CN105701058B - 具有位置检测的多站串行总线和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种具有位置检测的多站串行总线和方法,提供了一种设备，包括:从设备，通过数据线被连接到主设备,从设备包括:电路,用于响应于从主设备接收命令,驱动包括至少一个零的位序列。

Description

具有位置检测的多站串行总线和方法

本申请是分案申请，其母案申请的国际申请号是：PCT/US2008/064310;其国际申请日是2008.5.21；其国家申请号是200880129349.8;其母案的发明名称是：“具有位置检测的多站串行总线和方法”。

技术领域

本公开一般涉及具有使用串行总线协议互连到数字设备的模块化设备的系统。常常期望的是检测沿着串行总线附着的设备的物理位置。这在意图让不同的设备沿着串行总线占用某个指定物理地点的情况下可能是期望的。

背景技术

可以将被配置为连接到串行总线的某些设备视为“智能”设备，并且其包括微控制器和相关内置系统以确定设备在总线上的位置。然而，被配置为附着于多站串行总线的其它设备被视为“不智能”设备，不具有用于独立地确定其物理位置的微控制器或其它系统。然而，可能期望的是确定这些类型的不智能设备在总线上的物理位置。例如，在具有附着于串行总线的非易失性存储器使能的油墨供应设备的打印系统中，可能期望的是检测特定颜色的墨盒是否被错误安装或交换，从而可能引起油墨混合。此类油墨供应及其它类似的串行总线设备通常不包括为确定其自己的位置所需的微控制器和附加电路，并且提供它们将给设备增加复杂性和成本。

沿着串行总线检测已经使用的不智能设备的物理位置的其它方法涉及机械键控或附加布线。这些方法趋向于给此类系统增加机械和电气复杂性和成本。

附图说明

通过结合附图进行的以下详细说明，本公开的各种特征和优点将变得显而易见，所述附图一起举例说明例如本公开的特征，并且在附图中：

图1是依照本公开的被配置为用于不智能设备的位置检测的串行总线系统的一个实施例的示意图；

图2是示出依照本公开的用于检测设备在串行总线上的位置的方法的一个实施例中的逻辑步骤的流程图；

图3是依照本公开的可以依照用于检测设备在串行总线上的位置的方法的实施例使用的两个可选数据读取序列的图示；

图4是依照本公开的示出指示设备沿着具有位置检测系统的串行总线的实施例的正确定位的单调响应曲线的电压对比从属设备地址的图表；以及

图5是依照本公开的示出指示设备沿着具有位置检测系统的串行总线的实施例的不正确定位的不规则响应曲线的电压对比从属设备地址的图表。

具体实施方式

现在将对附图所示的示例性实施例进行参考，并且在本文中将使用特定语言来对其进行描述。然而，应理解的是并不因此意图限制本公开的范围。将被相关领域的得到本公开的技术人员想到的本文举例说明的特征的变更和其它修改以及本文举例说明的原理的附加应用要被视为在本公开的范围内。

众所周知，串行总线是在诸如计算机或微控制器之类的主数字设备与被串联地附着于总线的一组部件之间传输数据的子系统。早期的计算机总线是具有多个连接的实际上并行的电线，但该术语现在被用于提供同一逻辑功能性的任何物理布置。现代计算机总线可以使用并行和位串行连接两者，并且可以以多站（电气并联）或菊花链拓扑结构布线，或者用交换式集线器连接，如在通用串行总线（USB）的情况下一样。串行总线可以通过同一组导线在逻辑上连接若干外围设备，并串联地向该设备传输数据－亦即，依次地每次一位地发送数据。这与并行通信相反，在并行通信中每个符号的所有位被一起发送。每个串行总线将其连接器组定义为在物理上将设备、卡或电缆插在一起。串行计算机总线已变得更加普遍，因为改进的技术使得其能够以较高速度传输数据。

如上所述，可能期望的是检测驻留在多站串行总线上的设备的物理位置，其中该设备本身不具有用于独立地确定其位置的系统。有利地，已开发了一种用于检测多站串行总线上的物理设备的位置的系统和方法，其以电子方式将设备区别开且不增加总线中的导线的数目。在图1中示出串行总线的一个实施例的示意图。此总线包括在串行总线上连接到主设备112的多个从属设备110a～d（标记为A1～A4）。主设备可以是任何类型的微控制器，诸如数字ASIC。经由连接在电源线114与接地线116之间的电压源115（例如，处于3.3V的电平）从设备的电源向每个从属设备提供功率。每个从属设备110包括能够存储诸如用于从属设备的数字地址、标识位等之类的信息的非易失性存储器电路130。

从属设备全部被串联地连接到也被互连到主设备112的数据线118和时钟信号线120。在数据电压源119与接地线116之间的数据线118上提供数据电压V（例如3.3V）。在数据线118中包括上拉电阻器122以在总线空闲时将数据线保持在高逻辑状态。

图1所示的串行总线是一种I2C串行总线。I2C（集成电路间）总线提供集成电路之间的通信链路。I2C总线通常由2条有效导线和接地连接组成。称为DATA和CLK（时钟）的有效导线最初是双向的。被挂在总线上的每个设备具有其自己的唯一地址，并且根据设备的功能性可以是接收机和/或发射机。在图1的实施例中，未为从属设备提供发起数据传输的能力。

在操作中，主设备将首先发出START（开始）命令，该START命令充当到所有连接的从属设备的‘注意’信号。然后，主设备将发送包括主机（master）期望访问的设备的地址的字节、和提供该访问是读操作还是写操作的指示的位。

在接收到地址字节之后，所有从属设备将把该字节与其自己的地址相比较。如果其不匹配，则从属设备将仅仅等待直至总线被由主设备发起的后续STOP（停止）条件释放为止。然而，如果地址匹配，则从属设备的电路将产生在DATA线上返回的确认（ACK）响应信号。

一旦主机接收到确认信号，则其可以开始向或从从属设备发送或接收DATA（数据）。本领域的技术人员将熟悉管理I2C总线上的数据传输的时钟同步和数据传输仲裁方法。当这全部完成时，主设备将发出STOP条件，该STOP条件是总线已被释放且所连接的从属设备可以预期随时开始另一传输的信号。

I2C总线可以允许多于一个的设备在发起数据传输时是有效的。图1的实施例中的情况即是如此。在典型的操作中，经由时钟信号线120和数据线118从主设备112串联地提供时钟信号和数据信号，同时在电压源线114与接地线116之间提供用于从属设备的操作电压。这四条线在I2C串行总线的本实施例中是普通导体。然而，从属设备110是不智能设备，如上文所讨论的，并且不包括允许其确定其沿着总线的物理地点并将该信息中继到主设备112的电路。为了使主设备以电子方式确定设备的位置，通常将涉及总线中的附加导体。

有利地，在此串行总线中提供电阻性分压器网络、以及耦合到总线的允许设备110的相应物理地点的电子确定的电路。具体而言，此总线包括数据线118上的一系列分压电阻器124a～d，并添加从数据线到模数转换器（ADC）126的连接118a。此配置创建使得来自每个设备110的信号的电压根据该设备的物理地点而改变的梯式分压器网络。例如，来自设备A4的信号将通过分压电阻器124中的四个，而来自设备A1的信号将通过分压电阻器124中的仅一个。如果两个信号以同一电压电平开始，则当两者被ADC采样时，来自A4的信号将处于比来自A1的信号高的电压。ADC 126包括将模拟电压转换成指示电压电平的数字信号的电路。此数字信号被主设备用来基于来自从属设备的信号的电压电平而以电子方式区别总线上的从属设备110的物理地址。

ADC 126可以是不智能设备，类似于从属设备110，并且经由通信链路132（其可以是另一通信总线）从主设备112接收控制信号并向主设备112提供数据。虽然ADC被示为与主设备分离的设备，但ADC在物理上可以是主设备的一部分，或者其可以处于分开的位置。ADC和梯式分压器网络被设计为在主设备112的数据传输电压范围之外操作，以便不干扰正常数据传输，而仍允许通过在与设备进行数字通信时检测总线上的设备的电压顺序来区别位置。例如，主设备112可以被配置为用1 V的下阈值数据传输电压进行操作，以便忽视处于1V以下电平的任何信号。然而，使用来自ADC 126的转换电压，主设备112可以被配置为区分在1 V以下的特定信号和在零以上的某个量（例如100 mv）以允许进行位置识别。每个分压电阻器124具有足以使得在分压电阻器124的和与上拉电阻器122之间产生的电压是在低电压阈值以下的电压的电阻。然而，分压电阻器的电阻小到足以使得在正常操作期间来自主设备的数据信号不受损害。在一个实施例中，每个分压电阻器具有约51欧姆的电阻，但这仅仅是可以使用的许多电阻水平中的一个。此外，如下文所讨论的，给定组中的分压电阻器可以具有不同的电阻水平。

如上所述，每个从属设备110具有唯一的数字地址。此数字地址可以被存储在相应从属设备的存储器电路130中。主设备还包括其中存储有从属设备的数字地址的存储单元128（标记为MM）。在图2中提供概述用于检测设备在类似于图1所示的串行总线上的位置的方法的一个实施例中的逻辑步骤的流程图。通常，主设备112被编程为向每个从属设备写入数据字节，然后使用每个设备的唯一数字地址依次查询每个从属设备，以返回该数据字节。该数据字节被具体地选择为包括至少一个零位。此零位提供ADC可以将其转换成数字值以供主设备使用的低电压信号。主设备读取与从属设备地址相关的此数字值，并且然后可以确定从属设备是否以正确的顺序定位。

在图2的流程图中更详细地概述了此过程的一个实施例中的步骤。主设备112的编程首先将变量“I”设置为等于1，并将变量“N”设置为等于可以附着于总线的从属设备的最大数目（步骤202）。接下来，主设备发起与从属设备“I”的通信，该从属设备“I”最初将是第一从属设备（步骤204）。通信发起过程可以遵循标准I2C协议，其如上文所讨论的那样涉及首先发送START脉冲。根据总线数据传输协议，主设备然后向特定从属设备的指定存储单元（图1中的130）写入数据字节（步骤206）。此存储单元称为“临时地址（scratch address）”。此数据字节可以包括例如数字序列00000000（在步骤206中由十六进制“0x00”表示）。此序列是有用的，因为0数字由低电压脉冲表示，但当从属设备驱动总线时将不会具有真0值。该数据字节可以具有不同的序列，只要其包括至少一个数据零即可。在接收到此数据字节并将其存储在它的存储器中的临时地址后，从属设备将发送确认脉冲，主设备通过读取数据节点电压来接收此确认脉冲（仍是步骤206）。

一旦数据字节已被写入临时地址，则主设备112然后发起读序列以从临时地址读取该数据字节（步骤208）。此读过程包括在图3中举例说明的若干子步骤，图3提供可以在此过程期间发送的位序列的示例。参见图3，START信号302是警告所有从属设备准备接收信号的双脉冲序列。在START信号之后，主设备然后将发送包括将被访问的从属设备的地址的字节。如图3所示，此字节可以包括多个部分。该地址字节的前四个数字304可以是设备类型标识符。在图3所示的实施例中，这些数字是1010，其将设备识别为非易失性存储器设备。本领域的技术人员将认识到其它设备类型标识符可以用于可以连接到数据总线的不同类型的设备。接下来的三个数字306可以表示将被访问的从属设备的具体地址。本领域的技术人员将认识到三数字地址组将允许多达八个不同的数字地址，这对于许多设备而言可以是足够的。如果要使用更多的从属设备，则可以在此第一字节中使用并提供更长的地址序列。此字节的最后一位308是读/写位，其在这种情况下被设置为1以指示主设备意图从从属设备读取数据。

在接收到从主设备发送的此第一字节后，识别出地址序列306的从属设备将在DATA线上发送确认脉冲310。如上所述，根据标准I2C协议，未识别出该地址序列的从属设备不做出响应，并且将忽视所有后续传输直至发送下一个STOP信号后为止。

在接收到确认脉冲310后，主设备然后将发送地址字节312。此地址字节包括临时地址，并指示主设备想要读取存储在该临时地址处的数据。如上所述，存储在临时地址处的数据是包括至少一个数据零的数据字节，主设备先前在步骤206中将其写入临时地址存储单元。在接收到该地址字节后，从属设备将发送另一确认脉冲314。

此时发生两件事。首先，从属设备将开始驱动DATA线118，并将发送被存储在临时地址处的数据字节序列316。同时，主设备将提示ADC 126读取数据线118a上的电压。此读取步骤可以以至少两种不同的方式发生，如图2的流程图中的此点处的分支所指示的。读取步骤的第一方法涉及连续读取。在这种方法中，ADC反复地读取数据节点电压（步骤210）直至其接收到在指定电压窗口内的电压信号为止（步骤212）。

如上所述，用于从属设备位置检测的指定电压窗口是在数据传输电压范围之外的电压范围，例如，诸如在1 V的下阈值电压以下，并在零以上一定量，诸如100 mv。在正常数据传输期间，对于数据零而言，数据线被拉至0 V，而对于数据1而言被拉至阈值电压以上的某个值。因此，具有落在这些值之间的电压的任何脉冲被主设备识别为数据零。然而，可以将ADC配置为将数据线118a上的在数据阈值以下且在零以上一定量的模拟电压脉冲转换成指示特定模拟电压电平的数字信号。有利地，虽然主设备所识别的数据零将具有为零的电压，但当数据线被从属设备驱动且从属设备发送数据零时，电压将在阈值以下但在真零点以上，其在用于位置检测的期望电压窗口或范围内。此外，借助于电阻器分压器网络，这些电压将根据从其发送它们的设备位置而改变。

在连续读取方法中，ADC 126将以比数据线上的位速率高（通常至少高2倍）的某个采样速率对数据线118a上的电压脉冲进行采样。此较高采样速率保证每个位脉冲将被采样。如果电压脉冲不在上文所讨论的电压窗口内（这在步骤212处确定），则将重复读取过程（步骤210）。这将持续直至ADC检测到在用于位置检测的电压窗口内的电压脉冲为止。

在图3中举例说明了这种连续读取方法，其中一系列的空心箭头322指示由ADC重复读取数据节点上的电压。此读取步骤将持续直至接收到期望的低电压信号为止。只要被从属设备驱动的数据字节316包括至少一个数据零，这都将提供在电压窗口内的至少一个低电压信号，如在步骤212处确定的。可以将主设备编程为在位置检测例程期间不预期数据线上的有效返回信号，即忽视数据字节。可选地，可以将主设备编程为将数据字节与最初被主设备写入临时地址的字节相比较，以检验尚未存在错误。依照标准I2协议，在该过程的此点处，不生成确认脉冲，如图3中的318处所指示的。然后，主设备可以提供STOP信号脉冲320，使总线返回到空闲状况，准备继续进行后续的数据交换，如326处所指示的。

作为连续读取方法的可选方案，可以将读取步骤定时为仅在从属设备正在驱动数据零时读取返回信号电压（步骤216）。在图3中也举例说明了这种方法。在此可选方案中，系统被编程为使得ADC将仅在从属设备正在驱动零（表示数据字节）时读取数据节点。由于采样速率快于总线上的位速率，所以可以非常准确地选择电压采样的定时。此外，由于数据字节316的位序列是已知的，所以可以将电压采样的时刻准确地定时为与数据字节的数据零正在被从属设备发送的点一致。在一个实施例中，ADC读取已被成功地定时为与数据字节的第四位的传输一致。因此，只要第四位是数据零，对于位置检测而言，定时读取将是成功的。在如在这里一样数据字节表示所有零的情况下，定时方法甚至更加简化。

用图3中的324处的实心读取箭头来表示定时数据读取方法。此箭头表示ADC读取步骤在定时方法中仅执行一次，而不是在连续读取方法中重复地执行（用箭头322表示）。由于ADC读取被定时为与被从属设备驱动的数据零一致，所以返回信号的电压将落入指定电压窗口内且不需要附加步骤以对此进行检验。

无论使用连续还是定时方法，一旦ADC 126已在从属设备正在驱动数据零时读取了数据线118a的电压，ADC所检测的模拟电压值将被转换成对应的数字值。然后，主设备112可以读取此数字值（经由通信链路132），并将其存储在存储器128中的对应于在这种情况下可以由“I”值表示的设备地址的位置上（步骤214）。换言之，主设备将预定数据字节写入具有特定地址的从属设备，然后提示从属设备发送该数据字节，并从ADC读取表示该数据字节的数据零的电压的数字信号，并将该值存储在与从属地址相关联的存储器中。

返回到图2，在从从属设备读取数据字节（图3中的316）之后，系统然后将递增“I”值并对每个从属设备重复该过程，亦即直至I＝N为止。（步骤220）。由于电阻器分压器网络，所返回的数据字节的零位的精确电压电平将取决于从属设备沿着总线的物理位置。一旦完成了来自每个从属设备的数据字节的ADC电压读取，则电压值的完整阵列和从属设备的对应“I”值或地址将被包含在主设备中的存储器中。然后，主设备可以相对于它们的地址分析电压值以确定从属设备是否按照顺序（步骤224）。这涉及按照从属设备的身份的顺序对电压值进行反移或布置（“I”的值是用于设备身份或地址的替代品），并且然后查看在上述步骤中返回的特定电压值。

在图4和5中提供了表示此反移过程的结果的两个图表。图4的图表400表示当从属设备在适当位置上时预期的结果类型，而图5的图表500表示无序状况。每个数据点盒402～408表示对应于特定从属设备身份或地址A1～A4的电压值。在此分析中，地址A1～A4的顺序对应于从属设备沿着总线的期望位置顺序。这些电压值全部在数据传输阈值电压410以下，并在某个最小电压阈值418（诸如100 mv）以上。

当从属设备沿着总线全部在适当物理位置上时，此图表的数据点将基本上对齐而产生单调函数，用曲线412来表示。在分压电阻器（图1中的124）全部具有相同电阻值的情况下，此曲线将趋向于在形状上是对数的。本领域的技术人员应认识到可以将电阻值选择为促使此曲线基本上是线性的。在任何情况下，在从属设备处于适当顺序的情况下，曲线将是单调的，其中根据采样的顺序，电压值按顺序随着从属设备上升或下降。由于电阻器分压器网络根据相应从属设备在总线上的位置而产生电压的递增变化，所以产生此单调函数。虽然图4所示的曲线412是上升曲线，但如果从属设备的查询顺序被颠倒，其还可以是下降曲线。

标称电压的间距414（即，待由每个设备提供的电压电平或范围）是任意的，并且可以被选择为防止噪声指示错误顺序。例如，如果电路可以产生可以使电压结果移位100 mv的噪声，则可以将标称电压的间距414选择为200 mv，以便信号噪声将不会提供错误顺序。标称电压的间距部分地取决于每个分压电阻器（图1中的124）的电阻。在具有串行总线上的四个从属设备地点的系统中已使用具有51欧姆的电阻的电阻器，所述串行总线具有3.3 V的操作电压。此配置提供了从属设备信号之间的约200 mv的标称电压间距。用正方形数据点盒402～408的垂直尺度来表示每个数据点的值的可变性范围。数据值的此标称间距414帮助保持数据点间距416大于零，以保证将表示实际的顺序。

返回到图2，图4所示的单调曲线412指示从属设备是按顺序的。因此，步骤224处的关于任何设备是否无序的查询将产生否定的回答，并且系统将返回从属设备顺序的正指示（步骤228）。然而，如果从属设备是无序的，则可以创建类似于图5的图表500的图表。在此图表中，由数据点502～508产生的曲线510不是单调函数。基于此曲线，设备A2和A4是无序的，或者所有设备是无序的，因为电压值并不一致地上升或下降。当发生此类情况时，图2的步骤224处的查询将指示至少一个设备是无序的。在此状况下，可以将系统编程为向用户产生错误消息（步骤226），允许采取补救行动。还可以将系统编程为提供指示错误的明显性质－例如哪个设备看起来无序等的更详细的错误消息。

可以基于触发事件或以定时间隔重复地执行图2中概述的位置检测序列。当然，在执行了该序列且返回无序信号的情况下，可以将系统编程为重复该过程直至接收到成功信号为止。

本文所公开的系统和方法因此允许在不在总线中添加更多导体或不在从属设备中添加附加位置检测电路的情况下检测不智能从属设备沿着串行总线的位置。当从属设备正在用包括至少一个数据零的数据串来驱动数据线时，发生位置检测。借助于分压器电阻器网络，从每个从属设备接收到的信号的数据零部分的电压将根据设备的物理位置而改变。这允许与数据线和模数转换器通信的专用电路区别每个设备的位置。

虽然已给出低电压示例，但应认识到可以使用在主设备的高电压阈值以上的信号来遵循类似过程。例如，主设备可以具有用于数据传输的5伏的上电压阈值，并且可以被配置为忽视在该电压以上的信号。因此，上述过程可以被配置为在5 V以上的电压范围（例如6～8 V）内操作，电阻器分压器网络包括具有在此较高电压范围内将提供期望位置电压阶梯函数的电阻值的电阻器。本系统和方法因此提供一种使得能够通过区别在数据传输的电压范围之外的低（或高）电压信号来电检测设备沿着多站串行总线的物理位置的串行数据总线分压器网络。

应理解的是上述布置说明本文公开的原理的应用。对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是在不脱离权利要求书所阐述的本公开的原理和构思的情况下可以进行许多修改。

Claims (7)

1.一种从设备，通过具有数据线的多站串行总线连接到主设备,所述从设备包括与打印系统相关联的非易失性存储器启用的从设备，所述从设备还包括:

存储器单元，包含包括至少一个零位的位序列，所述位序列与从设备的地址相关;以及

电路,用于响应于从主设备接收读命令,在数据线上发送位序列，以供主设备确定从设备是否以正确的顺序定位；

其中从设备不具有用于独立地确定它沿着数据线的位置并且把位置信息中继到主设备的系统。

2.如权利要求1所述的从设备,其中位序列包括全零。

3.如权利要求1或2所述的从设备，其中位序列包括数据字节。

4.如权利要求1或2所述的从设备,其中所述位序列中的至少一个零被定位成对应于主设备采样的预定义定时电压。

5.一种用于与打印系统相关联的非易失性存储器启用的从设备的方法，所述方法包括:

沿着具有数据线的多站串行总线从主设备接收读命令;以及

响应于接收读命令,在数据线上发送包括至少一个零的位序列，所述位序列与从设备的地址相关以供主设备确定从设备是否以正确的顺序定位；

其中从设备不具有用于独立地确定它沿着数据线的位置并且把位置信息中继到主设备的系统。

6.如权利要求5所述的方法,其中位序列包括全零。

7.如权利要求6所述的方法,其中所述位序列中的至少一个零被定位成对应于主设备采样的预定义定时电压。