使用UART和单线协议的方法和系统与流程

使用uart和单线协议的方法和系统


背景技术：

1.本说明书总体上涉及数据通信，并且更具体地涉及使用uart和单线通信协议的方法和系统。
2.单线是一种串行通信协议，其使用单线传输数字信息(比特)。该协议允许主机设备和一个或更多个从属设备(例如，外围设备)一次仅在一个方向上传输数字信息(半双工)。主机设备和从属设备可以是发射机和接收机。主机设备发起并控制单线操作。单线协议使用cmos/ttl逻辑并在宽的电源电压范围内工作。
3.通过单根线串行传输数字信息比通过多根线并行传输成本更低，因为串行传输只需要一个引脚数，而并行传输需要更高的引脚数。然而，一些单线协议需要输入/输出(i/o)位触发软件，其必须被配置为读取和写入输入并处理定时。此外，一些单线协议的数据传输速率通常局限于120kbps的最大速率，这取决于电缆/迹线长度。
4.为了提高数据速率，通用异步接收机-发射机(uart)单线通信协议在半双工模式中用于各种硬件设备中。在uart协议中，数据格式和传输速度是可配置的。uart设备不能直接在不同设备之间产生或接收外部信号。独立的接口电路(例如驱动器电路)被用于转换去到或来自外部设备的uart的逻辑电平信号。uart主机设备获取多个字节的数据，并使用驱动器电路按顺序发射各个比特。在目的地处，从属uart设备使用驱动器电路接收这些比特，并将这些比特重新组装成完整的字节。与常规的或传统的单线协议只允许在每个时隙(例如，120微秒)传输单个比特不同，uart协议允许在每个时隙传输8个比特。由于uart的速度更快，各种硬件设备(如微控制器)都被配置为使用uart协议进行通信。然而，由于许多传统的从属设备被配置为仅以常规的单线协议进行操作，因此许多系统同时具有常规的单线兼容设备和耦合到uart主机设备的uart兼容设备。


技术实现要素：

5.该说明书的各个方面涉及使用单线通信协议和通用异步接收机-发射机(uart)通信协议进行数据通信的方法和系统。在一方面，一种方法包括由第一设备接收复位脉冲。该方法进一步包括：如果复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议操作第一设备。该方法还包括：如果复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议操作第一设备。该方法还包括：如果复位脉冲的宽度在240微秒和480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机(uart)协议操作第一设备。该方法还包括响应于复位脉冲，由第一设备发射应答。该方法还包括响应于来自第一设备的应答，由第二设备发射数据。该方法还包括响应于复位脉冲，使第一设备与第二设备同步。
6.在该说明书的另一方面，一种在主机设备与一个或更多个从属设备之间进行通信的方法包括由主机设备发射复位脉冲，并且由从属设备接收复位脉冲。该方法进一步包括确定复位脉冲的宽度。该方法还包括：如果复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议操作从属设备。该方法还包括：如果复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议操作从属设备。该方法还包括：如果复位脉冲的宽度在240微秒和
480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机(uart)协议操作从属设备。该方法还包括响应于复位脉冲，由从属设备发射应答。
7.在该说明书的另一方面，一种数据通信系统包括主机设备，该主机设备被配置为通过发射端子提供复位脉冲并在接收端子处接收应答。该系统进一步包括从属设备，该从属设备被配置为在输入/输出(i/o)端子处接收复位脉冲并通过i/o端子提供应答。该从属设备包括耦合到地的第二端子。该系统还包括nmos晶体管，该nmos晶体管具有耦合到i/o端子和发射端子的漏极端子并具有耦合到地的源极端子。该nmos晶体管包括栅极端子。该系统还包括上拉电阻器，该上拉电阻器耦合在漏极端子与电压源端子之间；并且该系统包括反相器，该反相器具有耦合到发射端子的输入端子并具有耦合到栅极端子的输出端子。该从属设备被配置为如果复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议进行操作，并且被配置为如果复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议进行操作，并且被配置为如果复位脉冲的宽度在240微秒和480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机(uart)协议进行操作。
8.在该说明书的另一方面，该nmos晶体管被配置为响应于复位脉冲为低电位而导通并将漏极端子驱动到地，并且该nmos晶体管被配置为响应于复位脉冲为高电位而关断并将漏极端子驱动到高电位。
9.在该说明书的另一方面，一种数据通信系统包括主机设备，该主机设备被配置为通过发射端子提供复位脉冲并在接收端子处接收应答。该系统进一步包括从属设备，该从属设备被配置为在输入/输出(i/o)端子处接收复位脉冲并通过i/o端子提供应答。该从属设备包括耦合到地的第二端子。该系统还包括pmos晶体管，该pmos晶体管具有耦合到所述i/o端子和发射端子的源极端子并具有耦合到地的漏极端子。该pmos晶体管包括栅极端子。该系统还包括上拉电阻器，该上拉电阻器耦合在源极端子与电压源端子之间；并且该系统包括反相器，该反相器具有耦合到发射端子的输入端子并具有耦合到栅极端子的输出端子。该从属设备被配置为如果复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议进行操作，并且被配置为如果复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议进行操作，并且被配置为如果复位脉冲的宽度在240微秒和480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机(uart)模式进行操作。
10.在该说明书的另一方面，该pmos晶体管被配置为响应于复位脉冲为低电位而关断并将漏极端子驱动到高电位，并且该pmos晶体管被配置为响应于复位脉冲为高电位而导通并将漏极端子驱动到地。
附图说明
11.图1示出了一些实施例中的数据通信系统。
12.图2至图6示出了波形的时序图。
13.图7是一些实施例中的方法的流程图。
具体实施方式
14.现在将详细地参考实施例，其示例在附图中说明，其中显示了一些但不是所有的实施例。事实上，这些概念可以以许多不同的形式体现出来，并且没有限制。相反，提供这些
描述是为了使该说明书满足适用的需求。
15.本说明书的各个方面都涉及使用单线通信协议和通用异步接收机-发射机(uart)通信协议进行数据通信的方法和系统。在一方面，所述方法和系统使主机设备和一个或更多个从属设备能够使用常规或传统的单线通信协议和通用异步接收机-发射机(uart)通信协议两者进行通信。根据主机设备传输数字信息(比特)时所使用的通信协议，从属设备在uart协议和常规或传统的单线协议之间进行选择。
16.图1示出了根据本说明书的示例的数据通信系统100。系统100包括具有发射端子108和接收端子112的主机设备104(也被称为主机104)。接收端子112耦合到单线总线110。例如，主机设备104可以是微控制器。系统100还包括具有耦合到单线总线110的输入/输出(i/o)端子120的从属设备116(也被称为外围设备116)。从属设备或外围设备116包括耦合到地的第二端子124。
17.继续参考图1，系统100包括具有耦合到总线110的第一端子134和耦合到地的第二端子138的晶体管130。晶体管130还包括耦合到反相器146的输出端子154的栅极端子142。反相器146包括耦合到主机104的发射端子108的输入端子150。系统100还包括耦合在总线110与电压源端子160之间的上拉电阻器r
pup
，该电压源端子160可以耦合到电压电源v
dd
。
18.在一个示例中，晶体管130是具有耦合到总线110的漏极端子(端子134)并具有耦合到地的源极端子(端子138)的nmos晶体管。在另一示例中，晶体管130是具有耦合到总线110的源极端子(端子134)并具有耦合到地的漏极端子(端子138)的pmos晶体管。
19.继续参考图1，在主机设备104与从属设备116之间的数据传输是具有数据读和数据写的面向比特操作。主机设备104发起并控制四种基本操作：(1)复位；(2)写比特0
–
发送比特0至从属设备；(3)写比特1
–
发送比特1至从属设备；以及(4)读比特
–
从从属设备读出一个比特。大多数单线设备支持两种数据速率：大约15kbp的标准速度以及大约70kbp或更高的超速速度。当主机设备104驱动所定义的复位脉冲时，通信序列开始。从属设备116用应答脉冲来响应复位脉冲，并与主机设备116同步。
20.复位脉冲：为了将复位脉冲发送到从属设备116，总线110被驱动到低电位并延迟480微秒。然后总线110被释放并延迟70微秒。
21.写比特0：为了将比特0发送到从属设备116，总线110被驱动到低电位并延迟60微秒。然后总线110被释放并延迟多达120微秒。
22.写比特1：为了将比特1发送到从属设备116，总线110被驱动到低电位并延迟6微秒。然后总线110被释放并延迟多达120微秒。
23.读比特：为了从从属设备116读取一个比特，总线110被驱动到低电位并延迟6微秒。然后总线110被释放并延迟多达120微秒。图2示出了复位脉冲204、写比特9(208)、写比特1(212)和读比特(216)的时序图。
24.图3示出了示例性时隙304和在时隙304中传输的比特的时序图。时隙304被划分为8个采样窗口d0-d7，这些采样窗口可被主机设备和从属设备用于对比特进行采样。在常规或传统的单线协议下，在时隙304中发送单个比特，但在uart协议下，在时隙304中发送8个比特。在脉冲308中，主机设备在样本窗口d0-d7中发送由从属设备在样本窗口d3中采样的比特1(主机写-1)，并且在脉冲312中，主机设备在样本窗口d0-d7中发送由从属设备在样本窗口d3中采样的比特0(主机写-0)。在脉冲316中，主机设备接收在样本窗口d3中采样的比
特1(主机读-1)，并且在脉冲320中，主机设备接收在样本窗口d3中采样的比特0(主机读-0)。虽然在图3的示例中由主机设备和从属设备在样本窗口d3中对比特进行采样，但可以使用样本窗口d0-d7中的任一个来对比特进行采样。接收设备根据信号处于低电位的时间百分比将发射信号编码为逻辑0(比特0)或逻辑1(比特1)。例如，在给定的时隙中，如果发射信号在至少90％的持续时间内为低电位，则该信号被编码为逻辑0(比特0)，并且如果发射信号在10％或更少的持续时间内为低电位，则该信号被编码为逻辑1(比特1)。
25.图4示出了写入和读取操作中的脉冲序列的时序图。当主机设备104通过单线总线发送复位脉冲404a，然后是来自从属设备116的应答404b时，写入操作开始。然后主机设备104发送由从属设备116在样本窗口404d中采样的比特1 404c。然后主机设备104通过总线发送由从属设备116在样本窗口404f中采样的比特0 404e。通过复位脉冲408a以及随后来自从属设备116的应答408b，开始读取操作。从属设备116发送由主机设备104在样本窗口408d中采样的比特1 408c。然后从属设备116发送由主机设备104在采样窗口408f中采样的比特0 408e。
26.如上所述，常规的单线协议只允许在每个时隙中传输一个比特，但是uart协议允许在一个时隙中传输8个比特。本说明书的实施例使诸如系统100的系统能够在依赖于相同的硬件接口的常规单线或uart协议之间进行切换。因此，主机设备104可以使用传统的单线协议或使用uart协议通过总线112发送比特。从属设备116识别通信协议并在传统的单线协议或uart协议之间进行切换。
27.根据本说明书的示例，复位脉冲的宽度被用于确定是以常规单线协议还是uart协议进行操作。此外，复位脉冲的宽度被用于设置单线协议的速度(标准速度或超速速度)。
28.在一个示例中，从属设备116中的复位脉冲检测器118测量复位脉冲的宽度。如果复位脉冲的宽度在480微秒至640微秒之间，则从属设备按照标准速度单线协议进行操作。如果复位脉冲的宽度在48微秒至80微秒之间，则从属设备按照超速单线协议进行操作。
29.图5显示了根据一个示例的标准速度和超速单线协议中的波形的时序图。对于标准速度单线协议，主机设备发送具有在480微秒至640微秒之间的宽度的复位脉冲504a，然后是来自从属设备的应答504b。从属设备切换到标准速度单线协议。主机设备执行两次写操作：发送比特1(504c)，然后发送比特0(504d)。然后，主机设备执行两次写操作：接收比特1(504e)，然后接收比特0(504f)。
30.对于超速单线协议，主机设备发送具有在48微秒至80微秒之间的宽度的复位脉冲508a，然后是来自从属设备的应答508b。从属设备切换到超速单线协议。主机设备执行两次写操作：发送比特1(508c)，然后发送比特0(508d)。然后，主机设备执行两次写操作：接收比特1(508e)，然后接收比特0(508f)。
31.图6显示了uart协议中的波形的时序图。对于uart协议，主机设备发送具有在240微秒至480微秒之间的宽度的复位脉冲604a并且接收可选的警报或响应604b。然后主机设备发送波特率训练模式(baud rate training pattern)604c，以使从属设备能够使其内部时钟对齐(即同步)以解码uart帧。然后主机设备发送主机命令或数据604d。然后主机设备从从属设备接收数据604e。
32.图7是根据一个示例的方法的流程图700。在框704中，主机设备104通过总线112发送复位脉冲。从属设备116接收复位脉冲并且在框708中确定复位脉冲的宽度是否小于80微
秒。如果复位脉冲的宽度小于80微秒，则在框712中从属设备116切换到超速单线协议，并且在框716中从属设备116接收由主机设备发送的命令和数据。
33.如果在框708中从属设备116确定复位脉冲的宽度不小于80微秒，则流程移动到框720，在此处从属设备116确定复位脉冲的宽度是否大于480微秒。如果复位脉冲的宽度大于480微秒，则在框724中从属设备116切换到标准速度单线协议。如果复位脉冲的宽度不大于480微秒，则在框728中从属设备116切换到uart协议模式。流程移动到框716，在此处由从属设备116接收命令和数据。
34.因此，只有当复位脉冲的宽度在240微秒到480微秒之间时，从属设备116才以uart模式进行操作。由于用于标准速度单线协议的复位脉冲的宽度是在480微秒至640微秒之间并且用于超速单线协议的复位脉冲的宽度是在48微秒至80微秒之间，在240-480微秒范围内的脉冲宽度被保留用于uart模式，因此允许从属设备116认识到主机设备104打算以uart协议进行通信。
35.参考图1，现在将描述系统100的操作。例如，考虑晶体管130是nmos晶体管的情况。为了执行写0操作，主机设备104将发射端子108驱动到低电位，这导致反相器146的输出154被驱动到高电位。耦合到输出154的栅极端子142也被驱动到高电位，导致nmos晶体管导通并提供导电路径。结果，漏极端子134被驱动到低电位，导致总线112也被驱动到低电位。因此，比特0出现在i/o端子120处。
36.为了执行写1操作，主机设备104将发射端子108驱动到高电位，这导致反相器146的输出154被驱动到低电位。因此，耦合到输出154的栅极端子142也被驱动到低电位，导致nmos晶体管关断。结果，漏极端子134被驱动到高电位，导致总线112也被驱动到高电位。因此，比特1出现在从属设备116的i/o端子120处。
37.为了执行读0操作，从属设备116将i/o端子116驱动到低电位，导致总线112被驱动到低电位。因此，比特0出现在接收端子112处。当i/o端子120被驱动到低电位时，形成从电压电源v
dd
到i/o端子的低电阻路径，导致电流从电压电源v
dd
流到i/o端子120。然而，上拉电阻器r
pup
限制电流从电压电源v
dd
流到i/o端子120。
38.为了执行读1操作，从属设备116将i/o端子116驱动到高电位，导致总线112被驱动到高电位。因此，比特1出现在接收端子112处。
39.例如，考虑晶体管130是pmos晶体管的情况。为了执行写0操作，主机设备104将发射端子108驱动到高电位，这导致反相器146的输出154被驱动到低电位。耦合到反相器146的输出的栅极端子142也被驱动到低电位，导致pmos晶体管导通且源极端子134被驱动到低电位。结果，总线112被驱动到低电位。因此，比特0出现在i/o端子120处。
40.为了执行写1操作，主机设备104将发射端子108驱动到低电位，这导致反相器146的输出154被驱动到高电位。因此，耦合到输出154的栅极端子142也被驱动到高电位，导致pmos晶体管关断。结果，源极端子134被驱动到高电位，导致总线112被驱动到高电位。因此比特1出现在i/o端子120处。为了读取比特0，从属设备116将i/o端子120驱动到低电位，导致总线112被驱动到低电位。因此，比特0出现在接收端子112处。为了读取比特1，从属设备116将i/o端子120驱动到高电位，导致总线112被驱动到高电位。因此，比特1出现在接收端子112处。
41.已经在上面以其功能的一般术语对各种说明性部件、块、模块、电路和步骤进行描
述。这些功能是作为硬件还是软件来实现取决于特定的应用和施加在整个系统上的设计约束。对于每种特定的应用，所描述的功能可以以不同的方式实现，并且这种实现决策不会导致偏离本说明书的范围。
42.为了简单和清晰起见，在此没有描绘或描述适用于本说明书的所有系统的完整结构和操作。相反，只描绘和描述了对本说明书来说独特的系统，或者理解本说明书所必需的系统。

技术特征：
1.一种方法，其包括：由第一设备接收复位脉冲；如果所述复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议操作所述第一设备；如果所述复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议操作所述第一设备；以及如果所述复位脉冲的宽度在240微秒和480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机协议即uart协议操作所述第一设备。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述复位脉冲由第二设备发射。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二设备是主机设备。4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一设备是从属设备。5.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括响应于所述复位脉冲，由所述第一设备发射应答。6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括响应于来自所述第一设备的所述应答，由所述第二设备发射数据。7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括响应于所述复位脉冲，使所述第一设备与主机设备同步。8.一种在主机设备与一个或更多个从属设备之间进行通信的方法，所述方法包括：由所述主机设备发射复位脉冲；由从属设备接收所述复位脉冲；确定所述复位脉冲的宽度；如果所述复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议操作所述从属设备；如果所述复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议操作所述从属设备；如果所述复位脉冲的宽度在240微秒和480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机协议即uart协议操作所述从属设备；以及响应于所述复位脉冲，由所述从属设备发射应答。9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括响应于所述复位脉冲，使所述从属设备与所述主机设备同步。10.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括响应于来自所述第一设备的所述应答，由所述第二设备发射数据。11.一种数据通信系统，其包括：主机设备，其被配置为通过发射端子提供复位脉冲并在接收端子处接收应答；从属设备，其被配置为在输入/输出端子即i/o端子处接收所述复位脉冲并通过所述i/o端子提供所述应答，所述从属设备具有耦合到地的第二端子；nmos晶体管，其具有耦合到所述i/o端子和所述发射端子的漏极端子并具有耦合到地的源极端子，所述nmos晶体管具有栅极端子；上拉电阻器，其耦合在所述漏极端子与电压源端子之间；
反相器，其具有耦合到所述发射端子的输入端子并具有耦合到所述栅极端子的输出端子，其中所述从属设备被配置为如果所述复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议进行操作，并且其中所述从属设备被配置为如果所述复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议进行操作，并且其中所述从属设备被配置为如果所述复位脉冲的宽度在240微秒和480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机协议即uart协议进行操作。12.根据权利要求11所述的数据通信系统，其中所述nmos晶体管被配置为响应于所述复位脉冲为低电位而导通并将所述漏极端子驱动到地。13.根据权利要求11所述的数据通信系统，其中所述nmos晶体管被配置为响应于所述复位脉冲为高电位而关断并将所述漏极端子驱动到高电位。14.根据权利要求11所述的数据通信系统，其中所述主机设备是微控制器。15.根据权利要求11所述的数据通信系统，其中所述从属设备被配置为响应于所述复位脉冲而与所述主机设备同步。16.根据权利要求11所述的数据通信系统，其中所述主机设备被配置为响应于来自所述从属设备的所述应答而发射数据。17.根据权利要求11所述的数据通信系统，其中所述接收端子耦合到所述i/o端子。18.根据权利要求11所述的数据通信系统，其中所述从属设备是外围设备。19.一种数据通信系统，其包括：主机设备，其被配置为通过发射端子提供复位脉冲并在接收端子处接收应答；从属设备，其被配置为在输入/输出端子即i/o端子处接收所述复位脉冲并通过所述i/o端子提供所述应答，所述从属设备具有耦合到地的第二端子；pmos晶体管，其具有耦合到所述i/o端子和所述发射端子的源极端子并具有耦合到地的漏极端子，所述pmos晶体管具有栅极端子；上拉电阻器，其耦合在所述源极端子与电压源端子之间；反相器，其具有耦合到所述发射端子的输入端子并具有耦合到所述栅极端子的输出端子，其中所述从属设备被配置为如果所述复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议进行操作，并且其中所述从属设备被配置为如果所述复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议进行操作，并且其中所述从属设备被配置为如果所述复位脉冲的宽度在240微秒和480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机模式即uart模式进行操作。20.根据权利要求19所述的数据通信系统，其中所述pmos晶体管被配置为响应于所述复位脉冲为低电位而关断并将所述漏极端子驱动到高电位。21.根据权利要求19所述的数据通信系统，其中所述pmos晶体管被配置为响应于所述复位脉冲为高电位而导通并将所述漏极端子驱动到地。22.根据权利要求19所述的数据通信系统，其中所述主机设备是微控制器。23.根据权利要求19所述的数据通信系统，其中所述从属设备被配置为响应于所述复位脉冲而与所述主机设备同步。
24.根据权利要求19所述的数据通信系统，其中所述主机设备被配置为响应于来自所述从属设备的所述应答而发射数据。25.根据权利要求19所述的数据通信系统，其中所述从属设备是外围设备。

技术总结
本申请公开了用于使用单线通信协议和通用异步接收机-发射机(UART)通信协议的数据通信的方法和系统(100)。该方法包括由第一设备(116)接收复位脉冲。该方法包括：如果复位脉冲的宽度在480微秒和640微秒之间，则以标准速度单线协议操作第一设备。该方法包括：如果复位脉冲的宽度在48微秒和80微秒之间，则以超速单线协议操作第一设备。该方法包括：如果复位脉冲的宽度在240微秒和480微秒之间，则以通用异步接收机-发射机(UART)协议操作第一设备。该方法包括响应于复位脉冲(116)，由第一设备发射应答。该方法包括响应于复位脉冲，使第一设备(116)与主机设备同步。备(116)与主机设备同步。备(116)与主机设备同步。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：德克萨斯仪器股份有限公司
技术研发日：2021.11.23
技术公布日：2023/7/25