通信系统及其操作方法

技术领域

本公开涉及通信系统及其操作方法。本公开尤其涉及使用串行外设接口(SPI)协议的通信设备，并且最特别地用于汽车应用中的数据传输电路。

背景技术

SPI是用于车辆内的嵌入式电子系统中的通信的最常见的通信协议之一。SPI采用主-从架构，其中一个主装置支持与一个或更多个从装置的通信。在操作期间，主装置发起帧以利用选定的从SPI装置来执行读取/写入操作，其中使用从属或芯片选择(CS)信号来选择从装置。这促使所选择的从装置从主输出从输入(MOSI)信号线读取数据，并将数据写入主输入从输出(MISO)信号线，其中位(bit)的读取和写入由时钟信号(CLK)协调。

在现代车辆中，许多装置通常需要定期刷新信号来维持其操作。例如，诸如智能保险丝或传感器单元的外围装置可以包括需要轮询以防止意外超时的监视器。因此，在标准SPI协议下，需要使主装置发起单独的帧来刷新每个从装置。

图1示出了示例性现有技术SPI总线上的信号，其中使用在芯片选择线cs0至cs7上传输的低态有效芯片选择信号来顺序地轮询八个从SPI装置。这样，该序列包括8个帧，其中每个帧从dev_0到dev_7提示所选择的从装置从MOSI线读取刷新信号并将诊断数据传输至MISO线以由主SPI装置记录。

上述问题是它相对较慢，并且在轮询序列期间需要在SPI总线上连续通信。因此，随着从装置的数目增加，刷新操作占用越来越多的处理和SPI总线时间，从而减少此资源用于正常装置操作的可用性。此外，它还限制了可以由主装置服务的从装置的数量，因为否则在特定从装置的监视器(watchdog)超时之前，在每个重复轮询序列之间可能没有足够的时间。

近来，已经提出了许多新的基于SPI的通信系统，其寻求解决增加SPI通信速度的更普遍的问题。例如，已经提出通过修改时钟信号或通过提供用于控制每个从装置的MOSI和MISO端子的专用芯片选择线来修改标准SPI协议以允许不同的从装置在同一帧内通信。然而，这种布置非常复杂并且需要专门定制的硬件，这比标准或现成的SPI集成电路昂贵得多。因此，它们不适于解决与刷新商用汽车应用的外围装置相关的上述问题。

因此，需要以成本有效且简单的方式解决与常规SPI通信系统相关联的上述问题

发明内容

本公开涉及一种用于允许快速轮询一组或更多组多个从集成电路命令过程的通信系统。该通信系统可以用在汽车应用中的嵌入式系统内。

根据第一方面，提供了一种通信系统，包括：主电路，包括具有输入MISO端子的主串行外设接口(SPI)装置；以及多个从电路，所述多个从电路被联接用于与所述主电路通信，各个从电路包括从SPI装置、用于激活该从SPI装置的激活端子、以及输出开关，该输出开关用于在被激活时将所述从SPI装置的输出主输入从输出(MISO)端子连接到输入MISO端子，其中，所述主电路还包括：轮询信号端子(POLLING)，用于向所述多个从电路中的至少第一组中的激活端子发送轮询信号，以激活它们各自的从SPI装置；以及多个输出芯片选择(CS)端子，各个输出芯片选择(CS)端子可独立地激活以将CS信号传输到所述多个从电路中的相应一个从电路的激活端子和输出开关，以便激活相应从SPI装置并连接其输出MISO端子以将数据传输到输入MISO端子。

这样，可以通过在单个SPI帧中轮询多个从SPI装置来同时刷新它们，同时将返回到主SPI装置的数据限制为由单个从SPI装置发送的数据。这样，所有从SPI装置中的监视计时器可以基于在MOSI线上传输的公共复位信号被快速复位以避免超时，同时，来自从SPI装置之一的诊断数据仍然可以在MISO线上被传输回主装置。重要的是，这可以在不修改SPI时钟信号或SPI装置的操作软件的情况下实现。

在实施方式中，主电路还包括连接到设置在主SPI装置上的地址端子(ADDRESS)的解复用器(DEMUX)，并且其中，多个输出CS端子设置在该解复用器上并且可响应于来自地址端子的地址信号的解复用而单独激活。以此方式，可基于从单个地址端子输出的信号使用CS端子来控制较大数目的从属SPI装置。

在实施方式中，通信系统还包括第二轮询信号端子，用于将第二轮询信号传送到第二组多个从电路的激活端子，以同时激活它们各自的从SPI装置。以此方式，可以轮询多于一组的从SPI装置，从而允许根据需要以不同的间隔轮询不同的组。此外，响应于MOSI线上的不同命令的不同组的从SPI装置可被分别指令为离散组。

在实施方式中，主电路还包括轮询逻辑结构，其中，轮询信号端子和第二轮询信号端子设置在所述轮询逻辑结构上，其中，所述轮询逻辑结构包括多个逻辑门，所述多个逻辑门连接到设置在主SPI装置上的主轮询端子以及与第一和第二组从电路相关联的输出CS端子，并且其中，所述轮询逻辑结构被配置用于响应于与相应组中的从电路相关联的主轮询信号和至少一个CS信号两者，从所述第一和第二轮询信号端子之一传送轮询信号。这样，可以使用主SPI装置上的单个轮询端子的输出来轮询从SPI装置的多于一个轮询信号组。

在实施方式中，轮询信号端子还被设置在解复用器上，并且其中，基于对来自地址端子的地址信号进行解复用来激活轮询信号端子。以此方式，仅具有地址端子的基本主SPI装置可用于通过解复用器生成CS信号和轮询信号两者。

在实施方式中，主SPI装置包括用于向多个从SPI装置传送时钟信号的串行时钟端子。

在实施方式中，主SPI装置包括用于从主SPI装置向多个从SPI装置传送数据的输出主输出从输入(MOSI)端子。

在实施方式中，通信系统还包括连接在输出MOSI端子与设置在多个从电路上的输入MOSI端子之间的MOSI线。

在实施方式中，通信系统还包括连接在输入MISO端子与多个从电路的输出MISO端子之间的MISO线；连接在轮询信号端子与多个从电路的激活端子之间的轮询信号线；以及多个CS信号线，各个CS信号线连接在多个输出CS端子之一与从电路之一的激活端子和输出开关之间。

根据第二方面，提供了一种操作通信系统的方法，该方法包括以下步骤：提供主电路，该主电路包括轮询信号端子、多个芯片选择(CS)端子、以及主串行外设接口(SPI)装置，其具有输入MISO端子；以及提供多个被联接用于与所述主电路通信的从电路，各从电路包括从SPI装置、激活端子和输出开关；将轮询信号从轮询信号端子传送到所述多个从电路中的至少第一组从电路的激活端子，以用于激活其各自的从SPI装置，其中，除非所述输出开关被激活，否则防止各自的输出MISO端子通过所述输出开关将数据传送到所述输入MISO端子；以及将来自所述CS端子中的各个CS端子的CS信号传送到所述多个从属电路中的相应从属电路，以用于激活其激活端子来激活相应从属SPI装置，并激活所述输出开关以将其输出MISO端子连接到所述输入MISO端子来向其传送数据。

在实施方式中，该方法还包括传送SPI帧序列，其中，各个SPI帧包括将轮询信号和CS信号从其中一个CS端子传送至相应的从电路，其中，在SPI帧序列的每个帧中从不同的CS端子发送所述CS信号，用于顺序地将从电路的相应输出MISO端子连接到输入MISO端子。这样，来自每个从SPI装置的诊断数据可以在多个刷新周期上被反馈给主SPI装置。

在实施方式中，其中，提供主电路的步骤还包括：提供连接到设置在主SPI上的地址端子的解复用器，其中，在解复用器上设置有多个输出CS端子，并且其中，该方法还包括以下步骤：将地址信号从地址端子传送到解复用器；在所述解复用器处解复用所述地址信号；以及基于经解复用的地址信号从所述CS端子中的一个生成CS信号以传送到所述多个从电路中的相应从电路。

在实施方式中，其中，解复用地址信号的步骤包括：基于地址信号的最低态有效位或地址信号的最高有效位中的一者来选择CS端子中的一个来传送CS信号。以此方式，简单的多路复用信号可用于寻址待刷新的一组从装置和用于将数据返回到主装置的单独的从SPI装置。

在实施方式中，提供解复用器的步骤还包括：在解复用器上提供轮询信号端子，并且其中，该方法还包括：基于经解复用的地址信号从轮询信号端子生成轮询信号。

在实施方式中，解复用地址信号的步骤包括：基于地址信号的最高有效位或地址信号的最低态有效位之一来选择从轮询信号端子生成轮询信号或从第二轮询信号端子生成第二轮询信号。

附图说明

现在将参照附图描述说明性实施方式，其中：

图1示出了示例性现有技术SPI总线上的信号；

图2示出了根据第一实施方式的通信系统的示意图；

图3示出了在图2所示的系统上运行的轮询序列期间SPI总线上的信号；

图4示出了图2所示系统的操作流程图；

图5示出了根据第二实施方式的通信系统的示意图；

图6示出了在图5所示的系统上运行的轮询序列期间SPI总线上的信号；

图7示出了根据第三实施方式的通信系统的示意图；

图8示出了用于图7所示系统的操作的说明性逻辑表；

图9示出了在每个从电路处的连接和集成逻辑装置；以及

图10示出了图10中所示的集成AND门的替代的示例分立实现。

具体实施方式

图2示出了根据第一实施方式的通信系统1。通信系统1包括通信地联接到四个从电路4a-4d的主电路3。

主电路3包括主SPI装置31和解复用器32。主SPI装置被设置为具有SPI地址、时钟(CLK)、MOSI和MISO端子的集成电路。主SPI装置31还包括用于生成独立于地址信号的轮询信号的轮询端子。通过SPI总线传送的信号是低态有效信号(active-low signal)。

地址端子经由地址信号线52连接到解复用器32的输入端。解复用器32包括与从电路4a-4d中的各个从电路相关联的多个输出CS端子CS_0到CS_3。照此，从主SPI装置31的地址端子传送的多路复用地址信号可被解复用以在解复用器32的输出CS端子之一中生成单独的CS地址信号。

四个从电路4a-4d中的每一个包括从SPI装置41，连同连接到其CS输入端子的AND门42和连接到其输出MISO端子的输出开关43。

每个AND门42经由轮询信号线51连接到主SPI装置31上的轮询端子的输出，并且经由CS信号线56a-56d连接到解复用器32上的相应输出CS端子CS_0到CS_3。在不存在轮询信号或单独的芯片选择信号的情况下，到AND门42的两个输入均为高，致使相应从SPI装置41上的CS端子保持为高。当低态有效信号被施加到任一输入时，相应从SPI装置41上的CS端子被设置为低，从而激活它。因此，每个从电路4a-4d的从SPI装置41可以通过经由其各自的CS信号线56a-56d施加的轮询信号或单独的芯片选择信号来激活。

各输出开关43还经由CS信号线56a-56d由解复用器32上的相应输出CS端子的输出来控制。这样，当传送单独的芯片选择信号以激活相应的从SPI装置41时，相关联的输出开关43被切换成经由MISO数据线55将相应的输出MISO端子连接到主SPI装置31上的输入MISO端子。

MISO数据线55将每个从电路4a-4d的输出开关连接到主SPI装置31上的输入MISO端子。因此，来自任何从SPI装置41的数据都可被传送到主SPI装置31，但仅当在其相应的输出开关43被激活时。

主SPI装置31的CLK和MOSI端子经由时钟信号线53和MOSI数据线55连接到从SPI装置41的CLK和MOSI端子，用于传送时钟和数据信号。

图3示出了在图2所示的系统上运行的示例轮询序列期间SPI总线上的信号。该图示出了4个帧61-64，在帧61和64中执行轮询操作。帧62和63表示不执行轮询操作的可用总线时间，因此SPI总线可用于其它操作。

在帧61中，主SPI装置31通过其轮询端子输出轮询信号并通过其地址端子输出CS地址信号，以使解复用器32在芯片选择端子CS_0且因此在CS信号线56a中生成芯片选择信号。主SPI装置31还通过CLK端子生成时钟信号并通过输出MOSI端子传送输入诊断信号。

轮询信号线51上的轮询信号使从电路4a-4d的所有四个从SPI装置41被激活，并经由轮询信号线51从MOSI数据线54读取数据。由此促使监视器复位以避免装置的超时。同时，只有第一从电路4a的输出开关43被激活，因为只有相关联的CS信号线56a承载CS信号。因此，只有第一从SPI装置41a能够在MISO信号线55上将诊断数据传送到主SPI装置31。

在帧64中，可以执行第二刷新操作。此外，主SPI装置31通过其轮询端子输出轮询信号，但是在这种情况下，来自主SPI装置31的地址信号使解复用器32在第二芯片选择端子CS_1中(并因此在CS信号线56b中)生成芯片选择信号。因此，再次激活所有四个从SPI装置41以从MOSI数据线54读取数据，但仅激活第二从电路4b的输出开关43。因此，对于该帧，只有第二从电路4b的从SPI装置41能够在MISO信号线55上传送诊断数据。

上述过程可以重复另外的周期，以从第三和第四从电路4c和4d获得诊断数据。

利用上述布置，所有从SPI装置41可由此在单个帧中被刷新，尽管主SPI装置31将在每个刷新周期中仅从从装置之一接收诊断数据。然而，诊断数据通常不太重要，因为外围装置通常将能够自主地维持其操作，且因此容许其反馈速率的减小，只要其可被定期刷新即可。

重要的是，利用图2所示的布置，可以在不发生轮询操作的帧中，例如在图3所示的帧62和63中，实现传统的SPI数据传送过程。

在这方面，图4示出了图2所示系统的操作流程图。对于每个SPI帧，在步骤71中，决定是实现对各个从电路的命令还是轮询整个组。

当选择轮询操作来刷新从电路4a-4d时，这如上所述进行，其中在步骤72中将低态有效轮询信号施加到轮询信号线51，并且在步骤73中将低态有效CS信号施加到CS信号线56之一。在步骤74中，这使得从电路4a-4d的所有从SPI装置芯片被刷新并生成输出信号。然而，只有由CS信号选择的从电路4a-4d被传送回主电路3。然后可以在步骤75和76中将CS信号线56和轮询信号线51设置回逻辑低状态，以结束SPI帧。

当系统单独地命令特定的从电路时，例如为了实现配置操作，在步骤82中不将轮询信号施加到轮询信号线51。在步骤83中，将低态有效CS信号施加到CS信号线56a-56d之一。在步骤84中，这然后使所选择的从电路4a-4d的从SPI装置芯片从MOSI信号线54读取数据并在MISO信号线55上生成输出信号。当相关联的输出开关43被激活时，来自从SPI装置41的MOSI信号被传送回主电路3。然后可以在步骤85中将CS信号线56设置回逻辑低状态以结束SPI帧。应了解，可通过在其相应CS信号线中生成CS信号来激活不同从电路。

图5和图6分别示出了根据第二实施方式的SPI总线信号的示意图。该实施方式以与第一实施方式基本相同的方式操作，其中相同的附图标记用于对应的特征。然而，在该实施方式中，轮询信号端子POLLING_GP_1不是设置在主SPI装置31上，而是连同第二轮询信号端子POLLING_GP_n一起设置在解复用器32上。基于解复用在地址信号线52上传送的CS地址信号，独立地激活第一和第二轮询信号端子。第一轮询信号端子POLLING_GP_1用于通过第一轮询信号线51a作为第一组从装置同时轮询从电路4a-4c。第二轮询信号端子POLLING_GP_n用于通过第二轮询信号线51b轮询从电路4d。应当理解，在其他实施方式中，可以在第二轮询组中包括另外的从电路，或者可以通过设置另外的轮询信号端子来设置另外的轮询组。

如图6所示，图5所示的系统可以以与第一实施方式相同的方式操作，其中轮询信号的生成被用于同时刷新共享公共轮询信号线56a-56b的所有从电路，每个周期仅选择一个从电路以将数据返回到主SPI装置31。这样，在该实施方式中，包括三个从电路4a-4c的第一组或者仅包括从电路4d的第二组可以通过对它们各自的轮询信号端子进行寻址来分别刷新。这由此可以允许以不同的速率刷新不同的从SPI装置41。

在该实施方式中，在主SPI总线上的地址端子处生成的地址信号与地址信号的最高有效位多路复用，所述最高有效位用于发起轮询信号且通过激活相应轮询信号端子来指定将轮询哪组从电路。地址信号的最低有效位用于指定将激活哪个CS信号端子。可以理解，也可以使用其它多路复用协议。

图7示出了根据第三实施方式的系统的示意图。该实施方式以与第二实施方式基本相同的方式操作，其中相同的附图标记用于对应的特征。然而，在该实施方式中，设置了五个从装置4a-4e，并且主SPI装置31上的单个轮询信号端子用于经由附加的AND和OR门的组合来生成第一和第二轮询信号。

关于这一点，主电路31还包括用于生成第一和第二轮询信号的第一和第二OR门34a、34b。各OR门34a、34b经由轮询输入端51i以及对应于它们的组中的从电路4a-4e的所有相应CS信号线56a-56e连接到主SPI装置31的轮询信号端子。为了便于包括从电路4a-4c的第一轮询组，轮询AND门33a连接到CS信号线56a-56c中的每一个。这样，如果在任何CS信号线56a-56c上施加低态有效信号，则低态有效信号从轮询AND门33a输出，并馈送到OR门34a。类似地，第二轮询组包含第四和第五从电路4d-4e，并且因此其轮询AND门33b连接到CS信号线56d-56e中的每一个。同样，如果在任一CS信号线56d-56e上施加低态有效信号，则低态有效信号从其轮询AND门33b输出，并馈送到相应的OR门34b。

利用上述布置，当轮询输入端51i或它们各自的CS信号线56a-56d保持为高(逻辑低)时，第一OR门34a和第二OR门34b保持为高(逻辑低)信号。然而，如果由轮询输入端51i和用于第一轮询组的CS信号线56a-56c之一(第一OR门34a)或用于第二轮询组的CS信号线56d-56e之一(第二OR门34b)两者施加低态有效信号，则由相应的OR门34a、34b输出低态有效轮询信号以激活相应组中的所有从SPI装置41，如第二实施方式那样。图8示出了概括图7所示系统的操作的逻辑表。还应当理解，其它实施方式可以在轮询组中的任一个以及其它轮询组中包括其它从电路。

图9示出了在每个从电路处的连接和集成逻辑装置。右手侧示出了到每个从SPI装置41的输入。如图所示，AND门42输出到从SPI装置41的CS端子(CSn\_slave)并接收来自相应CS信号线56(CS1\_μC)以及相应组的轮询信号线51的输入。在实施方式中，可以使用漏极开路74hc09集成电路来实现AND门。MOSI信号线54和时钟信号线53连接在主SPI装置31和从SPI装置41上的各个端子之间。输出开关43设置在MISO信号线55中，并由相应的CS信号线56切换。在实施方式中，输出开关43可以使用74hc125集成电路来实现。

应当理解，实施方式可以使用AND门42和输出开关43的分立实现，而不是利用集成电路。例如，图10示出了用于控制两个从SPI装置41的激活的两个AND门42的说明性分立实现。

应当理解，上述布置允许在单个SPI帧内快速轮询多个从SPI装置，从而允许重置它们的监视计时器以防止无意的超时。这样，将SPI帧用于刷新周期最小化，释放SPI总线上的时间用于其它操作。同时，所述布置可允许使用标准SPI集成电路，因为其不需要修改SPI时钟信号或显著的额外CS控制信号，或使用非标准软件。因此，由于可以使用现成的部件，所以这使得成本最小化。

应当理解，上述实施方式仅出于说明的目的而示出了应用。实际上，实施方式可以应用于许多不同的布置，详细的实施方式对于本领域技术人员来说是易于实现的。

关于这一点，例如，应当理解，虽然在上述实施方式中CS信号端子被设置在解复用器上，但是在其他实施方式中，不需要解复用器。例如，CS信号端子可以并入主SPI装置中。

此外，上述说明性示例描述了允许组中的所有从装置在同一SPI命令帧中被激活以便刷新它们的监视器的布置。然而，应当理解，该布置也可以用于命令。也就是说，可以在相同的命令帧中打开和指示整个从装置组，从而允许那些装置同时从主装置接收命令。这可以使用图4所示的组命令步骤72-76来实现。