CN102201960A

CN102201960A - 一种基于排序脉宽差分的波特率自适应方法

Info

Publication number: CN102201960A
Application number: CN2011101083898A
Authority: CN
Inventors: 刘桂雄; 陈耿新; 周岳斌; 叶季衡
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: CN102201960B

Abstract

本发明公布了一种基于排序脉宽差分的波特率自适应方法，该方法主要包括：采集、测量串行总线上若干脉冲，从小到大排序所有不相等的脉冲宽度；排序脉宽差分计算，求解最小脉冲宽度；利用最小脉冲宽度计算从节点波特率BR′_i(其中i表示第i次计算BR′_i)；比较从节点波特率BR′_i与系统波特率BR是否匹配，如果不匹配，则重复上述全部步骤重新计算BR′_i及比较BR′_i与BR是否匹配，直至两者匹配。本方法充分挖掘串行总线上其他节点间通信的脉冲宽度中隐含的系统波特率信息，从节点在无需接收特定帧和未检测到1bit脉冲宽度的情况下，实现波特率快速自适应。本方法具有适应性强、算法简单、效率高、可靠性高等特点，可广泛应用于串行总线的波特率自适应。

Description

一种基于排序脉宽差分的波特率自适应方法

技术领域

本发明涉及波特率自适应方法，尤其涉及一种基于排序脉宽差分的波特率自适应方法。

背景技术

工业测控、智能建筑、环境监测、能源管理、航天航空等领域广泛应用控制简单、易扩展、低成本的串行总线，实现分布式系统。串行总线上各节点波特率匹配是系统正常通信的前提，需对各节点波特率进行配置。分布式系统中节点往往数量庞大且位置分散，如人工配置各节点波特率，系统搭建效率低、成本高；一旦系统波特率改变，系统中所有节点波特率都必须重新配置，系统安装、扩展及维护成本非常高。

基于IEEE 1451的智能传感系统是一种标准化、智能化、网络化的新型测控系统。IEEE 1451智能传感器由智能变换器接口模块(Smart Transducer Interface Module，STIM)和网络适配处理器模块(Network Capable Application Processor，NCAP)构成，通过标准接口及变换器电子数据表格(Transducers Electronic Data Sheet，TEDS)实现传感器即插即用；IEEE 1451.2(修订)通过通用串行通信接口及TEDS实现传感器即插即用，但并未说明波特率自适应方法。基于串行总线的分布式系统亟需解决波特率自适应的问题，实现其智能化、即插即用，提高效率，降低成本。

目前，在波特率自适应相关技术中，主要有固定波特率穷举法、脉冲宽度实时检测法。固定波特率穷举法要求系统波特率必须是若干个固定值(如标准波特率)。从节点接入系统并启动后，逐个尝试该系列固定波特率，直至正确接收到主节点发送的特定帧。该方法仅能自适应若干固定波特率，且要求主节点发送特定帧，效率低，运用上有较大局限性。脉冲宽度实时检测法主要有基于特定码元宽度的实时检测法和基于最小脉冲宽度的实时检测法。基于特定码元宽度的实时检测法需要从节点(硬件或软件)检测主节点发送的特定码元宽度，然后计算波特率，该方法克服了固定波特率穷举法仅能匹配固定波特率和效率低的问题，但仍要求主节点发送特定帧，其灵活性和通用性欠缺。基于最小脉冲宽度的实时检测法通过(硬件或软件)检测足够多的脉冲宽度，以其中最小脉冲宽度计算波特率，该方法克服了上述两种方法的不足，适应性较强，但只有在检测到1bit脉冲宽度的条件下，才能得到正确的波特率。

发明内容

为解决上述波特率自适应技术的问题与缺陷，本发明提供了一种基于排序脉宽差分的波特率自适应方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所涉及的一种基于排序脉宽差分的波特率自适应方法，从节点在无需接收特定帧和未检测到1bit脉冲宽度的情况下，基于排序脉宽差分充分挖掘串行总线上其他节点间通信的脉冲宽度中隐含的系统波特率信息，实现该从节点波特率自适应；所述方法主要包括以下步骤：

A.采集、测量若干脉冲，从小到大排序所有不相等的脉冲宽度；

B.排序脉宽差分计算，求解最小脉冲宽度；

C.利用最小脉冲宽度计算从节点波特率；

D.比较从节点波特率与系统波特率是否匹配。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

充分挖掘串行总线上其他节点间通信的脉冲宽度中隐含的系统波特率信息。从节点接入系统并启动后，在无需接收特定帧和未检测到1bit脉冲宽度的情况下，快速实现各种波特率自适应。本方法适应性强、算法简单、效率高、可靠性高，可广泛应用于串行总线的波特率自适应。

附图说明

图1是基于排序脉宽差分的波特率自适应方法流程图；

图2是波特率确认询问帧的帧格式；

图3是基于IEEE 1451的RS485分布式智能传感系统架构图；

图4是一种基于排序脉宽差分波特率自适应的STIM电路原理图；

图5是基于排序脉宽差分波特率自适应的STIM即插即用的主程序流程图；

图6是基于排序脉宽差分波特率自适应的STIM即插即用的定时器中断程序流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图详细说明。

如图1所示，展示了基于排序脉宽差分的波特率自适应方法，从节点在无需接收特定帧和未检测到1bit脉冲宽度的情况下，基于排序脉宽差分充分挖掘串行总线上其他节点间通信的脉冲宽度中隐含的系统波特率信息，实现该从节点波特率自适应；上述特定帧为：帧格式、帧长度、数据均作出规定的帧；该方法包括以下步骤：

步骤10采集、测量若干脉冲，从小到大排序所有不相等的脉冲宽度。

上述步骤具体包括：从节点接入系统并启动后，采集、测量串行总线上其他节点间通信的n(n＞1)个脉冲(正脉冲或负脉冲)，将所有不相等的脉冲宽度从小到大排序，得到第1个递增脉宽序列：

N_{1}^{(1)} t_{bit},

N_{2}^{(1)} t_{bit},

N_{3}^{(1)} t_{bit},

…，

N_{m_{1}}^{(1)} t_{bit}

其中，t_bit表示系统中节点发送1bit数据所需的时间，

表示t_bit的整数倍(上标(1)表示第1次排序，下标1、2、3、…、m₁表示脉宽的序号)。

步骤20排序脉宽差分计算，求解最小脉冲宽度。

上述步骤具体包括：从节点将第1个递增脉宽序列…，

中相邻脉冲宽度逐一相减，得到如下相减后脉宽序列：

(N_{2}^{(1)} - N_{1}^{(1)}) t_{bit},

(N_{3}^{(1)} - N_{2}^{(1)}) t_{bit},

…，

(N_{m_{1}}^{(1)} - N_{m_{1} - 1}^{(1)}) t_{bit}

将上述相减后脉宽序列与相减前脉宽序列中所有不相等的脉冲宽度从小到大重新排序，得到第2个递增脉宽序列：

N_{1}^{(2)} t_{bit},

N_{2}^{(2)} t_{bit},

N_{3}^{(2)} t_{bit},

…，

N_{m_{2}}^{(2)} t_{bit}

(m₂≥m₁)

以此类推，只要第p-1个与第p个递增脉宽序列不相同(即项数m_p-1≠m_p)，则将最新递增脉宽序列

…，中相邻脉冲宽度逐一相减，并将相减后脉宽序列

…，

与相减前脉宽序列中所有不相等的脉冲宽度从小到大重新排序，得到第p+1个递增脉宽序列：

N_{1}^{(p + 1)} t_{bit},

N_{2}^{(p + 1)} t_{bit},

N_{3}^{(p + 1)} t_{bit},

…，

N_{m_{p + 1}}^{(p + 1)} t_{bit}

(m_p+1≥m_p)

重复上述步骤，直至重复q次后第q个与第q+1个递增脉宽序列相同(即项数m_q＝m_q+1)，得到最终递增脉宽序列如下：

N_{1}^{(q)} t_{bit},

N_{2}^{(q)} t_{bit},

N_{3}^{(q)} t_{bit},

…，

N_{m_{q}}^{(q)} t_{bit}

(m_q＞m_q-1)

就是最小脉冲宽度。

步骤30利用最小脉冲宽度计算从节点波特率。

上述步骤具体包括：从节点以公式(1)计算波特率BR′_i(其中i表示第i次计算BR′_i)，并以其初始化串口。

{BR}_{i}^{'} = \frac{1}{N_{1}^{(q)} t_{bit}} - - - (1)

有以下两种情况：

a.当第1个递增脉宽序列

…，

中

…、的最大公约数为1时，

则从节点波特率BR′_i与系统波特率BR(公式(2))匹配。

BR = \frac{1}{t_{bit}} - - - (2)

b.当第1个递增脉宽序列

…，

中

…、

的最大公约数不为1时，

则从节点波特率BR′_i与系统波特率BR不匹配。利用下述步骤D可验证波特率不匹配，重新返回步骤A、B、C和D，重新计算BR′_i及比较BR′_i与BR是否匹配，直至波特率匹配。

的概率极小，且随n的增大而减少，故BR′₁与BR匹配的概率非常大。

步骤40比较从节点波特率与系统波特率是否相匹配。

上述步骤具体包括：从节点向主节点发送波特率确认询问帧。图2为波特率确认询问帧的帧格式，该帧中包含从节点波特率BR′_i信息。

主节点如果收到波特率确认询问帧，且该帧中BR′_i信息与系统波特率BR匹配，则向从节点发送波特率确认应答帧。

从节点如果在规定时间内收到波特率确认应答帧，则波特率自适应成功，否则返回步骤A、B、C和D，重新计算BR′_i及比较BR′_i与BR是否匹配，直至波特率匹配。

下面以一种基于IEEE 1451的RS485分布式即插即用智能传感器系统为例，对本发明实施方式作进一步地详细描述：

图3、图4分别为本实施例基于IEEE 1451的RS485分布式智能传感系统架构图和基于排序脉宽差分波特率自适应的STIM电路原理图，STIM实现数据采集、数据处理、与NCAP通信。微处理器U1(C8051F350)内置于STIM中，U1内部有8KB的FLASH存储器，可用于TEDS等非易失性数据存储；其系统时钟可以有内部振荡器、外部振荡器或时钟乘法器实现，本实施例采用内部振荡器作为时钟源；其串口UART0采用九位多机通信模式。U2实现RS232与RS485通信方式的转换，其收发控制引脚

DE由U1引脚P0.6、P0.7控制，因为U1复位期间引脚处于高电平，DE与P0.7之间加入反相器U3，可防止本节点复位期间发送数据，引起RS485总线数据冲突；其接收、发送引脚RO、DI分别与U1引脚RXD/P0.5、TXD/P0.4连接，RO同时与

/P0.3连接，可结合定时器T0测量脉冲宽度；其引脚A(+)、B(-)连接到U4RS485总线上。U4ADC实现传感器U6信号模数转换。

本实施例通过STIM的即插即用功能首先必须实现基于排序脉宽差分的波特率自适应来进一步说明上述方法实现的过程，其过程如下：

步骤I.采集、测量若干脉冲，将所有不相等的脉宽从小到大排序：

具体包括：STIM利用U1的定时器T0和引脚

/P0.3测量串行总线上n＝12个负脉冲宽度(T0测量串行总线上的正脉宽可能计数值溢出)。U1的串口UART0采用九位通信模式，所以负脉宽最大为10t_bit(8位数据位和第9位奇偶校验位均为0)。

STIM将12个负脉宽中所有不相等的脉宽从小到大排序，得到第1个递增脉宽序列：

N_{1}^{(1)} t_{bit},

N_{2}^{(1)} t_{bit},

N_{3}^{(1)} t_{bit},

…，

N_{m_{1}}^{(1)} t_{bit}

(1≤m₁≤10)

本实施例假设上述第1个递增脉宽序列为：2t_bit，5t_bit，7t_bit，9t_bit。

步骤II.通过排序脉宽差分计算，求解最小脉宽：

具体包括：STIM将第1个递增脉宽序列

…，

中相邻脉宽逐一相减，得到如下相减后脉宽序列：

(N_{2}^{(1)} - N_{1}^{(1)}) t_{bit},

(N_{3}^{(1)} - N_{2}^{(1)}) t_{bit},

…，

(N_{m_{1}}^{(1)} - N_{m_{1} - 1}^{(1)}) t_{bit}

依照本实施例假设，即相减后脉宽序列为：3t_bit，2t_bit，2t_bit。

将相减后脉宽序列与相减前脉宽序列中所有不相等的脉宽从小到大重新排序，得到第2个递增脉宽序列：

N_{1}^{(2)} t_{bit},

N_{2}^{(2)} t_{bit},

N_{3}^{(2)} t_{bit},

…，

N_{m_{2}}^{(2)} t_{bit}

(m₁≤m₂≤10)

依照本实施例假设，即第2个递增脉宽序列为：2t_bit，3t_bit，5t_bit，7t_bit，9t_bit。

…，中相邻脉宽逐一相减，并将相减后脉宽序列

…，

与相减前脉宽序列中所有不相等的脉宽从小到大重新排序，得到第p+1个递增脉宽序列：

N_{1}^{(p + 1)} t_{bit},

N_{2}^{(p + 1)} t_{bit},

N_{3}^{(p + 1)} t_{bit},

…，

N_{m_{p + 1}}^{(p + 1)} t_{bit}

(m_p≤m_p+1≤10)

重复上述步骤，直至重复q次后第q个与第q+1个递增脉宽序列相同(即项数m_q＝m_q+1)，最终的递增脉宽序列如下：

N_{1}^{(q)} t_{bit},

N_{2}^{(q)} t_{bit},

N_{3}^{(q)} t_{bit},

…，

N_{m_{q}}^{(q)} t_{bit}

(m_q-1＜m_q≤10)

就是最小脉宽。

依照本实施例假设，第2个递增脉宽序列差分计算得到的脉宽序列为：1t_bit，2t_bit，2t_bit，2t_bit；将该相减后脉宽序列与第2个递增脉宽序列中所有不相等的脉宽从小到大重新排序，得到第3个递增脉宽序：1t_bit，2t_bit，3t_bit，5t_bit，7t_bit，9t_bit；重复上述排序脉宽差分步骤，得到第3、4个递增脉宽序列相同(即项数m₃＝m₄)，则第3个递增脉宽序的第1项1t_bit就是最小脉冲宽度。

步骤III.通过公式(1)计算从节点波特率BR′_i：

具体包括：STIM通过公式(1)计算波特率BR′_i，并以其初始化串口。依照本实施例假设，STIM第1次计算的BR′₁与系统波特率BR匹配。

步骤IV.比较从节点波特率BR′_i与系统波特率BR是否匹配：

具体包括：STIM向NCAP发送波特率确认询问帧(帧格式参阅图2)。NCAP如果收到波特率确认询问帧，且该帧中BR′_i信息与BR匹配，则向STIM发送波特率确认应答帧。STIM如果在规定时间(如1ms)内收到波特率确认应答帧，则波特率自适应成功，否则返回步骤10、20、30和40，重新计算BR′_i及比较BR′_i与BR是否匹配，直至波特率匹配。

依照本实施例假设，STIM计算的BR′₁与BR匹配，假如STIM向NCAP发送波特率确认询问帧及NCAP向STIM发送波特率确认应答帧过程均不发生数据冲突和干扰等导致数据错误，波特率实现自适应。之后，NCAP对该STIM分配地址及读取TEDS、配置参数，实现智能传感器即插即用。

为更加清楚说明本发明的技术方案，这里再进一步说明另外一种情况。当本实施例第1个递增脉宽序列

…，

中

…、

的最大公约数不为1时，比如

…，

{4，8}或{3，6，9}，相应最小脉宽分别为2t_bit，4t_bit、3t_bit，则STIM以公式(1)计算的BR′₁与BR不匹配。NCAP无法接收到波特率确认询问帧，当然STIM也无法接收到波特率确认应答帧，STIM等待规定时间(如1ms)后，重新返回步骤I、II、III和IV，重新计算BR′_i及比较BR′_i与BR是否匹配，直至波特率匹配。

综上所述，采用基于排序脉宽差分的波特率自适应方法实现本实施例STIM即插即用功能的具体程序流程如图5、图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于排序脉宽差分的波特率自适应方法，其特征在于，从节点在无需接收特定帧和未检测到1bit脉冲宽度的情况下，基于排序脉宽差分充分挖掘串行总线上其他节点间通信的脉冲宽度中隐含的系统波特率信息，实现该从节点波特率自适应；上述特定帧为：帧格式、帧长度、数据均作出规定的帧；所述方法主要包括以下步骤：

B.排序脉宽差分计算，求解最小脉冲宽度；

C.利用最小脉冲宽度计算从节点波特率；

D.比较从节点波特率与系统波特率是否匹配。

2.根据权利要求1所述的基于排序脉宽差分的波特率自适应方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：采集、测量串行总线上其他节点间通信的若干个脉冲，从小到大排序所有不相等的脉冲宽度，得到第1个递增脉宽序列。

3.根据权利要求1和2所述的基于排序脉宽差分的波特率自适应方法，其特征在于，所述步骤B中排序脉宽差分具体包括：将最新递增脉宽序列中相邻脉冲宽度逐一相减，并将相减得到的脉宽序列与相减前的递增脉宽序列中所有不相等的脉冲宽度从小到大重新排序，得到新的递增脉宽序列；

当前后两个递增脉宽序列不相同时，继续上述排序脉宽差分计算，直至前后两个递增脉宽序列相同，最终的递增脉宽序列第1项为最小脉冲宽度。

4.根据权利要求1和3所述的基于排序脉宽差分的波特率自适应方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：从节点波特率BR′_i等于上述步骤B中求得的最小脉冲宽度的倒数，其中i表示第i次计算BR′_i。

5.根据权利要求1和4所述的基于排序脉宽差分的波特率自适应方法，其特征在于，所述步骤D具体包括：从节点向主节点发送波特率确认询问帧，该帧包含BR′_i信息；

主节点如果收到波特率确认询问帧，且该帧中BR′_i信息与BR匹配，则向从节点发送波特率确认应答帧；

从节点如果在规定时间内收到波特率确认应答帧，则波特率自适应成功，否则返回上述步骤A、B、C和D，重新计算BR′_i及比较BR′_i与BR是否匹配，直至波特率匹配。