CN107819659B - 一种基于spi的智能级联通信网络 - Google Patents

一种基于spi的智能级联通信网络 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于SPI的智能级联通信网络，包括一个主站以及多个从站,每个从站通过SPI接口的数据输出MISO与下游从站数据输入MOSI衔接连接，并且起始从站数据输入MOSI连接主站数据输出MISO，最末尾的从站数据输出MISO返回主站数据输入MOSI，从而构成级联通信的闭环。本发明通信网络中主站与从站的上下行数据流直接贯通传输，在不增加硬件的情况下，使设备和CPU/MPU芯片从大量花费在处理通信的工作中解放出来，大大地提高设备和CPU/MPU芯片的工作效率。

Description

一种基于SPI的智能级联通信网络
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于SPI的智能级联通信网络。
背景技术
目前的单片机多数具有SPI通信接口。SPI通信接口是各种通信接口中速度最快的，理论上可达单片机外设主频的1/2。以STM32Fxxx芯片为例，若是M3系列的外设最高主频可以配置为36MHz，则SPI通信速率最高可达18M BPS(兆位/秒)。若是M4系列外设最高主频可以配置为84MHz，则SPI通信速率最高可达42M BPS。同时SPI接口具有全双工和自动CRC功能(CRC即循环冗余校验码：是数据通信领域中最常用的一种查错校验码)，可以在不需要其它投资的条件下，构建安全的通信系统平台。在多个具有SPI外设接口的CPU/MPU(微处理器和内存保护单元，MPU是单一的一颗芯片)或设备单元之间，可能存在高速及实时信息交换的需求，因此，利用SPI通信接口的特性，构建一种廉价、简单和高效的高速信息交换网络很有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种廉价、简单和高效的基于SPI的智能级联通信网络。该网络可以提供数十兆位/秒级别高速及实时信息交换服务。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于SPI的智能级联通信网络，包括一个主站以及多个从站,每个从站通过SPI接口的数据输出MISO与下游从站数据输入MOSI衔接连接，并且起始从站数据输入MOSI连接主站数据输出MISO，最末尾的从站数据输出MISO返回主站数据输入MOSI，从而构成级联通信的闭环。
所述从站的数目及安装的位置可以是固定，也可以是不固定，其中，所述从站的数目及安装的位置为固定时，该基于SPI的智能级联通信网络可用于定制化组建网络；所述从站的数目及安装的位置不固定时，该基于SPI的智能级联通信网络可用于自动化组建网络。
其中，主站SPI接口操作可以采用轮询(Polled)、中断(Interrupt)和DMA方式，从站的SPI接口操作可以采用中断和DMA方式。
主站与从站采用DMA通信方式进行通信，可以大量节省CPU/MPU的时间资源和减少程序操作。
其中，采用DMA通信方式进行通信时，通信帧采用上下行数据帧，由主站与从站之间直接贯通传输，其中，下行数据帧是主站的发送帧，其由帧头部和发往各个从站的数据块组成，帧头部与数据块的尺寸按照网络初始化时的约定，并且各个从站的数据块的尺寸一致；上行数据帧是主站的接收帧，其由各个从站发往主站的数据块和返回的帧头部组成；且上下行数据流的尺寸一致。
因为上下行数据块尺寸一致，所以上下行数据帧的尺寸一致。由此可见，主站下行数据帧通过级联网络贯通传输到各个从站，与此同步，主站也完成了接收从站发回的上行数据帧。由于帧头部和数据块都具有标准的约定尺寸，所以本网络可实现不用IP或站号，直接进行各从站信息定位传输。
其中，所述主站采用独立的DMA发送缓冲区和DMA接收缓冲区，以发送下行数据帧及接收上行数据帧；所述从站采用交叠的DMA发送缓冲区和DMA接收缓冲区，以接收下行数据帧及发送上行数据帧；在主站及从站同步上电且通信网络初始化完成后，在主站发送第一个数据以后，下行数据帧会自动和连续地进入各个从站的DMA接收缓冲区，同时上行数据帧亦自动和连续地返回主站的DMA接收缓冲区，实现DMA自然数据流传输；在此传输过程中，所述主站与从站无需对传输进行任何操作，故称其为DMA自然数据流传输；在一帧传输完成时，所述主站与从站均可采用DMA完成中断或查询DMA发送与接收指针的方法，确认数据帧传输完成。
需要说明的是，在实际应用时，主站的DMA发送缓冲区和DMA接收缓冲区不必是独立的，当需要节约内存空间时，亦可采用交叠的DMA发送缓冲区和DMA接收缓冲区设计。
假设通信网络初始化已完成，主站和所有的从站都按约定完成了本站DMA缓冲区的配置，则按照以下步骤实现定周期循环的工作：
1)在每帧数据通信之前，所述主站在DMA发送缓冲区，预备发往各个从站的下行数据，清空DMA接收缓冲区，设置好DMA发送和接收指针；各从站分别预备发往主站的上行数据，清空DMA接收缓冲区，设置好DMA发送和接收指针；
2)各个从站通过NSS线与状态向所述主站报告传输准备就绪，主站通过NSS线与状态确认各从站预备完成后，并且根据时间序列或周期约定的时刻，将下行数据帧的首数据写入SPI接口，启动DMA自然数据流传输过程；在传输过程中，所述主站和从站无需对SPI接口操作；
3)当确认一帧数据传输完成后，主站及从站各自进行本站接收数据的处理；
4)若从站采用NSS线与状态作为传输预备就绪状态，在处理接收的下行数据之前，要撤销预备就绪状态；
5)所述主站和从站在完成接收数据的处理之后，重复步骤1)。
当然了，如果是非mS级的传输一帧数据，不一定要使用NSS线。
本发明中，如果在主站与所有从站之间，已经建立了按约定周期进行数据交换的信息流。为实现从站与从站之间相互的数据访问，则在此信息流之上，采用虚拟通信技术，实现从站之间的数据访问。
其中，当一从站需要与另一从站通信时，具体按照以下步骤进行：
1)通信主动方从站在上行信息数据块的虚拟协议通信段VP_COM中填写标识符和报文；标识符中包含通信优先级、目的从站从站号和TX发送标志；
2)当主站接到信息后，根据标识符的通信优先级，裁决让哪两个从站建立通信，然后填写到下行帧中VP_COM控制状态字，首先通信优先级高的从站站号填写到通信主动方从站站号位域，然后将目的从站从站号填写到通信被动方从站站号位域；
3)同时主站将通信主动方虚拟协议通信段的内容，填写到下行帧中目的从站信息数据块的虚拟协议通信段；
4)当通信主动方从站在VP_COM控制状态字中发现自己的通信请求被确认后，继续发送报文或等待目的从站的应答信息，等待时将TX标志复位；
5)当目的从站在VP_COM控制状态字观察到自己是通信连接对中的通信被动方从站时，可解析通信主动方发来的报文，并对其作出反应；
6)通信主动方从站在信息交换未结束之前，标识符除TX发送标志外，其它保持不变，主站根据这一信息，维持当前通信连接对，并连续地转发信息；
7)当通信主动方发送在信息交换结束时，将标识符复位；主站将根据这一信息，允许建立其它的通信连接对。
对于定制化网络，所述主站与从站，都不需配置电子开关eSW(但可以配置机械开关)，通过连线(或机械开关)即可完成网络数据链路闭环；对于自动化网络，要求所述主站与从站均配置电子开关eSW；对于自动化网络，从站在初始化过程中，从站自动地辨识出自己是最末尾从站，然后接通电子开关eSW，从而实现网络数据链路闭环。
需要说明的是，对于在同一装置中多个CPU/MPU芯片元件组网的情况，与不同设备的主站与从站之间实现网络数据链路闭环是完全相同的。
在上电之初，由于通信网络处于馄饨状态，必须通过网络初始化过程，才能实现系统网络数据链路闭环和规划传输的信息内容。其网络初始化过程按照以下步骤进行：
1)在系统上电后，所述主站和从站的通信速率取缺省速率，并且数据块取缺省尺寸DBinit；
2)对于定制化组网模式：假设已知的从站数目为N，则在初始化过程中，发送和接收的DMA缓冲区尺寸为：帧头长度+N x DBinit；对于自动化组网模式：可假设从站数目N＝Nmax，Nmax为网络最大从站容量，则在初始化过程中，发送和接收的DMA缓冲区尺寸为：帧头长度+Nmax x DBinit；
3)如果是定制化组网模式，跳过步骤3)直接进入步骤4)，否则系统按下列步骤a)-d)，自动地辨识出最末尾从站，并且实现网络数据链路闭环；
a)主站接通电子开关eSW，并且设识别最末尾站指令，按N个从站的配置安排DMA发送缓冲区中的数据，主站发送DMA发送缓冲区的数据结束时，各个从站根据自己接收的数据状态，确认自己是否为最末尾站，并反馈给主站；
b)若无法确定，则主站再按N-1个从站安排DMA发送缓冲区中的数据，主站发送DMA缓冲区的数据结束时，各个从站根据接收的数据状态，确认自己是否为最末尾站并反馈给主站；
c)主站按上方法依次递减从站的数量进行数据发送，直到有从站确认自己是最末尾从站为止，然后末尾从站通电子开关eSW，实现网络数据链路闭环；
d)当主站接收到正确的返回信息后，即可确认网络物理层数据流传输链路已经通畅，退出辨识出最末尾从站状态；
4)数据流传输的链路建立后，主站确认网络中从站的数目以后，即可向各从站发出实际使用的通信速率，在确认各个从站均已收到该数据以后，向各从站发出新通信速率激活指令，实现系统通信速率同步迁移。
5)在系统通信速率迁移完成后，主站向各从站发出询问指令，从站利用在DBinit中上电标示符区段将从站声明段反馈给主站；
6)主站根据各个从站反馈获得的信息，确定从站私有信息数据块尺寸，然后主站向各从站发出配置私有信息数据块尺寸指令，各从站仍利用上电标示符区段，将接收到的数据块尺寸通知主站；
7)经过若干次确认之后，主站重新规划DMA接收缓冲区及DMA发送缓冲区，同时向各从站发出重新规划DMA接收缓冲区及DMA发送缓冲区的指令；
8)DMA缓冲区重新规划完成后，主站利用各从站私有信息数据块，通过专用指令建立上下行帧中所有PDO(过程数据对象)的映射关系，至此完成通信网络初始化，主站发出正常运行指令；当网络初始化完成后，各从站上下行私有信息数据块的尺寸相同；
9)网络初始化完成，主站即可向所有从站发出正常运行指令，此后，SPI的智能级联通信网络开始按照约定的时间周期，周而复始地连续工作。
综上所述，本发明所述基于的SPI的智能级联通信网络，实现了由主站规划，在通信网络中所有站之间，运行了一列定期上下行的信息流。在主站的调度下，此信息流不但进行主站与各个从站之间的信息访问，也可进行从站与从站之间的信息访问。各站数据块到站的对位，不需要IP(或站号)，只要按照约定数据块尺寸即可实现精准对位；快速信息流的动力来自DMA自然流传输设计，该设计数据传输过程犹如“多米诺”骨牌，传输运行只需主站操作启动(相当推倒第一块骨牌)，主站与从站的上下行数据流直接贯通传输(相当后续骨牌依次倒下)，贯通传输的运行动力，全部由主站和各从站的DMA提供，在不增加硬件的情况下，因为此设计使设备和CPU/MPU从大量花费在处理通信的工作中解放出来，所以可大大地提高设备和CPU/MPU芯片的工作效率。
附图说明
图1是基于SPI的智能级联通信网络的物理结构示意图；
图2是帧数据发送前系统内数据与指针的分布状态示意图；
图3是发送帧头块数据后系统内数据与指针的分布状态示意图；
图4是发送3#从站下行数据块之后系统内数据与指针的分布状态示意图；
图5是发送2#从站下行数据块之后系统内数据与指针的分布状态示意图；
图6是发送帧发送完成之后系统内数据与指针的分布状态示意图；
图7是系统上电时主站与从站的DMA缓冲区的配置状态示意图；
图8-13是主站与从站确定最末尾站的确定过程示意图；
图14是重新规划DMA缓冲区后下行帧未发送前系统内数据和指针分布状态；
图15是一帧通信完成以后系统内数据和指针分布状态见图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所述的基于SPI的智能级联通信网络，包括一个主站以及多个从站,每个从站通过SPI接口的数据输出MISO与下游从站数据输入MOSI衔接连接，并且起始从站数据输入MOSI连接主站数据输出MISO，最末尾的从站数据输出MISO返回主站数据输入MOSI，从而构成级联通信的闭环。
其中，所述从站的数目及安装的位置可以是固定的，也可以是不固定的，当所述从站的数目及安装的位置为固定时(即事先已确定了从站的数目及其安装的位置)，该基于SPI的智能级联通信网络可用于定制化组建网络；所述从站的数目及安装的位置不固定时(即非固定从站数目及随意安装位置)，该基于SPI的智能级联通信网络可用于自动化组建网络。
需要说明的是的，本发明中，对于定制化组建网络及自动化组建网络来说，除它们的网络初始化有所不同外，在网络初始化完成数据流传输的链路建立后，数据流的传送状态是完全一样的。
其中，对于本发明的SPI智能级联通信网络来说，主站SPI接口操作可以采用轮询、中断和DMA方式，从站的SPI接口操作也可以采用中断和DMA方式，当然也可以其它方式进行，具体不限。
采用DMA通信方式进行通信，可以大量节省CPU/MPU的时间资源和减少程序操作，为了便于说明本发明的通信网络的优越性，下面以采用DMA通信方式进行通信为例，对本发明的基于SPI的智能级联通信网络的通信过程进行详细说明。
参见图1-15所示，一种基于SPI的智能级联通信网络，包括主站以及多个通过SPI接口相连接而进行级联通信的从站，所述主站与从站的SPI接口采用DMA通信方式进行通信，上下行数据流在主站与从站之间直接贯通传输；所述主站采用独立的DMA发送缓冲区和DMA接收缓冲区，以发送下行数据及接收上行数据；所述从站采用交叠的DMA发送缓冲区和DMA接收缓冲区，以接收下行数据及发送上行数据；在主站及从站同步上电且通信网络初始化完成后，在主站发送第一个数据以后，下行数据自动和连续地进入各个从站的DMA接收缓冲区，上行数据亦自动和连续地返回主站的DMA接收缓冲区；所述主站、从站均采用DMA完成中断或查询DMA发送与接收指针，确认数据帧传输完成。
具体连接时，主站与从站内部的上游通信端口A与下游通信端口B的NSS端、SCK端以及GND端对应连接，主站与从站在外部通过NSS端、SCK端以及GND端对应连接，从站之间也通过NSS端、SCK端以及GND端在外部对应连接，主站上游通信端口A的MOSI端与从站的上游通信端口A的MOSI端连接进行下行数据流的传送，上游从站的下游通信端口B的MISO端与下游从站的上游通信端口A的MOSI端连接，最末尾从站的下游通信端口B的MISO端通过电子开关eSW或机械开关，如直接用串行数据线连接其上游通信端口A的MISO BACK端连接，各从站之间及从站与主站上游通信端口A与下游通信端口B间的MISO BACK端相连接，实现上行数据的传送，图1中箭头方向表示数据流向。
本发明采用数据传输和网络链路直接定位同时完成技术。为保证高速通信和尽量不占用CPU的处理时间，主从站SPI接口均采用DMA通信方式(直接内存存取)。主站采用DMA发送和接收缓冲区独立设计，从站采用DMA发送和接收缓冲区交叠设计，此设计可以保证上下行数据流直接贯通传输。在传输过程中，所有从站无需为传输提供动力和操作，主站只要发出第一个数据，整个数据传输过程犹如“多米诺”骨牌，以“自然流”方式一次完成的“骨牌自然数据流”。
所述的NSS就是片选信号，NSS线既可以作输入,又可以作输出。所谓输入就是外部NSS输入给自己。输出就是将NSS的信号送出去。每个主站与从站均具有上游通信端口A与下游通信端口B。
所述的NSS是SPI接口的片选信号，NSS引脚既可以作输入,又可以作输出。本发明将其作为主站与从站之间状态联络线使用。使用方法1，所有从站的NSS引脚作为输出，通过线与或者线或逻辑组成状态，表示所有从站通信准备就绪。主站的NSS引脚作为输入检测到此信号之后，在达到约定的时刻，即可发出下行帧。使用方法2，主站的NSS引脚作为输出，所有从站的NSS引脚作为输入。通过NSS线，主站提前向从站发出各就各位信息，然后在达到约定的时刻，发出下行帧。对某些系列的CPU/MPU，其引脚可同时作为输出/输入，则作为联络线使用会更加方便。应用中通常使用方法1。在每帧数据通信之前，所主站预备发往各个从站的下行数据，设置好DMA发送和接收指针；各从站分别预备发往主站的上行数据，清空DMA接收缓冲区，设置好DMA发送和接收指针，所述主站通过NSS线与状态确认各从站预备完成后，进行下行数据的第一个数据发送，或根据时间序列约定发送下行数据的第一个数据。
在确认数据帧传输完成后，所述主站、从站完成接收数据处理(即从缓冲区移开，交给会话层)，预备刷新下一帧数据。
本发明中，每帧数据通信之前，所主站预备发往各个从站的下行数据，清空DMA接收缓冲区(也可以不清空)，设置好DMA发送和接收指针。
本发明中，若从站采用NSS线与状态作为预备好状态，则在处理接收的下行数据时，要设置未预备好状态，当刷新数据完成后，重新设置预备好状态。
下面，以三个从站为例，即1#从站，2#从站以及3#从站为例说明详细基于SPI的智能级联通信网络对一帧数据的传输过程。参见图2-6所示。
1)在每帧通信之前，主站预备发往各个从站的数据(下行数据)，清空【不一定要清】接收缓冲区，设置好发送和接收指针。
2)在每帧通信之前，各从站分别预备发往主站的数据(上行数据)，清空接收缓冲区，设置好发送和接收指针。
3)主站可通过NSS线与状态确认各从站预备完成，也可根据时间序列约定发送下行帧的第一个数据。
4)在主站发送第一个数据以后，下行数据自动和连续地进入各个从站的接收缓冲区，上行数据亦自动和连续地返回主站的接收缓冲区。
5)主从站均可采用DMA完成中断或查询DMA指针等方法，(该方法不限于spi，只要是级联式通讯都可以采用该方法)，确认数据帧传输完成。
6)确认数据帧传输完成后，主从站都需完成接收数据处理(从缓冲区移开，交给会话层。并且预备刷新下一帧的数据
本发明中，其中，数据块的组织结构，即数据块(段)分为两类，A类是系统公共信息数据块(即帧头部)，B类是从站私有信息数据块。其中，A类系统公共信息数据块如下表所示。
Figure GDA0001508006460000091
A类系统公共信息数据块
其中，指令参数表在网络链路构建完成以后，尺寸固定等于0。换言之，此时公共信息数据块的尺寸固定为20。
指令码主要用于网络初始化和系统异常处理。当网络初始化未完成时，时间戳，同步计数器，广播短消息和VP_COM控制状态字等为空数据。
B类从站私有信息数据如下表所示。
Figure GDA0001508006460000092
Figure GDA0001508006460000101
B类从站私有信息数据
当网络初始化完成以后，所有从站上下行私有信息数据块的尺寸必须相同。即数据块的尺寸必须遵循最大约定而确定的原则。
根据数据字典约定，上行过程数据对象(PDO)，是主机向从机读取的实时数据，下行过程数据对象，是主机向从机写入的实时数据。
下行服务数据对象(SDO)，主机向从机读写根据数据字典索引所指向的数据，读写指令格式采用CAN OPEN协议。上行服务数据对象，是从机向主机返回要读取的数据。
虚拟协议通信段，用于从机与从机之间的信息交换，通信过程必须采用应答通信协议。
本发明中，当一从站需要与另一从站通信时，按照以下步骤进行：
1)通信主动方从站在上行信息数据块的虚拟协议通信段VP_COM中填写标识符和报文；标识符中包含通信优先级、目的从站从站号和TX发送标志；
2)当主站接到信息后，根据标识符的通信优先级，裁决让哪两个从站建立通信，然后填写到下行帧中VP_COM控制状态字，首先通信优先级高的从站站号填写到通信主动方从站站号位域，然后将目的从站从站号填写到通信被动方从站站号位域；
3)同时主站将通信主动方虚拟协议通信段的内容，填写到下行帧中目的从站信息数据块的虚拟协议通信段；
4)当通信主动方从站在VP_COM控制状态字中发现自己的通信请求被确认后，继续发送报文或等待目的从站的应答信息，等待时将TX标志复位；
5)当目的从站在VP_COM控制状态字观察到自己是通信连接对中的通信被动方从站时，可解析通信主动方发来的报文，并对其作出反应；
6)通信主动方从站在信息交换未结束之前，标识符除TX发送标志外，其它保持不变，主站根据这一信息，维持当前通信连接对，并连续地转发信息；
7)当通信主动方发送在信息交换结束时，将标识符复位；主站将根据这一信息，允许建立其它的通信连接对。
本发明中，对于不同设备间的通信，如若定制化网络，所述主站与从站，都不需配置电子开关eSW，但可以配置机械开关，通过连线或机械开关即可完成网络数据链路闭环；如若灵活自动化网络，要求所述主站与从站，均配置电子开关eSW，从站在初始化过程中，自动地辨识出自己是最末尾从站，然后接通电子开关eSW，从而实现网络数据链路闭环；对于在同一装置中多个CPU/MPU芯片元件组网的情况，与主站与从站之间实现网络数据链路闭环是完全相同的。
数据流传输的链路建立后，主站向各从站发出询问指令，从站利用上电标示符区段将从站声明段反馈给主站；
主站根据反馈获得的信息，确定从站私有信息数据块尺寸(遵循最大约定确定原则)，然后主站向各从站发出配置私有信息数据块尺寸指令，各从站利用上电标示符区段，将接收到的数据块尺寸通知主站；
经过若干次确认之后，主站重新规划DMA接收缓冲区及DMA发送缓冲区，同时向各从站发出重新规划DMA接收缓冲区及DMA发送缓冲区的指令；
重新规划完成后，主站利用各从站私有信息数据块，通过专用指令建立上下行帧中所有PDO的映射关系，至此完成通信网络初始化，主站发出正常运行指令；当通信网络初始化完成后，各从站上下行私有信息数据块的尺寸相同。
重新规划DMA接收缓冲区及DMA发送缓冲区后，下行帧未发送前系统内数据和指针分布状态如图14所示。一帧通信完成以后，系统内数据和指针分布状态见图15所示。
本发明中，所述的各从站确认自己是否是最末尾从站的步骤如下，参见图7-13所示：
主站和从站同步上电后，主站和从站配置DMA接收缓冲区及DMA发送缓冲区；
主站设识别最末尾站指令，按N个从站的配置安排DMA发送缓冲区中的数据，主站发送DMA发送缓冲区的数据结束时，各个从站根据自己接收的数据状态，确认自己是否为最末尾站，并反馈给主站；
若无法确定，则主站再按N-1个从站安排DMA发送缓冲区中的数据，主站发送DMA缓冲区的数据结束时，各个从站根据接收的数据状态，确认自己是否为最末尾站并反馈给主站；
主站按上方法依次递减从站的数量进行数据发送，直到有从站确认自己是最末尾从站为止。
在最末尾从机确认之后，该机可接通电子开关eSW，由此完成SPI级联通信网络物理回路闭环。以上辨识方法称为“削尺探深”法。
主站和从站同步上电后，按图7所示配置DMA缓冲区，因为此时还不知系统中有多少从站，所以也无法确定从站上行数据块的尺寸。不过此时还不需要从站上行数据，故上行数据块可先用上电标示符代替。上电标示符是两个32(Bits)的专用代码；
主站设识别最末尾站指令，如首先假设有N＝5个从站，按图8安排DMA发送缓冲区中的数据，指令参数表的数据可以全部填0x00或0xFF，二进制的表达范围值是从0b00000000～0b11111111，程序中用十六进制表示的时候就是从0x00到0xFF，主站发送DMA发送缓冲区的数据结束时，各从机数据分布如图9所示；显然，此时所有的从机都不能确认自己是最末尾从站；
如主机再假设有N＝4个从站。按图10安排DMA发送缓冲区中的数据，主机发送DMA缓冲区的数据结束时，各从机数据分布如图11。显然，此时所有的从机仍不能确认自己是末尾从站，主机再假设有N＝3个从站。按图12安排DMA发送缓冲区中的数据。
主机发送DMA缓冲区的数据结束时，各从机数据分布如图13。显然，此时接收缓冲区中末尾只有0x01010101的从机，就可以确认自己是末尾从站。
本发明提出的SPI级联通信网络，利用SPI通信接口优点，加入工业控制需要的同步性能，可应用于如下场景：如同一设备单元内多个CPU/MPU芯片之间的信息交换；近程(3m以内)多台设备单元之间的信息交换；标准串行数据总线的应用。如采用远程SPI级联通信网络，多台设备单元之间距离可达100m。
本发明所基于的SPI的智能级联通信网络，是一种简单和高效的网络，是一种廉价和实用的网络，包括多设备(或同一设备单元内多CPU/MPU芯片元件)组成的控制系统，可以借助本发明的通信网络，建立系统高速与实时的信息共享平台。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于SPI的智能级联通信网络，其特征在于，包括一个主站以及多个从站,每个从站通过SPI接口的数据输出MISO与下游从站数据输入MOSI衔接连接，并且起始从站数据输入MOSI连接主站数据输出MISO，最末尾的从站数据输出MISO返回主站数据输入MOSI，从而构成级联通信的闭环；
其中，所述从站的数目及安装的位置为固定时，该基于SPI的智能级联通信网络可用于定制化组建网络；所述从站的数目及安装的位置不固定时，该基于SPI的智能级联通信网络可用于自动化组建网络；
其中，主站SPI接口操作采用轮询、中断和DMA方式，从站的SPI接口操作采用中断和DMA方式；
采用DMA通信方式进行通信时，通信帧采用上下行数据帧，由主站与从站之间直接贯通传输，其中，下行数据帧是主站的发送帧，其由帧头部和发往各个从站的数据块组成，帧头部与数据块的尺寸按照网络初始化时的约定，并且各个从站的数据块的尺寸一致；上行数据帧是主站的接收帧，其由各个从站发往主站的数据块和返回的帧头部组成；且上下行数据帧的尺寸一致；
其中，所述主站采用独立或交叠的DMA发送缓冲区和DMA接收缓冲区，以发送下行数据帧及接收上行数据帧；所述从站采用交叠的DMA发送缓冲区和DMA接收缓冲区，以接收下行数据帧及发送上行数据帧；
在主站及从站同步上电且通信网络初始化完成后，在主站发送第一个数据以后，下行数据帧会自动和连续地进入各个从站的DMA接收缓冲区，同时上行数据帧亦自动和连续地返回主站的DMA接收缓冲区，实现DMA自然数据流传输；在一帧传输完成时，所述主站与从站均可采用DMA完成中断或查询DMA发送与接收指针的方法，确认数据帧传输完成；
假设通信网络初始化已完成，主站和所有的从站都按约定完成了本站DMA缓冲区的配置，则按照以下步骤实现定周期循环的工作：
步骤1-1、在每帧数据通信之前，所述主站在DMA发送缓冲区，预备发往各个从站的下行数据，清空DMA接收缓冲区，设置好DMA发送和接收指针；各从站分别预备发往主站的上行数据，清空DMA接收缓冲区，设置好DMA发送和接收指针；
步骤1-2、各个从站通过NSS线与状态向所述主站报告传输准备就绪，主站通过NSS线与状态确认各从站预备完成后，并且根据时间序列或周期约定的时刻，将下行数据帧的首数据写入SPI接口，启动DMA自然数据流传输过程；在传输过程中，所述主站和从站无需对SPI接口操作；
步骤1-3、当确认一帧数据传输完成后，主站及从站各自进行本站接收数据的处理；
步骤1-4、若从站采用NSS线与状态作为传输预备就绪状态，在处理接收的下行数据之前，要撤销预备就绪状态；
步骤1-5、所述主站和从站在完成接收数据的处理之后，重复步骤1-1。
2.如权利要求1所述基于SPI的智能级联通信网络，其特征在于，如果在主站与所有从站之间，已经建立了按约定周期进行数据交换的信息流，则在此信息流之上，采用虚拟通信技术，实现从站之间的数据访问。
3.如权利要求2所述基于SPI的智能级联通信网络，其特征在于，当一从站需要与另一从站通信时，具体按照以下步骤进行：
步骤2-1通信主动方从站在上行信息数据块的虚拟协议通信段VP_COM中填写标识符和报文；标识符中包含通信优先级、目的从站从站号和TX发送标志；
步骤2-2当主站接到信息后，根据标识符的通信优先级，裁决让哪两个从站建立通信，然后填写到下行帧中VP_COM控制状态字，首先通信优先级高的从站站号填写到通信主动方从站站号位域，然后将目的从站从站号填写到通信被动方从站站号位域；
步骤2-3同时主站将通信主动方虚拟协议通信段的内容，填写到下行帧中目的从站信息数据块的虚拟协议通信段；
步骤2-4当通信主动方从站在VP_COM控制状态字中发现自己的通信请求被确认后，继续发送报文或等待目的从站的应答信息，等待时将TX标志复位；
步骤2-5当目的从站在VP_COM控制状态字观察到自己是通信连接对中的通信被动方从站时，可解析通信主动方发来的报文，并对其作出反应；
步骤2-6通信主动方从站在信息交换未结束之前，标识符除TX发送标志外，其它保持不变，主站根据这一信息，维持当前通信连接对，并连续地转发信息；
步骤2-7当通信主动方发送在信息交换结束时，将标识符复位；主站将根据这一信息，允许建立其它的通信连接对。
4.如权利要求3所述基于SPI的智能级联通信网络，其特征在于，对于定制化网络，所述主站与从站通过连线或机械开关完成网络数据链路闭环；对于自动化网络，要求所述主站与从站均配置电子开关eSW；对于自动化网络，从站在初始化过程中，自动地辨识出自己是最末尾从站，然后接通电子开关eSW，从而实现网络数据链路闭环。
5.如权利要求4所述基于SPI的智能级联通信网络，其特征在于，网络初始化过程按照以下步骤进行：
步骤3-1、在系统上电后，所述主站和从站的通信速率取缺省速率，并且数据块取缺省尺寸DBinit；
步骤3-2、对于定制化组网模式：假设已知的从站数目为N，则在初始化过程中，发送和接收的DMA缓冲区尺寸为：帧头长度+N × DBinit；对于自动化组网模式：可假设从站数目N＝Nmax，Nmax为网络最大从站容量，则在初始化过程中，发送和接收的DMA缓冲区尺寸为：帧头长度+Nmax × DBinit；
步骤3-3、如果是定制化组网模式，跳过步骤3-3直接进入步骤3-4，否则系统按下列步骤a)-d)，自动地辨识出最末尾从站，并且实现网络数据链路闭环；
a)主站接通电子开关eSW，并且设识别最末尾站指令，按N个从站的配置安排DMA发送缓冲区中的数据，主站发送DMA发送缓冲区的数据结束时，各个从站根据自己接收的数据状态，确认自己是否为最末尾站，并反馈给主站；
b)若无法确定，则主站再按N-1个从站安排DMA发送缓冲区中的数据，主站发送DMA缓冲区的数据结束时，各个从站根据接收的数据状态，确认自己是否为最末尾站并反馈给主站；
c)主站按上方法依次递减从站的数量进行数据发送，直到有从站确认自己是最末尾从站为止，然后末尾从站通电子开关eSW，实现网络数据链路闭环；
d)当主站接收到正确的返回信息后，即可确认网络物理层数据流传输链路已经通畅，退出辨识出最末尾从站状态；
步骤3-4、数据流传输的链路建立后，主站确认网络中从站的数目以后，即可向各从站发出实际使用的通信速率，在确认各个从站均已收到该数据以后，向各从站发出新通信速率激活指令，实现系统通信速率同步迁移；
步骤3-5、在系统通信速率迁移完成后，主站向各从站发出询问指令，从站利用在DBinit中上电标示符区段将从站声明段反馈给主站；
步骤3-6、主站根据各个从站反馈获得的信息，确定从站私有信息数据块尺寸，然后主站向各从站发出配置私有信息数据块尺寸指令，各从站仍利用上电标示符区段，将接收到的数据块尺寸通知主站；
步骤3-7、经过若干次确认之后，主站重新规划DMA接收缓冲区及DMA发送缓冲区，同时向各从站发出重新规划DMA接收缓冲区及DMA发送缓冲区的指令；
步骤3-8、DMA缓冲区重新规划完成后，主站利用各从站私有信息数据块，通过专用指令建立上下行帧中所有PDO的映射关系，至此完成通信网络初始化，主站发出正常运行指令；当网络初始化完成后，各从站上下行私有信息数据块的尺寸相同；
步骤3-9、网络初始化完成，主站即可向所有从站发出正常运行指令，此后，SPI的智能级联通信网络开始按照约定的时间周期，周而复始地连续工作。
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