一种高速、实时和冗余可靠通信的方法、设备和通信系统与流程

1.本发明属于通信领域，具体涉及一种高速、实时和冗余可靠通信的方法、设备和通信系统，即使用lvds技术、同步串行通信技术和不同通信结构，构成高速实时可靠板间、芯片间、设备间和背板点对点或一主多从通信的方法、设备和通信系统，以及通信冗余方法、设备和系统。


背景技术：

2.在控制系统中，需要相互通信的对象和交互数据量越来越多，其中一些控制系统对通信实时性和可靠性要求高，因此需要一种通信速率快、实时性强和可靠性高，同时满足一定距离传输要求的通信方法，从而满足控制系统中板间、或芯片间、设备间、或背板高速可靠实时交互数据的需求。
3.现有的并行数据传输方式传输线多、传输距离短且容易受干扰，并且不适合多点间交互数据，板间通信很少采用，。
4.现有的单端传输方式串行总线如uart、spi、i2c等，虽然使用的传输线少，但传输距离短，通信速率不高，使用条件大大受限。
5.现有的差分串行总线如rs485、rs422等，通信速率低、每帧有效数据量小，不适合大数据量、或高速率的应用。
6.现有的基于现场总线如can、flexray、profibus、实时以太网等，由于技术制约、价格昂贵，且采用总线方式，如果对速率、实时性和安全性要求高，通信协议复杂，软件开发难度大，硬件要求高，容易受制于供应方。
7.经专利检索，与本发明有一定关系的专利主要有以下专利：1、申请号为“cn201710019489.0”、申请日为“2017-01-12”、公开号为“cn106776436a
ꢀ”
、公开日为“2017-05-31”、名称为“一种适用于多点互联的高速串行总线结构及其通信方法”、申请人为“烽火通信科技股份有限公司”的中国发明专利，本发明公开了一种适用于多点互联的高速串行总线结构及其通信方法，涉及通信设备的信息交互领域。该总线结构的主站单板与各从站单板之间具有一条时钟传输通道和一条数据传输通道，时钟传输通道和数据传输通道均由m_lvds总线实现。其中，主站单板利用时钟传输通道提供总线时钟，供各站点单板收发数据；同时负责维护总线，当总线空闲时，授予各从站单板发送权限，让各从站单板发送数据。从站单板用于：在获得发送权限后，通过比较各从站单板地址的高低，区分不同的优先级来竞争总线使用权，进行数据的发送。总线上所有站点采用竞争方式使用总线，具有更高的实时性；采用主站管理总线方式，让每个站点在竞争总线时，可以获得均等机会。
8.2、申请号为“201810129829.x”、申请日为“2018-02-08”、公开号为“cn108234267a”、公开日为“2017-06-29”、名称为“一种基于m-lvds实时多主高速总线的通信系统”、申请人为“卡斯柯信号有线公司”的中国发明专利，本发明涉及一种基于m_lvds实时多主高速总线的通信系统，该通信系统包括：系统a、系统b和m_lvds总线，所述的系统a和
系统b分别包括若干个节点，在所述的系统a或系统b内部的节点之间通过背板和pcb走线互连；在所述的系统a和系统b之间的节点间通过m_lvds总线互连。现有技术相比，本发明具有高速、实时、隔离、灵活组网等优点。
9.3、申请号为“201820225476.9
ꢀ”
、申请日为“2018-02-08”、公开号为“cn208386577u
ꢀ”
、公开日为“2019-01-25”、名称为“一种基于m-lvds实时多主高速总线的通信系统”、申请人为“卡斯柯信号有线公司”的中国发明专利，本实用新型涉及一种基于m_lvds实时多主高速总线的通信系统，该通信系统包括：系统a、系统b和m_lvds总线，所述的系统a和系统b分别包括若干个节点，在所述的系统a或系统b内部的节点之间通过背板和pcb走线互连；在所述的系统a和系统b之间的节点间通过m_lvds总线互连。现有技术相比，本实用新型具有高速、实时、隔离、灵活组网等优点。
10.4、申请号为“201410572603.9
ꢀ”
、申请日为“2014-10-23”、公开号为“cn104333499a
ꢀ”
、公开日为“2015-02-04”、名称为“一种基于m-lvds实时多主高速总线的通信系统”、申请人为“南京国电南自软件工程有限公司”的中国发明专利，一种基于m_lvds的装置背板高速总线链路层通信协议，其特征在于， 基于m_lvds的装置背板高速总线采用支持m_lvds电平标准的接口芯片差分信号搭建总线外围硬件回路，所述接口芯片的单端输入、单独输出连接fpga，由fpga实现总线链路层通信协议控制；所述装置背板高速总线采用可变数据位宽控制，实现通信带宽配置；所述装置背板高速总线链路层通信协议包括异步仲裁段和同步数据段，所述异步仲裁段包括总线空闲域、帧起始域和仲裁域；所述总线空闲域通过隐性位检测，判断装置背板高速总线是否处于空闲状态，用于竞争总线发言权的冲突检测；所述帧起始域为仲裁域的起始标志位；所述仲裁域用于多主对等方式的冲突检测和无损仲裁竞争总线发言权，当输出隐性位而收回显性位时，仲裁失利，丧失总线发言权，节点转为总线侦听接收状态；反之，在整个仲裁域内均未失利，赢得总线发言权，节点继续向数据线上输出同步数据信息，直到完成同步数据输出再释放总线发言权； 同步数据段为链路层通信协议传输的有效数据域；所述装置背板高速总线采用冲突检测和无损仲裁竞争发言权，仲裁域采用优先级轮转方法保证每个节点都能轮询发言。
11.上述专利1~4均采用总线方式，需要设计复杂的优先级控制和总线控制权的仲裁机制，且通道间没有物理隔离，很难进一步提高实时性和可靠性。


技术实现要素：

12.本发明要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种高速率、高实时性、高可靠性的冗余板间、芯片间和设备间点对点或一主多从的通信方法、设备和通信系统，或背板的通信方法和设备，处理系统与通信系统采用电气隔离，以及支持多种通信冗余。
13.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：基于现有的同步串行通信技术如spi、i2c等，或通过fpga、asci等实现或类似实现spi、i2c等同步串行通信技术，时钟和数据交互通道采用lvds或m-lvds技术，构建点对点差分交互通道，或构建多个点对点差分交互通道实现一主多从的通信方法，或通过片选实现分时复用的一主多从的差分通信方法。
14.进一步地，采用通用成熟的同步串行总线如spi、i2c等，降低开发难度，降低成本，
摆脱实时总线技术限制，提高数据包组包的灵活性，方便实现hdlc、sdlc和自定义等帧格式及大小。
15.进一步地，利用芯片自带的同步串行接口，可作为通信要求不高、从设备数量不多的主设备应用，可作为从设备应用；采用fpga或asic实现同步串行总线，利用fpga的并行资源和丰富的i/o引脚可提供更多串行总线接口、更高的通信速率、更好的实时性，利用fpga实现物理层多种通信编码方式，如曼彻斯特编码，进一步提高通信可靠性，满足多从设备通信应用的主设备通信要求和高速实时的从设备要求。
16.进一步地，时钟和数据交互通道采用lvds或m-lvds技术转成差分通信传输数据，包含lvds的优势，提高数据传输距离和通信可靠性，同时提高传输速率。片选通道可不采用差分传输，降低传输线数量和通信成本。点对点通信且通信距离近，可采用lvds技术，降低速率可传输更远距离；若需要驱动多个设备，或通信距离远，可采用m-lvds技术。
17.进一步地，构建点对点的差分通信，满足远距离、高速可靠实时通信，自定义通信协议和数据帧格式及大小，降低通信协议开发难度，每帧数据包大小灵活可配置，适应高速、大容量、远距离传输需求。
18.进一步地，构建多个点对点差分交互通道实现一主多从的通信方法，即主设备与多个从设备间各有一个独立同步串行通信通道，各通信通道独立，主设备管理整个网络，主设备与各从设备可以为周期内分时通信，或周期内同时交互数据，保证了系统内通信高速、实时和可靠性。需要相互交互数据的从设备间也可单独配置点对点的通信通道，满足从设备间高实时性数据要求。
19.进一步地，构建通过片选实现分时复用的一主多从的通信方法，主从通信设备共用一组时钟和数据传输通道，在通信周期内，主设备通过片选信号使能各从设备进行周期通信内通信时间槽的划分，主设备与各从设备按照各自时间槽进行交互数据，同样保证了系统内通信高速、实时和可靠性。
20.进一步地，控制系统与通信系统之间电气隔离，通信信号通过光隔离或磁隔离，通信电源采用隔离电源供电，提高系统稳定可靠。
21.进一步地，单套系统冗余可以通过增加冗余通道提高可靠可用性；对于冗余热备系统，即可以通过增加冗余通道，也可以增加每系主设备访问另外1系从设备通信通道，实现系间主设备与从设备冗余，提高可靠可用性。
22.本发明的有益效果1）通过采用成熟简单的同步串行技术如spi、i2c等，降低通信协议难度，降低开发难度，降低成本，摆脱实时总线技术限制，提高数据包组包的灵活性，方便实现hdlc、sdlc和自定义等帧格式及大小；2）相对于芯片自带的同步串口接口，采用fpga实现或类似实现同步串行技术如spi和i2c等，利用fpga的并行资源和丰富的i/o引脚可提供更多串行总线接口、更高的通信速率、更好的实时性，利用fpga实现物理层灵活通信编码，如曼彻斯特编码，提高通信可靠性。
23.3）采用lvds或m-lvds技术，将单端信号线转成差分线，提高通信距离，提高通信可靠性，提高通信速率。同时继承lvds优点，如故障安全特性，当设备故障可旁路对应接口电路，提高通信可靠性。
24.4）根据应用可构建点对点的差分通信、或构建多个点对点差分交互通道实现一主多从的通信，主设备管理网络，满足远距离、高速可靠、实时性强的通信，不需要总线仲裁和冲突检测等机制，大大降低通信协议难度，可自主开发，可自主定义通信协议和数据帧格式及大小，数据包交互灵活。
25.5）构建通过片选实现分时复用的一主多从的差分通信，主从通信设备共用一组时钟和数据传输通道，在通信周期内，主设备通过片选信号使能各从设备进行周期通信内通信时间槽的划分，主设备与各从设备按照各自时间槽进行交互数据，降低了总线仲裁和冲突避免的难度，也降低了通信线数量，同样保证了系统内通信高速、实时和可靠性。
26.6）采用隔离通信，提高系统可靠性；根据应用采用一种或多种冗余通信提高系统可靠性。
附图说明
27.图1为基于spi或i2c同步串口的点对点通信，图2为基于spi和i2c同步串口的多通道的一主多从通信，图3为基于spi同步串口的片选使能从设备的一主多从通信，图4为系间通信冗余结构。
28.图中：1—主控单元、11—主机控制单元、12—主机通信隔离模块、13—主机lvds驱动接收器、2—从控单元、21—从机控制单元、22—从机通信隔离模块、23—从机lvds驱动接收器、3—通信技术及介质、4—从控单元n、5—备系主控单元、6—备系从控单元。
具体实施方式
29.下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的描述：本发明由图1至图4所示，主机控制单元11根据应用配置不同，应用于点对点通信，可由mcu、或cpu在承当应用任务时同时承担通信任务，若实时性要求高可扩展fpga或asic芯片承当通信任务；应用于主从方式，需配置fpga、或asic芯片进行通信接口的扩展。
30.本发明之点对点通信如图1所示，由主控单元1和从控单元2构成，通信技术可基于现有成熟同步串行通信技术如spi、i2c等，也可模拟类似同步串行通信技术，实现数据同步、数据包组成灵活多样。主机控制单元11和从机控制单元21实现各自通信物理层、数据链路层及上层协议及应用，通信线包含带有时钟信息的信号线和数据交互的信号线，基于spi的点对点通信片选信号可取消。通过主机通信隔离模块12和从机通信隔离模块22隔离后，再通过主机lvds驱动接收器13和从机lvds驱动接收器23实现差分传输信号，从而实现主控单元与从控单元之间可靠、高速、实时和远距离交互数据。通信冗余可采用两套或多套点对点通信实现；对于冗余双系系统，每系各配置一套点对点通信，系间也可配置为交叉访问。
31.本发明之一主多从通信如图2所示，由主控单元1、多个从控单元如从控单元2和从控单元4构成，通信技术可基于现有成熟同步串行通信技术如spi、i2c等，也可模拟类似同步串行通信技术，实现数据同步、数据包组成灵活多样。主机控制单元11和多个从机控制单元如从机控制单元21，实现各自通信物理层、数据链路层及上层协议及应用，通信线包含带有时钟信息的信号线和数据交互的信号线，基于spi的点对点通信片选信号可取消。通过主机通信隔离模块12和各个从机通信隔离模块如从机通信隔离模块22隔离后，再通过主机
lvds驱动接收器13和各个从机lvds驱动接收器如从机lvds驱动接收器23实现差分传输信号，从而实现主控单元与各从控单元之间可靠、高速、实时和远距离交互数据，从控单元间数据交互可通过主控单元转发，从控单元间也可根据需要直接连接点对点通信通道进行交互。主控单元1与每个从控单元之间通信通道冗余可采用两套或多套点对点通信实现；对于冗余双系系统，每系各配置一套一主多从的多个点对点通信，两系主控单元1直接通过点对点通信方式，实现系间通信及冗余。
32.本发明之一主多从通信如图3所示，由主控单元1、多个从控单元如从控单元2和从控单元4构成，通信技术可基于现有成熟同步串行通信技术如spi等，也可模拟类似同步串行通信技术，实现数据同步、数据包组成灵活多样。主机控制单元11和多个从机控制单元如从机控制单元21，实现各自通信物理层、数据链路层及上层协议及应用，共用的通信线包含带有时钟信息的信号线和数据交互的信号线，主控单元1通过片选实现分时复用的一主多从的差分通信，主从通信设备共用一组时钟和数据传输通道，在通信周期内，主设备通过使能各从设备片选信号进行周期通信内通信时间槽的划分，主设备与各从设备按照各自时间槽进行交互数据，降低了总线仲裁和冲突避免的难度，同样保证了系统内通信高速、实时和可靠性。通过主机通信隔离模块12和各个从机通信隔离模块如从机通信隔离模块22隔离后，再通过主机lvds驱动接收器13和各个从机lvds驱动接收器如从机lvds驱动接收器23实现差分传输信号，从而实现主控单元与各从控单元之间可靠、高速、实时和远距离交互数据，从控单元间数据可通过主控单元交互，从控单元间也可根据需要直接连接进行点对点通信。主控单元与从控单元之间通信通道冗余可采用两套或多套通信线路实现；对于冗余双系系统，每系各配置一套或多套一主多从的通信线路，两系主控单元1直接通过点对点通信方式，实现系间通信及冗余。
33.本发明之一主多从通信如图4所示，适用于冗余两系系统，由主控单元1和5、多个从控单元如从控单元2和从控单元6构成，通信技术可基于现有成熟同步串行通信技术如spi、iic等，也可模拟类似同步串行通信技术，实现数据同步、数据包组成灵活多样。各主机控制单元如11、从机控制单元如21实现各自通信物理层、数据链路层及上层协议及应用。ⅰ系主机控制单元11可与本系所有从机控制单元如从机控制单元21、ⅱ系所有从机控制单元相互通信，同时ⅱ系主机控制单元可与本系所有从机控制单元、ⅰ系所有从机控制单元相互通信，每组点对点通信线包含带有时钟信息的信号线和数据交互的信号线，基于spi的点对点通信片选信号可取消。通过主机通信隔离模块12和各个从机通信隔离模块如从机通信隔离模块22隔离后，再通过主机lvds驱动接收器13和各个从机lvds驱动接收器如从机lvds驱动接收器23实现差分传输信号，从而实现主控单元与各从控单元之间可靠、高速、实时和远距离交互数据，从控单元间数据可通过主控单元交互，从控单元间也可根据需要直接连接进行点对点通信。主控单元与从控单元之间通信通道冗余可采用两套或多套通信线路实现；两系间冗余通过各自系的主控单元直接访问另一系的从控单元，从而实现系间冗余。
34.综上所述：通过采用成熟简单的同步串行技术如spi、i2c等，采用lvds或m-lvds技术将单端信号线转成差分线传输，并可利用fpga的灵活性、并行处理能力和丰富的io端口提高通信实时性和扩展通信端口数量。可根据应用构建点对点的差分通信、或构建多个点对点差分交互通道实现一主多从的通信系统、或由主控单元通过片选划分时间槽构建一主多从的实时网络，以及冗余交互和系间冗余交互的方法。主设备管理网络，不需要总线仲裁
和冲突检测等机制，降低通信协议难度、摆脱实时总线技术限制，提高数据包组包的灵活性，方便实现hdlc、sdlc和自定义等帧格式及大小。采用fpga实现或类似实现同步串行技术可提供更多串行总线接口、更高的通信速率、更好的实时性，采用差分通信提高通信距离、可靠性、通信速率。采用隔离通信，提高系统可靠性。采用冗余通信提高系统可靠性。
35.以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各项权利要求限定。