CN1008019B - 可编程控制器的无主控串行总线占有控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

多个可编程控制器连接到一根公共的串行总线上并将数据周期地传送到上述串行总线上。在每一个可编程控制器中。当与自身的可编程控制器的序号和先前传送数据的可编程控制器的序号的差值相对应的等待时间过去以后，要传送的数据即被送至公共总线，这样就使可编程控制器执行的周期数据传送能在一固定的传送周期中完成而不会引起数据之间的碰撞。

Description

本发明涉及一种多个处理机合用一传输（通信）总线时总线占有控制的方法，特别是涉及一种可适用于工厂设备过程控制的可编程控制器（PC）的总线占有控制方法。

可编程控制器接收设备中的开关、接触点和振荡器的状态并通过一个程序进行计算以便对例如绕组和马达的通/断以及阀门的开/关进行控制。这种程序具有高速和循环周期执行的特点。在一个连接有多个可编程控制器的系统中、有数据在可编程控制器之间以与周期同步的高速度进行传送。

此外，要求这种可编程控制器是一个非常紧凑的单元。

为了达到上述目的，要求数据传送设备包括一个串行总线而不是并行总线。

就控制串行总线的方法而言，采用处理器来对可编程控制器的运行进行控制和对其数据传送进行 控制的方法从结构的紧凑性这一方面来说是具有优越性的。

在可编程控制器中，程序是通过信号输入、运算和运算结果输出这样一种处理流程来加以执行的。为了以协同方式在可编程控制器之间实行控制，在程序的序列中有必要执行至少一次数据传送并把运算结果通知其他的可编程控制器和外部设备。如果数据传送得不到保证，可编程控制器之间的协同动作就有可能会延迟，因此整个系统的可控性和响应特性也就可能受到不良影响。

为了解决这个问题，可以考虑加快数据传送的速度，从而在一个程序周期中可以执行两次或三次数据传送以便确保协同运行。然而，如上所述，在为了使结构紧凑而配备一个可对运行和数据传送进行控制的处理器单元的可编程控制器中，处理器被数据传送处理占用，很难为运行控制留出时间裕量。因此，有必要通过使运行周期和数据传送同步以确保在一个程序周期中进行数据传送以及留出控制这种运行的时间。

迄今为止，控制串行总线占有的方法大都采用一种设备作为主控装置来控制每一个受控（从动）单元中的总线占有权。还有另外一种通常的方法称为碰撞检测法，在这种方法中，不采用主控装置，在总线占有要求出现时，单方面地把数据传送到总线上去。在总线中发生数据碰撞（冲突）时，在一个预定的间隔时间之后重新把数据传送到总线上。

然而，前一方法带来的问题是，当主控装置发生故障时，就会使数据传送停止;而后一种方法的困难是总线上出现数据碰撞时重新传送的处理颇为复杂，因此在运行控制周期和传送周期之间的同步难以建立。

在日本专利JP-A-58-161061中描述了一个例子;在这个例子中以一种简单的方法实现了不用主控装置的总线占有控制。

在JP-A-58-161061所描述的方法中，其关键之外在于，接收结束和下一个传送之间所必须的一段最低限度的时间间隔，被设定在传送等待时间定时器中，从而实现高速数据传送。然而，由于受传送的数据量的影响和没有安装可编程控制器而引起的传送周期的变化仍是有待解决的问题。

因此，本发明的目的是提供一种用于实现不用主控装置的串行总线占有控制的方法和设备，在不采用专门的优先控制设备的情况下通过简单的结构就能防止总线上的数据碰撞，并且能够以固定的传送周期实行周期性的数据传送，其中每一个可编程控制器的全部运行控制时间和数据发送/接收时间都是相互同步的。

为了实现上述目的，按照本发明，在一根公共总线上连接多个可编程控制器的系统中，在每个可编程控制器中都装有一个定时器，在该定时器中设定了传送间隔时间和传送等待时间。传送间隔时间与决定于系统组装时每个可编程控制器的序号相对应，而传送等待时间决定于完成先前传送的可编程控制器的序号。

除了按照同步的传送间隔时间进行数据发送/接收运行之外，还要由各个可编程控制器高速周期地实现预定的运行控制;因此，作为实现以固定的传送时间间隔执行数据传送和作为在串行总线上防止发生数据碰撞的手段，定时器中设置有与执行先前的传送的可编程控制器的序号和自身的可编控制器的序号相对应的时间。传送是按最佳送送等待时间来进行的，因此用传送的数据量来进行校正，以便以恒定的传送时间间隔进行传送，从而达到上述目的。

本发明的上述或其他的目的，通过结合相应的附图所作的下列描述，将变得更加明显，其中：

图1是表示中央处理单元（CPU）内部结构的方框图;

图2是一个采用本发明的可编程控制器的系统的结构实例;

图3是串行总线上传送的数据的数据格式;

图4至图5是在控制单元中进行传送处理的流程图;

图6是表示决定传送等待时间的方法的示意图;

图7是串行总线上各个可编程控制器的处理时序图。

下面将结合相应的附图对本发明的一个实施例加以描述。图1表示由本发明所提供的可编程控制器的结构。图2是采用这种可编程控制器的一个控制系统的实例的方框图。

整个结构将结合图2加以描述。一个可编程控制器PC〔1〕包括一个主要用于执行程序的中央处理单元CPU〔2〕和用于控制与过程有关的接口的过程输入/输出处理器PIO〔3〕。CPU〔2〕通过PIO〔3〕从限位 开关〔5〕、振荡器〔8〕和如图2所示的单元周期性地接收过程数据，通过使用先前贮存在CPU〔2〕中的程序对过程数据进行运算，并对图2中的马达〔4〕，电磁阀〔6〕和调整阀〔7〕实行通/断和开/关控制。此外，如图2所示，PC〔1〕通过串行总线〔9〕与其他的PC〔1a〕和〔1b〕相连接并且将对每个PC的运行进行控制所必需的数据和运算结果周期地加以传送，据此，通过维持PC之间的协同控制来实现运行控制。

下面结合图1对CPU的结构加以描述。CPU包括：一个用于贮存程序、数据和中间运算结果的存储器〔26〕，一个用于执行贮存在存储器〔26〕中的程序的微处理单元MPU，一个用于对PIO〔3〕的接口进行控制以便把程序执行的结果传送给过程的输入/输出控制单元〔28〕，一个用于把由PIO〔3〕输入的数据和MPU〔24〕的运算结果传送给串行总线〔9〕的串行总线输出电路〔22〕，一个用于接收传送到串行总线〔9〕上的数据和运算结果的串行总线输入电路〔21〕，一个用于控制串行总线的输入/输出电路〔21〕/〔22〕的串行总线输入/输出控制电路〔23〕，一个用于设定PC〔1〕的PC序号和被传送到串行总线〔9〕上的数据传送间隔的置位单元〔27〕，以及定时器〔25〕，该定时器〔25〕用于设定置位单元〔27〕决定的PC序号和由传送间隔和传送的PC序号获得的传送等待时间，并对MPU〔24〕提供传送时间。

现在请参阅图1，下面将对CPU〔2〕的数据传送控制操作进行描述。在一般情况下，MPU〔24〕执行贮存在存储器〔26〕中的程序以便对连接在过程输入/输出控制电路〔28〕上的过程装置进行控制。在运行（操行）控制中，定时器单元〔25〕向MPU〔24〕提供一个传送时间，从而使数据以恒定的传送间隔时间传送。在接收到传送时间后，MPU〔24〕立即中断正在执行的运行控制而开始数据传送控制。首先，MPU〔24〕将贮存在存储器〔26〕中的输出数据送至串行总线输入/输出控制电路〔23〕中的寄存器，然后，经过串行总线输出电路〔22〕把数据传送到串行线〔9〕上。当MPU〔24〕的CPU完成了上述传送后，MPU〔24〕再次开始运行控制。当另一个PC把数据发送到串行总线〔9〕上时，无条件地将传送数据经过串行总线输入电路〔21〕送至串行总线输入/输出控制电路〔23〕中的寄存器。数据送入寄存器中后，串行总线输入/输出控制电路〔23〕通知MPU〔24〕接收数据已到。这样就使MPU〔24〕立即中断正在执行的运行控制而开始接收数据。MPU〔24〕把送至串行总线输入/输出控制电路〔23〕中的寄存器的数据传送给存储器〔26〕并且在数据接收完成之前一直重复这种操作。此后，MPU〔24〕再次开始运行控制。

图3表示传送到串行总线上的数据的格式。该传送数据依次由传送PC的序号（SA）、传送数据量（DL）和被传送的数据项（DATA）构成。

图4至图5是表示MPU〔24〕的数据传送处理的流程图。在图4的步骤F5中，复位启动后，CPU〔2〕中的MPU〔24〕使系统启动。传送控制也在复位启动后被启动。首先，MPU〔24〕读出自身的PC的序号、传送时间间隔t和对置位单元预置的总的PC数，并把这些数据项贮存到存储器〔26〕中。接着，在步骤F10中，MPU〔24〕设定由对其他PC的传输时间和控制处理时间的考虑而获得的最大等待时间并进入总线监控器的状态，以便对另一个已经在串行总线上执行数据传送的PC加以确认。上述这些运行（操作）与图4中所示的流程图中的步骤F5，F10相应。在F15、F20中，如果在串行总线上不存在任何已执行数据传送的PC的话，在最大等待时间过后定时器〔25〕就把传送时间提供给MPU〔24〕，接着就开始数据传送。在F25、F30中，MPU〔24〕执行这种传送，并且在这种传送完成以后，MPU〔24〕再次以最大等待时间对定时器〔25〕进行设定并执行运行（操作）控制。在这之后重复这些操作（图4中的步骤F15至F30）。

在F40中，当在串行总线上存在一个已经执行数据传送的PC时，表明在MPU〔24〕上数据接收已经在定时器〔25〕提供传送时间之前发生这一状况的数据，经过图1中的信号线〔100〕从串行总线输入/1输出控制电路〔23〕输出到MPU〔24〕，接着MPU〔24〕开始接收处理。在F45、F50中，当完成最后的数据接收时，对接收是否已正常完成作出判断。因为数据的最后一段通常含有一个诸如CRC的错误校验码，所以这种判断是能够实现的。当发生不正常的数据接收时，即F50中的“否”，如果设定的传送等待时间是基于这一错误的数据之上的，则极有可能出现数据的碰撞。此时，用从倒数第二个已确认为正常的接收数据起算的传送等待时间来对定时器〔25〕进行设定。如果接收到的数据是不正常的，对定时器〔25〕设定的时间由从倒数第二个正常的数据接收起算的传送等待时间决定。

因为是在接收完成以后将传送等待时间对定时 器〔25〕设定的，所以，如果象通常的例子中那样，在数据接收之后加一个恒定的等待时间，则传送周期随着数据量的改变而改变。为了保持传送周期的恒定，采用先前从其他的PC上接收到的数据量来对传送等待时间加以校正。

如果接收到的数据是正常的，则对图1中定时器（25）设定计算后得到的传送等待时间，传送等待时间的计算方法将在下面用图6来说明。

在图4的步骤F60中，检验是否存在遗漏的PC，详细说明将在下面参见图5中的流程来进行。

在图4的步骤F65中，接收到的数据被存入图1中存储器（26）的工作区，以完成接收过程。然后开始等待传送/接收，在该状态下，在流程的步骤F10、F15中不断检查有无接收出现和定时器计时结束与否。

图6表示对传送等待时间T进行设定（置位）的一个例子。T是根据自身的PC序号、置位电路（27）所设定的传送等待时间间隔t、所接收到的数据量和由接收数据获得的传送PC序号决定的。当自身的PC序号大于先前接收到数据的PC序号时，传送等待时间从下式得到：

T＝（自身的PC序号-可编程控制器已从中接收到数据的前一PC序号）×t-τi，其中τi表示先前数据在串行总线上传送的时间，并被用来作为校正时间以实现以恒定的传送间隔Tt进行数据传送;t是PC启动传送的传送时间间隔。τi的值是按下式获得的：

i＝（传送的数据量）÷（传送速度）

顺便说一下，可以把τi的平均值作为τ，从而可以用τ来对传送等待时间进行校正。

然而，在这种情况中，存在着一种可能性，即传送送周Tt也许会略有变化。

当自身的PC序号小于接受到数据的PC的序号时，传送等待时间T是从下式获得的：

T＝（总的PC数+自身的PC序号-可编程控制器从中接收到数据的前一PC序号）×t-τi。这意味着传送等待时间T始终为正。在自身的PC进行传送之后的传送等待时间T是用经过校正的最大等待时间来计算的，T＝总的PC数×t-τi。

在以通过上文中所描述的方法获得的传送等待时间对图1中的定时器〔25〕进行设定以后，在步骤F16至F63中执行遗漏（缺失）PC检查。在F16中，每个PC把先前接收的PC序号贮存起来，然后将目前接收的PC序号和贮存起来的PC序号进行比较。在F62中，如果这两个PC序号之间的差值不是1，则表明在先前的接收和目前的接收之间存在遗漏的PC。这一点可以是这样引起的：原来正常运行的PC发生故障而停止传送。在F63中，这种遗漏的PC序号根据目前接收的PC序号、先前接收的PC序号和两者之间的差值计算出来。根据这种遗漏的PC序号的信息，过程控制可以被停止，或者自身的PC的过程控制可以在与该遗漏的PC相关的传送时间间隔内加以完成。

对PC中这种处理的流程图进行描述之后，下面的段落将结合图7来描述用于控制整个系统的方法。假定PC＃2由于电源故障而停止工作。

通过观察PC＃3来给出说明，在执行运行控制的过程中，从PC＃0接收到数据之后，PC＃3启动数据接收过程。在确定了接收正常之后，以（3-0）×t-τ＝3t-τ对定时数〔25〕进行设定，接着该系统进入传送等待状态，从而重新启动运行控制。接着，当时间t-τ过去以后，PC＃1开始传送过程，而PC＃3再次开始数据接收处理。在数据正常接收之后，以传送时间T＝（3-1）×t-τ₁＝2t-τ₁对定时器〔25〕进行设定，以便对定时器中的内容进行更新，系统进入传送等待状态，从而重新启动运行控制。此处，因为PC＃2因电源故障而停止工作，当时间2t-τi过去以后，PC＃3接收到来自定时器〔25〕的传送时间并开始传送处理。当传送完成之后，以最大等待时间对定时器〔25〕进行设定。

如上所述，把其他PC的传送时间τ加上去以便对传送等待时间进行校正而获得恒定的传送周期。该传送周期是由PC的序号和传送间隔时间t确定的，其中传送周期Tt＝总的PC数×t＝常数。通过使用置位单元〔27〕能够灵活设置总的PC数和传送时间间隔t，这能够按照任何一种系统来形成传送系统。作为一种例子，假定有一种含有五个PC的系统结构，在这种结构中，是采用0或2秒的传送周期Tt完成传送和控制的。如果假定总的PC数和传送时间间隔分别是5和0.04秒，则能很方便地将传送周期Tt相应地设置为0.2秒。顺便说一句，该系统安排成每一个传送周期实行一次控制。此外，如果有可能在将来增加三个PC的话，则分别用10和0.02秒的裕量来确定总的PC数和传送间隔t。这样就使该系统可以允许增加PC数，同时，在不改变对其他的PC的 设定的情况下能以同一传送周期运行，直到总的PC数达到10为止。

按照本发明，最佳的传送等待时间是从传送数据格式中的传送PC序号、由置位单元设定的传送时间间隔和传送数据格式中的传送数据量获得的，并以该最佳传送等待时间对每一个PC的定时器进行设定，它导致的效果是：串行总线占有控制在总线上不会发生数据碰撞的情况下以一个恒定的传送周期实现。

虽然本发明是结合具体的实施例加以描述的，但本发明并不受这些实施例的限制，而只是受到下列权利要求的限制。应该理解，熟悉本技术领域的人员能够对这些实施例加以更改或修改，但它们仍落在本发明的范围和精神实质之内。

Claims (8)

1、在一个工业过程控制系统中实现不用主控装置的串行总线占有控制的方法，该系统中有多个可编程控制器连接在一条公共总线上，这些可编程控制器周期地对公共总线发送数据，其方法是首先对上述各个可编程控制器赋予一个序号；

本发明的特征在于，进一步包括下列步骤：

决定一个与可编程控制器的数目相对应的传送间隔时间；

在一个等待时间后，把来自自身的可编程控制器的数据发送到公共总线上，该等待时间由传送间隔时间与可编程控制器本身序号和该可编程控制器从中接收到数据的前一可编程控制器的序号的差值之乘积决定，从而使可编程控制器的周期性数据传送能在固定的传送周期中完成。

2、据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，上述等待时间是通过减去一个校正时间，即从上述等待时间中减去完成先前传送的可编程控制器的数据传送时间来加以校正。

3、据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当可编程控制器的数目改变时，通过对可编程控制器的数目和校正时间的考虑在任何情况下总是能获得固定的传送周期。

4、据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当自身的可编程控制器先前接收到的数据中包括一个错误时，数据是按照等待时间传送到公共总线上去的，即在上述恒定的周期之后对数据进行传送。

5、据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，当自身的可编程控制器本身序号小于该可编程控制器从中接收到数据的前一可编程控制器的序号时，等待时间是根据下式加以计算的：

传送等待时间＝（可编程控制器的数目+可编程控制器自身的序号-该可编程控制器从中接受到数据的前一可编程控制器的序号）×传送间隔时间-先前数据的接收时间。

6、一种用于在工业过程控制系统中实现不用主控装置进行串行总线占有控制的设备，系统中多个可编程控制器连接在一公共总线上，这些可编程控制器对公共总线周期地发送数据，上述每一可编程控制器包括有用于贮存处理程序和数据的存储器;用于读出和执行贮存在上述存储器中的处理程序的微处理器单元MPU;用于把上述MPU的执行结果传送给装置加以处理和使上述MPU接收来自该装置的信息以便加以处理的过程输入/输出控制电路;和连接在公共总线上的串行总线输入/输出电路，该电路用于接收来自其他的可编程控制器的数据，用于把接收到的数据传送给上述MPU，用于接收来自于上述MPU的发送数据和用于把该发送数据传送到公共总线;本发明的特征在于，上述每一可编程控制器还包括：

用于提供可编程控制器自身的序号、提供可编程控制器之间的传送间隔时间和把发送数据传送到公共总线上去的传送时间的定时器;

用于在上述MPU完成对来自其他的可编程控制器的数据的接收之后设定一个上述MPU传送一个发送数据必须等待的等待时间的设定单元。

7、据权利要求6所述的设备，其特征在于，上述MPU把传送间隔时间与可编程控制器自身序号和该可编程控制器从中接收到数据的前一可编程控制器的序号的差值相乘，据此来计算等待时间。

8、据权利要求7所述的设备，其特征在于，对上述等待时间进行减法运算，即从上述等待时间中减去作为校正时间的与先前的传送相关的可编程控制器的数据传送时间。

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