CN106528478B - 一种单总线异步串口通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单总线异步串口通信系统及其通信方法，包括主设备和从设备，所述主设备和所述从设备之间通过一根数据总线实现连接，所述从设备内置有串口通信接口电路，其实现对所述主设备的波特率检测和调整，接受所述主设备的控制命令和数据，并返回相应的响应数据。本发明采用单总线传输数据，采用位宽计数比较技术实现波特率自动检测。即从设备只需要一根数据线就可以和主设备进行数据传输，极大的降低了通信接口的复杂度。波特率自动检测采用专用位宽计数比较技术可以快速准确的自动检测通信波特率，采用的集成电路晶体管数目少，节约芯片成本。

Description

一种单总线异步串口通信系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种单总线异步串口通信系统及其通信方法。

背景技术

通用异步串口通信具有协议简单、功耗低、传输距离远的特点，广泛应用于各种低速率数字通信接口。标准的异步串口收发机系统中，主设备和从设备之间需要连接四根线，分别是串口数据传输线(TX)、串口数据接收线(RX)、发送数据请求线(RTS)、清除发送线(CTS)。现有通用异步串口通信系统存在接口线过于复杂的问题，并且不同设备之间进行串口通信时需要调整波特率以进行正常通信。虽然目前有很多实现波特率自动检测的技术，但是都是基于软件配置或者是采用查表方式进行波特率匹配，实现效率不够高。

发明内容

为此，本发明要解决的技术问题是标准的异步串口收发机系统中需要四根连接线，并且波特率自动检测效率较低，占用资源较多。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种单总线异步串口通信系统，包括：主设备和从设备，所述主设备和所述从设备之间通过一根数据总线实现连接，所述从设备内置有串口通信接口电路，其实现对所述主设备的波特率自动检测和调整，接受所述主设备的控制命令和数据，并返回相应的响应数据。

优选的，所述串口通信接口电路包括：上升沿检测模块、下降沿检测模块、脉宽计数器、接收计数器、移位寄存器、错位比较器、接收数据缓存器、word计数器，其中所述上升沿检测模块、所述下降沿检测模块、所述移位寄存器均与所述数据总线连接，用于接收数据总线发送的数据；所述上升沿检测模块和所述下降沿检测模块与所述脉宽计数器和所述接收计数器连接；所述接收计数器与所述错位比较器和所述word计数器连接，所述错位比较器和所述word计数器连接于所述移位寄存器，所述移位寄存器发送数据至所述接收数据缓存器中。

优选的，所述串口通信接口电路还包括：输出状态控制机、发送计数器、发送数据缓存器、总线接口控制器，其中所述发送计数器发送脉冲至所述输出状态控制机，所述输出状态控制机存储数据至所述发送数据缓存器中，所述总线接口控制器将所述发送数据缓存器中的数据发送至所述数据总线。

优选的，所述串口通信接口电路还包括一个基准时钟，所述脉宽计数器、所述接收计数器和所述发送计数器的时钟均来自于所述基准时钟。

一种单总线异步串口通信方法，包括如下步骤：

波特率自动检测步骤：上电之后主设备发送0X01数据给从设备，从设备通过检测数据总线上的第一个下降沿和第一个上升沿之间的宽度来计算当前通信波特率；

数据接收步骤：主设备发送数据给从设备，从设备启动接收计数器开始计数，而后接收计数器将当前值与脉宽计数器右移一位之后的值进行比较并输出bit采样时钟；数据总线上的数据在bit采样时钟的作用下被依次送入移位寄存器中，当采样信号完成后，起始位已经被移出位移寄存器；有用的数据会被存放在移位寄存器中的低八位中，该数据在word计数器产生的word采样时钟作用下装载到接收数据缓存器中；

数据发送步骤：从设备向主设备发送数据时，输出数据通过总线控制接口的一个三态门输出到数据总线上。

优选的，还包括波特率重设步骤：

主设备向从设备发送0XFF命令，从设备收到0XFF数据之后，启动内部复位电路，将脉宽计数器复位，在收到下一次波特率检测命令后脉宽计数器开始新的计数，重复波特率自动检测步骤。

优选的，所述数据接收步骤具体包括：

当数据总线有下降沿出现时，接收计数器开始计数，当接收计数器等于脉宽计数器的数值时，接收计数器在下一个基准时钟信号时刻被置1，然后开始下一轮计数，完成10轮计数后被强制复位；接收计数器在计数的循环过程中，将当前值与脉宽计数器右移一位之后的值进行比较，如果相同则输出一个bit采样时钟，在一次通信过程中会产生10个bit采样脉冲；

数据总线上的数据在bit采样时钟的作用下被依次送入一个9位的移位寄存器中，当十次采样信号完成后，起始位已经被移出位移寄存器；有用的数据会被存放在移位寄存器中的低八位中，该数据在word计数器产生的采样脉冲的作用下一次性装载到接收数据缓存器中。

优选的，所述数据发送步骤具体包括：

当发送数据使能有效时，发送计数器开始计数，当计数值等于存储于脉宽计数器中的数值时，输出一个bit发送脉冲；随后发送计数器在下一个基准时钟时被置1，开始下一轮计数和比较，依次循环，直至产生10个bit位传输脉冲；

发送数据的顺序控制由输出状态控制机执行，输出状态控制机在第一个传输脉冲来时，将输出数据总线拉置低电平，随后的8个传输脉冲来时，依次将存储在发送数据缓存器中的待发送数据送到数据总线上，发送顺序还是从低位开始发送，在第10个传输脉冲来时，将数据总线电平拉高。

本发明的有益效果：采用单总线传输数据，采用位宽计数比较技术实现波特率自动检测。从设备只需要一根数据线就可以和主设备进行数据传输，极大的降低了通信接口的复杂度。波特率自动检测采用专用位宽计数比较技术可以快速准确的自动检测通信波特率，采用的集成电路晶体管数目少(300门左右)，节约芯片成本。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明单总线异步串口通信系统的原理图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，为符合本实施例所述的一种单总线异步串口通信系统，包括：主设备和从设备，所述主设备和所述从设备之间通过一根数据总线实现连接，所述从设备内置有串口通信接口电路，其实现对所述主设备的波特率自动检测和调整，接受所述主设备的控制命令和数据，并返回相应的响应数据。

优选的，所述串口通信接口电路包括：上升沿检测模块、下降沿检测模块、脉宽计数器、接收计数器、移位寄存器、错位比较器、接收数据缓存器、word计数器，其中所述上升沿检测模块、所述下降沿检测模块、所述移位寄存器均与所述数据总线连接，用于接收数据总线发送的数据；所述上升沿检测模块和所述下降沿检测模块与所述脉宽计数器和所述接收计数器连接；所述接收计数器与所述错位比较器和所述word计数器连接，所述错位比较器和所述word计数器连接于所述移位寄存器，所述移位寄存器发送数据至所述接收数据缓存器中。

优选的，所述串口通信接口电路还包括：输出状态控制机、发送计数器、发送数据缓存器、总线接口控制器，其中所述发送计数器发送脉冲至所述输出状态控制机，所述输出状态控制机存储数据至所述发送数据缓存器中，所述总线接口控制器将所述发送数据缓存器中的数据发送至所述数据总线。

优选的，所述串口通信接口电路还包括一个基准时钟，所述脉宽计数器、所述接收计数器和所述发送计数器的时钟均来自于所述基准时钟。

本实施例采用单总线传输数据，采用位宽计数比较技术实现波特率自动检测。标准的异步串口收发机系统中，主设备和从设备之间需要连接四根线，分别是串口数据传输线(TX)、串口数据接收线(RX)、发送数据请求线(RTS)、清除发送线(CTS)。本发明中的从设备只需要一根数据线就可以和主设备进行数据传输，极大的降低了通信接口的复杂度。

实施例2

一种基于实施例1所述的单总线异步串口通信系统的通信方法，包括如下步骤：

波特率自动检测步骤：上电之后主设备发送0X01数据给从设备，从设备通过检测数据总线上的第一个下降沿和第一个上升沿之间的宽度来计算当前通信波特率；具体在于：采用一个脉宽计数器从下降沿开始计数，到上升沿来的时候停止。计数器的时钟来自电路内部的基准时钟信号，该时钟信号频率远大于波特率。脉宽计数器记录的数据即代表当前的波特率，脉宽计数器在第一次计数之后就会被锁定，不会再被由数据线上的下降沿触发计数，除非系统复位或者主机发送波特率重新检测的命令。

数据接收步骤：主设备发送数据给从设备，从设备启动接收计数器开始计数，而后接收计数器将当前值与脉宽计数器右移一位之后的值进行比较并输出bit采样时钟；数据总线上的数据在bit采样时钟的作用下被依次送入移位寄存器中，当采样信号完成后，起始位已经被移出位移寄存器；有用的数据会被存放在移位寄存器中的低八位中，该数据在word计数器产生的作用下装载到接收数据缓存器中；

数据发送步骤：从设备向主设备发送数据时，输出数据通过总线控制接口的一个三态门输出到数据总线上。

优选的，还包括波特率重设步骤：

主设备向从设备发送0XFF命令，从设备收到0XFF数据之后，启动内部复位电路，将脉宽计数器复位，脉宽计数器开始新的计数，重复波特率自动检测步骤。

优选的，所述数据接收步骤具体包括：

当数据总线有下降沿出现时，接收计数器开始计数，当接收计数器等于脉宽计数器的数值时，接收计数器在下一个基准时钟信号时刻被置1，然后开始下一轮计数，完成10轮计数后被强制复位；接收计数器在计数的循环过程中，将当前值与脉宽计数器右移一位之后的值进行比较，如果相同则输出一个bit采样时钟，在一次通信过程中会产生10个bit采样脉冲；

数据总线上的数据在bit采样时钟的作用下被依次送入一个9位的移位寄存器中，当十次采样信号完成后，起始位已经被移出位移寄存器；有用的数据会被存放在移位寄存器中的低八位中，该数据在word计数器产生的采样脉冲的作用下一次性装载到接收数据缓存器中。这个采样时钟脉冲是由一个计数周期为10的计数器产生的，它对bit采样时钟信号进行计数，每当计数到10时，输出一个word时钟采样信号，用于8bit数据的加载。随后自动清零，等待下一次计数。

优选的，所述数据发送步骤具体包括：

该控制逻辑核心是一个发送计数器和一个输出控制状态机。当发送数据使能有效时，发送计数器开始计数，当计数值等于存储于脉宽计数器中的数值时，输出一个bit发送脉冲；随后发送计数器在下一个基准时钟时被置1，开始下一轮计数和比较，依次循环，直至产生10个bit位传输脉冲；

发送数据的顺序控制由输出状态控制机执行，输出状态控制机在第一个传输脉冲来时，将输出数据总线拉置低电平，随后的8个传输脉冲来时，依次将存储在发送数据缓存器中的待发送数据送到数据总线上，发送顺序还是从低位开始发送，在第10个传输脉冲来时，将数据总线电平拉高。

在本发明中，数据传输还是基于标准的异步串口通信数据格式，即每次数据传输包括一个低电平的起始位，8bit数据和一个高电平的停止位，数据从低位开始发送。不同于标准异步串口通信之处在于主设备和从设备之间只有一根数据线，不需要专门的数据发送线和数据接收线，以及额外的数据请求线和清除发送线，极大简化了接口形式，主设备和从设备采用单总线实现半双工通信。

本发明的波特率自动检测步骤采用一种基于脉宽计数的技术，具体包括以下步骤：

如果是上电之后首次通信，主设备可以向从设备发送十六进制数据0X01。从设备的下降沿检测模块102检测到数据总线上的下降沿时，开始启动脉宽计数器104开始计数，当上升沿检测模块103检测到数据总线上的上升沿时，脉宽计数器104停止计数。脉宽计数器的计数时钟来自于电路内部的基准时钟101，时钟频率一般设置为最高通信速率的10倍。当前主机发起的串口通信数据流中起始位的脉宽即第一个下降沿和第一个上升沿之间的宽度。如果计数时钟的周期为T0，计数器记录数为N，那么当前主机发起的串口通信单bit位宽为N*T0。

脉宽计数器104在上电后第一次边沿检测计数之后，会被逻辑控制电路锁定，不会再被数据总线下降沿触发计数。只有系统复位信号来临或者上位机发送波特率重置命令才会使脉宽计数器复位并在下一次总线下降沿来临时重新计数。

本发明中从设备在自动计算主设备的波特率之后就可以和主机进行半双工通信。从设备接收数据的步骤如下：

主设备发送一个带起始位、8bit数据位和停止位的10比特串行数据给从设备。从设备首先检测到起始位的下降沿信号，确认数据的开始时刻。然后启动接收计数器105开始计数，当该计数器的数值与脉宽计数器104存储的数值相同时，当前时刻可以认为是起始位bit传输完成。然后接收计数器105被置位为1，开始下一轮计数，一直会计数10轮，最后被复位清零。

接收计数器105是由一个16位计数器实现的，计数器的时钟来自于内部振荡电路，时钟频率记为f0。接收计数器105的计数值通过异或门逐位与脉宽计数器的计数值进行比较，当所有位都相同时，总的比较结果逻辑为1，从而在下一个基准时钟信号来临时通过通路选择信号将接收计数器105的计数置成1，随后开始下一轮计数。

接收计数器105的主要作用是在内部对串行数据进行同步，便于后续的数据采集。

为了保证内部电路对串行输入数据采样的正确性，必须保证bit采样时钟和被采串行数据之间有足够的采样时间和保持时间。因此在本发明中，bit采样时刻放在bit位传输时间段的中部。它采用了错位比较的方法来实现。

该方法将脉宽计数器104的数值右移一位，然后把它和接收计数器105的计数数值进行比较。每当它们的值完全一样时，会输出一个脉冲信号，这个信号就是bit位采样脉冲。

依据二进制的特点可知，二进制数右移一位，它的值变成原来的值的一半，误差为±1，所以在接收计数器105的数值与右移一位的脉宽计数器数值相同时，说明此时刻是当前传输的bit位中间时段，这时候输出一个采样脉冲就可以正确的采集当前传输的bit位。

由于接收计数器105的周期性，错位比较得到bit采样信号也是周期性的，它的周期和接收计数器105的周期是一样的，都等于当前传输数据的bit位宽(N*T0)，因此后续每一个采样脉冲都对应当前传输数据的中间时段。

每次数据传输过程中都会产生10个采样脉冲信号，该采样脉冲信号的宽度等于基准时钟101的周期T。

在每次通信过程中，bit位采样时钟信号将当前数据线上的数据依次送入一个9位的移位寄存器108。当10次采样信号完成之后，起始位数据已经被移出移位寄存器108。移位寄存器108的低8位存储的值就是本次通信过程中输出的8bit有用数据，第9位存储的是停止位数据。

为了不阻塞下一次数据通信，在全部数据进入移位寄存器108后，由word采样时钟信号将移位寄存器108中的低8位数据一次性加载到8位接收数据缓存器109中，供后续电路进行数据处理和分析。

Word时钟采样信号是由一个计数周期为10的word计数器107产生的，它对bit采样时钟信号进行计数，每当计数到10时，输出一个word时钟采样信号，用于8bit数据的加载，随后自动清零，等待下一次计数。

从设备发送数据的步骤如下：

在实际应用中，主设备应该和从设备应该约定好通信协议，即从设备在收到什么通信指令后会向主设备发送数据，所以本发明中从设备发送数据时，主设备应该释放了数据总线，等待接受来自从设备的传输数据。主设备接收数据的波特率应该和上一次通信的波特率一致。

从设备向主设备发送数据时，输出数据通过总线控制接口113的一个三态门输出到数据总线上。这个三态门由输出使能控制，从设备在接收数据时，三态门输出高阻，来自主设备的数据可以通过数据总线送到内部接收数据的移位寄存器108中。当输出使能有效时，待输出数据通过三态门送到数据总线上。

此外为避免本发明的数据发送和接收通道存在冲突，发送数据通道采用单独的控制逻辑。该控制逻辑核心是一个发送计数器110和输出控制状态机111。

当内部电路的发送数据使能有效时，发送计数器110开始计数，当计数值等于存储于脉宽计数器104中的数值时，输出一个bit发送时钟。随后发送计数器在下一个基准时钟被置1，开始下一轮计数和比较，依次循环，直至产生10个bit位发送脉冲。

发送计数器110的时钟来自于基准时钟101，时钟频率为f0。

发送数据的顺序控制由输出控制状态机111执行。状态机在第一个传输脉冲来时，将输出数据总线拉至低电平，随后的8个传输脉冲来时，依次将存储在电路发送缓存器112中的待发送数据通过总线接口控制113送到传输数据总线上，发送顺序还是从低位开始发送。在第10个传输脉冲来时，将传输总线电平拉高。

在本发明中，当主设备需要改变通信传输波特率时，需要先向从设备发送0XFF命令，才能再次发送0X01命令对从设备进行波特率重新设置。

从设备收到0XFF数据之后，会启动内部复位电路，将脉宽计数器104复位，否则脉宽计数器104无法开始新的计数，存储的还是上一次通信波特率。

本发明是一种改进型的异步串口通信电路，该电路采用单总线传输数据，采用位宽计数比较技术实现波特率自动检测。标准的异步串口收发机系统中，主设备和从设备之间需要连接四根线，分别是串口数据传输线(TX)、串口数据接收线(RX)、发送数据请求线(RTS)、清除发送线(CTS)。本发明中的从设备只需要一根数据线就可以和主设备进行数据传输，极大的降低了通信接口的复杂度。另外标准的异步串口收发机系统的主从设备之间需要手动设定通信波特率，使用灵活性差。现有技术发明中实现了异步串口通信的波特率自动检测，但是它们都是采用软件或硬件电路查表的方式实现，检测效率较低，占用资源较多。本发明中波特率自动检测采用专用位宽计数比较技术可以快速准确的自动检测通信波特率，采用的集成电路晶体管数目少(300门左右)，节约芯片成本。

上述具体实施方式只是对本发明的技术方案进行详细解释，本发明并不只仅仅局限于上述实施例，本领域技术人员应该明白，凡是依据上述原理及精神在本发明基础上的改进、替代，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种单总线异步串口通信系统，其特征在于，包括：主设备和从设备，所述主设备和所述从设备之间通过一根数据总线实现连接，所述从设备内置有串口通信接口电路，其实现对所述主设备的波特率自动检测和调整，接受所述主设备的控制命令和数据，并返回相应的响应数据；所述串口通信接口电路包括：上升沿检测模块、下降沿检测模块、脉宽计数器、接收计数器、移位寄存器、错位比较器、接收数据缓存器、word计数器，其中所述上升沿检测模块、所述下降沿检测模块、所述移位寄存器均与所述数据总线连接，用于接收数据总线发送的数据；所述上升沿检测模块和所述下降沿检测模块与所述脉宽计数器和所述接收计数器连接；所述接收计数器与所述错位比较器和所述word计数器连接，所述错位比较器和所述word计数器连接于所述移位寄存器，所述移位寄存器发送数据至所述接收数据缓存器中。

2.如权利要求1所述的一种单总线异步串口通信系统，其特征在于，所述串口通信接口电路还包括：输出状态控制机、发送计数器、发送数据缓存器、总线接口控制器，其中所述发送计数器发送脉冲至所述输出状态控制机，所述输出状态控制机存储数据至所述发送数据缓存器中，所述总线接口控制器将所述发送数据缓存器中的数据发送至所述数据总线。

3.如权利要求2所述的一种单总线异步串口通信系统，其特征在于，所述串口通信接口电路还包括一个基准时钟，所述脉宽计数器、所述接收计数器和所述发送计数器的时钟均来自于所述基准时钟。

4.一种单总线异步串口通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

波特率自动检测步骤：上电之后主设备发送0X01数据给从设备，从设备通过检测数据总线上的第一个下降沿和第一个上升沿之间的宽度来计算当前通信波特率；

数据接收步骤：主设备发送数据给从设备，从设备启动接收计数器开始计数，而后接收计数器将当前值与脉宽计数器右移一位之后的值进行比较并输出bit采样时钟；数据总线上的数据在bit采样时钟的作用下被依次送入移位寄存器中，当采样信号完成后，起始位已经被移出位移寄存器；有用的数据会被存放在移位寄存器中的低八位中，该数据在word计数器产生的word采样时钟作用下装载到接收数据缓存器中；

数据发送步骤：从设备向主设备发送数据时，输出数据通过总线控制接口的一个三态门输出到数据总线上；具体地，控制逻辑核心是一个发送计数器和一个输出控制状态机；当发送数据使能有效时，发送计数器开始计数，当计数值等于存储于脉宽计数器中的数值时，输出一个bit发送脉冲；随后发送计数器在下一个基准时钟时被置1，开始下一轮计数和比较，依次循环，直至产生10个bit位传输脉冲；

发送数据的顺序控制由输出状态控制机执行，输出状态控制机在第一个传输脉冲来时，将输出数据总线拉置低电平，随后的8个传输脉冲来时，依次将存储在发送数据缓存器中的待发送数据送到数据总线上，发送顺序还是从低位开始发送，在第10个传输脉冲来时，将数据总线电平拉高。

5.如权利要求4所述的一种单总线异步串口通信方法，其特征在于，还包括波特率重设步骤：

主设备向从设备发送0XFF命令，从设备收到0XFF数据之后，启动内部复位电路，将脉宽计数器复位，在收到下一次波特率检测命令后脉宽计数器开始新的计数，重复波特率自动检测步骤。

6.如权利要求4或5所述的一种单总线异步串口通信方法，其特征在于，所述数据接收步骤具体包括：

当数据总线有下降沿出现时，接收计数器开始计数，当接收计数器等于脉宽计数器的数值时，接收计数器在下一个基准时钟信号时刻被置1，然后开始下一轮计数，完成10轮计数后被强制复位；接收计数器在计数的循环过程中，将当前值与脉宽计数器右移一位之后的值进行比较，如果相同则输出一个bit采样时钟，在一次通信过程中会产生10个bit采样脉冲；

数据总线上的数据在bit采样时钟的作用下被依次送入一个9位的移位寄存器中，当十次采样信号完成后，起始位已经被移出位移寄存器；有用的数据会被存放在移位寄存器中的低八位中，该数据在word计数器产生的采样脉冲作用下一次性装载到接收数据缓存器中。