CN106292342B - 处理器、外接器件、控制系统及其热插拔方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理器、外接器件、控制系统及其热插拔方法，属于自动控制领域，本发明的处理器包括位于内部的主控芯片和与所述主控芯片连接的数字信号通讯芯片，以及位于外部的电源引线和至少一个处理器物理接口，其中，所述电源引线一端用于连接外接电源，另一端连接所述主控芯片。本发明中，同类的外接器件都可以在不同处理器上热插拔互换使用，并且以I2C/SPI/UART/GPIO总线方式的外接器件可以方便快速地接入至处理器，同时简化外接器件与处理器之间的热插拔流程，使得外接器件外围器件最小化，保证外接器件以低成本、低功耗接入至处理器。

Description

处理器、外接器件、控制系统及其热插拔方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是指一种处理器、外接器件、控制系统及其热插拔方法。

背景技术

传感器(Sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

执行器(Final Controlling Element)是在自动控制系统中，以调节仪表或其他控制装置的信号为输入信号，按一定调节规律调节被控对象输入量的装置。它是一种自动化仪器，如调节阀、挡板和电磁阀等均属此类。

在产品设备开发的过程当中，经常会利用各种不同类型的传感器、执行器组合成具有一定完整功能的自动化设备。例如：打印机、装配流水线、房间温控等等。

在常规的电子产品之中，如图1所示，传感器和执行器与处理器是物理上直接并固定连接的。这种产品设备基本是为了完成较为单一的功能而设计。

为了增强产品设备的功能能力，提高产品设备的通用性和兼容性，则需要能够支持传感器和执行器的热插拔功能。即传感器和执行器的“即插即用”功能。当有传感器或者执行器接入到处理器时，处理器可以快速识别，并按照其特性支持其进入正确的工作状态；当有传感器或者执行器与处理器分开时，处理器则可以快速检测到这种分开状态，并切断和关闭有关的电路和逻辑程序。

为了实现这个功能，就需要对传感器、执行器和处理器之间的接口方法做出明确规定。并制定相关的硬件和软件流程规范，以保证各个器件之间的可靠性、兼容性和互换性。

发明专利《用于传感器节点的总线式支持热插拔的传感器分开方法》(CN103647793A)采用了一种用于传感器节点的总线是支持热插拔的传感器分开方法。如图2所示，其是将通信模块和传感器模块从硬件上分开，硬件上基于USART接口，设计实现该接口的热插拔功能。该技术方案还设计了智能传感器协议，传感器模块本地存储了一些自身的相关信息，通讯模块可以根据协议制定的相关命令接口获得这些信息并收集传感器模块采集的数据，实现通讯模块与传感器模块之间的数据传输。只能传感器总线接口上可以挂载多个传感器模块，总线接口不仅提供通讯模块与传感器模块的通讯链路，并且提供传感器模块的电源供电。在通讯模块带电工作的情况下可以随时从总线上卸载传感器模块，也可以挂载新的传感器模块到总线上，实现传感器的热插拔功能。

上述发明存在如下缺点：

(1)仅定义了传感器采集数据方式，并未定义执行器的有关器件与处理方式；

(2)硬件上基于USART设计通讯协议，一般通讯速率最高为115200bps，该接口的通讯速率与I2C/SPI等总线通讯速率相比是较低的，对于高速器件，并不适合；

(3)每个传感器模块都需要设计完整的处理器，存储器等电路，这样做只会增加了原有传感器的电路复杂性，另外还增加体积和功耗，最终导致整体成本增加，当传感器损坏时，需要更换整个传感器模块，成本较高。

发明内容

本发明提供一种处理器、外接器件、控制系统及其热插拔方法，同类的外接器件都可以在不同处理器上热插拔互换使用，并且以I2C/SPI/UART/GPIO总线方式的外接器件可以方便快速地接入至处理器，同时简化外接器件与处理器之间的热插拔接口流程，使得外接器件外围器件最小化，保证外接器件以低成本、低功耗接入至处理器。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种处理器，包括位于内部的主控芯片和与所述主控芯片连接的数字信号通讯芯片，以及位于外部的电源引线和至少一个处理器物理接口，其中，所述电源引线一端用于连接外接电源，另一端连接所述主控芯片；所述处理器物理接口包括GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚、SPI1引脚、I2C0引脚、GPIO0引脚、VCC0引脚和GND0引脚，所述GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚和SPI1引脚与所述数字信号通讯芯片连接，所述I2C0引脚和GPIO0引脚与所述主控芯片连接，所述VCC0引脚和GND0引脚与所述电源引线连接。

进一步的，所述主控芯片还连接有模拟信号通讯芯片，所述处理器物理接口还包括AIN0引脚和AIN1引脚，所述AIN0引脚和AIN1引脚与所述模拟信号通讯芯片连接。

一种外接器件，所述外接器件为传感器或执行器，包括位于内部的主芯片和存储芯片以及位于外部的外接器件物理接口，所述外接器件物理接口包括GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚或SPIx引脚，以及存储芯片读写引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚，所述GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚、SPIx引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚与所述主芯片连接，所述存储芯片读写引脚与所述存储芯片连接。

进一步的，所述外接器件物理接口还包括AIN0x引脚和AIN1x引脚，所述AIN0x引脚和AIN1x引脚与所述主芯片连接。

一种控制系统，包括上述处理器以及至少一个上述外接器件，所述处理器物理接口与所述外接器件物理接口连接，其中，

所述处理器的GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚、SPI1引脚、GPIO0引脚、VCC0引脚和GND0引脚分别与所述外接器件的GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚、SPIx引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚连接；

所述处理器的I2C0引脚与所述存储芯片的存储芯片读写引脚连接；

所述处理器的AIN0引脚、AIN1引脚分别与所述存储芯片的AIN0x引脚、AIN1x引脚连接。

上述控制系统的热插拔方法，包括：

步骤1：所述处理器监控所述GPIO0引脚的电平，若其从高电平变为低电平，则表示有外接器件接入所述处理器，执行步骤2，若其从低电平变为高电平，则表示有外接器件从所述处理器上移除，执行步骤6，若电平状态不发生改变，则表示没有外接器件接入所述处理器以及从处理器上移除，重复执行步骤1；

步骤2：所述处理器监控所述GPIO0引脚的低电平保持时间，若保持时间超过设定阈值，则表示所述处理器与所述外接器件接触良好，执行步骤3，否则，执行步骤1；

步骤3：所述处理器通过I2C0引脚读取所述存储芯片内的参数信息；

步骤4：所述处理器对所述参数信息进行识别，若识别通过，则表示所述参数信息有效，执行步骤5，否则，执行步骤1；

步骤5：所述处理器根据所述参数信息对所述数字信号通信芯片或模拟信号通信芯片进行配置，以便后续处理器与该外接器件的数据通讯，并转至步骤1；

步骤6：停止处理器与该外接器件的数据通讯，并转至步骤1。

进一步的，所述参数信息包括配置参数和标定参数，所述配置参数包括主识别码、版本号、设备类型和运放参数，所述标定参数包括标定数组。

本发明具有以下有益效果：

与现有技术相比，本发明的处理器、外接器件、控制系统及其热插拔方法中，加强了外接器件之间的互换性，即同类外接器件都可以在不同处理器上热插拔互换使用，不需要再配置和修改参数；将外接器件与处理器之间的物理接口方式标准化，使得可以支持以I2C/SPI/UART/GPIO常见总线方式(工作电压3.3V～5V)工作的外接器件均可以方便快速地接入至处理器；简化了外接器件与处理器之间的热插拔接口流程，减少了外接器件的物理硬件，使得外接器件的外围器件最小化，保证外接器件以低成本、低功耗接入至处理器。

附图说明

图1为现有技术中的电子产品的结构示意图；

图2为现有技术中的热插拔系统的结构示意图；

图3为本发明的处理器的结构示意图；

图4为本发明的外接器件的结构示意图；

图5为本发明中的以数字信号方式工作的外接器件的结构示意图；

图6为本发明中的以模拟信号方式工作的外接器件的结构示意图；

图7为本发明的控制系统的整体结构示意图；

图8为图7所示的控制系统的A部分结构示意图；

图9为本发明的热插拔方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种处理器11，如图3所示，包括位于内部的主控芯片110和与主控芯片110连接的数字信号通讯芯片111，以及位于外部的电源引线和至少一个处理器物理接口113，其中，电源引线一端用于连接外接电源12，另一端连接主控芯片110；处理器物理接口113包括GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚、SPI1引脚、I2C0引脚、GPIO0引脚、VCC0引脚和GND0引脚，GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚和SPI1引脚与数字信号通讯芯片111连接，I2C0引脚和GPIO0引脚与主控芯片110连接，VCC0引脚和GND0引脚与电源引线连接。

GPIO1引脚为数字信号通讯芯片111的通用输入/输出总线(GPIO总线)引脚，用于以GPIO总线方式进行数据通讯；

UART1引脚为数字信号通讯芯片111的通用异步收发传输总线(UART总线)引脚，用于以UART总线方式进行数据通讯；

I2C1引脚为数字信号通讯芯片111的两线式串行总线(I2C总线)引脚，用于以I2C总线方式进行数据通讯；

SPI1引脚为数字信号通讯芯片111的串行外设接口总线(SPI总线)引脚，用于以SPI总线方式进行数据通讯；

数字信号通讯芯片111会根据外接器件的类型选择上述引脚对应的总线与外接器件连接并进行数据通讯。

I2C0引脚为主控芯片110的两线式串行总线引脚，用于以I2C总线方式进行数据通讯；

GPIO0引脚为主控芯片110的通用输入/输出总线引脚，用于以GPIO总线方式进行数据通讯；

VCC0引脚为处理器11的电源正极引脚；

GND0引脚为处理器11的电源接地引脚。

数字信号通讯芯片111具体可以为AVR芯片，它和主控芯片110通过内部数据总线连接，工作时，主控芯片110根据外接器件的类型选择GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚或SPI1引脚与外接器件进行数据通讯，该处理器11可以支持以I2C、SPI、UART和GPIO常见总线方式(工作电压3.3V～5V)工作的外接器件。

上述处理器11支持的外接器件为数字信号器件，进一步的，处理器11还支持模拟信号器件，如图3所示，主控芯片111还连接有模拟信号通讯芯片112，处理器物理接口113还包括AIN0引脚和AIN1引脚，AIN0引脚和AIN1引脚与模拟信号通讯芯片112连接。

AIN0引脚和AIN1引脚为模拟信号通讯芯片112的模拟信号输入引脚，它们分别接收模拟信号的负极信号和正极信号。

模拟信号通讯芯片112具体可以为程控运放AD芯片，它和主控芯片110通过内部数据总线连接，工作时，主控芯片110识别出外接器件为模拟信号器件后，对程控运放AD芯片进行配置，通过AIN0引脚和AIN1引脚与外接器件进行数据通讯。

另一方面，本发明提供一种外接器件，如图4所示，外接器件13为传感器或执行器，包括位于内部的主芯片130和存储芯片131以及位于外部的外接器件物理接口133，外接器件物理接口133包括GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚或SPIx引脚，以及存储芯片读写引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚，GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚、SPIx引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚与主芯片130连接，存储芯片读写引脚与存储芯片131连接。

GPIOx引脚为主芯片130的通用输入/输出总线(GPIO总线)引脚，用于以GPIO总线方式进行数据通讯；

UARTx引脚为主芯片130的通用异步收发传输总线(UART总线)引脚，用于以UART总线方式进行数据通讯；

I2Cx引脚为主芯片130的两线式串行总线(I2C总线)引脚，用于以I2C总线方式进行数据通讯；

SPIx引脚为主芯片130的串行外设接口总线(SPI总线)引脚，用于以SPI总线方式进行数据通讯；

外接器件13的种类不同，其主芯片130相应的不同，采用的总线也就不同，相应的引脚也就不同。例如，三轴陀螺仪传感器，其主芯片为L3G4200D，它采用I2C总线工作，故该传感器只包括I2Cx引脚，GPIOx引脚、UARTx引脚和SPIx引脚悬空。

存储芯片读写引脚为用于存储芯片的数据写入和读取；

CONNx引脚为接触监控引脚，用于使处理器11监控处理器11与外接器件13的接触状态变化；

VCC0引脚为外接器件13的电源正极引脚；

GND0引脚为外接器件13的电源接地引脚。

存储芯片131具体可以为E2PROM芯片，它存储有该外接器件13的参数信息，供处理器11读取和配置；外接器件13可以以I2C、SPI、UART或GPIO常见总线方式(工作电压3.3V～5V)工作，此时，主芯片130为数字信号采集芯片，同类外接器件13都可以在不同处理器11上热插拔互换使用，不需要再配置和修改参数。

上述外接器件13是以数字信号方式工作，进一步的，外接器件13还可以以模拟信号方式工作，如图4所示，外接器件物理接口133还包括AIN0x引脚和AIN1x引脚，AIN0x引脚和AIN1x引脚与主芯片130连接，此时，主芯片130为模拟信号采集芯片。

AINx引脚和AINx引脚为外接器件13的模拟信号输出引脚，它们分别接输出拟信号的负极信号和正极信号。

当外接器件13以模拟信号方式工作时，GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚和SPIx引脚悬空。

为了能够兼容工作电压3.3V～5V的外接器件13，外接器件主芯片130的外围电路设计需要根据外接器件13的特性选择数据总线(GPIOx、UARTx、I2Cx、SPIx、AIN0x/AIN1x)。

具体的，对于以数字信号方式工作的外接器件13，其主芯片130可以选择GPIOx-GPIO1、UARTx-UART1、I2Cx-I2C1或者SPIx-SPI1通路向处理器11内的AVR芯片提供数字信号输出。

例如：三轴陀螺仪芯片L3G4200D就是采用I2C数字信号输出，如图5所示，当以该芯片作为外接器件主芯片时，可以选择I2Cx-I2C1通路，可以将外接器件主芯片的I2C数字信号SDA/SCL管脚均接入I2Cx总线。

对于以数字信号方式工作的外接器件13，其主芯片130可以选择AIN0x-AIN0或者AIN1x-AIN1通路向处理器11内的程控运放AD芯片(提供模拟信号输出。

例如：测量相对气体压强的MPX10DP芯片就是采用模拟信号输出，如图6所示，当以该芯片作为外接器件主芯片时，可以选择AIN0x-AIN0和AIN1x-AIN1通路，可以将外接器件主芯片的信号输出口Vout负极接入到AIN1x管脚上；信号输出口Vout正极接入到AIN0x管脚上。

再一方面，本发明提供一种控制系统，如图7或8所示，包括上述处理器11以及至少一个上述外接器件13，处理器物理接113口与外接器件物理接口133连接，其中，

处理器的GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚、SPI1引脚、GPIO0引脚、VCC0引脚和GND0引脚分别与外接器件的GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚、SPIx引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚连接；

处理器的I2C0引脚与存储芯片的存储芯片读写引脚连接；

处理器的AIN0引脚、AIN1引脚分别与存储芯片的AIN0x引脚、AIN1x引脚连接。

上述控制系统的各个模块和引脚的功能如下表所示：

处理器物理接口113与外接器件物理接口133连接时，可以使用本领域技术人员能够想到的各种连接方式，具体的，可以用插针式或插板式。

本发明的控制系统中，加强了外接器件13之间的互换性，即同类外接器件13都可以在不同处理器11上热插拔互换使用，不需要再配置和修改参数；将外接器件13与处理器11之间的物理接口方式标准化，使得可以支持以I2C/SPI/UART/GPIO常见总线方式(工作电压3.3V～5V)工作的外接器件13均可以方便快速地接入至处理器11；减少了外接器件13的物理硬件，使得外接器件13的外围器件最小化，保证外接器件13以低成本、低功耗接入至处理器。

再一方面，本发明提供上述控制系统的热插拔方法，如图9所示，包括：

步骤1：处理器11监控GPIO0引脚的电平，若其从高电平变为低电平，则表示有外接器件13接入处理器11，执行步骤2，若其从低电平变为高电平，则表示有外接器件13从处理器11上移除，执行步骤6，若电平状态不发生改变，则表示没有外接器件13接入处理器11以及从处理器11上移除，重复执行步骤1；

步骤2：处理器11监控GPIO0引脚的低电平保持时间，若保持时间超过设定阈值(如1秒)，则表示处理器11与外接器件13接触良好，执行步骤3，否则，执行步骤1；

步骤3：处理器11通过I2C0引脚读取存储芯片131内的参数信息；

步骤4：处理器11对参数信息进行识别，若识别通过，则表示参数信息有效，执行步骤5，否则，执行步骤1；

步骤5：处理器11根据参数信息对数字信号通信芯片111或模拟信号通信芯片112进行配置，以便后续处理器11与该外接器件13的数据通讯，并转至步骤1；

步骤6：停止处理器11与该外接器件13的数据通讯，并转至步骤1。

GPIO0引脚在外接器件13未接触时一直处于高电位状态，当外接器件13与处理器11良好接触时，CONNx与GPIO0接触，导致GPIO0出现低电位，当处理器11检测到此电位变化而且低电位保持1秒之后，则处理器11可以认为外接器件13其他物理接触部分已经处于良好接触状态。

如果当GPIO0处于已低电位时，处理器11突然检测到GPIO0变化为高电位，则处理器11认为外接器件13未能与处理器11接触良好，或者已经分离，此时处理器11将关闭所有与该外接器件13的数据通讯，并自恢复成缺省工作方式。

与现有技术相比，本发明的热插拔方法中，加强了外接器件13之间的互换性，即同类外接器件13都可以在不同处理器11上热插拔互换使用，不需要再配置和修改参数；将外接器件13与处理器11之间的物理接口方式标准化，使得可以支持以I2C/SPI/UART/GPIO常见总线方式(工作电压3.3V～5V)工作的外接器件13均可以方便快速地接入至处理器11；简化了外接器件13与处理器11之间的热插拔接口流程，减少了外接器件13的物理硬件，使得外接器件13的外围器件最小化，保证外接器件13以低成本、低功耗接入至处理器11。

为实现步骤2，在处理器物理接口113与外接器件物理接口133连接时，需要保证各个引脚的良好接触，具体的，当GPIO0引脚与CONNx引脚接触良好时，GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚、SPI1引脚、VCC0引脚和GND0引脚应当分别与GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚、SPIx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚接触良好，I2C0引脚应当与存储芯片接触良好，AIN0引脚和AIN1引脚应当分别与AIN0x引脚和AIN1x引脚接触良好。

作为本发明的一种改进，参数信息包括配置参数和标定参数，配置参数包括主识别码、版本号、设备类型和运放参数，标定参数包括标定数组，如下表所示。

在读取E2PROM的参数信息之后，处理器11主控芯片130将会按照上表中的规范对参数信息进行分析和解析。如果所读取的参数信息解析无误，那么处理器主控芯片130则会按照数据所提供的配置参数去配置程控运放AD芯片和AVR芯片，并启动AD芯片和AVR芯片相关的运行程序。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种控制系统的热插拔方法，其特征在于，所述控制系统包括处理器以及至少一个外接器件；

所述处理器包括位于内部的主控芯片和与所述主控芯片连接的数字信号通讯芯片，以及位于外部的电源引线和至少一个处理器物理接口，其中，所述电源引线一端用于连接外接电源，另一端连接所述主控芯片；所述处理器物理接口包括GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚、SPI1引脚、I2C0引脚、GPIO0引脚、VCC0引脚和GND0引脚，所述GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚和SPI1引脚与所述数字信号通讯芯片连接，所述I2C0引脚和GPIO0引脚与所述主控芯片连接，所述VCC0引脚和GND0引脚与所述电源引线连接；

所述主控芯片还连接有模拟信号通讯芯片，所述处理器物理接口还包括AIN0引脚和AIN1引脚，所述AIN0引脚和AIN1引脚与所述模拟信号通讯芯片连接；

所述外接器件为传感器或执行器，包括位于内部的主芯片和存储芯片以及位于外部的外接器件物理接口，所述外接器件物理接口包括GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚或SPIx引脚，以及存储芯片读写引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚，所述GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚、SPIx引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚与所述主芯片连接，所述存储芯片读写引脚与所述存储芯片连接；

所述外接器件物理接口还包括AIN0x引脚和AIN1x引脚，所述AIN0x引脚和AIN1x引脚与所述主芯片连接；

所述处理器物理接口与所述外接器件物理接口连接，其中，

所述处理器的GPIO1引脚、UART1引脚、I2C1引脚、SPI1引脚、GPIO0引脚、VCC0引脚和GND0引脚分别与所述外接器件的GPIOx引脚、UARTx引脚、I2Cx引脚、SPIx引脚、CONNx引脚、VCCx引脚和GNDx引脚连接；

所述处理器的I2C0引脚与所述存储芯片的存储芯片读写引脚连接；

所述处理器的AIN0引脚、AIN1引脚分别与所述存储芯片的AIN0x引脚、AIN1x引脚连接；

所述热插拔方法包括：

步骤1：所述处理器监控所述GPIO0引脚的电平，若其从高电平变为低电平，则表示有外接器件接入所述处理器，执行步骤2，若其从低电平变为高电平，则表示有外接器件从所述处理器上移除，执行步骤6，若电平状态不发生改变，则表示没有外接器件接入所述处理器以及从处理器上移除，重复执行步骤1；

步骤2：所述处理器监控所述GPIO0引脚的低电平保持时间，若保持时间超过设定阈值，则表示所述处理器与所述外接器件接触良好，执行步骤3，否则，执行步骤1；

步骤3：所述处理器通过I2C0引脚读取所述存储芯片内的参数信息；

步骤4：所述处理器对所述参数信息进行识别，若识别通过，则表示所述参数信息有效，执行步骤5，否则，执行步骤1；

步骤5：所述处理器根据所述参数信息对所述数字信号通讯芯片或模拟信号通讯芯片进行配置，以便后续处理器与该外接器件的数据通讯，并转至步骤1；

步骤6：停止处理器与该外接器件的数据通讯，并转至步骤1。

2.根据权利要求1所述的热插拔方法，其特征在于，所述参数信息包括配置参数和标定参数，所述配置参数包括主识别码、版本号、设备类型和运放参数，所述标定参数包括标定数组。