串行时间触发数据总线的制作方法

1.本公开涉及串行数据通信，并且更具体地，涉及使用串行时间触发传输协议的数据总线，诸如但不排他地，航空电子总线。


背景技术：

2.在许多领域，各种设备和用户必须通过数据通信网络传输和接收数据。传统上，不同的设备或最终用户将有专用的数据总线用于传输和/或接收自己的数据，并且数据总线可以通过网关连接到网络中。
3.在最近的开发过程中，为了减少总线的数量，已经开发了允许不同的用户在同一总线上进行通信的复用协议。时间复用协议允许不同的用户/设备在同一数据总线上传输，其中每个用户在一个专门分配的时隙中传输数据。时间复用允许确定性通信，并且是关键系统中的关键特性。接收器接收串行数据并且数据以包的形式提供，以便在对串行数据流进行解码时，有可能识别给定的数据包是从哪个发射器或用户发送的。
4.复用和串行数据传输非常有用，特别是在需要尽量减小系统和网络的尺寸和重量的情况下(例如，飞机)。在飞机中，各种设备或最终用户通过航空电子平台进行通信。在飞机中，希望减少使用的电缆总数，这意味着通信使用复用协议。在其他领域，也明显地希望减少电缆数量。
5.尽管通常希望最大限度地减少总线的数量，继而减少电缆的数量，但在数据通信中，数据准确、可以正确解码并分配给正确的最终用户以及数据不被损坏也很重要。已开发出确保通信系统符合关键要求的复用解决方案，例如，avionics full-duplex switched ethernet (afdx)，这是一种基于以太网技术的安全关键应用的数据网络，它使用商用现成组件(commercial off-the-shelf components, cots)或时间触发控制器局域网(time triggered controller-area-network, ttcan)。然而，这些已知的解决方案使用非常特殊的协议、组件和/或物理链路，并且要求特殊的cots，因此不能轻松实现到现有的通信网络中。
6.需要一种无需特殊的数据传输协议或特殊的cots即可轻松实现的简单串行数据通信总线。


技术实现要素：

7.根据一个方面，本公开提供了一种串行通信总线系统，其包括多个最终用户，所述最终用户被布置为在公共数据总线上传输数据，每个最终用户配备有与相应最终用户物理分离的总线仲裁器，所述总线仲裁器被配置为针对所述最终用户定义传输启用间隔和传输禁用间隔的循环，在所述传输启用间隔中，最终用户可以在数据总线上传输数据，在所述传输禁用间隔中，最终用户不能在数据总线上传输数据。
8.所述循环由仲裁器中的一个或多个计时器控制，例如，所述循环由对禁用间隔计时的第一计时器和对激活间隔计时的第二计时器控制。
9.根据第二方面，提供了一种串行数据通信的方法，用于对来自多个最终用户的数据进行时分复用传输，其中，对于每个最终用户，相应的相关联仲裁器确定传输启用间隔和传输禁用间隔的循环，在所述传输启用间隔中，最终用户可以在数据总线上传输数据，在传输禁用间隔中，最终用户不能在数据总线上传输数据。
10.所述系统和方法或特别地但非排他地用于航空电子设备。
附图说明
11.现将参考附图仅以举例的方式来描述优选的实施方案，在附图中：图1是根据本公开的系统的简单框图。
12.图2是图1仲裁器的简化状态图。
13.图3示出了第一实例的总线通信概览。
14.图4是根据本公开的系统的另一实例的简单框图。
15.图5是图4仲裁器的更完整状态图。
16.图6示出了图4实例的总线通信概览。
17.图7是被动最终用户的简单框图。
18.图8是提供缓冲的时间线。
19.图9示出了本公开的总线的实现方式的实例。
20.图10示出了本公开的总线的实现方式的另一实例。
具体实施方式
21.本公开提供了一种简单的串行总线，所述总线使用不依赖于具有时间主控功能的最终用户之一或任何同步帧的时间触发机制来提供来自连接到总线的多个最终用户的数据的串行传输。此外，系统不要求任何特殊的cots组件。
22.因此，本公开的系统允许在同一硬件总线上(即在最终用户20与总线收发器100之间的公共线对上)进行复用数据传输。由于在时间触发机制中不要求最终用户之一作为主控设备，因此在主控设备发生故障时，系统不会完全丢失总线或需要完全重新配置。
23.本公开的系统通过与最终用户相关联但物理上分离的简单总线仲裁器来提供时间触发。仲裁器的功能是启用或禁用最终用户在数据总线上的数据传输。仲裁器不调节最终用户在总线上的数据接收300，因此即使传输被禁用，最终用户仍然可接收数据。
24.首先将参考图1描述系统的基本操作。
25.总线仲裁器10在两个时间间隔之间循环—期间最终用户20可将数据传输到总线30上的激活间隔，和期间最终用户不被准许在总线上传输的去激活间隔。这些间隔可以通过仲裁器10中的计时器来控制。第一计时器(未示出)对去激活间隔计时。一旦这个时间过去，第二计时器(未示出)可以为最终用户在总线上传输数据的激活间隔计时。这以去激活/激活循环继续，只要仲裁器被打开或启用即可。间隔在独立仲裁器中设置和受控，并且不受最终用户的控制。
26.最终用户只能够启用40总线仲裁器，以便其激活间隔/去激活间隔循环可启动。如果最终用户不启用仲裁器，那么最终用户根本不可能进行传输。
27.最终用户还能够复位50仲裁器。如果最终用户向仲裁器发送复位信号50，那么仲
裁器禁用传输能力，并且在启动新传输循环时复位所有计数器。
28.仲裁器通过发送信号60来与最终用户20通信，所述信号指示总线仲裁器是启用(即处于激活间隔中)还是禁用(去激活)传输。总线仲裁器还可以向最终用户发送信号70，所述信号指示仲裁器是否可用并已启动。可选地，总线仲裁器还可以发送信号80，所述信号向最终用户提供关于总线仲裁器的健康状况的信息。
29.上述信号是可在最终用户与总线仲裁器之间交换的控制/状态信号的例子。相对于只有仲裁器可管理激活/去激活循环并且最终用户本身永远无法激活总线上的传输的基本法则，其他信号可用于最终用户与仲裁器之间的附加功能性。
30.图2描述了仲裁器状态机的一部分。如果仲裁器处于关闭(off)状态200，这可能是由于最终用户信号40被设置为禁用或未设置为启用，那么不可能进行传输。最终用户可发送启用信号40以将仲裁器复位为复位状态210。最终用户还可直接向仲裁器发送复位信号50。
31.如果启用计时器仍在运行，且/或如果禁用/去激活计时器过去，那么仲裁器可以处于激活状态，即设置为启用传输。在启用状态下，最终用户可复位50或禁用40仲裁器以将其置于关闭状态200。
32.仲裁器可以处于禁用传输状态230，因为去激活计时器还没有过去，或者如果激活计时器已经过去。
33.从图2中可以看出，最终用户不能强制允许传输，而只能禁用或复位传输本身。
34.在图2中还可以注意到，根据实现方式，关闭状态和复位(reset)状态可合并。
35.图3示出了三个最终用户在公共总线上的时隙中传输的总线通信概览，每个最终用户具有由其仲裁器设置的
‘
传输禁用’和
‘
启用’时隙的循环。
36.图3示出了理想的情况，其中所有三个最终用户都是同步的。
37.更常见的是各个最终用户异步并在不同时间启动，和/或时钟具有不同级别的准确度和/或对温度等有不同的响应。
38.在改进上述系统时，考虑到并非所有最终用户都可能同步，所述系统可以包括如参考图4到图6所描述的附加功能性。图4中与上述实例相同的部分具有与图1中相同的附图标记。
39.在此变体中，最终用户和仲裁器在线90处监视或
‘
侦听’总线上交换的数据。当仲裁器检测到预注册的帧标识符(将在下面进一步描述)时，它会自动将其内部禁用传输计数器复位为预定义值
‘
读取’。这使得仲裁器不必从零重新启动其计数器以优化带宽占用。这由图5的状态机中的状态250指示，在其他方面与图2的状态机相同。因此，这一功能使每个最终用户能够与其他用户同步，如图6的概览所示，这通过箭头示出了仲裁器在传输数据包中检测到预定义帧时同步的时间。
40.系统还可以必须处理最终用户之一丢失或退出的情况。为了避免整个系统的同步发生这种偏移，仲裁器还可以具有能够通过超过一个标识符进行复位的功能性，以便它以不同的复位值响应不同的预定标识符。
41.另一个考虑是，在其他用户之间已经建立的传输期间，不同的最终用户可能在不同的时间醒来或启动，并且无论用户何时醒来，都需要适应其他用户的传输定时。同步特征还可以帮助实现新用户加入已建立的传输。
42.现有机制还可以用于防止总线电争用，例如通过使用可以处置这种争用的收发器(诸如，can总线驱动程序)或通过将抖动添加到非活动传输延迟以允许仲裁器检测总线争用并在检测到争用的情况下防止传输。
43.如上所述，为了实现同步，仲裁器能够检测预定标识符。当为给定的最终用户启用传输时，所述用户将传输由几个字段组成的数据帧。例如，帧可以包括标识符字段(identifier field)，例如，包括16位，后跟包括例如8到64数据位的数据字段(data field)。这之后可能是16位的循环冗余校验(cyclic redundancy check, crc)字段，然后是8位的帧结束(end of frame)字段。
44.在主动最终用户的情况下(在下面进一步讨论)，标识符由最终用户产生或可以由总线仲裁器产生并由总线仲裁器接收。在被动最终用户的情况下，标识符由总线仲裁器产生。每个主动最终用户将使用标识符字段中的数据来确定它是否必须处理所述帧。
45.标识符字段可以包括标识符代码，后跟控制位，所述控制位用于通知主动最终用户有关帧发送方是主动用户还是被动用户，并且还可以包括
‘
有效载荷’位以通知接收最终用户有关它应期望在随后数据字段中接收多少位数据。数据字段的每个数据字将具有1到8位。
46.crc字段仅在来自主动最终用户的帧中需要。帧结束字段是一组代码，例如，101000110。
47.如上所述，系统可以包括主动和/或被动最终用户。每个用户都有一个相关联的总线仲裁器。主动用户可发起总线交换，并且可处置和处理接收到的数据帧。例如，主动用户可以是微控制器。
48.被动最终用户(例如，传感器)，只能发送数据，而不能处置或处理传入消息。被动最终用户的例子如图7所示。这以举例的方式示出了具有由模数转换器(analog to digital converter, adc) 201实现的传感器接口的智能传感器。由物理传感器(例如，温度或力传感器)返回的模拟值由adc 201数字化并在总线30上传输。总线仲裁器10如上所述管理总线通信的定时。图7还示出了总线仲裁器硬件控制件101。
49.在某些情况下，最终用户可能比其仲裁器时隙慢，因此当其仲裁器处于激活间隔时，最终用户可能没有使其数据准备好供传输，或者最终用户可能相对于仲裁器循环异步地操作。因此，最终用户可能具有在用于其传输的时隙到达时未到达的用于传输的数据。本公开的系统可以被修改以通过提供数据缓冲功能性来处置这类情况。
50.处置所述问题的最简单方法是使用来自最终用户的uart接口的手动传输信号。当数据可用时，所述信号可由总线仲裁器驱动以启动传输，同时准许访问。信号可以由任何已知的合适组件提供。
51.另一种解决方案是总线仲裁器可以实现内部缓冲，以便在获得总线访问权时控制数据传输。然后存储来自最终用户的这些数据，直到允许传输为止。图8示出了使用这种缓冲的定时的实例。
52.本公开的总线仲裁器将具有简单的结构，并且可以使用任何可用的小型可编程组件或微控制器来实现，并且不要求特殊或特定的组件。
53.例如，根据本公开的总线可以用于在单个通信总线上将多个智能传感器联网，如图9所示，其中三个被动最终用户(这里是智能传感器1、2和3以及一个主动用户5)都使用同
一数据总线进行通信，其中每个用户的传输定时由其自身的总线仲裁器控制。
54.在另一实例中，如图10所示，几个最终用户1'、2'可以使用相同的总线仲裁器定时控制原理在电源母线6上进行通信。
55.本公开中描述的时间触发总线提供了用于复用数据传输的低成本简单系统，所述系统满足诸如航空电子设备之类的关键应用的标准，例如是确定性的、顺从的并且对故障具有鲁棒性。所述系统不要求特殊的cots或任何复杂的通信协议。所述系统同时支持被动和主动最终用户，并且可进行修改以处置不同的定时场景。