专利名称：总线系统及操作总线系统的方法
技术领域：
本发明涉及总线系统，尤其涉及一种串行无线电控制总线(RCBSER)， 其用于实时控制例如外部天线调谐器、放大器和滤波器等。
背景技术：
在串行总线系统中，基于存储传输消息的消息处理是一个标准的过程。 消息从一个总线节点传输到另 一个总线节点，当前正在处理的总线节点的消 息被优先处理。使用消息的这种类型的节点相关传输，无法提供实时能力， 因为在总线节点存储器中的消息的处理时间是不可预知的，至多是能得S 'J统 计地显示。
与同步总线相比，其中同步通道的某一部分在某一时间段被分配给特定 的节点，异步控制在不需要消息传输中断的情况下，允许传输请求少量数据 的多个请求。文档US 5,719,858和EP 1465370 Al提出了允许基于同步物理 通道进行异步传输的系统。因此，为两个节点之间的传输提供一种环境成为 可能，该环境也能满足关于时间条件的紧迫要求。例如，在US 5,719,858的 情况下，几个节点被连接到TDM(时分复用)总线，在该总线上使得某一
带宽对几个总线节点可用。然后，利用时间片方法将该带宽分配给各个单元。 在EP 1465370 Al的情况下，为了进行异步处理，将一个数据报文细分，并 被打包进所谓的"时钟帧，，中，所以能够允许在同步总线上进行异步数据传 输成。
曼彻斯特编码方法是已经为总线系统建立起来的标准方法。该方法易于 实现、不受直流影响且允许互相通信的站点进行自动同步，所以，不需要提 供独立的时钟"永沖。
发明内容
本发明的目的是加速总线系统中的通信，从而改善总线系统的实时能力。 这个目的可通过具有权利要求1的特征的总线系统和具有权利要求11
的特;f正的方法实现。
在串行总线系统中，能够通过同步信号在各单元之间实时交换比特信 息，与此并行的是，较大长度的消息可以用异步方式进行传输。
在这种总线系统中，中央总线节点或特别标记的总线节点被定义为上级 (superordinate )单元，通过总线与几个其它的4皮定义为乂人属(subordinate ) 单元的节点相连，通过从属单元进行通信。
特别地，同步信号在各个单元之间不断进行交换，时间紧迫的信号与该 同步信号一起从一个单元传输到另一个单元。与此并行的是，有限长度的消 息可以在各个单元之间异步地并完全独立于同步信号进行传输或交换。
进一步扩展的益处在从属权利要求中进行详细说明。
已经知道，在信息系统中，除地址和数据信息外，还可以将头附在消息 系统的数据报文中，在本例中该头允许接收机为了接收消息而进行同步。这 种报文在以下所描述的实现中进行描述，例如以24字段进行描述，其中， 13个字段用于地址信息，8个字段用于数据。用于地址信息的13个字段不 仅指示各个从属单元的地址，还确定在各个辅助装置中被采用的或待修改的 参数。
消息头不仅指明消息的开始，还用于单元的同步。该字符序列，也可称 作同步字，允许接收机识别随后的数据字的开始部分。
为了允许各个单元之间的初始同步，首先传输一个所谓的同步帧。这保 证了公用时钟脉冲的相互校准，以及将消息字段分配给它们的编码的分配。 如果没有消息或数据报文传输，同步帧被不断地从一个单元传输到下一个单 元。这也就保证了时钟脉沖发生器的同步。
信息的实时交换基于各个单元之间不断交换的比特信号，或时钟脉沖信
号。同步帧的初始传输指定了字符'X'到'0，或T以及'Y，到'0，
或T的分配。该信息被传输到串行总线系统上的所有单元，以便将相同
的信号传输到所有的连接线上。如果一个单元希望传输一个比特消息到上级
单元，这就改变了 'X，到'0，或T和/或'Y，到'0，或'1，的分配。 在后面的单元中，该信号与自身的时钟脉冲信号结合，被合并到一个AND 元件中，以形成组合信号，并传输到在下一最高位置中布置的单元。这样， 一个比特信号能够快速地从一个单元传输到另一个单元， 一直到主单元。独 立于比特信息的数据包按比特分布到中间比特位置，以便于数据包以异步方 式与时钟脉沖信号一起传输。因此，能够谈及通道，在该通道中， 一方面， 比特信息可被不断地实时交换，另一方面，相对长的消息可利用时间分布进 行异步传输。
此外，由于比特信息不是被置于中间存储器的，因此，还可以进一步提 供实时能力。比特信号通过与内部生成的比特信号进行AND连接后，作为 连续信号合并在单元中，且立刻执行。数据报文必须在最初被提取出来，并 以全部长度读入到存储器，以便于被理解。
差分曼彻斯特编码的使用允许字段各以一比特表示，从而使得最后得到 的消息长度为48比特，数据和地址信息的长度分别被指定为8和13比特。 与在此介绍的通常使用的编码方法所不同的是，允许定义另外的字符，就它 们而言，允许定义另外的控制字符。通过与包含'K， 、 'J， 、 '0，和'l' 的标准字母表的不同， 'READY ， 、 ' TX—ACTIVE ， 以及 'CARRIER—MAGNITUDE'能够通过附加的字符或控制信号'X' 、 'Y， 来创建。
为了例如通过同轴电线或光纤线缆在顺序连接的从属单元中传输消息， 在每个辅助装置中提供一个存储器，其中消息在传输之前被置入中间存储 器，因此，保证从从属单元到从属单元的受控消息传输。另外，相应的逻辑 单元提供了用于处理从属单元中的消息或用于传输消息到另 一从属单元的 手段。存储器和逻辑单元可通过例如在装置中使用可编程门阵列(FPGA组
件)来实现，从而允许针对待考虑的总线性能能力的远景需求。
提供集成的存储器和逻辑单元，实现了用于处理以下类型的标准消息和
时间紧迫的消息的传输过程
1) 如果从属单元接收到消息，首先进行检测以确定内部存储器是否已 经包含了消息。如果存储器包含了消息，则将收到的消息输入到存储器中， 并且只有在所有在先接收到的消息或输入到存储器的消息已经传输到随后 的从属单元或从存储器移除时，才能被传输。
2) 如果从从属单元接收到了消息且存储器为空，则该消息被直接传输。
3) 如果从从属单元接收到时间紧迫的消息，则不检测存储器的状态， 但是直接检验内部状态，且只有在检验内部状态之后才传输该消息。
4) 如果从上级单元接收到了 TX_ACTIVE或TX—ACTIVE/CARRIER_ MAGNITUDE消息，从属单元的设置不再改变，并设置内部状态。在接收 到来自在先从属单元的消息后，该消息立即传输到随后的从属单元。
利用这个通用的消息基本架构，能够提供基本的功能，其中连接于总线 终端的各个从属单元，通过串行总线与上级单元进行通信。在本文中，可以 给出关于成功调整参数的回复消息，或从属单元的状态或例如温度的值可以 被传输至上级单元。通过不断交换的时钟脉沖信号来传输比特消息，这另外 还允许信息单元实时的快速交换。
下面参考附图更加详细地描述本发明。所述附图如下
图la示出了串行总线的结构；
图lb示出了从属单元的结构；
图2示出了总线的一种应用；
图3示出了标准的消息结构；
图4示出了用于消息的快速传输的消息结构；
图5示出了差分曼彻斯特编码；
图6示出了用于在总线上快速传输的消息的时间特性；
图7a示出了在第一阶段从属单元之间的消息交换；
图7b示出了在第二阶段从属单元之间的消息交换；
图8a示出了在第一阶段用于在总线上快速传输的消息交换；
图8b示出了在第二阶段用于在总线上快速传输的消息交换；
图9示出了在第三阶段用于在总线上快速传输的消息交换；
图IO示出了特定的时间紧迫的消息；
图11示出了在第一阶段的消息传输的时间特性；以及
图12示出了在第二阶段的消息传输的时间特性。
具体实施例方式
图la和图lb中示出的总线系统1的结构通过上级单元l,得到了体现， 该上级单元可以连接有多个从属单元12、 13。从属单元12、 13串行连接，形 成串行结构。在本文中，例如预选器的第一从属单元UE4通过两根线缆连 接到例如无线电装置的上级单元UE，然后，例如驻波测量仪的第二从属单 元UE3通过另外两根线缆连接到第 一从属单元，等等。最后的从属单元UE1 ， 例如天线调谐器(ATU),出现在总线ls的结尾。
光纤线缆和光连接器可替换同轴电缆用作线缆U。尽管总线系统1主要 是为了控制外部模块而设计的，但是以下描述的概念也适合于需要控制内部 模块的应用场合。通过简化，简写RCBSER也用于描述总线15。必须要提 到的是，每个装置单元l!、 12以及13分别具有自身任意支配的例如可编程 门阵列(FPGA组件)，其包含存储器1211，并通过总线控制通信。
在图2中示出的总线系统1的一个应用提供了一个无线电系统结构。在 本文中，上级单元l,、无线电装置2,和从属单元12可以为通过例如同轴电 缆和/或光纤线缆24连接于无线电装置的辅助装置22，例如放大器、驻波测 量仪或选择器。总线系统1由例如自动天线调谐器(ATU) 23结尾。
如图3所示，标准报文3包括消息头33，该消息头33由起始比特'J，、
跟随着的起始比特'K，和一个随后的状态比特形成。状态比特可由字符
RD/WR_RF或IRQ—RF—EXT定义，依赖于传输是从上级单元到从属单元实 现，还是在相反的方向实现。接下来是地址字段和数据字段32。在以例 子表示的消息结构中，13比特用于地址字段，8比特用于数据字段。
图4示出了在时钟脉冲比特或字符之间的自由位置中对消息进行按比 特细分。时钟脉沖信号可识别为字符'X，和'Y'的交错序列。以下将描 述差分曼彻斯特编码首先被用于字符的编码。在本文中，字符'X，可被识 别，因为它出现在第一和第二起始比特或同步比特'K'和'J，之间。字符 'Y，跟在起始比特或同步比特'J'的后面。作为按比特细分消息的结果， 与在单元之间异步传输的消息相比，能够同时并完全独立于串行总线交换比 特信息。字符'X，和'Y，的交错插入能够立即被估计到。通过不断交换 的时钟脉沖信号传输的比特消息也以可显示为时间紧迫的信号。
图5示出了优选的曼彻斯特编码方法5的结构。根据方法5，出现了细 分为比特单元的细分，其中通过与比特单元的后一半相比，比特单元的前一 半显示不同的极性或振幅。这意味着在每个比特单元中发生了电平的突变， 这也允许例如参与各方的简单同步。在本文中，字符的区别通过比特开始处 的边缘产生。例如，字符'0，通过比特开始处的边缘来表征，而在字符'1， 的情况下，没有边缘被编码。根据现有的曼彻斯特编码的优选变型，两个代 码扩充'K，和T被额外地应用于编码符号集中，也就是说应用于大量被 采用的字符中。在本文中，给出没有极性变化或电平突然改变发生在比特中 间的代码扩充。字符'K，通过比特开始处的边缘表征，而字符'J'通过在 比特开始处'没有边缘，来表征。
图6示出了消息报文的时间特性或时序6,具体来说也是时间紧迫的消 息4艮文4的时间特性或时序。使用示例性的12.5MHz数据速率，每比特有 TB=80ns的时间分配，因此时间紧迫的报文的全部长度为TM=3.84us (=24 x80ns)。这就为消息的安全处理提供了 1%的容差带宽。
图7a和图7b示出了标准消息处理。图7a示出了利用存储器1211进行
标准消息的处理。
从上级单元l!到从属单元12和/或13的标准消息3被从属单元12和/或 13同时接收到。该消息传输以点对多点的连接进行描述。
标准消息3从从属单元13通过中间的从属单元12传输到上级单元h。 这就实现了在串行总线15上从从属单元12和/或13到上级单元h的消息传 输的平滑运转。访问的问题不会发生，因为总线15在向中心l,的方向上是
以这样的方式进行组织的就眼前来说，所谓的点对点连接分别在两个从属 单元12和/或一个从属单元12与上级单元l,之间建立， 一直到消息3成功传 输到上级单元l,。
两种方法可能被用于处理标准消息3。图7a和图7b描迷了运行的方法。 图7a示出了第一种情况，其中，从属单元UEn通过点对点连接从从属单元 UEn-l接收消息N!，并由消息N2表示，并检查其自身的消息存储器1211是 否为空。如果情况属实，则消息N3被直接传输至随后从属单元UEn+l的存储器。
图7b示出了第二种情况。如果存储器1211已经包含了至少一个消息， 接收到的消息N4被存储在存储器1211中，直到所有包含在存储器1211中的 消息被成功处理，且只有在存储器中的所有消息成功处理之后，才可以作为 消息N6被传输到随后的从属单元UEn+1 。消息N4在存储器12 中的停留时 间依赖于存储器1211中消息的初始数目。
时间紧迫的信号4的处理过程在图8a和图8b中示出，如果需要或者可 能以比特信息形式进行消息的单独处理和快速交换时，才传输时间紧迫的信 号4。例如，如果与用于将高频信号传输到从属单元UE1 UE4的上级单元 UE —样，无线电装置传输例如放大因子、滤波器参数或天线调谐器的设置 等给定设置，并且在传输开始之前不久请求关于所需参数成功设置的确认， 以便随后能够传输高频信号，才传输时间紧迫的信号4。然后，该确认以时 间紧迫的信号4的形式从从属单元UE1 UE4传输到上级单元UE。传输以 这样的形式进行总线15的最后元件UE1第一个改变其时钟脉沖信号的编
码。与标准消息相比，时间紧迫的信号在传输中所通过的从属单元中被单独 处理。
图8a示出了提供的第一种通用的方法。如果在图8a中通过N7表示的、 在前单元UE2的时间紧迫的信号4到达从属单元12,作为为上级单元到所 有的或仅几个从属单元UE1 UE4 (例如，到从属单元UE3)的高频传输的 在前消息的结果，内部状态就绪(READY)在最初时^皮^r测，然后信号4 作为时间紧迫的集体消息N8被传输到随后的从属单元UE3，或在最后一个 从属单元UE4的情况下传输到上级单元UE。
图8b示出了在涉及即将到来的高频信号传输的特定TX_ACTIVE信号 10,发生时的处理过程。在这种变化中，所有从属单元UE1 UE4都期待 READY信号103,并且该信号例如从乂人属单元UE3传输到从属单元UE4, 然后传输到上级单元UE。
在本文中，传输以这样的方式进行上级单元UE传输信号N9到从属 单元UEn。将内部状态设置为READY,并等待总线15中来自在前从属单元 UEn-l的信号N1Q。在询问内部状态之后，传输一个组合信号Nn到从属单 元UEn+l。
图9示出了进一步的信号处理流程。从属单元UEn接收到来自上级单 元UE的信号N12。当使用总线15时，这涉及到描述直接传输模式的 TX_ACTIVE/CARRIER—MAGNITUDE信号的接收。然后，内部状态被选择 性的设置(图中未示出)。之后，如果从在前从属单元UEn-l接收到信号 N13,则生成信号N,4并传输到从属单元12。
图IO示出了三个特定信号，具体来说是从上级单元UE传输到从属单 元UE1 UE4并且从从属单元UE1 UE4传输至中央单元UE的时间紧迫的信 号l(V 102和103。在本文中，从上级单元UE到所有从属单元UE1 UE4 的第一信号IO!的特征是，该信号作为时钟脉冲信号，被编码为字符'X' 的恒定序列。图10再一次示出了实时比特信息和相对较长的数据包的并行 交换。字符TX—ACTIVE的特征是，作为从上级单元UE到从属单元UEl UE4
的信号IO,传输。从上级单元UE到从属单元UE1 UE4的第二信号102也使 用时钟脉冲信号进行传输。然而，TX—ACTIVE和CARRIER—MAGNITUDE 交替传输。在本文中，CARRIER—MAGNITUDE作为'Y'传输。在前同步 帧再一次保证了时钟脉冲发生器的校准。在从从属单元UE1 UE4到上级单 元UE的READY信号的情况下，READY信号以上述方式传输。
图11和图12以时间矢量图形式示出了总线活动的概貌，其用于通过总 线15上连接的从属单元UE1 UE4到上级单元UE来传输时间紧迫的信号。 在总线上上级单元的长度为TM的请求和最后或终端从属单元UE1的预先确 定的响应时间之后，根据上述的点对点的信号处理方式，将从属单元中关于 参数设置结果的信号从从属单元UEn-1传输到从属单元UEn，并最后到达 上级单元UE。然后，获得如图11所示的总的响应时间。图12示出了内部 状态的估计需要全部消息持续时间的情况。
本发明不局限于上述的示例性实施例。根据本发明的总线系统可以以不 同的方式使用。所有上述和指明的元件可在需要的时候互相合并。
权利要求
1、一种总线系统(1)，用于上级单元(11)与一个或多个从属单元(12，13)通过总线(15)交换地址和数据信息的实时通信，其特征在于，为了字段(42，43)之间的消息的快速交换，为地址和数据信息提供另外的字段(44)。
2、 如权利要求1所述的总线系统，其特征在于，用于消息的快速交换的字段(44)与用于地址和数据信息的字段(42， 43) 交替布置。
3、 如权利要求1或2所述的总线系统，其特征在于，数据块的头(4,)包括多个同步字段(45)和至少一个用于表示消息状态的 字段(46)，该字段(46)被置于用于地址和数据信息的字段(42， 43)之前， 其中数据信息(43)跟随在地址信息(42)之后。
4、 如权利要求3所述的总线系统，其特征在于，所述数据块(4)由48个字段组成，其中包括地址、数据、同步和状态信 息的字#殳(42, 43, 45， 46)分别由13个字符、8个字符、2个字符和1个字符 表示，其中可包括另外字符的另外的字段(44)被布置在所述数据块的每个字 符之后，用于消息的快速交换，且这些字段通过字符'X，和'Y，交替定义。
5、 如权利要求4所述的总线系统，其特征在于，以比特为单位对每个字段(42, 43， 44, 45， 46)进行编码，同步字段(45)、 状态字段(46)、地址信息(42)和数据信息(43)相应地分别以2比特、1比 特、13比特和8比特表示。
6、 如权利要求1至5中任一项所述的总线系统，其特征在于， 每个从属单元(i2， i3)带有一存储器(1211 )，从属单元(12)通过总线(15)连接上级单元(1,)和结尾的从属单元(13 )。
7、 如权利要求3至5中任一项所述的总线系统，其特征在于， 所述数据块(4)在总线(15)上的信号或消息传输通过同轴电缆或光纤线 缆(14)进行。
8、 如权利要求5所述的总线系统，其特征在于， 所述比特编码通过差分曼彻斯特编码(5)实现。
9、 如权利要求1至8中任一项所述的总线系统，其特征在于， 所述上级单元(1，)为无线电装置(2,),所述从属单元为一个或多个辅助装置(22， 23, 24， 25)。
10、 如权利要求9所述的总线系统，其特征在于，所述辅助装置(22)为放大器、驻波测量仪、频率选择器和/或自动天线调 谐器(23 )。
11、 一种操作总线系统的方法，该总线系统用于上级单元(l,)与一个或 多个从属单元(12， 13)交换地址信息和数据信息以及交换另外的消息的实时 通信，该方法包括下列处理步骤每当一从属单元(12)从另一从属单元(13)接收到消息时，检查该从属单 元(12, 13)的内部存储器(121|)是否包含消息；如果所述存储器(1211)已经包含消息，则将所接收到的消息输入到存储器 (1211)中，并且只有当所有之前接收到的或输入到存储器(1211)的消息已经 传输到所述乂人属单元(12)时，才传输该消息；以及每当从从属单元(12)接收到消息且存储器(1211)为空时，直接传输该消息。
12、 如权利要求ll的方法，其特征在于，如果从从属单元(13)接收到时间紧迫的消息，则不检测存储器(1211)的 状态，但是直接检验内部状态，如果该状态为READY,则传输该消息。
13、 如;f又利要求12所述的方法，其特征在于，所有时间紧迫的消息的数量包括至少三个消息，即引入传输模式的 TX_ACTIVE 消息 (10,)、 标记该传输模式的 TX—ACTIVE/ CARRIER—MAGNITUDE消息(102 )、以及标i己就绪状态的READY消息(103 )。
14、 如权利要求13所述的方法，其特征在于， 所述TX—ACTIVE消息(10,)和TX—ACTIVE/CARRIER—MAGNITUDE消 息(102)从上级单元(h)传输到从属单元(12， 13),所述上级单元(h)为 无线电装置，所述从属单元(12， 13)为无线电装置的辅助装置，且所述READY 消息(103)从一个从属单元(13)传输至随后的从属单元(12)，直到与上级单 元直接连接的最后的从属单元(12)将该消息传输至上级单元(l,)。
15、 如权利要求14所述的方法，其特征在于，如果辅助装置(22， 23， 24)从无线电装置(2!)接收到TX_ACTIVE消息 或TX—ACTIVE/CARRIER—MAGNITUDE消息(10!， 102 ),则所有当前的调整 过程都终止。
16、 如权利要求15所述的方法，其特征在于，在调整过程终止之后，所述辅助装置(23)的内部状态被设置为READY, 并且在从另 一辅助装置(23)接收到READY消息(103)之后，该READY状 态立即传输至随后的辅助装置(22)或无线电装置(2!)。
全文摘要
本发明涉及一种在上级单元(1<sub>1</sub>，1<sub>3</sub>)和至少一个从属单元(1)之间进行实时通信的总线系统，所述总线系统用于通过总线(1<sub>5</sub>)交换地址和数据信息。根据本发明，在字段(4<sub>2</sub>，4<sub>3</sub>)之间为地址和数据信息提供了其它字段(4<sub>4</sub>)，用于消息的快速交换。
文档编号H04L12/413GK101099360SQ200680001673
公开日2008年1月2日 申请日期2006年2月9日 优先权日2005年3月2日
发明者亨德里克·克勒, 马丁·胡贝尔 申请人:罗德施瓦兹两合股份有限公司