CN108989014A - 一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法 - Google Patents

Abstract

一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法，通信时主机向从机发送一个串行数据帧，从机接收后回复一个串行数据帧；数据线在空闲时为高电平，在发送串行数据帧时，起始位为时长为D的低电平，每个数据位均包含连续的时钟同步单元与数据表示单元两部分，时钟同步单元为时长为A的高电平，数据表示单元中数据0和1分别为时长为B和C的低电平；检测数据线电平信号的上升沿与下降沿相互的间隔时间来区分起始位、时钟同步单元及数据表示单元，先检测起始位，再检测数据位，检测数据位时在检测到时钟同步单元后，再检测数据表示单元；该方法能有效避免通信过程中多个数据位连续传输时累积误差造成的通信错误，且具有完整的串行数据帧起始及校验机制。

Description

一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法

技术领域

本发明涉及一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法，属于通信控制技术领域。

背景技术

一些家用电器如热水器、空调器等等，其控制部分一般安装在距用户较远的偏僻位置，而操作与显示部分则安装在用户易于触及的位置，由于操作显示部分和控制部分距离较远，为降低安装与接线的复杂度，两者之间一般采用通信的方式进行数据交换。

家用电器的分体式控制器不同板间通常使用UART(通用异步收发器)不归零编码的异步半双工或全双工串行通信，由于不归零编码的特点，通信芯片的时钟误差会在整个串行数据帧中进行累积，比如典型的串行数据帧包括1位起始位，8位数据位，1位停止位，则为了保证正常传输，前9位数据的累积误差应当不影响停止位即第10位的正确检测，在保证每位数据有效时间不低于正常2/3时间的条件下，则允许的通信双方总时钟误差约为3.7％。

在实际的家用电器控制器设计中，为简化设计与生产工艺，通常会使用微控制器芯片内置振荡器作为系统时钟。随着技术与工艺的进步，目前很多微控制器芯片可以实现在整个工作电压与温度范围内1％-5％的时钟误差，然而大多数芯片的时钟误差仍在2％或以上的水平，无法满足通信双方总时钟误差在3.7％以内的要求，这样在很大程度上限制了微控制器芯片的设计选择范围与设计方式，多数情况下不得不使用支持外部谐振器或外部时钟的型号来满足通信时钟精度需求，增加了产品复杂度。现有技术中，为了降低在接收数据过程中累积误差的影响，出现了多种解决办法，但是其效果并不更想，有的方法不能有效解决数据帧的收发同步与校验问题；有的方法无法将作为起始信号的第1个脉冲与干扰脉冲进行区分，且由于总线空闲时电平为不确定的状态，增加了设计难度，同时在特定脉冲干扰序列时以及通信时钟容差临界状态下会不可避免地接收到错误的数据。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法，该方法能有效避免通信过程中多个数据位连续传输时累积误差造成的通信错误，具有完整的串行数据帧起始及校验机制能保证数据传输的可靠性，能满足使用多数微控制器内部振荡器实现家用电器分体式控制器内部通信的需求，并能降低设计的复杂度。

为了实现上述目的，本发明提供一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法，具体包括以下步骤：

S1：主机与从机之间通过数据线建立通信连接，通信时由主机向从机发送一个串行数据帧，从机在接收后回复一个串行数据帧给主机；每帧数据均由一个起始位和多个数据位两部分组成，其中每个数据位由连续的时钟同步单元与数据表示单元两部分组成；

S2：数据线在空闲时为高电平；在发送串行数据帧时，起始位为时间长度为D的低电平，时钟同步单元为时间长度为A的高电平，数据表示单元中的数据0和1分别为时间长度为B和C的低电平；

S3：在接收数据时，通过检测数据线电平信号的上升沿与下降沿相互的间隔时间来区分起始位、数据位中的时钟同步单元及数据表示单元；在检测到起始位后，再检测数据位；在检测数据位时，先检测合法的时钟同步单元，再检测数据表示单元，并判定出数据0和1；

当接收方检测到起始位时视为新的串行数据帧开始传输，并在接收到完整的数据帧后自动停止接收；

当检测到无效的时钟同步单元或数据表示单元时退出当前数据帧的接收；

当接收到的数据帧校验失败时放弃当前数据帧的数据。

所述步骤S1中的一个串行数据帧包括1个起始位，24个数据位，数据位的传输顺序为低位在前，数据位前16位数据为数据区段，后8位为前16位的校验区段。

所述步骤S2中的A、B、C和D分别为0.5ms、0.5ms、1ms和2.5ms。

所述步骤S3中，在接收过程中时钟同步单元与数据表示单元的接受范围为标准值的81.8％至122.2％倍数之间。

通过以上方法，在每个数据位均包含特定的时钟同步信号，从而避免了在多个数据位连续传输时累积误差对通信过程的影响；特定特征的串行数据帧起始位以及串行数据帧的校验机制也降低了干扰脉冲以及时钟容差临界状态下数据位收发错误对传输检测的影响，保证了通信传输的可靠性。由于明确了数据收发时序及特征，约定时钟误差范围，该方案便于应用于家用电器分体式电自动控制器的内部单线半双工通信。该方法避免了通信过程中多个数据位连续传输时累积误差造成的通信错误，具有完整的串行数据帧起始及校验机制保证了数据传输的可靠性，满足了使用多数微控制器内部振荡器实现家用电器分体式控制器内部通信的需求，降低了设计复杂度，也减少了生产物料种类。

附图说明

图1是本发明中一个实施例的电路原理框图；

图2是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

在图1所示系统框图中，包含家用电器分体式控制器的主机与从机两部分，主机和从机之间使用一根数据线进行数据传输，从机通过电源线与地线向主机提供电源，通信双方各自还包含微控制器以及与其相连接的电源电路、通信电路，通信电路同时也与通信数据线相连接。此外，从机还有与之相连接的环温传感器与室温传感器，以及加热控制电路。其中，电源电路为控制器提供工作所需要的电源；通信电路通过通信数据线进行电平的变换与数据的传输；微控制器通过通信电路进行数据位以及串行数据帧的发送与接收检测、串行数据帧的校验计算；主机的串行数据帧包括需要读取的传感器温度索引以及加热控制命令，从机的串行数据帧为主机所指定索引的传感器温度值。

具体通信方法如下：

(1)通信一方固定为主机，另一方固定为从机，通信时由主机发起一个串行数据帧，从机接收后回复一个串行数据帧。一个串行数据帧包括1个起始位和24个数据位，其中每个数据位由连续的时钟同步单元与数据表示单元两部分组成；数据位的传输顺序为LSB(低位在前)，数据位前16位数据为数据区段，后8位为前16位的校验区段；

(2)数据线在空闲时为高电平，在发送串行数据帧时，起始位为2.5ms的低电平，数据位中的时钟同步单元为0.5ms的高电平，数据位中的数据表示单元为低电平，其长度根据需要发送的内容而定，其中数据0和1分别为0.5ms和1ms的低电平；

(3)在接收数据时，通过数据线电平上升沿与下降沿相互的间隔时间分别检测、起始位、数据位中的时钟同步单元与数据表示单元；在检测到起始位后，再检测数据位；在检测数据位时，先检测合法的时钟同步单元，再检测数据表示单元，并判定出数据0和1；

开始检测时，在2.5ms的容差范围内时视为有效的起始位，并初始化接收缓冲器，否则重新开始检测数据线电平上升沿与下降沿相互的间隔时间；当时钟同步单元在0.5ms的容差范围内时视为有效的数据位时钟同步信号(检测起始位时无需检测时钟同步单元)，接收方继续通过数据表示单元时间是否在0.5ms或1ms的容差范围内以分别确认接收到数据0或数据1，确认出数据0或1后再次更新接收缓冲器；当接收方检测到起始位时视为新的串行数据帧开始传输，连续接收到24位数据后自动停止当前数据帧的接收，并进行校验计算，当检测到无效的时钟同步单元或数据表示单元时退出当前数据帧的接收，当接收到的数据帧校验失败时放弃当前帧的数据；

(4)约定通信双方各自通信时钟最大误差均为±10％，则在数据收发过程中误差会进行乘积放大，误差系数最小值为(1-10％)/(1+10％)即约81.8％，误差系数最大值为(1+10％)/(1-10％)即约122.2％，由此确定在接收过程中时钟同步单元与数据表示单元的接受范围为标准值的81.8％至122.2％倍数之间，如此可以有效区分各传输内容，同时也为通信双方提供了-18.2％至22.2％的相对时钟误差容许范围。

在图2所示的实施例逻辑判断流程图中，展示了家用电器分体式控制器从机的工作流程，从机在数据线空闲时检测到下降沿与上升沿间隔时间符合起始位条件时初始化接收缓冲器并开始接收新的串行数据帧，每检测到一个合法的时钟同步单元后根据随后的数据表示单元解析出相应的数据并更新接收缓冲器内容，如果时间宽度超出容差范围则退出本次数据帧的接收并重新检测起始位。持续接收到24个数据位后停止接收数据并进行校验计算，如果校验错误则忽略本次数据并重新检测起始位，如果校验成功则根据第1个数据位的内容更新加热输出，并根据第9个数据位的值测量对应的传感器温度值。从机在获取相应温度值后计算校验值并更新发送缓冲器内容回传给主机，从机首先发送0.5ms高电平与2.5ms低电平的起始位，此后按照编码格式依次发送缓冲器的24位数据，发送完毕后重新检测起始位，如此重复以上过程实现与主机的通信及数据交换功能。该方法通过在同一通信数据线上连续串行传输的时钟同步单元和数据表示单元组成一个数据位，通过数据表示单元的长度表示数据位的含义，通过多个连续的数据位组成包含数据字节与校验字节的串行数据帧，并通过校验字节检定串行数据帧的有效性。这样，有效避免了数据位传输时通信时钟累积误差的影响，同时提高了通信可靠性。

以上所述只是本发明优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内所进行的通常变化和替换都应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：主机与从机之间通过数据线建立通信连接，通信时由主机向从机发送一个串行数据帧，从机在接收后回复一个串行数据帧给主机；每帧数据均由一个起始位和多个数据位两部分组成，其中每个数据位由连续的时钟同步单元与数据表示单元两部分组成；

S2：数据线在空闲时为高电平；在发送串行数据帧时，起始位为时间长度为D的低电平，时钟同步单元为时间长度为A的高电平，数据表示单元中的数据0和1分别为时间长度为B和C的低电平；

S3：在接收数据时，通过检测数据线电平信号的上升沿与下降沿相互的间隔时间来区分起始位、数据位中的时钟同步单元及数据表示单元；在检测到起始位后，再检测数据位；在检测数据位时，先检测合法的时钟同步单元，再检测数据表示单元，并判定出数据0和1；

当接收方检测到起始位时视为新的串行数据帧开始传输，并在接收到完整的数据帧后自动停止接收；

当检测到无效的时钟同步单元或数据表示单元时退出当前数据帧的接收；

当接收到的数据帧校验失败时放弃当前数据帧的数据。

2.根据权利要求1所述的一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法，其特征在于，所述步骤S1中的一个串行数据帧包括1个起始位，24个数据位，数据位的传输顺序为低位在前，数据位前16位数据为数据区段，后8位为前16位的校验区段。

3.根据权利要求1或2所述的一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法，其特征在于，所述步骤S2中的A、B、C和D分别为0.5ms、0.5ms、1ms和2.5ms。

4.根据权利要求3所述的一种宽时钟容差的单线串行半双工通信方法，其特征在于，所述步骤S3中，在接收过程中时钟同步单元与数据表示单元的接受范围为标准值的81.8％至122.2％倍数之间。