CN102067508B

CN102067508B - 高速数据传输方法以及相应设备

Info

Publication number: CN102067508B
Application number: CN200980122079.2A
Authority: CN
Inventors: 阿兰·莱里米
Original assignee: Axalto SA
Current assignee: Axalto SA; Thales DIS France SA
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-06-08
Also published as: EP2286538B1; JP5363566B2; CN102067508A; US20110103275A1; WO2009150128A1; KR20110030484A; BRPI0913331A2; EP2134026A1; KR101532332B1; US8477668B2; ES2531249T3; JP2011524678A; EP2286538A1

Abstract

本发明涉及使用半双工模式将数据信号从第一发送/接收设备发送到称为远程设备的第二发送/接收设备的方法，包含将至少两个不同传输时间与要发送的数据信号的两个各自状态相关联的逻辑编码步骤。该方法的特征在于，它包含由第一设备生成信号(10，11)，所述信号(10，11)为信号的状态的发送几乎专有地包含在定义成与要发送的状态相关联的传输时间的时间内处在第一电压电平上的平台和下降沿、而排除任何上升沿，将数据信号状态从第二设备发送到第一设备包含由第二设备生成几乎专有地包含处在第二电压电平上的平台和上升沿、而排除任何下降沿的信号(20，21)。

Description

高速数据传输方法以及相应设备

技术领域

本发明涉及高速数据传输方法以及相应发送/接收设备。更具体地说，本发明描述只使用一条有效(active)导线地以双向和同时方式(全双工)在两个设备之间进行数字传输的技术解决方案。本发明可以实现设备之间的距离长达一米以及抗噪性良好的高速传输(几十兆位每秒(Mb/s))。

背景技术

按照本发明所述的技术可以与涉及SWP(单线协议)的ETSI(欧洲电信标准化协会)的TS 102.613建议结合在一起使用，并且，作为一个例子，可以只在SIM(用户识别模块)卡和NFC(近场通信)控制器发现它们在本发明允许的这种更有效模式下工作的能力之后激活。尽管本发明因此可用在SWP SIM卡中，但也可以有利地用在像，例如，在可用于部件的触点的数量受到限制的情况下那样，要求只使用一条有效导线地以双向和同时方式(全双工)在两个设备之间实现数字传输的所有环境下。

已有许多调制技术可用于共享两个发送/接收设备之间的传输媒体，其中主要几种是：

时分多路复用。两个发送/接收设备以半双工模式发送并在不同时间传送它们各自的数据。传送的数据的粒度可以从一位的大小变化到一个字节或甚至一个帧的大小。Ethernet(以太网)、USB、CAN、VAN、LIN或GSM网络都使用这种原理。

频分多路复用。每个发送/接收设备占用不同频带。像用于ADSL(非对称数字用户线)网络的那些那样的调制解调器的技术使用这种原理。

域分。每个发送/接收设备调制不同物理量。TS 102.613(SWP)标准应用这种方法，其中发送/接收设备之一调制信号的电压，而另一个设备调制信号的电流。

通过求和共享。媒体输送发送/接收设备发送的信息的总和。发送/接收设备通过从经由媒体发送的数据中减去它们发送的数据推导出接收信息。该功能由双工器实现，常用在传统电话系统中。

所有这些技术都可以使用单条有效通信线(单端)或工作于在恶劣环境(例如，制造车间、汽车等)下使它们的抗噪性增强的差分对上。

具有过高粒度地经由通信媒体半双工传输数据可造成可以损害性能的长延迟。传输延迟直接影响有效带宽。为了消除那种副作用，人们希望将全双工技术与像众所周知的代表是HDLC(ISO 13239)、基于滑窗(sliding window)的那些协议那样的适当协议结合在一起使用。

方面内容

本发明要解决的问题如下：

-该解决方案必须具有以一位的交换粒度进行全双工通信的特征，以便达到最短延迟；

-该解决方案必须是对称的和平衡的，也就是说，发送/接收设备的任何一个决不会拥有比另一个更多的特权(没有主从关系)；

-当在两个发送/接收设备之间没有传输应用数据时，该解决方案必须可以提供节电模式；

-该解决方案必须提供使发送/接收设备之一或两者能够在最短时间内退出节电模式的过程；以及

-该解决方案必须允许在嘈杂环境下达到至少一米的工作距离和高达100Mb/s的二进制速度。

除了传输速度和工作距离性能之外，上述的现有技术部分满足了上面列举的准则，以及最接近技术是ETSI标准化的SWP的技术。SWP技术在大约二十厘米的距离上可以达到1.6Mb/s。

本发明旨在满足所有那些技术约束。为此，包含将至少两个不同传输时间与要发送的数据信号的两个各自状态相关联的逻辑编码步骤、使用半双工模式将数据信号从第一发送/接收设备发送到称为远程设备的第二发送/接收设备的方法的特征在于，包含由第一设备生成为信号状态的发送几乎专有地包含在通过与要发送的状态相关联的传输时间定义的时间内处在第一电压电平上的平台和下降沿、而排除任何上升沿的信号，将数据信号状态从第二设备发送到第一设备包含由第二设备生成几乎专有地包含处在第二电压电平上的平台和上升沿、而排除任何下降沿的信号。信号状态可以是二进制状态“1”或“0”，或位列，例如，“101”。

本发明使用这种“新型的多路复用”来实现具有一位粒度的全双工协议。这使本发明具有在要解决的问题中列举的所有特征。

本发明在两个发送/接收设备之间交替发送数据所使用的方法可以翻译成“逻辑电平多路复用”。

附图说明

通过结合相应附图对本发明作如下描述，本发明的其它特征和好处将变得更加清楚，在附图中：

图1是按照本发明的两个发送/接收设备的示意性例示；

图2是按照本发明在两个发送/接收设备之间将电平多路复用的例示；

图3详细示出了与两个发送/接收设备驱动信号相关联的定时；

图4是基于脉冲宽度的PWM逻辑编码的例示；

图5例示了信号之一受噪声影响的发送/接收设备的两个等效信号；

图6例示了噪声对信号从发送/接收设备之一发送到另一个发送/接收设备的影响；

图7是线路从有效状态切换到中止状态或反过来的时间例示；

图8示出了ETSI TS 102.613标准提出的那种类型的消息格式；

图9例示了包括在每个发送/接收设备中评估来自远程发送/接收设备的时基(时钟)的电路；

图10是可编程电容器的电路的示意性例示；

图11示出了按照可编程电容器的两个程序(T1和T2)的信号的时间表示；

图12例示了由单稳触发元件被设置成1.5T所致的发送/接收设备接收的信号的解码；以及

图13例示了在驱动低电平的发送/接收设备附近的传输线末端上的波形。

具体实施方式

参考图1，在按照本发明的两个发送/接收设备1和2之间以半双工发送数据信号。要发送的信号是位或状态的二进制流。该发送使用与X伏(例如，5伏)的高电压和Y伏(例如，0伏)的低电压相对应的两个电压电平。

按照本发明，主要应用逻辑编码，该编码使用，例如，PWM技术(脉冲波调制)。使用脉冲波调制的那种主要编码过程的结果是将至少两个不同传输时间(T，2T)与要发送的数据信号的两个各自状态(“0”，“1”)相关联。

此外，按照本发明，在由两个发送/接收设备1和2以及上述的二进制编码组成的系统中，将逻辑电平1指定给发送/接收设备之一，例如，发送/接收设备1，而将逻辑电平0指定给另一个发送/接收设备，在这种情况下，发送/接收设备2。

那样，按照本发明，以及如图2所示，发送/接收设备1以在电平1上的平台、信号的下降沿和可能(由“触发”延迟引起)电平“0”的极小部分的形式发送它的信号10、11，并在未发送的情况下，将它的输出端切换到高阻抗。发送/接收设备2以在电平“0”上的平台、信号的上升沿和可能电平“1”的极小部分的形式发送它的信号20、21，然后将它的输出端切换到高阻抗。表示在图2的第三条线上的信号是分别显示在该图的第一和第二条线中、两个设备1和2发送的两个信号之和的结果∑。

如图1所示，按照本发明的发送/接收设备示意性地包括将至少两个不同传输时间与要发送的数据信号的至少两个各自状态相关联的级联逻辑编码电路100、检测远程发送/接收设备生成的下降沿(或上升沿)的电路101、和输入端与电路100的输出端连接的电路102，用于响应于远程发送/接收设备生成的下降沿(或上升沿)的检测，为要发送的数据信号状态几乎专有地生成几乎在通过与要发送的状态(“1”或“0”)相关联的传输时间(T，2T)定义的时间内处在第一电压电平(或第二电压电平)上的平台和上升沿(或下降沿)。

图3示出了设备1产生的、设备在其之间切换到高阻抗状态的信号10和11、和设备2产生的信号20的细节。处在低阻抗上的两个设备1和2的至少一个连续驱动传输线，造成有效的抗噪性和提供发送器的输出阻抗等于传输线的阻抗的工作距离。在设备之间发送的信号的振幅通过系统特有的惯例定义。该惯例对提供互通性是不可缺少的，并达到适合给定环境的防噪容限。

如图4所示，PWM编码基于脉冲宽度：传统上，逻辑值0具有T时间，而逻辑值1具有2T时间。也可以使用其它惯例(例如，T和3T)，如果那种选择导致解码每个发送/接收设备接收的信息所需的传输时钟的检索得到简化的话。

按照实现模式，可以使用附加码，以便将特定信号发送给发送/接收设备。为了例示那种例子，激起所述信号的惯例可以是：

T：逻辑值0；

2T：逻辑值1；

4T：将两个设备1和2之间的接口重新初始化。

在实施例的这种模式下，两个位的发送生成持续时间处在2T与4T之间，也就是说，取决于逻辑值0和1的分布的二进制平均速度处在1/2T与1/T之间的周期性信号。

每个发送/接收设备1和2在检测到相对发送/接收设备的下降沿(或上升沿)之后发送它的信号。每个发送/接收设备可以屏蔽它在α·T时间内接收的信号，其中α小于1减去与发送器生成的脉冲的宽度的精度有关的误差容限。

图5例示了当信号之一受噪声(较低线的信号的表象)影响时，根据远程发送/接收设备以相似方式的接收感知的两个信号。施加在发送/接收设备接收的信号上的屏蔽可以隐藏0.5T(α＝0.5)内的任何噪声。

如图6所示，控制线路的发送/接收设备(在它的接收功能下)解释噪声信号。两个发送/接收设备1和2相位相反地同时驱动线路。两个发送/接收设备1和2相互竞争。线路的状态是不确定的，可以持续到(2-α)T。发送/接收设备1和2的电路必须能够没有损害地支持竞争。线路竞争可能在两个传输方向都产生误差。

当两个发送/接收设备1和2没有数据要发送时，重要的是中止线路上的电活动，以便节约电力。类似地，如果发送/接收设备1和2之一想重新激活传输线，必须提供异步重新激活过程。该解决方案提出了二态线路管理：

-线路有效：可以双向传输，两个发送/接收设备1和2交换按分组组织的位。

-线路中止：没有电活动，两个发送/接收设备1和2可以切换到节电模式。实际上，当中止时，线路处在0(0伏)电平上。

图7例示了将线路从有效状态切换到中止状态或反过来的过程。

两个发送/接收设备1和2商定驱动电平“0”的发送/接收设备2将线路切换到中止状态的时刻。为此，发送/接收设备2不将线路拉到电平1。为了给予发送/接收设备1将线路切换到有效模式的机会，发送/接收设备2将线路保持在低弱电平0上。弱电平0可以经由下拉电阻、或电流源或称为总线保持器的系统将线路与强电平0连接来获得。

发送/接收设备1和2的每一个都可以按如下方式重新激活线路：

-发送/接收设备2必须将线路上拉到电平1，然后切换到高阻抗；

-发送/接收设备1必须将线路上拉到电平1，然后按照上述过程完成它的循环。

两个发送/接收设备1和2必需拥有不同的时基，这是为什么需要学习阶段，以便所述发送/接收设备1和2可以评估各自时基，从而解码接收的逻辑值的原因。

如图8所示，为了在其接收功能下校准每个发送/接收设备，在另一个发送/接收设备发射的每个帧(SOF，DATA，CRC，EOF)之前发送前置码PREAMBLE。前置码PREAMBLE的样式由有助于在其接收功能下远程发送/接收设备的校准的一系列逻辑值1和0组成。优选的是，发送是按位的，因此，有必要定义帧开始(SOF)标志和帧结束(EOF)标志。在SOF标志与EOF标志之间，使用，例如，所谓的“位填充”技术编码发送的数据DATA。ETSI TS 102.613建议书精确描述了这样帧的结构。前置码的样式不会造成位填充违规。

参考图9，例示在该图中的单稳态触发元件在发送信号的上升沿(主设备)或下降沿(从设备)上被触发。单稳态的原理是以恒定电流对数字可编程电容器32充电。所述充电从信号CLEAR处在电平0上(晶体管Q4未导通)开始。施密特(Schmitt)触发器31在可编程电容器的端子上触发确定的电压电平。编程电容越大，来自单稳态的输出脉冲就延迟得越利害。

可编程电容器的原理依赖于取决于其状态(导通或阻断)的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)晶体管的栅极的寄生电容的变化。所述电容与栅极的表面积成正比，因此与乘积W*L成正比。作为一个例子，图10例示了用于编程C和32C之间的等效电容的五级可编程电容器32。

由于与接收的信号位的解码有关的误差不会累积，并且每个位是自同步的，所以单稳态(图9)产生的延迟的精度不必很大(＜20％)。同步只有当设备1和2的通信速度在足够大的容差范围内以便结合系统的灵活性和组成它的部件的容差时才有可能。

与中间通信速度联系在一起来定义容差，即1/1.5T，其中T是逻辑值0的编码(参见图4)。

中间通信速度及其容差是与系统有关的惯例(例如，标准)的主题。

图12例示了作为可编程电容器的编程(T1和T2)的两种方式的函数的来自图9的单稳态的输出信号。

在发送同步前置码PREAMBLE期间，接收信号的发送/接收设备1或2必须评估与模拟0的发送相对应的间隔T。因此，在所述同步前置码期间传送逻辑0是有用的。

同步原理依赖于连续二分逼近。将同步划分成2N个级，其中N是在1到2^N-1之间用N个位表达的可编程电容器32(按照图10中的实施例所示)的级数，发送/接收设备是非同步的。本质上，可编程电容器的编程代表延迟D(Z)，其中Z处在1到2^N-1之间。

用2^N-1值编程延迟。

对于从N到0的位I，实现如下阶段：

-准备接收位的结束。将来自单稳态的输出值存储在Z的位(I)中；以及

-准备接收位的结束。将来自单稳态的输出值存储在Z的位(I)中。将1存储在位(I-1)中，如此等等。

在每两个位之后，评估要编程的延迟的位。

按照一种可替代实现，基于模拟单稳态的解决方案可以用它的数字等效物来取代。数字解决方案的约束是可能与低功耗要求不相容的极高取样频率。

同步是确定性的。所需的同步位的数量两倍于编程单稳态产生的延迟的位的数量。但是，如果单稳态传送与编程电平X和X/2的超限相对应的两个信号，可以减少那个位数。

读取同步之后的Z值，并将它增加50％，以便能够解码。

两个发送/接收设备1和2在未必采用的线路上发射(非Z＝∞终止)，因此发射信号被全反射。

在短传输距离上，反射不是问题，但如果传播时间与发送一位的时间(位速率)相比，那么必须采用线路。

该解决方案完全与差分传输(例如，LVDS)相容，并且利用了抗噪性得到改进的好处。

在实施例的特定模式下，多于两个发送/接收设备与同一传输线连接。

没有总线竞争的简单解决方案首先在于将A型的发送器与B型的几个发送器连接，或反过来将B型的发送器与A型的几个发送器连接，其次在于按无冲突解析协议(因此无竞争)操作。

无冲突解析协议的操作可以包括如下步骤：

1.两个发射/接收设备对线路进行监听，并使它们的输出端保持在高阻抗上。

2.称为发射设备的另一个发射/接收设备发射包含允许与其交换帧的B型发送器的标识符的帧。

3.已经通过监听总线解码了其标识符的监听线路的两个发射/接收设备之一与发送器1交换帧。正在发射的发射/接收设备与以这种方式指定的设备交换帧。可以有利地实施智能管理，以便视它们的活动，因此，它们的需要而定，分配发射/接收设备对总线的访问。如果两个正在监听发射/接收设备不能在所确定类型内开始交换，那么重新开始步骤1。

4.返回到步骤1。

这样，清楚地显出了上述解决方案的好处：

-该解决方案是完全对称的，两个发送/接收设备只选择它们要驱动的电平；

-它工作在有效导线上，但也可以工作在差分对LVDS上(RS485)。这个特征可以解决与触点(连接器)的最大数量有关的要求。

-通过工作在低阻抗上和提供限制噪声影响的滤波来抗噪声，并且通过占用有限频谱(在本专利的例子中，小于要发送的数据的频率的两倍)可以达到高二进制速度。

Claims

1.一种使用半双工模式将数据信号从第一发送/接收设备(1)发送到称为远程设备的第二发送/接收设备(2)的方法，包括将至少两个不同传输时间(T，2T)与要发送的数据信号的两个各自状态(“0”和“1”)相关联的逻辑编码步骤，其特征在于，所述方法包括由第一设备生成信号(10，11)，所述信号(10，11)为信号状态的发送专有地包含在平台和下降沿、而排除任何上升沿，所述平台定义成与要发送的状态(“0”和“1”)相关联的传输时间(T，2T)的时间内处在第一电压电平上，将数据信号的状态从第二发送/接收设备(2)发送到第一发送/接收设备(1)包含由第二设备生成专有地包含处在第二电压电平上的平台和上升沿、而排除任何下降沿的信号(20，21)。

2.一种发送/接收设备，包括：

将至少两个不同传输时间(T，2T)与要发送的数据信号的至少两个各自状态相关联的逻辑编码电路(100)；

检测远程发送/接收设备生成的下降沿的电路(101)；以及

电路(102)，其用于响应于远程发送/接收设备生成的下降沿的检测，为数据信号的状态专有地生成平台和上升沿而排除任何下降沿，所述平台在定义成与要发送的状态(“0”，“1”)相关联的传输时间(T，2T)的时间内处在第一电压电平上。

3.一种发送/接收设备，包括：

将至少两个不同传输时间(T，2T)与要发送的数据信号S的至少两个各自状态相关联的逻辑编码电路(100)；

检测远程发送/接收设备生成的上升沿的电路(101)；以及

电路(102)，其用于响应于远程发送/接收设备生成的所述上升沿的检测，为要发送的数据信号的状态专有地生成平台和下降沿、而排除任何上升沿，所述平台在定义成与要发送的状态(“0”，“1”)相关联的传输时间(T，2T)的时间内处在第二电压电平上。