CN115277870B - 通信数据处理装置和数据通信装置及对应方法、通信系统 - Google Patents

通信数据处理装置和数据通信装置及对应方法、通信系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种通信数据处理装置及方法、数据通信装置及方法、通信系统。该通信数据处理装置包括数据处理单元、主控单元和双端口存储单元。数据处理单元被配置为：以第一时钟频率接收M个设备数据帧；以及基于所接收的M个设备数据帧中的每一个，提取对应于mi个数据段的mi个设备数据，并且以第一时钟频率经由双端口存储单元的第一端口向其写入该mi个设备数据。双端口存储单元分别与数据处理单元和主控单元通过第一端口和第二端口连接。主控单元被配置为以第二时钟频率经由该双端口存储单元的第二端口读取该双端口存储单元中所存储的设备数据。可以提高通信的实时性和灵活性，并且使通信过程具有更好的数据保密特性，实现两个时钟域的读写协作。

Description

通信数据处理装置和数据通信装置及对应方法、通信系统
技术领域
本公开涉及一种通信数据处理装置及方法、数据通信装置及方法、通信系统。
背景技术
在马达保护和工业控制等领域，存在通过控制设备经由有线或无线网络连接远程终端设备并对终端设备进行控制的应用场景。通常，终端设备通过其自身的传感器采集相关传感器数据，并将该传感器数据远程传送给控制设备，而控制设备基于该传感器数据产生执行器数据，并将该执行器数据远程传送给终端设备以通过终端设备上的执行器对其进行控制。传统上，这些传感器数据和执行器数据的传送方式是使用Modbus/CAN等传统通信协议和拓扑结构。然而，目前的传送方式仍然不够灵活、速度不够快。
发明内容
本公开涉及一种通信数据处理装置及方法、通信系统，可以提高数据传输和处理的实时性和灵活性。
根据本公开的第一方面，提供了一种通信数据处理装置，该通信数据处理装置包括数据处理单元、主控单元和双端口存储单元。数据处理单元被配置为：以第一时钟频率接收M个设备数据帧，其中每个设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个设备数据帧的mi个数据段中的每一个承载与mi个被控设备相关联的设备数据中的每一个，其中M是大于或等于1的正整数，并且对应于被控设备的分组数，mi是大于或等于2的正整数，并且对应于每个分组中的被控设备的数量，1≤i≤M；和基于所接收的M个设备数据帧中的每一个，提取对应于mi个数据段的mi个设备数据，并且以第一时钟频率经由双端口存储单元的第一端口向该双端口存储单元写入该mi个设备数据。该双端口存储单元通过该第一端口与该数据处理单元连接，通过第二端口与该主控单元连接。该主控单元被配置为以第二时钟频率经由该双端口存储单元的该第二端口读取该双端口存储单元中所存储的设备数据。
根据本公开的第二方面，提供了一种通信数据处理方法。该通信数据处理方法包括：由数据处理单元以第一时钟频率接收M个设备数据帧，其中每个设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个设备数据帧的mi个数据段中的每一个承载与mi个被控设备相关联的设备数据中的每一个，其中M是大于或等于1的正整数，并且对应于被控设备的分组数，mi是大于或等于2的正整数，并且对应于每个分组中的被控设备的数量，1≤i≤M；由数据处理单元基于所接收的M个设备数据帧中的每一个，提取对应于mi个数据段的mi个设备数据，并且以第一时钟频率经由双端口存储单元的第一端口向该双端口存储单元写入该mi个设备数据；以及由主控单元以第二时钟频率经由该双端口存储单元的第二端口读取该双端口存储单元中所存储的设备数据。
根据本公开的第三方面，提供了一种数据通信装置，该通信数据处理装置包括数据接收单元、数据帧生成单元和数据帧发送单元。该数据接收单元被配置为接收与n个被控设备相关联的n个设备数据，其中n是大于或等于2的正整数。该数据帧生成单元被配置为基于该n个设备数据，生成设备数据帧，其中该设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，该n个数据段中的每一个承载该n个设备数据中的每一个。该数据帧发送单元被配置为以第一时钟频率发送该设备数据帧。
根据本公开的第四方面，提供了一种数据通信方法。该数据通信方法包括：由数据接收单元接收与n个被控设备相关联的n个设备数据，其中n是大于或等于2的正整数；由数据帧生成单元基于所述n个设备数据，生成设备数据帧，其中该设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，所述n个数据段中的每一个承载该n个设备数据中的每一个；以及由数据帧发送单元以第一时钟频率发送该设备数据帧。
根据本公开的第五方面，提供了一种通信系统，其包括上述第一方面的通信数据处理装置和上述第三方面的数据通信装置，其中第一方面的通信数据处理装置从第三方面的数据通信装置接收设备数据帧，并向第二方面的数据通信装置发送控制数据帧。
根据本公开的实施例的通信数据处理装置、方法以及通信系统，可以提高通信的实时性和灵活性，并且使通信过程具有更好的数据保密特性和实现两个时钟域的读写协作。
附图说明
通过下面结合附图对实施例的描述，本公开的方面、特征和优点将变得更加清楚和容易理解，其中：
图1是根据本公开的实施例所应用的场景的示意图；
图2示意性地示出了设备数据帧和控制数据帧；
图3是根据本公开实施例的控制设备侧的通信数据处理装置的示意图；
图4示出了根据本公开实施例的设备数据和控制数据的存储方式以及设备数据与设备数据帧之间的映射关系、控制数据与控制数据帧之间的映射关系；
图5是根据本公开实施例的远程被控设备侧的数据通信装置的示意图；
图6是根据本公开实施例的通信数据处理方法的流程图；以及
图7是根据本公开实施例的数据通信方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考本公开的示例性实施例对本公开进行详细描述。然而，本公开不限于这里所描述的实施例，其可以以许多不同的形式来实施。所描述的实施例仅用于使本公开彻底和完整，并全面地向本领域的技术人员传递本公开的构思。所描述的各个实施例的特征可以互相组合或替换，除非明确排除或根据上下文应当排除。
传统的通信系统中存在需要进行数据交互的设备，例如控制设备和被控设备。控制设备通过有线或无线网络连接远程的被控设备，被控设备上的单片机再通过一些标准的通信接口连接传感器和执行器。如上所述，诸如传感器数据和执行器数据的数据传输和处理方式是使用Modbus/CAN等传统通信协议和拓扑结构。由于诸如Modbus/CAN的传统通信协议具有标准的帧结构，其中数据段可以承载的数据(即有效载荷)比较少，并且数据帧的生成和传输速率受限(例如，CAN通信协议中，数据帧的生成和传输速率最大为1Mbps)，因此整个通信系统的访问和处理速度通常比较慢，实时性不高。因此，在诸如电机控制、闭环PID反馈控制等需要根据采集的传感器数据快速调整执行器的动作的应用中，不适合使用Modbus/CAN等传统通信协议和拓扑结构。此外，基于Modbus/CAN通信协议的系统中，对于网络节点的数量和组网架构有较多限制，灵活性不高。
可编程逻辑器件(Programmable Logic Device，PLD)因其能够提供范围广泛的多种逻辑功能、特性和速度而得到广泛应用。PLD的逻辑功能可在任何时间由设计人员通过重新编程而改变，从而完成许多种不同的功能。PLD的两种主要类型是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)和复杂可编程逻辑器件(Complex ProgrammableLogic Device，CPLD)。
双端口随机存储器(Dual Port Random Access Memory，DPRAM)的特点是可以通过两个端口同时访问，具有两套完全独立的数据总线、地址总线和读写控制线，通常用于两个处理器之间交互数据。DPRAM的优点是通信速度快、实时性强、接口简单，而且两个处理器都可主动进行数据传输。
本公开的实施例基于一种数据帧结构提出了分别在控制设备侧和被控设备侧实现设备数据和控制数据的处理的通信数据处理装置和方法，以及包括这样的装置的通信系统。可以提高通信的实时性和灵活性，并且使通信过程具有更好的数据保密特性和实现两个时钟域的读写协作。
以下参照控制设备和多个被控设备远程通信设备数据和控制数据的场景来描述本公开的实施例。然而，应理解，本公开的实施例适用于多种通信场合。
图1示出了根据本公开的实施例所应用的场景100的示意图。在图1中，示出了控制设备侧的通信数据处理装置110、远程被控设备侧的数据通信装置120(包括120-1、120-2、……120-M，统称为120)、远程被控设备侧的被控设备。被控设备被划分为M个分组，每个分组中有mi个被控设备，M是大于或等于1的正整数，mi是大于或等于2的正整数，1≤i≤M。即，分组1中的被控设备包括被控设备11、12、……1m1、分组2中的被控设备包括被控设备21、22、……2m2，分组M中的被控设备包括被控设备M1、M2、……MmM。
在远程被控设备侧，与每个分组中的各个被控设备相关联的设备数据，例如通过传感器采集的传感器数据，被分别发送到数据通信装置120。例如，与分组1中的各个被控设备11、12、……1m1相关联的设备数据被分别发送到数据通信装置120-1，与分组2中的各个被控设备21、22、……2m2相关联的设备数据被分别发送到数据通信装置120-2。数据通信装置120基于与每个分组中的被控设备相关联的设备数据，生成一个设备数据帧，并将其发送到通信数据处理装置110。例如，数据通信装置120-1基于被控设备11、12、……1m1相关联的设备数据，生成设备数据帧1，并将其发送到通信数据处理装置110。
在控制设备侧，通信数据处理装置110接收与不同分组对应的多个设备数据帧，基于这些设备数据帧提取对应于每个分组的设备数据并对其进行处理。通信数据处理装置110还可以生成M组控制数据，每组控制数据包含与mi个被控设备相关联的mi个控制数据，例如与mi个被控设备相关联的执行器数据。该M组控制数据分别对应于上述M组被控设备。通信数据处理装置110基于该M组控制数据分别生成M个控制数据帧，并且向数据通信装置120发送所生成的M个控制数据帧。
在远程被控设备侧，各个数据通信装置120(120-1、120-2、……120-M)分别接收相应的控制数据帧，基于该控制数据帧提取对应于其所在分组内的各个被控设备的控制数据，并向相应的被控设备发送其对应的控制数据。
可以看出，在控制设备侧的通信数据处理装置110和远程被控设备侧的数据通信装置120之间传输的是设备数据帧和控制数据帧。数据通信装置120将各个设备数据进行组合，生成设备数据帧并发送给通信数据处理装置110。通信数据处理装置110将各个设备数据帧进行分拆，提取设备数据。通信数据处理装置110还生成控制数据，对其进行组合，生成控制数据帧并发送给数据通信装置120。每个数据通信装置120继而对控制数据帧进行分拆，提取控制数据并发送给相应的被控设备。
图2示意性地示出了这种设备数据帧和控制数据帧。如图2所示，该设备数据帧和控制数据帧可以具有相同的结构，分别包括多个数据段，每个数据段可以承载与M个分组中的每一组中的被控设备相对应的设备数据或控制数据。即，该设备数据帧和控制数据帧中的数据段的数量可以取决于需要远程控制的设备的数量，从而可以在一帧中集成多个设备数据或控制数据，提高了数据帧的有效载荷占比，从而提高整个通信系统的实时性。而且，不像传统通信协议的受限的数据帧生成速率，这种数据帧(即，设备数据帧和控制数据帧)的生成速率是由生成该数据帧的设备(即，通信数据处理装置110和数据通信装置120)的时钟频率决定的，可以高达6Mbps、8Mbps或甚至更高，因此可以提高设备数据和控制数据的生成和处理速率，从而进一步提高整个通信系统的实时性。此外，由于每个设备数据帧和控制数据帧中数据段的长度与每个设备分组中的设备数量相关联，而各个分组中的设备数量可以不同，因此各个数据通信装置120与通信数据处理装置110之间传输的设备数据帧和控制数据帧的长度可以不同，减小了对该通信系统中被控设备节点的数量和组网架构的限制，为整个通信系统提供了传输数据数量可裁剪、可配置的灵活性。由于所传输的数据帧是控制设备侧和远程被控设备侧协商一致而非通用协议所定义的，因此即使所传输的数据帧在通信过程中被攻击方窃听，攻击方也难以获知数据帧的具体结构，从而使通信过程具有更好的数据保密特性。而且，该通信数据处理装置110和数据通信装置120可以采用可编程逻辑器件(PLD)来实现，通过对可编程逻辑器件不同地编程，可以改变数据帧的生成速率，从而为整个通信系统提供了数据生成速率可调的灵活性。此外，如下文将详细说明的，在控制设备侧的通信数据处理装置110还可以包括双端口存储单元，能够通过两个时钟域进行读写协作，实现不同单元的速率适配，从而更容易实现高速数据传输和交换。
图3是根据本公开实施例的控制设备侧的通信数据处理装置300的示意图。通信数据处理装置300包括数据处理单元310、双端口存储单元320和主控单元330。数据处理单元310可以以第一时钟频率CLK1从例如图1所示的M个数据通信装置120接收M个设备数据帧。接收M个(M是大于或等于1的正整数)设备数据帧，M对应于远程被控设备的分组数，即，远程被控设备被分为M组，每组被控设备的设备数据在一个设备数据帧中传输。不同组的被控设备例如可以位于不同的地理位置或者属于不同类型的被控设备。参照图2示出的示意性设备数据帧，每个设备数据帧可以包括帧起始段、mi个(mi是大于或等于2的正整数，1≤i≤M)数据段、以及帧结束段。
mi可以对应于每个分组中的被控设备的数量。每个设备数据帧的mi个数据段中的每一个可以承载与mi个被控设备相关联的设备数据中的每一个。设备数据可以例如是通过与各个被控设备相关联的传感器采集的传感器数据，例如温度、湿度、电力谐波数据等等。对于不同分组，mi可以不同。例如，对于图1所示的分组1，其中可以包括10个被控设备，即m1＝10；而对于分组2，其中可以包括50个被控设备，即m2＝50。为了实现更好的数据传输和处理，mi的取值不宜过大，例如小于或等于128。
如图2示意性示出的，每个设备数据帧的mi个数据段中的每个数据段的长度可以是8个比特，或者，其长度也可以是16个比特。上述数据段的长度只是示例，实际应用中，可以根据例如要传输的数据量等等来决定适当的数据段长度。
帧起始段可以用于指示帧的开始。为了区分帧起始段和数据段，可以将帧起始段的长度设置为大于每个数据段的长度。在进一步的示例中，帧起始段的长度可以等于每个数据段的长度加1个比特。例如，如果每个数据段的长度为8个比特，则可以将帧起始段的长度设置为9个比特。
此外，可以将帧起始段的每个比特的取值设置成恒为1，从而进一步将其与帧的其他部分区分开。
在进一步的示例中，为了更清楚区分帧起始段和数据段以及在各个数据段之间进行区分，如图2所示，可以在帧起始段的末尾和数据段的开始之间、以及在各个数据段之间设置恒为0的1个比特。
此外，如图2所示，每个设备数据帧还可以包括用于存放循环冗余校验值的循环冗余校验(CRC)段。该CRC段是可选的，在网络传输条件良好的情况下，可以不需要CRC段。
每个设备数据帧的帧结束段可以用于指示帧的结束，并且可以具有固定长度。
数据处理单元310接收上述M个设备数据帧之后，可以基于每个设备数据帧提取对应于mi个数据段的mi个设备数据。例如，数据处理单元310中可以设置有检测器和计数器，该检测器和计数器可以基于预先设置的帧起始段的长度和内容、以及数据段的长度，来确定帧起始段和mi个数据段中的各个数据段，进而获得各个数据段的设备数据，从而提取mi个设备数据。对于M个设备数据帧，一共提取M*mi个设备数据。
数据处理单元310可以通过双端口存储单元320的第一端口与其连接。针对基于每个设备数据帧提取的mi个设备数据，数据处理单元310可以以第一时钟频率CLK1经由双端口存储单元320的该第一端口将其写入双端口存储单元320，双端口存储单元320对所写入的设备数据进行存储。对于M个设备数据帧，一共向双端口存储单元320写入M组设备数据，即M*mi个设备数据。在一些实施例中，如图3所示意性示出的，在双端口存储单元320中，可以预先为每组设备数据(以及后面描述的控制数据)划分不同的存储区域，从而将其进行分区存储，便于数据处理单元310和主控单元330的读写和处理。
图4更详细地示出了根据本公开实施例的设备数据和控制数据在双端口存储单元320中的存储方式以及设备数据与设备数据帧之间的映射关系、控制数据与控制数据帧之间的映射关系。如图4所示，在一个示例中，对应于不同设备数据帧和/或控制数据帧的不同组设备数据和控制数据存储在双端口存储单元320的不同存储区域。每组设备数据和控制数据中，各个设备数据间隔一个地址存储，各个控制数据间隔一个地址存储，对应于同一个被控设备的设备数据和控制数据存储在连续的地址上。例如，在图4中，对应于图1中的被控设备11的设备数据11和控制数据11在存储在连续的地址上，即分别存储在地址Addr_0和Addr_1。而各个设备数据间隔一个地址存储，例如设备数据11、12分别存储在地址Addr_0和Addr_2，并且各个控制数据间隔一个地址存储，例如控制数据11、12分别存储在地址Addr_1和Addr_3。这样的存储方式可以有助于数据处理单元310和主控单元330更方便地对设备数据和控制数据进行读写和处理，以及便于数据处理单元310和主控单元330各自进行同时的读和写操作。需要说明的是，图4示出的数据存储方式仅是示意性的，根据具体的应用，本公开的实施例可以选择任何合适的存储方式。
返回参照图3，双端口存储单元320还可以通过第二端口与主控单元330连接。主控单元330可以以第二时钟频率CLK2经由双端口存储单元320的第二端口读取双端口存储单元320中所存储的M*mi个设备数据。第二时钟频率CLK2可以高于第一时钟频率CLK1，从而主控单元330可以比数据处理单元310进行更快的读/写操作。例如，第二时钟频率CLK2可以是第一时钟频率CLK1的M倍，在数据处理单元310将M组设备数据并行写入双端口存储单元320或从双端口存储单元320并行读取M组控制数据的情况下，主控单元330可以以与数据处理单元310进行读/写相同的时间来读取该M组设备数据或写入该M组控制数据。双端口存储单元320的设置使得主控单元330和数据处理单元310可以同时对双端口存储单元320进行操作(例如读取或写入数据)，实现数据的快速交互和处理。并且，双端口存储单元320可以实现两个时钟域(第二时钟频率CLK2和第一时钟频率CLK1)的读写协作，实现高速数据传输和交换以及设备间的速率适配。
主控单元330可以生成M组控制数据，其中每组控制数据可以包含与mi个被控设备相关联的mi个控制数据，即，主控单元330一共生成M*mi个控制数据。控制数据可以例如是与各个被控设备相关联的执行器数据，例如用于关闭电源以调节温度、打开吹风机以调节湿度的执行器数据等等。例如，主控单元330可以基于属于一个分组的mi个设备数据生成对应该分组的mi个控制数据，或者主控单元330可以基于所有M*mi个设备数据生成属于某个分组的mi个控制数据，或者主控单元330可以基于某几个分组的设备数据生成属于某个分组的mi个控制数据，或者主控单元330可以基于其他数据生成属于某个分组的mi个控制数据。在一个示例中，对于每组控制数据，主控单元330可以只生成对应于ni个(ni≤mi)被控设备的ni个有效控制数据，而将剩余mi-ni个控制数据用空值(例如零值)填充，被控设备收到空值的控制数据时即获知不需要进行执行操作。
主控单元330生成M组控制数据(即M*mi个控制数据)之后，可以以第二时钟频率CLK2经由双端口存储单元320的第二端口向双端口存储单元320写入所生成的M组控制数据。双端口存储单元320可以存储所写入的控制数据。例如，如上面参照图4描述的，每组控制数据中的各个控制数据可以间隔一个地址存储。之后，数据处理单元310可以以第一时钟频率CLK1经由双端口存储单元320的第一端口读取双端口存储单元320中所存储的该M组控制数据。
数据处理单元310读取上述M组控制数据之后，可以基于每组控制数据生成一个控制数据帧，即一共生成M个控制数据帧。如上面参照图2描述的，其中每个控制数据帧的结构与设备数据帧相同，即，包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个控制数据帧的mi个数据段中的每一个承载上述mi个控制数据中的每一个。控制数据帧的各个段的特性与设备数据帧相同，例如，帧起始段的长度可以大于数据段的长度，帧起始段的末尾和数据段的开始之间、以及在各个数据段之间还设置有恒为0的1个比特等等，在此不再赘述。数据处理单元310中可以例如设置有生成器和计数器，针对每组控制数据，该生成器和计数器可以基于预先设置的帧起始段和帧结束段的长度和内容、以及数据段的长度等，来生成帧起始段、mi个数据段中的各个数据段、帧结束段，以及可选地生成上述CRC段，进而生成设备数据帧。
在一个示例中，数据处理单元310可以利用可编程逻辑器件(PLD)实现，双端口存储单元320可以是双端口RAM(DPRAM)。在另一示例中，数据处理单元310和双端口存储单元320都可以利用单个可编程逻辑器件(PLD)实现，在一个器件中实现两个单元。通过对可编程逻辑器件不同地编程，可以改变设备数据帧和控制数据帧的生成速率，从而为整个通信系统提供数据生成速率可调的灵活性。
主控单元例如可以是任何处理器，例如微控制单元(MCU)。
在图1-4的示例中，被控设备被描述为划分为M个分组。在实践中，每个分组中的被控设备例如可以是位于同一车间或工厂的被控设备，或者是其状态或操作会相互影响的一组被控设备，等等。
根据本公开实施例的通信数据处理装置300可以提高通信的实时性和灵活性，使通信过程具有更好的数据保密特性，并且可以实现两个时钟域的读写协作。
图5是根据本公开实施例的远程被控设备侧的数据通信装置500的示意图。数据通信装置500可以对应于图1中的数据通信装置120(120-1、120-2、……120-M)中的每一个。数据通信装置500可以包括数据接收单元510、数据帧生成单元520以及数据帧发送单元530。数据接收单元510可以接收与n个被控设备相关联的n个设备数据，其中n是大于或等于2的正整数。n可以对应于数据通信装置500所关联的被控设备的数量。例如，如果数据通信装置500对应于图1中的数据通信装置120-1，则n对应于m1。为了实现更好的数据传输和处理，n的取值不宜过大，例如小于或等于128。该n个被控设备例如可以位于不同的地理位置或者属于不同类型的被控设备。
数据帧生成单元520可以基于该n个设备数据，生成设备数据帧，该设备数据帧例如是发送到控制设备侧的通信数据处理装置(例如图3的通信数据处理装置300)的参照图1-4描述的设备数据帧，包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段。该n个数据段中的每一个承载该n个设备数据中的每一个。该设备数据帧还可以可选地包括上述CRC段。这里描述的设备数据帧的各个段的特性与上面参照图1-4描述的设备数据帧相同，例如，帧起始段的长度可以大于数据段的长度，帧起始段的末尾和数据段的开始之间、以及在各个数据段之间还设置有恒为0的1个比特等等，在此不再赘述。
数据帧生成单元520生成设备数据帧之后，数据帧发送单元530可以以第一时钟频率CLK发送所生成的设备数据帧，例如将其发送到参照图1所描述的通信数据处理装置110和参照图3所描述的通信数据处理装置300。
如图5所示，数据通信装置500还可以包括数据帧接收单元540、数据提取单元550和数据发送单元560。数据帧接收单元540可以以第一时钟频率CLK1接收控制数据帧。该控制数据帧例如是来自控制设备侧的通信数据处理装置(例如参照图1所描述的通信数据处理装置110和参照图3所描述的通信数据处理装置300)的参照图1-4描述的控制数据帧，包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段。n个数据段中的每一个承载与n个被控设备相关联的控制数据中的每一个。该控制数据帧还可以可选地包括上述CRC段。这里的控制数据帧的各个段的特性与上面参照图1-4描述的控制数据帧相同，例如，帧起始段的长度可以大于数据段的长度，帧起始段的末尾和数据段的开始之间、以及在各个数据段之间还设置有恒为0的1个比特等等，在此不再赘述。
数据提取单元550可以基于所接收的控制数据帧，提取对应于该n个数据段的n个控制数据。例如，数据提取单元550中可以设置有检测器和计数器，该检测器和计数器可以基于预先设置的帧起始段的长度和内容、以及数据段的长度，来确定帧起始段和n个数据段中的各个数据段，进而获得各个数据段的控制数据，从而提取n个控制数据。
数据发送单元560继而可以向该n个被控设备该发送该n个控制数据，从而实现对被控设备的控制。
数据通信装置500所生成的设备数据帧和接收的控制数据帧可以分别包括多个数据段，每个数据段可以承载与该数据通信装置500所关联的一组被控设备中的每一个相对应的设备数据或控制数据。该设备数据帧和控制数据帧中的数据段的数量可以取决于数据通信装置500所关联的被控设备分组中被控设备的数量，从而可以在一帧中集成多个设备数据或控制数据，提高了数据帧的有效载荷占比，从而提高整个通信系统的实时性，并且减小了对通信系统中被控设备节点的数量和组网架构的限制，为整个通信系统提供传输数据数量可裁剪、可配置的灵活性，并且由于不同数据通信装置500所传输的针对不同分组被控设备的数据帧的长度可以是不同的，因此即使所传输的数据帧在通信过程中被攻击方窃听，攻击方也难以获知数据帧的具体结构，从而使通信过程具有更好的数据保密特性。
数据通信装置500中的各个单元可以利用单个可编程逻辑器件(PLD)实现。通过对可编程逻辑器件不同地编程，可以改变设备数据帧和控制数据帧的生成速率，从而可以提高设备数据和控制数据的生成速率，提高通信系统提供的实时性和灵活性。
根据本公开实施例的数据通信装置500可以提高通信的实时性和灵活性，并且使通信过程具有更好的数据保密特性。
本公开实施例还提供一种通信系统，该通信系统包括控制设备侧的通信数据处理装置(例如通信数据处理装置300)和远程被控设备侧的数据通信装置(例如数据通信装置500)，其中控制设备侧的通信数据处理装置(例如通信数据处理装置300)从远程被控设备侧的数据通信装置(例如数据通信装置500)接收上述设备数据帧，并向其发送上述控制数据帧。对应地，远程被控设备侧的数据通信装置(例如数据通信装置500)从控制设备侧的通信数据处理装置(例如通信数据处理装置300)接收上述控制数据帧，并向其发送上述设备数据帧。
根据本公开实施例的通信系统可以提高通信的实时性和灵活性，使通信过程具有更好的数据保密特性，并且可以实现两个时钟域的读写协作。
图6是根据本公开实施例的由控制设备侧的通信数据处理装置(例如通信数据处理装置110、300)执行的通信数据处理方法600的流程图。通信数据处理装置可以包括数据处理单元(例如图3的数据处理单元310)、双端口存储单元(例如图3的双端口存储单元320)和主控单元(例如图3的主控单元330)。如图6所示，在一些实施例中，该方法600可以包括步骤S610至S630。方法600开始于步骤S610，其中数据处理单元可以以第一时钟频率(CLK1)接收M个设备数据帧，每个设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个设备数据帧的mi个数据段中的每一个承载与mi个被控设备相关联的设备数据中的每一个，其中M是大于或等于1的正整数，并且对应于被控设备的分组数，mi是大于或等于2的正整数，并且对应于每个分组中的被控设备的数量，1≤i≤M。
在步骤S620，数据处理单元可以基于所接收的M个设备数据帧中的每一个，提取对应于mi个数据段的mi个设备数据，并且以第一时钟频率(CLK1)经由双端口存储单元的第一端口向该双端口存储单元写入该mi个设备数据，即一共写入M*mi个设备数据。
在步骤S630，主控单元可以以第二时钟频率(CLK2)经由该双端口存储单元的第二端口读取该双端口存储单元中所存储的设备数据。
如图6所示，在一些实施例中，该方法600还可以包括S640至S670。需要说明的是，步骤S640至S670可以与步骤S610至S630并行处理，两者没有先后关系；或者步骤S640至S670位于步骤S610至S630之后，控制数据可以基于设备数据生成；或者步骤S610至S630位于步骤S640至S670之后。在步骤S640中，主控单元可以生成M组控制数据，每组控制数据包含与mi个被控设备相关联的mi个控制数据。
在步骤S650，该主控单元可以以第二时钟频率(CLK2)经由双端口存储单元的第二端口向该双端口存储单元写入该M组控制数据。
在步骤S660，数据处理单元可以以该第一时钟频率经由该双端口存储单元的第一端口读取该双端口存储单元中所存储的该M组控制数据。
在步骤S670，该数据处理单元可以基于该M组控制数据中的每组控制数据，分别生成M个控制数据帧，并且以第一时钟频率发送所生成的M个控制数据帧，其中每个控制数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个控制数据帧的mi个数据段中的每一个承载该mi个控制数据中的每一个。
方法600中所涉及的设备数据帧和控制数据帧以及具体细节与上述参照图1-4描述的相同，在此不再赘述。
根据本公开实施例的通信数据处理方法600可以提高通信的实时性和灵活性，使通信过程具有更好的数据保密特性，并且可以实现两个时钟域的读写协作。
图7是根据本公开实施例的由远程被控设备侧的数据通信装置(例如数据通信装置120、500)执行的数据通信方法700的流程图。数据通信装置可以包括数据接收单元(例如图5的数据接收单元510)、数据帧生成单元(例如图5的数据帧生成单元520)以及数据帧发送单元(例如图5的数据帧发送单元530)。如图7所示，在一些实施例中，该方法700可以包括步骤S710至S730。如图7所示，在一些实施例中，该方法700可以开始于步骤S710，其中数据接收单元可以接收与n个被控设备相关联的n个设备数据，其中n是大于或等于2的正整数。
在步骤S720，数据帧生成单元可以基于该n个设备数据，生成设备数据帧。该设备数据帧可以包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段。该n个数据段中的每一个可以承载该n个设备数据中的每一个。
在步骤S730，数据帧发送单元可以以第一时钟频率(CLK1)发送该设备数据帧。
在一些实施例中，远程被控设备侧的数据通信装置(例如数据通信装置120、500)还可以包括数据帧接收单元(例如图5的数据帧接收单元540)、数据提取单元(例如图5的数据提取单元550)和数据发送单元(例如图5的数据发送单元560)。由此，在一些实施例中，该方法700还可以包括S740至S760。需要说明的是，步骤S740至S760可以与步骤S710至S730并行处理，两者没有先后关系；或者步骤S740至S760位于步骤S710至S730之后；或者步骤S710至S730位于步骤S740至S760之后。在步骤S740中，数据帧接收单元可以以第一时钟频率(CLK1)接收控制数据帧。该控制数据帧可以包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，该n个数据段中的每一个承载与该n个被控设备相关联的控制数据中的每一个。
在步骤S750，数据提取单元可以基于该控制数据帧，提取对应于该n个数据段的n个控制数据。
在步骤S760，数据发送单元可以向该n个被控设备发送该n个控制数据。
方法700中所涉及的设备数据帧和控制数据帧以及具体细节与上述参照图1-4描述的相同，在此不再赘述。
根据本公开实施例的通信数据处理方法700可以提高通信的实时性和灵活性，并且使通信过程具有更好的数据保密特性。
本公开中涉及的装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些电路、器件、装置、设备、系统，只要能够实现所期望的目的即可。
本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本公开的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本公开所要保护的权利范围。

Claims (16)

1.一种通信数据处理装置，包括数据处理单元、主控单元和双端口存储单元，其中，
所述数据处理单元被配置为：
以第一时钟频率接收M个设备数据帧，其中每个设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个设备数据帧的mi个数据段中的每一个承载与mi个被控设备相关联的设备数据中的每一个，其中M是大于或等于1的正整数，并且对应于被控设备的分组数，mi是大于或等于2的正整数，并且对应于每个分组中的被控设备的数量，1≤i≤M；和
基于所接收的M个设备数据帧中的每一个，提取对应于mi个数据段的mi个设备数据，并且以第一时钟频率经由双端口存储单元的第一端口向所述双端口存储单元写入所述mi个设备数据；
所述双端口存储单元通过所述第一端口与所述数据处理单元连接，通过第二端口与所述主控单元连接；以及
所述主控单元被配置为以第二时钟频率经由所述双端口存储单元的所述第二端口读取所述双端口存储单元中所存储的设备数据。
2.如权利要求1所述的通信数据处理装置，其中，
所述主控单元还被配置为：
生成M组控制数据，其中每组控制数据包含与mi个被控设备相关联的mi个控制数据；和
以所述第二时钟频率经由所述双端口存储单元的第二端口向所述双端口存储单元写入所述M组控制数据；以及
所述数据处理单元还被配置为：
以所述第一时钟频率经由所述双端口存储单元的第一端口读取所述双端口存储单元中所存储的所述M组控制数据；和
基于所述M组控制数据中的每组控制数据，分别生成M个控制数据帧，并且以所述第一时钟频率发送所生成的M个控制数据帧，其中每个控制数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个控制数据帧的mi个数据段中的每一个承载所述mi个控制数据中的每一个。
3.如权利要求1所述的通信数据处理装置，其中，所述第二时钟频率是所述第一时钟频率的M倍。
4.如权利要求1所述的通信数据处理装置，其中，所述数据处理单元是利用可编程逻辑器件(PLD)实现的，所述双端口存储单元是双端口RAM(DPRAM)。
5.如权利要求1所述的通信数据处理装置，其中，所述数据处理单元和所述双端口存储单元是利用单个可编程逻辑器件(PLD)实现的。
6.如权利要求2所述的通信数据处理装置，其中，所述设备数据帧和所述控制数据帧中，帧起始段的长度大于每个数据段的长度。
7.如权利要求2所述的通信数据处理装置，其中，所述设备数据帧和所述控制数据帧中，帧起始段的每个比特的取值恒为1。
8.如权利要求2所述的通信数据处理装置，其中，所述设备数据帧和所述控制数据帧中，帧起始段的末尾和数据段的开始之间、以及在各个数据段之间还设置有恒为0的1个比特。
9.一种通信数据处理方法，包括：
由数据处理单元以第一时钟频率接收M个设备数据帧，其中每个设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个设备数据帧的mi个数据段中的每一个承载与mi个被控设备相关联的设备数据中的每一个，其中M是大于或等于1的正整数，并且对应于被控设备的分组数，mi是大于或等于2的正整数，并且对应于每个分组中的被控设备的数量，1≤i≤M；
由所述数据处理单元基于所接收的M个设备数据帧中的每一个，提取对应于mi个数据段的mi个设备数据，并且以第一时钟频率经由双端口存储单元的第一端口向所述双端口存储单元写入所述mi个设备数据；以及
由主控单元以第二时钟频率经由所述双端口存储单元的第二端口读取所述双端口存储单元中所存储的设备数据。
10.如权利要求9所述的通信数据处理方法，还包括：
由所述主控单元生成M组控制数据，其中每组控制数据包含与mi个被控设备相关联的mi个控制数据；
由所述主控单元以所述第二时钟频率经由所述双端口存储单元的第二端口向所述双端口存储单元写入所述M组控制数据；
由所述数据处理单元以所述第一时钟频率经由所述双端口存储单元的第一端口读取所述双端口存储单元中所存储的所述M组控制数据；以及
由所述数据处理单元基于所述M组控制数据中的每组控制数据，分别生成M个控制数据帧，并且以所述第一时钟频率发送所生成的M个控制数据帧，其中每个控制数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、mi个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，每个控制数据帧的mi个数据段中的每一个承载所述mi个控制数据中的每一个。
11.一种数据通信装置，包括：
数据接收单元，被配置为：接收与n个被控设备相关联的n个设备数据，其中n是大于或等于2的正整数；
数据帧生成单元，被配置为：基于所述n个设备数据，生成设备数据帧，其中所述设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，所述n个数据段中的每一个承载所述n个设备数据中的每一个；以及
数据帧发送单元，被配置为：以第一时钟频率发送所述设备数据帧，其中，所述设备数据帧的生成速率是由所述数据帧生成单元的第一时钟频率决定的。
12.如权利要求11所述的数据通信装置，包括：
数据帧接收单元，被配置为：以第一时钟频率接收控制数据帧，其中所述控制数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，所述n个数据段中的每一个承载与所述n个被控设备相关联的控制数据中的每一个；
数据提取单元，被配置为：基于所述控制数据帧，提取对应于所述n个数据段的n个控制数据；以及
数据发送单元，被配置为：向所述n个被控设备发送所述n个控制数据。
13.如权利要求11或12所述的数据通信装置，其中，所述数据通信装置中的各个单元是利用单个可编程逻辑器件(PLD)实现的。
14.一种数据通信方法，包括：
由数据接收单元接收与n个被控设备相关联的n个设备数据，其中n是大于或等于2的正整数；
由数据帧生成单元基于所述n个设备数据，生成设备数据帧，其中所述设备数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，所述n个数据段中的每一个承载所述n个设备数据中的每一个；以及
由数据帧发送单元以第一时钟频率发送所述设备数据帧，其中，所述设备数据帧的生成速率是由所述数据帧生成单元的第一时钟频率决定的。
15.如权利要求14所述的数据通信方法，包括：
由数据帧接收单元以第一时钟频率接收控制数据帧，其中所述控制数据帧包括用于指示帧的开始的帧起始段、n个数据段、以及用于指示帧的结束的帧结束段，所述n个数据段中的每一个承载与所述n个被控设备相关联的控制数据中的每一个；
由数据提取单元基于所述控制数据帧，提取对应于所述n个数据段的n个控制数据；以及
由数据发送单元向所述n个被控设备发送所述n个控制数据。
16.一种通信系统，包括如权利要求1-8中任一项所述的通信数据处理装置和如权利要求11-13中任一项所述的数据通信装置，其中如权利要求1-8中任一项所述的通信数据处理装置从如权利要求11-13中任一项所述的数据通信装置接收设备数据帧，并向如权利要求11-13中任一项所述的数据通信装置发送控制数据帧。
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