CN104866442B - 一种数字设备接口和数据交换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种数字设备接口和数据交换方法，数字设备接口为双向并行接口BIP，双向并行接口包括对外接口，对外接口与信号线管脚相连，信号线有10根，其中8根为数据线BYTE，另两根分别为握手线HS、时钟线CLOCK。双向并行接口BIP之间的传输机制为同步字节传输协议BTP。信号线的双向功能实现方法为：两个电平标准匹配的节点可将信号线根据名称一一连接；字节传输协议必须满足一方为发送方，另一方为接收方的链路连接规则；字节传输的实现过程包括握手、发送数据、结束。本发明提出的数字设备接口的数据交换方法实现微处理器与计算机主机之间高速数据传输。

Description

一种数字设备接口和数据交换方法
技术领域
本发明涉及一种工业自动化领域的数字设备接口和数据交换方法。
背景技术
目前，计算机主机的输入输出I/O接口有很多，如100Mbps的网口，USB口，并行口，串行口RS232C等，其中以太网接口Etherent、USB接口逐渐成为接口标准；微处理器MCU接口存在很大差异，如高端微处理器MCU中有以太网接口EtherNet，中低端微处理器MCU中有USB接口、CAN接口、通用同步异步串行口UART，以及专业接口如SPI，I2C，1-wire等。在工业自动化中，一方面在顶端需要功能强大的人机界面，另一方面需要将微处理器MCU嵌入到设备中，因此需要解决计算机主机与微处理器单元连接的问题。
现有技术存在以下问题：
1、计算机主机与微处理器的接口中，USB作为便携插口，不能通过螺丝牢固紧固，不能在工业方面使用。
2、以太网接口Etherent为计算机主机接口标准之一，但部分有微处理器MCU没有以太网接口Etherent，而具备以太网接口的MCU开发成本和附加成本又很大，在工业自动化中，以太网接口Etherent难以在嵌入式设备中普及；而且，以太网接口Etherent中一个以太网包裹的最小字节数为64，而工业自动化中，只需传输几个字节，故以太网接口Etherent的使用效率低。
3、微处理器MCU中，专业接口SPI，I2C，1-wire等串行接口的通信速率低，其中主机串口RS232C的最高波特率为921.6kbps，SPI一般为500kbps，I2C，1-wire则更低。CAN的波特率为1Mbps，且具有通信自主管理功能，但极少有计算机提供CAN接口，具有CAN接口的MCU难以与主机连接。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种数字设备接口和数据交换方法，以实现计算机主机和微处理器MCU之间快速、高效传输数据。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种数字设备接口的数据交换方法，基于信号线进行数字设备间的双向数据传输，其实现步骤为：
步骤(1)：定义双向并行接口BPI的物理结构，所述双向并行接口BPI包括对外接口，所述对外接口与信号线管脚连接，所述信号线有10根，所述10根信号线中8根为数据线BYTE、另外2根分别为握手线HS、时钟线CLOCK，所述握手线HS、数据线BYTE、时钟线CLOCK分别外接上拉电阻、数字电源，所述上拉电阻、数字电源通过串联连接；
步骤(2)：通过双向并行接口BPI实现两个数字节点的连接；
步骤(3)：定义字节传输协议BTP的工作规则，所述字节传输协议BTP的工作规则为：信号线连接两端必须符合链路连接规则，所述链路连接规则为：一方为发送，另一方必须为接收；
步骤(4)：通过字节传输协议BTP实现两个数字节点之间的信息交换。
进一步的，所述步骤(1)中，所述对外接口包括双向门电路，方向控制管脚DIR控制所述对外接口的输入/输出，方向控制管脚DIR为低电平时，对外接口为输出状态，方向控制管脚为高电平时，对外接口为输入状态；实现信号线双向功能的方法是：信号线在无输出时为输入状态，所述信号线在输入状态时呈高阻特性，当对外接口为输入状态时，即方向控制管脚DIR为高电平，由于信号线通过上拉电阻与数字电源相连，则信号线呈高电平状态，信号线可由另一端的数字设备控制。
进一步的，所述步骤(2)中，通过双向并行接口BPI实现两个数字节点的连接方法为：两个数字节点的电平标准匹配时，所述两个数字节点通过所述10根信号线分别按名称对应连接。
进一步的，所述步骤(4)中，通过字节传输协议BTP实现两个数字节点之间的信息交换的方法为：依次通过握手、发送数据、结束三个步骤完成字节传输，所述握手、发送数据分别由发送方依次实现，所述结束包括发送方实现的结束、接收方实现的结束。
进一步的，所述步骤(4)中，握手建立的步骤依次为：发送方将握手线HS对外接口设置为低电平，此时握手线由高电平状态变为低电平状态；接收方响应后，发送方将握手线HS对外接口设置为高电平，并等待接收方将握手线HS对外接口设置为低电平，此时，握手线HS由低电平状态变为高电平状态；接收方拉低握手线HS，此时握手线为低电平状态；发送方检测到握手线HS持续保持为低电平状态后，确认握手建立。
进一步的，所述步骤(4)中，发送数据的步骤依次为：发送方将八位数据输出到数据线BYTE上；发送方将处于高电平的时钟线CLOCK对外接口设置为低电平，此时时钟线CLOCK由初始的高电平状态变为低电平状态；数据线上的八位数据由发送方传输到接收方；发送方将时钟线CLOCK对外接口设置为高电平，此时时钟线CLOCK由低电平状态变为高电平状态，一个字节传输完毕；多个字节传输，重复上述步骤(4)中发送数据的步骤。
进一步的，所述步骤(4)中，发送数据的步骤依次为：发送方将八位数据输出到数据线BYTE上；发送方将处于高电平的时钟线CLOCK对外接口设置为低电平，此时时钟线CLOCK由初始的高电平状态变为低电平状态；数据线上的八位数据由发送方传输到接收方；发送方将时钟线CLOCK对外接口设置为高电平，此时时钟线CLOCK由低电平状态变为高电平状态，发送方向接受方发送传输结束标注，一个字节传输完毕；多个字节传输，重复上述步骤(4)中发送数据的步骤。
进一步的，所述步骤(4)中，传输结束的实现过程中，由发送方实现传输结束的步骤依次为：发送方控制时钟线CLOCK保持高电平状态；接收方检测到CLOCK线高电平状态持续两个以上的CLOCK时钟周期后，立即将握手信号线HS对外接口设置为高电平，握手线HS由低电平状态变为高电平状态；发送方将双向并行接口BPI的10个信号线全部置为输入状态，即终止发送；
进一步的，所述步骤(4)中，传输结束的实现过程中，由接收方实现传输结束的步骤依次为：接收方如果想停止接收，则可随时将握手线HS线对外接口设置为高电平，握手线HS由低电平状态变为高电平状态，则实现发送终止。
一种数字设备接口，包括10根信号线，所述10根信号线包括1根握手线HS、8根数据线BYTE、1根时钟线CLOCK，所述10根信号线遵循上述数字设备接口的数据交换方法。本发明的有益效果：
1.本发明提出的方法弥补了目前数字接口在自动化和智能控制领域的不足；
2.本发明提出的同步字节传输方法，可将传输速率提高到一方的最大性能极限，传输效率高于以太网和USB，是SPI速率的八倍；
3.本发明提出的设备接口和字节传输方法易于实现，在高性能计算机主机与廉价的MCU之间提供了一种高速通道；
4.本发明提出的方法，有望成为为数不多的该领域内的中国标准，有利于打破国外技术垄断，具有巨大的经济效益和社会效益。
附图说明
图1(a)为本发明实施例握手线HS管脚电平控制原理图；
图1(b)为本发明实施例数据线BYTE管脚电平控制原理图；
图1(c)为本发明实施例时钟线HS管脚电平控制原理图；
图2(a)为本发明实施例握手线HS电气连接原理图；
图2(b)为本发明实施例数据线BYTE电气连接原理图；
图2(c)为本发明实施例时钟线CLOCK电气连接原理图；
图3为本发明实施例双向并行口BPI单线信息传输链路图；
图4为本发明实施例字节传输协议BTP时序图；
其中，1、双向门电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
一种数字设备接口的数据交换方法，基于信号线进行数字设备间的双向数据传输，其实现步骤为：
步骤(1)：定义双向并行接口BPI的物理结构；
步骤(2)：通过双向并行接口BPI实现两个数字节点的连接；
步骤(3)：定义字节传输协议BTP的工作规则；
步骤(4)：通过字节传输协议BTP实现两个数字节点之间的信息交换。
步骤(1)中，双向并行接口BPI包括对外接口，所述对外接口与信号线管脚连接，所述信号线有10根，所述10根信号线中8根为数据线BYTE、另外2根分别为握手线HS、时钟线CLOCK，所述握手线HS、数据线BYTE、时钟线CLOCK分别外接上拉电阻R、数字电源，所述上拉电阻R、数字电源Vd通过信号线串联。其中，对外接口包括双向门电路1，方向控制管脚DIR控制所述对外接口的输入/输出，方向控制管脚DIR为低电平时，对外接口为输出状态，方向控制管脚为高电平时，对外接口为输入状态。
上述10根信号线都是双向线，信号线的双向功能由对外接口实现，对外接口受方向控制脚DIR的控制。实现信号双向功能的方法是：信号线无输出时为输入状态，输入状态时信号线呈现高阻特性。如图1(a)、图1(b)、图1(c)所示，当对外接口为输入状态时，即数字设备的方向控制管脚DIR为高电平，由于信号线的管脚通过一个限流电阻R与数字电源Vd相连，则该信号线成高电平状态，因此可以由另一端的数字设备控制该信号线。
步骤(2)中，通过双向并行接口BPI实现两个数字节点的连接的方法为：两个数字节点的电平标准匹配时，可通过所述10根信号线分别对应连接。如图2(a)中，握手线HS两端的对外接口为输入状态时，该握手线HS两端的数字设备的方向控制脚DIR均为高电平，即DIR＝1，则握手线两端的数字设备可通过该握手线HS建立连接；图2(b)中，数据线BYTE两端的对外接口为输入状态时，该数据线BYTE两端的数字设备的方向控制脚DIR均为高电平，即DIR＝1，则数据线两端的数字设备可通过该数据线BYTE建立连接；图2(c)中，时钟线CLOCK两端的对外接口为输入状态时，该时钟线CLOCK两端的数字设备的方向控制脚DIR均为高电平，即DIR＝1，则该时钟线CLOCK两端的数字设备可通过该时钟线CLOCK建立连接。
步骤(3)中，字节传输协议BTP的工作规则定义为：信号线连接的两端必须符合一方为发送方，另一方必须为接受方的链路连接规则。当甲、乙两个节点按照上述步骤(2)建立了连接后，并不能保证数据可以传输，还必须按链路连接规则建立链路，该链路等效于ISO的第二层链路层，链路连接规则为：一方为输出/发送，另一方必须为输入/接收。如图3所示，甲方为发送方，其方向控制脚为低电平(DIR＝0)，乙方为接收方，其方向控制脚为高电平(DIR＝1)；同样，如果乙方向甲方传递信息，则乙方的方向控制脚为低电平(DIR＝0)，甲方的方向控制脚为高电平(DIR＝1)。
链路连接是字节传输协议BTP的基础，以下所述字节传输协议BTP中所提到的发送方、接收方均认为符合链路连接规则。
如图4所示，步骤(4)中，通过字节传输协议BTP实现两个数字节点之间的数据交换的步骤为：握手、发送数据、结束。
握手的实现过程依次为：
发送方将握手线HS的对外接口设置为低电平，此时握手线为低电平状态；
接收方响应后，即t1时间后，发送方将握手线HS对外接口设置为高电平状态，并等待接收方将握手线HS设置为低电平，此时，握手线HS为高电平状态；
接收方将握手线HS对外接口设置为低电平，此时握手线HS为低电平状态；
发送方检测到握手线HS持续为低电平状态时，握手建立。
上述握手过程中，t1为接收方响应时间，t1的大小取决于接收方的最快反应时间，若接收方以中断方式响应，则需要数个接收方的指令周期；t2为发送方等待时间，t2的大小取决于发送方的反应时间，一般也需要发送方的数个指令周期。
发送数据的实现过程依次为：
发送方将八位数据输出到数据线上；
初始，时钟线CLOCK为高电平，发送方设置时钟线CLOCK的对外接口为低电平，此时时钟线CLOCK由高电平状态变为低电平状态；
数据线上的八位数据由发送方传输到接收方；
发送方设置时钟线CLOCK对外接口为高电平，此时时钟线CLOCK低电平状态变为高电平状态；
一个字节传输完毕，发送方发送传输结束标志；
多个字节传输，重复所述发送数据的实现过程。
上述发送数据过程中，图4中时钟周期t3对应发送数据的时间，t3取决于接收方的数据读取速率。
结束的实现过程依次为：
发送方控制时钟线CLOCK对外接口保持高电平，即时钟线CLOCK为高电平状态；
接收方检测到CLOCK线高电平持续两个以上的CLOCK时钟周期后，立即将握手线HS对外接口设为高电平，握手线HS由低电平状态变为高电平状态；
发送方将双向并行接口BPI的10个信号线全部置为输入状态，即终止发送；
接收方如果想停止接收，则可随时控制握手线HS对外接口为高电平，握手线HS由低电平状态变为高电平状态，传输结束。
上述结束的实现过程中，时间t4对应CLOCK线高电平持续时间，t4时间长度大于两倍的t3，即CLOCK线电平持续两个以上的CLOCK时钟周期。
一种数字设备接口，包括对外接口，对外接口与信号线管脚连接，所述信号线有10根，所述10根信号线包括1根握手线HS、8根数据线BYTE、1根时钟线CLOCK，所述10根信号线遵循上述数字设备接口的数据交换方法。
扭振检测装置中，作为数字采样单元的MCU为16位单片机PIC30F3013，主机为台湾昭营科技有限公司的VDX-6357嵌入式PC104主板。PIC30F3013除了具有A/D接口外，还可提供10个I/O管脚，与VDX-6357的16个通用输入输出(GPIO)口中的10个管脚直接连接。PIC30F3013的I/O口为TTL电平，VDX-6357的GPIO口也为TTL电平，可按照图2(a)、图2(b)、图2(c)直接连接。
数字采样单元内的PIC3013集成了16位DSP、A/D转换器、程序存储器等。PIC3013同步采样四路振动探头信号，通过本发明双向并行接口与VDX-6357上的800MHz CPU实现了高速通信，由800MHz CPU实现信号分析处理。VDX-6357上的100Mbps网口又可方便地与其他设备联网。
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。

Claims (7)

1.一种数字设备接口的数据交换方法，基于信号线进行数字设备间的双向数据传输，其特征是，所述数字设备接口的数据交换方法的实现步骤为：
步骤（1）：定义双向并行接口BPI的物理结构，所述双向并行接口BPI包括对外接口，所述对外接口与信号线管脚连接，所述信号线有10根，所述10根信号线中8根为数据线BYTE、另外2根分别为握手线HS、时钟线CLOCK，所述握手线HS、数据线BYTE、时钟线CLOCK分别外接上拉电阻、数字电源，所述上拉电阻、数字电源通过信号线串联；
步骤（2）：通过双向并行接口BPI实现两个数字节点的连接；
步骤（3）：定义字节传输协议BTP的工作规则，所述工作规则为，信号线连接的两端必须符合链路连接规则，所述链路连接规则为：一方为发送方，另一方必须为接受方；
步骤（4）：通过字节传输协议BTP实现两个数字节点之间的信息交换；
所述步骤（4）中，通过字节传输协议BTP实现两个数字节点之间的数据交换的方法为：依次通过握手、发送数据、结束三个步骤完成字节传输，所述握手、发送数据分别由发送方依次实现，所述结束包括发送方实现的结束、接收方实现的结束；
所述握手建立的步骤依次为：
发送方将握手线HS对外接口设置为低电平，此时握手线由高电平状态变为低电平状态； 接收方响应后，发送方将握手线HS对外接口设置为高电平，并等待接收方将握手线HS对外接口设置为低电平，此时握手线HS由低电平状态变为高电平状态； 接收方将握手线HS对外接口设置为低电平，此时握手线HS为低电平状态；发送方检测到握手线HS持续保持为低电平状态后，握手建立；
所述发送方实现的结束的步骤依次为：
初始，时钟线CLOCK保持高电平状态； 接收方检测到CLOCK线高电平状态持续两个以上的CLOCK时钟周期后，立即将握手线HS对外接口设置为高电平，握手线HS由低电平状态变为高电平状态； 发送方将双向并行接口BPI的信号线对外接口全部置为输入状态，即终止发送。
2.如权利要求1所述的一种数字设备接口的数据交换方法，其特征是，所述步骤（1）中，所述对外接口包括双向门电路，方向控制管脚DIR控制所述对外接口的输入/输出，方向控制管脚DIR为低电平时，对外接口为输出状态，方向控制管脚为高电平时，对外接口为输入状态；实现信号线双向功能的方法是：信号线在无输出时为输入状态，所述信号线在输入状态时呈高阻特性，当对外接口为输入状态时，即方向控制管脚DIR为高电平，由于对外接口通过上拉电阻与数字电源相连，则信号线呈高电平状态，信号线可由另一端的数字设备控制。
3.如权利要求1所述的一种数字设备接口的数据交换方法，其特征是，所述步骤（2）中，通过双向并行接口BPI实现两个数字节点的连接方法为：两个数字节点的电平标准匹配时，所述两个数字节点通过所述10根信号线分别按名称对应连接。
4.如权利要求1所述的一种数字设备接口的数据交换方法，其特征是，所述发送数据的步骤依次为： 发送方将八位数据输出到数据线BYTE上； 初始，时钟线CLOCK为高电平，发送将高电平的时钟线CLOCK的对外接口设置为低电平，此时时钟线CLOCK由初始的高电平状态变为低电平状态； 数据线上的八位数据由发送方传输到接收方； 发送方将时钟线CLOCK对外接口设置为高电平，此时时钟线CLOCK由低电平状态变为高电平状态，一个字节传输完毕； 多个字节传输，重复所述发送数据的实现过程。
5.如权利要求1所述的一种数字设备接口的数据交换方法，其特征是，所述发送数据的步骤依次为： 发送方将八位数据输出到数据线BYTE上； 初始，时钟线CLOCK为高电平，发送将高电平的时钟线CLOCK的对外接口设置为低电平，此时时钟线CLOCK由初始的高电平状态变为低电平状态； 数据线上的八位数据由发送方传输到接收方； 发送方将时钟线CLOCK对外接口设置为高电平，此时时钟线CLOCK由低电平状态变为高电平状态； 发送方向接收方发送传输结束标志，一个字节传输结束； 多个字节传输，重复所述发送数据的实现过程。
6.如权利要求1所述的一种数字设备接口的数据交换方法，其特征是，所述接收方实现的结束的步骤为：接收方将握手线HS对外接口设置为高电平，握手线HS由低电平状态变为高电平状态。
7.一种数字设备接口，包括对外接口，对外接口与信号线连接，信号线有10根，所述10根信号线包括1根握手线HS、8根数据线BYTE、1根时钟线CLOCK，其特征是，所述对外接口、10根信号线遵循权利要求1～6任一项所述的数字设备接口的数据交换方法。
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