CN112579490A - 一种可编程电子积木连接总线 - Google Patents

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张博
李平
王曙红
任志鹏
李炎钧
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Abstract

本发明属于可编程电子积木连接应用领域。一种可编程电子积木连接总线，该电子积木连接总线由电源线、地线、***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线构成，***处理器通过***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线构成的***总线连接多个电子积木，***处理器给每一个电子积木定义一组独立的地址，该地址存储于电子积木内部可编程逻辑器件上，采用消息传递机制，***处理器通过***处理器发送数据线将数据传输至***总线上的所有电子积木。

Description

一种可编程电子积木连接总线
技术领域
本发明一种可编程电子积木连接总线，属于可编程电子积木连接应用领域。
背景技术
电子积木是将电子元器件固定在积木模块上，利用拼积木方式将多个电子积木相互连接组成电子***。可编程电子积木已广泛应用于青少年创客编程活动中，电子积木与主控板连接，用户通过编程软件利用主控板控制电子积木或采集电子积木传输的数据。目前电子积木基本采用直连方式与主控板相连，***设计中，每增加一个电子积木，将占用更多的控制器IO端口，由于主控板处理器IO端口数量有限，***中可连接的电子积木数量受到限制，且目前电子积木接口不统一，用户使用时需要查看接口定义，使用连接线与主控板相连，占用大量时间，且如果连接不当还会损坏***电路板，带来安全隐患。中国专利CN107583288A设计了一种I2C接口的电子积木，电子积木与控制器采用I2C通信方式进行通信，I2C通信方式为半双工通信，数据传输效率不高。
发明内容
本发明为了实现可编程电子积木接口统一，***主控板连接的电子积木数量易于扩展，减少占用主控板处理器的IO端口，提高电子积木数据传输效率，设计一种可编程电子积木连接总线。
本发明采用的技术方案为：一种可编程电子积木连接总线，该电子积木连接总线由电源线、地线、***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线构成，***处理器通过***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线构成的***总线连接多个电子积木，***处理器给每一个电子积木定义一组独立的地址，该地址存储于电子积木内部可编程逻辑器件上，采用消息传递机制，***处理器通过***处理器发送数据线将数据传输至***总线上的所有电子积木，各电子积木接收***处理器发送的数据，根据数据中目的地址信息判断是否接收该数据，各电子积木通过***处理器接收数据线将传输至***处理器，***处理器根据数据中的源地址判断发送数据的电子积木信息，每个电子积木发送数据前，先检测状态线当前状态，如果状态线处于空闲状态，则占用***处理器接收总线将数据传输至处理器，同时将状态线设置为工作状态，如果状态线处于工作状态，则延迟一个随机时间后重新检测状态线工作状态。
每个电子积木由电子积木总线接口电路和电子元器件组成，每个电子积木总线接口电路由接口控制器模块、数据接收缓存、数据发送缓存、数据格式转换模块组成，接口控制器模块接收***处理器发送数据线发送的数据并通过数据格式转换模块转换成电子元器件的数据传输格式发送给电子元器件，同时将电子元器件的数据传输格式数据存储在数据接收缓存中，电子元器件将电子元器件的数据传输格式数据通过数据格式转换模块转换成***处理器的数据传输格式数据存储在数据发送缓存中，同时将***处理器的数据传输格式数据通过***处理器接收数据线发送给***处理器。
本发明的有益效果是：解决了可编程电子积木接口不统一、电子积木数量增加时占用处理器大量IO端口、电子积木不能并行工作的问题。统一了电子积木硬件接口，硬件连接方便，采用总线连接方式，电子积木连接数量不受限制，且多个电子积木可同时工作，提高数据传输效率。
附图说明
图1为可编程电子积木总线及其应用***结构；
图2为主控板处理器发送数据帧格式；
图3为电子积木发送控制帧格式；
图4为电子积木发送数据帧格式；
图5为主控板处理器发送广播帧格式；
图6为电子积木总线接口内部结构。
具体实施方式
设计可编程电子积木统一硬件接口，包括电源线、地线、***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线等，***总线由***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线组成，主控板处理器通过***总线与各电子积木互联，电子积木通过统一硬件接口连接到***总线，如图1所示。每个电子积木分配一组独立的地址，主控板处理器通过***处理器发送数据线将数据帧发送到所有电子积木，数据帧由帧类型、目的地址、数据、校验组成，如图2所示，各电子积木接收数据后，判断数据帧中的目的地址是否与本模块分配地址相同，如相同则接收数据，否则丢弃该帧数据。接收数据的电子积木对数据进行校验，如校验正确则完成本次数据传输，如校验错误，则该电子积木向主控板处理器发送控制帧，控制帧格式由帧类型、源地址、校验组成，如图3所示，主控板处理器接收到控制帧后重传本次数据。
各电子积木共用***处理器接收数据线将数据传输至主控板处理器，电子积木发送数据由帧类型、源地址、数据、校验组成，如图4所示。电子积木发送数据前，检测状态线状态，若状态线处于空闲状态，则该电子积木占用***处理器接收数据线发送数据，同时将状态线设置为工作状态，数据传输结束后，将状态线设置为空闲状态，电子积木发送数据前如果检测到状态线处于工作状态，则延迟一个随机时间后，重新检测状态线状态，直至状态线处于空闲状态时，占用***处理器接收数据线发送数据。主控板处理器接收到电子积木发送的数据后，进行校验，如校验正确，则结束本次数据传输，如校验错误，则处理器发送广播帧至处理器发送数据线，广播帧由帧类型、错误类型、校验组成，如图5所示，上述电子积木接收到广播帧后重传本次数据。
电子积木由电子积木总线接口和电子元器件组成，电子积木总线接口由接口控制器模块、数据接收缓存、数据发送缓存、数据格式转换模块组成，如图6所示。电子积木总线接口接收***处理器发送的数据，由接口控制器模块对数据帧中的目的地址进行判断，如与当前电子积木地址相同，则将接收数据写入数据接收缓存，由数据格式转换模块将接收缓存中的数据转换成电子元器件需要的数据格式，并发送给电子元器件。数据格式转换模块接收电子元器件发送的数据并转换成电子积木连接总线定义的数据格式，转换后的数据写入到电子积木总线接口的数据发送缓存，电子积木总线接口控制器检测***状态线，如处于空闲状态，则接口控制器模块从数据发送缓存中读取数据通过***处理器接收数据线发送给主控板处理器。
本发明设计的可编程电子积木连接总线由电源、地线、***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线等5根线组成，上述5根线与***主控板相连，其中***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线与主控板的处理器相连，构成***总线，状态线由外部上拉电阻拉高，硬件接口采用防反插接口设计。可编程电子积木通过总线接口连接到***总线，***总线上可连接的电子积木数量与数据帧中的地址字段的数据位数有关，如地址字段数据位数为8bit,则该总线最多可连接256个电子积木。***总线中的处理器发送数据线与电子积木的数据接收端口相连接，***总线中的***处理器接收数据线与电子积木的数据发送端口相连接，***总线中的状态线与电子积木的总线状态检测端口相连接。
主控板处理器通过处理器发送数据线将数据传输至总线上的所有电子积木，每个电子积木分配了地址，处理器发送数据帧由帧类型、目的地址、数据、校验组成，其中帧类型定义为0x01，目的地址长度定义为8bit,采用CRC-8校验算法，长度为8bit。总线上的电子积木均接收主控板处理器发送的数据，接收数据后判断数据帧中的目的地址是否与本节点分配的地址相同，如不同则丢弃该帧数据，如相同则继续接收数据，数据接收完成后，对接收数据进行CRC校验，如校验结果正确，则结束本次数据传输，如校验结果错误，则该电子积木向主控板处理器发送控制帧，控制帧格式如图3所示，其中帧类型定义为0x02，源地址为本模块节点地址，长度为8bit，采用CRC-8校验算法，长度为8bit，主控板处理器接收到控制帧后重传本次传输数据。
可编程电子积木由电子积木总线接口电路和电子元器件组成，电子积木总线接口电路采用VHDL或Verilog HDL硬件描述语言设计，使用可编程逻辑器件CPLD或FPGA实现，该接口电路由接口控制器模块、数据接收缓存、数据发送缓存、数据格式转换模块组成。接口控制器模块接收主控板处理器发送的数据，判断数据帧中的目的地址是否与本节点地址相同，将数据帧中的数据段数据写入数据接收缓存，并对接收数据进行CRC校验，如校验结果正确，则由数据格式转换模块将接收缓存中的数据转换成电子元器件需要的数据格式，传输给电子元器件。
***总线上的所有可编程电子积木共用***处理器接收数据线将数据传输至主控板处理器，各电子积木发送的数据帧由帧类型、源地址、数据、校验组成，其中帧类型定义为0x03，源地址为电子积木节点地址，长度为8bit，采用CRC-8校验算法，长度为8bit。电子积木总线接口电路内部的数据格式转换模块接收电子模块发送的数据，转换成***总线数据格式写入数据发送缓存，接口控制器模块检测***状态线，如为高电平，表明主控板***处理器接收数据线处于空闲状态，如为低电平，表明主控板***处理器接收数据线处于工作状态。当***状态线处于空闲状态时，接口控制器模块从数据发送缓存中读取数据通过***处理器接收数据线发送给主控板处理器，同时将状态线设置为低电平，数据传输完成后，接口控制器模块将***状态线设置为高阻态。主控板处理器接收到电子积木发送的数据帧后，进行校验，如校验正确，则结束本次数据传输，如校验错误，则处理器发送广播帧至处理器发送数据线，广播帧由帧类型、错误类型、校验组成，其中帧类型定义为0x04，错误类型定义为0x01，采用CRC-8校验算法，长度为8bit，上述电子积木接收到广播帧后重传本次数据。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种可编程电子积木连接总线，其特征在于：该电子积木连接总线由电源线、地线、***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线构成，***处理器通过***处理器发送数据线、***处理器接收数据线、状态线构成的***总线连接多个电子积木，***处理器给每一个电子积木定义一组独立的地址，该地址存储于电子积木内部可编程逻辑器件上，采用消息传递机制，***处理器通过***处理器发送数据线将数据传输至***总线上的所有电子积木，各电子积木接收***处理器发送的数据，根据数据中目的地址信息判断是否接收该数据，各电子积木通过***处理器接收数据线将传输至***处理器，***处理器根据数据中的源地址判断发送数据的电子积木信息，每个电子积木发送数据前，先检测状态线当前状态，如果状态线处于空闲状态，则占用***处理器接收总线将数据传输至处理器，同时将状态线设置为工作状态，如果状态线处于工作状态，则延迟一个随机时间后重新检测状态线工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种可编程电子积木连接总线，其特征在于：每个电子积木由电子积木总线接口电路和电子元器件组成，每个电子积木总线接口电路由接口控制器模块、数据接收缓存、数据发送缓存、数据格式转换模块组成，接口控制器模块接收***处理器发送数据线发送的数据并通过数据格式转换模块转换成电子元器件的数据传输格式发送给电子元器件，同时将电子元器件的数据传输格式数据存储在数据接收缓存中，电子元器件将电子元器件的数据传输格式数据通过数据格式转换模块转换成***处理器的数据传输格式数据存储在数据发送缓存中，同时将***处理器的数据传输格式数据通过***处理器接收数据线发送给***处理器。
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