CN102948118A - 用于交换输入数据和输出数据的方法、系统和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于使用控制器来交换数据的方法，包括选择性地将交换模式设置成同步模式和异步模式中的一个，以及确定是否执行输入数据交换或输出数据交换。输入数据交换至少部分地以输入基准为基础，输入基准标识从其中检索输入数据的输入/输出(I/O)模块，并且输出数据交换至少部分地以输出基准为基础，输出基准标识用以存储输出数据的I/O模块。

Description

用于交换输入数据和输出数据的方法、系统和设备

技术领域

本文描述的实施例大体涉及数据交换系统，并且更具体而言，涉及用于使用通信网络来在系统组件之间交换数据的系统。

背景技术

至少一些已知的系统使用串行传输来控制输入/输出(I/O)装置的网络。一些系统使用主装置，主装置通过串行链路来启动与I/O装置的通信协议，诸如同步数据链路控制(SDLC)协议。在一些这样的系统中，主装置或者在广播模式中操作来同时将命令传送给I/O装置，或者在正常响应模式中操作来仅将命令传送给期望的I/O装置。其它系统使用异步串行传输，以通过经由串行链路传递数据来控制I/O装置的网络。数据暂时存储在缓冲器中，直到目的地装置能够接收和处理数据为止。但是，使用或者同步通信或者异步通信的这样的已知系统需要使用特定的通信协议，诸如SDLC协议，这会增加主单元和I/O装置两者的响应时间。

发明内容

在一方面中，提供一种使用耦接到接口单元的控制器来在网络上交换数据的方法，接口单元具有输入/输出(I/O)模块。该方法包括选择性地将交换模式设置成同步模式和异步模式中的一个，以及确定是否执行输入数据交换或输出数据交换。输入数据交换至少部分地以输入基准为基础，输入基准标识从其中检索输入数据的I/O模块，并且输出数据交换至少部分地以输出基准为基础，输出基准标识用以存储输出数据的I/O模块。

在另一方面中，一种数据交换系统包括具有至少一个输入/输出(I/O)模块的接口单元，以及通过网络而耦接到接口单元的控制器。控制器包括存储区和耦接到存储区的处理器。处理器配置成选择性地将交换模式设置成同步模式或异步模式中的一个，以及确定是否执行输入数据交换或输出数据交换。输入数据交换至少部分地以输入基准为基础，输入基准标识从其中检索输入数据的I/O模块，并且输出数据交换至少部分地以输出基准为基础，输出基准标识用以存储输出数据的I/O模块。

在另一方面中，控制器通过网络而耦接到接口单元上。控制器包括：存储区，其配置成存储与耦接到接口单元的输入/输出(I/O)模块相关联的至少一个存储区位置；以及耦接到存储区的处理器。处理器配置成确定是否执行输入数据交换或输出数据交换。输入数据交换至少部分地以输入基准为基础，输入基准标识从其中检索输入数据的I/O模块，并且输出数据交换至少部分地以输出基准为基础，输出基准标识用以存储输出数据的I/O模块。

附图说明

通过结合附图来参照以下描述，可更好地理解本文描述的实施例。

图1是示例性网络系统的示意性框图。

图2A和图2B形成流程图，其示出了用于使用图1中显示的系统来交换数据的示例性方法。

具体实施方式

本文描述了用于通过网络来交换输入数据和输出数据的方法、系统和设备的示例性实施例。本文描述的实施例使得一个或多个网络能够用于在控制器和一个或多个远程输入/输出(I/O)机架之间可靠且高性能地交换输入数据和输出数据，该一个或多个远程输入/输出(I/O)机架包括接口单元和一个或多个I/O模块。验证数据交换，并且以有利于改进效率的分组级自动地加强数据交换。此外，本文描述的实施例使得大量(诸如好几百个)装置能够在一个或多个网络上交换数据。装置也可远程定位。本文描述的数据交换的同步模式有利于在精确控制的时域和持续时间里交换数据，其中，所有远程I/O机架操作都与控制器的输入和输出扫描循环同步。这种布置有利于减少远程网络化I/O环境中的I/O响应时间。此外，远程I/O机架有效地用作控制器的光纤底面。

图1是示例性冗余网络系统100的示意性框图，该系统100可用于例如自动化系统或工业通信系统，以有利于在系统100内进行高速数据交换。在示例性实施例中，系统100包括多个控制器102、多个接口单元104和多个I/O模块106。在一些实施例中，控制器102布置成冗余对，其中一个控制器102指定为主控制器(其控制系统操作)，而另一个控制器102指定为辅助或备用控制器(其在切换之后承担对系统100的控制)。此外，接口单元104可单独操作，或者可以冗余对布置或冗余的三重布置操作。I/O模块106可为离散模块、模拟模块或离散模块和模拟模块的混合。

每个接口单元104通过第一网络108而耦接到每个控制器102上。更具体而言，系统100包括多个I/O网络108，诸如第一I/O网络110和第二I/O网络112，以在接口单元104和控制器102之间提供冗余通信信道。在示例性实施例中，每个I/O网络108包括一个或多个集线器114，集线器114有利于在控制器102和接口单元104之间路由通信包，包括数据、命令、中断等。另外，每个控制器102通过控制器网络116而耦接到每个其余的控制器102上。更具体而言，系统100包括用以在控制器102之间提供冗余通信信道的多个控制器网络116。另外，控制器网络116可布置成任何适当的拓扑，包括(但不限于)星形网络、环形网络或点对点网络。在示例性实施例中，I/O网络108和控制器网络116是反射式存储器网络。例如，在示例性实施例中，I/O网络108是光纤反射式存储器网络，该网络以大约2.12千兆波特操作，并且允许例如256个控制或计算机平台彼此共享存储器。在一些实施例中，控制或计算机平台能够在16兆字节(MB)和256 MB的控制数据之间进行共享。此外，I/O网络108使用或者多模收发器或者单模收发器，以使得能够在高达大约10千米的距离内进行通信。反射式存储器网络还使得能够有高的网络数据吞吐速率，诸如介于每秒传递43百万字节和174百万字节之间。此外，对于反射式存储器网络的低水平网络包控制使用例如4字节包到64字节包来自动增强网络吞吐量。因此，反射式存储器网络(诸如I/O网络108)提供高性能的控制数据传递和确定。将理解的是，上面描述的共享存储器的大小、距离和/或网络容量仅是示例性的，并且不意于限制本文公开的实施例。

在示例性实施例中，每个控制器102包括处理器118、存储区120、第一网络接口112和第二网络接口124。更具体而言，每个控制器102包括专用于I/O网络108的每个实例的I/O网络接口122，以及专用于控制器网络116的每个实例的控制器网络接口124。在备选实施例中，每个控制器102包括多个处理器118。此外，存储区120可体现为任何适当的存储器装置或应用程序，包括(但不限于)数据库、硬盘装置、固态装置，或者适合于如本文描述的那样存储数据的任何其它装置。另外，在示例性实施例中，存储区120位于控制器102内。备选地，存储区120可包括在控制器102内部或外部或者可由其访问的任何存储区。另外，存储区120或存储在其上的任何数据可与在控制器102本地或远程处(例如，能够通过I/O网络108和/或控制器网络116来访问)的任何服务器或其它计算机相关联。

在示例性实施例中，每个接口单元104包括处理器126、存储区128，以及有利于通过I/O网络108与每个控制器102通信的I/O网络接口130。更具体而言，在示例性实施例中，接口单元104包括专用于I/O网络108的每个实例的I/O网络接口130。在备选实施例中，每个接口单元104包括多个处理器126。此外，存储区128可体现为任何适当的存储器装置或应用程序，包括(但不限于)数据库、硬盘装置、固态装置，或者适合于如本文描述的那样存储数据的任何其它装置。另外，在示例性实施例中，每个集线器114包括用于各自与I/O网络108进行物理连接的专用I/O网络接口132。

图2A和2B共同为流程图200，流程图200示出了用于使用系统100(在图1中显示)来交换数据的示例性方法。首先参照图2A，以及在示例性实施例中，操作者例如将交换模式设置成202或者同步模式或者异步模式。在备选实施例中，基于待在控制器102(在图1中显示)和接口单元104(在图1中显示)之间交换的数据的类型来设置交换模式。在另一个备选实施例中，基于例如控制器102和接口单元104之间的距离来设置交换模式。在其它备选实施例中，可依据任何适当的条件来设置交换模式。在示例性实施例中，控制器102标记存储区120(在图1中显示)中的存储单元(未显示)，以指示待使用的交换模式。同步模式使得能够使用精确地控制的中断驱动式时域来收集和/或传播控制数据，诸如输入数据和/或输出数据。特别地，同步模式使得能够对所有接口单元104基本同时地收集和/或传播控制数据。异步模式使得能够关于时间来收集和/或传播控制数据。相反，异步模式取决于控制器102和接口单元104的扫描速率。在以下描述中，应当注意，使用相同的参考符号来引用在同步模式和异步模式两者中执行的操作。

在示例性实施例中，以及当将交换模式设置成同步模式时，控制器102确定204输入数据交换或输出数据交换是否是必要的。对于同步输入数据交换，控制器102通过I/O网络108(诸如通过第一I/O网络110和/或第二I/O网络112(两者均在图1中显示))将多个控制变量发送到206接口单元104。在一个实施例中，在控制器开始扫描接口单元104的消耗时，控制器102通过I/O网络接口122将控制变量置于I/O网络108上。控制变量包括(但不限于仅包括)数字I/O点、模拟I/O点、I/O变量，以及有利于如本文描述的那样进行高速数据交换的任何其它适当的控制变量。然后控制器102通过I/O网络108将网络中断发送到208接口单元104。在一个实施例中，网络中断包括使接口单元104的至少一部分从I/O模块106获得数据的数据收集命令。响应于数据收集命令，每个接口单元104查询I/O模块106，以得到输入数据，包括数字输入数据和/或模拟输入数据。每个接口单元104通过I/O网络108来发送输入数据、校验和(check sum)、以及控制变量，以被控制器102消耗。控制变量至少包括标识(诸如独特地标识)从其中获得输入数据的每个部分的每个I/O模块106的输入基准。

控制器102等待210预先选择的时间期间，以使得每个接口单元104能够完成其对I/O模块的查询。然后控制器102接收212输入数据。在一个实施例中，控制器102扫描I/O网络108，以获得输入数据、校验和以及控制变量，包括每个I/O模块106的输入基准。控制器102使用例如校验和来验证214输入数据的完整性。如果检测到216错误，则控制器102通过设置一个或多个诊断变量以显示给操作者来产生218错误的通知。如果未检测到216错误，则控制器102基于每个I/O模块106的输入基准来将输入数据存储220在存储区116中。如果未检测到错误，则控制器102等待，直到需要进行随后的数据交换为止。

对于同步输出数据交换，控制器102通过I/O网络108(诸如通过第一I/O网络110和/或第二I/O网络112)将输出数据、校验和以及多个控制变量发送到222接口单元104。在一个实施例中，在控制器扫描接口单元104的消耗的结尾，控制器102通过I/O网络接口122将输出数据、校验和以及控制变量置于I/O网络108上。这里，除了数字I/O点、模拟I/O点和/或I/O变量之外，控制变量至少包括预计输出基准和有利于如本文描述的那样进行高速数据交换的任何其它适当的控制变量。输出基准指示将接收输出数据的 I/O模块106的身份，诸如独特的身份。然后控制器102通过I/O网络108将网络中断发送到224接口单元104。在一个实施例中，网络中断包括使接口单元104中的至少一些将数据存储到I/O模块106的数据存储命令。响应于数据存储命令，每个接口单元104将输出数据存储到I/O模块106，包括数字输出数据和/或模拟输出数据。此外，每个接口单元104使用例如校验和来验证输出数据的完整性。控制器102等待226预先选择的时间期间，以使得每个接口单元104能够完成其对I/O模块的存储。如果检测到228错误，则控制器102通过设置一个或多个诊断变量以显示给操作者来产生230错误的通知。如果未检测到228错误，则控制器102等待，直到需要进行随后的数据交换为止。

现在参照图2B，以及在示例性实施例中，以及当将交换模式设置成异步模式时，控制器102确定204输入数据交换或输出数据交换是否是必要的。对于异步输入数据交换，每个接口单元104查询I/O模块106以得到输入数据，包括数字输入数据和/或模拟输入数据。控制器102通过I/O网络108接收212来自每个接口单元104的输入数据、校验和以及控制变量。在一个实施例中，控制器102扫描I/O网络108，以获得输入数据、校验和以及控制变量，包括每个I/O模块106的输入基准。控制变量至少包括标识(诸如独特地标识)从其中获得输入数据的每个部分的每个I/O模块106的输入基准。

控制器102使用例如校验和来验证214输入数据的完整性。如果检测到216错误，则控制器102通过设置一个或多个诊断变量以将其显示经操作者来产生218错误的通知。如果未检测到216错误，则控制器102基于每个I/O模块106的输入基准来将输入数据存储在220存储区116中。如果未检测到错误，则控制器102等待，直到需要进行随后的数据交换为止。

对于异步输出数据交换，控制器102通过I/O网络108将输出数据、校验和以及多个控制变量发送到222接口单元104。在一个实施例中，在控制器扫描接口单元104的消耗的结尾，控制器102通过I/O网络接口122将输出数据、校验和以及控制变量置于I/O网络108上。这里，除了数字I/O点、模拟I/O点和/或I/O变量之外，控制变量至少包括预计输出基准和有利于如本文描述的那样进行高速数据交换的任何其它适当的控制变量。输出基准指示将接收输出数据的 I/O模块106的身份，诸如独特的身份。每个接口单元104以至少部分地由每个接口单元104的网络扫描速率限定的速率来存储输出数据I/O模块106，其中，输出数据包括数字输出数据和/或模拟输出数据。此外，每个接口单元104使用例如校验和来验证输出数据的完整性。如果检测到228错误，则控制器102通过设置一个或多个诊断变量以将其显示给操作者来产生230错误的通知。如果未检测到228错误，则控制器102等待，直到需要进行随后的数据交换为止。

在一个实施例中，控制器102对每个数据交换(输入和输出两者)使用相同的交换模式，直到交换模式被修改为止。例如，控制器102使用针对输入数据交换和/或输出数据交换而设置的同步模式，直到交换模式变成异步模式为止。类似地，控制器102使用针对输入数据交换和/或输出数据交换而设置的异步模式，直到交换模式变成同步模式为止。在备选实施例中，针对每个数据交换来设置交换模式。

上面详细描述了用于通过网络来交换输入数据和输出数据的方法、系统和设备的示例性实施例。方法、系统和设备不限于本文描述的特定实施例，而是相反，方法的操作和/或系统和/或设备的组件可独立地并且与本文描述的其它操作和/或组件分开来使用。另外，也可与其它系统、方法和/或设备结合起来限定或使用描述的操作和/或组件，并且不限于仅用本文描述的系统、方法和存储介质来实践描述的操作和/或组件。

控制器或接口单元，诸如本文描述的那些，典型地包括至少一些形式的计算机可读介质。以示例而非限制的方式，计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以任何方法或技术实现的易失性和非易失性的、可移动和不可移动的介质，以存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的信息。通信介质典型地包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或在调制数据信号(诸如载波或其它传送机构)中的其它数据，并且通信介质包括任何信息输送介质。本领域技术人员熟悉调制数据信号，其具有其特性组中的一个或多个，或者以对信号中的信息编码的方式改变。以上任一个的组合也包括在计算机可读介质的范围内。

虽然结合示例性控制和/或计算系统环境来描述了本发明，但是可用许多其它通用或专用控制和/或计算系统环境或配置来操作本发明的实施例。控制和/或计算系统环境不意于对本发明的任何方面的使用或功能性的范围提出任何限制。此外，控制和/或计算系统环境不应理解为有与示例性操作环境中示出的组件中的任何一个或组合有关的任何依赖或需要。

可在由一个或多个计算机或其它装置执行的计算机可执行指令(诸如程序组件或模块)的一般语境中描述本发明的实施例。可用任何数量和组织的组件或模块来实现本发明的各方面。例如，本发明的各方面不限于特定的计算机可执行指令或图中示出的以及本文描述的特定的组件或模块。本发明的备选实施例可包括比本文示出和描述的具有更多或更多功能性的不同的计算机可执行指令或组件。

本文示出和描述的本发明的实施例的操作的执行或执行的顺序不是必要的，除非另有规定。也就是说，可按任何顺序来执行操作，除非另有规定，而且本发明的实施例可包括另外的或比本文公开的那些更少的操作。例如，构想到的是，在另一个操作之前、同时或之后进行或执行特定的操作在本发明的各方面的范围内。

在一些实施例中，用语“控制器”大体指示任何计算机系统，包括可编程的自动化控制器(PAC)、可编程的逻辑控制器(PLC)，以及能够如本文描述的那样控制自动化和/或通信功能的任何其它计算机系统。以上示例仅是示例性的，并且从而决不意于限制用语“控制器”的定义和/或含义。

在一些实施例中，用语“处理器”大体指示任何可编程的系统，包括系统和微控制器、精简指令集电路(RISC)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路，以及能够进行本文描述的功能的任何其它电路或处理器。以上示例仅是示例性的，并且从而决不意于限制用语“处理器”的定义和/或含义。

在一些实施例中，用语“数据库”大体指示任何数据集合，包括分级数据库、关系数据库、平面文件数据库、对象关系数据库、面向对象的数据库，以及存储在计算机系统中的任何其它结构化的记录或数据集合。以上示例仅是示例性的，并且从而决不意于限制用语“数据库”的定义和/或含义。数据库的示例包括(但不限于仅包括)Oracle®数据库、MySQL、IBM® DB2、Microsoft® SQL Server、Sybase®和PostgreSQL。但是，可使用使得能够实现本文描述系统和方法的任何数据库。(Oracle是加利福尼亚红木海岸的甲骨文公司的注册商标；IBM是纽约阿蒙克的国际商用机器公司的注册商标；Microsoft是华盛顿雷德蒙的微软公司的注册商标；以及Sybase是加利福尼亚都柏林的赛贝斯的注册商标。)

当介绍本发明或其实施例的各方面的元件时，冠词“一”、、“该”和“所述”意于表示存在元件的一个或多个的意思。用语“包括”、“包含”和“具有”意于为包括性的，并且表示除了列出的元件之外可存在另外的元件的意思。

本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求定义，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种用于使用耦接到至少一个接口单元的控制器来在网络上交换数据的方法，所述至少一个接口单元具有至少一个输入/输出(I/O)模块，所述方法包括：

选择性地将交换模式设置成同步模式和异步模式中的一个；以及

确定是否执行输入数据交换或输出数据交换，所述输入数据交换至少部分地以至少一个输入基准为基础，所述至少一个输入基准标识从其中检索所述输入数据的所述至少一个I/O模块，所述输出数据交换至少部分地以至少一个输出基准为基础，所述至少一个输出基准标识用以存储所述输出数据的所述至少一个I/O模块。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括交换输入数据，包括：

通过所述网络从所述至少一个接口单元接收输入数据和所述至少一个输入基准；以及

基于所述至少一个输入基准，将所述输入数据存储在存储区位置中。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，交换输入数据进一步包括验证所述输入数据的完整性，以及在检测到错误之后产生通知。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，当所述交换模式设置成所述同步模式时，交换输入数据进一步包括通过所述网络将中断发送到所述至少一个接口单元，所述中断包括由所述至少一个接口单元执行、以从根据所述输入基准的所述至少一个I/O模块中检索所述输入数据的数据收集命令。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括交换输出数据，这包括通过所述网络将输出数据和多个控制变量发送到所述至少一个接口单元。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，交换输出数据进一步包括在检测到存储错误之后产生通知。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，当所述交换模式设置成所述同步模式时，交换输出数据进一步包括通过所述网络将中断发送到所述至少一个接口单元，所述中断包括由所述至少一个接口单元执行、以将所述输出数据存储在根据所述至少一个输出基准的所述至少一个I/O模块上的数据存储命令。

8.一种数据交换系统，包括：

包括至少一个输入/输出(I/O)模块的至少一个接口单元；以及

通过网络而耦接到所述至少一个接口单元的控制器，所述控制器包括存储区和耦接到所述存储区的处理器，所述处理器配置成进行下者：

选择性地将交换模式设置成同步模式和异步模式中的一个；以及

确定是否执行输入数据交换或输出数据交换，所述输入数据交换至少部分地以至少一个输入基准为基础，所述至少一个输入基准标识从其中检索所述输入数据的所述至少一个I/O模块，所述输出数据交换至少部分地以至少一个输出基准为基础，所述至少一个输出基准标识用以存储所述输出数据的所述至少一个I/O模块。

9.根据权利要求8所述的数据交换系统，其中，当执行所述输入数据交换时，所述处理器进一步配置成进行下者：

通过所述网络从所述至少一个接口单元接收输入数据和所述至少一个输入基准；以及

基于所述至少一个输入基准，将所述输入数据存储在所述存储区的位置中。

10.根据权利要求9所述的数据交换系统，其中，当执行所述输入数据交换时，所述处理器进一步配置成验证所述输入数据的数据完整性，以及在检测到错误之后产生通知。

11.根据权利要求9所述的数据交换系统，其中，当在所述交换模式设置成所述同步模式的情况下执行所述输入数据交换时，所述处理器进一步配置成通过所述网络将中断发送到所述至少一个接口单元，所述中断包括由所述至少一个接口单元执行、以从根据所述至少一个输入基准的所述至少一个I/O模块中检索所述输入数据的数据收集命令。

12.根据权利要求8所述的数据交换系统，其中，当执行所述输出数据交换时，所述处理器进一步配置成发送输出数据和多个控制变量。

13.根据权利要求12所述的数据交换系统，其中，当执行所述输出数据交换时，所述处理器进一步配置成在检测到存储错误之后产生通知。

14.根据权利要求12所述的数据交换系统，其中，当在所述交换模式设置成所述同步模式的情况下执行所述输出数据交换时，所述处理器进一步配置成通过所述网络将中断发送到所述至少一个接口单元，所述中断包括由所述至少一个接口单元执行、以将所述输出数据存储在根据所述至少一个输出基准的所述至少一个I/O模块上的数据存储命令。

15.一种通过网络而耦接到接口单元的控制器，所述控制器包括：

存储区，其配置成存储与耦接到所述接口单元的输入/输出(I/O)模块相关联的至少一个存储区位置；以及

耦接到所述存储区的处理器，所述处理器配置成确定是否执行输入数据交换或输出数据交换，所述输入数据交换至少部分地以输入基准为基础，所述输入基准标识从其中检索所述输入数据的所述I/O模块，所述输出数据交换至少部分地以输出基准为基础，所述输出基准标识用以存储所述输出数据的所述I/O模块。

16.根据权利要求15所述的控制器，其中，所述处理器配置成选择性地将交换模式设置成同步模式和异步模式中的一个。

17.根据权利要求16所述的控制器，其中，当执行所述输入数据交换时，所述处理器进一步配置成：

通过所述网络从所述接口单元接收输入数据和输入基准；以及

基于所述输入基准，将所述输入数据存储在所述至少一个存储区位置中。

18.根据权利要求17所述的控制器，其中，为了所述输入数据交换，并且在所述交换模式设置成所述同步模式的情况下，所述处理器进一步配置成通过所述网络将中断发送到所述接口单元，所述中断包括由所述接口单元执行、以从根据所述输入基准的所述I/O模块中检索所述输入数据的数据收集命令。

19.根据权利要求16所述的控制器，其中，当执行所述输出数据交换时，所述处理器进一步配置成发送输出数据和多个控制变量。

20.根据权利要求19所述的控制器，其中，为了所述输出数据交换，并且在所述交换模式设置成所述同步模式的情况下，所述处理器进一步配置成通过所述网络将中断发送到所述接口单元，所述中断包括由所述接口单元执行、以将所述输出数据存储在根据所述输出基准的所述I/O模块上的数据存储命令。

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