用于发送和接收以太网信号的系统和方法与流程

用于发送和接收以太网信号的系统和方法
1.相关申请的交叉引用本技术要求2019年9月24日提交的美国临时申请no. 62/905030的权益，其公开通过引用整体结合于本文中。


背景技术：

2.诸如住宅建筑和商业建筑之类的建筑包括各种系统，诸如火灾报警系统、安全系统、气候控制系统等。这些系统包括与系统的其他部分（诸如传感器、计算装置、占用者（occupant）接口等）通信的集中控制面板。在一些情况下，集中控制面板经由有线连接与这些系统组件通信。


技术实现要素：

3.除了其他可能的事物之外，根据本公开的示范实施例的用于火灾报警系统的控制面板还包括可操作以发送和接收数据的微处理器。微处理器具有带有主端口（master port）和从端口（slave port）的串行外围接口。计算装置具有差分曼彻斯特编码器和差分曼彻斯特解码器，所述差分曼彻斯特编码器被配置成对从主端口接收的数据进行编码，所述差分曼彻斯特解码器被配置成对数据进行解码并将解码的数据发送到从端口。
4.在前述的另外示例中，线连接到控制面板以用于携带数据。
5.在前述中的任何的另外示例中，所述线是双绞线。
6.在前述中的任何的另外示例中，所述微处理器可操作以经由phy（物理层）端口向所述线发送数据和从所述线接收数据。
7.在前述中的任何的另外示例中，所述phy端口是mii（介质无关接口）端口。
8.在前述中的任何的另外示例中，所述计算装置是fpga（现场可编程门阵列）。
9.在前述中的任何的另外示例中，所述fpga被编程为执行差分曼彻斯特编码和差分曼彻斯特解码。
10.在前述中的任何的另外示例中，线连接到控制面板以用于携带数据，并且收发器被配置成实现以至少1 mbps的速率通过所述线进行的通信。
11.在前述中的任何的另外示例中，线连接到控制面板以用于携带数据。所述fpga被编程为充当收发器，所述收发器实现以至少1mbps的速率通过所述线进行的通信。
12.在前述中的任何的另外示例中，所述数据采取以太网帧的形式。
13.在前述中的任何的另外示例中，所述控制面板可操作来以2 mbps的速率发送和接收数据。
14.除了其他可能的事物之外，根据本公开的示范实施例的发送和接收数据的方法还包括：在串行外围接口处接收采取以太网帧的形式的数据；在以太网帧的持续时间内在主端口处保持低选择信号，使得串行外围接口被配置成充当主装置（master）；通过差分曼彻斯特编码对以太网帧进行编码；以及将编码的以太网帧发送到线。
15.在前述的另外示例中，对以太网帧进行编码包括添加开销（overhead），并且所述
开销包括前导码、帧开始（sof）信号和帧结束（eof）信号。
16.在前述中的任何的另外示例中，所述sof信号是前导码之后的第一个零。
17.在前述中的任何的另外示例中，所述方法包括通过差分曼彻斯特解码来对编码的以太网帧进行解码。
18.在前述中的任何的另外示例中，所述解码在第一控制面板处，并且所述编码在第二控制面板处。
19.在前述中的任何的另外示例中，将解码的以太网帧发送到串行外围接口的从端口，并且在以太网帧的持续时间内在从端口处保持低选择信号，使得串行外围接口被配置成充当从装置（slave device）。
20.在前述中的任何的另外示例中，解码的以太网帧被发送到所述线。
21.在前述中的任何的另外示例中，所述方法包括确定在串行外围接口处是否接收到任何数据。
22.在前述中的任何的另外示例中，当在串行外围接口处没有接收到数据时，发送8位确认字节。
附图说明
23.图1示意性示出用于建筑的示例火灾报警系统。
24.图2示意性地示出火灾报警系统的控制面板。
25.图3示出当控制面板的微控制器处于主状态中时，控制面板中信号的传输的信号时序。
26.图4示出当控制面板的微控制器处于从状态中时，控制面板中信号的传输的信号时序。
27.图5a示意性地示出彼此通信的第一控制面板和第二控制面板。
28.图5b示出图5a的通信的信号时序。
具体实施方式
29.图1示意性地示出用于诸如住宅或商业建筑（办公楼、仓库等）之类的建筑的示例火灾报警系统20。火灾报警系统包括两个或更多个控制面板22，它们可操作以与各种系统组件24通信以及彼此通信。系统组件24可以包括传感器、计算装置、接口（例如，通知装置、拉站（pull station）等），或者火灾报警系统的其他已知组件。控制面板22经由线26彼此通信并与系统组件24通信。在一个示例中，线26可操作以处置以太网通信或信号，尽管考虑其他协议，通过示例的方式，以太网帧可以是第2层802.3以太网帧。例如，在火灾紧急情况下，控制面板22可以传递要在接口24处或在其他控制面板22处广播的音频信号。
30.线26可以包括适合于以太网通信的任何类型的有线连接，诸如双绞线。在更特定的示例中，线26是18awg双绞线。尽管更短的运行是可能的，但是连接控制面板22和/或系统组件24的有线连接可以是数千英尺的数量级，这取决于建筑大小。
31.诸如音频信号之类的某些信号要求跨线26以相对高的速度传递相对大量的数据。例如，对于5000英尺的18 awg双绞线，大约2mbps的数据通信实现火灾报警系统20的功能，其中在任一方向上的平均数据速率大约为1mbps。
32.图2示意性地示出具有cpu 100的控制面板22。在所示的示例中，控制面板22包括一个cpu 100，但是在其他示例中，控制面板22可以包括更多的cpu 100。cpu 100包括微控制器28、诸如fpga（现场可编程门阵列）之类的计算装置30和双向收发器32。收发器32可以是任何已知的收发器，其实现以至少1 mbps的速率通过双绞线26进行的通信。例如，收发器32可以包括均衡（equalization）特征，该均衡特征增加信令速率并延长线26的长度，通过所述线26，收发器32可操作以发送/接收信号。均衡特征在本领域中一般是已知的。一般而言，均衡特征可操作以逆转（reverse）通过收发器传送的信号中引起的失真，这增加收发器的信令速率能力。收发器32可操作以在传送模式和接收模式中运作。信号（tx_en，下面详细讨论）在两种模式之间切换收发器32。通过示例的方式，收发器32是来自rx-485系列（德州仪器）的收发器。如图2中所示，收发器32可以在fpga 30的外部，但是在一些示例中，fpga 30被编程为执行收发器32的功能，例如，收发器32是fpga 30的一部分。同样，cpu 100被示为包括微控制器28、计算装置30和双向收发器32，但是这些组件中的两个或更多个可以被组合在被编程为执行所描述组件的功能的芯片中，或者本文描述为由单个组件执行的功能可以被分布在多个组件之中，和/或可以跨若干cpu执行。
33.微控制器28包括phy（物理层）端口34，该端口向线26发送以太网帧并且从线26接收以太网帧。在一个示例中，端口34经由接口（未示出）（诸如mii（介质无关接口））接收以太网帧。在更特定的示例中，端口34通过4位、25 mbps连接接收以太网帧。微控制器28可操作以从端口34接收可变大小spi（串行外围接口）信号，并经由spi接口36向fpga 30发送可变大小spi信号。spi接口36包括主端口38和从端口40。主端口38/从端口40允许微控制器28和fpga 30之间的双向通信。每个端口38、40包括数据引脚（datam或datas）和时钟引脚（clkm或clks）。主端口38包括选择信号（pcsm），而从端口40包括从芯片选择（ss）。当选择信号是输入时，spi接口36充当从装置。当spi接口36控制（发送）选择信号时，spi接口36充当主装置。
34.图3示出当主端口38向fpga 30发送来自以太网帧的数据时对于它的信号时序，这意味着spi接口36充当主装置。在以太网帧的持续时间内，pcsm（选择信号）保持低。数据在时钟（clkm）信号的下降沿（从高到低）被钟控（clocked）到fpga 30。当接收到数据时，收发器32的tx_en（传送选择）信号保持高，使收发器32处于传送模式中。尽管tx_en信号是用于收发器32的主要模式选择信号，但收发器32也具有rx_en信号（如图2中所示），其充当接收选择信号，并在收发器32处于传送模式中时保持低。钟控到fpga 30的数据以tx（传送）信号传送到收发器32，并且然后传送到线26。在一个示例中，使用微控制器28中的dma（直接存储器存取）41，经由主端口38发送以太网帧中的数据。dma 41可以最小化微控制器28的加载，如将在本领域中已知的。
35.fpga 30包括差分曼彻斯特编码器（dme）42，其可操作以从主端口38接收数据并对其进行编码。在一些示例中，dme 42是fpga 30的硬件元件。在其他示例中，fpga 30被编程为具有dme 42的能力。换句话说，在这个示例中，dme 42是fpga 30的一部分。
36.当fpga 30正在从主端口38接收数据时，主端口38将上面讨论的数据钟控到dme 42中。dme 42可操作以将来自主端口38的数据编码为差分曼彻斯特格式，如将在本领域中已知的。dme 42还在数据前面添加前导码和“帧开始”（sof）信号，并在最后一个数据位之后添加“帧结束”（eof）信号，如图3中所示。该前导码、sof和eof被称为在对于以太网帧中正在
发送的数据的“开销”（例如，非数据位）。例如，对于总开销大小为4.5位，前导码由切换线达1.5位组成，sof是前导码之后的第一个零，而eof由保持线稳定达2位组成，尽管应该理解可能使用其他帧大小。dme 44可操作以将编码的数据传送到收发器32，该收发器又将数据传送到线26。
37.图4示出当从端口40正从fpga 30接收数据时对于它的信号时序。如图4中所示，tx_en信号保持低（而rx_en信号保持高，如图2中所示），使得收发器32处于接收模式中。从端口40的从芯片选择（ss）信号在以太网帧的持续时间内也保持低。在收发器32中接收以太网帧，并且然后将其钟控到fpag 30以作为收发器32的rx（接收）信号（如图2中所示）。而且，数据在时钟（clks）信号的下降沿（从高到低）从fpga 30钟控到spi接口36。
38.fgpa 30还包括差分曼彻斯特解码器（dmd）44。在一些示例中，像dme 42一样，dmd 44是fpga 30的硬件元件。在其他示例中，fpga 30被编程为具有dmd 44的能力。换句话说，在这个示例中，dmd 44是fpga 30的一部分。dmd 44可操作以经由收发器32接收在线26中的差分曼彻斯特编码信号，对所述信号进行解码，并将它们传送到从端口40，如图4中所示。dmd 44被编程为识别上面所讨论的前导码和sof，并且被编程为在sof之后向下驱动从选择信号（ss），并且在信号的持续时间内将其保持为低。然后，数据再次在时钟（clks）信号的下降沿被钟控到从端口40中。dmd 44还被编程为检测eof，并在检测到eof时将从选择信号（ss）驱动为高。在一个示例中，dma 41可以被用于接收数据。如上面所讨论的，当dma 41接收到数据时，它可以最小化微控制器28的加载，如将在本领域中已知的。然后，微控制器28经由端口34将信号发送到线26。
39.与现有技术的系统相比，以太网帧通过线26的传输的效率高度有效。效率与帧的大小成反比。如上所述，帧包括要传送的数据以及开销。传输效率被表示为（数据大小）/（数据大小 开销大小）。例如，由上面讨论的系统以99.8%的效率传送2048位长并且具有4.5位的帧的以太网帧。相同长度的第2层802.3以太网帧具有160位的帧，这意味着传输的效率为92.8%。因此，开销大小与传输效率成反比，并且对于给定的数据集，更小的开销大小允许更高的传输效率。
40.与现有技术的系统相比，利用上述系统的传输还实现更高的位速率。特别地，双绞线是净电容性的，这意味着一串连续的1或0导致电容在线中充电或积聚，使得当遇到相反极性的信号时，线可能不能够及时使电容放电以切换状态。差分曼彻斯特编码保证每位至少一次状态改变（转变）。因此，线的电容可以充电的时间量被限制在单个位。这又实现跨线26进行的更高位速率的传输。
41.因此，微控制器28和fpga 30的上述特征实现通过线26在每个方向上的1 mbps的通信速率（总共2 mbps，因为数据路径是共享的）。所述特征包括对于以太网信号的相对小的帧大小，这实现高传输效率。另外，差分曼彻斯特编码/解码的使用防止线26中积聚的电容。
42.图5a-b示出经由如上所述的线26彼此传递以太网帧的两个控制面板22（“单元a”和“单元b”）。控制面板22被编程为执行线仲裁，例如，以防止控制面板22同时向彼此发送信号，使得避免信号冲突。编程可以在cpu 100上实现，或者更特别地，在fpga 30中实现。备选地，编程可以在控制面板22内的另一计算装置上实现。
43.控制面板22中的每个可操作以确定它是否具有要发送的任何数据。以太网帧通常
由512-12176位组成。当控制面板22没有要发送的任何以太网帧（例如，控制面板22在端口34处没有接收到任何数据）时，从控制面板22发送8位确认字节（“ack字节”），这意味着控制面板22可以从其他控制面板22接收以太网帧。当控制面板22接收到确认信号并且没有要发送的任何以太网帧时，它返回确认信号，如图5b中所示。这样，避免信号冲突。
44.在一个示例中，微控制器28、fpga 30和收发器32被包括在诸如cpu 100之类的单个单元中，其可以在建筑中的现有（传统）火灾报警系统的控制面板22中进行改造。在另一示例中，微控制器28、fpga 30和收发器32是控制面板22的一部分。
45.尽管在图示的示例中示出特征的组合，但是并非它们所有都需要被组合以实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开实施例设计的系统将不一定包括附图中任一个附图中所示的所有特征，或附图中示意性示出的所有部分。此外，一个示例实施例的选定特征可以与其他示例实施例的选定特征组合。
46.前面的描述本质上是示范性的，而不是限制性的。对于本领域技术人员来说，对所公开示例的变化和修改是明白的，这些变化和修改一定不能脱离本公开的本质。给予本公开的法律保护的范围只能通过研究以下权利要求书来确定。