CN1943178A - 用于传输数据的具有双环状拓扑的系统和所述系统的用户 - Google Patents

Abstract

具有至少三个用户的、用于用在用户之间的两条传输路径来传输数据的系统，其中，传输路径构成了具有分别相反的传输方向的第一环路和第二环路，该系统的特征在于，在每个用户中设置第一连接和第二连接，通过该第一连接，第一环路可以与第二环路相连接，通过该第二连接，第二环路可以与第一环路相连接，其中，在每个用户中处理两个环路的数据。

Description

用于传输数据的具有双环状拓扑的 系统和所述系统的用户

本发明的出发点在于根据独立权利要求的前序部分所述的、一种具有至少三个用户的、用于传输数据和用户之间的至少两条传输路径的系统以及相应的用户。

从示出了环路网络的WO 02/49271 A2中公知这种系统，其中单个用户通过具有分别相反的传输方向的两个环路来连接。除了应用这种朝相反方向的冗余的环形数据路径之外，在其它的表决系统(Votingsystem)中借助超出单个节点之外的冗余的附加连接多重地朝相同方向传输环形网络中的数据。在此，一方面形成了以下缺点，即在大的机械或甚至温度影响的情况下，可能只要是共同敷设就同时一下子中断冗余的附加连接，或者为了避免这点，就需要分离电缆敷设的可观的花费。

在分布式的、尤其是与安全相关的系统或网络中，在所参与的用户之间必需一种即使在故障情况下仍导致可靠的决策或评价的数据交换，也就是必须可靠地识别故障，并且必须采取避免安全损失或系统故障的相应的措施。

这种分布式的与安全相关的系统在车辆领域中例如公知为线传控制(X-by-wire)系统。在此，最重要的任务是确保这种系统的功能方面的安全。在此，现在提出了以下任务，即考虑到从现有技术中公知的系统在所提高的与安全相关的要求的范围内进一步提高故障安全性。

发明优点

本发明从一种具有至少三个用户的、用于用在用户之间的两条传输路径来传输数据的系统出发，其中，这些传输路径构成了具有分别相反的传输方向的第一环路和第二环路，其中，有利地在每个用户中设置了第一连接，通过该第一连接，第一环路可与第二环路相连接，并且设置了第二连接，通过该第二连接，第二环路可与第一环路相连接，更确切地说这样来设置该第一连接和第二连接，使得在电缆连接故障的情况下检测到中断，并且在中断位置上闭合到达的和返回的环路之间的环路。这既可被设置用于线路中断，又可被设置用于单个用户故障。由此也确保了从中断之前的节点到所有其它节点的数据传输。在该网络结构中，即使分开了两个节点之间的所有连接，也总是可以维持所有节点之间的连接。于是因此也可以将往返线路的共同的电缆用于两个节点之间的连接，以便仍然确保提高的故障安全性。通过在每个用户中实现第一连接和第二连接，也总是确保每个用户节点中的时钟的恢复，以该时钟来传输数据。

以适宜的方式在系统中或在每个用户中设置了其中产生状态信息的控制单元。通过相应的连接在环路之间交换该状态信息，由此与在哪个环路中已产生状态信息无关地能分析被包括在其中的故障信息。以适宜的方式尤其是在用于分析状态信息的控制单元中设置分析单元用于进行分析，该分析单元这样来构造，使得如果在分析状态信息时出现了故障，则阻止相应一个环路上的数据传输，并且替代于此地通过通向相应另一个环路的连接来传输数据。在此，以可预定的帧来传输数据，并且以有利的方式设置输入耦合单元，同样尤其是设置控制单元的输入耦合单元，该输入耦合单元将状态信息输入耦合到帧中的可预定的位置上。

如果如上面所提及的那样在每个用户中处理两个环路的数据，则存在附加的冗余，该冗余使得能够，与在哪个环路中出现故障无关地，检测到每个出现的故障，并且采取如数据重定向(Umleitung)那样的相应措施。

以有利的方式，以相同的时钟来运行两个环路，以致在一个用户中设置了至少一个时钟单元，通过该时钟单元以用于传输数据的相同的时钟来运行第一环路和第二环路。这具有以下优点，即在通过第一连接或第二连接进行数据重定向时尽可能地避免费事的时钟匹配过程。

为了提高冗余性此外还适宜地规定，应用至少两个时钟单元，这些时钟单元被分配给至少两个不同的用户或被包括在这些用户中，其中，有利地为了简化本发明系统总是只有一个时钟单元预定用于运行两个环路的时钟，而在第一时钟单元故障时，该至少第二时钟单元才预定该时钟。

在适宜的改进方案中，包括至少两个时钟单元或被分配给这些时钟单元的用户在系统中相互被布置为邻居并相互在空间上邻近地布置，以致能实现时钟主管领域(Takthoheit)的简单发送，并且在空间上邻近处和相邻时可以维持传输路径。

但是，在系统中包括一个时钟单元是足够的，因为基于本发明的结构，用两个连接和用每个用户中的两个环路的数据处理，以及应用共同的时钟，可以从每个用户中的数据传输中实现简单的时钟恢复，而在每个用户中不需要自己的时基、即时钟单元。

从说明书以及权利要求所述的特征中得出了其它优点和有利的改进方案。

附图

以下借助附图来详细阐述本发明。在此，

图1示出了具有相应的表决结构的本发明系统。

图2示出了在出现线路中断时的系统。

图3示出了在一个用户故障时的系统。

在图4中示出了每个用户的内部结构，而在图5中示出了具有自己的时基、即时钟单元的用户的结构。

图6示出了根据本发明的帧结构的实例。

图7示出了本发明系统中的主从组合。

图8示出了主从组合中的主方的故障。

图9示出了主方故障或整个主从组合和附加的备用主方的故障，以及最后

图10示出了在同时出现第二故障时的主方或主从组合的故障，该第二故障诸如选出连接或具有附加备用主方的用户和构成子系统。

现在借助实施例来详细阐述本发明。

实施例的说明

图1示出了具有主从组合100的表决结构，该主从组合100具有主方103和从方104。除此之外，从105至110示出了其它六个用户作为从方、即尤其是没有自己的时钟单元的从方。在两个相反的环路R1和R2中实现了用户103至110的连接，以致将朝相反方向的两条冗余的环形数据路径(正好是R1和R2)用于进行数据传输。主从组合100可以另外提高故障安全性，其方式是除了主方和可以承担主方功能的从方之外同样设置了两个冗余的时钟单元101和102。在此，但是也可以仅设置一个时钟单元，该时钟单元首先被分配给主方，即该时钟单元未被包括在该主方中并且在故障时将时钟信息转交给从方104，以便维持运行。于是在此必需的是，将主方103和从方104布置为邻居和在空间上邻近地来布置，以便能毫无问题地传输时钟信息。

在图2中，现在代替主从组合100，仅仅示出了具有时钟单元201的主方200。根据本发明，应用主从组合100或单独的主方200是可选的和可交换的。如果现在在系统中出现了故障、例如如此处在用户107和108之间示出的线路中断，则可以通过在相应的用户中进行信息重定向来维持系统中的数据传输。也就是说，即使两个节点或用户之间的所有连接中断，在所有节点之间也还存在可靠的数据交换。但是这仅仅由于，根据本发明总是在每个用户中分析和处理两个环路R1和R2的数据，并且与现有技术相反地在用户中不实现数据的简单的传送。仅在以下前提下，即整个用户(这里为用户107)故障，在图3中示出了相同的情况。但是如已经在图2中所说明的那样，这里正好是在余下的用户的节点或用户故障时，也可以继续维持数据传输。

图4现在示出了用户的结构，其中实现了环路之间的横向连接。

这些横向连接在图4中被示为连接1、400V1和被示为连接2、400V2。用户或节点具有第一输入400E1和第一输出400A1，以及具有第二输入400E2和第二输出400A2。通过这些输入和输出原则上能按照环路R1和R2来实现两条传输路径。但是，根据本发明，现在按照每条传输路径设置了在其中产生状态信息的控制单元401或402。该状态信息例如包括有关节点或用户故障的网络信息，或者也包括故障信息，或者也包括两个用户之间的断裂的连接的故障状态。按照每个控制单元401或402，每个用户能够自己产生这种状态信息。于是可以通过环路之间的相应的连接400V1或400V2来交换该状态信息。这通过借助输入耦合单元406将状态信息尤其是输入耦合到数据帧中来实现，该数据帧还将在图6中详述。407用来确定状态信息在帧中的准确位置，这例如可以通过对比特或字节进行计数的计数设备来实现。

同样的情况适用于具有输入耦合单元409和检测单元410的另一方向。同样设置了分析单元405，或针对另一方向设置了分析单元408，用于分析通过输入进入帧中的状态信息。在此，这些单元405、406和407也既可被设置在控制单元中又可被设置在控制单元之外。这也适用于另一个方向，即适用于元件408、409和410。分析单元405或者相反方向上的分析单元408现在用于分析状态信息并且这样来构造，使得如果在分析状态信息时出现故障，正好出现例如连接或用户故障或网络中的其它故障，则在相应的一个环路(也即正常的连接)、这里为400R1上可以阻止数据的传输，并且替代于此地可以通过连接400V1来实现输入耦合。现在可以直接通过转换元件403的控制输入401ST1来实现该连接400V1的激活，以致一方面可以将专用的状态信息馈入朝相反方面的传输帧中的相应位置，同样如任何其它数据信息那样，或在重大故障的情况下，可以实现信息从正常的路径400R1通过连接400V1的完整的重定向。在此，如果在环路R1中出现了故障，则通过通向转换元件404的控制连接401ST2来阻止通过400R1的传输。类似地，这对于另一方向通过控制单元402和分析单元408来实现。这里现在通过控制输入402ST1至少部分地激活了连接400V2，即传输状态信息的或其它数据，直到按照检测元件410进行了整个数据重定向，并且同样可以通过转换元件403的控制输入402ST2来阻止经过400R2的环路R2中的正常的转发。根据本发明可以另外在控制单元之间设置连接，这里虚线示出，以便在控制单元之间根据相应的故障或故障的重要性来调整这种措施，为此可以将这些故障或故障的重要性录入优先级表中。

在图5中现在示出了具有时钟单元511的用户的相同的功能，其中，也在这里设置了控制单元501和502、分析单元505和508、检测单元507和510、输入耦合单元506和509、转换元件503和504、用于激活连接500V1或500V2的相应的控制输入501ST2和501ST1以及502ST2和502ST1，以便实现数据输入耦合到不同的环路中，或将输入500E1转换到输出500A2上或将输入500E2转换到输出500A1上。该用户尤其如下来区分，即该用户包括时钟单元511，并且因此可以在系统中作为主方或备用主方来起作用。在其它方面，所述部分的功能对应于图4中已经说明的功能。这里也可以设置两个用于进行调整的控制单元501和502的连接。

在图6中示范性地设置了用于进行数据传输的帧，以致以同步帧来传输所有数据，其中，给每个参与表决的节点分配了某个数据范围。所建议的帧在这里以标记了帧的始端的前同步码(Praeambel)P来开始。此后，用S示出可以包括从一个比特直至一个字节或多个字节的状态信息。DT1、DT2至DTN对应于参与表决的相应用户T1、T2至TN(即附图中以前为103至110或200)的数据范围。用CI规定了其它的控制信息，而用LI示出环路信息和用EOF来示出帧的末尾(即帧末端)。因此现在根据图4、5和6，通过根据相应的分析单元406、408、506或508来分析环路，和通过将信息传输给特定的状态范围S中的相反的环路，随着相应分析相应下一个节点或用户中的状态信息可以识别故障，并且因此可以输入耦合修正数据，或者在用户或用户之间的线路的故障状态的情况下，可以将状态信息完全转换到相应的连接上。也就是例如针对图4或者图5，来自一个方向的信息、尤其是状态信息通过输入E2(即400E2或500E2)进入到控制单元中，并在该控制单元中被分析，而另一方面该信息在相反方向上通过输入E1(即400E1或500E1)同样进入到控制单元501或401中，并在那里被分析，如图4中所说明的那样。因此可以自动地检测到故障、尤其是两个节点或用户之间的线路的中断，更准确地说正如在该位置上完全拆除两个环路或一个用户完全故障。在此，一个用户作为主方来起作用，并且对于整个网络(即整个系统)预定其时钟单元的时钟。在此，如已经所说明的那样，可以冗余地实现时钟单元，并且在主方用户故障的情况下，每个具有通向这种生成时钟的元件、即通向这种时钟单元的通道的节点可以承担该功能。于是根据故障的严重性，如已经在图2和3中所说明的那样，要么可以实现数据流的完全的转换，即从一个环路重定向到另一个环路，要么但是在较不严重的情况下可以实现旁路。也就是除了从旁边引导之外，在此如已经说明的那样，也可以正好通过输入耦合来自相对的回路的其它控制单元的信息来实现修正。

按照图6，以预定长度的帧来传输系统的信息或数据。在此，例如采用32、64或128个字节，或者也采用任意其它的帧长度。每个帧以前同步码P来开始，并且这样来编码数据，使得例如通过PLL可以实现时钟恢复(Taktrueckgewinnung)。在此可以在电气物理层上实现数据传输，诸如实现低压差分信令LVDS(Low Voltage DifferencialSignaling)或者实现屏蔽双绞线STP(Shealded Twisted Pair)。对于所有激活的节点或用户，即对于参与表决的那些节点或用户，按照相应用户设置了帧位置DT1、DT2至DTN。在此，长度与参与表决的用户或节点的预定数量有关。由于所有节点或用户的同步工作，即由于使用相同的时钟的相同的时钟频率，能旁路不是由有关的用户生成的所有信息或整个数据。这种旁路的最佳的实现必需两个或三个触发器或可比较的存储器和延迟元件，以便能够将可以通过每个用户纳入的新的数据与在帧中的相应结构上的要旁路的数据量进行同步。因此，与有关用户的要嵌入的数据量或要嵌入的数据无关地，在每个节点处将整个数据结构或整个数据仅仅延迟两个或三个时钟，并且因而看来对于所有进行接收的用户几乎是同时的。如果将所确定的帧位置用于每个用户的数据，则不必需地址开销(Adress-Overhead)。因此可以将整个数据速率或整个帧几乎完全用于可使用的信息。也对于复杂的过程，与同时传输所有节点组合地形成了非常短的数据交换周期。

在此处应再次简短地说明表决过程或评价过程。为了执行表决，每个用户必须能实施简单的算术、逻辑和比较运算。为此例如每个表决单元中的简单的或小的处理器可用来实施这些任务。该小的处理器于是可以是控制单元，或是被包括在该控制单元中，以便控制数据流、分析状态信息和检验用户的正确的操作，如在图4和图5中所说明的那样。系统的不同的用户相互独立地实施评价过程、即表决。每个用户获得例如传感器的输入量，并且将这些输入量用于核算过程或计算过程。根据对于安全系统所必需的不同类型的传感器，可以在可容忍的数量级上来区分用户的输入量。但是为了仍然从相同的输入量开始，因此可以在表决的评价过程开始时来交换、评价所有输入量，并且根据各个计算来相应地进行替代。作为第二步于是执行计算，并且交换结果。此后，于是可以在每个用户中执行表决，并且同样可以交换评价结果。于是通过分析这些表决结果可以影响执行元件，以便实现所希望的系统反应。可以将在表决过程结束时提供不可接受的结果的用户排除在评价之外。因此，用户、尤其是在排除之后剩下的用户可以匹配的方式和方法没有显著影响全局系统特性地来动作。在此，用于互相分开该评价过程的不同阶段的信息可以同样被安置在状态信息中，正如这些数据的有效性那样的所传输的该类数据。同样还有系统状态和活动的用户的数量以及鉴于表决的这些用户的状态。因此，每个用户可以评价任何其它用户的状态，并且在有差异时可以因此容易地发现故障。甚至于当每个用户已被排除在表决过程之外时，这仍然是可能的，因为每个用户可以得到所有其它用户的所有信息。因此，例如通过主方决策而与评价结果重新一致时，也可以重新将已经被排除的用户接纳到表决过程中。以这种方式和方法可以识别和掌握用户处的、仅导致暂时性排除用户的尤其是瞬时的故障。

在每个用户中应检验到达的数据信息，例如对于代码差错、前同步码、字节数量、帧的数量、EOF字节等等进行检验。在缺少系统活动或帧结构中的差错或尤其是过程节点或用户的其它出现的故障的情况下，如上所述可以排除该用户。由于该原因，在控制信息CI之后引入了环路信息LI，以便将一个环路(即一个传输方向)的信息传送到另一个环路上或另一个传输方向，以便确定来自两个传输方向或来自两个环路R1、R2的用户的可访问性。因此，由于所有非主方用户得到与主方用户同样的信息，所以这些非主方用户同样可监控该主方用户，并且在无法说明的主方决策的情况下自主地动作。因此可以主动地将主方同样像有故障的非主方那样排除在系统之外；要么用旁路，要么没有系统中的重大安全风险地通过重定向来冒风险，以致在单个或多个故障时总是出现最高可能的功能性。这在以下再次借助图7至10来详细阐述。

图7还再次示出了具有主从装置700、主方103和非主方用户104的系统结构。在块701中示出了冗余的时钟单元702和703，这些时钟单元702和703要么可被分配给主方103，要么可被分配给非主方104，并且因此对于系统，即具有用户105至110以及103和104的环路R1和R2可以预定时钟。通过实现具有多个时钟发生器或时钟单元702和703的该主从组合700，和通过实现主方和非主方之间的空间上的邻近，也能在故障时用迄今的数据路径的替代物来简单替代主方，如在图8中所说明的那样。如果主方103故障，则一方面关于环路1可以建立从用户104到用户110的连接，而另一方面关于环路2可以通过绕过有损伤的主方103建立用户110和用户104之间的连接。在主从组合或甚至如图9中所示的具有时钟单元的简单主方200整个故障时，如所示的那样仍然可以维持其余用户105至110的运行，只要备用主方(这里为107b)具有对其它时钟单元900的访问，也仍维持该运行。也可以在系统中多重设置这种等效主方或备用主方，以致这里安全定标(Sicherheitsskalierung)或故障定标也是可能的。因此例如通过替代具有对时钟单元1001和1002进行访问的两个备用主方(如图10中所说明的那样)105b和110b在主方200和用户107与108之间的连接同时故障时，也可以实现子系统的构成，这些子系统在其方面继续维持某种基本功能。如果在这种子系统中继续包括三个或多个用户，则同样可以继续执行表决、即评价，更确切地说对于由这些用户控制的功能来继续执行表决、即评价。在其它两个剩下的用户中，在正是从相同性方面来对功能性进行比较时，可以实现至少一种付费安全(Pay-Safe)评价。根据在系统中所应用的时钟单元、即根据数量和装置，可以因此在故障安全性范围内实现定标，其方式是可以预定潜在的子网络。

因此，利用该本发明的解决方案可以示出具有高实时要求的、用于对安全要求严格的应用的系统。特定地在主方故障时的浮动(gleitend)主方的情况下，迄今曾须考虑高的振荡时间、尤其是新的系统频率(即新的时钟)上的PLL。这可以通过避免该浮动主方的可能性以及通过针对两个环路或传输路径采用相同的时钟来回避。同时可以实现完全的安全性，因为在具有相应功能的本结构中，在两个用户之间的所有的连接中断时，或甚至在一个用户、尤其是主方完全故障的中断时，确保了完整的数据交换。因此，本发明可以有利地用于所有对安全要求严格的应用、尤其是用在线传控制系统中，并且特定地到处用在执行评价、即表决的场合。

Claims (14)

1.具有至少三个用户的、用于用在所述用户之间的两条传输路径来传输数据的系统，其中，所述传输路径构成了具有分别相反的传输方向的第一环路和第二环路，其特征在于，在每个用户中设置了第一连接和第二连接，通过该第一连接，所述第一环路可以与所述第二环路相连接，通过该第二连接，所述第二环路可以与所述第一环路相连接，其中，在每个用户中处理所述两个环路的数据。

2.按权利要求1所述的系统，其特征在于，设置了至少一个在其中产生状态信息的控制单元。

3.按权利要求2所述的系统，其特征在于，通过连接来交换所述环路之间的状态信息。

4.按权利要求2所述的系统，其特征在于，尤其是在所述控制单元中设置了分析单元，用于分析所述状态信息，该分析单元这样来构造，使得如果在分析所述状态信息时出现了故障，则阻止相应一个环路上的数据的传输，并且替代于此地通过通向相应另一环路的连接来传输数据。

5.按权利要求2所述的系统，其特征在于，以可预定的帧来传输数据，并且尤其是在所述控制单元中设置输入耦合单元，该输入耦合单元将所述状态信息输入耦合到帧中的可预定的位置上。

6.按权利要求1所述的系统，其特征在于，在一个用户中设置了至少一个时钟单元，通过该时钟单元，以用于传输数据的相同的时钟来运行所述第一环路和第二环路。

7.按权利要求6所述的系统，其特征在于，设置了至少两个时钟单元，并且所述时钟单元被包括在至少两个不同的用户中。

8.按权利要求7所述的系统，其特征在于，总是只有一个时钟单元预定用于运行两个环路的时钟，并且在第一时钟单元故障时，所述至少第二时钟单元才预定所述时钟。

9.按权利要求7所述的系统，其特征在于，包括至少两个时钟单元的所述用户相互被布置为系统中的邻居和相互在空间邻近地来布置。

10.用于传输数据的系统的用户，其中，所述用户具有用于朝第一方向传输数据的第一输入和第一输出，并且具有用于朝第二方向传输数据的第二输入和第二输出，其中，所述第一和第二方向是互相相反的，其特征在于，设置了第一连接，通过该第一连接，所述第一输入可以与所述第二输出相连接，并且设置了第二连接，通过该第二连接，所述第二输入可以与所述第一输出相连接，其中，在所述用户中处理两个方向的数据。

11.按权利要求10所述的用户，其特征在于，设置了至少一个在其中产生状态信息的控制单元。

12.按权利要求11所述的用户，其特征在于，通过所述两个连接中的一个来交换所述环路之间的状态信息。

13.按权利要求11所述的用户，其特征在于，尤其是在所述控制单元中设置分析单元，用于分析所述状态信息，该分析单元这样来构造，使得如果在分析所述状态信息时出现了故障，则阻止在相应一个输出上的数据的传输，并且替代于此地通过通向相应另一个输出的所述连接来传输所述数据。

14.按权利要求11所述的用户，其特征在于，以可预定的帧来传输所述数据，并且尤其是在所述控制单元中设置输入耦合单元，该输入耦合单元将所述状态信息输入耦合到帧中的可预定的位置上。

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