CN1245605A - 在一个单独信道上的异步全双工通信 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于在通信系统中两个收发信机之间提供全双工异步通信的方法和设备。首先将每个比特周期分为两半,建立一个发送半比特周期和一个接收半比特周期,其中每个收发信机可以在发送半比特周期期间发送数据和可以在接收半比特周期期间接收数据。同步该两个收发信机的比特周期使得每个收发信机的发送半比特周期与其他收发信机的接收半比特周期对准。

Description

在一个单独信道上的异步全双工通信
发明领域
本发明涉及在一个通信系统中的数据发送并具体涉及通过一个单独信道或物理数据管道实现全双工异步串行数据通信线路的方法，在物理数据管道，只有半双工数据交换是另外可能的。
发明背景
在串行线路上异步发送数据的一种通用方法是通过将一个“比特”流施加在媒体上。由ASCII表中的“01000001”比特组表示的类似于字母“A”的一个字符，被如图1所示的发送。该比特组被首先发送最低有效位(LSB)和由一个起始比特开始。‘1’由一个标记或正电平表示，而‘0’由一个空格表示。借助在接收端的定步时钟，恢复该串行流。标记和空格占据整个比特周期和需要单独的路径用于全双工数据交换。
当媒体是自由空间并且光脉冲用于发送数据时，该串行的比特流可以如图2所示的出现。在这个系统中，‘1’由没有光时表示，而‘0’由落在一个给定的时间窗内的一个短的光脉冲表示。如前所述，接收机的时钟用于恢复和展宽比特使得被恢复的比特流表现如图1所示的那样。对于图2所示的情况，因为发送和接收路径是相同的媒体，即，自由空间，所以收发信机一般当发送所有比特块时关闭其接收机，而当接收比特块时制止发送。因此，该系统是半双工的，因为数据通信设备必须通过媒体转向发送。由一个设备使用的带宽对于其他设备是不可用的。因此在只有半双工通信初始是可能的情况下提供全双工通信的方法和系统将是有益处的。
本领域中同时双向通信系统是已知的。美国专利号3,721,763阐明与一个两线连接系统一起使用发送相同极性脉冲的两个单独的单极发送机。反向变压器被置于在每一端的发送机和接收机之间使得接收脉冲被反向，用于识别和避免由于正向脉冲在相同端同时发送而造成的干扰。但是，还示出一个接地连接并且可以推断出发送机和接收机之间为三线连接并且这个接地连接引入了最不希望的接地回路干扰的可能性。
表示两线同时双向通信的其他说明性的专利是美国专利号为4,012,590，4,112,253和4,117,227的专利。这些专利示出对于除使用比较或差分电流或电压电平或实施特殊的编码和解码操作以便适应双向同时通信的其他通信技术以外的基本问题的可选方法。
利用这些系统的问题之一是需要提供发送和接收之间的适当同步。美国专利号为4,326,287的专利公开了在每个接收机中放置一个锁相环以便从发送的信号中提取时钟信息用于同步回程的发送以便避免脉冲的重叠并且确定接收比特是1还是0。利用锁相环的一个问题是它们相当的复杂和成本昂贵。通常锁相环被调谐到一个特定的频率和当改变波特率时需要重新调谐。
发明摘要
本发明的一个目的是提供一种异步全双工通信，它保持发送窗和接收窗之间的同步，它不需要使用锁相环将接收机频率同步到发送机的频率。
根据本发明的一个实施例，公开了能够在相同的物理媒体内异步全双工通信的一种方法。根据本发明的一个实施例，半个波特周期被分配用于发送脉冲，而另外半个波特周期被分配用于接收脉冲。
根据本发明的一个实施例，公开了在通信系统中两个收发信机之间提供全双工异步通信的一种方法。首先每一比特周期被分为两半，建立一个发送半比特周期和一个接收半比特周期，其中每个收发信机可以在发送半比特周期期间发送数据和可以在接收半比特周期期间接收数据。同步该两个收发信机的比特周期，使得每个收发信机的发送半比特周期与其他收发信机的接收半比特周期对准。
根据本发明的另一个实施例，公开了在两个设备之间全双工异步通信的一个通信系统。在该系统中，每个设备具有一个收发信机和在两个设备之间提供一个通信线路，通过该线路，数据以具有比特率的比特流发送。提供的装置用于将每个比特周期分成两半以便建立一个发送半比特周期和一个接收半比特周期，其中每个收发信机可以在发送半比特周期期间发送数据和可以在接收半比特周期期间接收数据。提供的同步装置用于同步该两个收发信机的比特周期使得每个收发信机的发送半比特周期与其他收发信机的接收半比特周期对准。
附图的简述
从结合附图的下面所写的描述中，该发明的这些和其他特性和优点对本领域普通技术人员将完全清楚，其中：
图1图解说明一个异步串行字符发送；
图2图解说明一个异步的红外线的串行流；
图3图解说明根据本发明一个实施例的发送/接收比特交错；
图4图解说明根据本发明的一个实施例的状态机；
图5图解说明根据本发明的一个实施例的一个单端系统；
图6图解说明根据本发明的一个实施例的一个差分系统；和
图7图解说明根据本发明一个实施例的红外线系统。
详细描述
下面有效描述的全双工方法使利用半双工技术另外得到的数据吞吐量加倍。本领域技术人员会理解那个方法在大量应用中是有用的，其中传输媒体可以是自由空间、光纤或有线的串行线路，但是不限于此。
该发明的全双工通信方法建立于将比特表示为脉冲的想法，并且利用发送比特和接收比特之间的时间窗。图3示出如由任一个通信设备(收发信机)看到的发送和接收比特流之间的相对定时。图3图解说明发送比特流“010001...”和接收比特流“00010...”的一个设备。根据本发明，比特周期被分成两半：一个用于发送，而另一个用于接收。这样，该设备被允许在其宽度是该比特周期一半的发送窗(WTX)期间发送和该设备在其宽度是该比特周期一半的接收窗(WRX)期间注意接收比特。
因为每个数据通信设备以不同的时钟运行并且因为可以期望这些时钟以些许不同的速度运行，所以不能预期保持，或者甚至得到发送脉冲和接收脉冲之间的相位关系，除非提供产生同步比特的适当机构。本发明提供适当同步通过任一个设备的比特发送的机构。该建议的机构是一个状态机，由至少收发信机(全球异步接收机/发送机)之一中的处理器实现，其中该状态机由至少比传输的波特率或比特率快8倍的时钟协调。现在将描述本发明，其中该状态机由比波特率快8倍的时钟协调，但是本发明不限于此。利用比波特率快8倍的时钟，该比特周期可以被分为八段，4段在发送窗，而4段在接收窗。预期发送脉冲的宽度大于该协调时钟的一个周期而小于该协调时钟的三个周期。因此，发送脉冲将保持在发送窗内而接收脉冲将保持在接收窗内。该状态机根据检测到接收比特的上升沿时的精确瞬时通过观察接收的比特流和提前或延迟其自己的比特发送以保持同步。
该发明的优选实施例是在至少一个UART内建造的一个状态机。该状态机的图表示在图4。该图描述了一个状态机，它假设一个协调时钟比标称的传输波特率(比特/秒)快八倍。但是，可以容易地将该图扩展为描述使用其速度是比标称的波特率八倍高任意倍的一个协调时钟的状态机。所有状态机状态可以在相同的波特周期内出现。
该状态机由该收发信机自己的时钟协调，随着状态机的状态根据该机器的当前状态和从两个单独输入得到的事件，即，一个SYNC命令是否由该UART的主控制器发出和该接收机是否检测到‘0’比特或‘1’比特，而改变。在下表中列出该事件并描述：
事件 描述 RX状态
E0 没有同步命令和接收机检测到‘0’比特 0
E1 没有同步命令和接收机检测到‘1’比特 1
EX 不管输入 X
ES 发出同步命令和忽略输入 X
具有八倍于波特率的协调时钟的状态机具有11种可能的下述状态：
状态 描述 对这些事件的响应
 S0 在TX窗内的第一周期。收发信机不可以发送。 EX
 S1 在TX窗内的第二周期。收发信机可以发送。 EX
 S2 在TX窗内的第三周期。收发信机不可以发送。 EX
 S3 在TX窗内的第四周期。收发信机不可以发送。开始寻找周期末端的RX脉冲。 E0，E1
 S4  RX窗内的第一周期。寻找RX脉冲。 E0，E1
 S50 在RX窗内的第二周期。尚未检测到RX脉冲。继续寻找RX脉冲。 E0，E1
 S51 在RX窗内的第二周期。以前检测到RX脉冲。 EX
 S60 在RX窗内的第三周期。尚未检测到RX脉冲。继续寻找RX脉冲。但是，Sync命令具有优先权。 E0，E1，ES
 S61 在RX窗内的第三周期。以前检测到RX脉冲。 EX
 S70 在RX窗内的第四周期。尚未检测到RX脉冲。继续寻找RX脉冲。 E0，E1
 S71 在RX窗内的第四周期。以前检测到RX脉冲。 EX
该状态机检查每个状态周期期间的它的输入并且在下一个协调时钟信号改变状态。如图4所示的，该机器假设的状态是基于它的当前状态和检测到的事件。
如图4所示，在状态S0，S1和S2期间，该机器忽略其输入(事件EX)和当协调时钟滴答出现时简单进入到下一个状态。如果有一个比特发送，那么实现该机器的UART可以在状态S1期间发送。该收发信机可以在状态S2期间继续发送，但是该收发信机不能在状态S2期间开始发送。该收发信机不可以在任意其他状态发送。在状态Sx1，已经检测到一个脉冲并且可以假设该机已经成功地与它的同位体同步。如果在周期S3的末端接收到一个脉冲，则该机跳到S51与其同位体再同步(即，跳过一个状态)。当同步UART同位体时，期望由周期S4的末端接收脉冲。如果在任意的Sx0状态期间检测到一个脉冲，则该机不前进；而是移动到状态S51利用它的同位体的发送窗再同步其接收窗(其被假定为滞后)。
当该UART发送和接收时间窗被适当同步时，它们的协调时钟如预期的那样，给出足够长的时间周期，它们的Tx/Rx窗在时间上将漂移一个协调时钟周期(或在这个例子中的波特周期的12.5％)。如果它们的协调时钟漂移一个典型值0.01％，则它们在1250秒或大约20分钟中将漂移一个协调时钟周期。但是，在正常的情况下，由较快的时钟协调的UART的状态机将从状态S3(或S50)跳到S51，每20分钟使该状态机与其同位体再次同步。因此，该UART将能够容易地保持不BREAK的全双工会话。
状态S60是一个特殊情况，这是当SYNC命令起作用的唯一时间。考虑当正在通信的UART首先变得有效时可能的初始条件。此时可能的是，不是使其自己的发送窗与同位体的接收窗同相，而是每个UART的发送窗与其他发送窗完全准确同相。因为预期一个UART忽略在其发送窗期间接收的输入，一个上层协议必须监控该UART的操作以便初始同步它们的发送。
如果尚未同步，则该上层协议可以例如通过命令它自己的收发信机产生BREAK启动一个会话。BREAK使UART发送一系列的脉冲，在该波特周期发送窗期间每波特周期发送一个。如果该UART能够检测到该BREAK，则预期该同位体UART的上层协议利用指定特定协议(即，正常通信的开始或另一个BREAK的开始)确认该BREAK。如果启动会话的该UART没有接收到响应，则它的上层协议可以假定该Tx/Rx窗没有适当同步。因此，该上层协议发出一个SYNC命令到其UART并且重新发送该BREAK。当它的状态机进入状态S60时，该UART响应该SYNC命令，此时它强制跳到状态S50，实质上还在时间上将它自己的Rx窗移动两个波特周期(90度)。如果接收脉冲如上述的至少是一个协调时钟周期宽，则各个同位体UART在一个波特周期内将互相同步。通过发送该同位体设备响应提供的几乎任意比特的字符串也可以获得同步。状态机只要检测到2个或多个连续比特就保证同步。
提出同步接收和发送窗的BREAK也可以用于执行自动波特功能，这在正常的异步环境中是不可行的。在正常的环境中，BREAK导致由发送机保持的逻辑‘0’电平连续地激励接收UART。但是，使用上面提出的脉冲的，反向的逻辑，一个BREAK导致一个脉冲流在时间上相等地隔开，因为BREAK不包括停止位。该接收UART可以以一个已知的方式调整它的波特率到从该输入流检测到的稳定速率。
下面的图说明可以使用本发明的异步收发信机系统的类型。在每一种情况下，要求同步Tx/Rx窗的状态机包括在该UART内。
图5表示一个单端系统，例如可以利用RS232收发信机实现。在图5中，收发信机50具有一个发送机51和一个接收机52，它们经一个线路连接到收发信机53的发送机54和接收机55。根据本发明，至少收发信机50或53之一配备如上述同步发送/接收窗的装置。根据本发明，该发送机要求该UART在它自己的接收窗期间禁止它的输出，在RS-232通信中一些动作不能正常执行。
图6表示例如可以利用RS422收发信机实现的一个差分系统。在图6中，收发信机60具有一个发送机61和一个接收机62，它们经一个线路连接到收发信机63的发送机64和接收机65。根据本发明，至少收发信机60或63之一配备如上述同步发送/接收窗的装置。因为这些设备通常用于多点结构，所以发送机很可能包括一个输入以禁止在该UART接收窗期间的它们的输出。
图7表示例如可以使用红外线部件装配的一个红外线系统。在图7中，两个收发信机72和74面对面排列但是本领域技术人员将会理解只要来自每个收发信机的光直射到其他收发信机上，该收发信机可以放置在其他结构中。每个收发信机分别具有一个红外线的发送机76和78，和分别的一个接收机80和82。而且，至少收发信机之一配备如上述同步发送/接收窗的装置。一个不透明的阻挡层84放置在每个发送机和它自己的接收机之间。因为在它自己的接收机的附近的红外线发送机在发送时将使它的接收机饱和，所以需要该不透明阻挡层84。发出的光的强度很大以至于该系统需要实现一个“换向时间”以便允许接收机在被要求接收信息之前脱离饱和。通常构成红外线的组件没有发送机和接收机之间的不透明阻挡层以便降低收发信机的制造成本。首先可以看到在部件之间简单放置阻挡层可以使红外线部件工作在全双工模式，但是这不是由于在发射光束附近或在发射光束的路径上的目标可以将该光反射回接收机的事实。反射的光相当微弱并且不大可能使接收机饱和，但是对于在UART输入上产生一个接收信号它可能仍然是足够强的。因此，如果在该波特周期内的发送/接收窗的复用没有如在这里建议的实现，全双工通信在一个红外线系统中仍然是不可能的。
本领域普通技术人员会理解在不脱离本发明的精神或中心特征的情况下，本发明可以以其他的特定的形式实现。因此认为现在公开的实施例在各个方面是示例性的和非限制性的。该发明的范围由所附的权利要求书表示而不是由前面的描述表示，并且试图将在其等价物的意义和范围内作出的所有改变包括在其中。

Claims (26)

1.一种用于在一个通信系统的两个收发信机之间提供全双工异步通信的方法，包括步骤：
将每个比特周期分为两半建立一个发送半比特周期和一个接收半比特周期，其中每个收发信机可以在发送半比特周期期间发送数据和可以在接收半比特周期期间接收数据；
同步该两个收发信机的比特周期使得每个收发信机的发送半比特周期与其他收发信机的接收半比特周期对准。
2.根据权利要求1的方法，其中通过根据检测到接收比特的上升沿时观察接收的比特流和提前或延迟比特发送来保持同步。
3.根据权利要求1的方法，其中通过使启动设备发出一个BREAK命令获得两个设备之间的初始同步，其中如果没有接收到对该BREAK命令的响应，则该启动设备发出一个同步命令给它自己的收发信机，其中所述同步命令使该收发信机向前位移它的发送窗。
4.根据权利要求1的方法，其中该两个设备的波特率可以通过发出一个BREAK命令和将该收发信机的波特率调整到从数据的输入流检测到的速率来初始确定。
5.根据权利要求1的方法，其中只要所述的其他设备响应所述的比特流，通过从一个设备发送一个比特流到其他设备就可得到两个设备之间的初始同步。
6.一个允许两个设备之间的全双工异步通信的通信系统，包括：
位于每个所述设备中的一个收发信机；
所述两个设备之间的通信线路，在该线路上，数据以具有一个比特率的比特流发送；
将每个比特周期分成两半的装置，以便建立一个发送半比特周期和一个接收半比特周期，其中每个收发信机可以在发送半比特周期期间发送(数据)和可以在接收半比特周期期间接收(数据)；
同步该两个收发信机的比特周期的装置使得每个收发信机的发送半比特周期与其他收发信机的接收半比特周期对准。
7.根据权利要求6的通信系统，其中所述同步装置位于至少一个收发信机。
8.根据权利要求7的通信系统，其中所述同步装置是实现一个状态机的处理器。
9.根据权利要求8的通信系统，其中所述状态机由一个比传输的比特率快8倍的时钟协调。
10.根据权利要求8的通信系统，其中所述状态机通过根据检测到接收比特的上升沿时观察接收的比特流和提前或延迟其比特发送来保持同步。
11.根据权利要求6的通信系统，其中通过使启动设备发出一个BREAK命令获得两个设备之间的初始同步，其中如果没有接收到对该BREAK命令的响应，则该启动设备发出一个同步命令给它自己的收发信机，其中所述同步命令使该收发信机向前移动它的发送窗。
12.根据权利要求6的通信系统，其中该两个设备的波特率可以通过发出一个BREAK命令和将该收发信机的波特率调整到从数据的输入流检测到的速率来初始确定。
13.根据权利要求6的通信系统，其中只要所述的其他设备响应所述的比特流，通过从一个设备发送一个比特流到其他设备得到两个设备之间的初始同步。
14.根据权利要求6的通信系统，其中在该收发信机接收窗期间该收发信机禁止其输出。
15.根据权利要求6的通信系统，其中该收发信机具有在接收窗期间禁止收发信机输出的一个输入。
16.根据权利要求6的通信系统，其中所述通信线路是一个有线的串形线路。
17.根据权利要求6的通信系统，其中该通信线路是光纤。
18.根据权利要求6的通信系统，其中所述通信线路是自由空间。
19.一个允许两个红外线设备之间的全双工异步通信的红外线通信系统，包括：
位于每个设备中的一个收发信机，每个收发信机包括一个发送机和一个接收机和一个放在每个发送机和接收机之间的一个不透明阻挡层以便屏蔽接收机和发送机，其中安排该收发信机以便互相接收光脉冲；
将每个比特周期分成两半的装置，以便建立一个发送半比特周期和一个接收半比特周期，其中每个收发信机可以在发送半比特周期期间发送(数据)和可以在接收半比特周期期间接收(数据)；
同步该两个收发信机的比特周期的装置，使得每个收发信机的发送半比特周期与其他收发信机的接收半比特周期对准。
20.根据权利要求19的红外线通信系统，其中所述同步装置位于至少一个收发信机中。
21.根据权利要求20的红外线通信系统，其中所述同步装置是实现一个状态机的电路。
22.根据权利要求21的红外线通信系统，其中所述状态机由一个比传输的比特率快8倍的时钟协调。
23.根据权利要求21的红外线通信系统，其中所述状态机通过根据检测到接收比特的上升沿时观察接收的比特流和提前或延迟其比特发送来保持同步。
24.根据权利要求19的红外线通信系统，其中通过使启动设备发出一个BREAK命令获得两个设备之间的初始同步，其中如果没有接收到对该BREAK命令的响应，则该启动设备发出一个同步命令给它自己的收发信机，其中所述同步命令使该收发信机跳到下一个窗口。
25.根据权利要求19的红外线通信系统，其中该两个设备的波特率可以通过发出一个BREAK命令和将该收发信机的波特率调整到从数据的输入流检测到的速率来初始设置。
26.根据权利要求19的红外线通信系统，其中只要所述的其他设备响应所述的比特流，通过从一个设备发送一个比特流到其他设备得到两个设备之间的初始同步。
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