CN112600787A - 一种通信系统及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通信系统及通信方法，通信系统包括主MCU和从MCU，所述主MCU和从MCU之间采用第一SPI接口和第二SPI接口进行通信；第一SPI接口和第二SPI接口配置有各自独立的数据帧结构；第一SPI接口和第二SPI接口在MCU之间均配置有两个额外的I/O接口。通信方法包括根据所执行的任务选择相应的SPI接口向目的MCU发送SPI报文。本发明在SPI四线制基础上建立数据应答机制，能够高效可靠地实现MCU之间数据传递、时序同步、系统日志管理和故障信息确认等信息交互功能，确保通信安全。

Description

一种通信系统及通信方法
技术领域
本发明涉及一种通信系统及通信方法，属于工程机械通信技术领域。
背景技术
随着工程机械行业大吨位起重机等产品对上车、转台、伸臂控制、底盘控制等对功能安全要求的不断提高，功能安全控制器的应用需求越来越大。功能安全控制器在硬件和软件层面均要符合控制系统安全相关部件标准的要求。现有的安全控制器多采用主MCU和从MCU的双冗余结构实现，主MCU运行应用程序，从MCU作为监控单元，主从MCU之间通常采用SPI总线进行大量核心数据交互。
SPI总线系统是一种同步串行外设接口总线，应用于系统级处理器间的高速通信处理。SPI总线作为一种高速的、全双工、同步的通信总线，采用主从工作方式，其中，主机控制数据传输，从机配合主机完成传输任务。现有总线通信中存在的不足：(1)缺少组帧机制；(2)通信过程中没有指定的数据流，缺少确认是否收到数据的应答机制；(3)缺少校验，缺少控制传输差错的机制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种通信系统及通信方法，解决现有技术中缺少组帧机制、应答机制及校验机制的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
一方面，本发明提供了一种通信系统，包括主MCU和从MCU，所述主MCU和从MCU之间采用第一SPI接口和第二SPI接口进行通信；所述第一SPI接口和第二SPI接口根据所执行的任务不同，配置有各自独立的数据帧结构，用于实现主MCU和从MCU之间的信息交互；
所述第一SPI接口和第二SPI接口在MCU之间均配置有两个额外的I/O接口，其中一个I/O接口由主MCU设置，另一个I/O接口由从MCU设置，两所述I/O接口用于主MCU和从MCU间的双向消息确认。
进一步的，所述第一SPI接口以固定顺序发送报文，用于主MCU、从MCU之间数据通信及时序同步，数据帧结构如下：
SPI-报文：
字段内容 帧头 报文计数器 数据场类型 数据段 校验字
字段长度(Byte) 1 1 1 Max.255 2
其中，帧头表示当前报文是第一SPI接口发送的报文；报文计数器用于记录SPI发送报文值，每发送一条报文，数值加1；数据场类型指示当前报文的协议类型，对应N个字节的数据，接收方不用考虑数据段长度；数据段表示传输数据，最多支持255个字节数据；校验字用于检查数据是否有效的CRC值。
进一步的，由所述第一SPI接口发送的报文，数据帧结构的数据场类型包括：BootLoader程序激活指令报文、主MCU的CRC校验响应报文、从MCU的CRC校验响应报文、MCU时序同步命令报文、主MCU发送给从MCU的I/O输出状态，从MCU发送给主MCU的I/O输入状态。
进一步的，所述第二SPI接口以不同顺序传输报文，用于设备日志及故障更新；第二SPI接口传输的报文包括INFO-报文和DATA-报文，每个INFO报文后至少紧随有一个DATA-报文，其中，所述INFO-报文用于启动通信及描述紧随其后的DATA-报文的长度，DATA-报文用于传输数据。
进一步的，所述INFO-报文和DATA-报文的数据帧结构分别如下：SPI-INFO-报文：
字段内容 帧头 报文计数器 数据场类型 长度段 校验字
字段长度(Byte) 1 1 1 2 2
SPI-DATA-报文：
字段内容 帧头 报文计数器 数据场类型 数据段 校验字
字段长度(Byte) 1 1 1 Max.255 2
其中，帧头表示当前报文是第二SPI接口发送的报文；报文计数器，用于记录SPI发送报文值，每发送一条报文，数值加1；数据场类型表示当前报文为INFO或DATA报文；INFO-报文的长度段表示紧接的DATA-报文的数据段长度信息；DATA-报文的数据段表示传输数据；校验字是用于检查数据是否有效的CRC值。
进一步的，所述第二SPI接口发送的报文包括设备日志数据设置、将黑盒数据写入指定内存、从指定内存中读取黑盒数据、主MCU的BootLoader信息报文、从MCU的BootLoader信息报文、主MCU固件版本信息报文、从MCU固件版本信息报文、以及文件系统操作命令报文。
进一步的，所述主MCU还配置有CAN通信接口和RS232通信接口。
另一方面，本发明还提供了一种通信方法，所述通信方法由主MCU或从MCU执行，所述主MCU和从MCU通过双路SPI接口通信连接，每个SPI接口配置有两个I/O接口；所述通信方法包括：
根据所执行的任务选择相应的SPI接口向目的MCU发送SPI报文；
通过目的MCU设置的I/O接口接收目的MCU反馈的接收应答报文；
其中，所述接收应答报文由目的MCU对所述SPI报文校验成功后发出；当所述通信方法由主MCU执行时，所述目的MCU指从MCU；当所述通信方法由从MCU执行时，所述目的MCU指主MCU。
进一步的，所述目的MCU对所述SPI报文进行校验的方法包括CRC-CCITT校验算法，若校验失败则重新传输当前SPI报文。
进一步的，若校验失败超出设定阈值，则进入异常模式，执行指定的错误处理功能。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：主MCU和从MCU之间采用第一SPI接口和第二SPI接口进行通信，通过SPI接口实现SPI通信协议；第一SPI接口和第二SPI接口根据所执行的任务不同，配置有各自独立的数据帧结构，能同时对主MCU和从MCU的通信过程进行定义；第一SPI接口和第二SPI接口在MCU之间均配置有两个额外的I/O接口，用于主MCU和从MCU间的双向消息确认，建立了数据确认接收的应答机制；
所有的SPI报文中都配置有报文计数器段，用于计量报文发送或接收的次数。每发送/接收一条报文，数值加1，可以准确对数据传输进行监测，判定MCU间通讯正常，数据传输有效，保证数据不会重发或漏发；
所有的SPI报文中都设有校验字段，用于检查数据是否有效的CRC值，对接收到的CRC值进行CRC校验，以确保数据不被破坏。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例提供的一种通信系统主MCU、从MCU之间的通讯硬件接口示意图；
图2是根据本发明实施例提供的主MCU、从MCU在通信时发送报文流程图；
图3是根据本发明实施例提供的主MCU、从MCU在通信时接收报文流程图；
图4是根据本发明实施例提供的CRC校验确认正确的原理图；
图5是根据本发明实施例提供的CRC校验确认错误的原理图；
图中：1、CAN通信接口、2、RS232通信接口、3、主MCU、4、从MCU、5、第一SPI接口、6、第二SPI接口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明实施例提供了一种通信系统，包括主MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)和从MCU，主MCU和从MCU同时采集模拟信号和数字信号，通过双路SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)总线进行采用点的同步；主MCU和从MCU之间采用第一SPI接口和第二SPI接口进行通信，通过MISO、MOSI、SCLK和CS四线SPI信号相连；第一SPI接口和第二SPI接口根据所执行的任务不同，配置有各自独立的数据帧结构，同时对主MCU和从MCU的通信过程进行定义，用于实现主MCU和从MCU之间的信息交互；
第一SPI接口和第二SPI接口在MCU之间均配置有两个额外的I/O接口(ACK_Master和ACK_Slave)，其中一个I/O接口由主MCU设置，另一个I/O接口由从MCU设置，两I/O接口用于主MCU和从MCU间的双向消息确认，且每个接收到的消息必须由确认信号进行确认。
本发明实施例提供的通信系统，第一SPI接口以固定顺序发送报文，用于主MCU、从MCU之间数据通信及时序同步，数据帧结构如下：
SPI-报文：
字段内容 帧头 报文计数器 数据场类型 数据段 校验字
字段长度(Byte) 1 1 1 Max.255 2
其中，帧头表示当前报文是第一SPI接口发送的报文；报文计数器用于记录SPI发送报文值，每发送一条报文，数值加1；数据场类型指示当前报文的协议类型，对应N个字节的数据，接收方不用考虑数据段长度；数据段表示传输数据，最多支持255个字节数据；校验字用于检查数据是否有效的CRC(Cyclic redundancy check，循环冗余校验)值。
本发明实施例提供的通信系统，由第一SPI接口发送的报文，数据帧结构的数据场类型包括：Bootloader程序激活指令报文、主MCU的CRC校验响应报文、从MCU的CRC校验响应报文、MCU时序同步命令报文、主MCU发送给从MCU的I/O输出状态，从MCU发送给主MCU的I/O输入状态。
本发明实施例提供的通信系统，第二SPI接口以不同顺序传输报文，用于设备日志及故障更新；第二SPI接口传输的报文包括INFO-报文和DATA-报文，每个INFO报文后至少紧随有一个DATA-报文，其中，所述INFO-报文用于启动通信及描述紧随其后的DATA-报文的长度，DATA-报文用于传输数据。
本发明实施例提供的通信系统，INFO-报文和DATA-报文的数据帧结构分别如下：
INFO-报文：
字段内容 帧头 报文计数器 数据场类型 长度段 校验字
字段长度(Byte) 1 1 1 2 2
DATA-报文：
字段内容 帧头 报文计数器 数据场类型 数据段 校验字
字段长度(Byte) 1 1 1 Max.255 2
其中，帧头表示当前报文是第二SPI接口发送的报文；报文计数器，用于记录SPI发送报文值，每发送一条报文，数值加1；数据场类型表示当前报文为INFO或DATA报文；INFO-报文的长度段表示紧接的DATA-报文的数据段长度信息，使接收方配置DMA(Direct MemoryAccess，直接存储器访问)控制器，自动适应报文帧长度变化；DATA-报文的数据段表示传输数据；校验字是用于检查数据是否有效的CRC值。
本发明实施例提供的通信系统，第二SPI接口发送的报文包括设备日志数据设置、将黑盒数据写入指定内存、从指定内存中读取黑盒数据、主MCU的BootLoader信息报文、从MCU的BootLoader信息报文、主MCU固件版本信息报文、从MCU固件版本信息报文、以及文件系统操作命令报文。
本发明实施例提供的通信系统，主MCU还配置有CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)通信接口和RS232通信接口，使主MCU能与其他外部设备进行通信。
实施例二，
本发明实施例提供了一种通信方法，由主MCU或从MCU执行，主MCU和从MCU通过双路SPI接口通信连接，每个SPI接口配置有两个I/O接口；通信方法包括：
根据所执行的任务选择相应的SPI接口向目的MCU发送SPI报文；
通过目的MCU设置的I/O接口接收目的MCU反馈的接收应答报文；
其中，接收应答报文由目的MCU对所述SPI报文校验成功后发出；当通信方法由主MCU执行时，目的MCU指从MCU；当通信方法由从MCU执行时，目的MCU指主MCU。
如图2所示，本实施例的主MCU、从MCU在发送报文时执行以下步骤：
(1)初始化通讯计数器TryCntTx，设置为0。
(2)收集发送到主/从MCU的当前消息所需的完整数据，并将数据存储在数据缓冲区MsgBufTx中。
(3)计算该数据包的CRC值。
(4)通过SPI接口将完整的消息发送到从/主MCU。
(5)检测报文确认时间：
(a)如果在以下时间超时之前未检测到对ACK_Master或ACK_Slave的确认,将通讯计数器TryCntTx值增加1；
(a1)如果通讯计数器TryCntTx小于3，则继续执行步骤(2)；
(a2)如果通讯计数器TryCntTx大于或等于3，则进入异常模式，重置内部变量。执行指定的错误处理并完成该功能的执行。
(b)如果在通讯超时之前检测到对ACK_Master或ACK_Slave的确认，内部报文计数器值MsgCntTx加1。
如图3所示，本实施例的主MCU、从MCU在接收报文时执行以下步骤：
(1)初始化通讯计数器TryCntRx，设置为0。
(2)通过SPI接收完整数据，存储在数据缓冲区MsgBufRx中。
(3)计算并检查接收到的报文的CRC值：
(a)如果发生CRC错误，则将通讯计数器TryCntRx加1。
(a1)如果通讯计数器TryCntRx小于3，则继续执行步骤(2)。
(a2)如果通讯计数器TryCntRx大于或等于3，则进入异常模式，重置内部变量。执行指定的错误处理并完成该功能的执行。
(b)如果未发生CRC错误，然后继续执行步骤(4)。
(4)检查收到的报文计数器值。如果接收报文计数器值MsgCntRx不等于报文计数器段信息，则进入异常模式,执行指定的错误处理并完成该功能的执行。如果接受报文计数器MsgCnRx等于报文计算器段信息,然后继续执行步骤(5)。
(5)检测报文确认时间：
(a)如果在以下时间超时之前未检测到对ACK_Master或ACK_Slave的确认,将通讯计数器TryCntRx增加1；
(a1)如果通讯计数器TryCntRx小于3，则继续执行步骤(2)。
(a2)如果通讯计数器TryCntRx大于或等于3，则进入异常模式，重置内部变量。执行指定的错误处理并完成该功能的执行。
(b)如果在通讯超时之前检测到对ACK_Master或ACK_Slave的确认，内部报文计数器值MsgCntTx加1，然后继续执行步骤(6)。
(6)将接收到的数据存储在相应的模块中。
本发明实施例提供的通信方法，目的MCU对SPI报文进行校验的方法包括CRC-CCITT校验算法，若校验失败则重新传输当前SPI报文。
本发明实施例提供的通信方法，若校验失败超出设定阈值，则进入异常模式，执行指定的错误处理功能。
具体的，如图4所示，当主MCU向从MCU发送SPI报文时，从MCU会确认接收到该消息，计算并检查CRC值，如果CRC校验成功，更改ACK_Slave的当前电平。这也适用于从MCU发送到主MCU的消息，主MCU会确认接收到该消息，计算并检查CRC值，校验成功，并更改ACK_Master的当前电平。其中，I/O电平的更改为边沿触发；
如图5所示，当收到的一条报文损坏时，ACK(Acknowledge,确认字符)不会改变电平，超时后必须重新传输最后一条消息。下一条消息只有在ACK_Master或ACK_Slave确认成功后才会发送。其中，I/O电平的更改为边沿触发。
通过以上的实施方式的描述，本领域的普通技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法还可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下后者是更佳的实施方式，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通信系统，其特征在于，包括主MCU和从MCU，所述主MCU和从MCU之间采用第一SPI接口和第二SPI接口进行通信；所述第一SPI接口和第二SPI接口根据所执行的任务不同，配置有各自独立的数据帧结构，用于实现主MCU和从MCU之间的信息交互；
所述第一SPI接口和第二SPI接口在MCU之间均配置有两个额外的I/O接口，其中一个I/O接口由主MCU设置，另一个I/O接口由从MCU设置，两所述I/O接口用于主MCU和从MCU间的双向消息确认。
2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述第一SPI接口以固定顺序发送报文，用于主MCU、从MCU之间数据通信及时序同步，数据帧结构如下：
SPI-报文：
Figure 72362DEST_PATH_IMAGE002
其中，帧头表示当前报文是第一SPI接口发送的报文；报文计数器用于记录SPI发送报文值，每发送一条报文，数值加1；数据场类型指示当前报文的协议类型，对应N个字节的数据，接收方不用考虑数据段长度；数据段表示传输数据，最多支持255个字节数据；校验字用于检查数据是否有效的CRC值。
3.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，由所述第一SPI接口发送的报文，数据帧结构的数据场类型包括：Bootloader程序激活指令报文、主MCU的CRC校验响应报文、从MCU的CRC校验响应报文、MCU时序同步命令报文、主MCU发送给从MCU的I/O输出状态，从MCU发送给主MCU的I/O输入状态。
4.根据权利要求2所述的通信系统，其特征在于，所述第二SPI接口以不同顺序传输报文，用于设备日志及故障更新；第二SPI接口传输的报文包括INFO-报文和DATA-报文，每个INFO报文后至少紧随有一个DATA-报文，其中，所述INFO-报文用于启动通信及描述紧随其后的DATA-报文的长度，DATA-报文用于传输数据。
5.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述INFO-报文和DATA-报文的数据帧结构分别如下：
SPI-INFO-报文：
Figure 529888DEST_PATH_IMAGE004
SPI-DATA-报文：
字段内容 帧头 报文计数器 数据场类型 数据段 校验字 字段长度（Byte） 1 1 1 Max.255 2
其中，帧头表示当前报文是第二SPI接口发送的报文；报文计数器，用于记录SPI发送报文值，每发送一条报文，数值加1；数据场类型表示当前报文为INFO或DATA报文；INFO-报文的长度段表示紧接的DATA-报文的数据段长度信息；DATA-报文的数据段表示传输数据；校验字是用于检查数据是否有效的CRC值。
6.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述第二SPI接口发送的报文包括设备日志数据设置、将黑盒数据写入指定内存、从指定内存中读取黑盒数据、主MCU的BootLoader信息报文、从MCU的BootLoader信息报文、主MCU固件版本信息报文、从MCU固件版本信息报文、以及文件系统操作命令报文。
7.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述主MCU还配置有CAN通信接口和RS232通信接口。
8.一种通信方法，其特征在于，所述通信方法由主MCU或从MCU执行，所述主MCU和从MCU通过双路SPI接口通信连接，每个SPI接口配置有两个I/O接口；所述通信方法包括：
根据所执行的任务选择相应的SPI接口向目的MCU发送SPI报文；
通过目的MCU设置的I/O接口接收目的MCU反馈的接收应答报文；
其中，所述接收应答报文由目的MCU对所述SPI报文校验成功后发出；当所述通信方法由主MCU执行时，所述目的MCU指从MCU；当所述通信方法由从MCU执行时，所述目的MCU指主MCU。
9.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，所述目的MCU对所述SPI报文进行校验的方法包括CRC-CCITT校验算法，若校验失败则重新传输当前SPI报文。
10.根据权利要求9所述的通信方法，其特征在于，若校验失败超出设定阈值，则进入异常模式，执行指定的错误处理功能。
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CN114116587A (zh) * 2021-11-30 2022-03-01 上汽通用五菱汽车股份有限公司 车载串行外设接口的交互方法、装置及可读存储介质
CN114116587B (zh) * 2021-11-30 2024-02-13 上汽通用五菱汽车股份有限公司 车载串行外设接口的交互方法、装置及可读存储介质

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