CN107683445A - 通过共同的互连方案使用多个串行协议的多重感测 - Google Patents

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Abstract

一种多重感测系统(20)包括多个传感器单元(28)，所述传感器单元(i)包括相应的传感器(44)，(ii)使用串行数据线(32)以级联方式彼此连接，以及(iii)连接到公共时钟线(36)和公共校准线(40)。传感器单元配置成使用相同的串行数据线、时钟线和校准线根据选择按照不同的第一和第二串行通信协议进行通信。主机(24)配置成与传感器单元通信，包括读取传感器并指示传感器单元在第一和第二串行通信协议之间切换。

Description

通过共同的互连方案使用多个串行协议的多重感测
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年6月16日提交的美国临时专利申请62/180,077的权益，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及多重感测，具体涉及与多个传感器通信的方法和系统。
背景技术
各种类型的串行通信协议被用于电子设备之间的通信。某些协议(如串行外设接口(SPI)协议)是主站和从站之间的点对点协议。SPI用在诸如微控制器、液晶显示器(LCD)驱动器和SD存储卡中，仅举几例。
其他协议(如分插接口(ADI))是同步协议，它们通过公用总线复用多个从站的时隙。例如，在SDH/SONET网络中以及在诸如DWDM的频域光网络中使用分插复用器(ADM)。ADM由多个制造商提供。一个例子是富士通FLM150ADM。
发明内容
这里描述的本发明的实施例提供了包括主机和多个传感器单元的多重感测系统。传感器单元(i)包括相应的传感器，(ii)使用串行数据线以级联方式彼此连接，并且(iii)连接到公共时钟线和公共校准线。传感器单元配置成使用相同的串行数据线、时钟线和校准线根据选择按照不同的第一和第二串行通信协议进行通信。主机配置成与传感器单元通信，包括读取传感器并指示传感器单元在第一和第二串行通信协议之间切换。
在一些实施例中，第一串行通信协议包括点对点主从协议，第二串行通信协议包括同步的时隙分插协议。在示例实施例中，第一串行通信协议包括串行外设接口(SPI)协议，第二串行通信协议包括分插接口(ADI)协议。
在本发明的实施例中，主机配置成使用第一串行通信协议来配置传感器单元，并且使用第二串行通信协议来读取传感器。在一个实施例中，主机配置成基于第二串行通信协议的定时从传感器读取彼此时间同步的读数。
在另一实施例中，包括给定传感器的给定传感器单元配置成接收来自级联中的前面的传感器单元的输入数据，向接收到的输入数据添加给定传感器的读数，并且将输入数据和添加的读数发送到级联中的后面的传感器单元。在又一实施例中，主机和传感器单元配置成响应于在第一和第二通信协议中都对主机和传感器单元可用的事件而在第一和第二通信协议之间切换。
根据本发明的实施例，附加提供了包括多个传感器单元、串行数据线、公共时钟线和公共校准线的医疗探针。多个传感器单元包括用于感测患者身体内的参数的相应传感器。串行数据线配置成将传感器单元彼此连接并且以循环级联的方式连接到主机。公共时钟线和公共校准线连接在主机和多个传感器单元中的每一个之间。传感器单元配置成使用相同的串行数据线、时钟线和校准线由主机根据选择按照不同的第一和第二串行通信协议进行通信。
根据本发明的实施例，还提供了一种用于多重感测的方法。所述方法包括操作多个传感器单元，所述多个传感器单元(i)包括各自的传感器，(ii)使用串行数据线以级联方式彼此连接，以及(iii)连接到公共时钟线和公共校准线。传感器单元可配置成使用相同的串行数据线、时钟线和校准线根据选择按照不同的第一和第二串行通信协议进行通信。主机与传感器单元通信，包括读取传感器并指示传感器单元在第一和第二串行通信协议之间切换。
从下面结合附图对本发明的实施例的详细描述中将更充分地理解本发明，其中：
附图说明
图1示意性地示出根据本发明的实施例的多重感测系统的框图；
图2示意性地示出根据本发明的实施例的图1中的多重感测系统中使用的传感器单元的框图；
图3A示出根据本发明的实施例的多重感测系统的框图；
图3B和3C分别示出显示了根据本发明的实施例的图3A中的多重感测系统中的ADI和SPI信号波形的信号图；和
图4是示意性地示出根据本发明的实施例的用于通过公共互连组在SPI和ADI协议之间切换的方法的视图。
具体实施方式
综述
本文描述的本发明的实施例提供用于多重感测(即用于操作和读取多个传感器)的改进的方法和系统。所公开的技术可以用于例如多传感器医学探针以及各种其他应用中。
在本发明的一些实施例中，多重感测系统包括多个传感器单元和控制它们的主机。传感器单元通过串行数据线以循环级联方式相互连接，并与主机相连。另外，一条公共的时钟线和一条公共的定时校准线将主机连接到传感器单元。在所公开的技术中，主机使用两种不同的串行通信协议通过同一组数据线、时钟线和校准线与各传感器通信。
在一些实施例中，所述两种协议是SPI和ADI。ADI协议用于读取传感器，可以是同步读取。SPI协议用于配置传感器单元。主机决定何时从一种协议切换到另一种协议，并相应地指示传感器单元。
所公开的技术使得主机能够使用少量信号线(例如，四条线)与多个传感器进行通信，并在两个协议中重复使用相同的信号线和互连方案。该解决方案利用了每种协议类型的独特优势。标准SPI协议用于控制目的，而ADI用于同步时隙实时数据读出。
SPI和ADI基础
SPI本质上是两个设备——一个SPI主机和一个SPI从机——之间的点对点总线协议。SPI使用四个信号，表示为片选(CS)、串行时钟(SCK)、主出从入(MOSI)和主入从出(MISO)。MOSI信号用于从主机到从机的串行数据传输。MISO信号用于从从站到主站的串行数据传输。CS信号用于MISO和MOSI数据传输的字节、字或包的校准。SCK信号用于MISO和MOSI数据传输的串行位定时。
SPI的一个优势是其允许主机和从机以任何协议进行通信，而不需要除字节/字对齐以外的任何规则。SCK信号并不代表平均数据速率，而只是一个临时的突发速率。SPI的同步形式降低了开销，并且如果需要，可以实现高达SCK速率的高数据速率。
ADI是一种多从属总线协议，其中主站以时帧的周期模式将时隙分配给不同的从站。主站使用帧同步(FS)信号将从站同步到时间帧。用于数据传输的物理介质是主站和所有从站共用的漏极开路或集电极开路数据线。主站产生一个串行时钟(SCK)信号，用于对数据线上的位进行计时。每个ADI从站都包含一个分插多路复用器(ADM)，它监听数据线，接收来自主站的指令，并在其指定的时隙中添加/删除数据。给定的从站(ADM)知道其指定时隙相对于FS信号的位置。数据线的位速率(以及SCK时钟速率)通常较高，因为它需要支持所有从站的数据速率总和。
系统描述
图1是示意性地示出根据本发明的一个实施例的多重感测系统20的框图。系统20包括也称为主站的主机24，其与多个传感器单元28通信。传感器单元28通常包括测量某个或多个期望的物理参数的模拟值的传感器。传感器单元将测量值转换成数字文字并将数字文字发送到主机24。
诸如系统20的系统可以用于测量各种类型的应用中的各种类型的参数。在一些实施例中，系统20用作多传感器医用导管或其他医疗探针的一部分，其插入到患者体内并测量多个参数值。在一个示例实施例中，系统20用作测量患者心脏表面上多个点处的电生理(EP)活动的心脏导管的一部分。替代地，系统20可用在各种其他类型的医学探针中，用于测量任何其他合适类型的生物或生理参数。
还可替代地，诸如系统20的系统可以用于任何其他合适的多重感测应用中。示例应用包括但不限于三维(3D)成像应用、多维机械振动分析应用、3D声纳应用、需要同时测量多个物理参数(例如，温度、压力和光谱参数)的化学反应控制应用、动态多模态成像应用、远程(例如，水下)有线设备，仅举几例。
如图1所示，主机24和传感器单元28通过循环级联或环路中的数据线32彼此连接。数据线32的环路在主机24处开始，主机24将数据发送到传感器单元#1。每个传感器单元从级联中的前一个传感器单元接收数据(除了从主机接收数据的传感器单元#1之外)，并将数据发送到级联中的下一个传感器单元(除了将数据发送回主机的传感器单元#N之外)。
另外，主机24产生串行时钟(SCK)信号和校准信号，并且分别通过时钟线36和校准线40将SCK信号和校准信号并行地提供给传感器单元28。SCK信号是对通过数据线32发送的串行位进行计时的位时钟信号。校准信号用于更高级别的同步，例如帧同步。
在本文中，数据线32、时钟线36和校准线40统称为主机24和传感器单元28之间的互连方案。所公开的互连方案是有效的，因为它允许主机与任何期望数目的传感器单元只用四条线进行通信。信号线的数量少在许多应用中是非常有利的。例如，在多传感器导管中，信号线经由导管的内腔引线。线的数量少意味着导管可以设计有大量的传感器，不用不必要地扩大允许的导管直径。
在本文描述的实施例中，主机24和传感器单元28能够根据两种不同的串行通信协议进行通信。两个协议之间的交替由主机24管理，主机24指示传感器单元根据需要从一个协议切换到另一个。两种协议使用相同的互连方案(数据线32，时钟线36和校准线40)。换句话说，不需要额外的信号线来辅助双协议操作。
在本例中，这两个协议是SPI和ADI。然而，通常可以使用任何其他合适的两个协议。
图2是示意性地示出根据本发明的示例性实施例的传感器单元28中的一个的内部结构的框图。通常，所有传感器单元28具有相似的内部结构。
在本例中，传感器单元28包括测量期望的物理参数的模拟值的传感器44。模数转换器(ADC)46将测量的模拟值转换成数字文字。
另外，传感器单元28包括用于根据ADI协议进行通信的ADI从属通信模块48(为了简洁起见，称为“ADI从站”)和用于按照SPI协议进行通信的SPI从属模块52(为了简洁起见，被称为“SPI从站”)。
控制模块56管理传感器单元28的操作，并且特别是根据主机24的指示从一个协议切换到另一个协议。在一些实施例中，传感器单元28还包括控制传感器44的中央处理单元(CPU)58、ADC 46和控制模块56。CPU 58还连接到SPI从站52。
在本示例中，传感器单元28包括输入多路复用器(MUX)60，其将输入信号(来自前一传感器单元的时钟线36、校准线40和数据输入线32)切换到ADI从站48或SPI从站52。传感器单元28还包括输出MUX 64，其将ADI从站48或SPI从站52的数据输出切换到传感器单元的数据输出线32。
MUX 60和64由控制模块56控制。当使用ADI操作时，数据输入线32、时钟线36和校准线40分别引线到ADI从站48的串行数据输入(SDI)、SCK和帧同步(FS)。ADI从站48的串行数据输出(SDO)引线到数据输出线32。主机24充当ADI主站。
在ADI操作期间，每个ADI从站48从级联中的前一个ADI从站接收数据信号。接收到的数据信号包括由所有前面的ADI从站添加的数据。每个ADI从站在适当的时隙(相对于FS信号测量)中添加其自己的数据(通常是由其传感器44感测的参数的数字化值)，并将该数据信号转发到级联中的下一个ADI从站。这种存储转发技术可以确保，即使每个ADI从站只连接到前一个ADI从站和下一个ADI从站(而不是传统的ADI中连接到公共数据线)，每个ADI从站仍然配有包含其他时隙的数据线。在一些实施例中，存储转发技术引入每个传感器一帧的延迟。
在一个实施例中，ADI定时(从提供给所有传感器单元的FS和SCK信号导出)用于对传感器44的感测时间进行同步。换句话说，系统20能够借助于与ADI定时同步而在同一时间由不同的传感器44获取参数值。
通常，每个ADI帧中的第一个时隙被定义为命令时隙。通过在该时隙中发送命令，主机24(主站)可以控制传感器单元的数据格式和操作模式(SPI与ADI)。例如，其中一个命令指示传感器单元切换回SPI模式。
当使用SPI操作时，数据输入线32、时钟线36和校准线40分别引线到SPI从站52的主出从入(MOSI)、SCK和片选(CS)输入。SPI从站52的串行主入从出(MISO)输出被引线到数据输出线32。在SPI操作期间，主机24充当SPI主站。在SPI操作中，SPI从站52也执行数据线32上的存储转发。通常，每个SPI从站从级联中的前一个SPI从站接收数据(例如，一个或多个数据包)，添加其自身的数据(例如，数据包)并将数据包继续发送到下一个SPI从站。
在本示例中，系统20使用ADI协议来从各个传感器单元28的传感器44读取数据。系统使用SPI协议进行配置改变或其他管理功能。这样的功能可以包括例如列举传感器单元、将ADI时隙分配给传感器单元、设置或调整某个动作的阈值、向传感器添加新的功能(例如频率分析)、将传感器从差分模式重新配置为单端模式，反之亦然，仅举出几种可能性。通常，主机24列举传感器单元并将ADI时隙灵活分配给传感器单元，而没有任何硬连线的硬件设置。
在该实施例中，正常操作期间，主机24将传感器单元28设置为ADI模式并从传感器读取数据。当需要进行配置改变或其他管理操作时，主机24将传感器单元28切换到SPI模式，执行期望的操作，并且将传感器单元返回到ADI模式。然而，所公开的技术不限于使用ADI的正常操作和使用SPI的管理操作。在替代实施例中，主机24可以基于任何其他合适的标准在ADI和SPI操作之间交替并且用于执行任何其他合适的操作。
图1和图2中所示的系统20和传感器单元28的配置是仅为了概念清楚而描绘的示例配置。在替代实施例中，可以使用任何其他合适的配置。例如，系统20可包括任何合适数量的传感器单元。给定的传感器单元可以包括多于一个的传感器。各种传感器单元28中的传感器44可以是相同的，或者它们可以是测量不同类型参数的不同类型传感器。在一些实施例中，传感器是异步的，即，不严格要求同时感测。在其他实施例中，传感器是同步的，即，同时或至少以已知的时间差来获取其感测值。
为了清楚起见，图中省略了对理解所公开的技术不必要的一些系统和传感器单元元件。包括主机24和传感器单元28的系统20的不同元件可以使用专用硬件或固件，使用软件，或者使用硬件、固件和/或软件元件的组合来实现。系统20的一些元件，例如主机24、控制模块56和/或CPU 58可以使用一个或多个可编程处理器来实现，这些可编程处理器用软件编程以执行这里描述的功能。软件可以例如通过网络以电子形式下载到处理器，或者可以替代地或附加地将软件提供和/或存储在诸如磁盘、光盘或电子存储器之类的非暂时性有形介质上。
示例信号波形和流程图
图3A是示出根据本发明实施例的类似于系统20的多重感测系统的框图。在本示例中，该系统包括三个传感器单元，标识为Dev0、Dev1和Dev2。将从主机24到Dev0的数据线32标识为SDI0。将从Dev0到Dev1的数据线32表示为SDI1。将从Dev1到Dev2的数据线32表示为SDI2。
图3B是示出根据本发明的实施例的在ADI操作期间在FS、SDI0、SDI1和SDI2线上的信号波形的信号图。该图跨越四个时间帧，并演示了上述的传感器单元的存储转发功能。
图3C是示出根据本发明实施例的在SPI操作期间在FS、SDI0和SDI1线上的信号波形的信号图。该图再次演示了传感器单元的存储转发功能。
图4是示意性地示出根据本发明的一个实施例的用于在SPI和ADI协议之间交替的方法的图。在本例中，主机24和传感器单元28在时间68复位唤醒的默认模式是SPI。
在SPI传输步骤72中，主机24将SPI数据发送到传感器单元28。例如，SPI数据可以包括设置和配置指令以及信息。传感器单元28中的控制模块56接收数据，对其作用，并沿着级联继续存储并转发数据。在主机SPI接收步骤76中，级联中的最后一个传感器单元28将SPI数据发送到主机24。主机验证数据并移除(解除)CS信号。
当需要时，主机24在SPI到ADI指令步骤80中向传感器单元28发送从SPI切换到ADI的命令。传感器单元28的控制模块56沿着级联将命令逐个传播。每个控制模块还将其各自的传感器单元从SPI切换到ADI(例如，使用图2的MUX 60和64)。在SPI至ADI主机接收步骤84中，主机从级联中的最后一个传感器单元接收传播的命令，得出所有传感器单元已经切换到ADI的结论并且移除CS信号。因此，在时间88，整个系统已经从SPI切换到ADI。
在ADI传输步骤92中，主机24产生ADI帧传输到传感器单元28。每个传感器单元28读取其传感器44，在其指定的时隙中相对于FS信号添加传感器数据，所得数据信号存储并转发到级联中的下一个传感器单元。在ADI主机接收步骤96，主机96接收来自级联中的最后一个传感器单元的ADI帧，并提取由各个传感器感测的数据。
适当时，在ADI中止步骤100，主机24向传感器单元28发送从ADI切换到SPI的命令。传感器单元28的控制模块56沿着级联将命令逐个传播。每个控制模块还将其各自的传感器单元从ADI切换到SPI(例如，使用图2的MUX 60和64)。在ADI至SPI主机接收步骤104中，主机24从级联中的最后一个传感器单元接收传播的命令，并断定所有传感器单元已经切换到SPI。
当使用本发明的配置时，在SPI和ADI之间的切换是平滑和无缝的。在给定的传感器单元28中，控制模块56响应于CS信号的解除而从SPI切换到ADI。在给定的传感器单元28中从ADI到SPI的切换在接收到适当的ADI命令之后执行M个帧。根据每个传感器单元28的时隙分配和一帧中的时隙总数计算每个传感器单元28的M(该特征由图中的“延迟计算”箭头108表示)。
因此，在时间112，整个系统已经从ADI切换到SPI。通常，主机24也起到级联中的最后一个从站的作用，并且其切换机构因此也与传感器单元28的切换机构校准。一般而言，主机24和传感器单元28通常响应于在SPI和ADI中都对主机和传感器单元可用的事件在SPI和ADI之间同步地进行切换。
应该理解，上述实施例是作为示例引用的，并且本发明不限于上面已经特别示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述时将会想到而现有技术中未公开的变化和修改。在本专利申请中通过引用并入的文件被认为是本申请的组成部分，如果在这些并入的文件中以与在本说明书中明确地或隐含地定义的概念有冲突的方式定义了任何术语，应该仅考虑本说明书中的定义。

Claims (15)

1.一种多重感测系统，包括：
多个传感器单元，所述传感器单元(i)包括相应的传感器，(ii)使用串行数据线以级联方式彼此连接，以及(iii)连接到公共时钟线和公共校准线，其中，所述传感器单元配置成使用相同的串行数据线、时钟线和校准线根据选择按照不同的第一和第二串行通信协议进行通信；和
主机，其配置成与传感器单元通信，包括读取传感器并指示传感器单元在第一和第二串行通信协议之间切换。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一串行通信协议包括点对点主从协议，并且其中，所述第二串行通信协议包括同步时隙分插协议。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一串行通信协议包括串行外设接口(SPI)协议，并且其中，所述第二串行通信协议包括分插接口(ADI)协议。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述主机配置成使用所述第一串行通信协议来配置所述传感器单元，并且使用所述第二串行通信协议来读取所述传感器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述主机配置成基于所述第二串行通信协议的定时从所述传感器读取彼此时间同步的读数。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，包括给定传感器的给定传感器单元配置成接收来自所述级联中的前面的传感器单元的输入数据，以向所接收的输入数据添加给定传感器的读数，并将输入数据和添加的读数发送到级联中的后面的传感器单元。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述主机和所述传感器单元配置成响应于在第一和第二通信协议下都对主机和传感器单元可用的事件而在所述第一通信协议和所述第二通信协议之间切换。
8.一种医疗探针，包括：
多个传感器单元，其包括用于感测患者身体内的参数的相应传感器；
串行数据线，其配置成将所述传感器单元彼此连接并以循环级联方式连接到主机；
公共时钟线，其连接在主机和所述多个传感器单元中的每一个之间；和
公共校准线，其连接在主机和所述多个传感器单元中的每一个之间，
其中，所述传感器单元配置成使用相同的串行数据线、时钟线和校准线由所述主机根据选择按照不同的第一和第二串行通信协议进行通信。
9.一种用于多重感测的方法，包括：
操作多个传感器单元，所述多个传感器单元(i)包括相应的传感器，(ii)使用串行数据线以级联方式彼此连接，以及(iii)连接到公共时钟线和公共校准线，其中，所述传感器单元配置成使用相同的串行数据线、时钟线和校准线根据选择按照不同的第一和第二串行通信协议进行通信；和
使用主机与传感器单元通信，包括读取传感器并指示传感器单元在第一和第二串行通信协议之间切换。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一串行通信协议包括点对点主从协议，并且其中，所述第二串行通信协议包括同步时隙分插协议。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一串行通信协议包括串行外设接口(SPI)协议，并且其中，所述第二串行通信协议包括分插接口(ADI)协议。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，与所述传感器单元通信包括使用所述第一串行通信协议来配置所述传感器单元，并且使用所述第二串行通信协议读取所述传感器。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中，读取所述传感器包括基于所述第二串行通信协议的定时从所述传感器读取彼此时间同步的读数。
14.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，该方法还包括：在具有给定传感器的给定传感器单元中接收来自所述级联中的前面的传感器单元的输入数据，向所接收的输入数据添加给定传感器的读数，并将输入数据和添加的读数发送到级联中的后面的传感器单元。
15.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，该方法还包括：响应于在第一和第二通信协议中都对主机和传感器单元可用的事件而在第一和第二通信协议之间切换。
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