CN108885573B - 安全装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种安全装置(1)，其具有数据处理单元(10)，所述安全装置(1)用于串行地传输用于控制输出(50,52)和用于请求过程的输入(40,42)的数据(12,13)，并且本发明还涉及一种相应的方法；此外，所述安全装置具有至少一个并行‑串行转换器(20,22,24)和至少一个串行‑并行转换器(30,32,34)，所述并行‑串行转换器具有用于转换用于请求输入(40,42)的数据(13)的移位寄存器，所述串行‑并行转换器具有用于转换用于控制输出(50,52)的数据(12)的移位寄存器，其中，要传输的数据(12,13)含有诊断比特，所述诊断比特由串行‑并行转换器(30,32,34)输出并且被并行‑串行转换器(20,22,24)回读；由数据处理单元(10)检查回读的数据的错误，以便确保安全的数据传输。

Description

安全装置
技术领域
本发明涉及一种安全装置，所述安全装置具有数据处理单元，所述数据处理单元用于串行地传输用于控制过程的输入和输出的数据。
背景技术
在用于安全性要求高的应用情况的安全配电装置中，通常通过光电耦合器电隔离地控制输入和输出。在此，光电耦合器将用于控制开关电路的数字数据传输给传感器与致动器的控制电路。
在现有技术中已知的是，针对每个输入和输出分别使用一个电隔离元件、例如单独的光电耦合器。
因此，具有很多输入及输出的安全配电装置仅针对在其电路板上的大数量的光电耦合器就需要相应的空间需求。此外，所需要的光电耦合器的数量意味着成本因素。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提出一种安全装置，其满足高的安全性要求的同时需要更少的电隔离单元，进而需要更少的空间需求。此外，应确保系统的数据传输的安全性。
上面提到的任务通过一种用于控制过程的输入和输出的安全装置，以及一种用于串行地传输用于控制过程的输入和输出的数据的方法来解决。
特别是，安全装置具有数据处理单元并且还具有至少一个并行-串行转换器、至少一个串行-并行转换器，所述数据处理单元用于串行地传输用于控制输出和请求过程(Prozess)的输入的数据，所述并行-串行转换器具有转换用于请求输入的数据用的移位寄存器，所述串行-并行转换器具有转换用于控制输出的数据用的移位寄存器，其中，要传输的数据含有诊断比特，所述诊断比特由串行-并行转换器输出并且由并行-串行转换器回读，并且由数据处理单元检查回读的数据的错误，以便确保安全的数据传输。
为了节省电隔离的空间亦或使用具有少数量的连接接口的数据处理单元、例如微型控制器，通过本发明，使用至少一个具有移位寄存器的串行-并行转换器或者至少一个具有移位寄存器的并行-串行转换器。这些具有移位寄存器的转换器的优点在于，对于每一个转换器只需要少量的控制信号。这些少量的控制信号在理想状态下可以通过仅一个电隔离元件引导，其中，电隔离元件可以是数字隔离器或者光电耦合器。由此，显著地节省了电隔离元件的数量，进而节省了在安全装置的电路板上的空间和零件成本。
在此，构造有串行的数据传输段，在所述串行的数据传输段中，数据处理单元将用于控制输入和输出的数据优选通过电隔离元件传输到所述至少一个串行-并行转换器上并且由所述至少一个并行-串行转换器读入。
然而，串行的数据传输段对于数据传输的安全性提出较高要求，特别是在安全设备中。因此，根据本发明提出，将诊断比特加入到要传输的数据中，所述诊断比特由串行-并行转换器输出并且由并行-串行转换器回读。由此，由数据处理单元检查被回读的数据的错误，以便确保安全的数据传输。如果回读的诊断比特与所期望的、正确的诊断比特一致，那么可以以高的可靠性由此推断出，整体数据传输无错误地进行。如果回读的诊断比特与所期望的、正确的诊断比特不一致，则存在受干扰的数据传输或者在传输链中的故障，数据处理单元可以识别这一点并且将系统置于安全状态。因此总的来说，可以以高的可靠性确保安全装置和整个系统的数据安全性，正如对于安全性要求高的应用情况所需要的那样。
安全装置优选还具有耦合单元，该耦合单元连接在数据处理单元下游。耦合单元优选包含一种电隔离元件。所述电隔离元件优选可以包含至少一个数字隔离器或光电耦合器。光电耦合器例如以光学方式传输数据，并且因此提供数据传输的完美的电隔离。
数据处理单元优选是安全控制器。所述安全装置优选应用在对于安全性要求高的、由特殊的安全控制器控制的应用情况中。在此种应用情况或安全配电装置中，对于电路来说，必须接受在EN ISO 13849,DIN EN 61508或DIN EN 62061标准中描述的失效模式并可靠地处理。所述安全装置是能够满足上述标准的。
所述安全装置优选具有多个串联的串行-并行转换器和/或者多个串联的并行-串行转换器。所述安全装置的尺寸能按照需要缩放，并且能匹配于输入和输出的数量。
诊断比特优选是一种比特测试模式。通过特征化的比特测试模式能够良好地辨认数据流中的诊断比特并且与有效负载区分。
提供诊断比特的测试模式提高了安全性，因为所述测试模式具有很多比特并且能够扩放，以便确保所需要的安全级别。
优选在串行数据流的不同的比特位置处输出诊断比特、特别是测试模式。安全装置优选可以利用其用于输入和输出的控制的移位寄存器将SPI接口(串行外设接口)与数字电路以简单的方式相互连接。常规的串行数据流优选通过诊断比特或测试模式补充，其中，可以在串行数据流的不同位置处加入诊断比特或测试模式。此外，通过这些不同的比特位置提高了数据安全性，因为可以在动态的不同的比特位置处测试数据流的正确性。相应地，诊断比特或者测试模式也可以在数据流中的不同比特位置处被并行-串行转换器读入。
优选由并行-串行转换器反转地读入诊断比特、特别是测试模式。诊断比特的输出的反转用于确定错误、比如短路。如果在读入诊断比特时不进行反转，则一定存在错误并且由此识别错误。
优选动态地改变诊断比特、特别是测试模式。此外，通过应用变换的不同的诊断比特和测试模式在快速发现错误的同时提高数据传输的安全性。优选针对安全装置的每个传输循环动态地改变诊断比特、特别是测试模式。
数据处理单元优选设立用于执行诊断比特、特别是测试模式与期望值的对比并且在探测到错误时导入过程安全的状态。数据处理单元使用期望值，以便检查诊断比特或测试模式。当数据处理单元识别错误时，所述数据处理单元可以将过程转化成安全状态。
数据处理单元优选设立用于借助于在数据处理单元内部的直接的存储访问、特别是DMA-传输(直接存储器访问传输)执行诊断比特、特别是测试模式与期望值的对比。数据处理单元的DMA-控制器优选执行诊断比特、特别是测试模式的传输，以便在另一个步骤中凭借期望值检查测试模式。中断负载通过DMA-传输而减少，因为不是针对每个被传输的数据触发中断，而是仅当完整传输很多数据时才进行中断。因此，减少数据处理装置的中断负载并且整体上提高安全装置的性能。
每个所述串行-并行转换器输出诊断比特、特别是测试模式，和/或每个所述并行-串行转换器回读诊断比特、特别是测试模式。因此，相同地多次检查每个传输周期的数据传输，这再次提高数据传输的安全性。在此，每个串行-并行转换器优选配设给一个特定的所述并行-串行转换器。这将诊断比特、特别是测试模式均匀地分配到相应的转换器上并且提高了在传输段内的构件的干扰和故障的发现概率。
先前提出的任务也通过一种用于串行地传输用于控制输出并且用于请求过程的输入的数据的方法来解决，所述方法具有如下步骤：
a.借助于数据处理单元串行地传输用于控制输出并且用于请求过程的输入的数据；
b.借助于至少一个并行-串行转换器转换用于请求输入的数据，所述并行-串行转换器具有移位寄存器；
c.借助于至少串行-并行转换器转换用于控制输出的数据，所述串行-并行转换器具有移位寄存器；
d.借助于并行-串行转换器回读由串行-并行转换器输出的数据，其中，要传输的数据含有诊断比特；以及
e.借助于数据处理单元检查回读数据的错误，以便确保安全的数据传播。
在应用此方法时能够显著地节省电隔离元件的数量并且因此节省在安全装置的电路板上的空间和相应的零件成本。同时，以高的可靠性确保安全装置和整个系统的数据安全性，正如对于安全性要求高的应用情况所需要的那样。
优选地，传输并且动态地改变作为测试模式的诊断比特。此外，通过使用变换的测试模式提高数据传输的安全性。
优选地，在串行的数据流的不同的比特位置处输出和/或反转地输出诊断比特、特别是测试模式。此外，诊断比特、特别是测试模式在串行的数据流中的比特位置也可以是固定的。
附图说明
接下来参照附图描述本发明的优选的实施方式。在附图中：
图1示出安全装置的原理电路图，所述安全装置用于控制输出和请求输入；以及
图2示出在输出和回读诊断比特时的图1的原理电路图。
具体实施方式
接下来将借助附图详细描述本发明的优选的实施方式。
图1示出安全装置1的一种实施方式，所述安全装置用于控制在这里未示出的、安全关键的过程的输入40,42及输出50,52。安全装置1包含数据处理单元10、耦合单元60、三个串行-并行转换器30,32,34、模拟-数字转换器或者数字-模拟转换器70、三个并行-串行转换器20,22,24、输入40,42和输出50,52。
安全装置1可以是安全配电装置的一部分或者是安全关键系统的安全控制装置的一部分。这样的安全配电装置或者安全控制装置必须容忍和识别在EN ISO 13849,DIN EN61508或DIN EN 62061标准中描述的失效模式。
数据处理单元10优选是安全控制器或者微型安全控制器并且通过箭头展示的数据连接以及输入及输出40,42,50,52来控制过程。特别是，数据处理单元10通过串行总线SPI(串行外设接口)通信。SPI是同步的串行的数据总线的总线系统，该总线系统可以与数字电路按照主从原则连接。
在数据处理单元10与转换器20,22,24,30,32,34,70之间加入耦合单元60，该耦合单元在数据处理单元10与实际过程之间进行电隔离。这提高了整个系统的安全性。由于利用数据处理单元10进行串行的数据传输，所以仅需要一个耦合单元60电隔离所有输入及输出40,42,50,52。这减少了安全装置的1的材料及空间需求。特别是，耦合单元60包括至少一个电隔离元件、特别是两个光电耦合器或者数字隔离器，针对两个数据传输方向中的每个数据传输方向设置各一个所述光电耦合器或者数字隔离器。
串行-并行转换器30,32,34分别具有移位寄存器并且将传入的串行数据转换为并行数据54，利用所述并行数据控制输出50,52。在此，输出50例如能够输出用于实际过程的控制信息。输出52例如可以提供实际过程的时钟输出。串行-并行转换器30,32,34的移位寄存器的移动方向通过箭头38(参照图2)给出。根据需要，可以将其它串行-并行转换器与所述串行-并行转换器30,32,34串联。
相应地，并行-串行转换器20,22,24分别具有移位寄存器并且将传入的用于请求输入50,52的并行数据44转换为串行数据，所述串行数据被进一步传送给数据处理单元10。在此，输入40例如可以接收实际过程的过程数据。输入42例如可以接收实际过程的状态或诊断信息。并行-串行转换器20,22,24的移位寄存器的移动方向通过箭头28(参照图2)给出。根据需要，可以将其它并行-串行转换器与所述并行-串行转换器20,22,24串联。
模拟-数字转换器或数字-模拟转换器70一方面可以将数字控制信号转换为针对实际过程的模拟控制信号并且输出。另一方面，所述模拟-数字转换器或数字-模拟转换器也可以接收实际过程的模拟的过程信号并且转换为数字的过程信号以便传送给数据处理单元10.
在图2中示意性地示出安全装置1的运行，其中，为了检查要传输的数据的数据安全性，数据一致性和/或数据无错误性以及数据流12中的传播链，从而加入诊断比特。所述检查通过数据处理单元10进行。诊断比特由一个或者多个或者所有的所述串行-并行转换器30,32,34输出。所述诊断比特将和有效负载一起被一个或多个或所有的所述并行-串行转换器20,22,24在一个数据流13中回读并接着通过数据处理单元10检查错误。在此，在数据流13中必须至少传输诊断比特。然而，在数据流13中的有效负载的量是任意的。特别是，所述并行-串行转换器20,22,24中的特定的并行-串行转换器分别读取所述串行-并行转换器30,32,34中的特定的串行-并行转换器的诊断比特，以便能够检查所述诊断比特。在示出的实例中，并行-串行转换器变换器20从数据流中读取串行-并行转换器32的诊断比特，如以箭头14象征表示的那样。相应地，并行-串行转换器24从数据流中读取串行-并行转换器30的诊断比特，如以箭头16象征表示的那样；以及并行-串行转换器22从数据流中读取串行-并行转换器34的诊断比特，如以箭头18象征表示的那样。在此，箭头36象征性地表示由串行-并行转换器34输出诊断比特并且箭头26象征性地表示由并行-串行转换器20回读诊断比特。
相应地，并行-串行转换器20,22,24的输入与串行-并行转换器30,32,34的输出相连接。
诊断比特可以以测试模式、亦即很多诊断比特的形式存在，所述测试模式由并行-串行转换器20,22,24和数据处理单元10可靠地识别并且与有效负载相区分。测试模式可以具有不同的比特长度。所述测试模式也可以在串行的数据流的不同比特位置处输出。也可能的是，反转读入测试模式以用于输出。如果在读入时未进行反转，则一定存在错误。测试模式还可以动态地改变。这种改变可以针对安全装置1的每个传输循环进行。所有这些措施提高了数据安全性以及识别出错误的数据传输或者在传输链内的零件的故障的概率。
每个串行-并行转换器30,32,34可以输出优选独特的测试模式。但是也可能的是，所述串行-并行转换器30,32,34中的一个或者多个串行-并行转换器不输出测试模式或者诊断比特。
带有诊断比特的回读数据通过耦合单元60传输给数据处理单元10，在那里进行数据错误的检查。在此，数据处理单元将接收的诊断比特或者测试模式与期望值、亦即所期望的、正确的诊断比特进行对比。如果回读的诊断比特与期望值一致，那么可以以较高的可靠性由此推断出，整个数据传输无错误地进行。如果回读的诊断比特与期望值不一致，则存在受干扰的数据传输或存在零件的故障。在此情况下，数据处理单元10将系统置于安全状态中，以便避免可能的损伤。
数据处理单元10优选借助在数据处理单元内部的直接的存储访问、特别是DMA-传输执行数据的传输。数据处理单元10优选执行借助DMA-传输进行传输的诊断比特、特别是测试模式与期望值的对比。由此，减少数据传播单元的中断负载并且整体上提高安全装置的性能。
附图标记列表
1 安全装置
10 数据处理单元、安全控制器
12,13 数据流
14,16,18 回读的配置
20,22,24 并行-串行转换器
26 诊断比特的回读
28 移位寄存器的移动方向
30,32,34 串行-并行转换器
36 诊断比特的输出
38 移位寄存器的移动方向
40 过程数据的输入
42 状态或诊断信息的输入
44 并行的数据
50 控制信息的输出
52 时钟输出
54 并行的数据
60 耦合单元
70 模拟-数字转换器或数字-模拟转换器

Claims (15)

1.安全装置(1)，其具有数据处理单元(10)，所述安全装置(1)用于串行地传输用于控制输出(50,52)并且用于请求过程的输入(40,42)的数据(12,13)；此外，所述安全装置
具有至少一个并行-串行转换器(20,22,24)，所述并行-串行转换器具有用于转换用于请求输入(40,42)的数据的移位寄存器；
具有至少一个串行-并行转换器(30,32,34)，所述串行-并行转换器具有用于转换用于控制输出(50,52)的数据的移位寄存器；其中，
要传输的数据(12,13)含有诊断比特，所述诊断比特由所述串行-并行转换器(30,32,34)输出并且由并行-串行转换器(20,22,24)回读；以及
由数据处理单元(10)检查回读的数据的错误，以便确保安全的数据传输。
2.根据权利要求1所述的安全装置，其还具有耦合单元(60)，所述耦合单元连接在数据处理单元(10)下游。
3.根据权利要求2所述的安全装置，其中，所述耦合单元(60)包括至少一个电隔离元件。
4.根据权利要求1至3之一所述的安全装置，其中，所述数据处理单元(10)是安全控制器。
5.根据权利要求1至3之一所述的安全装置，其具有多个串联的串行-并行转换器(30,32,34)和/或多个串联的并行-串行转换器(20,22,24)。
6.根据权利要求1至3之一所述的安全装置，其中，所述诊断比特是比特测试模式。
7.根据权利要求6所述的安全装置，其中，在串行数据流的不同的比特位置处输出诊断比特或者说测试模式。
8.根据权利要求6所述的安全装置，其中，由并行-串行转换器(20,22,24)反转地读入诊断比特或者说测试模式。
9.根据权利要求6所述的安全装置，其中，动态地改变诊断比特或者说测试模式。
10.根据权利要求6所述的安全装置，其中，所述数据处理单元(10)设立用于执行诊断比特或者说测试模式与期望值的对比，以及在探测到错误时导入一个过程的安全状态。
11.根据权利要求10所述的安全装置，其中，所述数据处理单元(10)设立用于借助于在数据处理单元(10)内的直接存储访问来执行诊断比特或者说测试模式与期望值的对比。
12.根据权利要求6所述的安全装置，其中，所述串行-并行转换器(30,32,34)中的每个串行-并行转换器输出诊断比特或者说测试模式和/或所述并行-串行转换器(20,22,24)中的每个并行-串行转换器回读诊断比特或者说测试模式。
13.串行地传输用于控制过程的输出(50,52)的数据的方法，所述方法具有以下步骤：
a.借助于数据处理单元(10)串行地传输用于控制输出(50,52)并且用于请求过程的输入(40,42)的数据(12，13)；
b.借助于至少一个并行-串行转换器(20,22,24)转换用于请求输入(40,42)的数据(44)，所述并行-串行转换器具有移位寄存器；
c.借助于至少一个串行-并行转换器(30,32,34)转换用于控制输出(50,52)的数据，所述串行-并行转换器具有移位寄存器；
d.借助于所述并行-串行转换器(20,22,24)回读由所述串行-并行转换器(30,32,34)输出的数据，其中，要传输的数据含有诊断比特；以及
e.借助于数据处理单元(10)检查回读的数据的错误，以便确保安全的数据传输。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，传输并且动态地改变作为测试模式的诊断比特。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述诊断比特或者说测试模式
a)在串行数据流的不同的比特位置处输出；和/或
b)反转地输出。
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