一種多機同步通信系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術領域，具體涉及一種多機同步通信系統(tǒng)及其通信方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)有的同步通信系統(tǒng)多基于SPI通訊總線系統(tǒng)，該總線系統(tǒng)主要包括MOSI(主機 輸出/從機輸入)、MISO(主機輸入/從機輸出)、SCLK時鐘線及SS片選線。工作方式為，主 機通過SCLK發(fā)送時鐘信號，SS片選線發(fā)送片選信號，MOSI向從機發(fā)送控制命令、參數(shù)地址 和數(shù)據(jù)等信息，從機通過MISO響應主機命令。
[0003] 這種協(xié)議下，每臺從機單獨占用一條SS片選線，僅僅用來選通，這種方式造成了 信道的浪費，且線路的增加不光增加了設備IO口的負擔，而且在從設備較多、線路較長、走 線緊張的應用中，帶來布線復雜、抗干擾性降低，維護麻煩，成本增加等負面問題。
[0004] 標準SPI協(xié)議上，從設備以總線方式回傳數(shù)據(jù)，多個設備掛載在一條MISO上，例如 當主機發(fā)送廣播命令時，從機只能輪流進行信息的反饋，大大降低了響應實時性，尤其在時 延敏感的控制系統(tǒng)中，成了技術瓶頸。
[0005] 在隔離設備間，長距離傳輸?shù)某Ｒ?guī)SPI通訊模塊下，由于隔離芯片、特征阻抗不匹 配等原因會引起線路時延，邊沿失真，且這些問題具有離散性，如通訊速率過高，各根線硬 件傳輸帶來的這些差異性難以忽視，存在讀錯位的風險，因此通訊速率受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種多機同步通信系統(tǒng)及多機同步通信方法，通過改變現(xiàn)有 的總線連接方式，提高線路利用率和通訊速度。
[0007] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術方案： 一種多機同步通信系統(tǒng)，包含： 同步通信的一主機設備和至少一從機設備； 至少一條數(shù)據(jù)發(fā)送線，從主機設備傳輸數(shù)據(jù)給各從機設備； 與各從機設備一一對應的至少一條數(shù)據(jù)接收線，從各從機設備傳輸數(shù)據(jù)給主機設備； 其特征在于：各從機設備的片選信號和控制類信號通過同一條數(shù)據(jù)發(fā)送線發(fā)送。
[0008] -種多機同步通信方法，設置同步通信的一主機設備和至少一從機設備，主機設 備通過至少一條數(shù)據(jù)發(fā)送線傳輸數(shù)據(jù)給各從機設備；從各從機設備通過與其一一對應的數(shù) 據(jù)接收線傳輸數(shù)據(jù)給主機設備；其特征在于各從機設備的片選信號和控制類信號通過同一 條數(shù)據(jù)發(fā)送線發(fā)送。
[0009] 本發(fā)明的多機同步通信系統(tǒng)及多機同步通信方法取消了現(xiàn)有同步通信系統(tǒng)總線 中功能單一數(shù)量眾多的SS片選信號線，采用至少一條數(shù)據(jù)發(fā)送線（M0SI線)、多條數(shù)據(jù)接收 線（MIS0線，每臺從機各一條)實現(xiàn)一種新的同步通信系統(tǒng)總線，在單根MOSI線上除實現(xiàn)片 選功能外，還傳輸了控制類信號，這種總線方式線路利用率高，傳輸速率高，數(shù)據(jù)吞吐量大， 實時信號與非實時信號分開傳輸，非常適用于采集控制系統(tǒng)中。
[0010] 每個從機利用單獨的MISO線響應主機命令，傳輸從機數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，主機可以 并行處理多從機信息，具有高實時性和高數(shù)據(jù)傳輸量的特點，非常適用于一主多從，廣播類 監(jiān)控，高數(shù)據(jù)吞吐量應用的需求。
[0011] 本發(fā)明的一種實施例中，將實時性要求高的數(shù)據(jù)與實時性要求較低的數(shù)據(jù)通過不 同數(shù)據(jù)發(fā)送線傳輸，控制信號相對狀態(tài)信號在時序上靠后，可實現(xiàn)在單幀時間內(nèi)完成系統(tǒng) 對關鍵點的監(jiān)控，非常適用于采集控制系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明通信系統(tǒng)總線連接示意圖； 圖2為本發(fā)明通訊時序圖； 圖3為相位校準時序圖； 圖4為設備通信連接圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術方案進行詳細說明。
[0014] 如圖1所示，一種多機同步通信系統(tǒng)，由一臺主機設備和n臺從機設備構成，n為 大于等于1的整數(shù)。本實施例取消了現(xiàn)有總線結構中功能單一的SS片選信號線，采用兩 條數(shù)據(jù)發(fā)送線MOSI線(數(shù)據(jù)流向從主機設備到從機設備，M0SI1、M0SI2)、多條數(shù)據(jù)接收線 MISO線(數(shù)據(jù)流向從從機設備到主機設備，與從機設備一一對應，每個從機設備各一條)、1 條SCLK時鐘信號線實現(xiàn)一種新的多機同步通信總線。
[0015] 如圖2,其中MOSIl傳輸?shù)臄?shù)據(jù)含幀頭(幀頭為連續(xù)多個1或0信號，除幀頭以外的 其他數(shù)據(jù)段用與幀頭相反邏輯的〇或1進行間隔，每個有效數(shù)據(jù)段長度小于幀頭長度，以 區(qū)分幀頭)、從機片選信號（由與各從機設備 對應的片選位數(shù)據(jù)組成，可以多選，片選位 有效時，對應的從機設備被同時選通與主機建立通信，響應M0SI2線上讀寫指令或數(shù)據(jù)）和 控制類信號(含同步信號和觸發(fā)信號，同步信號用于同步多臺從機的控制操作信號，例如啟 停機控制同步信號。觸發(fā)信號用于觸發(fā)各從機相應功能模塊，如采樣模塊)。M0SI2為主機 讀寫指令、讀寫地址和讀寫數(shù)據(jù)信號線。MISO上傳從機狀態(tài)類信號、從機采集數(shù)據(jù)及響應主 機讀寫指令數(shù)據(jù)。SCLK為時鐘信號線，由主機產(chǎn)生，各從機不但利用該時鐘同步提取通訊信 號，并將該信號送入FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL)，作為從機工作時鐘。
[0016] 主從機通訊模塊均采用FPGA實現(xiàn)，利用FPGA的并行處理能力，邊讀取位數(shù)據(jù)邊分 析處理。時序上，幀格式設計片選信號在幀中靠前位置，從機提取出本機片選位數(shù)據(jù)，識別 該位為選通狀態(tài)時，將接收處理M0SI2線上讀寫指令及數(shù)據(jù)。同樣，MOSIl線控制類信號相 對于MISO線上狀態(tài)類信號在時序上靠后，在一幀信號傳輸過程中，主機先讀取分析各從機 狀態(tài)，根據(jù)狀態(tài)發(fā)送相應控制信號，利用這種安排，主機可以在一幀內(nèi)完成對從機的實時監(jiān) 控。
[0017] 幀協(xié)議原理： 本協(xié)議分成常規(guī)協(xié)議和校驗協(xié)議，常規(guī)協(xié)議為默認工作協(xié)議，用來傳輸正常數(shù)據(jù)；當主 機上電或操作性復位時將以檢驗協(xié)議產(chǎn)生MOSIl與M0SI2的相位校準數(shù)據(jù)幀，從機識別出 該幀后，將對相位校準參數(shù)進行更新，并產(chǎn)生校準應答信號，用來供主機對MISO線路相位 校準。
[0018] 常規(guī)協(xié)議(常規(guī)工作模式）： 主機通過MOSIl傳送幀頭、片選、觸發(fā)控制類信號，通過M0SI2傳送讀寫命令、參數(shù)地 址和數(shù)據(jù)類信號。從機通過MISO傳送狀態(tài)標志、采集數(shù)據(jù)或讀寫響應數(shù)據(jù)。
[0019] 從機利用FPGA對接收的數(shù)據(jù)進行實時分析處理，當在MOSIl上檢測到幀頭(對應 圖2、圖3中的起始數(shù)據(jù)段，本實施例為11111)時，將對MOSIl線的同步計數(shù)信號清零，之后 每接收到一個SCLK，同步計數(shù)信號將加一，其他數(shù)據(jù)線也以此進行同步，作為幀中提取數(shù)據(jù) 的位索引。為了區(qū)分MOSIl中幀頭與其他數(shù)據(jù)段，其他數(shù)據(jù)段之間用0進行間隔，每個有效 數(shù)據(jù)段需小于幀頭長度，如圖2中，片選信號有兩個數(shù)據(jù)段CH_SEL0和CH_SEL1，每個數(shù)據(jù) 段設置4bits，對應8個從機，1表示選中，數(shù)據(jù)段之間用0間隔。TRIG0~TRIG7對應8個從 機設備的觸發(fā)信號，每個數(shù)據(jù)段設置4bits，不同數(shù)據(jù)位對應從機設備中不同模塊的觸發(fā)控 制。
[0020] 當提取出本機片選位數(shù)據(jù)，并且該位為選通狀態(tài)時，將接收處理傳輸中的M0SI2 線上讀寫指令及數(shù)據(jù)，并通過MISO線CMD(命令）和DAT(數(shù)據(jù)）段將讀寫指令的反饋信號 和數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。MOSIl與數(shù)據(jù)線M0SI2、MIS0幀尾不對齊，M0SI2和MISO幀間銜接無間 隔，這種方式減少了信道的浪費，提高了單幀傳輸信息量。
[0021] 從機還通過MISO主動上傳本機狀態(tài)標志TRIG-I(觸發(fā)類狀態(tài)）和STAT(其他狀 態(tài)）至主機，這類信號與片選無關，不管選不選通都將作為必傳信息上傳主機，主機實時處 理從機狀態(tài)標志，通過MOSIl發(fā)送觸發(fā)控制信號（TRIG1~TRIG8)至從機，利用這種安排， 實現(xiàn)在一幀時間內(nèi)完成對從機的實時監(jiān)控。
[0022] 從機在采集數(shù)據(jù)主動上傳模式激活后，即使沒被片選信號選中，也將主動在MISO線CMD和DAT數(shù)據(jù)段傳輸采集到的數(shù)據(jù)。這種方式減少了M0SI2線上信息傳輸量，降低了 誤碼風險和EMI干擾。
[0023] SCLK時鐘被送至鎖相環(huán)，產(chǎn)生新的通訊SCLK(25M)和從機工作時鐘（100M)，利用 鎖相環(huán)使得SCLK與系統(tǒng)工作時鐘同源，同相位，保證系統(tǒng)工作同步性，提高穩(wěn)定性。
[0024] 相位校準協(xié)議(相位校驗模式）： 從機校驗 如圖3所示，在相位校驗模式下（當主機設備上電或操作性復位時)，主機設備在數(shù)據(jù)發(fā) 送線上發(fā)送相位校準數(shù)據(jù)幀，各從機設備識別出校驗地址位有效時，對MOSIl、M0SI2線相 位校準數(shù)據(jù)幀中包含的相位識別特征數(shù)(本實施例規(guī)定為1010,共4bits)以SCLK的N倍頻 率信號(倍數(shù)越高，校準精度越高，本實施例N=4)進行同步讀取，獲得32bits(兩根線)含相 位偏移信息的數(shù)據(jù)（該高頻信號和SCLK利用鎖相環(huán)同相處理），并將該相位偏移數(shù)據(jù)上傳 CPU系統(tǒng)，CPU分析處理后，產(chǎn)生可在SCLK邊沿觸發(fā)(上升沿或下降沿，本實施例為下降沿） 時各根數(shù)據(jù)線讀取準確數(shù)據(jù)的移相數(shù)據(jù)，該移相數(shù)據(jù)包含相位后移值（對MOSIl線和M0SI2 線均有效）和滯后標志數(shù)(對M0SI2線有效，當M0SI2相位滯后MOSIl時有效)，分別下傳至 相位校驗模塊和RXD接收模塊，實現(xiàn)移相功能。
[0025] 主機設備和從機設備的結構及其連接關系如圖4所示，相位校驗模塊通過4倍SCLK的高頻信號同步，根據(jù)相位后移值對MOSIl和M0SI2進行鎖存延時，在4倍SCLK高頻 信號同步下，每延遲一個bit，對應SCLK頻率下，相位延遲90度，使其在SCLK邊沿觸發(fā)時 信號均處于當前位中間位置，在該位置RXD模塊提取信號可靠性最高。單周期內(nèi)最優(yōu)相位 點確定之后，還需以MOSIl幀頭為參考，對M0SI2信號