CN106603647A - 分布式模块间快速通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子通信领域。特指一种系统中子模块间通信的方法。右图方框4中的部分是本发明的核心，用FPGA芯片实现的逻辑电路，其包含FPGA控制逻辑，高速数据缓存/分发电路，高速消息暂存FIFO/分发电路，端口发送数据切换电路，端口电路（发送/接收）组成。方框1为控制器(单片机或计算机)，方框20、21、22为系统中的子模块。端口与端口间发送消息不需要经过控制器1，直接在4中就实现的消息的转发。节省了控制器的资源，且模块发送消息时不用等待。例如：模块22发送消息到20，模块22发送的消息会通过端口16_B到8，8根据消息地址知道消息是发送到模块20的，8将模块22的消息通过11、端口14_A发送到模块20。

Description

分布式模块间快速通信的方法

技术领域

电子, 通信

背景技术

目前分布式系统中“模块间通信”是通过控制器接收到其它模块发来的消息请求，再转发给被请求的模块。如: 系统内有A,B,C,D,E,F,G,H八个模块，模块只与控制器连接，模块间没有连接，那么 A要向E发送消息，A必须向控制器发送带有E模块地址码的消息，控制器收到消息后再将消息转发给E模块。现有技术的问题: 1).模块与模块间通信会占用MCU（或CPU）的资源,因为MCU（或CPU）要负责接收并且还要转发。2).并行执行性差，如果同时有多个模块要向其它模块发送消息，如果MCU（或CPU）忙。 可能需要等待。3).与模块连接的通信端口个数有限(如: 需求中需要要16个RS485串口与子模块通信, 则一般MCU与计算机都无法满足)。

发明内容

本发明要针对现有技术的不足，解决以下问题：1.模块间消息转发绕过MCU（或CPU）主机，不用MCU（或CPU）主机接收转发。2.并行处理各模块发向其它模块的消息，并转发。各模块任意时刻都可向其它模块发送消息，不用等待。3.解决MCU（或计算机）端口不够用的问题。

本案将结合所附的结构方框图(图一)进行讲述。方框图中各部分的作用：

控制器：是单片机(MCU)或计算机组成，是整个系统的控制中心。

控制逻辑：一是接收控制器的控制命令，二是根据控制器的控制实现对整个其它FPGA电路部分的控制。如：控制器如果要向其它模块发送发送数据，则会向FPGA控制逻辑发出发送数据的命令，FPGA控制逻辑会将“线路控制逻辑”切换到“高速数据缓冲/分发器”的对应的输出端。

高速数据缓冲/分发电路：一是将控制器发出的高速数据（如SPI模式数据）通过简单暂存，然后分别发送到发送到各慢速端口（如RS232模式串口数据）。由于是用FPGA实现的电路，各端口可同时发送或接收数据，具有很高的并行执行性。如：高速数据线速率是20Mbit/s，可实现<20个921600bit/s速率的RS232串口同时发送数据。

高速消息暂存/分发电路：同时接收各模块发来的低速率数据，并以高速存储到FIFO(先进先出)存储器中，

用FPGA实现的高速电路能同时存储全部模块的消息，把各模块的消息先暂存到FIFO存储器中，当控制器的消息转发命令到来时，会读取消息并根据消息地址并行把消息发送到对应的模块端口。

线路切换逻辑：由FPGA控制逻辑控制，当控制器要向各模块发送数据时，会将模块的发送端口切换到“高速数据缓冲／分发器”对应的输出端，实现控制器向各模块发送数据的功能。当控制器消息转发命令到来时，会将模块的发送端口切换到“高速消息暂存器／分发器”对应的输出端。实现模块间消息的传递，而绕开控制器。数据发送与模块间消息的转发都是并行执行的。

低速发送端口：是控制器向模块发送数据或命令，模块接收消息的端口。如RS485。

低速接收端口：是模块向其它模块或控制器发送消息的端口，如RS485。

模块x：具备独立数据处理与通信功能的设备。如，显示单元模块，终端设备。

本发明的详细原理：1.控制器向模块发送数据及控制信息。控制器先向FPGA控制逻辑发送“控制器发送数据命令”，FPGA控制逻辑控制“线路切换逻辑”，使其与“高速数据缓冲／分发电路”的输出端相连通，同时控制“高速数据缓冲／分发电路”执行数据分发，把数据发到对应的模块端口。进而发送到对应的模块中。同时，不会影响模块发送消息，因为消息会暂存到“高速消息暂存器／分发电路”。2.模块与模块间快速消息交换。当控制器不向模块发送数据或控制时，控制器会控制“FPGA控制逻辑”使“线路切换逻辑”与“高速消息暂存器／分发电路”输出端接通，同时会控制“高速消息暂存器／分发电路”将暂存的消息根据消息地址发送到的对应的模块端口，因为“高速消息暂存器／分发电路”的处理速度很快，而模块通信速度相对较慢，可同时将多个消息分发到对应的模块端口，提高并发执行性，从而大大提高消息转发的速度。3.模块向控制器反馈消息。如果消息是发向控制器的，那么在“高速消息暂存器／分发电路”中的消息会通过“高速数据缓冲／分发电路”发向控制器。

发明的效果：

本发明在模块间需要频繁交换消息的系统中使用效果相当显著。例如：系统中有模块16个，模块的通信速率921600bps，控制器每25ms向全部模块更新一次数据，更新数据时间片占20ms，消息转发时间片占5ms。假如在25ms内每个模块都要向其它模块发送一个4字节的消息，那么，会有16*16=256条消息需要进行转发，本案的转发耗时：4字节*16*串口转发1字节需要的时间(0.01085ms)=0.6944ms，这是1个端口转发16条消息的耗时，因各端口消息转发同时进行，所以转发完全部256条消息只需要0.6944ms。 消息转发延时能控制在25ms内，如果缩短消息转发时间片的间隔，能大大缩短消息转发的延时。 而采用传统的MCU(或CPU)接收转发，一是无大量低速端口供模块使用，二是会大大占用MCU(或CPU)的资源，三会大大增加消息转发的延时。

附图：示意图(图1)

方框结构图(图2)

实施例：

本发明已在“LED互动地砖”产品中成功使用，且效果非常显著。

本实例简述：“LED互动地砖”产品（以下简称本产品），由1个控制盒和若干地砖模块组成。控制盒集成了附图中所示的“控制器”及“FPGA实现的数据分发与消息转发逻辑”的全部功能。控制盒有16路RS485端口，每个端口可以接1路地砖模块，每一路由16块地砖模块以级联的方式串行连接，最多可接16路*16块=256块地砖模块。每个地砖模块由8*8=64个全彩LED灯珠、感应电路及内部控制电路组成，尺寸500mm*500mm。256块地砖模块组成了一个大的地面互动显示屏，可以显示各种背景视频。当有人在上面走动时，在人脚的位置会显示一个视频动画，视频动画会覆盖到背景视频之上，形成比较眩酷的互动效果。传统的方案是模块将感应点坐标（x，y）传送动控制器，同控制器处理效果视频与背景视频的合成，然后再把合成的视频传到地砖模块显示。但这会增加控制器的负担，如果同时在在砖上踩动的人很多，控制器处理就会力不从心，可能会产生严重延时或死机现象。而本方案采用的是地砖模块来处理视频数据的合成，控制器不用处理视频合成，也就是数据的分布式处理方式。每块地砖模块内部Flash中都存储了效果视频文件，当某一块地砖模块被踩到时，它会根据效果视频的尺寸来确定会显示到哪些地砖模块，被踩到的地砖模块只会向这几块地砖模块发送被踩地砖的XY坐标，这几块地砖收到被踩地砖发来的xy坐标后会与被踩地砖做同步的效果文件与视频文件的合成。根据实际验证，N多的人在上面踩动，本产品也能流畅显示效果视频与背景视频，丝毫感觉不到延时。本实例应用非常成功，本发明也是因为本实例的需求而生。

Claims (6)

1.模块间快速通信的方法，它包括控制器(1)，FPGA电路(4)，模块(20、21、22...)及连接线路组成。

2.其中4由以下部分组成：FPGA控制逻辑(5)，高速数据缓冲/分发电路(6)，高速消息暂存/分发电路(8)，线路切换逻辑(12、12、13...)，低速发送端口(14_A、15_A、16_A...)，低速接收端口(14_B、15_B、16_B...)。

3.根据权力要求1所述，其特征在于：由FPGA电路(4)实现消息转发，而非控制器(1)实现。

4.根据权力要求1所述，其特征在于：由FPGA电路(4)实现模块的收发端口，且可扩充更多数量的端口。

5.根据权力要求1所述，其特征在于：由FPGA技术实现与控制器(1)通信的的FPGA控制逻辑(5)

根据权力要求1所述，其特征在于：由FPGA控制逻辑(5)接收控制器(1)的命令从而协调控制FPGA电路(4)内部各电路的有序工作。

6.根据权力要求1所述，其特征在于：由高速消息暂存/分发电路(8)控制消息的暂存及转发，任何模块发送消息时都不用等待。