CN115277298B - 串行总线上实现两信道独立通讯方法 - Google Patents

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Abstract

串行总线上实现两信道独立通讯方法，包括如下步骤；任意两设备通过慢帧在总线上进行通讯；任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里通过上述总线进行通讯，以使单条总线上实现两个信道同时传送。本申请的方案是在同一条物理总线上同时开辟了两路通讯，在相同时间段内，它们之间能独立传送不同内容信息，互不干扰。其特点是由一个或多个高速率的数据帧嵌入正在总线上运行的低速数据帧来形成新的信道，低速数据帧传递低速信道信息，高速率数据帧传递高速信道信息，两者是嵌套关系。它们彼此的信息内容完全独立不会相互干扰。高速率数据帧简称快帧，低速率数据帧简称慢帧。

Description

串行总线上实现两信道独立通讯方法
技术领域
本发明涉及数字通讯技术领域，尤其涉及串行总线上实现两信道独立通讯方法。
背景技术
在汽车控制和工业自动化控制系统里，需要通讯控制总线，包括RS485、CAN、LIN这些技术和协议，这些总线极大简化了设备系统设备之间的连接。但是目前的总线技术都是单信道通讯，例如总线上挂着A、B、C、D、E、F六组设备，当设备A和设备B在通讯时，设备C、D、E、F只能在等待总线空闲。而且此刻哪怕设备C、D、E、F设备之间有紧急事务要通讯，或者它们有紧急事件发送到设备A或设备B，也只能干等，这样会导致一些紧急事件得不到及时响应，在汽车总线系统上运用会影响到行车安全和行车体验，在工业生产控制上会影响制造精度和运行速度。
发明内容
为解决上述问题，本技术方案提供串行总线上实现两信道独立通讯方法。
为实现上述目的，本技术方案如下：
串行总线上实现两信道独立通讯方法，包括如下步骤；
任意两设备通过慢帧在总线上进行通讯；
任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里通过上述总线进行通讯，以使单条总线上实现两个信道同时传送。
在一些实施例中，所述步骤任意两设备通过慢帧在总线上进行通讯包括如下步骤；
设备发送信号；
信号电平处理拉高逻辑0位中后段电平，以形成慢帧；
以慢帧速率向总线发送信息，形成慢帧电平，以被相对应的设备接收。
在一些实施例中，所述步骤任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里通过上述总线进行通讯为设备使用快帧速率在合适的实际嵌套入慢帧进行通讯，以被相对应的设备接收。
在一些实施例中，所述步骤任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里前还包括对多个设备进行优先级与仲裁处理，以选择出参与通讯的设备。
在一些实施例中，所述慢帧的枕头包含两种通讯码率信息，用于通讯时自动识别通讯比特率，其位宽为一个LS_bit，其前半程是低电平或隐性电平，半程过后，跟随一个高电平HS_bit 、一个低电平HS_bit以及一个低电平HS_bit，之后直到慢帧数据位的位宽结束才拉高电平，慢帧的逻辑1为高电平或隐性电平，逻辑0为低电平或显性电平，每个低速数据位LS_bit启始时刻之后一个HS_bit时间段内的电平，用来确定该低速帧数据位的逻辑电平。
在一些实施例中，还包括如下步骤；
低速帧启始位之后，高速帧可以在低速帧任何位启始加一个HS_bit之后的时刻插入，总线上所有设备如果需要用高速帧通讯，需要检测总线高速信道是否空闲，空闲可自主建立高速帧启始位开始通讯，也可以在其他设备建立了高速帧启始位以后同步发送数据，总线会根据竞争优先原则仲裁，让优先权最高的设备先行通讯。
在一些实施例中，每个所述慢帧位嵌入10个快帧位，其中1个快帧位用于表达慢帧的电平高低，而另外9个快帧位，组成1个字节的有效信息和最后一个位的连接信息。连接信息位为0，表示快帧尚未结束，连接位信息位1，表示快帧已完成。
在一些实施例中，所述步骤对多个设备进行优先级与仲裁处理包括如下步骤；
设备与总线进行监听；
当总线信号电平与设备发送电平不一致时，自动退出竞争，等候下一帧通讯再加入。
本申请有益效果为：
本技术方案适用于有线通讯，适用于单线半双工的CMOS和TTL电平线路通讯，也适用于通过差分双绞线进行的高抗干扰远距离差分线路通讯。本申请的方案是在同一条物理总线上同时开辟了两路通讯，在相同时间段内，它们之间能独立传送不同内容信息，互不干扰。
其特点是由一个或多个高速率的数据帧嵌入正在总线上运行的低速数据帧来形成新的信道，低速数据帧传递低速信道信息，高速率数据帧传递高速信道信息，两者是嵌套关系。它们彼此的信息内容完全独立不会相互干扰。高速率数据帧简称快帧，低速率数据帧简称慢帧。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例的模组示意框图。
图2为本发明实施例的波形示意图。
图3为本发明实施例的竞争仲裁示意图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1-3所示，串行总线上实现两信道独立通讯方法，包括如下步骤；
任意两设备通过慢帧在总线上进行通讯；
任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里通过上述总线进行通讯，以使单条总线上实现两个信道同时传送，快帧采用更短的帧长，以达到更强的实时性。满足汽车或自动化设备对紧急事件的处理需求，慢帧用于采集对实时性要求不高的慢变化数据参数，或执行不需要迅速响应的动作指令。快帧用于传送一些突发异常变化的数据参数，或传递需要执行迅速响应的动作指令。
总线上所有设备如果需要用快帧通讯，需要检测总线高速信道是否快空闲，空闲可自主建立高速帧启始位开始通讯，也可以在其他设备建立了快帧启始位以后同步发送数据，总线会根据竞争优先原则仲裁，让优先权最高的设备先行通讯。
一个慢帧数据位里有包含N个快帧数据位，N为整数，一个慢帧可以被多个快帧嵌入。
慢帧结束后，如果快帧还未结束，需要等待慢帧结束才启动下一帧通讯。而快帧结束后，可立即进行下一帧通讯，不必等待慢帧结束。
慢帧帧头启始位采用特殊电平组合，这些电平包含有慢帧比特率和快帧比特率信息。
快帧和慢帧可以走不同的通讯协议，慢帧可以走各种通讯协议，而快帧走的通讯协议需要有竞争和仲裁机制。
快帧和慢帧在总线上的传输时序都是以慢帧帧头为基准。
为了更好的说明，本申请举例说明，请参考图1，当设备A和B在通讯时，C、D、E、F设备中可以同时用同一套总线线路开启另一信道通讯，例如开启C和E之间的新信道，而且不用中断原来A和B之间的通讯。新开启的通讯信道如果有多个设备发起，还可以通过一定规则竞争和仲裁，让最紧急的通讯需求得到优先。例如当A和B在通讯的时候，此时C和E需要通讯，同时D却有更紧急的信息需要发到E，D将用更高级别的优先级竞争得到优先权进行通讯，而C则退出竞争，排队下一帧通讯。
上述设备A和B之间的通讯，属于低比特率基础通讯，简称低速通讯，它的数据帧简称慢帧，它的数据位简称LS_bit，而后者C与D和其他通讯，属于高比特率紧急通讯，简称高速通讯，它的数据帧简称快帧，它的数据位简称HS_bit 。
关于总线电平电压标准：高电平和低电平参考TTL电平和CMOS电平电压标准，显性电平和隐性电平则参考CAN总线相关标准或RS485总线相关标准
在本实施例中，所述步骤任意两设备通过慢帧在总线上进行通讯包括如下步骤；
设备发送信号；
信号电平处理拉高逻辑0位中后段电平，以形成慢帧；
以慢帧速率向总线发送信息，形成慢帧电平，以被相对应的设备接收。
在本实施例中，所述步骤任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里通过上述总线进行通讯为设备使用快帧速率在合适的实际嵌套入慢帧进行通讯，以被相对应的设备接收。
请参阅图1，图1展示本发明的功能实现方式以及与现有方案比较体现出的优点，图1上半部分常规单信道总线通讯情况下，当设备A个设备B发送数据进行通讯的时候，其他设备只能排队等候，即使其他设备有很紧急很关键的事务要通讯处理，也只能等。此时系统的反应速度会明显变慢，对紧急事件的处理会不及时。这个情况在汽车应用里将是致命的缺陷。图1下半部分改善了这种情况，当设备A和设备B在通讯时，C有紧急数据要发给D,C可以启用紧急高信道，用快帧速率嵌入正在通讯的信道，把数据发到总线上，这些数据第一时间就能被D接收到。把原来超过1帧的响应延迟，缩短到1个位。而且不用打断原来的通讯信道。这就极大的提高了系统的响应速度。图1还展示了另外一种情况。当设备C有紧急数据发送时，有可能设备E也同时需要通讯。我们引入了竞争机制来解决这种需求。总线会仲裁C和E的优先级，让优先级高的设备先通讯。被淘汰的设备可参与下一帧的竞争。
在本实施例中，所述步骤任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里前还包括对多个设备进行优先级与仲裁处理，以选择出参与通讯的设备。
在本实施例中，所述慢帧的枕头包含两种通讯码率信息，用于通讯时自动识别通讯比特率，其位宽为一个LS_bit，其前半程是低电平或隐性电平，半程过后，跟随一个高电平HS_bit 、一个低电平HS_bit以及一个低电平HS_bit，之后直到慢帧数据位的位宽结束才拉高电平，慢帧的逻辑1为高电平或隐性电平，逻辑0为低电平或显性电平，每个低速数据位LS_bit启始时刻之后一个HS_bit时间段内的电平，用来确定该低速帧数据位的逻辑电平。
本申请制定有一定的标准，通过这些标准，让两个信道的信息在同一条总线上能互不干扰地传输：
1.快帧嵌套在慢帧里，每个低速位LS_bit包含N个高速位HS_bit ，N一般位8、10、16、32等。
2.显性电平等效于低电平，隐性电平等效于高电平，提及低电平等效于提及显性电平，而提及高电平等效于提及隐性电平，下同。慢帧帧头由特殊电平组合而成，它们包含两种通讯码率信息。这些信息用于通讯时自动识别通讯比特率。其位宽为1个LS_bit，其前半程是低电平或隐性电平，半程过后，跟随1个高电平HS_bit + 1个低电平HS_bit + 1个低电平HS_bit，之后直到慢帧数据位的位宽结束才拉高电平。参考图2，慢帧的逻辑1为高电平或隐性电平，逻辑0为低电平或显性电平。每个低速数据位LS_bit启始时刻之后1个HS_bit时间段内的电平，用来确定该低速帧数据位的逻辑电平。高速帧数据禁止插入此位置。
3.低速帧启始位之后，高速帧可以在低速帧任何位启始+1HS_bit之后的时刻插入，总线上所有设备如果需要用高速帧通讯，需要检测总线高速信道是否空闲，空闲可自主建立高速帧启始位开始通讯，也可以在其他设备建立了高速帧启始位以后同步发送数据，总线会根据竞争优先原则仲裁，让优先权最高的设备先行通讯。
4.低速帧结束后，如果高速帧还未结束，需要等待高速帧结束才启动下一帧通讯。而高速帧结束后，可立即进行下一帧通讯，不必等待低速帧结束。一个低速帧里可以被多个高速帧嵌入。
5.总线信号波形特别说明：
高速位逻辑1转到低速位逻辑1：总线上一直输出高电平；
高速位逻辑0转到低速位逻辑1：总线上先低电平后高电平；
高速位逻辑0转到低速位逻辑0：低电平之后再维持一个高速位的低电平，再拉高电平；
高速位逻辑1转到低速位逻辑0：高电平之后拉低维持一个高速位的低电平，再拉高电平。
慢帧用于采集对实时性要求不高的慢变化数据参数，或执行不需要迅速响应的动作。数据长度可以长达256字节，比特率通常在100Kb/s以内.
快帧用于传送一些突发异常变化的数据参数，或传递需要执行迅速响应的动作指令，其比特率通常会高于500Kb/s,甚至达到10Mb/s.通常我们定义它的码率是基础通讯的整数倍。
原则上，对不同的通讯设备，如果通讯对象没有冲突，两路通讯虽然都建立在同一条（组）总线上，但是它们需要做到互不干扰。但是如果通讯设备间有冲突，例如设备A向设备B发送数据的时候设备C也在向设备B发送数据，此时如果设备B的MCU资源足够，设备B就可以同时处理两组信息。否则它可以丢弃低速通讯数据来响应高速通讯数据。
请参考图2，详细说明嵌套过程，在本实施例中，图2展示本发明实施例对信号的嵌套处理过程，图2分上、中、下三部分波形。上部分波形为常规串行总线单信道电平波形，中部分波形为整形后的慢帧电平波形。整形的原则是空出来慢帧位多余位置，以方便嵌入快帧数据。我们规定每个慢帧位开始到慢帧位加上一个快帧位的时间段，为该慢帧位的有效信息段。剩余的慢帧位里其他位置，都可以嵌入快帧数据信息。中部分的波形特征高电平，高电平跟常规总线波形一样，而低电平位只是在位启始阶段拉低电平，在一个快帧位时间过后，就放开总线拉高了电平。图2也展示了慢帧位的帧头的特殊波形。它从拉低电平开始，过半个慢帧位时间就拉高并维持一个快帧位的时间长度，之后在跟随1个快帧位的低电平，1个快帧位的高电平，再拉低电平直到慢帧位结束。图2的下部分展示快帧嵌入慢帧后的混合波形。其特征是每个慢帧位都嵌入相同数量的快帧位信息。本实施例是每1个慢帧位嵌入10个快帧位，其中1个快帧位用于表达慢帧的电平高低，而另外9个快帧位，组成1个字节的有效信息和最后一个位的连接信息。连接信息位为0，表示快帧尚未结束，连接位信息位1，表示快帧已完成。图2展示快帧通过0xfe+位信息0作为帧头，0xfe+位信息1作为帧尾，实际运用中，可以采用别的帧封装形式。图2同时也展示了：一个慢帧可以包含1个或多个快帧。慢帧结束后还等到快帧结束才开启下一帧数据。
在本实施例中，所述步骤对多个设备进行优先级与仲裁处理包括如下步骤；
设备与总线进行监听；
当总线信号电平与设备发送电平不一致时，自动退出竞争，等候下一帧通讯再加入。
请参阅图3，图三展示当多个设备需要快帧通讯时的竞争与仲裁机制，当设备C和设备E同时有紧急通讯要求，如图所示，它们往总线发送信息的时候，同时会监听总线的信号，当总线信号电平与自己发送的电平不一致时，便自动退出竞争，等候下一帧通讯再加入竞争。图示的情形，是设备E退出竞争的情形
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请实施的范围，其他凡其原理和基本结构与本申请相同或近似的，均在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.串行总线上实现两信道独立通讯方法，其特征在于，包括如下步骤；
任意两设备通过慢帧在总线上进行通讯；
任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里通过上述总线进行通讯，以使单条总线上实现两个信道同时传送；
所述慢帧的帧头包含两种通讯码率信息，用于通讯时自动识别通讯比特率，其位宽为一个LS_bit，其前半程是低电平或隐性电平，半程过后，跟随一个高电平HS_bit、一个低电平HS_bit以及一个低电平HS_bit，之后直到慢帧数据位的位宽结束才拉高电平，慢帧的逻辑1为高电平或隐性电平，逻辑0为低电平或显性电平，每个低速数据位LS_bit启始时刻之后一个HS_bit时间段内的电平，用来确定低速帧数据位的逻辑电平；
其中快帧为高速率数据帧，它的数据位为HS_bit，慢帧为低速率数据帧，它的数据位为LS_bit；
一个慢帧数据位里有包含N个快帧数据位，N为整数；
还包括如下步骤；
低速帧启始位之后，高速帧在低速帧任何位启始加一个HS_bit之后的时刻插入，总线上所有设备如果需要用高速帧通讯，需要检测总线高速信道是否空闲，空闲可自主建立高速帧启始位开始通讯，或在其他设备建立了高速帧启始位以后同步发送数据，总线会根据竞争优先原则仲裁，让优先权最高的设备先行通讯。
2.根据权利要求1所述的串行总线上实现两信道独立通讯方法，其特征在于：所述步骤任意两设备通过慢帧在总线上进行通讯包括如下步骤；
设备发送信号；
信号电平处理拉高逻辑0位中后段电平，以形成慢帧；
以慢帧速率向总线发送信息，形成慢帧电平，以被相对应的设备接收。
3.根据权利要求2所述的串行总线上实现两信道独立通讯方法，其特征在于：所述步骤任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里通过上述总线进行通讯为设备使用快帧速率嵌套入慢帧进行通讯，以被相对应的设备接收。
4.根据权利要求3所述的串行总线上实现两信道独立通讯方法，其特征在于：所述步骤任意两设备通过快帧嵌套在慢帧里前还包括对多个设备进行优先级与仲裁处理，以选择出参与通讯的设备。
5.根据权利要求1所述的串行总线上实现两信道独立通讯方法，其特征在于：每个所述慢帧位嵌入10个快帧位，其中1个快帧位用于表达慢帧的电平高低，而另外9个快帧位，组成1个字节的有效信息和最后一个位的连接信息，连接信息位为0，表示快帧尚未结束，连接位信息位1，表示快帧已完成。
6.根据权利要求5所述的串行总线上实现两信道独立通讯方法，其特征在于：所述步骤对多个设备进行优先级与仲裁处理包括如下步骤；
设备与总线进行监听；
当总线信号电平与设备发送电平不一致时，自动退出竞争，等候下一帧通讯再加入。
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