封裝。將封裝好的數據進行傳送。而接收端根據所得到的幀格式分解出所需要的數據。通信雙方按照約定的幀格式進行通信, 完成線路連線、通信故障診測和數據傳輸等的功能。

幀校驗採用了循環冗餘校驗，是計算機網路和數據通信中套用最廣泛的檢錯碼。在傳送方將校驗位加在數據位後面進行傳送，接收端接收到數據後，將數據通過給定的方程計算，得到的結果與校驗位進行比較。如果兩者數據相同，則傳輸正確；如果不同，則說明傳輸錯誤，即丟棄接收方的數據。

通信規則

為了保證各個用電器能夠共享通信線路，在通信過程中必須遵守以下規則。

(1)執行原則當接收端執行一個傳輸而來的數據時，不允許接收傳送端傳送的其他數據。

(2)幀頭幀尾判別原則 對傳送前數據進行關鍵字替換，對接收數據後數據進行關鍵字還原，整個傳送過程中數據部分不會出現幀頭幀尾關鍵字，保證了數據傳輸過程中幀頭幀尾關鍵字的唯一性，避免了對接收數據進行分析時產生歧義。

二線制套用舉例

二線制儀表，是將工業現場的檢測信號，如溫度、壓力、速度、流量等參數，轉換為4-20mA的電流信號，傳送到遠距離外的控制室，以便於對生產過程進行控制。由於電流信號對噪聲不敏感，不易受寄生熱電偶和溫漂的影響，普通雙絞線上可以傳輸幾百米距離，利用250Ω取樣電阻就可以將4-20mA電流信號變為1-5V的電壓信號，不受傳輸線的電阻影響。同時，二線制儀表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的電流通斷不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤礦、石油天然氣等領域的套用越來越廣泛。同時二線制變送器具有布線簡單的特點。

由於二線制儀表，本身由電流環路供電，所以電流環僅能提供4mA以下的電流為儀表供電，所以對儀表的功耗提出苛刻要求，不能採用常規的方法進行電路設計，為設計人員帶來了困難，如何能設計出高性能、高精度的二線制智慧型儀表，是目前國內許多廠家迫切需要解決的問題。

針對當今以微控制器為核心的智慧型型二線制儀表高功耗的特點，以簡單高效為理念設計了該4～20mA二線制儀表的電源部分。

在計算機自動測控系統的設計中，為使系統的各部分信號標準化，經常把溫度、壓力、流量度等各種物理量變化變成符合工業標準4～20mA電流信號。

隨著微控制器技術的發展，出現了符合這一工業標準不使用額外電源供電的智慧型型設備，被稱作智慧型型二線制設備。由於該類設備大多加入了微處理器、液晶顯示、運放或者A/D、D/A等元件，因此設備功耗相對較高。

要保證此類設備能在低於4mA的電流下正常可靠地工作，需要對系統的低功耗設計和電源的高效設計提出嚴格要求，給系統設計增加了一定難度。

設計中儘量低的功耗是系統設計追求的目標，也是設計的主要任務之一，而設計一個供電效率高且穩定性好的供電方案，是保證儀表低功耗設計的前提和重要保證。由於以前針對非智慧型型設備供電部分的電路設計已經滿足不了智慧型設備功耗的要求，鑒於此，可以設計一種滿足4～20mA二線制智慧型儀表功耗要求的簡單、高效的供電電路。