AT14695U1 - Serielles Bussystem mit Koppelmodulen - Google Patents

Abstract

Serielles Bussystem mit mehreren daran angeschlossenen Busmodulen (2'-4'), wobei der Datenverkehr auf dem seriellen Bus (1) durch mindestens einen CPU-Busmaster (13) administrierbar ist, wobei die im seriellen Bus (1) angeschlossenen Busmodule (2'-4') in jeweils ein direkt am seriellen Bus (1) angeschlossenes Koppelmodul (7-10) und einem oder mehreren lediglich an das Koppelmodul (7-10) angeschlossenen einfachen Module (2-4) aufgeteilt sind.

Description

Beschreibung

SERIELLES BUSSYSTEM MIT KOPPELMODULEN

[0001] Die Erfindung betrifft ein serielles Bussystem mit Busmodulen nach dem Oberbegriff desPatentanspruches 1.

[0002] Ein serielles Bussystem mit direkt in den Bus integrierten Busmodulen beschreibt bei¬spielsweise die DE 101 48 470 A1.

[0003] Bei der seriellen Datenübertragung kommunizieren mehrere Busteilnehmer über eingemeinsames Übertragungsmedium. Damit jeder die Möglichkeit bekommt, seine Daten zuversenden und zu empfangen, sind Vereinbarungen notwendig, die den Zugriff auf das Über¬tragungsmedium reglementieren. Bei der seriellen Datenübertragung werden im Bereich derSensor/Aktorebene die unterschiedlichsten Buszugriffsverfahren, wie Master/Slave, CSMA/CD,Token Passing usw. eingesetzt.

[0004] Die unterschiedlichen Buszugriffsverfahren benutzen im Wesentlichen das nachrichten¬orientierte oder das E/A-orientierte Übertragungsverfahren. Bei den nachrichtenorientiertenÜbertragungsverfahren gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Übertragungsprotokollenund Schnittstellenimplementierungen.

[0005] Auch die einfachsten Sensoren und Aktoren kommunizieren mit Hilfe dieser Übertra¬gungsverfahren mit der überlagerten Steuerung. Die Busteilnehmer werden dabei über eingemeinsames Übertragungsmedium, z. B. eine Zwei-Draht-Leitung, miteinander verbunden.Dadurch wird der Verkabelungsaufwand erheblich reduziert, und Anlagenerweiterungen sindsehr einfach möglich. Neue Anlagenteile werden dann in die bestehende Verkabelung integriert,indem die vorhandene Busleitung aufgetrennt und der neue Anlagenteil zwischen den beidenTrennstellen angeschlossen wird. Es müssen keine neuen, zusätzlichen Kabel verlegt werden,da die Signale des neuen Anlagenteils mit über das bereits vorhandene Übertragungsmediumübertragen werden.

[0006] Bei der DE 101 48 470 A1 wird angenommen, dass in einem AutomatisierungssystemKomponenten mit einem modularen Baugruppenträger, in dem mehrere Baugruppen angeord¬net sind, eine Verbindung zu benachbarten Baugruppenträgern erbringen sollen.

[0007] Die DE 101 48 470 A1 sieht deshalb vor, dass mehrere Bussegmente vorhanden sind,wobei jedes Bussegment ein sternförmiges Buskopplungselement aufweist. Es finden sichjedoch keine Hinweise, wie das sternförmige Buskopplungssegment ausgebildet ist.

[0008] Die genannte Druckschrift vermag demnach nicht, eine intelligente und mechanischstabile Verbindung zu in einem Bus direkt eingebundenen Modulen (nachfolgend auch „Busmo-dule“ genannt) zu schaffen, bei denen eine Ringverbindung in eine Punkt-zu-Punkt-Verbindungübersetzt wird.

[0009] Unter dem Begriff „Busmodul“ wird ein Modul nach dem Stand der Technik verstanden,das eine komplexe Schaltungselektronik zur direkten Anschaltung an den seriellen Bus in Ver¬bindung mit den Eigenschaften eines „einfachen“ I/O oder Schalt-Moduls hat. Die Implementie¬rung der komplexen Schaltungselektronik im Busmodul zur direkten Anschaltung an den seriel¬len Bus ist jedoch in mehrfacher Hinsicht nachteilig.

[0010] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein serielles Bussystem mit Busmo¬dulen der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ein schneller Datendurchsatz durchden seriellen Bus unabhängig von der Anzahl der daran angeschlossenen Busmodule gegebenist, und dass bei Ausfall einzelner im Bus vorhandener Busmodule keine Störung der übrigenBusteilnehmer stattfindet. Ferner soll unabhängig von der Anzahl der Busmodule stets einemaximal mögliche Datenübertragungsrate gegeben sein.

[0011] Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre desAnspruches 1 gekennzeichnet.

[0012] Zur besseren Abgrenzung der Module nach dem Stand der Technik im Vergleich zu denerfindungsgemäßen Modulen, werden nachfolgend die in die Busstruktur direkt eingebundenenModule nach dem Stand der Technik als „Busmodule“ bezeichnet, während die Module nachder Erfindung zweigeteilt sind und in jeweils ein direkt in die Busstruktur eingebundenes Kop¬pelmodul und ein daran angeschlossenes „einfaches“ Standard-Modul aufgeteilt sind. Das„einfache“ Standard-Modul ist demnach nur indirekt über das Koppelmodul an die Busstrukturangeschlossen.

[0013] Merkmal der Erfindung ist demnach, dass in einem seriellen Bus, der von einem CPU-Busmaster verwaltet wird, nun nicht mehr einzelne komplexe Module (Busmodule) selbst imBus eingebunden sind, sondern stattdessen sogenannte Koppelmodule, welche lediglich inlogischer Hinsicht die daran angeschlossenen Standardmodule auf den Bus abbilden.

[0014] Damit ergibt sich gegenüber der DE 101 48 470 A1 der Vorteil, dass lediglich logischeAbbilder der am Bus angeschlossenen Standard-Module in den Koppelmodulen vorhanden sindund keine direkte Verschaltung der bekannten Busmodule mit dem seriellen Bus selbst stattfin¬det. Bei der genannten Druckschrift DE 101 48 470 A1 war hingegen eine Verschaltung dereinzelnen sternförmig angeschalteten Busmodule notwendig, was mit dem Nachteil eines ho¬hen Schaltungsaufwandes und erheblicher Störungen bei Ausfall von einigen Modulen behaftetwar.

[0015] Die Erfindung sieht deshalb vor, dass eine intelligente, mechanisch stabile Anschaltungvon Koppelmodulen an die Busstruktur vorgesehen ist. Nachdem die Module lediglich als Mo¬dulabbilder in der seriellen Busstruktur des seriellen Busses in Form der dort angeordnetenKoppelmodule angeordnet sind, ist eine Ringverbindung lediglich zwischen den Koppelmodulenvorhanden. Auf eine Ringverbindung zwischen einzelnen, direkt in der Ringstruktur eingebun¬denen, komplexen Busmodule kann deshalb verzichtet werden.

[0016] Es nehmen dann nur noch die Koppelmodule am Datenverkehr im seriellen Bus teil undnicht mehr die nun vereinfacht aufgebauten Standard-Module.

[0017] Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass nunmehr eine beliebige Anzahl von Standard-Modulen in die Busstruktur angeschaltet werden kann, ohne dass der Datenverkehr auf demseriellen Bus beeinträchtigt wird, weil lediglich die Koppelmodule im seriellen Bus angeschaltetsind und die Koppelmodule ihrerseits mit den einfachen Standard-Modulen verbunden sind.

[0018] Auf diese Weise wird ein schneller Datendurchsatz in der Busstruktur erreicht, und dergesamte Datenverkehr wird bei Ausfall eines Koppelmoduls nicht gestört, weil das Koppelmoduldann eine Durchschaltung veranlasst und die anderen Koppelmodule noch im seriellen Busverbleiben und dort arbeitsfähig sind.

[0019] Auch wenn einfache Module ausfallen, die vorher beim Stand der Technik in derRingstruktur enthalten waren, führt dies nach der Erfindung zu keiner Störung des seriellenBussystems, weil die Koppelmodule dann aufgrund ihrer eigenen Intelligenz einen Ausfall desdort angeschlossenen Moduls feststellen und dieses Modul aus dem Datenverkehr herausneh¬men.

[0020] Die Erfindung wird nachfolgend stichpunktartig aufgrund der angegebenen weiterenMerkmale erläutert: [0021] · Intelligente, mechanisch stabile Verbindung von Modulen • Ringverbindung (zwischen Koppelmodulen) auf Punkt-zu-Punkt- Verbindung (zuModulen) übersetzen • Auf Datenbasis flexiblen Anschluss von Modulen ermöglichen • Intelligenz „nahe“ an (an sich dummes) I/O-Modul bringen [0022] · Ringverbindung auf Punkt-zu-Punkt-Verbindung übersetzen • Störsicherheit - ein defektes Modul macht nicht alles kaputt • (Kurzer Ring) über Koppelmodule • Punkt-zu-Punkt-Verbindung ist „abgeschlossen“ • Keine Reflexionen, sauberes Layout • Mehr Datendurchsatz zum einzelnen Modul möglich • In Verbindung mit lokaler Intelligenz nutzbar • CPU nicht durch Datentransfer direkt zu den Modulen belastet • Macht eigenes FPGA / System on Chip [0023] · Auf Datenbasis flexiblen Anschluss von Modulen ermöglichen • Standard-Elektronik ohne Zusatzlogik anschließen • „I/O-Expander“ - SPI-Eingang übersetzt auf digitale Signale • „Speed Grades“ (Taktfrequenz des SPI-Busses) - bei Punkt-zu-Punkt- Verbindunggibt es sowohl langsame als auch schnelle Verbindungen • Langsam anfangen, mit „besseren“ Modulen, dann schneller • Kein fixes Protokoll • Konfigurierbarer Datentransfer, Daten können vom Modul abhängen • Datencontroller nimmt „Kommandos“ entgegen • Für Busschiene auf abstrakter Ebene halten - es können jegliche elektrischenBauelemente angeschlossen werden • Es sind alles „nur“ Daten • Austauschbare Feldbusprotokolle zu dem Koppelmodul [0024] · Auf Datenbasis flexiblen Anschluss von Modulen ermöglichen • Separate Kennung im Modul • „ID“-unabhängig vom Rest auslesen • Koppelmodul kennt keine „Modultypen“ • Konfigurationsvorschrift kommt vom Modul (und nicht von der CPU) • Jedes Modul bringt seine „Sprache“ und „Wörterbuch“ mit (Kommandos undVerknüpfung zu Daten) • Standardbauelemente anschließbar • Angeschlossene Elemente müssen nicht nach einem besonderen Standardfunktionieren • Nur zusätzliches „ID-Register“ mit der „Kommandobeschreibung“ [0025] · Intelligenz wird „nahe“ an I/O-Modul gebracht • Verschiedene I/O von verschiedenen Modulen mit Intelligenz beaufschlagen • Modul selbst kann dumm bleiben • Schnelles Reagieren der einzelnen Module, die an einem Koppelmodul ange¬schlossen sind (unterhalb Buszyklus) • Modul-Modul-Kommunikation • (Bevorzugt über die Linie Modul-Koppelmodul + Koppelmodul-Modul) • Autonomes Agieren aller Module an einem Koppelmodul („Notlauf) • Dezentrale Logik • Anwender-Applikation auf dem Koppelmodul (z. B. 61131) [0026] · Sonstige Eigenschaften • (z. B. USB-) Stecker für Diagnose auf dem Koppelmodul • Kühlung • „Intelligenz“ des Koppelmoduls ist näher an Baugruppenträger [0027] Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus demGegenstand der einzelnen Ansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen An¬sprüche untereinander.

[0028] Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben undMerkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden alserfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber demStand der Technik neu sind.

[0029] I m Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstel¬lenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschrei¬bung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

[0030] Es zeigen: [0031] Figur 1: schematisiert ein Blockschaltbild eines seriellen Busses nach dem Stand der

Technik [0032] Figur 2: ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisierter Darstellung [0033] Figur 3: ein gegenüber Figur 2 abgewandeltes zweites Ausführungsbeispiel [0034] Figur 4: eine detailliertere Darstellung des Koppelmoduls [0035] Figur 5: eine Darstellung als Blockschaltbild des Aufbaus nach Figur 4 [0036] Figur 6: die Anordnung einer Anzahl von Koppelmodulen an einem seriellen Bus in

Form eines Blockschaltbildes [0037] Figur 1 zeigt einen üblichen seriellen Bus 1 nach dem Stand der Technik, der zum Bei¬spiel als CAN-Bus, Profibus, Interbus-S, Profinet, Ethercat oder in der Art anderer bekannterserieller Busse ausgebildet ist.

[0038] Kennzeichen solcher serieller Busse ist, dass der Datentransfer in einem geschlossenenRing stattfindet und dass die in dem geschlossenen seriellen Bus angeordneten Busmodule 2’,3’, 4’ den gesamten Datendurchsatz erfahren. Damit besteht der Nachteil, dass die Anzahl derin einem solchen seriellen Bus anzuordnenden Module beschränkt ist, weil mit der Einschaltungjedes weiteren Moduls das zeitliche Verhalten im Bus nachteilig beeinflusst wird.

[0039] Ebenso bestehen Probleme, wenn ein Modul ausfällt, weil dann der Datenverkehr zuden anderen am Bus angeschlossenen Modulen gestört sein oder ganz ausfallen kann.

[0040] Die Erfindung ist im Übrigen nicht auf einen zum Stand der Technik gehörenden, in sichgeschlossenen seriellen Bus beschränkt, sondern sie verwendet auch offene Bussysteme, wiezum Beispiel den CAN-Bus, der jedoch ebenfalls als serieller Bus arbeitet.

[0041] Gemäß der Figur 1 besteht demnach der Nachteil, dass die Anzahl der in einem solchenseriellen Bus 1 aufzunehmenden Module beschränkt ist, dass mit der Hinzuschaltung von meh¬reren Modulen der Datenverkehr nachteilig beeinflusst wird, und dass bei Ausfall eines Modulsder Datenverkehr gestört wird oder sogar ausfällt.

[0042] Die Hinzuschaltung jedes einzelnen Moduls verändert auch das zeitliche Verhalten derim Bus eingeschalteten Module, wodurch es zu Synchronisationsproblemen kommen kann.Jedes Modul nach dem Stand der Technik muss das unter Umständen komplizierte Protokoll des seriellen Busses beherrschen, wodurch ein hoher Schaltungs- und Programmieraufwandentsteht.

[0043] Die Module sind deshalb schaltungstechnisch aufwendig, komplex zu programmierenund dementsprechend auch störungsanfällig.

[0044] Selbst wenn die Module einfache Schaltungsaufgaben ausführen sollen, müssen siekomplex aufgebaut sein, um mit ihrer internen Modulsteuerung den Datenverkehr auf demgesamten seriellen Bus zu beherrschen. Dementsprechend sind die Module auch kostenauf¬wendig.

[0045] Der Erfindung schlägt deshalb vor, ein serielles Bussystem der eingangs genannten Artso weiterzubilden, dass unabhängig von der Anzahl der im Bussystem angeordneten Modulestets ein gleichbleibender Datenverkehr gewährleistet wird, der unabhängig von der Anzahl dervorhandenen Module ist, und dass eine verbesserte Ausfallsicherheit bei verringerten Kostender einzuschaltenden Module gegeben ist.

[0046] Merkmal der Erfindung ist, dass nunmehr im seriellen Bussystem nicht mehr die (kom¬plexen) Busmodule selbst eingeschaltet sind, sondern lediglich Koppelmodule, welche die andie Koppelmodule angeschalteten (einfachen) Standard-Module logisch auf den Bus abbildenund dass nur die Koppelmodule in Verbindung mit dem Busmaster den Datenverkehr im seriel¬len Bussystem ausführen.

[0047] Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der Vorteil, dass eine gleichbleibendehohe Bandbreite des Datenverkehrs im seriellen Bus gewährleistet ist, denn es kommt nun nichtmehr darauf an, die an und für sich einfachen und teilweise auch „dummen“ Module selbst unterhohem Aufwand in das serielle Bussystem zu integrieren, sondern erfindungsgemäß sind nurnoch hochintelligente Koppelmodule in das Bus-System integriert, die den Datenverkehr mitden daran angeschlossenen Modulen selbst steuern und administrieren.

[0048] Damit besteht der Vorteil, dass auch bei Ausfall eines Koppelmoduls der Datenverkehrzu den anderen Koppelmodulen nicht gestört wird, denn das Koppelmodul enthält geeigneteNotlaufeigenschaften.

[0049] Ferner besteht der weitere Vorteil, dass auch bei Ausfall von einem oder mehreren andie Koppelmodule angeschlossenen Module der Datenverkehr im seriellen Bussystem nichtgestört wird, weil dann das Koppelmodul aufgrund seiner Intelligenz das angeschlossene, aus¬gefallene Modul stillsetzt oder den Datenverkehr mit anderen am Koppelmodul angeschlosse¬nen Modulen fortsetzt. Unter dem Begriff „Modul“ versteht die Erfindung sämtliche Ein- undAusgangsbausteine, die in der Lage sind, einen externen Datenverkehr, zum Beispiel zu einemanalogen Empfänger, einem Sensor oder dergleichen, zu verwirklichen, wobei ein solches„Modul“ vorzugsweise auf eine komplexe Bussteuer-Logik und eine eigene CPU verzichtet.

[0050] Ein solches Modul, welches zum Beispiel als I/O-Modul ausgebildet ist, hat eine Schnitt¬stelle zu einer äußeren Verschaltung. Und wenn ein solches I/O-Modul ausfällt, das heißt zumBeispiel durch Kurzschluss verbrennt, wäre beim Stand der Technik der vollständige Datenver¬kehr auf dem seriellen Bussystem unterbrochen, und das gesamte System würde unbrauchbar.

[0051] Hier setzt die Erfindung ein, die bei derartigen einfachen digitalen oder auch analogenModulen vorsieht, dass die (digitalen oder analogen) Module nunmehr nur indirekt an den seri¬ellen Bus angeschlossen werden, nämlich über die erfindungsgemäßen Koppelmodule.

[0052] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Koppelmodu¬le auch den Datenverkehr zwischen den einzelnen an das Koppelmodul angeschlossenenModulen administrieren, weil damit ein wesentlich geringerer Schaltungsaufwand entsteht alsvergleichsweise, wenn - wie beim Stand der Technik - die Module in eine komplexe serielleBusstruktur eingebunden sind.

[0053] Dies führt bei der Erfindung dazu, dass sehr einfache Module, die kostengünstig her¬stellbar sind, ohne großen Steuerungs- und Schaltungsaufwand an das jeweilige Koppelmodulangeschaltet werden und der Datenverkehr zwischen dem einfachen Modul und dem Koppel¬ modul bevorzugt über ein SPI-Bussystem oder ein anderes vergleichbares Bussystem gesteu¬ert wird.

[0054] E in solches SPI-Bussystem ist ein einfaches Vierdraht-System, welches mit einer eige¬nen Taktfrequenz arbeitet, wobei die Taktfrequenz vom Koppelmodul vorgegeben wird.

[0055] Damit ergibt sich der Vorteil, dass die Module, die in unterschiedlicher Weise an unter¬schiedliche Koppelmodule angeschlossen sind, auch mit unterschiedlichen Taktfrequenzenbetrieben werden können, was beim Stand der Technik nicht möglich war.

[0056] Somit können kostengünstige und einfache Module geschaffen werden, weil auch lang¬same Module entsprechend ihrer Charakteristik an zugeordnete Koppelmodule angeschlossenwerden können, und die Koppelmodule selbst den Datenverkehr auf dem seriellen Bussystemadministrieren.

[0057] Wenn mehrere einfache Module an ein Koppelmodul angeschlossen sind, kann dieModul-zu-Modul-Kommunikation sehr schnell ausgebildet sein, weil dazwischen liegende Kon-trollmechanismen entfallen können, sodass die Module sehr schnell und ohne störende Zwi¬schenschaltungen miteinander kommunizieren können.

[0058] E in weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass auch komplexe Aufgaben, die ein Koppel¬modul verwalten muss, auf mehrere daran angeschlossene Module aufgeteilt werden kann,sodass auch die Koppelmodule aufgrund der verschiedenartig verteilten Aufgabenverteilungeine sehr schnelle Taktfrequenz im seriellen Bus entfalten können.

[0059] Bei einer Störung des seriellen Bussystems, wenn zum Beispiel der CPU- Busmasterausfällt, war es beim Stand der Technik nachteilig, dass das gesamte Bussystem stillgelegt warund keine weitere Kommunikation mehr möglich war.

[0060] Hier setzt die Erfindung ein, die vorsieht, dass bei Ausfall des seriellen Bussystems dieeinzelnen Koppelmodule noch weiter arbeiten können und den Datenverkehr mit den daranangeschlossenen Modulen aufrecht erhalten. Beispielsweise ist dies wichtig bei Werkzeugma¬schinen, wo die Module zum Beispiel für die Werkzeugsteuerung oder für den Werkzeugwechs¬ler vorgesehen sind, und wenn der serielle Bus ausfällt, kann trotzdem noch der Werkzeug¬wechsler diese oder andere eingeschränkte Aufgaben erfüllen, weil das Koppelmodul ein Not¬laufprogramm durchführt und den Datenverkehr mit den daran angeschlossenen Modulenaufrecht erhält.

[0061] Bei Versagen des seriellen Bussystems ist es sogar möglich, dass das daran ange¬schlossene intelligente Koppelmodul einen gesteuerten und gesicherten Notlaufdienst ausführtoder ein gesteuertes Herunterfahren aller Dienste ausführt, wodurch es nicht zu Beschädigun¬gen an den angeschlossenen Modulen und den daran angeschlossenen Maschinensteuerun¬gen kommt.

[0062] Die nach dem Stand der Technik ausgebildete Figur 1 zeigt, dass die einzelnen komple¬xen und direkt in die Busstruktur eingebundenen (Bus-) Module 2’ bis 4’ Schnittstellen zur Au¬ßenwelt aufweisen, wobei die Schnittstelle 5 zum Beispiel eine I/O-Schnittstelle ist und dieSchnittstelle 6 eine Ethernet-Schnittstelle darstellt.

[0063] Ausgehend von einem seriellen Bus nach Figur 1, der zum Beispiel als Feldbus ausge¬bildet ist, wird ein neuartiger serieller Bus nach Figur 2 vorgeschlagen, der beispielsweise auchals Feldbus ausgebildet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen seriellen Bus in seinerAusbildung als Feldbus beschränkt. In der allgemeinen Beschreibungsanleitung wurden andereBustypen genannt, die alle den Erfindungsgedanken nutzen.

[0064] In der Figur 2 ist lediglich beispielhaft dargestellt, dass die Erfindung nicht ausschließt,dass auch noch komplexe (Bus-) Module 2’ bis 4’ in der seriellen Bus-Struktur 1 angeordnetsind, was jedoch im Hinblick auf den Datenverkehr nicht unbedingt erwünscht ist. Die Erfindungsieht nämlich vor, dass anstatt der Einbindung von hochkomplexen (Bus-)Modulen 2’, 3’ und 4’die den gesamten Datenverkehr auf dem seriellen Bus 1 mitverfolgen müssen, nunmehr statt-dessen erfindungsgemäße Koppelmodule 7-10 vorhanden sind.

[0065] Der Datenverkehr wird durch einen CPU-Busmaster 13 auf dem seriellen Bus 1 verwal¬tet.

[0066] Mit der Verwendung von erfindungsgemäßen Koppelmodulen 7-10 besteht der Vorteil,dass die nun anzuschließenden einfachen Module 2-4 nicht mehr direkt an den Bus ange¬schlossen sind, sondern nur indirekt über die Koppelmodule 7-10 an dem seriellen Bus 1 ange¬schlossen sind und mit diesem kommunizieren.

[0067] Nachdem alle Koppelmodule 7-10 bevorzugt gleich ausgebildet sind, werden die weite¬ren Eigenschaften eines Koppelmoduls anhand des Koppelmoduls 10 in Figur 2 und den nach¬folgenden Figuren erläutert.

[0068] Es ist schematisiert dargestellt, dass an jedem Koppelmodul 7-10 eine Vielzahl voneinfachen Modulen 2-4 angeschlossen werden kann, und der Datenverkehr zwischen denjeweiligen Koppelmodulen 7-10 und den daran angeschlossenen Modulen 2-4 erfolgt jeweilsüber einen SPI-Bus 12.

[0069] Ein solcher SPI-Bus ist eine einfache Vierdrahtleitung, die besonders einfach aufgebautist und aus Standard-Elektronikbausteinen gebildet ist, sodass eine besonders einfache undstabile Datenverbindung zwischen den angeschlossenen Modulen 2-4 und den jeweiligen Kop¬pelmodulen 7-10 gegeben ist.

[0070] Vorstehend wurde ausgeführt, dass die Anzahl der direkt in die Busstruktur des seriellenBusses 1 einzuschaltenden Module 2‘-3‘ beschränkt werden sollte und zwar im Hinblick auf dieVorteile, die bei der vorliegenden Erfindung mit der Verwendung von an das Bussystem ange¬schlossenen Koppelmodulen 7-10 entstehen.

[0071] Die Erfindung sieht jedoch auch vor, derartige komplexe Module 2’ und 3’ - zum Beispielvon Fremdherstellern - in die serielle Busstruktur des seriellen Busses 1 einzuschalten, weil derBus nach wie vor für die Einschaltung derartiger komplexer Module geeignet und bestimmt ist.

[0072] Im Hinblick auf die Anschaltung von den erfindungsgemäß einfachen Modulen 2, 3 zeigtdie Figur 2 auch symbolisch, dass eine Querverbindung 34 zwischen den einzelnen Modulen 2,3 gegeben ist, die aber schaltungstechnisch durch die Direktverbindung 11 in Figur 2 dargestelltist, das heißt, die Direktverbindung 34 wird über das jeweilige Koppelmodul 7-10 durchgeführt.

[0073] Auf diese Weise ist ein schneller und direkter Datenverkehr zwischen den einzelnen aneinem Koppelmodul 7-10 angeschlossenen Module 2-4 gegeben, wobei der Datenverkehrzwischen dem Koppelmodul und dem jeweiligen angeschlossenen Modul taktmäßig so gewähltwerden kann, dass unterschiedliche Taktfrequenzen möglich sind. Dies war bei dem herkömm¬lichen Bussystem nach Figur 1 nicht möglich.

[0074] Die Figur 3 zeigt ein gegenüber Figur 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei demein Busmaster 13 einen seriellen Bus 1 administriert, der nicht unbedingt als geschlossenesSystem ausgebildet sein muss. Es ist lediglich schematisiert ein einziges Modul 4‘ in direkterAnschaltung an den seriellen Bus 1 dargestellt, wobei jedoch erfindungsgemäß das Koppelmo¬dul 10 über ein Feldbus-Interface 14 an den seriellen Bus 1 angeschaltet ist, und wiederum andas Koppelmodul 10 die Module 2, 3 über den einfachen SPI-Bus 12 angeschaltet sind.

[0075] Ein solcher Bustyp, wie er in Figur 3 dargestellt ist, kann zum Beispiel ein CAN- Bussein.

[0076] Die Figur 4 zeigt den schematisierten inneren Aufbau eines erfindungsgemäßen Kop¬pelmoduls 7-10. Zunächst ist schematisiert dargestellt, dass über das Feldbus-Interface 14 eineDatenanschaltung an das Koppelmodul 7-10 vonseiten des seriellen Busses 1 erfolgt.

[0077] Über die Signalverbindung 17 erfolgt der Signalverkehr zu einer im Koppelmodul inte¬grierten Koppelmodul-CPU 16, die über eigene Datenverbindungen 35 mit dem jeweiligen SPI-Controller28 kommuniziert, der Teil des Koppelmoduls 7-10 ist.

[0078] Der SPI-Controller 28, 29 führt einen individuellen Datenverkehr über jeweils einen SPI-Bus 12 mit dem dort angeschlossenen Modul 2-4 aus.

[0079] Die Module 2, 3, 4 sind unterschiedlichster Bauart, wobei im Ausführungsbeispiel darge¬stellt ist, dass das Modul 2 einen Datenspeicher 30 aufweist, mit dem es die dem Modul zuge¬ordneten Parameter dem Koppelmodul über den SPI-Bus 12 mitteilt, sodass eine Verwaltungdes Moduls 2 vonseiten des Koppelmoduls möglich ist.

[0080] Anstatt eines Datenspeichers 30 können auch andere Elemente in dem Modul enthaltensein; so zeigen zum Beispiel die Module 3, 4 geeignete Interface-Anschaltungen, mit denen dieModule 3, 4 mit der analogen oder digitalen Außenwelt kommunizieren.

[0081] Im Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist noch dargestellt, dass der Koppelmodul-CPUein FPGA-Modul 18 zugeordnet ist. Es handelt sich um ein Field Programmable Gate Array,was bedeutet, dass über ein solches programmierbares Kontrollsystem der Datenverkehr aufder Datenverbindung 35 in Richtung auf den SPI-Controller 28 administriert wird.

[0082] Die SPI-Controller 28 können auch Teil des FPGA-Moduls 18 sein.

[0083] Es ist auch dargestellt, dass in jedem beliebigen Modul ein Datenwandler 32 vorgese¬hen sein kann, der z.B. als Analog-Digital-Wandler ausgebildet ist und analoge Signale, zumBeispiel von Sensoren, einiesen kann.

[0084] Die Figur 5 zeigt ein gegenüber Figur 4 detaillierteres Blockschaltbild, bei dem der seriel¬le Bus lediglich schematisiert dargestellt ist und auf ein Feldbus-Interface über ein entspre¬chendes Datenübertragungsprotokoll arbeitet.

[0085] Das Feldbus-Interface ist als ETH-Controller ausgebildet, und arbeitet über logischeVerbindungen auf das vorher erwähnte FPGA-Modul.

[0086] Dieses Modul ist lediglich in Form von logischen Blöcken dargestellt, und die eingangs¬seitig angeordneten logischen Blöcke sind schematisiert als Datenblöcke 19, 20, 21 dargestellt.Die Datenblöcke enthalten die entsprechenden Daten, wie zum Beispiel der Datenblock 19 dieInformationen über die Konfiguration, der Datenblock 20 Informationen über den ablaufendenProzess und der Datenblock 21 Informationen über den Inhalt und den Zustand des FPGA-Moduls 18.

[0087] Die Datenstruktur des FPGA-Moduls 18 ist lediglich schematisiert dargestellt. Es ist einBuskoppler-Controller 22 vorhanden, der eine Anzahl von Module 23a, 24a, 25a, 26a ansteuert.Die Module 23a-26a sind das logische Abbild der außen angeschalteten Module 2, 3 im FPGA-Modul 18.

[0088] Die Module 23a-24a sind jedoch nicht das gesamte Abbild der außen angeschaltetenModule 2, 3, sondern lediglich das Prozessabbild, welches in der Darstellung nach Figur 5 mitdem Bezugszeichen 23b, 24b bezeichnet ist. Es handelt sich demnach beim Modul 23a um daslogische Abbild des in dem Modul 2 vorhandenen logischen Moduls 23b, mit dem die Prozess¬daten in das FPGA-Modul gespiegelt werden.

[0089] Gleiches gilt für die anderen, mit dem Buchstaben b bezeichneten Module, die jeweils indas FPGA-Modul mit dem Buchstaben a an die entsprechend gekennzeichnete Stelle gespie¬gelt werden.

[0090] Mit der Darstellung in Figur 5 wird somit die Datenstruktur des FPGA-Moduls beschrie¬ben und diese Datenstruktur wird von einem Datencontroller 27 verwaltet.

[0091] Es handelt sich demnach um logische Module 23a, 24a, 25a, 26a, welche die Abbildun¬gen der Datenstruktur von den extern angeschalteten Modulen 2-4 auf die Datenstruktur desFPGA-Moduls vollziehen.

[0092] Aus Figur 5 lässt sich noch entnehmen, dass analoge Sensoren 31 angeschlossen seinkönnen, deren Signale über einen Datenwandler 32 in das jeweilige Modul 2-4 eingelesenwerden.

[0093] Die Figur 6 zeigt die Verschaltung einer Vielzahl der erfindungsgemäßen Koppelmodule7-10 in einer Busstruktur des seriellen Busses 1.

[0094] Hier ist dargestellt, dass der CPU-Busmaster 13 den seriellen Bus 1 verwaltet, und andiesen eine Vielzahl von Koppelmodulen 7, 8, 9 angeschaltet ist. Jedes Koppelmodul weist einFeldbus-Interface 14 auf, mit dem der Datenverkehr mit dem seriellen Bus 1 abgewickelt wird.

[0095] In jedem Koppelmodul 7-10 sind eine Vielzahl von SPI-Controllern vorhanden, die vondem vorher genannten Datencontroller 27 verwaltet werden. Jeder SPI- Controller 28 arbeitetüber einen eigenen SPI-Bus mit dem jeweils angeschlossenen Modul 2-4.

[0096] Damit wird es erstmals möglich, dass jedes Modul 2 individuell über einen daran ange¬schlossenen SPI-Bus einen Datenverkehr mit dem Koppelmodul abwickeln kann, und dassdeshalb die Taktfrequenz auf den einzelnen SPI- Bussystemen 12 unterschiedlich sein kann.

[0097] Fällt ein Koppelmodul aus, zum Beispiel das Koppelmodul 7, wird der busseitige Daten¬verkehr trotzdem mit den anderen Koppelmodulen 8, 9, 10 weitergeführt.

[0098] Fällt ein Modul 2-4 aus, dann wird dies von dem jeweiligen Koppelmodul 7-10 festge¬stellt und der Datenverkehr mit den übrigen Modulen 2-4 wird fortgesetzt.

[0099] Ebenso ist es auf diese Art möglich, auf einfache Weise die Module 2-4 zu wechseln,ohne dass es zu einer Unterbrechung des Datenverkehrs auf dem seriellen Bus kommt.

[00100] Der Wechsel kann also im laufenden Betrieb (Plug and Play) erfolgen, ohne dass einUnterbrechungsprogramm eingeschaltet werden muss.

[00101] In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Koppelmodul- CPUein Anwenderprogramm abläuft. Es kann sehr schnell reagieren, denn gemäß Figur 5 läuft dasAnwenderprogramm in der Koppelmodul-CPU 16 und im dort angeordneten Mikrocontroller ab,der somit das FPGA und die dort gespiegelte Datenstruktur der außen angeschlossenen Modu¬le steuert.

[00102] Aus diesem Grund können auch schnelle Signaländerung der angeschlossenen Modu¬len 2-4 verarbeitet werden, weil deren Datenstrukturen in die FPGA gespiegelt und dort verar¬beitet werden.

[00103] Ein Datenverkehr über den langsameren seriellen Bus 1 ist deshalb nicht notwendig.

ZEICHNUNGSLEGENDE 1 Serieller Bus 2 Module (FPGA - E/A-Module) 2’ Busmodul 3 Module 3’ Busmodul 4 Module 4’ Busmodul 5 Schnittstelle 6 Schnittstelle 7 Koppelmodul 8 Koppelmodul 9 Koppelmodul 10 Koppelmodul 11 Direktverbindung 12 SPI-Bus 13 CPU-Busmaster 14 Feldbus-lnterface 15 Interface

16 Koppelmodul-CPU 17 Signalverbindung 18 FPGA-Modul 19 Datenblock 20 Datenblock 21 Datenblock 22 Buskoppler-Controller 23a, 23b Logisches Modul 24a, 24b Logisches Modul 25a, 25b Logisches Modul 26a, 26b Logisches Modul 27 Datencontroller 28 SPI-Controller 30 Datenspeicher 31 Sensor 32 Datenwandler 33 Signaltreiber 34 Querverbindung 35 Datenverbindung

Claims (11)

1. Ansprüche 1. Serielles Bussystem mit mehreren daran angeschlossenen Busmodulen (2 - 4’), wobei derDatenverkehr auf dem seriellen Bus (1) durch mindestens einen CPU-Busmaster (13) ad¬ministrierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die im seriellen Bus (1) angeschlossenenBusmodule (2’-4’) in jeweils ein direkt am seriellen Bus (1) angeschlossenes Koppelmodul(7-10) und einem oder mehreren lediglich an das Koppelmodul (7-10) angeschlosseneneinfachen Module (2-4) aufgeteilt sind.
2. 2. Serielles Bussystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im seriellenBus (1) angeschalteten Koppelmodule (7-10) die daran angeschalteten (einfachen) Stan¬dard-Module (2-4) logisch auf den Bus (1) abbilden und dass die Koppelmodule (7-10) inVerbindung mit dem CPU- Busmaster (13) den Datenverkehr im seriellen Bus (1) ausfüh¬ren.
3. 3. Serielles Bussystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das daslediglich indirekt an den seriellen Bus (1) angeschlossene Modul (2-4) als einfacher Ein-und Ausgangsbaustein ausgebildet ist, das einen externen Datenverkehr, zu einem analo¬gen Empfänger oder einem Sensor oder dergleichen ausführt, und das keine komplexeBussteuer-Logik mit einer eigenen CPU aufweist.
4. 4. Serielles Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dassmehrere einfache Module (2-4) an ein Koppelmodul (7-10) angeschlossen sind und dassdas Koppelmodul (7-10) den Datenverkehr zwischen den einzelnen daran angeschlosse¬nen Module (2-4) administriert.
5. 5. Serielles Bussystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenverkehrzwischen dem einfachen Modul (2-4) und dem Koppelmodul (7-10) über einen SPI-Bus (12) oder ein anderes vergleichbares Bussystem steuerbar ist.
6. 6. Serielles Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dassdie Module (2-4), die an unterschiedliche Koppelmodule (7-10) angeschlossen sind, mit un¬terschiedlichen Taktfrequenzen betreibbar sind.
7. 7. Serielles Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dassbei Ausfall des seriellen Busses (1) die einzelnen Koppelmodule (7-10) den Datenverkehrmit den daran angeschlossenen Modulen (2-4) aufrecht erhalten.
8. 8. Serielles Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dassdie Datenanschaltung vom Koppelmodul (7-10) an den seriellen Bus (1) über ein Feldbus-Interface (14) erfolgt.
9. 9. Serielles Bussystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldbus-Interface (14) über eine Signalverbindung (17) den Signalverkehr zu einer im Koppelmodul(7-10) integrierten Koppelmodul-CPU (16) ausführt, die über eine Datenverbindungen (35)mit einem SPI-Controller (28) kommuniziert, der den Datenverkehr über den SPI-Bus (12)mit den extern angeschalteten Modulen (2-4) steuert.
10. 10. Serielles Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dassdie an die Koppelmodule (7-10) angeschlossenen einfachen Module (2-4) einen Daten¬speicher (30) aufweisen, in dem die dem Modul (2-4) zugeordneten Betriebs-, Arbeits- undZustands-Parameter dem Koppelmodul (7-10) über den SPI-Bus (12) zugeleitet werden.
11. 11. Serielles Bussystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dassdie Module (2-4) im laufenden Betrieb gewechselt werden können, ohne den Datenverkehrdes gesamten Bussystems dadurch zu beeinflussen. Hierzu 6 Blatt Zeichnungen