CN1821913A - 基于i2c的通信系统及通信方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于I2C的通信系统，包括总站、若干分站及主控制器，其中，总站采用并行数据连线主控制器、主控制器和分站之间采用I2C双线规则进行物理连线，总站和/或分站设置对应的冗余站点，主控制器作为总线上数据传输的中转站，完成总站并行数据到I2C标准数据格式的转换，提高了总站处理效率和数据传输速度。主控制器实现冗余检测功能，冗余切换使用特定时序逻辑和相应切换动作使得能够平滑过渡。每个站点设置特定的地址信息，根据地址寻址所要通信的站点，冗余检测也根据地址信息定位故障站，冗余检测完全在总线上完成，无需附加多余的电路实现冗余检测和切换。该装置电路简单，通信方式灵活，速率高，采用站点冗余后通信可靠性大大提高。

Description

基于I2C的通信系统及通信方法
技术领域
本发明涉及工业控制领域，尤其涉及用于现场过程控制的实时数据采集和数据通信的基于I2C的通信系统及通信方法。
背景技术
工业控制现场中工况条件十分恶劣。高温、高压以及各种各样的干扰源，很容易造成器件损坏及系统故障，进而导致数据采集中断或者通信中止。然而，工业控制过程中对系统的可靠性要求非常高，系统运行出现故障将导致严重后果。特别在实时控制过程中，数据要求实时采集并转发到上位机进行监控，各个器件不能停止工作，所以工业控制系统中通常采用冗余配置方式解决这个问题，以此提高系统可靠性。冗余配置即采用多块实现相同功能的卡件或者多个相同器件进行备份工作，当工作卡或工作器件出现故障时，立即切换到备份卡或备份器件继续工作。
I2C总线是PHILIPS制定的一种串行总线标准，总线由两根线构成，串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)，因此总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本，而且支持多个主机或从机接入总线，支持多站在总线上轮循通信。基于I2C的通信系统可以包括从机和主机。从机和主机通过I2C总线进行通信。如果在同一总线上挂载的从机是多个相同I2C器件，由于拥有I2C总线接口的I2C器件已配置固定地址类型，则在通信过程中主机寻址时将导致地址混乱，数据收发错误。
I2C总线支持多机接入总线，保证数据正确发送到目标地址，是建立在相对复杂的握手信号基础上的。总线完成一次连接，主机依次向目标从机发送启动信号、地址信息、数据信息以及结束信号，对应的目标从机确认后返回应答信号ACK。在整个数据信息传输过程中，发送方收到接受方应答信号ACK才能发送下一包数据，以此完成一次握手协议。如果在通信过程中一方产生故障，另一方将处于长时间等待状态，总线处于忙状态，其他站点无法使用总线，造成总线资源的极大的浪费。另外，现有基于I2C的通信系统进行主机和从机的通信时，通信双方的握手协议给冗余配置带来了困难，当主机或从机发生故障时，接入I2C总线的备份主机或备份从机在冗余切换时，不能确定目前通信双方处于哪一阶段，要继续对接握手协议有一定困难，进而不能满足现有工业现场过程控制的实时性和稳定性的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于I2C的通信系统及通信方法，使得在现场实时控制过程中，采用I2C搭建通信链路，各站点(包括主机和/或从机)进行冗余配置，实现基于I2C通信链路的多机通信，允许I2C站点地址的灵活配置，以解决了冗余切换时握手对接的问题。
为了达到上述目的，本发明公开了一种基于I2C的通信系统，包括总站、若干分站及主控制器，其中，总站采用并行数据连线主控制器、主控制器和分站之间采用I2C双线规则进行物理连线，总站和/或分站设置对应的冗余站点，所述主控制器包括：数据传输控制单元和冗余管理单元，其中：
数据传输控制单元，在总站和分站之间完成并行数据和串行数据的转换，并实现时钟同步；
冗余管理单元：根据总线上数据传输出现的异常控制站点的冗余切换。
优选地，所述主控制器还包括计时单元，所述计时单元连接冗余管理单元，以便冗余管理单元定时检测时钟脉冲判断作为主机的站点工作是否正常以及定时检测数据线判断作为从机的站点工作是否正常，进而控制相应站点进行寻址设置转换到冗余站点。
优选地，作为主机的站点和作为从机的站点进行数据通信的数据格式包括开始信号、地址信息、传输数据信息及结束信号，所述地址信息包括源地址和目标地址。
作为主机的站点为总站或分站，总站和分站之间采用分站主机模式或总站主机模式进行通信。
本发明还公开了一种通信方法，包括以下步骤：
(1)作为主机的站点产生开始信号，唤醒连接在I2C总线上的其它站点；
(2)作为主机的站点发送目标地址及相应的读/写控制信号，作为目标地址对应从机的目标站点返回应答信号；
(3)作为主机的站点和目标站点之间进行数据通信；
(4)在数据通信过程中，主控制器根据总线上数据传输出现的异常控制相应站点的冗余切换。
步骤(3)具体为：
a1：主控制器保存作为主机站点的源地址和需要访问站点的目标地址；
a2：发送数据的发送方发送数据，接收方产生响应；
a3：发送方接收到接收方发送的响应信息后，发送下一包数据，直至所有数据发送完毕；
a4：作为主机的站点发送结束信号，释放总线。
步骤(4)具体为：
b1：主控制器定时检测时钟脉冲判断作为主机的站点工作是否正常以及定时检测数据线判断作为从机的站点工作是否正常；
b2：若作为主机的站点出现故障，则主控制器先向总线发出重新启动信号，再将故障主机的冗余站地址作为目标地址和将先前通信的从机地址作为源地址进行发送，主机冗余站进入工作状态，继续和所述从机进行通信；
b3：若作为从机的站点出现故障，则主控制器向作为主机的站点发送一特定应答信号，所述主机向所述从机的冗余站的地址作为目标地址发起启动信号，重新进行数据通信。
步骤(1)之前还包括：预先配置总站、分站及冗余站点的地址。
和现有技术相比，本发明采用I2C物理连线和时序逻辑，通过主控制器搭建支持站点冗余的I2C串行总线。每个通信站点可进行1：N冗余配置，实现多站点间的主从通信。主控制器作为总线上数据传输的中转站，完成总站并行数据到I2C标准数据格式的转换，提高了总站处理效率和数据传输速度。主控制器实现冗余检测功能，冗余切换使用特定时序逻辑和相应切换动作使得能够平滑过渡。每个站点设置特定的地址信息，根据地址寻址所要通信的站点，冗余检测也根据地址信息定位故障站，冗余检测完全在总线上完成，无需附加多余的电路实现冗余检测和切换。该装置电路简单，通信方式灵活，速率高，采用站点冗余后通信可靠性大大提高。
附图说明
图1为本发明基于I2C的通信系统的结构示意图；
图2为本发明采用的数据传输格式的结构示意图；
图3为本发明基于I2C的通信方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图，具体说明本发明。
本文中提到的主站是指I2C标准当中的主动提出通信请求的站点，开始信号、地址信息、传输数据信息及结束信号都由主站发出，从站是指被主站寻址的站点。总站作为主站是指总站主动和分站建立连接，分站在设计当中也可作为主站是指分站可以主动和总站建立连接，但各个分站之间不进行通信。
请参阅图1，其为本发明基于I2C的通信系统的结构示意图。它包括：总站、若干分站和主控制器。
总站和分站可以分别设置若干冗余站点，当然，本发明也可以根据具体的应用环境仅设置总站的冗余站点或仅设置分站的冗余站点。冗余站点的个数可以根据站点的地址信息和总线驱动能力来设定。比如，I2C总线采用7个bit作为地址信息，则根据I2C总线标准对地址可以制定统一分配。如总线上总共有8个分站的站点，各个站点地址可设定为00H、10H、20H、30H、40H、50H、60H、70H。地址i0H-iFH可以作为站点地址iOH的分站的冗余站的地址(i属于[0，7]之间的整数)。如地址01H-0FH可以作为站点00H的冗余站的地址。该些分站的冗余站的站点个数最大可达16。上述公开的仅为地址分配的一具体实施例，当然，地址分配还可以根据实际需求灵活配置，以便在通信过程中发生故障后，可以根据地址分配规则确定冗余站点的地址。
总站采用并行数据连线主控制器，主控制器和各个分站之间采用I2C双线规则进行物理连接。主控制器可以采用CPLD(可编程逻辑器件)来完成，主要用于建立总站和分站之间的数据通信及发生异常时控制站点的冗余切换。主控制器可以包括：数据传输控制单元、冗余管理单元和计时单元，其中：
数据传输控制单元，在总站和分站之间完成并行数据和串行数据的转换，并实现时钟同步；
冗余管理单元：根据总线上数据传输出现的异常控制站点的冗余切换；
计时单元，连接冗余管理单元，以便冗余管理单元定时检测时钟脉冲判断作为主机的站点工作是否正常以及定时检测数据线判断作为从机的站点工作是否正常，进而控制相应站点进行地址设置转换到冗余站点。
冗余管理单元可以根据计时单元计时定时检测作为主机的站点及作为从机的站点工作是否正常，也可以实时检测通信过程中作为主机的站点及作为从机的站点工作是否正常。因此，计时单元也可以根据具体情况决定是否进行设定。
分站可以采用CPU对I/O口线进行软件编程，也可以直接采用可编程逻辑器件实现。若采用CPU对I/O口进行软件编程，则物理连线占用CPU两个I/O口作为I2C总线的SDA串行数据线的接口及作为串行时钟线的接口。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，分别是开始信号(S)、结束信号(P)和应答信号(ACK)。为此，还需要通过软件编程预先在分站上设定开始信号、结束信号和应答信号。以下给出的是本发明上述信号设定的一实施例，但并非局限于此。
开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：接收数据的站点在接收到数据后，向发送数据的站点发出特定的低电平脉冲。接收到数据的长度可以根据具体情况设定，比如，
接收到8bit的数据时，接收数据的站点即发送表明应答的低电平脉冲。
总站通常作为主机与多个分站轮循通信，压力比较大，因此采用并行线和主控制器进行通信，以缓解传输压力。比如，总站发送一个字节到主控制器只要1个时钟周期，而分站接收需要8个时钟周期。总站并行数据经主控制器后转换为I2C标准数据格式与分站通信。总站与主控制器的连线如图1所示，并行线PDA.n和时钟线PCL与主控制器相连。在表示时序PCL等同与SCL，PDA.n(PDA.n为PDA并行总线中其中一根线)等同与SDA，用这两根线来模拟I2C时序，其时序为
开始信号：PCL为高电平时，PDA.n由高电平向低电平跳变，开始传送数据。
结束信号：PCL为低电平时，PDA.n由低电平向高电平跳变，结束传送数据。
应答信号：接收数据的站点在接收到数据后，向发送数据的站点发出特定的低电平脉冲。接收到数据的长度可以根据具体情况设定，比如，
接收到8bit的数据时，接收数据的站点即发送表明应答的低电平脉冲。
主控制器在总站、分站之间需完成并行数据和串行数据的转换，并实现时钟的同步。其实现为：在主控制器内开辟8位寄存器BUF，在一个PCL脉冲期间，BUF进行一次数据更新，而把BUF数据都传到I2C总线上需要8个SCL脉冲。设一握手信号使数据收发同步，即BUF与分站完成8个周期数据传输后，和总站之间传达应答信息，总站再开始收/发一字节数据。
总站和分站都可以作为主机，也就是说，总站和分站可以采用多主机模式进行通信，即各I2C分站可以被动寻址也可以主动寻址进行数据收发。比如采用分站主机模式和总站主机模式。
1)分站主机模式
当总线空闲时任何分站都可以试图占用总线，作为主机与总站建立连接，控制总线传输状态。
2)总站主机模式
总站可以作为主机对任一分站寻址，这样总站可以对每个分站轮循通信，控制总线。
其中分站与总站通信的数据经主控制器转换成一端为总站可以识别的格式，另一端为符合I2C标准的格式。采用多主机方式便于建立适合各种应用灵活的通信方式。
作为主机的站点和作为从机的站点之间进行数据通信的数据格式包括开始信号、地址信息、传输数据信息及结束信号，所述地址信息包括源地址和目标地址。本发明采用的传输的数据格式如图2所示，包括开始信号、地址信息、传输数据信息及结束信号。为了配合冗余切换，本发明在地址信息中加入源地址信息。即为使主控制器冗余检测时正确判断通信双方，当作为主机的站点出现故障时，可以根据源地址寻址其相应的冗余站。本发明的目标地址和源地址用7bit表示，最后一位为读写方式位，每包数据也为8bit，后面均跟一响应位，收到响应后才开始下一包数据的传输。冗余站在总线上根据不同的地址来区分。
基于上述公开的通信系统，本发明提供了一种通信方法。请参阅图3，其为本发明基于I2C的通信方法的流程图。它包括以下步骤：
S110：作为主机的站点产生开始信号，唤醒连接在I2C总线上的其它站点；
主机产生一开始信号：SCL(PCL)线是高电平，SDA(PDA.n)线从高电平向低电平切换。连在I2C总线上的站点收到开始信号，都将被唤醒。站点包括冗余站点，因为冗余站是热备份。
S120：作为主机的站点发送目标地址及相应的读/写控制信号，作为目标地址对应从机的目标站点返回应答信号。
主机发送目标地址信息(比如，8bit的目标地址)，最后一位为读写方式位。所寻址的目标从机收到相对应的地址信息，产生响应ACK与主机建立连接。其它站点不产生响应，返回原状态。主控制器保存目标地址。
S130：作为主机的站点和目标站点之间进行数据通信。
主机和从机中发送数据一方称为发送方，接收数据一方称为接收方。则包括：首先，发送方发送数据，接收方产生响应；然后，发送方接收到接收方发送的响应信息后，发送下一包数据，直至所有数据发送完毕；最后，作为主机的站点发送结束信号，释放总线。
当接收方收到1字节后产生响应，响应为发送方释放SDA(PDA.n)线(高)，在响应的时钟脉冲期间接收方必须将SDA(PDA.n)线拉低使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。发送方收到响应才发送下一包数据。接收方接收到多少数据字节后才进行响应可以根据具体情况进行设定，不局限于1字节。
S140：在上述数据通信过程中，主控制器根据总线上数据传输出现的异常控制相应站点的冗余切换。
主控制器收到主机的开始信号后，进入冗余检测状态。记录通信双方地址信息，以便发生故障时可以准确定位。主控制器实时进行冗余检测，检测时钟线SCL(PCL)判断主机工作状态，检测数据线SDA(PDA.n)判断从机工作状态。计时单元计时，隔时间T检测一下总线上的时钟线和数据线，若出现异常，进入冗余处理模式。具体过程如下：
b1：主控制器定时检测时钟脉冲判断作为主机的站点工作是否正常以及定时检测数据线判断作为从机的站点工作是否正常；
b2：若作为主机的站点出现故障，则主控制器先向总线发出重新启动信号，再将故障主机的冗余站地址作为目标地址和将先前通信的从机地址作为源地址进行发送，主机冗余站进入工作状态，继续和所述从机进行通信；
即，主控制器向总线发重新启动信号Sr，送出目标地址和源地址后接着就发送停止信号。目标地址为故障主机的冗余站地址，源地址为先前通信的从机地址。以此来唤醒主机冗余站，主机冗余站收到该信号后进入工作状态，仍然作为主机，立即发送启动信号，地址指向先前从机，继续进行通信。
b3：若作为从机的站点出现故障，则主控制器向作为主机的站点发送一特定应答信号，所述主机向所述从机的冗余站的地址作为目标地址发起启动信号，重新进行数据通信。
即，主控制器向主机发一特定应答信号ACK。即当SCL(PCL)是高电平时SDA(PDA.0)线由低电平向高电平切换表示，这个信号对从机来说代表停止信号，这里主机把它作为从机故障产生标志。主机收到此信号就认为所寻址从机产生故障，发送重新启动信号Sr，并寻址该从机的冗余站，根据预先的地址配置规则确定从站冗余站的地址。在本实施例中，即在原目标地址上加1即为冗余站的地址。
当通信站点完成冗余切换后，主控制器继续进行冗余检测，直到通信终止。主控制器检测冗余还需要记录故障站地址，当要寻址该故障站时重定向到其对应的冗余站。
在冗余切换过程中总线处于忙状态，防止其他站试图占用总线。让主控制器承担冗余检测功能，提高了各站点的工作效率，相应站点无需对通信故障进行检测，当要冗余切换时，主控制器将作出响应信号，使故障站点顺利切换到其冗余站。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1、一种基于I2C的通信系统，其特征在于，包括总站、若干分站及主控制器，其中，总站采用并行数据连线主控制器、主控制器和分站之间采用I2C双线规则进行物理连线，总站和/或分站设置对应的冗余站点，所述主控制器包括：数据传输控制单元和冗余管理单元，其中：
数据传输控制单元，在总站和分站之间完成并行数据和串行数据的转换，并实现时钟同步；
冗余管理单元：根据总线上数据传输出现的异常控制站点的冗余切换。
2、如权利要求1所述的基于I2C的通信系统，其特征在于，所述主控制器还包括计时单元，所述计时单元连接冗余管理单元，以便冗余管理单元定时检测时钟脉冲判断作为主机的站点工作是否正常以及定时检测数据线判断作为从机的站点工作是否正常，进而控制相应站点进行寻址转换到冗余站点。
3、如权利要求1或2所述的基于I2C的通信系统，其特征在于，作为主机的站点和作为从机的站点进行数据通信的数据格式包括开始信号、地址信息、传输数据信息及结束信号，所述地址信息包括源地址和目标地址。
4、如权利要求2或3所述的基于I2C的通信系统，其特征在于，作为主机的站点为总站或分站，总站和分站之间采用分站主机模式或总站主机模式进行通信。
5、一种基于权项1的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)作为主机的站点产生开始信号，唤醒连接在I2C总线上的其它站点；
(2)作为主机的站点发送目标地址及相应的读/写控制信号，作为目标地址对应从机的目标站点返回应答信号；
(3)作为主机的站点和目标站点之间进行数据通信；
(4)在数据通信过程中，主控制器根据总线上数据传输出现的异常控制相应站点的冗余切换。
6、如权利要求5所述的基于I2C的通信方法，其特征在于，步骤(3)具体为：
a1：主控制器保存作为主机站点的源地址和需要访问站点的目标地址；
a2：发送数据的发送方发送数据，接收方产生响应；
a3：发送方接收到接收方发送的响应信息后，发送下一包数据，直至所有数据发送完毕；
a4：作为主机的站点发送结束信号，释放总线。
7、如权利要求5或6所述的基于I2C的通信方法，其特征在于，步骤(4)具体为：
b1：主控制器定时检测时钟脉冲判断作为主机的站点工作是否正常以及定时检测数据线判断作为从机的站点工作是否正常；
b2：若作为主机的站点出现故障，则主控制器先向总线发出重新启动信号，再将故障主机的冗余站地址作为目标地址和将先前通信的从机地址作为源地址进行发送，主机冗余站进入工作状态，继续和所述从机进行通信；
b3：若作为从机的站点出现故障，则主控制器向作为主机的站点发送一特定应答信号，所述主机向所述从机的冗余站的地址作为目标地址发起启动信号，重新进行数据通信。
8、如权利要求5或7所述的基于I2C的通信方法，其特征在于，步骤(1)之前还包括：预先配置总站、分站及冗余站点的地址。
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