CN111124980B - 一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统 - Google Patents

一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统，由大气传感器和主机通过RS‑485总线进行组网，主机包括顶层模块、点对点通讯模块、轮询定时模块、轮询通讯模块。通过参数化配置方式，由主机对通讯模式、采样时间、大气传感器数量、通讯波特率、通讯帧协议、通讯字协议分别进行设置，实现多种应用需求下两种模式不同参数的配置，并在这些配置下完成主机与分布式大气传感器的异步串行智能通讯。既可以点对点通讯，也可以根据定时周期为时间基准，可动态配置轮询模式的通讯，实现分布式大气传感器数据智能接收存储，可靠性高，传输距离长。

Description

一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统
技术领域
本发明属于通讯技术领域，特别涉及一种主设备和大气传感器之间基于分布式大气传感器异步串行通讯系统。
背景技术
主设备需要在每个采用周期采集分布式大气传感器信息，并能对每个大气传感器软件进行升级。大气传感器与主机间距离超过10m，采样周期受通讯方式影响较大。传统采用SPI总线进行主设备和各大气传感器进行通讯，容易受干扰，同时受距离影响通讯速率不能太快，导致采样周期长，实时性不好；或者出现通讯错误等问题，通过SPI总线对传感器进行升级维护需要专用的接口设备和软件，成本较高；而采用其他总线(如CAN、以太网等)，设计复杂，不利于小型化。
发明内容
本发明提出一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统，既可以点对点通讯，也可以根据定时周期为时间基准，可动态配置轮询模式的通讯，实现分布式大气传感器数据智能接收存储，可靠性高，传输距离长。
本发明一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统，由大气传感器和主机通过RS-485总线进行组网，所述主机包括顶层模块、点对点通讯模块、轮询定时模块、轮询通讯模块；
所述顶层模块调用点对点通讯模块、轮询定时器模块、轮询通讯模块，用于对外接口信号的映射及模块调用参数设置；
所述点对点通讯模块调用发送控制模块和接收控制模块，用于点对点的数据发送接收；
所述轮询定时模块用于通讯模式配置和轮询模式下时间控制，分时间片对各个大气传感器选通；
所述轮询通讯模块调用轮询发送控制模块和轮询接收控制模块，实现轮询发送控制和轮询接收控制。
进一步地，所述轮询定时模块中通讯模式配置通过主机完成通讯模式、大气传感器数量、采样时间片、轮询开关参数设置；
轮询模式下时间控制包括，轮询开关打开时，以外部输入的定时周期信号下降沿为起始点，按采样时间片和大气传感器数量输出轮询选通信号，该信号下降沿用于单个大气传感器选通开始，上升沿用作选通的大气传感接收超时判断，并输出设定的大气传感器数量和当前选通的大气传感器号。
进一步地，所述点对点通讯模块中，发送控制模块实现通讯数据帧的控制及发送，调用单字节发送模块和发送缓冲区模块实现单字节发送和发送数据缓冲；
通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置；接收主机写入的数据将其存放到发送缓冲区中；在发送指令控制下，将内部数据发送状态机按照通讯协议帧设置，添加数据帧通讯协议辅助信息，并将待发送数据依次从发送缓冲区中读出，通过调用单字节发送模块发送；发送期间，置RS-485总线发送使能信号有效，占用总线，其余时间置RS-485总线发送使能信号无效，释放总线；
接收控制模块实现通讯数据帧的控制及接收；调用单字节接收模块和接收缓冲区模块实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置；通过单字节接收模块接收，按数据帧协议进行判断，将符合帧协议的数据存放到接收缓冲区中，并置帧接收完成标志；
进一步地，在所述轮询通讯模块中，
轮询发送控制模块实现轮询模式下选通数据帧的发送；调用单字节发送模块和发送缓冲区模块实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置；接收主机写入的传感器通道号将其存放到发送缓冲区中，在选通信号下降沿启动发送控制，通过调用单字节发送模块发送；发送期间，置RS-485总线发送使能信号有效，占用总线，其余时间置RS-485总线发送使能信号无效，释放总线；
轮询接收控制模块实现轮询模式下选通数据帧的接收；调用单字节接收模块和接收缓冲区模块实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置；通过单字节接收模块接收，按数据帧协议进行判断，依据当前选通大气传感器号，将符合帧协议的数据存放到接收缓冲区指定数据区中，接收过程中通过轮询信号上升沿进行当前帧数据的超时判断，并输出当前帧接收状态标志；根据传感器数量，完成本次采样，并置本次采样状态标志；然后接收下一个传感器的数据帧；直到所有传感器数据帧接收完成；并置帧接收完成标志。
进一步地，单字节发送模块将单字节数据按照字协议转换符合波特率要求的串行数据，并从总线上输出，并给出发送完成标志；单字节接收模块将总线的数据根据波特率要求按照字协议转换为并行单字节数据，并给出接收状态标志或总线出错标志。
进一步地，发送和接收的缓冲区模块通过双口RAM实现，分为高段和低段，高段写/读时，低段用于读/写；完成轮询所有分布式传感器或点对点通讯后，高低段自动切换。
本发明克服了传统分布式大气传感器组网缺点，APB总线接口通用，不因外部处理器改变而改变，通讯协议、和大气传感器组网数量及选通时间可以配置，兼容轮询和点对点通讯模式，通用性强；发送接收采用乒乓结构的双缓存，可靠性高；自动轮询和智能解帧，减轻了处理器负担；能满足分布式大气传感器的使用。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为定时信号和选通信号时序图；
图3为轮询模式下接收缓冲区数据存储结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。
本发明大气传感器和主机通过RS-485总线进行组网，通过参数化配置方式，可由主机对通讯模式、采样时间、大气传感器数量、通讯波特率、通讯帧协议、通讯字协议分别进行设置，实现多种应用需求下两种模式不同参数的配置，并在这些配置下完成主机与分布式大气传感器的异步串行智能通讯。
实现本发明的技术方案为：
1)采用自顶向下模块化设计，分为顶层模块、点对点通讯模块、轮询定时模块、轮询通讯模块，见图1。顶层模块主要实现对外接口信号的映射、下层功能模块的调用及模块调用参数设置；
2)点对点通讯模块调用发送控制模块和接收控制模块，实现点对点的数据发送接收；
a)发送控制模块实现智能通讯数据帧的控制及发送。该模块调用单字节发送模块和发送缓冲区模块实现单字节发送和发送数据缓冲功能；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置。工作状态下该功能模块接收主机写入的数据将其存放到发送缓冲区中，发送缓冲区分高低两段，采用乒乓结构，高段接收主机写/发送读时，低段用于发送读/接收主机写；在启动发送指令控制下，将内部数据发送状态机按照通讯协议帧设置，硬件自动添加数据帧通讯协议辅助信息，并将待发送数据依次从发送缓冲区中读出，通过调用字节发送模块按设定波特率、通讯字协议实现数据帧的智能发送；发送期间，置RS-485总线发送使能信号有效，占用总线，其余时间置RS-485总线发送使能信号无效，释放总线；
b)接收控制模块实现智能通讯数据帧的控制及接收。该模块调用单字节接收模块和接收缓冲区实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置。工作状态下该功能模块接收状态机接收底层单字节接收模块输出的字节接收标志信号及数据，按数据帧协议进行判断，将符合帧协议的数据存放到接收缓冲区中，缓冲区采用乒乓结构接收，接收缓冲区分高低两段，采用乒乓结构，高段数据帧接收写/数据帧读时，低段用于数据帧读/数据帧接收写；正确接收一帧数据时，将数据长度锁存到接收长度寄存器中，并切换接收缓冲区高低段，输出接收完成标志；主机查询到接收完成标志，清除接收状态，将读总线地址切到刚接收完成的缓冲区相应段，然后进行读取；
3)轮询定时模块实现通讯模式配置和轮询模式下时间控制。通过主机完成通讯模式、大气传感器数量、采样时间片、轮询开关等参数设置。
图2为定时信号(Tim_out)和选通信号(Wea_CS)时序图，T0为定时周期；Ts为单个大气传感器的选通时间；Nh为分布式传感器的个数；Tc为所有大气传感器的选通时间。
轮询开关打开时，以外部输入的定时周期信号下降沿为起始点，按采样时间片和大气传感器数量输出轮询选通信号，该信号下降沿用于单个大气传感器选通开始，上升沿用作选通的大气传感接收超时判断；并输出设定的大气传感器数量和当前选通的大气传感器号
4)轮询通讯模块调用轮询发送控制模块和轮询接收控制模块，实现轮询发送控制和轮询接收控制；
a)轮询发送控制模块实现轮询模式下选通数据帧的智能发送。该模块调用单字节发送模块和发送缓冲区实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置。工作状态下该功能模块接收主机写入的数据将其存放到发送缓冲区中，在选通信号下降沿启动发送控制，内部数据发送状态机按照通讯协议帧设置，硬件自动添加数据帧通讯协议辅助信息，按照当前选定的传感器号，将待发送数据依次从发送缓冲区指定区域中读出，通过调用字节发送模块按设定波特率、通讯字协议实现数据帧的智能发送；发送期间，置RS-485总线发送使能信号有效，占用总线，其余时间置RS-485总线发送使能信号无效，释放总线；
b)轮询接收控制模块实现轮询模式下选通数据帧的智能接收。该模块调用单字节接收模块和接收缓冲区实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置。工作状态下该功能模块接收状态机接收底层字节接收模块输出的字节接收标志信号及数据，按数据帧协议进行判断，依据当前选通大气传感器号，将符合帧协议的数据存放到接收缓冲区指定数据区中。
图3为轮询模式下接收缓冲区数据存储结构，offset为单帧偏移地址；DataLen为单帧的数据长度；FrmST为单帧接收状态；DataLen+1不大于offset，每个单帧数据为1个传感器的数据。
接收过程中通过轮询信号上升沿进行当前帧数据的超时判断，并输出当前帧接收状态标志；根据传感器数量，完成本次采样，并置本次采样状态标志；然后接收下一个传感器的数据帧；直到所有传感器数据帧接收完成；数据接收缓冲区分为高低两段，采用乒乓结构，当所有大气传感器的数据采集完成后，切换数据缓冲区高低段，并置本次采样结束标志。主机查询到本次采样完成标志，清除接收状态，将读总线地址切到刚接收完成的缓冲区相应段，然后读取大气传感器数据和状态。
5)点对点通讯模块和轮询通讯模块底层共用单字节发送和接收模块。单字节发送模块主要将单字节数据按照字协议转换符合波特率要求的串行数据，并从总线上输出，并给出发送完成标志；单字节接收模块主要将总线的数据根据波特率要求按照字协议转换为并行单字节数据，并给出接收状态标志或总线出错标志。
6)发送和接收的缓冲区模块通过双口RAM实现，分为高段和低段，高段写/读时，低段用于读/写；完成轮询所有分布式传感器或点对点通讯后，高低段自动切换。
本发明具有如下特点：
1、本方法通过APB总线对帧协议和字节协议设置，能够完成常见通讯协议数据通讯；
2、本方法通过参数配置，可实现主机和某个传感器点对点全双工通讯或者实现主机对所有分布式大气传感器的自动轮询通讯；这两种模式物理上独立，分别具有独立的寻址空间；
3、轮询模式以定时信号下降沿为起点，可以实时配置并刷新分布式大气传感器的数量及单个传感器的选通时间，在选通时间内完成单个大气传感器的数据接收，超过选通时间就判超时错误；
4、轮询模式通过控制寄存器启动，然后主机自动从发送缓冲区中读取数据(主要是大气传感器的ID值)，占用总线，并按照设定的协议以广播的方式将选通数据帧发送到总线上，发送完毕释放总线；
5、轮询模式下分布式大气传感器接收到总线上符合协议的选通数据帧，对选通数据帧进行解帧，如果数据帧内容和大气传感器ID相同，则占用总线，并按照协议将数据发送到总线；
6、轮询模式下主机发送完选通帧后立即进入接收模式，按协议接收总线上的数据帧，并把数据帧按照设定的偏移地址按顺序存放在接收缓冲区；
7、主机轮询接收缓冲区采用真双口RAM实现，通过最高位地址总线将其等分为高低两段，采用乒乓结构，本次轮询完所有分布式传感器后，高低段自动切换，一段用于接收下一次轮询的数据帧，只写；另一段用于APB总线读取，只读；双口RAM采用读优先模式。
这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

Claims (5)

1.一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统，由大气传感器和主机通过RS-485总线进行组网，所述主机包括顶层模块、点对点通讯模块、轮询定时模块、轮询通讯模块；
所述顶层模块调用点对点通讯模块、轮询定时器模块、轮询通讯模块，用于对外接口信号的映射及模块调用参数设置；
所述点对点通讯模块调用发送控制模块和接收控制模块，用于点对点的数据发送接收；
所述轮询定时模块用于通讯模式配置和轮询模式下时间控制，分时间片对各个大气传感器选通；
所述轮询通讯模块调用轮询发送控制模块和轮询接收控制模块，实现轮询发送控制和轮询接收控制；
其特征在于，所述轮询定时模块中通讯模式配置通过主机完成通讯模式、大气传感器数量、采样时间片、轮询开关参数设置；
轮询模式下时间控制包括，轮询开关打开时，以外部输入的定时周期信号下降沿为起始点，按采样时间片和大气传感器数量输出轮询选通信号，该信号下降沿用于单个大气传感器选通开始，上升沿用作选通的大气传感接收超时判断，并输出设定的大气传感器数量和当前选通的大气传感器号。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统，其特征在于，所述点对点通讯模块中，发送控制模块实现通讯数据帧的控制及发送，调用单字节发送模块和发送缓冲区模块实现单字节发送和发送数据缓冲；
通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置；接收主机写入的数据将其存放到发送缓冲区中；在发送指令控制下，将内部数据发送状态机按照通讯协议帧设置，添加数据帧通讯协议辅助信息，并将待发送数据依次从发送缓冲区中读出，通过调用单字节发送模块发送；发送期间，置RS-485总线发送使能信号有效，占用总线，其余时间置RS-485总线发送使能信号无效，释放总线；
接收控制模块实现通讯数据帧的控制及接收；调用单字节接收模块和接收缓冲区模块实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置；通过单字节接收模块接收，按数据帧协议进行判断，将符合帧协议的数据存放到接收缓冲区中，并置帧接收完成标志。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统，其特征在于，在所述轮询通讯模块中，
轮询发送控制模块实现轮询模式下选通数据帧的发送；调用单字节发送模块和发送缓冲区模块实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置；接收主机写入的传感器通道号将其存放到发送缓冲区中，在选通信号下降沿启动发送控制，通过调用单字节发送模块发送；发送期间，置RS-485总线发送使能信号有效，占用总线，其余时间置RS-485总线发送使能信号无效，释放总线；
轮询接收控制模块实现轮询模式下选通数据帧的接收；调用单字节接收模块和接收缓冲区模块实现单字节数据接收和接收到的数据帧缓冲；通过主机完成帧协议、传输波特率、字节协议设置；通过单字节接收模块接收，按数据帧协议进行判断，依据当前选通大气传感器号，将符合帧协议的数据存放到接收缓冲区指定数据区中，接收过程中通过轮询信号上升沿进行当前帧数据的超时判断，并输出当前帧接收状态标志；根据传感器数量，完成本次采样，并置本次采样状态标志；然后接收下一个传感器的数据帧；直到所有传感器数据帧接收完成；并置帧接收完成标志。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统，其特征在于，单字节发送模块将单字节数据按照字协议转换符合波特率要求的串行数据，并从总线上输出，并给出发送完成标志；单字节接收模块将总线的数据根据波特率要求按照字协议转换为并行单字节数据，并给出接收状态标志或总线出错标志。
5.根据权利要求2或3所述的一种基于分布式大气传感器异步串行通讯系统，其特征在于，发送和接收的缓冲区模块通过双口RAM实现，分为高段和低段，高段写/读时，低段用于读/写；完成轮询所有分布式传感器或点对点通讯后，高低段自动切换。
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