CN1801823A - 多个节点设备互连的单总线通信协议 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于多个节点设备互连的单总线通信协议，通过采用独特的信号特征、通信节点地址形式和通信帧组织方式，使得总线竞争的开销为零，各通信节点在通信请求上处于同等地位，可以构成无主的互连通信网；由于总线速率是开放的，所以不同应用领域可采用不同的速率。集成电路芯片间互连可以使用高速率，系统板级连接可使用中等速率，通信网分布范围较大的领域，如检测、数据采集、现场总线、安防系统等可采用低速率。一条具体的通信总线能达到的最高速率由总线负载和总线驱动能力决定。

Description

多个节点设备互连的单总线通信协议

技术领域

本发明涉及通信协议技术领域，更具体地，涉及例如集成电路芯片之间数据通信，或是系统内板级之间数据通信，或是分布范围较广的数据采集监控节点之间低速数据通信的通信协议。

背景技术

人们一直致力于解决对象间的信息交互，普遍利用有线或无线手段将各个对象连接起来。对于一个电子系统内部，各个集成电路芯片的数据交互可以由它们之间的各种互连总线来实现，这种总线一般都是并行的，以提供高速的数据交换。系统中的分布进一步扩展到板级范围，也存在各种各样的数据交互。这些数据交互有时候并非需要非常高的速度，但是具备经常性和多种对象互相连接的特点，实现这些数据交互所用的连接基本上都面临布线复杂的问题。随着系统规模的增加，更多的布线将导致更大的尺寸，这样对速度提高反而有所抑制。

目前，减少总线数目的总线技术较多，典型的有I²C总线，SPI总线，1-Wire总线等，对于芯片或系统内的数据交互，这些总线都能提供较好的支持。虽然在同等技术条件下，和并行总线相比，它们的串行性降低了传输速率，但在速率能够满足要求的条件下，更少的总线数目具备更大优势，极端情况下，就是芯片间数据仅要一条信号线来传输数据。

现有的总线一般需要一个总线控制器，作为对总线具有绝对控制权的中心。总线上的各个节点不具备同等的总线请求权，并且总线操作规范一般都比较严格(严格的时钟要求和时序要求)，所以这些总线对于各个节点需要平等的数据交互是不适用的。增加中心控制会带来额外的总线判决开销，不增加中心控制又会带来竞争开销。

另外，对于分布空间较大的系统，如监测、控制系统中，分布于较大空间范围的探测或控制节点，它们之间同样需要数据交互。现有的连接技术很多，从简单的互连到以太网，从各种工业总线到满足TCP/IP协议的网络，都是可以适用的，但是基本上也都面临布线复杂的问题。解决复杂布线的方式可以采用无线技术，但这样会带来相对高昂的网络终端问题。在满足信息交互的前提下，如何提高性价比是设计者和使用者追求的目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种多个节点设备互连的单总线通信协议，通过一条信号线实现多个节点设备的互连，可以提高布线效率，降低布线及维护成本。

本发明是这样实现的：多个节点设备互连的单总线通信协议，满足协议的互连节点设备可向总线发出、接收几种元信号序列，元信号序列和通信系统中的数据码元一一对应，即对数据码元采用了适合于单总线通信的传输媒介编码。元信号是指对应于信号传输媒介所特有的物理状态，元信号序列由强元信号和弱元信号构成，强元信号和弱元信号同时出现于总线上时，强元信号可压制弱元信号，也就是最终总线上出现的元信号是强元信号。一个具体的元信号序列以强元信号开始，弱元信号结束，这种特点使得每个序列包含位同步信息；

节点设备在二进制电气系统中，码元为“1”和“0”，元信号由物理的高、低电平代表，码元“1”或“0”的电气媒介编码是高低电平的某种序列。当多个节点设备同时向单信号线发出信号时，元信号序列中的强元信号可以压制弱元信号。各个节点设备的总线连接方式可采用线与方式，也可采用线或方式。采用线与方式时，低电平作为强元信号，高电平作为弱元信号。当多个节点设备同时向单信号线发出信号时，信号序列中的低电平可以压制高电平。一个具体的信号序列以低电平开始，高电平结束，由高到低的电平变化意味着一个新的序列开始。采用线或方式时，高电平作为强元信号，低电平作为弱元信号。当多个节点设备同时向单信号线发出信号时，信号序列中的高电平可以压制低电平。一个具体的信号序列以高电平开始，低电平结束，由低到高的电平变化意味着一个新的序列开始；

节点设备在二进制光通信系统中，码元为“1”和“0”，元信号由光的有、无来代表，码元“1”或“0”的信号形式即是光信号有无的序列。各个节点设备的总线连接方式采用直接光纤耦合，有光做强元信号，无光做弱元信号，其中有光压制无光。一个具体的信号序列以有光开始，无光结束，由无光到有光变化意味着一个新信号序列的开始；

通信数据码元序列由时间延续不等宽的元信号序列代表，如果数据码元的元信号序列编码中强元信号持续时间长于弱元信号，那么该数据码元称为优势码元。当有多个节点设备同时发送通信帧时，由于元信号的压制特点，总是先发出优势码元的设备在总线上表达正确的通信帧数据。每个节点设备具备独立的总线采样时钟，其频率一致。节点设备按总线采样时钟监视总线，在时钟标定下，时钟对元信号采样数目不等反映了元信号序列的时间延续不等宽；

每个节点设备具备唯一的设备地址，设备地址在发送通信帧中一般处在帧首。每个节点设备始终监视总线状态，利用信号压制特点，当有多个节点设备同时发送通信帧时，总是设备地址中首先出现优势码元的设备在总线上表达正确的通信帧数据。节点设备发出帧首后，如果得到的监视数据和发送数据不一致，意味着存在总线竞争，则本节点设备就要停止发送数据。帧结构中节点地址的首发送和信号压制特点实现了总线竞争时，总能有一个节点正常通信，使得竞争开销为零；

节点设备地址存在潜在总线优先权，设备地址中首先出现优势码元的设备具备更高的总线竞争优先权；

采用一种可扩展地址规模的分级地址分配方式，设备地址由地址级别和级内地址两部分组成。地址级别码元长度越短，地址的潜在优先级越高。地址级别由零个(或多个)非优势码元和一个优势码元组成，优势码元意味着地址级别结束，其后跟随级内地址，级内地址的具体编码长度随潜在优先级下降而增加；

总线的节点设备之间没有直接的对总线申请的主从之分，只有由设备地址决定的潜在优先级之分。在此通信协议基础上，实现其它逻辑上的通信网拓扑结构也是可行的，例如依照地址级别构成树状结构。

与背景技术相比，本发明的有益效果是：通过一条信号线实现多个节点设备的互连，通信协议中采用了具备压制特点的信号表现形式，使得多个通信帧同时出现时能保证最先出现强元信号通信帧的完整性；发明中设计的特殊通信节点地址形式和通信帧组织方式，使得总线竞争的开销为零；一条总线上所有通信节点在通信请求上处于同等地位，可以构成无主的互连通信网；开放的数据传输速率为多种领域的应用提供了可能。

附图说明

图1是二进制电气系统中码元“1”和“0”对应的高低电平序列示意图；

图2是低电平压制高电平的示意图；

图3是最差同步情况下采样有效性示意图；

图4是通信帧格式示意图；

图5是多个节点同时发出通信帧竞争总线示意图；

图6是满足协议要求的硬件实施例框图；

图7是一种集成协议接口的芯片间单信号线连接示意图；

图8是协议状态转移图；

图9是一种监控系统中多节点的单信号线连接示意图。

具体实施方式

一种用于多个节点设备互连的单总线通信协议，就是要在低成本上解决背景技术中提到的问题，其应用领域是集成电路芯片内或芯片之间的数据交互，板级数据交互和监控系统中的多点通信。

由于总线速率是开放的，不同的应用领域可以采用不同的速率。例如，集成电路芯片互连可以使用高速率，系统板级连接可使用中等速率，通信网分布范围较大的领域可采用低速率。一条具体的通信总线能达到的最高速率由总线负载和总线驱动能力决定。

利用单信号线作为多点互连总线，可以提高布线效率，降低布线及维护成本。只要数据搭载媒介具备强元信号压制弱元信号的能力，在设计中就可以使用任何适合的线路作为数据搭载的媒介。在二进制系统中，电气元信号可以是物理的高低电平，例如低电平做强元信号，高电平做弱元信号，其中低电平压制高电平，这可以通过线与来实现。如果反过来高电平做强元信号，低电平做弱元信号，高点平压制低电平可以通过线或来实现。光通信系统中，两种元信号可以用光的有无来代表，有光做强元信号，无光做弱元信号，其中有光压制无光。

下面具体以金属导线应用于二进制电气系统，低电平作为强元信号为例来说明具体实施方式，但这并不影响本协议对其它情形的适用性。

1.码元“1”和“0”采用的元信号序列和总线采样时钟

节点设备挂接到作为总线的信号线上，对于电气信号，需要一条信号地线作信号回路。节点设备可以发出、接收由强元信号和弱元信号构成的两种元信号序列，当两类元信号同时出现在总线上时，强元信号可压制弱元信号。一个具体的元信号序列以强元信号开始，弱元信号结束。实施例中强元信号为低电平，弱元信号为高电平。

通信数据中代表码元“1”或“0”的元信号序列是时间延续不等宽的高低电平序列，每个序列由高电平到低电平变化作为开始，各个节点在本地采样时钟的作用下，可以正确判断新序列的开始。如图1，实施例中代表通信数据中码元“1”的是低电平维持2个时钟周期(A部分)，高电平维持5个时钟周期(B部分)的电平序列，码元“0”是低电平维持5个时钟周期(C部分)，高电平维持2个时钟周期(D部分)的电平序列。码元“0”为优势码元，并且当代表“0”和“1”的两个电平序列同时出现时，低电平压制高电平使得总线上最终表现出代表“0”的序列。图2表达了这样的压制情况，其中网格区域E表示压制的部分。另外，接收端对于信号的判决是这样，只要低电平维持时钟周期小于高电平维持时钟周期，就判为“1”，只要低电平维持时钟周期大于高电平维持时钟周期，就判为“0”。

总线上的节点采用相同的总线采样时钟，如果采样时钟由本地产生，有可能出现采样时钟的采样点同接收序列变化点偏差最大一个时钟周期的情况，这是由本地时钟的不同步和发送数据在信号线上的传输延迟引起。

这种2∶5和5∶2的高低电平序列分配保证了节点设备的本地时钟互不同步，并且在采样时钟偏差最差的情况下，还能识别出码元“1”或“0”。图3表示了最差情况下数据识别的有效性。其中，点虚线表示发送端的时钟采样点，而点划虚线代表接收端的时钟采样点。这种分配关系使得相差一个时钟周期的情况下，对应2个的时钟周期有可能被采样3次，而5个的时钟周期中至少有4次能被采到，这在图3的301波形中体现出来。

另外302波形说明在另一种极端情况下的采样结果，那就是对于发送2个时钟周期可能被采样一次，而发送5个的时钟周期中被6次采样。这里的关键是，对于短持续元信号还能采到至少一个时钟周期的值，不至于认为总线空闲了。但是对于接收端来说，判别数据的依据是电平维持的时间长短，这种最差情况下的采样结果不会对高低电平维持的长短造成错判。

2.节点设备地址

为了实现不同规模和领域的应用，本协议采用一种可扩展地址规模的分级地址分配方式。设备地址由地址级别和级内地址两部分组成，地址级别代码由若干“1”开始(也可以没有)，1个“0”结束，之后跟随级内地址。

最高的地址级别代码就是“0”，次高是“10”，再次高是“110”，依次顺延，高地址级别具备竞争时高总线优先权。每种级别下的级内地址的规模不同，最高级别下级内地址由4位二进制数据表示，次高为8位二进制数据表示，依次递增4位级内地址。

在实际应用中，根据实现复杂度和应用领域可进行其它规模的地址分配。例如，对于集成电路芯片内或芯片之间的数据交互，一般情况下，需要连接的对象个数较少，几个芯片可以采用短地址以提高效率，这时可采用最高地址级别编码；对于大范围分布众多探测节点的测控应用可以采用低级别的地址编码。

一般情况下，对于级内地址代码全“1”的这个特殊地址，不分配给某个节点设备，而是作为本级的广播地址，只要通信帧的目标地址是这个特殊地址，则表明本级的所有节点设备都要接收。

3.总线竞争零开销

当多个节点设备同时发送通信帧时，由于元信号的压制特点，总是首先发出优势码元的设备在总线上表达正确的通信帧数据。

节点设备始终监视总线，只有总线处于空闲时，节点设备才能发送通信帧。总线上有强元信号存在，表明总线被别的节点占用；弱元信号维持较多的采样周期后，才表明总线空闲。总线空闲判决时长由总线延迟和表示信号状态的元信号序列长度决定。实施例中，信号状态的元信号序列长度为7，而总线延迟根据实际决定。

多个节点设备同时监测到总线空闲而同时发出通信帧时，即开始竞争总线。当节点设备监测到总线数据和本地发出的数据不一致时，表明有竞争存在，监测到竞争存在的节点设备就要立即结束本次发送，等到下次总线空闲时，才继续重新开始。这时，具备首发强元信号的设备没有监测到竞争，或者说，总线上的数据还是它发出的正确数据，它的数据可不受破坏地继续发送下去，无须重新开始，所以竞争开销是零。

利用设备地址的唯一性，保证了整个竞争中只有一个节点设备胜出。每个节点设备具备唯一的设备地址，本地地址在发送的通信帧中一般处在帧首。图4列举了通信帧的格式。格式401是通信帧的一般形式，格式402是地址为“00000”的源节点向地址为“00001”的目标节点发送的数据帧格式，格式403是地址为“1010001111”的源节点向地址为“1010001000”的目标节点发送的数据帧格式。其中，格式402的源节点地址级别为“0”，级内地址为“0000”，格式403的源节点地址级别为“10”，级内地址为“10001111”。

利用元信号的压制特点，当有多个节点设备同时发送通信帧时，总是设备地址中首先出现“0”的设备(设备地址靠前的设备)在总线上表达了正确的通信帧数据，最后能够无破坏的传输数据，其它节点设备会很快退出竞争。

由于设备地址级别高或者同级别内级内地址靠前的设备总是首先发出优势码元“0”，压制了别的节点设备，使其它节点设备退出竞争，直到胜出节点设备发送结束。由此可见，具备高地址级别的节点设备具备高的总线竞争优先权，设备地址级别越高或者同级别内级内地址靠前的设备具备更高的总线竞争优先权。图5示范了多个节点同时发出通信帧时的竞争和退出过程。数据帧501和502同时被两个节点发出。数据帧501的源节点地址为“00000”，数据帧502的源节点地址为“1010001111”。易见，数据帧501首先发出优势码元“0”，它在总线上压制了数据帧502发出的码元“1”，之后，地址为“1010001111”的节点就检测到总线竞争，从而停止了数据帧502的继续发送。最终，数据总线上只有数据帧501的完整序列，直至其发完，总线进入空闲状态。

以下两个二进制电气系统更加具体的实施例从不同角度对协议的实现进行描述，其中硬件实现主要从协议组成部分及其相互关系的角度进行描述，软件实现则是从协议状态转移角度进行描述。需要指出的是，并不是只有这样的实施例才是本协议唯一的实现方法，事实上可以用更多的方法来实现，协议本身更多的是体现了一种用以交互数据的思想。

4.一种在集成电路芯片中实现本协议的总线接口实施例

根据协议表达的思想，在集成电路芯片中可以集成一个接口，使之满足协议要求，具备这种接口的多个集成电路芯片可以利用一条信号线进行数据交互。图6是一种实现本协议的硬件组成框图实例，其中虚线框中的部分601即是满足协议要求的接口电路。

图6中的连接信号线有对外信号线和对内信号线两种。对外信号线是要挂接被用作共享通信总线的单信号线，对内信号线是芯片内部其它部分615(如控制器核心)的内部连接线。通过对内信号线，内部控制器核心可以设置本地地址或者发送、接收数据。另外，本地地址也可以采用固定方式固化在接口中。

图6中与总线连接的端口是一个双向端口，可以向总线发出信号或监视总线上的信号。接口输出单元613是开漏输出形式的电路，可以利用线与在总线上形成低电平压制高电平的强弱元信号；同时，输出单元受“协议控制器”单元609使能控制，只有在使能的情况下，才能发送数据，无数据发送时，开漏形式对总线状态没有任何影响。接口输入单元的最前端是输入缓冲612，将总线状态直接传递到“总线监视和序列解码器”单元611。

具体的硬件行为过程描述如下：

1)接口始终监视总线状态，并且在需要时进行序列解码。如果本地没有数据发送，只要检测到总线由空闲进入忙的状态，就要进行解码，若“地址解析”单元608分析到总线数据帧的目标地址与“本地设备地址”单元606内容一致，则“地址解析”单元控制“通信帧解包”单元605解包并将数据写入“接收数据缓冲器”单元603；

2)“接收数据缓冲器”单元603通过“配置以及收发数据接口”单元602和芯片内部联系，使得接收数据进入芯片内部；

3)如果本地有数据发送，则芯片内部控制器通过“配置及收发数据接口”单元对“发送数据缓冲”单元604写入数据。只要“发送数据缓冲”单元中有数据，“协议控制器”就启动“发送帧打包”单元607，将数据写入“发送帧数据缓冲”单元610。根据“总线监视和序列解码器”单元611给出的总线状态，“协议控制器”单元609决定是否将“发送帧数据缓冲”单元中的数据经“序列编码器”单元614按位进行高低电平编码，以形成发送的元信号序列。同时，在总线空闲的指示下，“协议控制器”单元609使能开漏输出，使序列发送到外部的总线上；

4)本地发送时，如果“总线监视和序列解码器”单元611检测到总线上的元信号和本地发送的元信号不一致，则通知“协议控制器”单元609，“协议控制器”单元609会立即停止使能开漏输出，停止“发送帧数据缓冲”单元610的序列编码，并且本次发送回到初始状态。

采用这种接口的集成电路芯片可以很方便地通过一条信号线进行数据交互。图7给出了一个实际的连接形式，其中701，702，703，704为集成电路芯片，705为上拉电阻。另外，在系统内板级的互连上，如果采用具备这样接口的芯片作为板级接口，同样可以类似地实现板级互连。

总线最高数据传输率由驱动能力和总线负载决定。总线由高电平驱动电路驱动，高电平驱动电路非常简单，可以直接通过上拉电阻接到数字电源上。一般来讲，在线路尺寸和信号波长比很大的情况下，CMOS工艺中，对总线和各个节点的端口采用容性负载的等效分析是简单有效的。例如，采用保守的信号标准分析时，若要在半个采样周期内信号电平偏差不超出稳定值的10％，可以推出最高的数据传输率为(32.2RC_T)^-1位每秒，其中R为上拉电阻值，C_T为总线的总容性等效负载。当上拉电阻为100欧姆，C_T为100皮法时，上述最高数据传输率约为3.1兆位每秒。值得注意的是这里的传输率指位传输率，是对7个采样序列解码后的实际码元位。如果芯片布局不是很稀疏，并且总线端口的容性比较小的情况下，最高数据传输率还可以更高。

5.处理器软件实现本通信协议的实施例

在各种系统中(尤其是嵌入式系统)，常使用种类繁多的微处理器。这些系统中，存在分布于较大空间的很多节点，利用单条信号线实现它们的数据交互是很有价值的，以下描述本协议在各节点的软件实现方法。

嵌入式微处理器的定时中断可实现本协议，利用定时中断是为了实现对总线等间隔采样的准确性。

图8是协议状态转移图。其中设置了几种“协议状态”，如“空闲状态”801，“暂收状态”802，“接收状态”803，“待发状态”804，“发送状态”805等，根据本地当前所处的不同状态，中断例程会做出不同的程序响应。事实上，图6中“协议控制器”单元的具体控制过程，可以参考这里的状态转移。

各状态的意义：

状态801为检测到总线空闲时，且无数据发送的状态，本状态下，节点不停监视总线；

状态802为在状态801下，检测到总线上出现数据(只要低电平开始出现)就进入的状态。本状态下，节点不停监视总线，对接收到的序列进行解码并暂时存放，接收到的数据可以进行目标地址分析时做出分析；

状态803为状态802能做出目标地址分析并确定为本地时成为活动的状态，节点无间隔地继续接收总线序列并解码，并把解码结果暂存，直至检测到总线空闲，表明接收序列完毕。对解码结果进行校验并且解包数据帧送至上层通信应用层，之后返回状态801；

状态804是本地有数据要发送时，先将发送数据打包，并设置一个标志位，直到状态801出现后，才能成为活动的状态。刚进入本状态时，并不急于进入下一状态805，而是继续监视总线的状态，仍然是总线空闲后，才进入状态805；

状态805是本地数据发送状态，节点按照发送数据包依次将数据进行序列编码后发送到总线，并且继续监视并分析总线数据，一旦发现接收数据和发送数据不相符，说明总线竞争存在，有更高优先级的节点在发送，则本节点立即退出本状态。无竞争则发送完毕，并清除发送标志。

下面具体说明各状态转移的条件：

条件810是总线出现低电平；

条件811是目标地址与本地设备地址相异且再次检测到总线空闲；

条件812是目标地址与本地设备地址相同或是广播地址；

条件813是接收数据结束并再次检测到总线空闲；

条件814是本地数据发送标志有效；

条件815是本地数据发送标志失效；

条件816是总线空闲；

条件817是检测到总线竞争；

条件818是本地数据发送完毕并检测到总线空闲；

条件819是目标地址与本地设备地址相同或是广播地址。

可见，节点始终处于对总线的监视状态，以下进行一般过程性描述。

“空闲状态”是一个节点最原始的出发状态，如果节点检测到总线上开始有数据帧出现，要对其进行预接收并分析。在接收数据可以做出地址解析时，就分析目标地址是否为本地地址，如果是则继续接收整个数据帧，如果不是，则持续“暂收状态”并等待，直到总线出现空闲，表明刚才的数据帧结束了。如果原来处于本地接收状态，则在总线出现空闲时，表明刚才的数据帧结束，对数据的完整性做出分析后，可以完结本次接收，将接收数据送给上层通信层；

本地要发送数据时，在数据打包完成后置位一个数据发送标志，总线空闲时进入“待发状态”，然后继续检测总线，总线再次空闲时进入“发送状态”，“待发状态”是为了保证本状态由“发送状态”发现竞争进入时的兼容性；

“发送状态”如果监视到总线状态和发送序列不一致，表明竞争存在，停止发送，进入“待发状态”，等待下次总线空闲再行发送。如果一致则继续发送直至结束，仍然检测总线空闲后才返回“空闲状态”，这样做使本节点在一次发送后要有片刻的停顿，虽然它知道总线目前肯定是空闲的，但是为了保证本节点和其它节点有共同的总线申请机会，避免了一个连续发送的节点连续发送数据帧，而屏蔽其它节点；

值得注意的是节点发现竞争而本节点又是目标节点的情况下，本节点需要接收该数据帧，所以节点持续监视并分析总线数据是必要的，任何时候都不失为一种好的措施，这样节点就不会遗漏任何可能的总线数据。如果在状态804分析到目标地址和本地设备地址一致，说明本地需要接收这个数据帧，则转移到状态803。

上述流程只是中断例程的流程，实际中需要有一个常规例程根据实际的“协议状态”及数据做出和高层通信层间的数据交互。

本软件实现的实用价值主要体现在低代价情况下，可实现多个节点设备的通信，只要各节点具备处理器，那么在硬件资源上仅利用它的一个双向端口就可达到这一目的。节点间的一条信号线连接使得大范围布线变得简单，图9给出了一个多点连接系统，各个监控节点1、2、……n与高电平驱动的一条信号总线连接，当节点需要通信时，通过这条总线就能够完成。如果微处理直接集成这样的接口，就象上面的硬件实现实例一样，那么实际的使用将变得更加容易。

般来说，监控系统在网络构成上，是有控制中心的一级控制或分区域的二级控制，仍可以利用本协议来实现。因为在本协议下，各节点是可以相互通信的，只要在上层应用限制通信权限组成相应的逻辑拓扑结构即可。

当信号线变长时，最高通信速率会受到影响。例如采用每米50皮法的一对导线做信号总线(包括回路地)，那么这样的一千米布线将有约50纳法的容性负载，在100欧姆的总线驱动电阻的作用下，最高通信速率大约为6200位每秒。作为一个参考，在一般的低速应用中是足够的。

Claims (8)

1.多个节点设备互连的单总线通信协议，其特征在于：满足协议的互连节点设备可向总线发出并从总线接收、识别几种元信号序列，元信号序列和通信系统中的数据码元一一对应；

元信号是指对应于信号传输媒介所特有的物理状态，元信号序列由强元信号和弱元信号构成，强元信号和弱元信号同时出现于总线上时，强元信号可压制弱元信号，也就是最终总线上出现的元信号是强元信号；

一个具体的元信号序列以强元信号开始，弱元信号结束，这种特点使得每个序列包含位同步信息。

2.根据权利1所述多个节点设备互连的单总线通信协议，其特征在于：节点设备在二进制电气系统中，码元为“1”和“0”，元信号由物理的高、低电平代表，码元“1”或“0”的电气媒介编码是高低电平的某种序列，当多个节点设备同时向单信号线发出信号时，元信号序列中的强元信号可以压制弱元信号；

各个节点设备的总线连接方式采用线与方式时，低电平作为强元信号，高电平作为弱元信号，当多个节点设备同时向单信号线发出信号时，信号序列中的低电平可以压制高电平。一个具体的信号序列以低电平开始，高电平结束，由高到低的电平变化意味着一个新的序列开始；

各个节点设备的总线连接方式采用线或方式时，高电平作为强元信号，低电平作为弱元信号，当多个节点设备同时向单信号线发出信号时，信号序列中的高电平可以压制低电平。一个具体的信号序列以高电平开始，低电平结束，由低到高的电平变化意味着一个新的序列开始。

3.根据权利1所述多个节点设备互连的单总线通信协议，其特征在于：节点设备在二进制光通信系统中，码元为“1”和“0”，元信号由光的有、无来代表，码元“1”或“0”的信号形式即是光信号有无的序列；

各个节点设备的总线连接方式采用直接光纤耦合，有光做强元信号，无光做弱元信号，其中有光压制无光。一个具体的信号序列以有光开始，无光结束，由无光到有光变化意味着一个新信号序列的开始。

4.根据权利1所述多个节点设备互连的单总线通信协议，其特征在于：

通信数据码元序列由时间延续不等宽的元信号序列代表，如果数据码元的元信号序列编码中强元信号持续时间长于弱元信号，那么该数据码元称为优势码元；

当有多个节点设备同时发送通信帧时，由于元信号的压制特点，总是先发出优势码元的设备在总线上表达正确的通信帧数据；

每个节点设备具备独立的总线采样时钟，其频率一致；节点设备按总线采样时钟监视总线，在时钟标定下，时钟对元信号采样数目不等反映了元信号序列的时间延续不等宽。

5.根据权利1所述多个节点设备互连的单总线通信协议，其特征在于：

每个节点设备具备唯一的设备地址，设备地址在发送通信帧中一般处在帧首；

每个节点设备始终监视总线状态，利用信号压制特点，当有多个节点设备同时发送通信帧时，总是设备地址中首先出现优势码元的设备在总线上表达正确的通信帧数据。节点设备发出帧首后，如果得到的监视数据和发送数据不一致，意味着存在总线竞争，则本节点设备就要停止发送数据；

帧结构中节点地址的首发送和信号压制特点实现了总线竞争时，总能有一个节点正常通信，使得竞争开销为零。

6.根据权利要求5所述多个节点设备互连的单总线通信协议，其特征在于：节点设备地址存在潜在总线优先权，设备地址中首先出现优势码元的设备具备更高的总线竞争优先权。

7.根据权利要求6所述多个节点设备互连的单总线通信协议，其特征在于：采用一种可扩展地址规模的分级地址分配方式，设备地址由地址级别和级内地址两部分组成；

地址级别码元长度越短，地址的潜在优先级越高，地址级别由零个或多个非优势码元和一个优势码元组成，优势码元意味着地址级别结束，其后跟随级内地址，级内地址的具体编码长度随潜在优先级下降而增加。

8.根据权利要求1所述多个节点设备互连的单总线通信协议，其特征在于：总线的节点设备之间没有直接的对总线申请的主从之分，只有由设备地址决定的潜在优先级之分。

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