CN113190291A - 一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统及方法，该系统包括可配置协议转换器、接口协议配置器、数据预处理与传输模块和路由器；可配置协议转换器包括可重构接口和片上网络接口控制器。本发明基于片上网络芯片与外部传感器的接口技术，设计了满足连接各种类型模拟/数字接口传感器接入需求的可重构接口电路及其控制器，并在此基础上利用串口进行接口协议可配置，有效解决了不同传感器接口协议不同的问题，而且可配置接口，控制传感器同步采样，实现数据的同步采集。该方法使得数据采集系统具备连接不同接口标准的传感器的能力，从而提升系统的适应范围和灵活性，并且满足了数据采集的同步采集的需要。

Description

一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统及方法

技术领域

本发明涉及片上网络数据采集技术领域，具体涉及一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统及方法。

背景技术

在数据采集系统中，往往需要不同类型不同型号的传感器。而这些传感器的接口方式存在着很大的差异性。这就要求数据采集系统具备连接不同接口标准的传感器的能力，从而提升系统的适应范围和灵活性。

目前机箱式的数据采集单元是依靠替换不同的数据采集模块来实现这一功能的。为了使数据采集器能支持不同的智能传感器通信协议，提高芯片的适用性，因此需要探索如何利用可重构技术来设计芯片与传感器的接口。从而可以通过UART串口更改接口通信协议，满足连接不同类型和接口协议传感器的需要。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统及方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，本发明提出了一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，包括可配置协议转换器、接口协议配置器、数据预处理与传输模块和路由器；

所述可配置协议转换器包括可重构接口和片上网络接口控制器；

所述可重构接口分别与所述接口协议配置器和所述数据预处理与传输模块通信连接，其用于与前端传感器进行数据通信，根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制传感器同步采集，并且根据接口协议配置器提取的端口配置信息将各种总线协议转换为并行数据；

所述片上网络接口控制器分别与所述数据预处理与传输模块和所述路由器通信连接，其用于将传感器采集的数据进行打包，转换为片上网络协议。

该方案的有益效果是：本发明基于片上网络芯片与外部传感器的接口技术，设计了满足连接各种类型模拟/数字接口传感器接入需求的可重构接口电路及其控制器，并在此基础上利用串口进行接口协议可配置，有效解决了不同传感器接口协议不同的问题，而且可配置接口，控制传感器同步采样，实现数据的同步采集。该方法使得数据采集系统具备连接不同接口标准的传感器的能力，从而提升系统的适应范围和灵活性，并且满足了数据采集的同步采集的需要。

进一步地，所述接口协议配置器包括嵌入式处理器和可编程逻辑模块；

所述嵌入式处理器用于通过UART串口与上位机和数据采集节点进行配置信息的通信，并且通过AXI总线与所述可编程逻辑模块进行通信；

所述可编程逻辑模块用于对所述嵌入式处理器传输的UART数据帧进行解包，提取端口配置信息。

该进一步方案的有益效果是：能够通过UART串口完成对不同通道的接口的协议配置。

进一步地，所述UART数据帧具体设置低五位为配置的传感器通道的id配置信息，第六位为需要配置的传感器通道的接口协议配置信息。

该进一步方案的有益效果是：利用五位传感器通道id可最多实现2^5＝32个通道的传感器的接口配置，第六位可实现两种接口协议的转换。

进一步地，所述可重构接口包括并口接口、SPI接口、数据选择器MUX和接口协议控制器；所述数据选择器MUX的输入端分别与所述并口接口和所述SPI接口通信连接，其选择端与所述接口协议控制器通信连接，其输出端与所述片上网络接口控制器通信连接；

所述并口接口和所述SPI接口用于与不同接口协议的前端传感器进行数据通信，同时根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制传感器同步采集，输出采集到的传感器数据、采样信号和数据有效信号；

所述接口协议控制器用于将所述接口协议配置器提取的UART数据帧中需要配置的传感器通道的接口协议的配置信息存储在寄存器中；

所述数据选择器MUX用于读取所述接口协议控制器的配置信息，判断用于选择进入片上网络的数据为SPI接口数据或并口数据，并将选择后的传感器数据送至所述片上网络接口控制器。

该进一步方案的有益效果是：可以实现接口的可配置，选择进入网络的传感器数据为为SPI数据还是并行接口数据

进一步地，所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号包括同步秒脉冲控制信号和同步时钟控制信号。

所述同步秒脉冲控制信号用于将所述并口接口和所述SPI接口的计数器的初始状态对齐，接收到上位机传输的开始工作命令后当同步脉冲为上升沿时同步控制器开始计数，同时拉高同步工作使能。

所述同步时钟控制信号用于控制所述并口接口和所述SPI接口的计数器同步计数，以使计数器产生采样时钟信号控制传感器同步采样。

该进一步方案的有益效果是：通过同步控制信号来完成同步采样的控制。同步秒脉冲来保证所有接口的这个计数器的初始状态对齐，同步时钟来保证所有接口的这个计数器同步进行计数。通过这样的计数器产生的采样时钟信号，就能保证所有前方的传感器同步采样。无论是并口接口还是SPI接口都需要控制前端传感器的采样，达到同步采样。保证数据采集系统采到的是同一时刻的数据。

进一步地，所述片上网络接口控制器包括缓存队列、打包模块和时间戳生成器；所述缓存队列分别与所述打包模块、所述时间戳生成器和所述数据选择器MUX的输出端通信连接；

所述时间戳生成器用于根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号来控制数据同步采集，同时记录数据采集的时间，生成时间戳发送至所述缓存队列；

所述缓存队列用于接收所述数据选择器MUX输出的传感器数据和所述时间戳生成器生成的时间戳进行缓存，并传输至所述打包模块；

所述打包模块用于将传感器地址，传感器数据和时间戳整合为片上网络传输的数据包发送至路由器。

该进一步方案的有益效果是：在片上网络中，网络结构是包交换的直接网络，在数据传输时以数据包进行传输，将传感器数据的相关信息打包成数据包，以便于在片上网络传输。

第二方面，本发明还提出了一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换方法，包括以下步骤：

S1、利用并口接口和SPI接口与不同接口协议的前端传感器进行数据通信，同时根据数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制传感器同步采集，输出采集到的传感器数据、采样信号和数据有效信号；

S2、利用嵌入式处理器通过UART串口与上位机和数据采集节点进行配置信息的通信，并且通过AXI总线传输UART数据帧至可编程逻辑模块，并利用可编程逻辑模块对UART数据帧进行解包，提取端口配置信息；

S3、利用接口协议控制器将接口协议配置器提取的UART数据帧中需要配置的传感器通道的接口协议的配置信息存储在寄存器中；

S4、利用数据选择器MUX读取所述接口协议控制器的配置信息，判断用于选择进入片上网络的数据为SPI接口数据或并口数据，并将选择后的传感器数据送至片上网络接口控制器；

S5、利用时间戳生成器根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号来控制数据同步采集，同时记录数据采集的时间，生成时间戳发送至所述缓存队列；

S6、利用缓存队列接收数据选择器MUX输出的传感器数据和时间戳生成器生成的时间戳进行缓存，并传输至打包模块；

S7、利用打包模块将传感器地址，传感器数据和时间戳整合为片上网络传输的数据包发送至路由器。

该方案的有益效果是：在数据采集系统中，往往需要不同类型不同型号的传感器。而这些传感器的接口方式存在着很大的差异性。这就要求数据采集系统具备连接不同接口标准的传感器的能力，从而提升系统的适应范围和灵活性。而基于片上网络的采集系统可以将片上网络领域已研究多年的成果迁移到数据采集领域，解决大规模数据采集系统中不同采样通道接口协议不同的问题。

附图说明

图1为本发明的可配置协议转换系统结构示意图；

图2为本发明的接口协议配置器结构示意图；

图3为本发明的UART数据帧结构示意图；

图4为本发明的可配置协议转换方法流程示意图；

图5为本发明的可配置接口工作流程示意图；

图6为本发明的同步工作使能生成流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，包括可配置协议转换器、接口协议配置器、数据预处理与传输模块和路由器；

可配置协议转换器包括可重构接口和片上网络接口控制器；

可重构接口分别与接口协议配置器和数据预处理与传输模块通信连接，其用于与前端传感器进行数据通信，根据数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制传感器同步采集，并且根据接口协议配置器提取的端口配置信息将各种总线协议转换为并行数据；

片上网络接口控制器分别与数据预处理与传输模块和所述路由器通信连接，其用于将传感器采集的数据进行打包，转换为片上网络协议。

在本实施例中，接口协议配置器包括嵌入式处理器和可编程逻辑模块；

嵌入式处理器用于通过UART串口与上位机和数据采集节点进行配置信息的通信，并且通过AXI总线与可编程逻辑模块进行通信；

可编程逻辑模块用于对嵌入式处理器传输的UART数据帧进行解包，提取端口配置信息。

在设计可配置接口时，最关键的问题就是如何完成协议可配置。为了完成协议可配置，既需要上位机与数据采集处理节点进行通信，又需要通过上位机传来的数据对接口进行配置。如图2所示，本发明采用UART串口完成上位机和数据采集节点进行配置信息的通信。整个通信问题由接口协议配置器来实现。上位机通过串口和处理器连接，再通过AXI接口完成嵌入式处理器端和可编程逻辑端的通信，最后在对UART数据帧进行解包，提取出对端口的配置信息。

并且本发明对UART数据帧结构进行了相应设计，如图3所示，每个UART数据帧就是一个字节，其中低五位表示指定本次通信需要配置的传感器通道的id配置信息，第六位表示需要配置的传感器通道的接口协议配置信息，放入配置寄存器寄存起来，作为接口协议控制器对可配置协议进行配置。例如，当第六位为0时，为并口协议；当第六位为1时为SPI协议。当上位机想配置多个数据通道时，一次性将对应的所有数据帧通过UART串口发送即可。

在本实施例中，可重构接口包括并口接口、SPI接口、数据选择器MUX和接口协议控制器。

数据选择器MUX的输入端分别与并口接口和SPI接口通信连接，数据选择器MUX的选择端与接口协议控制器通信连接，数据选择器MUX的输出端与片上网络接口控制器通信连接。

并口接口和SPI接口用于与不同接口协议的前端传感器进行数据通信，同时根据数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制传感器同步采集，输出采集到的传感器数据、采样信号和数据有效信号；

接口协议控制器用于将接口协议配置器提取的UART数据帧中需要配置的传感器通道的接口协议配置信息存储在寄存器中；

数据选择器MUX为二选一多路选择器，其用于读取接口协议控制器的配置信息，判断用于选择进入片上网络的数据为SPI接口数据或并口数据，并将选择后的传感器数据送至片上网络接口控制器。

本发明预设两个可以进行协议转换的接口，一个是并口接口，一个是SPI接口。无论是并口接口还是SPI接口，其输出都是传感器采集到的数据、采样信号与数据有效信号。这两路信号接入一个二选一的数据选择器MUX上，如图1所示，接口协议控制器的寄存器的对应地址的协议配置位作为MUX的选择端来控制来接入不同接口数据，从而实现可重构接口的配置。

本发明的可重构接口除了要实现接口协议可配置之外，还需要完成同步采样的控制。无论是并口接口还是SPI接口都需要控制前端传感器的采样，达到同步采样。两种接口都是受到同步控制信号的控制，包括同步秒脉冲控制信号和同步时钟控制信号。两种接口都是通过计数器来产生控制传感器中ADC采样的时钟。

同步秒脉冲控制信号用于将并口接口和SPI接口的计数器的初始状态对齐，接收到上位机传输的开始工作命令后当同步脉冲为上升沿时同步控制器开始计数，同时拉高同步工作使能。

同步时钟控制信号用于控制并口接口和SPI接口的计数器同步计数，保证所有接口的这个计数器同步进行计数；通过这样的计数器产生的采样时钟信号，就能保证所有前方的传感器同步采样。

在本实施例中，片上网络接口控制器包括缓存队列、打包模块和时间戳生成器；缓存队列分别与打包模块、时间戳生成器和数据选择器MUX的输出端通信连接；

时间戳生成器用于根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号来控制数据同步采集，同时记录数据采集的时间，生成时间戳发送至缓存队列；

缓存队列用于接收数据选择器MUX输出的传感器数据和时间戳生成器生成的时间戳进行缓存，并传输至打包模块；

打包模块用于将传感器地址，传感器数据和时间戳整合为片上网络传输的数据包发送至路由器。

实施例2

基于实施例1描述的可配置协议转换系统，本发明还提出了一种应用该系统的可配置协议转换方法，如图4所示，包括以下步骤S1至S7：

S1、利用并口接口和SPI接口与不同接口协议的前端传感器进行数据通信，同时根据数据预处理与传输模块发送的控制信号控制传感器同步采集，输出采集到的传感器数据、采样信号和数据有效信号；

S2、利用嵌入式处理器通过UART串口与上位机和数据采集节点进行配置信息的通信，并且通过AXI总线传输UART数据帧至可编程逻辑模块，并利用可编程逻辑模块对UART数据帧进行解包，提取端口配置信息；

S3、利用接口协议控制器将接口协议配置器提取的UART数据帧中需要配置的传感器通道的接口协议配置信息存储在寄存器的对应地址；

S4、利用数据选择器MUX读取接口协议控制器的配置信息，判断用于选择进入片上网络的数据为SPI接口数据或并口数据，并将选择后的传感器数据送至片上网络接口控制器；

S5、利用时间戳生成器根据数据预处理与传输模块发送的同步控制信号来控制数据同步采集，同时记录数据采集的时间，生成时间戳发送至缓存队列；

S6、利用缓存队列接收数据选择器MUX输出的传感器数据和时间戳生成器生成的时间戳进行缓存，并传输至打包模块；

S7、利用打包模块将传感器地址，传感器数据和时间戳整合为片上网络传输的数据包发送至路由器。

本实施例中，可配置接口的工作流程如图5所示，对于要配置第二个通道为SPI协议，流程如下：

1)上位机与串口通信，发送0100 0010到串口；

2)串口收到数据帧，并缓存到FIFO中，并将数据帧的第六位储存到接口协议控制器的寄存器中；

3)读取数据帧的后五位00010，确定配置通道为第二个通道，其他通道保持不变；

4)数据帧的第六位为1，确定第二个通道被配置的接口协议为SPI协议。

当上位机发来开始采样的指令之后，配合同步秒脉冲产生同步工作使能，如图6所示，流程如下：

1)接收到上位机来的“开始工作”命令，检测同步脉冲是否为上升沿；

2)若不是，继续等待，直到同步脉冲上升沿执行步骤3)；

3)若是，同步控制器开始计数，同时拉高同步工作使能。

本发明中芯片与传感器的接口可配置，能够连接不同类型和接口协议的传感器；这使得数据采集系统具备连接不同接口标准的传感器的能力，从而提升系统的适应范围和灵活性。另外，可配置接口控制传感器同步采样，实现数据的同步采集。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，其特征在于，包括可配置协议转换器、接口协议配置器、数据预处理与传输模块和路由器；

所述可配置协议转换器包括可重构接口和片上网络接口控制器；

所述可重构接口分别与所述接口协议配置器和所述数据预处理与传输模块通信连接，其用于与前端传感器进行数据通信，根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制传感器同步采集，并且根据接口协议配置器提取的端口配置信息将各种总线协议转换为并行数据；

所述片上网络接口控制器分别与所述数据预处理与传输模块和所述路由器通信连接，其用于将传感器采集的数据进行打包，转换为片上网络协议。

2.根据权利要求1所述的基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，其特征在于，所述接口协议配置器包括嵌入式处理器和可编程逻辑模块；

所述嵌入式处理器用于通过UART串口与上位机和数据采集节点进行配置信息的通信，并且通过AXI总线与所述可编程逻辑模块进行通信；

所述可编程逻辑模块用于对所述嵌入式处理器传输的UART数据帧进行解包，提取端口配置信息。

3.根据权利要求2所述的基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，其特征在于，所述UART数据帧具体设置低五位为配置的传感器通道的id配置信息，第六位为需要配置的传感器通道的接口协议配置信息。

4.根据权利要求3所述的基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，其特征在于，所述可重构接口包括并口接口、SPI接口、数据选择器MUX和接口协议控制器；所述数据选择器MUX的输入端分别与所述并口接口和所述SPI接口通信连接，其选择端与所述接口协议控制器通信连接，其输出端与所述片上网络接口控制器通信连接；

所述并口接口和所述SPI接口用于与不同接口协议的前端传感器进行数据通信，同时根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制传感器同步采集，输出采集到的传感器数据；

所述接口协议控制器用于将所述接口协议配置器提取的UART数据帧中需要配置的传感器通道的接口协议的配置信息存储在寄存器中；

所述数据选择器MUX用于读取所述接口协议控制器的配置信息，判断用于选择进入片上网络的数据为SPI接口数据或并口数据，并将选择后的传感器数据送至所述片上网络接口控制器。

5.根据权利要求4所述的基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，其特征在于，所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号包括同步秒脉冲控制信号和同步时钟控制信号。

6.根据权利要求5所述的基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，其特征在于，所述同步秒脉冲控制信号用于将所述并口接口和所述SPI接口的计数器的初始状态对齐，接收到上位机传输的开始工作命令后当同步脉冲为上升沿时同步控制器开始计数，同时拉高同步工作使能。

7.根据权利要求6所述的基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，其特征在于，所述同步时钟控制信号用于控制所述并口接口和所述SPI接口的计数器同步计数，以使计数器产生采样时钟信号控制传感器同步采样。

8.根据权利要求7所述的基于片上网络数据采集的可配置协议转换系统，其特征在于，所述片上网络接口控制器包括缓存队列、打包模块和时间戳生成器；所述缓存队列分别与所述打包模块、所述时间戳生成器和所述数据选择器MUX的输出端通信连接；

所述时间戳生成器用于根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制数据同步采集，同时记录数据采集的时间，生成时间戳发送至所述缓存队列；

所述缓存队列用于接收所述数据选择器MUX输出的传感器数据和所述时间戳生成器生成的时间戳进行缓存，并传输至所述打包模块；

所述打包模块用于将传感器地址、传感器数据和时间戳整合为片上网络传输的数据包发送至路由器。

9.一种基于片上网络数据采集的可配置协议转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用并口接口和SPI接口与不同接口协议的前端传感器进行数据通信，同时根据数据预处理与传输模块发送的同步控制信号控制传感器同步采集，输出采集到的传感器数据、采样信号和数据有效信号；

S2、利用嵌入式处理器通过UART串口与上位机和数据采集节点进行配置信息的通信，并且通过AXI总线传输UART数据帧至可编程逻辑模块，并利用可编程逻辑模块对UART数据帧进行解包，提取端口配置信息；

S3、利用接口协议控制器将接口协议配置器提取的UART数据帧中需要配置的传感器通道的接口协议的配置信息存储在寄存器中；

S4、利用数据选择器MUX读取接口协议控制器的配置信息，来判断用于选择进入片上网络的数据是SPI接口数据还是并口数据，将选择后的传感器数据送至片上网络接口控制器；

S5、利用时间戳生成器根据所述数据预处理与传输模块发送的同步控制信号来控制数据同步采集，同时记录数据采集的时间，生成时间戳发送至缓存队列；

S6、利用缓存队列接收数据选择器MUX输出的传感器数据和时间戳生成器生成的时间戳进行缓存，并传输至打包模块；

S7、利用打包模块将传感器地址、传感器数据和时间戳整合为片上网络传输的数据包发送至路由器。

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