CN100547960C - 一种不对称高速半双工通信系统和通信方法 - Google Patents

Abstract

一种高速半双工通信装置和通信方法，用于嵌入式系统间不对称的高速数字信号通信。通信信号使用LVDS信号，信道使用非屏蔽双绞线，物理接口使用RJ45插座和插头；根据通信数据的不对称特点定义数据线；给出了一个完整的通信控制方法，可以实现通信双方的握手、冲突检测和信道抢占。该装置和方法具有简单实用的优点。

Description

一种不对称高速半双工通信系统和通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种不对称高速半双工通信系统和通信方法。

背景技术

在移动机器人、数字监控以及家庭数字设备等嵌入式系统中，经常要进行大量的高速数据通信，而且双向的通信数据量存在较大的差别，某一方向的数据量远大于另一个方向，通信的双方有时距离较远，可达几米甚至几十米，只有板级的通信往往不能满足要求。而且现有的应用环境除要求极高的速度、较小的功耗外，还需尽量小的噪声以适应日益严格的EMI(电磁辐射)要求。

当传输距离较远时，直接采用TTL或COMS信号(TTL和COMS都是常用的数字信号标准)进行数据传输显然是不可行的，因为TTL和COMS信号不但功耗大，而且抗干扰能力差，误码率高，相互之间的干扰非常严重，电磁辐射也很大；传统的串口和并口也不能满足通信速度的要求。一种可能的选择是使用局域网的接口和协议，这样信号的质量得到了保证，但是现在常用的局域网为10M和100M(100M的上限很难达到)，双向的通信都使用一对信号线，不适合不对称的数据通信，通信速度不能完全满足要求；而且在系统中要使用专用的局域网物理电气接口和复杂的通信协议，要设计局域网与系统的接口逻辑，增加了系统的复杂性和设计难度。

低压差分信号LVDS(低压差分信号)是一种小振幅差分信号技术，使用非常低幅度信号(大约350mV)通过一对差分PCB(Print Circuit Board：印刷电路板)走线或平衡电缆传输数据。它允许单个信道传输率达到每秒数百兆比特(Mbps)。而且具有低功耗、高速度、抗干扰能力强和电磁辐射小的特点，在双绞线上传输距离可达百米，速度可达百兆。利用LVDS在双绞线上传输信号可以满足通信线路和通信速度的基本要求，但是目前没有在嵌入式系统中使用双绞线传输LVDS信号的专用信号线定义和简单实用的通信协议。

发明内容

为解决目前没有专用的通信装置和简单实用的通信方法来实现嵌入式系统间高速不对称数字信号通信的问题，本发明设计了一种利用双绞线传输高速不对称数字信号的系统和方法。

为实现上述目的，使用LVDS信号在双绞线上通信，针对不对称的通信特点对双绞线信号进行了定义，并给出了一个完整的通信方法，用于实现通信的握手逻辑、信道的冲突检测和抢占。

本发明可用于中距离实时传输数字视频信号，并且双向传输的数据量不对等的专用嵌入式系统间的通信。

本发明根据通信数据量的不对称来定义数据线，能合理的利用信道提高速度，提供的通信方法简单实用，能够有效的保证通信正确有效地进行，省去了复杂的通信协议，具有简单实用的优点。

技术方案

一种不对称高速半双工通信系统，包括：通信甲方和通信乙方；在通信中双方处于不对等的地位，双方通信的内容、数据量都不相同；通信甲方和通信乙方均由插座、接口电路、通信协议及控制电路和嵌入式系统组成，插座、接口电路、通信协议及控制电路和嵌入式系统互联，再通过双绞线连接通信甲方和通信乙方；

使用非屏蔽双绞线作为通信介质；

利用低压差分信号来传输数字信号；

使用专用的通信协议解决通信存在的冲突问题，使用的4对双绞线分别定义如下：一对定义为时钟信号(CLK)，无论上下行通信，CLK均由乙方控制；由于上行通信数据量大，使用两对线作为上行通信数据线(UD0～1)，由乙方控制；一对作为下行数据线(DD)，由甲方控制；

在通信空闲状态时，通信双方都可提出通信申请，先申请者获得通信权，本次通信完成后才能进行下次通信，通信过程不可被中断；但是如果在空闲状态下，双方同时发出通信申请就存在信道冲突，采用如下方法解决此冲突，首先约定下行通信的优先级高于上行通信，双方同时申请时，下行通信将抢占信道，具体过程为：甲方和乙方同时将CLK和DD置为低电平，乙方会在T1时间检测DD线的状态，如发现DD为低，则表明此时甲方也同时发出了申请，因在正常的情况下，DD只能在T2时间后做出响应，此时乙方挂起本次通信请求，置CLK为高，并在T2时间后对下行通信做出响应，所述T1＜T2，握手信号完成后，开始通信，本次通信完成后，重新开始已挂起的上传通信。

所述的双绞线与通信双方的物理接口使用RJ45插座和插头，双脚线为5类或超5类非屏蔽双绞线。

所述的数据线根据通信数据的不对称来定义，两个方向使用的数据线数目不相等、定义不同。

通信双方的LVDS接口电路，使用DS90LV019、MAX9637、MAX9638芯片或其它LVDS接口芯片。

通信协议及其控制可以由嵌入式系统中的MCU编程实现；也可以由一片FPGA实现，或使用支持LVDS接口的FPGA，把通信协议、控制电路和LVDS接口电路在一片FPGA内实现，然后再与嵌入式系统的总线连接。接口电路和通信协议及控制电路，集成到一起，然后通过总线与嵌入式系统连接。

两个嵌入式系统(嵌入式系统是执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统。)间的通信数据是不对称的，一个方向的数据量远大于另一个方向的数据量。

接口电路和通信协议及控制电路，集成到一起，然后通过总线与嵌入式系统连接。

一种不对称高速半双工通信方法，实现通信双方的握手、冲突检测和信道抢占；所述的通信控制方法没有使用现成的复杂协议，用简单的方法实现了通信的握手逻辑、冲突检测和信道抢占；所述的不对称高速半双工通信方法，其步骤如下：

步骤S1，首先对系统复位；复位后系统进入空闲状态；

步骤S2；在空闲状态，可以接受上下行通行请求，进行响应和通信；

步骤S3，判断是否有乙方的通信请求，如有请求，转入步骤S4；若没有对方的请求，进入步骤S5；

步骤S4，等待满足通信的条件；

步骤S5，步骤S5检查本方是否有数据发送请求，若没有，返回步骤S2；

步骤S6中等待T2时间以后转入步骤S7；

步骤S7，完成响应并进入接受状态；

步骤S8，接收数据并等待通信的结束，通信结束后返回步骤S2，通信处于空闲状态；

步骤S9，本方发出通信的请求，并在T2时间后等待响应；

步骤10，接到响应后在步骤S11进入发送数据状态，开始发送数据；通信结束后由步骤S12返回到步骤S2。

附图说明

图1是不对称高速半双工通信系统的示意图；

图2是不对称高速半双工通信系统的结构图；

图3是通信甲方上的LVDS接口电路；

图4是通信乙方上的LVDS接口电路；

图5是不对称高速半双工通信控制的时序图；

图6是不对称高速半双工通信方法的流程图。

具体实施方式

为便于描述，如图1所示，把通信的双方分别定义为通信甲方和通信乙方，把从通信乙方到通信甲方的通信定义为上行通信，甲方到乙方的通信定义为下行通信。其中上行通信数据量大(通常为数字视频数据)，下行通信数据量少(通常为命令或状态信息)，双方的通信用LVDS信号在双绞线上实现。通信双方上都有专用的LVDS转换芯片或支持LVDS接口的FPGA(现场可编程逻辑阵列)芯片。双绞线与通信双方的连接方式使用RJ45插座和插头。

为了提高通信速度，采用同步通信的方式，4对双绞线分别定义如下：一对定义为时钟信号CLK，无论上下行通信，CLK均由乙方控制；由于上行通信数据量大，使用两对线作为上行通信数据线(UpData，以下简称UD0～1)，由乙方控制；一对作为下行数据线(DownData，以下简称DD)，由甲方控制。

由于上下行通信共用同一个CLK，因此通信是半双工的，在空闲状态，所有信号线都处于高电平状态，通信的请求与响应通过信号CLK和DD来实现。

图2是装置的结构图。通信双方的结构是基本对称的，通过双绞线连接，但是双绞线的信号定义是不对称的。A1和B1是RJ45插座，用于连接双绞线。A2和B2是LVDS接口电路，用于实现信号的电平转换，把嵌入式系统中的COMS和TTL信号转换成LVDS信号，电路的具体连接关系见图3和图4，其中A2对应图3，B2对应图4。A3和B3是通信协议及控制电路，通信协议的控制可以通过软件和硬件两种方式实现。使用硬件实现时，协议的控制通过FPGA来完成，通信协议的控制和相应的接口逻辑在一片FPGA内实现，也可以使用支持LVDS接口的FPGA，把A2和A3(B2和B3)集成到一起，然后通过总线与嵌入式系统连接；通信协议的控制也可由嵌入式系统中的MCU(微控制器)编程实现，LVDS接口电路与嵌入式系统的总线连接。A4和B4是需要进行通信的嵌入式系统。

图3和图4分别是通信双方的LVDS接口电路，本装置中使用了NC公司的DS90LV019和MAX公司的MAX9637和MAX9638芯片(也可选用其他LVDS接口芯片)，连接关系如图所示。

上行通信过程如图5a：在空闲状态，通信乙方发出上行通信请求时，首先将CLK信号置为低电平，申请通信；当甲方检测到申请后，在允许通信时，会在T2时间后把DD置为低电平作为响应，乙方接收到响应后，置CLK为高电平，然后DD被置为高电平，甲方进入接收数据状态；乙方控制同步时钟CLK，通过上行数据线UD上传数据；数据传送结束后，传送一个结束字符，甲方通信模块接收到结束字符后，退出接受状态，结束本次通信；各信号线处于空闲状态。

下行通信的过程如图5b。通信甲方首先将DD置为低电平发出申请，乙方接收到申请后，会把CLK置为低电平作为响应，甲方在T2时间后监测CLK的状态，等待响应后，DD被置高电平，然后CLK被置高电平，完成握手。甲方进入发送状态，在乙方的同步时钟CLK的控制下通过数据线DD下传命令，下传的命令为固定长度，传送结束后通信线进入空闲状态。

在通信空闲状态时，通信双方都可提出通信的申请，先申请者获得通信权，本次通信完成后才能进行下次的通信，通信的过程不可被中断。但是如果在空闲状态下，双方同时发出通信申请(CLK和DD被同时置为低电平)就存在通信的冲突，发明中采用了如下的方法解决此冲突。首先约定下行通信的优先级高于上行通信，双方同时申请时，下行通信将抢占信道。具体的过程为(如图5c所示)：甲方和乙方同时将CLK和DD置为低电平，乙方会在T1(T1＜T2)时间检测DD线的状态，如发现DD为低，则表明此时甲方也同时发出了申请，因在正常的情况下，DD只能在T2时间后做出响应，此时乙方挂起本次通信请求，置CLK为高，并在T2时间后对下行通信做出响应，握手信号完成后，开始通信，本次通信完成后，重新开始已挂起的上传通信。

图6的通信甲方的通信控制流程。其步骤如下：

步骤S1，首先对系统复位；复位后系统进入空闲状态；

步骤S2；在空闲状态，可以接受上下行通行请求，进行响应和通信。

步骤S3，判断是否有乙方的通信请求，如有请求，转入步骤S4；若没有对方的请求，进入步骤S5；

步骤S4，等待满足通信的条件；

步骤S5，步骤S5检查本方是否有数据发送请求，若没有，返回步骤S2；

步骤S6中等待T2时间以后转入步骤S7；

步骤S7，完成响应并进入接受状态；

步骤S8，接收数据并等待通信的结束，通信结束后返回步骤S2，通信处于空闲状态；

步骤S9，本方发出通信的请求，并在T2时间后等待响应；

步骤10，接到响应后在步骤S11进入发送数据状态，开始发送数据；通信结束后由步骤S12返回到步骤S2。

Claims (8)

1.一种不对称高速半双工通信系统，其特征在于，包括：通信甲方和通信乙方；在通信中双方处于不对等的地位，双方通信的内容、数据量都不相同；通信甲方和通信乙方均由插座、接口电路、通信协议及控制电路和嵌入式系统组成，插座、接口电路、通信协议及控制电路和嵌入式系统互联，再通过双绞线连接通信甲方和通信乙方；

使用非屏蔽双绞线作为通信介质；

利用低压差分信号来传输数字信号；

使用专用的通信协议解决通信存在的冲突问题，使用的4对双绞线分别定义如下：一对定义为时钟信号(CLK)，无论上下行通信，CLK均由乙方控制；由于上行通信数据量大，使用两对线作为上行通信数据线(UD0～1)，由乙方控制；一对作为下行数据线(DD)，由甲方控制；

在通信空闲状态时，通信双方都可提出通信申请，先申请者获得通信权，本次通信完成后才能进行下次通信，通信过程不可被中断；但是如果在空闲状态下，双方同时发出通信申请就存在信道冲突，采用如下方法解决此冲突，首先约定下行通信的优先级高于上行通信，双方同时申请时，下行通信将抢占信道，具体过程为：甲方和乙方同时将CLK和DD置为低电平，乙方会在T1时间检测DD线的状态，如发现DD为低，则表明此时甲方也同时发出了申请，因在正常的情况下，DD只能在T2时间后做出响应，此时乙方挂起本次通信请求，置CLK为高，并在T2时间后对下行通信做出响应，所述T1＜T2，握手信号完成后，开始通信，本次通信完成后，重新开始已挂起的上传通信。

2.根据权利要求1所述的不对称高速半双工通信系统，其特征在于，所述的双绞线与通信双方的物理接口使用RJ45插座和插头，双脚线为5类或超5类非屏蔽双绞线。

3.根据权利要求1所述的不对称高速半双工通信系统，其特征在于，两个嵌入式系统间的通信数据是不对称的，一个方向的数据量远大于另一个方向的数据量。

4.根据权利要求1所述的不对称高速半双工通信系统，其特征在于，所述的数据线根据通信数据的不对称来定义，两个方向使用的数据线数目不相等、定义不同。

5.根据权利要求1所述的不对称高速半双工通信系统，其特征在于，通信双方的LVDS接口电路，使用DS90LV019、MAX9637、MAX9638芯片或其它LVDS接口芯片。

6.根据权利要求1所述的不对称高速半双工通信系统，其特征在于，通信协议及其控制可以由嵌入式系统中的MCU编程实现；也可以由一片FPGA实现，或使用支持LVDS接口的FPGA，把通信协议、控制电路和LVDS接口电路在一片FPGA内实现，然后再与嵌入式系统的总线连接。

7.根据权利要求1所述的不对称高速半双工通信系统，其特征在于，接口电路和通信协议及控制电路，集成到一起，然后通过总线与嵌入式系统连接。

8.一种不对称高速半双工通信方法，其特征在于，实现通信双方的握手、冲突检测和信道抢占；所述的通信控制方法没有使用现成的复杂协议，用简单的方法实现了通信的握手逻辑、冲突检测和信道抢占；所述的不对称高速半双工通信方法，其步骤如下：

步骤S1，首先对系统复位；复位后系统进入空闲状态；

步骤S2，在空闲状态，可以接受上下行通行请求，进行响应和通信；

步骤S3，判断是否有乙方的通信请求，如有请求，转入步骤S4；若没有对方的请求，进入步骤S5；

步骤S4，等待满足通信的条件；

步骤S5，步骤S5检查本方是否有数据发送请求，若没有，返回步骤S2；

步骤S6中等待T2时间以后转入步骤S7；

步骤S7，完成响应并进入接受状态；

步骤S8，接收数据并等待通信的结束，通信结束后返回步骤S2，通信处于空闲状态；

步骤S9，本方发出通信的请求，并在T2时间后等待响应；

步骤10，接到响应后在步骤S11进入发送数据状态，开始发送数据；通信结束后由步骤S12返回到步骤S2。

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