CN1157028C - 一种多机通信总线连接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种通讯领域中的多机通信总线连接装置,在发送侧,从HDLC协议处理器发送出来的数据和时钟首先连接至差分发送器使能信号产生模块,该模块输出的发送数据信号和发送器使能信号接到总线型差分发送器,输出差分信号;在接收侧,经差分接收器接收到的TTL信号连接至HDLC协议处理器的接收端;总线空闲状态设置装置直接与差分总线相连。本发明可适应长距离传输,抗干扰能力和静电防护能力强、信道利用率高而且设计简单。

Description

一种多机通信总线连接装置
本发明涉及通讯领域,尤其涉及通信领域中的多机通讯系统。
目前在通信领域中,多机通信的应用是非常广泛的,在多机通信的应用中,用于数据传输、数据控制等的协议是有很多的,其中,高级数据链路控制协议(High-level Data Link Control,以下简称HDLC)就是数据链路层应用最为广泛的一种协议,该协议位于OSI模型的第二层,许多其它的链路层协议如SDLC(Synchronous Data Link Control,同步数据链路控制)、LAPB(Link AccessProcedure Balanced,平衡链路访问规程)、LAPD(Link Access Procedure on theD-channel,D-通道链路访问规程)和AppleTalk(MAC机所用的网络协议)等都是在HDLC协议或其帧结构的基础上发展而来的。HDLC协议采用一个特殊的码组01111110作为报文或数据报帧的首位标志,适用于点对点或点对多点的连接方式:在点对点连接方式下,由于发送和接收都只有一个节点,所以不需要做冲突检测;在点对多点方式下,多个发送器的发送端通过开路输出(相当于集电极开路方式,以下简称OPEN-DRAIN)方式连接到一条HDLC总线上,因此发送器需要有冲突的检测和重发机制:每个节点在发送数据前首先通过一个与总线相连的信号检测信道是否有信号,以此来判断信道的忙闲,如果空闲则立即发送数据,否则继续监视信道的忙闲情况;由于多个节点占用同一信道,因此当信道出现空闲后,可能会出现多个节点同时发送的情况,这就需要进行冲突检测,一个节点在发送的同时侦听信道,一旦发现冲突则立即停止发送,并在等待一段时间后重发,这种方式被称为CSMA/CD(Carrier Sense MultipleAccess with Collision Detection,带有冲突检测的载波侦听多路访问)方式,采用这种方式使得信道的利用率有了很大的提高,理论分析最高可达到87.5%。但是由于HDLC总线是通过OPEN-DRAIN方式直接将TTL电平连接在一起的,传输距离有限,因此它只适用短距离的通信,如果要扩大HDLC总线的应用范围,则必须采用额外的发送器来提高发送距离,但由于多点连接需要进行冲突控制,因此增加的发送器必须是输出端带使能的发送器,而且必须增加发送器的输出使能的控制逻辑,以避免多个发送器的输出同时打开造成冲突。现有的支持HDLC协议的处理器如MOTOROLA公司的处理器MPC68360、MPC860,AMD公司的AM186以及SIEMENS公司的HDLC控制器SAB82525等都是不带外接发送器的,它们在物理层中发送的数据信号为TTL电平,并且将发送数据端设置成OPEN-DRAIN方式进行输出,以达到可以用“线与”的方式连接在一起的目的,但是这种不带外接发送器的OPEN-DRAIN连接有很多缺点:由于是TTL电平直接传送,因此传输距离短、抗干扰能力比较差。由于无外接发送器,系统硬件的静电防护能力比较弱。如果加上外接发送器,如上所述,则必须增加输出端带使能控制的发送器,并且需要控制逻辑。由于增加了额外的控制逻辑,使得信道的利用率降低,系统软硬件设计的复杂度增加。
本发明的目的是提供一种可长距离传输、抗干扰能力和静电防护能力强、信道利用率高而且设计简单的多机通信总线连接装置,以克服现有多机通信连接装置中存在的传输距离短、抗干扰能力差、静电防护能力弱、信道的利用率低以及系统软硬件设计的复杂度高的缺点。
为了完成上述任务,本发明构造了一种多机通信总线连接装置,包括差分总线A、差分总线B和终端匹配电阻,其特征在于,还包括主节点、总线空闲状态设置装置和多个从节点;
所述的主节点包括差分信号发送器和差分信号接收器两部分;
所述的从节点包括差分信号接收器、使能信号产生模块和总线型差分发送器;
所述使能信号产生模块,接收HDLC协议处理器的发送数据信号TxD和发送时钟信号TxCLK,并分析发送数据与空闲状态,产生发送使能信号TxEN和发送数据信号TxD’送至所述总线型差分发送器;
所述总线型差分发送器,接收所述使能信号产生模块输出的信号并转换成差分信号发送到差分总线A;所述从节点中的差分信号接收器从差分总线B上接收信号并输出到HDLC协议处理器的总线冲突检测输入端;所述的总线空闲状态设置装置与差分总线A相连,以保证当所有连接在总线上的HDLC协议处理器都不发送数据时,各冲突检测输入端体现为一个空闲状态;所述的主节点中的差分信号接收器从差分总线A上接收信号并送到HDLC协议处理器的信号输入端RxD;所述的主节点中的差分信号发送器接收HDLC协议处理器输出的发送数据信号TxD,转换后发送到差分总线B上;差分总线B的末端连接终端匹配电阻。
本发明还构造了一种多机通信总线连接装置,包括差分总线,其特征在于,还包括总线空闲状态设置装置和至少一个通信节点;
所述通信节点包括使能信号产生模块、总线型差分发送器和差分信号接收器;
所述的使能信号产生模块接收HDLC协议处理器的发送数据信号TxD和发送时钟信号TxCLK以及发送准备好信号RTS,处理后向所述的总线型差分发送器输出发送数据信号TxD’和发送使能信号TxEN;所述的总线型差分发送器将处理后的差分信号输出到差分总线上,其内部接收器接收到的信号发送到HDLC协议处理器的总线冲突检测信号输入端CTS;所述的差分信号接收器接收差分总线的信号,处理后发送到HDLC协议处理器的接收数据输入端;所述的总线空闲状态设置装置连接在差分总线的末端。
相对于现有的HDLC总线结构和装置,本发明所构造的基于差分传送的支持总线型HDLC协议的多机通信总线连接装置因为采用了使能信号产生模块,如果选择的HDLC协议处理器带有RTS输出,则直接将RTS反向后作为差分信号发送器的使能信号TxEN,否则就从数据信号中提取出TxEN信号,TxD’直接从TxD得到,从而具有传送距离远,抗干扰能力强的特点。与现有技术中的一主多从方式由主节点控制所有发送器的连接方式相比,系统连线减少1/4,信道利用率提高1倍以上,软件设计的复杂度有所减小。其它面向比特或面向字符的数据链路控制协议,也可采用同样的方法连接,只是产生发送使能信号TxEN的过程不一样。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明所述的点对多点通信方式的多机通信总线连接装置结构图;
图2是本发明所述的多点通信方式的多机通信总线连接装置结构图;
图3是本发明所述的使能信号产生模块功能框图;
图4是本发明所述的总线空闲状态设置装置原理图;
图5是本发明一个实施例的节点发送部分原理图;
图6为本发明一个实施例的节点接收部分原理图;
图7为本发明另一个实施例的发送部分原理图。
图1是本发明所述的总线连接装置应用在点对多点通信方式时的构成图。点对多点方式有一主节点和多个从节点,主节点接收所有从节点发送来的信息并向所有的从节点发出信息,主节点只有一个。从节点只向主节点发送信息并且只接收主节点发来的信息,从节点可以有一个或多个。图1中差分总线左侧虚框内为从节点,差分总线右侧虚框内为主节点。在主节点的发送信道上,由于只有主节点发送,所有从节点接收,因此可直接通过差分收发器经差分总线B连接在一起,该差分总线B的末端加装终端匹配电阻,以防止反射效应。在主节点的接收信道上,由于有多个从节点需要发送,因此必须采用本发明所提出的装置连接在一起,从节点HDLC协议处理器的发送数据和发送时钟信号TxCLK以及发送准备好信号RTS(如果选择的HDLC协议处理器有该信号输出)送至使能信号产生模块,并输出发送数据和发送使能信号TxEN;发送数据和发送使能与总线型差分发送器相连,总线型差分发送器为一个内部带有接收器的差分信号发送器,输入信号和使能端分别与使能信号产生模块输出的数据和发送使能信号TxEN连接,输出的差分信号连接到差分总线A,内部接收器接收到的信号与HDLC协议处理器的总线冲突检测信号输入端CTS连接,从节点可以有多个,其发送数据按照同样的连接方式与差分总线A相连;总线空闲状态设置装置接在差分总线A的末端,以保证空闲状态下HDLC协议处理器的总线冲突检测信号输入端CTS输入的为高电平信号,同时,总线空闲状态设置装置又起到终端匹配电阻的作用,整个装置中只能有一个总线空闲状态设置装置。主节点差分信号接收器的输入端与差分总线A相连接,接收器的输出端接到HDLC协议处理器的接收数据输入端。在点对多点方式下,也可以采用主节点控制所有从节点的发送器的方式用差分总线连接在一起,需要另外增加控制连线和控制逻辑,从而破坏了HDLC总线的冲突检测和重发机制,系统的软硬件设计复杂度都要增加。采用本发明所提出的装置却不存在这些问题,使得HDLC总线不再仅仅适用于短距离通信场合。
图2是本发明所述的总线连接装置应用在多点通信方式时的构成图,多点方式时连接在总线上的节点没有主从之分,每一个节点既向总线上发送数据又从同一条总线上接收数据,一对差分总线上可以有两个或多个节点。图中差分总线的左边虚框内为一个通信节点,HDLC协议处理器的发送数据和发送时钟信号TxCLK以及发送准备好信号(即RTS,如果选择的HDLC协议处理器有该信号输出)送至使能信号产生模块,并输出发送数据和发送使能信号TxEN;发送数据和发送使能与总线型差分发送器相连,总线型差分发送器为一个内部带有接收器的差分信号发送器,输入信号和使能端分别与使能信号产生模块输出的数据和发送使能信号TxEN连接,输出的差分信号连接到差分总线,内部接收器接收到的信号与HDLC协议处理器的总线冲突检测信号输入端CTS连接,多个节点的发送器按照同样的连接方式与差分总线相连;总线空闲状态设置装置接在差分总线的末端,以保证空闲状态下HDLC协议处理器的总线冲突检测信号输入端CTS输入的为高电平信号,同时,总线空闲状态设置装置又起到终端匹配电阻的作用,一对差分总线上只能有一个总线空闲状态设置装置;每一个节点的接收数据输入端接收差分信号接收器的输出信号,差分信号接收器的输入端直接连接到差分总线。采用本发明所提供的差分HDLC总线的装置连接,HDLC总线的通信距离得到了很大的提高(由数米提高到数千米,取决于采用的发送器与通信速率),使得HDLC总线不再仅仅应用于短距离通信场合。其它面向比特或面向字符的数据链路控制协议,也可采用同样的思路进行连接。
图3是本发明所构造的多机通信总线连接装置中使能信号产生模块的原理框图,以便在选用不带RTS信号输出HDLC协议处理器时也能够适用本发明所构造的装置。包括反向器、使能信号提取装置和2选1多路选择器三个器件,输入信号为HDLC协议处理器的发送数据信号TxD’、发送时钟信号TxCLK,如果选择的HDLC协议处理器有发送准备好信号RTS输出,则还包括RTS信号,使能信号产生模块的输出为发送数据信号TxD’和发送使能信号TxEN。如果系统中使用的HDLC协议处理器带有控制信号RTS,比如MPC860,由于RTS信号在HDLC协议输出数据器件一直有效,因此可以用来作为差分信号发送器的使能信号TxEN,但该信号是低电平有效,而TxEN需要一个高电平的控制信号,因此需要将RTS反向,这时2选1多路选择器的选择为A(图中虚线所示),既RTS的反向信号作为输出信号。如果系统中使用的HDLC协议处理器没有RTS,如AM186,则需要通过使能信号提取装置从发送数据端TxD中提取出TxEN信号,这部分功能在实现时可用可编程逻辑器件完成,也可以用简单逻辑器件组合而成。使能信号的提取原理为:TxEN信号的初始状态为低电平‘0’,当有信号发送时,发送帧头的第一个BIT为低,这时立即置TxEN为高,并保持至发送端连续8个‘1’出现,TxD’直接从TxD得到。这时2选1多路选择器的选择为B,即使能信号提取装置提取出的使能信号作为输出信号。使能信号提取装置提取出的使能信号和反向后的RTS信号差别不大,本发明所提出使能信号提取装置的作用是在选用不带RTS信号输出HDLC协议处理器时也能适用本发明。
图4为本发明所构造的多机通信总线连接装置中总线空闲状态产生装置的原理图,该装置是为了保证在发送器都关闭的时候接收器可以输出一个高电平,从而标志总线空闲状态。空闲状态产生装置由三个电阻R1、R2、R3串联组成,串联电阻的两端分别接系统的VCC和GND。当总线上所有的发送器均处于关闭状态的情况下,由于两根差分线上的直流电压基本相同,接收器接收到的将为低电平状态,这与HDLC协议处理器把高电平当成总线空闲的情况不符合,本装置的作用就是为了保证在所有发送器处于关闭状态时接收器接收到一个高电平。通过R1、R2、R3的分压,两根差分线A与B的直流电压差被嵌位在一个固定电平(这个电平值为所采用的差分电平“1”的电气定义值),从而保证了在发送器都关闭的时候接收器可以输出一个高电平,同时电阻值满足R2//(R1+R3)=Z0,作为差分传输线的终端匹配电阻。
图5是本发明的一个实施例中一个节点的发送部分原理图,其中的HDLC协议处理器为AMD公司的通信用微控制器AM186CC,该控制器不带有RTS输出信号,在图中的位号为D1,总线型差分发送器为AD公司的ADM3485E,在图中位号为D13,使能信号的产生在可编程芯片D14中完成,采用ALTERA公司的FLEX6016。D1输出的TxDA和TxCLK送到D14,在D14中完成TxEN的提取,输出的TxD’和TxEN连接到D13的发送数据端DI和发送使能端DE,D13的差分输出信号TxDA+和TxDA-与系统中的差分总线相连,在D13的内部RO从A和B中接收信号通过RO输出,输出的信号连接到D1的冲突检测输入端CTSA。
图6为本发明应用在点对多点模式的一个实施例中主节点的接收部分原理图,其中的R1、R2、R3构成了总线空闲状态设置装置,阻值均为120Ω,R2//(R1+R3)=80Ω,约等于系统的差分传输线阻抗88Ω。总线空闲状态设置装置直接与差分总线连接,将差分线TxDA+和TxDA-的直流电位差嵌位在1/3VCC上。HDLC协议处理器为AM186CC,差分信号接收器采用MAXIM公司的MAX3096。差分信号接收器直接将从差分总线TxDA+和TxDA-接收到的信号送到HDLC协议处理器的接收信号输入端RxD。
图7为本发明的另外一个实施例的发送部分的部分图,图中的协议处理器为MPC860,位号为D1,有RTS信号输出。总线型差分信号发送器为ADM3485,图中位号为D13。D1的输出信号RTS经反相器取反后作为TxEN,TxEN与D1的发送数据输出端TxDA连接到D13,D13输出的差分信号连接到系统差分总线,D13内部从差分总线接收到的信号直接连接到D1的冲突检测输入端CTSA。本例的接收部分原理与图6所示的例子相同,不再细述。

Claims (10)

1、一种多机通信总线连接装置,包括差分总线A、差分总线B和终端匹配电阻,其特征在于,还包括主节点、总线空闲状态设置装置和至少一个从节点;
所述的主节点包括差分信号发送器和差分信号接收器两部分;
所述的从节点包括差分信号接收器、使能信号产生模块和带有接收器的总线型差分发送器三部分,各个从节点具有相同的连接方式;
所述的使能信号产生模块接收HDLC协议处理器的发送数据信号TxD和发送时钟信号TxCLK,产生发送使能信号TxEN和发送数据信号TxD’,并送至所述的总线型差分发送器;所述的总线型差分发送器将接收到的信号转换成差分信号发送到差分总线A;所述从节点中的输入HDLC协议处理器的总线冲突检测信号输入端的CTS信号,来自从节点带有接收器的总线型差分发送器;所述的总线空闲状态设置装置与差分总线A相连;所述的主节点中的差分信号接收器从差分总线A上接收信号并送到HDLC协议处理器的信号输入端;所述的主节点中的差分信号发送器接收HDLC协议处理器输出的发送数据信号TxD,转换后发送到差分总线B上;差分总线B的末端连接终端匹配电阻。
2、根据权利要求1所述的多机通信总线连接装置,其特征在于,所述的使能信号产生模块包括使能信号提取装置和多路选择器,所述的使能信号提取装置接收HDLC协议处理器的发送数据信号TxD和发送时钟信号TxCLK,将处理后的信号发送到所述的多路选择器,并将发送数据信号TxD’发送到所述的总线型差分发送器,所述的多路选择器输出发送使能信号TxEN到所述的总线型差分发送器。
3、根据权利要求1所述的多机通信总线连接装置,其特征在于,所述的多路选择器采用2选1选择器。
4、根据权利要求1所述的多机通信总线连接装置,其特征在于,所述的使能信号产生模块还包括反向器,该反向器接收HDLC协议处理器的发送准备好信号RTS,将输出发送到所述的多路选择器的另一端。
5、根据权利要求1所述的多机通信总线连接装置,其特征在于,所述的总线空闲状态产生装置由第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3依次串联组成,所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的连接点与所述差分总线A的一端相联接;所述第二电阻R2和所述第三电阻R3的连接点与所述差分总线A的另一端相联接;串联电阻的两端分别接系统的电源端VCC和接地端GND。
6、一种多机通信总线连接装置,包括差分总线,其特征在于,还包括总线空闲状态设置装置和至少一个通信节点;每个通信节点都包括使能信号产生模块、内部带有接收器的总线型差分发送器、差分信号接收器,并且具有相同的连接方式;
所述的使能信号产生模块接收HDLC协议处理器的发送数据信号TxD和发送时钟信号TxCLK以及发送准备好信号,处理后向所述的总线型差分发送器输出发送数据信号TxD’和发送使能信号TxEN;所述的总线型差分发送器将处理后的差分信号输出到差分总线上,其内部接收器接收到的信号发送到HDLC协议处理器的总线冲突检测信号输入端CTS;所述的差分信号接收器接收差分总线的信号,处理后发送到HDLC协议处理器的接收数据输入端;所述的总线空闲状态设置装置连接在差分总线的末端。
7、根据权利要求6所述的多机通信总线连接装置,其特征在于,所述的使能信号产生模块包括使能信号提取装置和多路选择器,所述的使能信号提取装置接收HDLC协议处理器的发送数据信号TxD和发送时钟信号TxCLK,将处理后的信号发送到所述的多路选择器,并将发送数据信号TxD’发送到所述的总线型差分发送器,所述的多路选择器输出发送使能信号TxEN到所述的总线型差分发送器。
8、根据权利要求6所述的多机通信总线连接装置,其特征在于,所述的多路选择器采用2选1选择器。
9、根据权利要求6所述的多机通信总线连接装置,其特征在于,所述的使能信号产生模块还包括反向器,该反向器接收HDLC协议处理器的发送准备好信号RTS,将输出发送到所述的多路选择器的另一端。
10、根据权利要求6所述的多机通信总线连接装置,其特征在于,所述的总线空闲状态产生装置由第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3依次串联组成,所述第一电阻R1和所述第二电阻R2的连接点与所述差分总线的一端相联接;所述第二电阻R2和所述第三电阻R3的连接点与所述差分总线的另一端相联接;串联电阻的两端分别接系统的电源端VCC和接地端GND。
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