CN105024900B - 一种多机同步通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多机同步通信系统及方法，属于通信技术领域，取消了现有同步通信系统总线中功能单一数量众多的SS片选信号线，采用至少一条数据发送线、多条数据接收线实现一种新的同步通信系统总线，片选信号和控制类信号通过同一数据发送线发送，这种总线方式线路利用率高，传输速率高，数据吞吐量大，实时信号与非实时信号分开传输，非常适用于采集控制系统中。

Description

一种多机同步通信系统及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种多机同步通信系统及其通信方法。

背景技术

现有的同步通信系统多基于SPI通讯总线系统，该总线系统主要包括MOSI(主机输出/从机输入)、MISO(主机输入/从机输出)、SCLK时钟线及SS片选线。工作方式为，主机通过SCLK发送时钟信号，SS片选线发送片选信号，MOSI向从机发送控制命令、参数地址和数据等信息，从机通过MISO响应主机命令。

这种协议下，每台从机单独占用一条SS片选线，仅仅用来选通，这种方式造成了信道的浪费，且线路的增加不光增加了设备IO口的负担，而且在从设备较多、线路较长、走线紧张的应用中，带来布线复杂、抗干扰性降低，维护麻烦，成本增加等负面问题。

标准SPI协议上，从设备以总线方式回传数据，多个设备挂载在一条MISO上，例如当主机发送广播命令时，从机只能轮流进行信息的反馈，大大降低了响应实时性，尤其在时延敏感的控制系统中，成了技术瓶颈。

在隔离设备间，长距离传输的常规SPI通讯模块下，由于隔离芯片、特征阻抗不匹配等原因会引起线路时延，边沿失真，且这些问题具有离散性，如通讯速率过高，各根线硬件传输带来的这些差异性难以忽视，存在读错位的风险，因此通讯速率受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种多机同步通信系统及多机同步通信方法，通过改变现有的总线连接方式，提高线路利用率和通讯速度。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种多机同步通信系统，包含：

同步通信的一主机设备和至少两从机设备；

至少一条数据发送线，从主机设备传输数据给各从机设备；

与各从机设备一一对应的至少两条数据接收线，从各从机设备传输数据给主机设备；

其特征在于：各从机设备的片选信号和控制类信号通过同一条数据发送线发送。

一种多机同步通信方法，设置同步通信的一主机设备和至少两从机设备，主机设备通过至少一条数据发送线传输数据给各从机设备；从各从机设备通过与其一一对应的数据接收线传输数据给主机设备；其特征在于各从机设备的片选信号和控制类信号通过同一条数据发送线发送。

本发明的多机同步通信系统及多机同步通信方法取消了现有同步通信系统总线中功能单一数量众多的SS片选信号线，采用至少一条数据发送线(MOSI线)、多条数据接收线(MISO线，每台从机各一条)实现一种新的同步通信系统总线，在单根MOSI线上除实现片选功能外，还传输了控制类信号，这种总线方式线路利用率高，传输速率高，数据吞吐量大，实时信号与非实时信号分开传输，非常适用于采集控制系统中。

每个从机利用单独的MISO线响应主机命令，传输从机数据及状态信息，主机可以并行处理多从机信息，具有高实时性和高数据传输量的特点，非常适用于一主多从，广播类监控，高数据吞吐量应用的需求。

本发明的一种实施例中，将实时性要求高的数据与实时性要求较低的数据通过不同数据发送线传输，控制信号相对状态信号在时序上靠后，可实现在单帧时间内完成系统对关键点的监控，非常适用于采集控制系统。

附图说明

图1为本发明通信系统总线连接示意图；

图2为本发明通讯时序图；

图3为相位校准时序图；

图4为设备通信连接图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种多机同步通信系统，由一台主机设备和n台从机设备构成，n为大于等于1的整数。本实施例取消了现有总线结构中功能单一的SS片选信号线，采用两条数据发送线MOSI线(数据流向从主机设备到从机设备，MOSI1、MOSI2)、多条数据接收线MISO线(数据流向从从机设备到主机设备，与从机设备一一对应，每个从机设备各一条)、1条SCLK时钟信号线实现一种新的多机同步通信总线。

如图2，其中MOSI1传输的数据含帧头(帧头为连续多个1或0信号，除帧头以外的其他数据段用与帧头相反逻辑的0或1进行间隔，每个有效数据段长度小于帧头长度,以区分帧头)、从机片选信号(由与各从机设备一一对应的片选位数据组成，可以多选，片选位有效时，对应的从机设备被同时选通与主机建立通信，响应MOSI2线上读写指令或数据)和控制类信号(含同步信号和触发信号，同步信号用于同步多台从机的控制操作信号，例如启停机控制同步信号。触发信号用于触发各从机相应功能模块，如采样模块)。MOSI2为主机读写指令、读写地址和读写数据信号线。MISO上传从机状态类信号、从机采集数据及响应主机读写指令数据。SCLK为时钟信号线，由主机产生，各从机不但利用该时钟同步提取通讯信号，并将该信号送入FPGA内部锁相环(PLL)，作为从机工作时钟。

主从机通讯模块均采用FPGA实现，利用FPGA的并行处理能力，边读取位数据边分析处理。时序上，帧格式设计片选信号在帧中靠前位置，从机提取出本机片选位数据，识别该位为选通状态时，将接收处理MOSI2线上读写指令及数据。同样，MOSI1线控制类信号相对于MISO线上状态类信号在时序上靠后，在一帧信号传输过程中，主机先读取分析各从机状态，根据状态发送相应控制信号，利用这种安排，主机可以在一帧内完成对从机的实时监控。

帧协议原理：

本协议分成常规协议和校验协议，常规协议为默认工作协议，用来传输正常数据；当主机上电或操作性复位时将以检验协议产生MOSI1与MOSI2的相位校准数据帧，从机识别出该帧后，将对相位校准参数进行更新，并产生校准应答信号，用来供主机对MISO线路相位校准。

常规协议(常规工作模式)：

主机通过MOSI1传送帧头、片选、触发控制类信号，通过MOSI2传送读写命令、参数地址和数据类信号。从机通过MISO传送状态标志、采集数据或读写响应数据。

从机利用FPGA对接收的数据进行实时分析处理，当在MOSI1上检测到帧头(对应图2、图3中的起始数据段，本实施例为11111)时，将对MOSI1线的同步计数信号清零，之后每接收到一个SCLK，同步计数信号将加一，其他数据线也以此进行同步，作为帧中提取数据的位索引。为了区分MOSI1中帧头与其他数据段，其他数据段之间用0进行间隔，每个有效数据段需小于帧头长度，如图2中，片选信号有两个数据段CH_SEL0和CH_SEL1，每个数据段设置4bits，对应8个从机，1表示选中，数据段之间用0间隔。TRIG0～TRIG7对应8个从机设备的触发信号，每个数据段设置4bits，不同数据位对应从机设备中不同模块的触发控制。

当提取出本机片选位数据，并且该位为选通状态时，将接收处理传输中的MOSI2线上读写指令及数据，并通过MISO线CMD(命令)和DAT(数据)段将读写指令的反馈信号和数据发送给主机。MOSI1与数据线MOSI2、MISO帧尾不对齐，MOSI2和MISO帧间衔接无间隔，这种方式减少了信道的浪费，提高了单帧传输信息量。

从机还通过MISO主动上传本机状态标志TRIG-I(触发类状态)和STAT(其他状态)至主机，这类信号与片选无关，不管选不选通都将作为必传信息上传主机，主机实时处理从机状态标志，通过MOSI1发送触发控制信号(TRIG1～TRIG8)至从机，利用这种安排，实现在一帧时间内完成对从机的实时监控。

从机在采集数据主动上传模式激活后，即使没被片选信号选中，也将主动在MISO线CMD和DAT数据段传输采集到的数据。这种方式减少了MOSI2线上信息传输量，降低了误码风险和EMI干扰。

SCLK时钟被送至锁相环，产生新的通讯SCLK(25M)和从机工作时钟(100M)，利用锁相环使得SCLK与系统工作时钟同源，同相位，保证系统工作同步性，提高稳定性。

相位校准协议(相位校验模式)：

从机校验

如图3所示，在相位校验模式下(当主机设备上电或操作性复位时)，主机设备在数据发送线上发送相位校准数据帧，各从机设备识别出校验地址位有效时，对MOSI1、MOSI2线相位校准数据帧中包含的相位识别特征数(本实施例规定为1010，共4bits)以SCLK的N倍频率信号(倍数越高，校准精度越高，本实施例N＝4)进行同步读取，获得32bits(两根线)含相位偏移信息的数据(该高频信号和SCLK利用锁相环同相处理)，并将该相位偏移数据上传CPU系统，CPU分析处理后，产生可在SCLK边沿触发(上升沿或下降沿，本实施例为下降沿)时各根数据线读取准确数据的移相数据，该移相数据包含相位后移值(对MOSI1线和MOSI2线均有效)和滞后标志数(对MOSI2线有效，当MOSI2相位滞后MOSI1时有效)，分别下传至相位校验模块和RXD接收模块，实现移相功能。

主机设备和从机设备的结构及其连接关系如图4所示，相位校验模块通过4倍SCLK的高频信号同步，根据相位后移值对MOSI1和MOSI2进行锁存延时，在4倍SCLK高频信号同步下，每延迟一个bit,对应SCLK频率下，相位延迟90度，使其在SCLK边沿触发时信号均处于当前位中间位置，在该位置RXD模块提取信号可靠性最高。单周期内最优相位点确定之后，还需以MOSI1帧头为参考，对MOSI2信号进行位对齐。

当由于隔离芯片等外界原因引起实际MOSI2超前MOSI1信号时，同样利用相位校准模块对MOSI2进一步进行锁存延迟，SCLK下每延时一个bit(360度相位)，4倍SCLK高频信号下需锁存延时4bits,使得两根线信号重新同步在一个读取周期内；当MOSI2位滞后MOSI1数据时，在SCLK同步下，RXD接收模块利用MOSI2的滞后标志数对MOSI2帧内计数值(序号)进行延时计数，例如，当MOSI2位滞后MOSI1数据1bit(滞后标志数为1)，同一个时间点，如MOSI1数据保存帧中2序号位置，MOSI2的数据将被保存在帧中1序号位置，实现与MOSI1在SCLK频率下的位同步。

主机校验

从机在相位校验模式下，将通过MISO发送从机校验帧响应主机校验帧，从机校验帧也包含相位识别特征数，主机利用相同方式，对相位识别特征数以SCLK的4倍频率信号进行同步读取，获得16bits含相位偏移信息的数据(该高频信号和SCLK利用锁相环同相处理)，并将该相位偏移数据上传CPU系统，CPU分析处理后，产生可在SCLK边沿触发时读取准确数据的移相数据，该移相数据包含相位后移值和滞后标志数(当MISO相位滞后MOSI1时有效)，分别下传至相位校验模块和RXD接收模块，实现移相功能，对MISO线路失真相位进行校准。

主从机设备电路结构如图4，通过该电路结构实现上述总线协议，主机和从机通讯模块电路原理框图类似，主要由译码控制模块、TXD模块(发送模块)、RXD模块(接收模块)和相位校准模块构成。

主机工作流程：

主机CPU产生读写指令信号，经译码控制模块送至TXD发送模块进行打包发送；RXD接收模块对各从机送来的多条MISO数据并行处理，当检测到含响应主机读写命令的CMD和DAT段时，产生IRQ接收中断信号至CPU，CPU响应中断后，通过译码控制模块将CMD和DAT数据取走；RXD模块如接收到主动上传的采集数据，将根据CMD标识位，送至测量示波模块用于显示。

RXD模块将TRIG和STAT状态类信号送到TRIG和STAT处理模块，该模块根据状态信号产生触发控制信号，送至TXD模块相应位发送。

相位校准模块在校准模式下，将产生各条MISO线上的相位信息，在RXD模块中，与校准地址组合产生CPU待读相位数据，同时RXD模块产生接收中断，CPU响应中断后，将相位数据和地址读取处理后，产生对应每条MISO的移相数据，再通过译码控制模块译码后，相位后移值发送到相位校验模块，滞后标志数发送到RXD模块，实现移相功能。

校准数据和其他功能数据一样都有约定好的对应地址，CPU获取数据和地址，通过识别地址确定数据是什么数据。

从机工作流程：

从机RXD模块解析出片选信号选通本机后，产生IRQ接收中断信号至CPU，同时将获取的读写命令CMD及DAT数据送至译码控制模块，当CPU响应中断时，读取CMD和DAT并处理；CPU产生的响应指令与数据也通过译码控制模块送至TXD发送模块的FIFO中缓存。

当检测到本机未被选通时，根据配置，如为自动上传采集数据模式，则将采集的数据与状态标志，定时送至TXD模块FIFO中缓存，以待发送。

从机上传的TRIG和STAT状态来源于内部其它相关模块，需要发送状态位时，将各相关模块状态信号切入；主机下传的控制信号也同样与相关模块控制端相连，当解析出控制信号后，将实时传递到相关模块进行控制。

在校准模式下，相位校准模块将产生MOSI1和MOSI2线上的相位信息，在RXD模块中和校准地址进行组合，RXD模块产生接收中断，CPU响应中断后，将相位数据和地址数据读取处理后，通过译码控制模块产生MOSI1和MOSI2的移相数据，相位后移值发送到相位校验模块，MOSI2线的滞后标志数发送到RXD模块，实现移相功能。

滞后标志数均以MOSI1(基准线)做参考。当被校准线路相位滞后MOSI1线时，滞后标志数有效。

基准线仅作单周期内校准，且仅参考SCLK，和其他数据线无关。

其他数据线除了参考SCLK进行单周期内校准(90度)外，还需利用基准线进行位校。

单周期内校准：(每移一下是360/N度)

实现在SCLK边沿触发时(上升沿或下降沿)，读取的信号点为单周期内最优相位点，即信号中点附近。

位校：(每移一下就是360度)。

基准线以外的信号线除单周期校准到最优读取点外，还需以基准线为参考，进行位校

位对齐包含：

①超前基准线情况，利用相位校准模块对该信号线信号进一步延迟锁存后，再和基准线进行同步读取。

②滞后基准线情况，RXD接收模块利用滞后标志数对待校线帧内计数值(序号)进行延时计数实现，比如基准线来了序号为1的值，那么该信号线的该位序号为1-1＝0，为0，被减的1就为滞后标志数。

Claims (19)

1.一种多机同步通信系统，包含：

同步通信的一主机设备和至少两从机设备；

至少一条数据发送线，从主机设备传输数据给各从机设备；

与各从机设备一一对应的至少两条数据接收线，从各从机设备传输数据给主机设备；

其特征在于：各从机设备的片选信号和控制类信号通过同一条数据发送线发送。

2.如权利要求1所述的多机同步通信系统，其特征在于包含两根数据发送线，其中，第一数据发送线传输实时性要求高的数据，第二数据发送线传输实时性要求低的数据。

3.如权利要求2所述的多机同步通信系统，其特征在于第一数据发送线传输的数据包括帧头、各从机设备的片选信号和控制类信号。

4.如权利要求2所述的多机同步通信系统，其特征在于第二数据发送线传输的数据包括读写指令、读写地址和读写数据。

5.如权利要求1所述的多机同步通信系统，其特征在于，各从机设备的片选信号由与各从机设备一一对应的片选位数据组成，片选位有效时，对应的从机设备被同时选通与主机建立通信。

6.如权利要求1所述的多机同步通信系统，其特征在于数据接收线传输的数据包括从机设备的状态类信号、从机设备的采集数据及从机设备响应主机设备读写指令数据。

7.如权利要求1所述的多机同步通信系统，其特征在于还包括一条时钟信号线，从主机设备发送主机时钟信号到各从机设备，作为从机设备的工作时钟，实现时钟同步。

8.一种多机同步通信方法，设置同步通信的一主机设备和至少两从机设备，主机设备通过至少一条数据发送线传输数据给各从机设备；从各从机设备通过与其一一对应的数据接收线传输数据给主机设备；其特征在于各从机设备的片选信号和控制类信号通过同一条数据发送线发送。

9.如权利要求8所述的通信方法，其特征在于主机设备将实时性要求高的数据和实时性要求低的数据分别通过不同数据发送线传输给各从机设备。

10.如权利要求9所述的通信方法，其特征在于帧头、各从机设备的片选信号和控制类信号通过同一根数据发送线发送。

11.如权利要求10所述的通信方法，其特征在于帧头为连续多个1或0信号，除帧头以外的其他数据段用与帧头相反逻辑的0或1进行间隔，每个有效数据段长度小于帧头长度,以区分帧头。

12.如权利要求10所述的通信方法，其特征在于各从机设备对接收的数据进行实时分析处理，当检测到帧头时，对同步计数信号清零，之后每接收到一个时钟，同步计数信号加一，并以此同步计数信号同步其余数据线。

13.如权利要求9所述的通信方法，其特征在于传输实时性要求高的数据的数据发送线相对于其他数据发送线数据帧尾在时序上靠前。

14.如权利要求9所述的通信方法，其特征在于传输实时性要求低的数据的数据发送线和数据接收线数据帧间衔接无间隔。

15.如权利要求9所述的通信方法，其特征在于读写指令、读写地址和读写数据通过同一条数据发送线发送。

16.如权利要求8所述的通信方法，其特征在于各从机设备的片选信号由与各从机设备一一对应的片选位数据组成，片选位有效时，对应的从机设备被同时选通与主机建立通信。

17.如权利要求8所述的通信方法，其特征在于数据接收线传输的数据包括从机设备的状态类信号，从机设备的状态类信号相对于从机设备的控制类信号在时序上靠前。

18.如权利要求17所述的通信方法，其特征在于无论是否被片选，各从机设备均主动上传本机状态类信号至主机设备。

19.如权利要求8所述的通信方法，其特征在于：当主机设备上电或操作性复位时，在数据发送线上发送相位校准帧，各从机设备识别出该相位校准帧后，对相位校准参数进行更新，对数据发送线进行相位校准，并产生校准应答信号，供主机设备对数据接收线进行相位校准。