CN110990312A - 一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法 - Google Patents

一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法 Download PDF

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CN110990312A CN201911092082.6A CN201911092082A CN110990312A CN 110990312 A CN110990312 A CN 110990312A CN 201911092082 A CN201911092082 A CN 201911092082A CN 110990312 A CN110990312 A CN 110990312A
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Abstract

本发明提供了一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，在通用SPI协议的基础上增加了用于从机控制通信的
Figure DDA0002267119160000011
信号线，主机应答的MACK信号线，从机应答的SACK信号线。与通用SPI协议相比，主从机之间无需“握手”协议，且从机可以主动发起数据传输，降低了软件协议的复杂性，提高了数据传输的准确性与高效性。

Description

一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法。
背景技术
在随钻探测电子系统中，主控板由ARM部分与FPGA部分组成，FPGA负责控制数据采集、数据预处理任务，并将预处理后的数据传输至ARM，之后，ARM负责数据反演，数据传输以及数据存储等任务，最终得到的数据经过1553总线从井下传输至地面。
本协议设计用于主控板上ARM与FPGA之间的数据通信。通用SPI通信协议为同步串行全双工模式，每次数据的传输均需由主机发起，主机发出时钟信号，然后主从机根据时钟信号发送并接收数据。在井下工作时，需要保证ARM与FPGA之间数据传输的高实时性、高有效性以及低误码率等。因此，针对随钻任务，本协议设计了一种适用于石油测井的芯片级通信协议以及通信方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种用于石油测井芯片级通信协议，本协议在通用SPI硬件连接的基础上，增加了主从之间的硬件连接，极大地提高了通信效率，满足随钻探测芯片级通信的需求。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，包括主机、从机以及用于实现主机与从机之间进行通讯的信号线，所述信号线包括
Figure BDA0002267119140000021
信号线，用于当从机有数据需要主机读取时，从机通过此引脚发出中断信号至主机；
Figure BDA0002267119140000022
信号线，用于主机选择控制从机工作；CLK信号线，用于主机发出总线通信时钟信号；SIMO信号线，用于主机数据输出；SOMI信号线，用于从机数据输出；SACK信号线，用于从机应答；MACK信号线，用于主机应答。
主机控制数据收发：
(1)主机读取SACK信号线电平VSACK1，然后控制
Figure BDA0002267119140000023
输出低电平，此为主机控制数据传输的起始信号，此时
Figure BDA0002267119140000024
信号线为高电平；
(2)主机读取此时SACK信号线电平VSACK2，判断从机应答状态；如果VSACK2不等于VSACK1，则从机有应答，否则认为从机无应答；
(3)主机通过SIMO信号线发送数据；
(4)主机在数据发送完之后，控制
Figure BDA0002267119140000025
输出由低电平转为高电平，作为数据传输的终止信号；
(5)主机读取此时SACK信号线电平VSACK3，判断从机接收状态；如果VSACK3不等于VSACK2，则从机数据接收成功，否则为从机数据接收；
从机控制数据收发：
(1)从机读取MACK信号线电平VMACK1，然后拉低
Figure BDA0002267119140000026
信号线，作为从机控制数据传输的起始信号；
(2)主机监测到
Figure BDA0002267119140000027
信号线拉低后，首先读取SACK信号线电平VSACK1，然后将
Figure BDA0002267119140000028
信号线电平由高电平转为低电平，并且MACK信号线输出电平VMACK2；
(3)主机读取此时SACK信号线电平VSACK2，判断从机应答状态，如果VSACK2不等于VSACK1，则从机有应答，否则认为从机无应答；
(4)主机开始发出时钟信号CLK，从机根据CLK输出数据至SOMI数据线；
(5)从机的数据发送缓冲区为空后，拉高
Figure BDA0002267119140000031
信号线，结束本次通信；
(6)主机监测到
Figure BDA0002267119140000032
信号线拉高后，拉高
Figure BDA0002267119140000033
信号线，并输出VMACK3；
(7)从机读取VMACK3，判断主机接收状态，如果VMACK3不等于VMACK2，则主机接收正确，否则为主机接收出错。
还包括用于石油测井的主机控制数据收发方法，具体包括以下步骤：
主机控制数据收发时主机流程：主机发起数据传输时，主机首先读取SACK信号线上的电平VSACK1，并拉低
Figure BDA0002267119140000034
信号线；然后主机等待从机应答信号，即SACK信号线上的电平翻转(VSACK2！＝VSACK1)，如果等待时间大于T，并且连接尝试次数在一定次数内，则重新尝试连接，否则结束本次通信，并对从机进行复位操作；在从机响应后，主机通过SIMO数据线传输数据至从机，数据发送完毕后，主机拉高
Figure BDA0002267119140000035
信号线；在数据传输结束后，主机再次等待从机的应答信号翻转，即VSACK3！＝VSACK2，如果等待时间大于T，则结束通信，对从机进行复位操作。
主机控制数据收发时从机流程：从机在
Figure BDA0002267119140000036
信号线为高电平时，监测到
Figure BDA0002267119140000037
信号线电平由高电平变为低电平，则认为主机发起了一次数据传输；从机响应主机的起始信号，翻转SACK信号线的电平VSACK2；然后从机根据主机发出的CLK时钟信号，依次从SIMO数据线上读取数据；在主机拉高
Figure BDA0002267119140000038
信号线后，从机停止读取数据，对接收到的数据进行校验，若数据正确，则再次翻转SACK信号线的电平VSACK3，否则保持SACK信号线电平。
进一步，主机发送至从机的通信数据包格式包括参数Param(P(i))和校验值ADD，其中，Param(P(i))表示需要配置的具体参数，i＝1,2,……n，n为参数个数。
进一步，校验值ADD采用和校验，参数Param(P(i))参与校验，校验计算方法为：
Figure BDA0002267119140000041
其中，n为参数个数，P(i)为第i个参数值。
还包括用于石油测井的从机控制数据收发方法，采用上述的芯片级通信协议，具体包括以下步骤：
从机控制数据收发时从机流程：从机读取MACK信号线上的电平VMACK1，并拉低
Figure BDA0002267119140000042
信号线；其次，从机等待主机的应答信号，即
Figure BDA0002267119140000043
信号线被拉低或MACK信号线上的电平翻转，即VMACK2！＝VMACK1，如果等待时间大于T，并且连接尝试次数在一定次数内，则重新尝试连接，否则结束本次通信；再次，从机根据CLK时钟信号，将数据输出至SOMI数据线，并且在数据发送完后，将
Figure BDA0002267119140000044
信号线拉高；之后，从机等待主机将
Figure BDA0002267119140000045
信号线拉高，如果等待时间超过T，则结束本次通信；最后，从机读取MACK信号线电平VMACK3，获取主机数据接收状态，并输出SACK信号线电平。
从机控制数据收发时主机流程：主机检测
Figure BDA0002267119140000046
信号线电平，在
Figure BDA0002267119140000047
信号线拉低后，主机读取SACK信号线电平VSACK1，并拉低
Figure BDA0002267119140000048
信号线以及输出VMACK2；其次，主机等待SACK信号线电平翻转，若等待超时，则结束通信；再次，主机发送CLK时钟信号至从机，通过SIMO发送数据，并从SOMI数据线读取从机数据，直至从机拉高
Figure BDA0002267119140000049
信号线；之后，对从机的数据进行校验，并输出MACK信号线电平VMACK3；最后，等待从机应答信号VSACK3，若等待超时，则说明从机无响应或从机出错，结束通信。
进一步，从机发送至主机的通信数据包格式包括数据Data(D(j))和校验值ADD，其中，Data(D(j))表示从机所需上传的数据，j＝1,2,……m，m为数据个数。
进一步，校验值ADD采用和校验，数据Data(D(j))参与校验，校验计算方法为：
Figure BDA0002267119140000051
其中，m为参数个数，D(j)为第j个数据值。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，通过增加主机与从机之间的信号线，主从机之间无需通过“握手”协议，就可以发起一次数据传输，且从机可以主动发起数据传输。因此，主机或者从机一方只需进行一次传输的过程就可以完成数据传输。此外，主从机的数据接收状态可以通过硬件识别。与通用SPI协议相比，降低了软件协议的复杂性，提高了数据传输的准确性与高效性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为通用SPI硬件连接图；
图2为通用SPI通信时序图；
图3为本发明的硬件连接图；
图4为主机控制数据收发时序图；
图5为从机控制数据收发时序图；
图6为主机控制数据收发-主机流程图；
图7为主机控制数据收发-从机流程图；
图8为从机控制数据收发-从机流程图；
图9为从机控制数据收发-主机流程图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，通用SPI硬件连接包括主机(Master)、从机(Slave)以及用于实现主机与从机之间进行通讯的信号线，信号线包括
Figure BDA0002267119140000061
信号线，用于主机选择控制从机工作；CLK信号线，用于主机发出总线通信时钟信号；SIMO信号线，用于主机数据输出；SOMI信号线，用于从机数据输出。
通用SPI通信时序图如图2所示。
(1)主机控制
Figure BDA0002267119140000062
输出低电平，此为主机控制数据传输的起始信号；
(2)在主机传输或接收完所需的数据后，主机控制
Figure BDA0002267119140000063
输出由低电平转为高电平，作为数据传输的终止信号。
如图3所示，本发明提供一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，包括主机(Master)、从机(Slave)以及用于实现主机与从机之间进行通讯的信号线，所述信号线包括
Figure BDA0002267119140000064
信号线，用于当从机有数据需要主机读取时，从机通过此引脚发出中断信号至主机；
Figure BDA0002267119140000065
信号线，用于主机选择控制从机工作；CLK信号线，用于主机发出总线通信时钟信号；SIMO信号线，用于主机数据输出；SOMI信号线，用于从机数据输出；SACK信号线，用于从机应答；MACK信号线，用于主机应答。
主机控制数据收发时序图如图4所示。
(1)主机读取SACK信号线电平VSACK1，然后控制
Figure BDA0002267119140000066
输出低电平，此为主机控制数据传输的起始信号，此时
Figure BDA0002267119140000067
信号线为高电平；
(2)主机读取此时SACK信号线电平VSACK2，判断从机应答状态；如果VSACK2不等于VSACK1，则从机有应答，否则认为从机无应答；
(3)主机通过SIMO信号线发送数据；
(4)主机在数据发送完之后，控制
Figure BDA0002267119140000071
输出由低电平转为高电平，作为数据传输的终止信号；
(5)主机读取此时SACK信号线电平VSACK3，判断从机接收状态；如果VSACK3不等于VSACK2，则从机数据接收成功，否则为从机数据接收；
从机控制数据收发时序图如图5所示。
(1)从机读取MACK信号线电平VMACK1，然后拉低
Figure BDA0002267119140000072
信号线，作为从机控制数据传输的起始信号；
(2)主机监测到
Figure BDA0002267119140000073
信号线拉低后，首先读取SACK信号线电平VSACK1，然后将
Figure BDA0002267119140000074
信号线电平由高电平转为低电平，并且MACK信号线输出电平VMACK2；
(3)主机读取此时SACK信号线电平VSACK2，判断从机应答状态，如果VSACK2不等于VSACK1，则从机有应答，否则认为从机无应答；
(4)主机开始发出时钟信号CLK，从机根据CLK输出数据至SOMI数据线；
(5)从机的数据发送缓冲区为空后，拉高
Figure BDA0002267119140000075
信号线，结束本次通信；
(6)主机监测到
Figure BDA0002267119140000076
信号线拉高后，拉高
Figure BDA0002267119140000077
信号线，并输出VMACK3；
(7)从机读取VMACK3，判断主机接收状态，如果VMACK3不等于VMACK2，则主机接收正确，否则为主机接收出错。
数据包分为两种。一种是主机发送至从机的数据包，用于传输具体的配置参数信息。另一种是从机发送至主机的数据包，用于传输从机的测井数据。主机发送至从机的通信数据包格式如表1所示，从机发送至主机的通信数据包格式如表2所示。
表1 主机至从机数据包格式
字(16bit) 0 1 ... len-1 len
说明 参数1 参数2 ... 参数n 校验值
内容 P1 P2 ... Pn ADD
表2 从机至主机数据包格式
字(16bit) 0 1 ... len-1 len
说明 数据1 数据2 ... 数据n 校验值
内容 D1 D2 ... Dn ADD
其中：
参数Param(P(i))：表示需要配置的具体参数。
数据Data(D(j))：表示从机所需上传的数据。
校验值ADD：本协议采用和校验，只有参数或数据参与了校验。
如图6和图7所示，主机控制数据收发方法具体包括以下步骤：
主机控制数据收发时主机流程如图6所示，主机发起数据传输时，主机首先读取SACK信号线上的电平VSACK1，并拉低
Figure BDA0002267119140000081
信号线；然后主机等待从机应答信号，即SACK信号线上的电平翻转(VSACK2！＝VSACK1)，如果等待时间t大于等待时间阈值T(即t>T)，并且连接尝试次数在一定次数内(尝试次数>尝试次数阈值A)，则重新尝试连接，否则结束本次通信，并对从机进行复位操作；优选时间T范围500ms至1500ms，尝试次数阈值A为2至5次；在从机响应后，主机通过SIMO数据线传输数据至从机，数据发送完毕后，主机拉高
Figure BDA0002267119140000082
信号线；在数据传输结束后，主机再次等待从机的应答信号翻转，即VSACK3！＝VSACK2，如果等待时间t大于T(即t>T)，此处的等待时间与上面相同，则结束通信，对从机进行复位操作。
主机控制数据收发时从机流程如图7所示，从机在
Figure BDA0002267119140000091
信号线为高电平时，监测到
Figure BDA0002267119140000092
信号线电平由高电平变为低电平，则认为主机发起了一次数据传输；从机响应主机的起始信号，翻转SACK信号线的电平VSACK2；然后从机根据主机发出的CLK时钟信号，依次从SIMO数据线上读取数据；在主机拉高
Figure BDA0002267119140000093
信号线后，从机停止读取数据，对接收到的数据进行校验，若数据正确，则再次翻转SACK信号线的电平VSACK3，否则保持SACK信号线电平。
进一步，主机发送至从机的通信数据包格式包括参数Param(P(i))和校验值ADD，其中，Param(P(i))表示需要配置的具体参数，i＝1,2,……n，n为参数个数。
进一步，校验值ADD采用和校验，参数Param(P(i))参与校验，校验计算方法为：
Figure BDA0002267119140000094
其中，n为参数个数，P(i)为第i个参数值。
如图8和图9所示，从机控制数据收发方法具体包括以下步骤：
从机控制数据收发时从机流程如图8所示，从机读取MACK信号线上的电平VMACK1，并拉低
Figure BDA0002267119140000095
信号线；其次，从机等待主机的应答信号，即
Figure BDA0002267119140000096
信号线被拉低或MACK信号线上的电平翻转，即VMACK2！＝VMACK1，如果等待时间t大于等待时间阈值T，并且连接尝试次数在一定次数内，则重新尝试连接，否则结束本次通信；优选时间T范围500ms至1500ms，尝试次数阈值A为2至5次；时间T和尝试次数阈值A默认相同(可根据实际情况调整)；再次，从机根据CLK时钟信号，将数据输出至SOMI数据线，并且在数据发送完后，将
Figure BDA0002267119140000097
信号线拉高；之后，从机等待主机将
Figure BDA0002267119140000098
信号线拉高，如果等待时间超过T，则结束本次通信；最后，从机读取MACK信号线电平VMACK3，获取主机数据接收状态，并输出SACK信号线电平。
从机控制数据收发时主机流程如图9所示，主机检测
Figure BDA0002267119140000101
信号线电平，在
Figure BDA0002267119140000102
信号线拉低后，主机读取SACK信号线电平VSACK1，并拉低
Figure BDA0002267119140000103
信号线以及输出VMACK2；其次，主机等待SACK信号线电平翻转，若等待超时，则结束通信；再次，主机发送CLK时钟信号至从机，通过SIMO发送数据，并从SOMI数据线读取从机数据，直至从机拉高
Figure BDA0002267119140000104
信号线；之后，对从机的数据进行校验，并输出MACK信号线电平VMACK3；最后，等待从机应答信号VSACK3，若等待超时，则说明从机无响应或从机出错，结束通信。
进一步，从机发送至主机的通信数据包格式包括数据Data(D(j))和校验值ADD，其中，Data(D(j))表示从机所需上传的数据，j＝1,2,……m，m为数据个数。
进一步，校验值ADD采用和校验，数据Data(D(j))参与校验，校验计算方法为：
Figure BDA0002267119140000105
其中，m为数据个数，D(j)为第j个数据值。
优选的，通信参数上主机从机保持一致即可，参数主要包括时钟频率、时钟相位、时钟极性、大小端、校验位。考虑到井下环境温度至少为150℃，因此传输速率应不大于1Mbit/s。
握手是在主机控制数据收发的基础上进行，首先，主机控制CS信号线拉低。然后，从机识别到CS信号线拉低后，控制SACK信号线拉低。之后，主机检测到SACK被拉低后，拉高CS信号线。最后，从机检测到CS拉高后，拉高SACK。至此，一次握手完成。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，其特征在于：包括主机、从机以及用于实现主机与从机之间进行通讯的信号线，所述信号线包括
Figure FDA0002267119130000011
信号线，用于当从机有数据需要主机读取时，从机通过此引脚发出中断信号至主机；
Figure FDA0002267119130000012
信号线，用于主机选择控制从机工作；CLK信号线，用于主机发出总线通信时钟信号；SIMO信号线，用于主机数据输出；SOMI信号线，用于从机数据输出；SACK信号线，用于从机应答；MACK信号线，用于主机应答；
主机控制数据收发：
(1)主机读取SACK信号线电平VSACK1，然后控制
Figure FDA0002267119130000013
输出低电平，此为主机控制数据传输的起始信号，此时
Figure FDA0002267119130000014
信号线为高电平；
(2)主机读取此时SACK信号线电平VSACK2，判断从机应答状态；如果VSACK2不等于VSACK1，则从机有应答，否则认为从机无应答；
(3)主机通过SIMO信号线发送数据；
(4)主机在数据发送完之后，控制
Figure FDA0002267119130000015
输出由低电平转为高电平，作为数据传输的终止信号；
(5)主机读取此时SACK信号线电平VSACK3，判断从机接收状态；如果VSACK3不等于VSACK2，则从机数据接收成功，否则为从机数据接收；
从机控制数据收发：
(1)从机读取MACK信号线电平VMACK1，然后拉低
Figure FDA0002267119130000016
信号线，作为从机控制数据传输的起始信号；
(2)主机监测到
Figure FDA0002267119130000017
信号线拉低后，首先读取SACK信号线电平VSACK1，然后将
Figure FDA0002267119130000018
信号线电平由高电平转为低电平，并且MACK信号线输出电平VMACK2；
(3)主机读取此时SACK信号线电平VSACK2，判断从机应答状态，如果VSACK2不等于VSACK1，则从机有应答，否则认为从机无应答；
(4)主机开始发出时钟信号CLK，从机根据CLK输出数据至SOMI数据线；
(5)从机的数据发送缓冲区为空后，拉高
Figure FDA0002267119130000021
信号线，结束本次通信；
(6)主机监测到
Figure FDA0002267119130000022
信号线拉高后，拉高
Figure FDA0002267119130000023
信号线，并输出VMACK3；
(7)从机读取VMACK3，判断主机接收状态，如果VMACK3不等于VMACK2，则主机接收正确，否则为主机接收出错。
2.如权利要求1所述的用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，其特征在于：还包括主机控制数据收发方法，具体包括以下步骤：
主机控制数据收发时主机流程：主机发起数据传输时，主机首先读取SACK信号线上的电平VSACK1，并拉低
Figure FDA0002267119130000024
信号线；然后主机等待从机应答信号，即SACK信号线上的电平翻转(VSACK2！＝VSACK1)，如果等待时间大于T，并且连接尝试次数在一定次数内，则重新尝试连接，否则结束本次通信，并对从机进行复位操作；在从机响应后，主机通过SIMO数据线传输数据至从机，数据发送完毕后，主机拉高
Figure FDA0002267119130000025
信号线；在数据传输结束后，主机再次等待从机的应答信号翻转，即VSACK3！＝VSACK2，如果等待时间大于T，则结束通信，对从机进行复位操作；
主机控制数据收发时从机流程：从机在
Figure FDA0002267119130000026
信号线为高电平时，监测到
Figure FDA0002267119130000027
信号线电平由高电平变为低电平，则认为主机发起了一次数据传输；从机响应主机的起始信号，翻转SACK信号线的电平VSACK2；然后从机根据主机发出的CLK时钟信号，依次从SIMO数据线上读取数据；在主机拉高
Figure FDA0002267119130000028
信号线后，从机停止读取数据，对接收到的数据进行校验，若数据正确，则再次翻转SACK信号线的电平VSACK3，否则保持SACK信号线电平。
3.如权利要求2所述的用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，其特征在于：主机发送至从机的通信数据包格式包括参数Param(P(i))和校验值ADD，其中，Param(P(i))表示需要配置的具体参数，i＝1,2,……n，n为参数个数。
4.如权利要求3所述的用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，其特征在于：校验值ADD采用和校验，参数Param(P(i))参与校验，校验计算方法为：
Figure FDA0002267119130000031
其中，n为参数个数，P(i)为第i个参数值。
5.如权利要求1所述的用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，其特征在于：还包括从机控制数据收发方法，具体包括以下步骤：
从机控制数据收发时从机流程：从机读取MACK信号线上的电平VMACK1，并拉低
Figure FDA0002267119130000032
信号线；其次，从机等待主机的应答信号，即
Figure FDA0002267119130000033
信号线被拉低或MACK信号线上的电平翻转，即VMACK2！＝VMACK1，如果等待时间大于T，并且连接尝试次数在一定次数内，则重新尝试连接，否则结束本次通信；再次，从机根据CLK时钟信号，将数据输出至SOMI数据线，并且在数据发送完后，将
Figure FDA0002267119130000034
信号线拉高；之后，从机等待主机将
Figure FDA0002267119130000035
信号线拉高，如果等待时间超过T，则结束本次通信；最后，从机读取MACK信号线电平VMACK3，获取主机数据接收状态，并输出SACK信号线电平；
从机控制数据收发时主机流程：主机检测
Figure FDA0002267119130000036
信号线电平，在
Figure FDA0002267119130000037
信号线拉低后，主机读取SACK信号线电平VSACK1，并拉低
Figure FDA0002267119130000038
信号线以及输出VMACK2；其次，主机等待SACK信号线电平翻转，若等待超时，则结束通信；再次，主机发送CLK时钟信号至从机，通过SIMO发送数据，并从SOMI数据线读取从机数据，直至从机拉高
Figure FDA0002267119130000039
信号线；之后，对从机的数据进行校验，并输出MACK信号线电平VMACK3；最后，等待从机应答信号VSACK3，若等待超时，则说明从机无响应或从机出错，结束通信。
6.如权利要求5所述的用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，其特征在于：从机发送至主机的通信数据包格式包括数据Data(D(j))和校验值ADD，其中，Data(D(j))表示从机所需上传的数据，j＝1,2,……m，m为数据个数。
7.如权利要求6所述的用于随钻探测中的芯片级数据通信方法，其特征在于：校验值ADD采用和校验，数据Data(D(j))参与校验，校验计算方法为：
Figure FDA0002267119130000041
其中，m为参数个数，D(j)为第j个数据值。
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