專利名稱：一種不對(duì)稱高速半雙工通信裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種不對(duì)稱高速半雙工通信裝置。
背景技術(shù)：
在移動(dòng)機(jī)器人、數(shù)字監(jiān)控以及家庭數(shù)字設(shè)備等嵌入式裝置中，經(jīng)常要進(jìn)行大量的高速數(shù)據(jù)通信，而且雙向的通信數(shù)據(jù)量存在較大的差別，某一方向的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于另一個(gè)方向，通信的雙方有時(shí)距離較遠(yuǎn)，可達(dá)幾米甚至幾十米，只有板級(jí)的通信往往不能滿足要求。而且現(xiàn)有的應(yīng)用環(huán)境除要求極高的速度、較小的功耗外，還需盡量小的噪聲以適應(yīng)日益嚴(yán)格的EMI(電磁輻射)要求。
當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，直接采用TTL或COMS信號(hào)(TTL和COMS都是常用的數(shù)字信號(hào)標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸顯然是不可行的，因?yàn)門TL和COMS信號(hào)不但功耗大，而且抗干擾能力差，誤碼率高，相互之間的干擾非常嚴(yán)重，電磁輻射也很大；傳統(tǒng)的串口和并口也不能滿足通信速度的要求。一種可能的選擇是使用局域網(wǎng)的接口和協(xié)議，這樣信號(hào)的質(zhì)量得到了保證，但是現(xiàn)在常用的局域網(wǎng)為10M和100M(100M的上限很難達(dá)到)，雙向的通信都使用一對(duì)信號(hào)線，不適合不對(duì)稱的數(shù)據(jù)通信，通信速度不能完全滿足要求；而且在裝置中要使用專用的局域網(wǎng)物理電氣接口和復(fù)雜的通信協(xié)議，要設(shè)計(jì)局域網(wǎng)與裝置的接口邏輯，增加了裝置的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)難度。
低壓差分信號(hào)LVDS(低壓差分信號(hào))是一種小振幅差分信號(hào)技術(shù)，使用非常低幅度信號(hào)(大約350mV)通過一對(duì)差分PCB(Print Circuit Board印刷電路板)走線或平衡電纜傳輸數(shù)據(jù)。它允許單個(gè)信道傳輸率達(dá)到每秒數(shù)百兆比特(Mbps)。而且具有低功耗、高速度、抗干擾能力強(qiáng)和電磁輻射小的特點(diǎn)，在雙絞線上傳輸距離可達(dá)百米，速度可達(dá)百兆。利用LVDS在雙絞線上傳輸信號(hào)可以滿足通信線路和通信速度的基本要求，但是目前沒有在嵌入式裝置中使用雙絞線傳輸LVDS信號(hào)的專用信號(hào)線定義和簡(jiǎn)單實(shí)用的通信協(xié)議。

發(fā)明內(nèi)容
為解決目前沒有專用的通信裝置和簡(jiǎn)單實(shí)用的通信方法來實(shí)現(xiàn)嵌入式裝置間高速不對(duì)稱數(shù)字信號(hào)通信的問題，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種利用雙絞線傳輸高速不對(duì)稱數(shù)字信號(hào)的裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，使用LVDS信號(hào)在雙絞線上通信，針對(duì)不對(duì)稱的通信特點(diǎn)對(duì)雙絞線信號(hào)進(jìn)行了定義，并給出了一個(gè)完整的通信方法，用于實(shí)現(xiàn)通信的握手邏輯、信道的沖突檢測(cè)和搶占。
本實(shí)用新型可用于中距離實(shí)時(shí)傳輸數(shù)字視頻信號(hào)，并且雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不對(duì)等的專用嵌入式裝置間的通信。
本實(shí)用新型根據(jù)通信數(shù)據(jù)量的不對(duì)稱來定義數(shù)據(jù)線，能合理的利用信道提高速度，提供的通信方法簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠有效的保證通信正確有效地進(jìn)行，省去了復(fù)雜的通信協(xié)議，具有簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)方案一種不對(duì)稱高速半雙工通信裝置，包括通信甲方和通信乙方；通信甲方和通信乙方均由插座、接口電路、通信協(xié)議及控制電路和嵌入式裝置組成，插座、接口電路、通信協(xié)議及控制電路和嵌入式裝置互聯(lián)，再通過雙絞線連接通信甲方和通信乙方，使用非屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)；利用低壓差分信號(hào)來傳輸數(shù)字信號(hào)。
所述的雙絞線與通信雙方的物理接口使用RJ45插座和插頭，雙腳線為5類或超5類非屏蔽雙絞線。
所述的數(shù)據(jù)線根據(jù)通信數(shù)據(jù)的不對(duì)稱來定義，兩個(gè)方向使用的數(shù)據(jù)線數(shù)目不相等。
通信雙方的LVDS接口電路，使用DS90LV019、MAX9637、MAX9638芯片或其它LVDS接口芯片。
通信協(xié)議及其控制可以由嵌入式系統(tǒng)中的MCU編程實(shí)現(xiàn)；也可以由一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)，或使用支持LVDS接口的FPGA，把通信協(xié)議、控制電路和LVDS接口電路在一片F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，然后再與嵌入式系統(tǒng)的總線連接。
接口電路和通信協(xié)議及控制電路，集成到一起，然后通過總線與嵌入式裝置連接。
兩個(gè)嵌入式系統(tǒng)(嵌入式系統(tǒng)是執(zhí)行專用功能并被內(nèi)部計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備或者系統(tǒng)。)間的通信數(shù)據(jù)是不對(duì)稱的，一個(gè)方向的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于另一個(gè)方向的數(shù)據(jù)量。


圖1是不對(duì)稱高速半雙工通信裝置的示意圖；圖2是不對(duì)稱高速半雙工通信裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖3是通信甲方上的LVDS接口電路；圖4是通信乙方上的LVDS接口電路；圖5是不對(duì)稱高速半雙工通信控制的時(shí)序圖；具體實(shí)施方式
為便于描述，如圖1所示，把通信的雙方分別定義為通信甲方和通信乙方，把從通信乙方到通信甲方的通信定義為上行通信，甲方到乙方的通信定義為下行通信。其中上行通信數(shù)據(jù)量大(通常為數(shù)字視頻數(shù)據(jù))，下行通信數(shù)據(jù)量少(通常為命令或狀態(tài)信息)，雙方的通信用LVDS信號(hào)在雙絞線上實(shí)現(xiàn)。通信雙方上都有專用的LVDS轉(zhuǎn)換芯片或支持LVDS接口的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列)芯片。雙絞線與通信雙方的連接方式使用RJ45插座和插頭。
為了提高通信速度，采用同步通信的方式，4對(duì)雙絞線分別定義如下一對(duì)定義為時(shí)鐘信號(hào)CLK，無論上下行通信，CLK均由乙方控制；由于上行通信數(shù)據(jù)量大，使用兩對(duì)線作為上行通信數(shù)據(jù)線(UpData，以下簡(jiǎn)稱UD0～1)，由乙方控制；一對(duì)作為下行數(shù)據(jù)線(DownData，以下簡(jiǎn)稱DD)，由甲方控制。
由于上下行通信共用同一個(gè)CLK，因此通信是半雙工的，在空閑狀態(tài)，所有信號(hào)線都處于高電平狀態(tài)，通信的請(qǐng)求與響應(yīng)通過信號(hào)CLK和DD來實(shí)現(xiàn)。
圖2是裝置的結(jié)構(gòu)圖。通信雙方的結(jié)構(gòu)是基本對(duì)稱的，通過雙絞線連接，但是雙絞線的信號(hào)定義是不對(duì)稱的。A1和B1是RJ45插座，用于連接雙絞線。A2和B2是LVDS接口電路，用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換，把嵌入式裝置中的COMS和TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成LVDS信號(hào)，電路的具體連接關(guān)系見圖3和圖4，其中A2對(duì)應(yīng)圖3，B2對(duì)應(yīng)圖4。A3和B3是通信協(xié)議及控制電路，通信協(xié)議的控制可以通過軟件和硬件兩種方式實(shí)現(xiàn)。使用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，協(xié)議的控制通過FPGA來完成，通信協(xié)議的控制和相應(yīng)的接口邏輯在一片F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，也可以使用支持LVDS接口的FPGA，把A2和A3(B2和B3)集成到一起，然后通過總線與嵌入式裝置連接；通信協(xié)議的控制也可由嵌入式裝置中的MCU(微控制器)編程實(shí)現(xiàn)，LVDS接口電路與嵌入式裝置的總線連接。A4和B4是需要進(jìn)行通信的嵌入式裝置。
圖3和圖4分別是通信雙方的LVDS接口電路，本裝置中使用了NC公司的DS90LV019和MAX公司的MAX9637和MAX9638芯片(也可選用其他LVDS接口芯片)，連接關(guān)系如圖所示。
上行通信過程如圖5a在空閑狀態(tài)，通信乙方發(fā)出上行通信請(qǐng)求時(shí)，首先將CLK信號(hào)置為低電平，申請(qǐng)通信；當(dāng)甲方檢測(cè)到申請(qǐng)后，在允許通信時(shí)，會(huì)在T2時(shí)間后把DD置為低電平作為響應(yīng)，乙方接收到響應(yīng)后，置CLK為高電平，然后DD被置為高電平，甲方進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)；乙方控制同步時(shí)鐘CLK，通過上行數(shù)據(jù)線UD上傳數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，傳送一個(gè)結(jié)束字符，甲方通信模塊接收到結(jié)束字符后，退出接受狀態(tài)，結(jié)束本次通信；各信號(hào)線處于空閑狀態(tài)。
下行通信的過程如圖5b。通信甲方首先將DD置為低電平發(fā)出申請(qǐng)，乙方接收到申請(qǐng)后，會(huì)把CLK置為低電平作為響應(yīng)，甲方在T2時(shí)間后監(jiān)測(cè)CLK的狀態(tài)，等待響應(yīng)后，DD被置高電平，然后CLK被置高電平，完成握手。甲方進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，在乙方的同步時(shí)鐘CLK的控制下通過數(shù)據(jù)線DD下傳命令，下傳的命令為固定長度，傳送結(jié)束后通信線進(jìn)入空閑狀態(tài)。
在通信空閑狀態(tài)時(shí)，通信雙方都可提出通信的申請(qǐng)，先申請(qǐng)者獲得通信權(quán)，本次通信完成后才能進(jìn)行下次的通信，通信的過程不可被中斷。但是如果在空閑狀態(tài)下，雙方同時(shí)發(fā)出通信申請(qǐng)(CLK和DD被同時(shí)置為低電平)就存在通信的沖突，發(fā)明中采用了如下的方法解決此沖突。首先約定下行通信的優(yōu)先級(jí)高于上行通信，雙方同時(shí)申請(qǐng)時(shí)，下行通信將搶占信道。具體的過程為(如圖5c所示)甲方和乙方同時(shí)將CLK和DD置為低電平，乙方會(huì)在T1(T1＜T2)時(shí)間檢測(cè)DD線的狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)DD為低，則表明此時(shí)甲方也同時(shí)發(fā)出了申請(qǐng)，因在正常的情況下，DD只能在T2時(shí)間后做出響應(yīng)，此時(shí)乙方掛起本次通信請(qǐng)求，置CLK為高，并在T2時(shí)間后對(duì)下行通信做出響應(yīng)，握手信號(hào)完成后，開始通信，本次通信完成后，重新開始已掛起的上傳通信。
權(quán)利要求1.一種不對(duì)稱高速半雙工通信裝置，其特征在于，包括通信甲方和通信乙方；通信甲方和通信乙方均由插座、接口電路、通信協(xié)議及控制電路和嵌入式裝置組成，插座、接口電路、通信協(xié)議及控制電路和嵌入式裝置互聯(lián)，再通過雙絞線連接通信甲方和通信乙方，使用非屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)；利用低壓差分信號(hào)來傳輸數(shù)字信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不對(duì)稱高速半雙工通信裝置，其特征在于，所述的雙絞線與通信雙方的物理接口使用RJ45插座和插頭，雙腳線為5類或超5類非屏蔽雙絞線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不對(duì)稱高速半雙工通信裝置，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)線根據(jù)通信數(shù)據(jù)的不對(duì)稱來定義，兩個(gè)方向使用的數(shù)據(jù)線數(shù)目不相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不對(duì)稱高速半雙工通信裝置，其特征在于，通信雙方的LVDS接口電路，使用DS90LV019、MAX9637、MAX9638芯片或其它LVDS接口芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不對(duì)稱高速半雙工通信裝置，其特征在于，通信協(xié)議及其控制可以由嵌入式系統(tǒng)中的MCU編程實(shí)現(xiàn)；也可以由一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)，或使用支持LVDS接口的FPGA，把通信協(xié)議、控制電路和LVDS接口電路在一片F(xiàn)PGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)，然后再與嵌入式系統(tǒng)的總線連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不對(duì)稱高速半雙工通信裝置，其特征在于，接口電路和通信協(xié)議及控制電路，集成到一起，然后通過總線與嵌入式裝置連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不對(duì)稱高速半雙工通信裝置，其特征在于，兩個(gè)嵌入式系統(tǒng)間的通信數(shù)據(jù)是不對(duì)稱的，一個(gè)方向的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于另一個(gè)方向的數(shù)據(jù)量。
專利摘要一種高速半雙工通信裝置，用于嵌入式裝置間不對(duì)稱的高速數(shù)字信號(hào)通信。通信信號(hào)使用LVDS信號(hào)，信道使用非屏蔽雙絞線，物理接口使用RJ45插座和插頭；根據(jù)通信數(shù)據(jù)的不對(duì)稱特點(diǎn)定義數(shù)據(jù)線；給出了一個(gè)完整的通信控制方法，可以實(shí)現(xiàn)通信雙方的握手、沖突檢測(cè)和信道搶占。該裝置和方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04L5/16GK2772130SQ20052000735
公開日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月18日
發(fā)明者原魁, 周慶瑞, 路鵬, 鄒偉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所