CN110059030A - 一种基于uart串联环路网络的数据传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UART串联环路网络的数据传输系统及方法，系统包括主机和若干从机，主机和若干从机中，前一级设备的TXD与后一级设备的RXD相连，最后一级从机的TXD与主机的RXD相连，构成系统环路网络，从而通过相邻设备间数据的传输，实现命令或数据在主从多机系统中主机与多个从机之间数据有效传输及通讯。本发明简化了主从多机通讯系统的连接，避免了主从多机通讯系统中仲裁复杂的问题，提供了更多可实现的主从多机通讯系统中各设备的交互方式，解决了主从多机通讯系统中的从机难以主动发送数据至系统中的问题。

Description

一种基于UART串联环路网络的数据传输系统及方法

技术领域

本发明属于芯片外设接口及通讯技术领域，具体涉及一种基于UART串联环路网络的数据传输系统及方法。

背景技术

通用异步收发器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）是常用的芯片外设接口，通过芯片的外设接口可以完成数据在芯片之间的数据传输。现有技术中的主从多机通讯系统均会综合考虑复杂度及传输效率等，以满足不同的芯片间的数据传输需求。UART作为一种简单可靠的外设接口，常用于短距离的芯片之间的串联通信。

现有基于UART的主从多机通讯技术中，均存在诸如引入额外的端口或连接线而造成的硬件资源浪费、复杂且低效率的仲裁方式降低实际的总线数据传输速率等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于UART串联环路网络的数据传输系统及方法，兼顾数据在系统上高效且灵活传输的同时，尽可能降低主机与各从机之间的连线或仲裁复杂度。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于UART串联环路网络的数据传输系统，包括主机和若干从机，主机和若干从机中，前一级设备的TXD与后一级设备的RXD相连，最后一级从机的TXD与主机的RXD相连，构成系统环路网络，从而通过相邻设备间数据的传输，实现命令或数据在主从多机系统中主机与多个从机之间数据有效传输及通讯；

主机由其内置CPU控制，依照主机响应机制执行各命令包的发送并接收各返回命令包，同时处理系统各设备所发出的中断；

从机由接收单元、FIFO、解析单元、执行单元、中断单元、发送数据选择器和发送单元组成；

接收单元用于接收由上一级与之相连的设备发来的命令或数据；FIFO用于缓存上级设备发来的数据，以解决发送单元被其他数据发送需求占用的问题；解析单元用于解析ID匹配的命令及数据；执行单元则用于执行命令或数据所要求的行为，包括ID设置，数据校验，初始化，写执行，读执行等；中断单元用于从机主动发送中断至系统，以期望获得系统中主机的响应；发送数据选择器用于选择多路数据源的发出的数据，如接收到的需直接送出的数据，执行后需送出的数据以及从机主动发出的中断数据等；发送单元用于发送需要发送的数据至环路系统上的下一级设备。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述传输中的命令包长度保持不变时，主机可以连续发送此类命令，而不至于使环路上设备内的缓存溢出；传输中的命令包长度随命令需求而增加时，主机需等待命令包返回，才能发送下一个命令包，以避免数据拥堵。

上述的命令包括环路通用命令和指定ID命令；

上述的环路通用命令为主机或者从机发送一个命令后，整个环路上的设备将依次接收，执行并发送相关命令或数据至下级设备，包括ID设置, 环路测试和环路初始化；

上述的指定ID命令为主机或从机给指定ID的设备发送命令，环路上仅ID匹配的设备需要执行此命令，其余设备仅执行接收传递数据即可，包括指定ID初始化, 指定ID写, 指定ID读, 指定ID读返回和中断返回。

上述的ID设置命令的命令包内包含命令字，ID设置命令对环路上所有设备有效，用以完成环路上所有设备的ID设置；

环路测试命令的命令包内包含命令字、包长、数据、校验码和校验返回值，环路测试命令对环路上所有设备有效，用以完成对环路连接及环路上数据传输测试；

环路初始化命令的命令包内包含命令字、初始化返回值，环路初始化命令对环路上所有从设备有效，用以完成环路上所有从机设备进行初始化；

指定ID初始化命令的命令包内含命令字、指定ID和初始化返回值，指定ID初始化命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行初始化；

指定ID写命令的命令包内含命令字、包长、地址和数据，指定ID写命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行写数据；

指定ID读命令的命令包内含命令字、包长和地址，指定ID读命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行读数据；

指定ID读返回命令的命令包内含命令字、包长和数据，指定ID读返回命令由环路上指定ID从设备发出，用以完成返回指定ID读命令所需返回数据；

中断返回命令的命令包内含命令字、包长和中断数据，中断返回命令由环路上指定ID从设备发出，用以完成返回中断包；

上述的ID设置命令、环路测试命令、环路初始化命令、指定ID初始化命令、指定ID写命令、指定ID读命令、指定ID读返回命令和中断返回命令均可扩展。

一种基于UART串联环路网络的数据传输方法，包括以下步骤：

S1：当第一级从机0探测到空闲状态的RXD上出现下降沿时，接收单元开始接收主机发送来的命令，命令首先被存储在FIFO内；

S2：读取FIFO中的命令，若ID匹配，则解析单元解析所述命令，并执行响应的命令，执行单元产生的命令或数据相较于中断数据优先被输出；若ID不匹配，则检查发送单元是否空闲，若空闲则直接被输出，相反，则等待中断数据发送完再输出；

S3：后续的从机接收到从机0的命令后，依照从机0的工作方式传输命令和数据，直至最终将命令和数据返回至主机，命令执行结束。

本发明具有以下有益效果：

1. 简化了主从多机通讯系统的连接。

2. 避免了主从多机通讯系统中仲裁复杂的问题。

3. 提供了更多可实现的主从多机通讯系统中各设备的交互方式。

4. 解决了主从多机通讯系统中的从机难以主动发送数据至系统中的问题。

附图说明

图1是本发明UART串联环路网络拓扑示意图。

图2是本发明实施例从机的实现及与上下级设备的连接结构框图。

图3是本发明实施例各通用环路命令包格式示意图。

图4是本发明实施例各指定ID命令包格式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1和图2所示，本发明的一种基于UART串联环路网络的数据传输系统，包括主机和若干从机，主机和若干从机中，前一级设备的TXD与后一级设备的RXD相连，最后一级从机的TXD与主机的RXD相连，构成系统环路网络，从而通过相邻设备间数据的传输，实现命令或数据在主从多机系统中主机与多个从机之间数据有效传输及通讯；

系统环路上的主机可以由其内置CPU进行控制，依照各命令所规定的主机响应机制，执行各命令包的发送并接收各返回命令包，同时处理系统各设备所发出的中断。主机CPU需要针对不同的命令需求执行不同的响应机制，同时发送或接收命令的过程中控制数据传输的节奏，以确保系统上的数据传输正常。

从机由接收单元、FIFO、解析单元、执行单元、中断单元、发送数据选择器和发送单元组成；

接收单元用于接收由上一级与之相连的设备发来的命令或数据；FIFO用于缓存上级设备发来的数据，以解决发送单元被其他数据发送需求占用的问题；解析单元用于解析ID匹配的命令及数据；执行单元则用于执行命令或数据所要求的行为，包括ID设置，数据校验，初始化，写执行，读执行等；中断单元用于从机主动发送中断至系统，以期望获得系统中主机的响应；发送数据选择器用于选择多路数据源的发出的数据，如接收到的需直接送出的数据，执行后需送出的数据以及从机主动发出的中断数据等；发送单元用于发送需要发送的数据至环路系统上的下一级设备。

实施例中，整个环路上传输中的命令包长度保持不变时，主机可以连续发送此类命令，而不至于使环路上设备内的缓存溢出，这样以流水的方式传输或执行此类命令可以提高传输效率；传输中的命令包长度随命令需求而增加时，主机需等待命令包返回，才能发送下一个命令包，以避免数据拥堵。

命令包括环路通用命令和指定ID命令；

环路通用命令为主机或者从机发送一个命令后，整个环路上的设备将依次接收，执行并发送相关命令或数据至下级设备，包括ID设置, 环路测试和环路初始化；

指定ID命令为主机或从机给指定ID的设备发送命令，环路上仅ID匹配的设备需要执行此命令，其余设备仅执行接收传递数据即可，包括指定ID初始化, 指定ID写, 指定ID读,指定ID读返回和中断返回。

ID设置命令的命令包内包含命令字，ID设置命令对环路上所有设备有效，用以完成环路上所有设备的ID设置；

环路测试命令的命令包内包含命令字、包长、数据、校验码和校验返回值，环路测试命令对环路上所有设备有效，用以完成对环路连接及环路上数据传输测试；

环路初始化命令的命令包内包含命令字、初始化返回值，环路初始化命令对环路上所有从设备有效，用以完成环路上所有从机设备进行初始化；

指定ID初始化命令的命令包内含命令字、指定ID和初始化返回值，指定ID初始化命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行初始化；

指定ID写命令的命令包内含命令字、包长、地址和数据，指定ID写命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行写数据；

指定ID读命令的命令包内含命令字、包长和地址，指定ID读命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行读数据；

指定ID读返回命令的命令包内含命令字、包长和数据，指定ID读返回命令由环路上指定ID从设备发出，用以完成返回指定ID读命令所需返回数据；

中断返回命令的命令包内含命令字、包长和中断数据，中断返回命令由环路上指定ID从设备发出，用以完成返回中断包；

ID设置命令、环路测试命令、环路初始化命令、指定ID初始化命令、指定ID写命令、指定ID读命令、指定ID读返回命令和中断返回命令均可扩展。

本发明所涉及的从机所需的响应机制可在从机子系统中由硬件实现，也可由子系统内的CPU实现。

如图3所示，本发明中提及的通用命令将对整个环路上的设备有效（环路上所有设备均须响应），而本发明所涉及的指定ID命令可灵活地完成主机与特定从机数据的交互。

如图4所示，本发明中提及的系统中主从机针对相应的命令，均需具备相应的响应机制，中，各设备对应的相应命令响应机制定义如下：

1. ID设置命令

ID设置为环路通用命令，即对所有设备均有效，该命令将完成对环路上所有设备的ID设置,此ID设置机制实现简单可靠且无需硬性要求从机的个数。

主机响应机制：主机在执行收发数据前发出ID设置命令包，同时定义主机自身ID为0; ID在环路中传输结束回到主机时, 代表ID设置结束, 每个从设备已标记各自不同的ID。且ID命令中的返回值可以指示环路上从机的的个数。

从机响应机制：从机接收到ID设置命令，并且解析接收到的ID，并在此基础上加一，然后输出至下一个从机；同时储存此ID值作为自己的ID。比如：假如当前从机为与主机直接相连的从机，则其将收到从主机发来命令包中的ID为0, 将接收到的ID累加一得出“1”，累加后的“1”作为自己的ID并输出至下一个与此从机相连的从机。

2. 环路测试命令

环路测试为环路通用命令，即对所有从机均有效，该命令将完成对环路连接及环路上数据传输测试。

主机响应机制：主机可以选择发送环路测试命令包，以测试环路的连接及数据传输的正确性。主机检测最终返回命令包内校验返回值判断各从机数据的校验结果。

从机响应机制：从机接收环路测试命令包，解析包长，数据（0～N）及校验码，计算数据的校验值并与原始校验码进行比较，将比较结果填写在校验返回值相应的位置，之后输出给环路中的下一级。比如：假如ID为1的从机接收到了环路测试命令包，则解析并计算得出计算校验值，此从机将此校验值同接收到的原始校验值进行比较，并将比较值填进校验返回值内ID=1所对应的比特位，之后输出至与之相连的下一个从机。

3. 环路初始化命令

环路初始化为环路通用初始化命令，即对所有从机均有效，该命令将完成对环路上从机发送初始化命令的作用。

主机响应机制：主机可以选择发送环路初始化命令包，以初始化环路上的从机，主机需要检测最终返回命令里的初始化返回值以确定环路上的从机均已正确完成初始化。

从机响应机制：从机接收环路初始化命令，首先需要判断自身是否处于空闲状态，若处于空闲状态，则执行自身的初始化并且填写初始化返回值标志，然后将更新后的命令包传送至下一个与其相连的从机，若不处于空闲状态，则保留初始化返回值并将命令包传送值传送至下一个与其相连的从机。

4. 指定ID初始化命令

指定ID初始化命令，用于对环路上指定从机发送初始化命令，指定ID的从机可依据命令执行各自的初始化操作。

主机响应机制：主机可以选择发送指定ID初始化命令包，以初始化环路上指定的从机，主机需要检测最终返回值以确定指定ID从机是否完成初始化。

从机响应机制： 从机接收指定ID初始化命令，首先判断是否与自身ID匹配，若匹配则根据自身空闲与否来执行初始化并更新初始化返回值或保留初始化返回值；若不匹配，则不执行任何操作，直接将此命令包发送至下一级与之相连的设备。

5. 指定ID写命令

指定ID写命令包，可以用于主机发送写命令，以更新指定ID从机内的某个地址上对应的内容。该命令可进行扩展，例如在命令包的“数据0...N”类型后面添加“写有效返回”类型，以指示写命令包内的相应数据是否有效地写入相应地址。

主机响应机制：根据环路中从机内最小缓存发送一定包长的写命令包。如若想获取指定ID从机的写命令有效状态，则可发送相应 的扩展后的写命令包。根据返回至主机的扩展写命令包内的“写有效返回”类型判断指定ID从机的写操作执行是否完成。

从机响应机制：从机接收指定ID写命令，首先判断是否与自身ID匹配，若匹配则解析写命令包并将相应数据更新入相应地址。

6. 指定ID读及指定ID读返回命令

指定ID读命令包与指定ID读返回命令包为一对相关命令包，分别为主机发送的请求读命令和主机发送的携带返回读数据的数据返回命令。

指定ID读命令包，可以用于主机发送读命令，以读取指定ID从机中相应地址对应的数据。

指定ID读返回命令，可以用于从机接到匹配ID的读命令包后，发出自身ID的读返回命令包，旨在返回指定ID读命令包所请求的指定从机相应地址的数据。此命令也可以进行相应扩展，例如，在读返回命令包的“数据0...N”类型后面添加“读有效返回”类型以指示相应读数据是否有效。

主机响应机制：主机发送指定ID读命令，用以请求获取指定ID内相应地址的数据。在接收到指定ID读返回命令包后，解析并获取读返回命令包内的读返回数据。

从机响应机制：从机接收到匹配的ID读命令后，首先将读命令包传递给环路上下一个与之相连的设备；然后解析读命令包，根据读命令包内的地址等信息生成相应的读返回命令包，并将读返回命令包再送至环路上与之相连的设备。

7. 中断返回命令

中断返回由环路上某个从机发出，用于指示该从机当前遇到突发情况，需主机介入处理。

主机响应机制：根据接收到的中断返回数据判断从机的中断种类，据此选择执行不同的命令包以达到处理中断的目的。例如，收到UART奇偶错误中断后，主机可以选择发出指定ID初始化命令及环路测试命令等来处理此中断。

从机响应机制：从机内部遇突发中断时可以选择主动发送中断返回命令包，以期望主机介入处理，为保证接收数据的正常进行需要在从机接收端添加相应的缓存，以存放中断发送时接收到的数据。

除此之外，系统中的从机亦可通过内置缓存的方式，来实现主动发送数据的同时接收从主机或其他从机发送来的数据。本发明所涉及的采用内置缓存方式以完成自主发送数据并接收其他数据的方法，适合从机需要发送中断或返回请求命令至主机的应用场合。采用内置缓存方式后，从机的发送端数据来源分为两类：从上一级设备接收到的数据和自身设备产生的数据。其中，自身设备产生的数据，包含执行接收到的命令而产生的数据和自身突发所产生的数据或命令。

本发明的一种基于UART串联环路网络的数据传输方法，包括以下步骤：

S1：当第一级从机0探测到空闲状态的RXD上出现下降沿时，接收单元开始接收主机发送来的命令，命令首先被存储在FIFO内；

S2：读取FIFO中的命令，若ID匹配，则解析单元解析所述命令，并执行响应的命令，执行单元产生的命令或数据相较于中断数据优先被输出；若ID不匹配，则检查发送单元是否空闲，若空闲则直接被输出，相反，则等待中断数据发送完再输出；

S3：后续的从机接收到从机0的命令后，依照从机0的工作方式传输命令和数据，直至最终将命令和数据返回至主机，命令执行结束。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于UART串联环路网络的数据传输系统，其特征在于：包括主机和若干从机，所述主机和若干从机中，前一级设备的TXD与后一级设备的RXD相连，最后一级从机的TXD与主机的RXD相连，构成系统环路网络，从而通过相邻设备间数据的传输，实现命令或数据在主从多机系统中主机与多个从机之间数据有效传输及通讯；

所述主机由其内置CPU控制，依照主机响应机制执行各命令包的发送并接收各返回命令包，同时处理系统各设备所发出的中断；

所述从机由接收单元、FIFO、解析单元、执行单元、中断单元、发送数据选择器和发送单元组成；

所述接收单元用于接收由上一级与之相连的设备发来的命令或数据；所述FIFO用于缓存上级设备发来的数据，以解决发送单元被其他数据发送需求占用的问题；所述解析单元用于解析ID匹配的命令及数据；所述执行单元则用于执行命令或数据所要求的行为，包括ID设置，数据校验，初始化，写执行，读执行等；所述中断单元用于从机主动发送中断至系统，以期望获得系统中主机的响应；所述发送数据选择器用于选择多路数据源的发出的数据，如接收到的需直接送出的数据，执行后需送出的数据以及从机主动发出的中断数据等；所述发送单元用于发送需要发送的数据至环路系统上的下一级设备。

2.根据权利要求1所述的一种基于UART串联环路网络的数据传输系统，其特征在于：传输中的命令包长度保持不变时，主机可以连续发送此类命令，而不至于使环路上设备内的缓存溢出；传输中的命令包长度随命令需求而增加时，主机需等待命令包返回，才能发送下一个命令包，以避免数据拥堵。

3.根据权利要求2所述的一种基于UART串联环路网络的数据传输系统，其特征在于：所述命令包括环路通用命令和指定ID命令；

所述环路通用命令为主机或者从机发送一个命令后，整个环路上的设备将依次接收，执行并发送相关命令或数据至下级设备，包括ID设置, 环路测试和环路初始化；

所述指定ID命令为主机或从机给指定ID的设备发送命令，环路上仅ID匹配的设备需要执行此命令，其余设备仅执行接收传递数据即可，包括指定ID初始化, 指定ID写, 指定ID读, 指定ID读返回和中断返回。

4.根据权利要求3所述的一种基于UART串联环路网络的数据传输系统，其特征在于：所述ID设置命令的命令包内包含命令字，所述ID设置命令对环路上所有设备有效，用以完成环路上所有设备的ID设置；

所述环路测试命令的命令包内包含命令字、包长、数据、校验码和校验返回值，所述环路测试命令对环路上所有设备有效，用以完成对环路连接及环路上数据传输测试；

所述环路初始化命令的命令包内包含命令字、初始化返回值，所述环路初始化命令对环路上所有从设备有效，用以完成环路上所有从机设备进行初始化；

所述指定ID初始化命令的命令包内含命令字、指定ID和初始化返回值，所述指定ID初始化命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行初始化；

所述指定ID写命令的命令包内含命令字、包长、地址和数据，所述指定ID写命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行写数据；

所述指定ID读命令的命令包内含命令字、包长和地址，所述指定ID读命令对环路上指定ID从设备有效，用以完成环路上指定ID从机设备进行读数据；

所述指定ID读返回命令的命令包内含命令字、包长和数据，所述指定ID读返回命令由环路上指定ID从设备发出，用以完成返回指定ID读命令所需返回数据；

所述中断返回命令的命令包内含命令字、包长和中断数据，所述中断返回命令由环路上指定ID从设备发出，用以完成返回中断包。

5.根据权利要求4所述的一种基于UART串联环路网络的数据传输系统，其特征在于：所述ID设置命令、环路测试命令、环路初始化命令、指定ID初始化命令、指定ID写命令、指定ID读命令、指定ID读返回命令和中断返回命令均可扩展。

6.一种基于UART串联环路网络的数据传输方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：当第一级从机0探测到空闲状态的RXD上出现下降沿时，接收单元开始接收主机发送来的命令，命令首先被存储在FIFO内；

S2：读取FIFO中的命令，若ID匹配，则解析单元解析所述命令，并执行响应的命令，执行单元产生的命令或数据相较于中断数据优先被输出；若ID不匹配，则检查发送单元是否空闲，若空闲则直接被输出，相反，则等待中断数据发送完再输出；

S3：后续的从机接收到从机0的命令后，依照从机0的工作方式传输命令和数据，直至最终将命令和数据返回至主机，命令执行结束。