DE10048335A1

DE10048335A1 - Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten zwischen einem Taktgeber und einem Kommunikationsteilnehmer in einem Kommunikationsnetzwerk mit Verkettungstopologie, darauf aufbauende Verzögerungszeitkompensation sowie korrespondierendes Kommunikationsnetzwerk

Info

Publication number: DE10048335A1
Application number: DE2000148335
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hahn; Steffen Hellmich; Walter Moeller-Nehring
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-25
Also published as: WO2002028004A2; WO2002028004A3

Abstract

Eine Messung von Verzögerungszeiten (DELTAT) erfolgt, indem der Taktgeber ein Telegramm mit einer bekannten Telegrammlaufzeit an den Kommunikationsteilnehmer über das Kommunikationsnetzwerk aussendet und damit verbunden einen Zeitmessvorgang startet. Beim Empfang einer Antwort des Kommunikationsteilnehmers wird der Zeitmessvorgang dann beendet und aus der gemessenen Antwortzeit (T¶A¶) anhand der jeweils bekannten Telegrammlaufzeiten (T¶TL¶) und der Reaktionszeit (T¶R¶) des Teilnehmers eine übertragungsbedingte Verzögerungszeit bestimmt. Wenn eine Verzögerungszeit für Hin-und Rückweg gleich ist, dann wird diese nach folgender Berechnungsvorschrift bestimmt: DELTAT = (T¶A¶ - T¶R¶ - T¶TL¶) /2.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Verzöge rungszeiten zwischen einem Taktgeber und einem Kommunikati onsteilnehmer in einem Kommunikationsnetzwerk mit Verket tungstopologie, ein darauf aufbauendes Verfahren zur Verzöge rungszeitkompensation sowie ein korrespondierendes Kommunika tionsnetzwerk.

In Kommunikationsnetzwerken kommt es häufig übertragungsbe dingt zu Verzögerungen zwischen dem Zeitpunkt, zu dem eine Information von einem Sender ausgesendet wird, und dem Zeit punkt, zu dem diese Information im Empfänger verfügbar ist. In synchronen Netzwerken, bei denen sich alle Kommunikations teilnehmer auf eine einheitliche Zeitbasis beziehen, führen solche Übertragungsverzögerungen dazu, dass die von einem ge meinsamen Taktgeber erzeugte Zeitinformation von den ver schieden Netzwerkteilnehmern nach unterschiedlichen, von Netztopologie und Übertragungsstrecke abhängigen Verzögerun gen empfangen wird.

Dadurch wird die erreichbare Genauigkeit im Hinblick auf eine Synchronität (Gleichzeitigkeit) der Kommunikationsteilnehmer beschränkt, falls keine Kompensationsmaßnahmen getroffen wer den.

Die Größe der Verzögerungszeiten wird bestimmt durch die Laufzeiten der Zeitinformation durch die verschiedenen Be standteile der Übertragungsstrecke des Kommunikationsnetz werks. Ziel ist es, Synchronität zu erreichen, also eine Gleichzeitigkeit bestimmter Zeitpunkte.

Beispiele für Verzögerungen in einer Übertragungsstrecke sind:

- eine Verzögerung in Kabeln aus Kupfer oder in Lichtwellen leitern beträgt ca. 5 ns/m,
- eine Verzögerung in einem Ethernet-Netzwerk beträgt pro Ethernet Hub (inklusive PHY's) ca. 300 ns,
- eine Verzögerung in einem Feldbussystem wie z. B. dem Pro fibus liegt pro Profibus LWL-Repeater (inklusive Transceiver) bei 415 ns oder darüber.

Die sehr hohen Genauigkeitsforderungen an die Synchronität der Teilnehmer in Anwendungen mit Echtzeitforderungen, wie z. B. bei Gleichlauf und Interpolation von Antrieben in der Automatisierungstechnik (z. B. numerisch gesteuerte Werkzeug maschinen oder Roboter), führen dazu, dass diese Verzögerun gen je nach verwendetem Kommunikationssystem oft nicht ver nachlässigt werden können.

Bei Verwendung von Netzwerktechnologien, die die Verbindung der Kommunikationsteilnehmer aus Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aufbauen, werden üblicherweise in jedem Teilnehmer aktive Komponenten zur Auffrischung und Weiterleitung des Signals an nachfolgende Teilnehmer verwendet. Diese aktiven Komponenten erzeugen aber deutliche Verzögerungen des Signals. Solche nicht zu vernachlässigenden Verzögerungen müssen mittels ge eigneter Methoden kompensiert werden.

Bei den meisten digitalen seriellen Kommunikationssystemen wird die Verzögerungszeit als nicht relevant betrachtet, da die zulässigen Fehler der Teilnehmersynchronisation viel grö ßer sein dürfen, als die Verzögerungszeiten durch die Über tragungsstrecken.

Bei höheren Anforderungen bzgl. der Synchronisationsgenauig keit wird z. B. bei bekannten seriellen Bussystemen für die Servo-Antriebstechnik die Topologie der Kommunikationsteilnehmerverbindung erfasst oder vorgegeben. Daraus werden dann synthetische Verzögerungswerte berechnet, die anschließend einer Kompensationsstrategie zugeführt werden.

Um jedoch eine genaue Kompensation zu ermöglichen, muss die Verzögerungszeit der Übertragungsstrecke zwischen den kommu nizierenden Teilnehmern bekannt sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Methode zu schaffen, mit der alle Verzögerungszeiten in der gesamten Strecke zwischen Zeitinformationssendern und Zeitinformati onsempfängern in einem Kommunikationsnetzwerk erfasst werden können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten zwischen einem Taktgeber und einem Kommunikationsteilnehmer in einem Kommu nikationsnetzwerk mit Verkettungstopologie gelöst, indem der Taktgeber ein Telegramm mit einer bekannten Telegrammlaufzeit an den Kommunikationsteilnehmer über das Kommunikationsnetz werk aussendet und damit verbunden einen Zeitmessvorgang startet. Beim Empfang einer Antwort des Kommunikationsteil nehmers auf das Telegramm wird der Zeitmessvorgang dann been det und aus der gemessenen Antwortzeit anhand der jeweils be kannten Telegrammlaufzeit zum Kommunikationsteilnehmer, der Reaktionszeit des Kommunikationsteilnehmers und der Tele grammlaufzeit der Antwort zum Taktgeber eine übertragungs bedingte Verzögerungszeit bestimmt.

Besonders einfach und damit effektiv lässt sich dieses Ver fahren nach der Erfindung einsetzen, wenn die Topologie des Kommunikationsnetzwerks derart ausgestaltet ist, dass der Te legrammweg für die Übertragung zum Kommunikationsteilnehmer und der Telegrammweg von diesem zurück zum Taktgeber annä hernd gleich ist und eine übertragungsbedingte Verzögerungs zeit nach folgender Berechnungsvorschrift bestimmt wird:
Verzögerungszeit = (Antwortzeit - Reaktionszeit des Kommu nikationsteilnehmers - Telegrammlaufzeit)/2.

Ein Möglichkeit der Durchführung des erfindungemäßen Verfah rens besteht darin, dieses einmalig zum Zeitpunkt des Kommu nikationsbeginns innerhalb des Kommunikationsnetzwerks anzu wenden.

Jedoch hat es sich als günstig herausgestellt, wenn durch mehrfache, insbesondere durch kontinuierliche, Messungen von übertragungsbedingten Verzögerungszeiten aus diesen ein sta tistischer Mittelwert für eine dem Kommunikationsteilnehmer zugeordnete Verzögerungszeit ermittelt wird.

Dadurch lässt sich der Einfluss von zufälligen Laufzeit schwankungen eliminieren und es lassen sich neben statischen auch dynamische Anteile von Verzögerungszeiten messen.

Dies ist vor allem dann besonders vorteilhaft, wenn das er findungsgemäße Verfahren zwischen dem Taktgeber und jedem Kommunikationsteilnehmer des Kommunikationsnetzwerks durch geführt wird.

Indem das Kommunikationsnetzwerk ein synchrones Netzwerk ist und die Verzögerungszeitmessung zur Kommunikationsteilnehmer synchronisation dient, lässt sich auf einfache Weise die vor angehend beschriebene erwünschte Synchronität für hohe Genau igkeitsanforderungen realisieren.

Um Fehler bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfin dung festzustellen, hat es sich als günstig erwiesen, wenn zur Durchführung des Zeitmessvorgangs seitens des Taktgebers ein Timer vorgesehen ist, wobei eine Störung des Messvorgangs einer übertragungsbedingten Verzögerungszeit anhand eines Überlaufs des Timers erkennbar ist.

Wenn die Verzögerungszeit der Übertragungsstrecke zwischen den kommunizierenden Teilnehmern durch das Verfahren nach der Erfindung bekannt ist, dann wird dadurch auch eine geeignete Kompensation ermöglicht, indem für jeden Kommunikationsteil nehmer anhand der so ermittelten Verzögerungszeit ein jewei liger zugeordneter Korrekturwert ermittelt wird, der im Zeit gefüge von zwischen den Kommunikationsteilnehmern ausge tauschten zeitgesteuerten Telegrammen berücksichtigt wird.

Besonders vorteilhaft lässt sich dies auch in einem Kommuni kationsnetzwerk mit Master-Slave-Struktur realisieren, indem eine Mastereinheit als Taktgeber fungiert und die Kommunika tionsteilnehmer Slaveeinheiten darstellen.

Dabei hat sich die Erfindung als besonders geeignet für ein digitales serielles Kommunikationsnetzwerk mit Verkettungs topologie erwiesen.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung lassen sich somit insbe sondere folgende Vorteile erzielen:
Durch die Messung der Verzögerungszeit ist eine wesentlich genauere Kompensation möglich, da alle im realen Übertra gungsweg verzögernd wirkenden Komponenten berücksichtigt wer den und die Messung für jeden Teilnehmer individuell durchge führt wird.

Die Verzögerungszeitmessung und -kompensation können automa tisch erfolgen, das heißt, es ist dafür kein manueller Konfi gurations- oder Bedienungsaufwand nötig.

Durch Mehrfachmessungen ist es möglich, den Einfluss von Laufzeitschwankungen, z. B. durch Temperaturdrift, zu minimie ren.

Dies ist insbesondere in den folgenden Faktoren begründet:

- in der Art der Ermittlung der Verzögerungszeiten, vor al lem der Berücksichtigung der gesamten realen Übertragungs strecke für jeden Teilnehmer,
- in der automatischen mehrfachen oder andauernden Wiederho lung der Messung,
- in der Schaffung der Voraussetzungen für eine automatische Kompensation der statischen und dynamischen Anteile der Verzögerungszeiten,
- in der Möglichkeit, digitale Netzwerke für zeitsynchrone Anwendungen einzusetzen.

Weitere Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich an hand des folgenden Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren. Es zeigt:

Fig. 1 ein Kommunikationssystem mit Verkettungstopologie mit Taktgeber und mehreren Kommunikationsteilneh mern,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung des Effekts von übertragungsbedingten Verzögerungszeiten und

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Messung einer Verzögerungszeit nach der Erfindung.

Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt ein einfaches Kommunikati onsnetzwerk K mit Verkettungstopologie, das einen Taktgeber TG und mehrere Kommunikationsteilnehmer TN2 und TNn aufweist. Diese sind über Kommunikationsstrecken wie Kupferkabel oder Lichtwellenleiter in Form von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen untereinander verbunden. Jeder Kommunikationsteilnehmer dient, abgesehen von der Verarbeitung ihm zugewiesener Daten, auch zum Auffrischen, Verteilen und Weiterleiten (z. B. in Form von Repeatern oder Switches) von Daten, die in der Regel in Form von Telegrammen zwischen den Kommunikationsteilneh mern ausgetauscht werden.

Der durch übertragungsbedingte Verzögerungszeiten erzielte negative Effekt soll anhand eines beispielhaft vom Taktgeber zum Kommunikationsteilnehmer TNn übertragenes Telegramm TL skizziert werden. Dies ist mittels eines vom Taktgeber TG zum Kommunikationsteilnehmer TNn gezogenen Pfeil angedeutet.

Die Darstellung nach Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm zur Veran schaulichung des Effekts von übertragungsbedingten Verzöge rungszeiten, wobei zwei von dem Taktgeber TG ausgesendete Te legramme TL über die Laufzeit übereinander aufgetragen sind. Die obere Zeile zeigt diese Telegramme TL zum Zeitpunkt des Aussendens durch den Taktgeber TG. Darunter sind die Tele gramme als TL2 zu dem Zeitpunkt des Eintreffens bei dem Kom munikationsteilnehmer TN2 gezeigt. Es ist erkennbar, dass aufgrund der zu überwindenden Übertragungsstrecke bereits eine leichte zeitliche Verzögerung vorliegt. In der untersten Zeile sind die zwei Telegramme als TLn zu dem Zeitpunkt ge zeigt, in dem diese in dem eigentlich adressierten Kommunika tionsteilnehmer TNn eintreffen, also die gesamte übertra gungsstrecke des in Fig. 1 gezeigten Kommunikationsnetzwerks K über winden musste. Gegenüber dem Aussendezeitpunkt durch den Taktgeber TG tritt eine deutliche Verzögerungszeit ΔT auf. Diese gilt es erfindungsgemäß zu ermitteln.

Die Verzögerungszeiten zwischen dem Taktgeber TG und den Kom munikationsteilnehmern TN2. . .TNn werden hierzu entweder zum Zeitpunkt des Kommunikationshochlaufes oder regelmäßig wäh rend des Kommunikationsverlaufes vom Taktgeber TG ausgemes sen. Dazu wird ein dafür bestimmtes Telegramm TL des Taktge bers als Sender der Zeitinformation verwendet, auf das der angesprochene Kommunikationsteilnehmer mit einer bekannten Reaktionszeit T_R antwortet. Zur Messung wird beim Aussenden dieses Telegramms TL im Sender ein Zeitmessvorgang gestartet, der beim Empfang der Antwort beendet wird.

Die Antwortzeit T_A setzt sich dann aus folgenden Bestandtei len zusammen:

- der bekannten Telegrammlaufzeit T_TL zum Kommunikations teilnehmer,
- der bekannten Reaktionszeit T_R des Kommunikationsteilneh mers,
- der bekannten Telegrammlaufzeit T_TL der Antwort an den Taktgenerator.

Unter Voraussetzung einer Netzwerktopologie, in der der Tele grammweg für die Hin- und Rückübertragung annähernd gleich ist (z. B. ein Kabel oder parallel geführte Leitungen, identi sche aktive und passive Komponenten in der Übertragungsstre cke), kann die Verzögerungszeit ΔT der Übertragungsstrecke wie folgt berechnet werden:

Verzögerungszeit = (Antwortzeit - Tellnehmerreaktionszeit - Telegrammlaufzeit)/2

oder

ΔT = (T_A - T_R - T_TL)/2 (1)

Dies wird anhand des in Fig. 3 gezeigten Zeitdiagramms deut lich, in dem diese Zeitkomponenten anhand einer Master-Slave- Kommunikation erläutert sind. Eine Mastereinheit M in der Funktion des Taktgenerators sendet ein Telegramm S_TL(MS) mit der Telegrammlaufzeit T_TL an eine Slaveeinheit S. Das von dieser empfangene Telegramm ist als Empfangstelegramm mit R_TL(MS) bezeichnet.

Gegenüber dem Telegrammende von S_TL(MS) trifft R_TL(MS) mit einer zeitlichen Verzögerung bei der Slaveeinheit S vollstän dig ein. Die zeitliche Differenz der beiden Telegrammenden von S_TL(MS) und R_TL(MS) stellen somit die übertragungsbe dingte Verzögerungszeit ΔT dar.

Innerhalb der Slaveeinheit S läuft nun die - auf Seiten der Mastereinheit M bekannte - Reaktionszeit T_R ab, bevor die Slaveeinheit S ein Antworttelegramm S_TL(SM) an die Master einheit M zurücksendet. Das Antworttelegramm S_TL(SM) besitzt in dem der Fig. 3 zugrundegelegten Fall ebenfalls die Tele grammlaufzeit T_TL und trifft als R_TL(SM) wiederum mit der übertragungsbedingten Verzögerungszeit ΔT ein. Die in der Mastereinheit M gemessene Antwortzeit T_A bemisst sich dement sprechend vom Ende des von der Mastereinheit M ausgesendeten Telegramms S_TL(MS) bis zum Ende des von der Mastereinheit M empfangenen Telegramms R_TL(SM). Daraus lässt sich die voran gehend beschriebene Berechnungsvorschrift ableiten.

Die Messung kann vorteilhafterweise zur Erhöhung der Genauig keit mehrfach wiederholt werden. Aus mehrfachen oder auch kontinuierlichen Messungen wird ein genauer Wert (statisti scher Mittelwert) für jeden Kommunikationsteilnehmer errech net.

Dadurch wird der Einfluss von zufälligen Laufzeitschwankungen bei der Messung, z. B. verursacht durch Einsynchronisations effekte in beispielsweise Repeatern oder PHY's (bei Ethernet) minimiert.

Die gemessene Verzögerungszeit kann dann einer Methode zur Kompensation dieser individuellen Telegrammübertragungsver zögerung zugeführt werden. Für jeden Slave wird z. B. aus der so gemessenen Telegrammverzögerungszeit ΔT ein Korrekturwert ermittelt und im Zeitplan der zeitgesteuerten Telegramme TL berücksichtigt.

Eine mögliche Realisierung der Erfindung kann z. B. im Rahmen eines neuen Kommunikationssystems für Antriebskomponenten er folgen. Die für die Verzögerungszeitmessung nötigen Schaltun gen wie Timer und Antwortmechanismus können in die entspre chenden Kommunikationsblöcke integriert werden.

Die Verzögerungszeit wird beispielsweise beim Hochlauf des Systems gemessen. Der Zeitzähler (Timer) wird dabei z. B. mit einem 50 MHz Takt angesteuert und hat eine Wortlänge von 16 Bit. Damit ist eine Verzögerungszeit von ca. 1,3 ms erfassbar. Eine Störung des Messvorgangs kann dabei durch einen Timer überlauf erkannt werden.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten (ΔT) zwischen einem Taktgeber (TG) und einem Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) in einem Kommunikationsnetzwerk (K) mit Verket tungstopologie, wobei
der Taktgeber (TG) ein Telegramm (TL) mit einer bekannten Telegrammlaufzeit (T_TL) an den Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) über das Kommunikationsnetzwerk (K) aussendet (S_TL(MS)) und damit verbunden einen Zeitmessvorgang star tet,
der beim Empfang einer Antwort (R_TL(SM)) des Kommunikati onsteilnehmers (TN2. . .TNn) auf das Telegramm (TL) beendet wird, wobei
aus der gemessenen Antwortzeit (T_A) anhand der jeweils be kannten Telegrammlaufzeit (T_TL) zum Kommunikationsteilneh mer (TN2. . .TNn), der Reaktionszeit (T_R) des Kommunika tionsteilnehmers (TN2. . .TNn) und der Telegrammlaufzeit (T_TL) der Antwort zum Taktgeber (TG) eine übertragungsbe dingte Verzögerungszeit (ΔT) bestimmt wird.

2. Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten (ΔT) zwischen einem Taktgeber (TG) und einem Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) in einem Kommunikationsnetzwerk (K) mit Verket tungstopologie nach Anspruch 1, wobei
die Topologie des Kommunikationsnetzwerks (K) derart aus gestaltet ist, dass der Telegrammweg für die Übertragung zum Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) und der Tele grammweg von diesem zurück zum Taktgeber (TG) annähernd gleich ist und eine übertragungsbedingte Verzögerungszeit (ΔT) nach folgender Berechnungsvorschrift bestimmt wird:
Verzögerungszeit = (Antwortzeit - Reaktionszeit des Kom munikationsteilnehmers - Telegrammlaufzeit)/2.

3. Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten (ΔT) zwischen einem Taktgeber (TG) und einem Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) in einem Kommunikationsnetzwerk (K) mit Verket tungstopologie nach Anspruch 1 oder 2, wobei
dieses einmalig zum Zeitpunkt des Kommunikationsbeginns innerhalb des Kommunikationsnetzwerks (K) durchgeführt wird.

4. Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten (ΔT) zwischen einem Taktgeber (TG) und einem Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) in einem Kommunikationsnetzwerk (K) mit Verket tungstopologie nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch mehrfache, insbesondere durch kontinuierliche, Mes sungen von übertragungsbedingten Verzögerungszeiten (ΔT) aus diesen ein statistischer Mittelwert für eine dem Kom munikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) zugeordnete Verzöge rungszeit (ΔT) ermittelt wird.

5. Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten (ΔT) zwischen einem Taktgeber (TG) und einem Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) in einem Kommunikationsnetzwerk (K) mit Verket tungstopologie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei dieses zwischen dem Taktgeber (TG) und jedem Kommunikati onsteilnehmer (TN2. . .TNn) des Kommunikationsnetzwerks (K) durchgeführt wird.

6. Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten (ΔT) zwischen einem Taktgeber (TG) und einem Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) in einem Kommunikationsnetzwerk (K) mit Verket tungstopologie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
das Kommunikationsnetzwerk (K) ein synchrones Netzwerk ist und
die Verzögerungszeitmessung zur Synchronisation von Kom munikationsteilnehmern (TN2. . .TNn) dient.

7. Verfahren zur Messung von Verzögerungszeiten (ΔT) zwischen einem Taktgeber (TG) und einem Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) in einem Kommunikationsnetzwerk (K) mit Verket tungstopologie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
zur Durchführung des Zeitmessvorgangs seitens des Taktge bers (TG) ein Timer vorgesehen ist, wobei
eine Störung des Messvorgangs einer übertragungsbedingten Verzögerungszeit (ΔT) anhand eines Überlaufs des Timers erkennbar ist.

8. Verfahren zur Kompensation einer gemessenen Verzögerungs zeit (ΔT), wobei die Verzögerungszeit (ΔT) durch ein Verfah ren nach einem der vorangehenden Ansprüche bestimmt wird und für jeden Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) anhand der so ermittelten Verzögerungszeit (ΔT) ein jeweiliger zuge ordneter Korrekturwert ermittelt wird, der im Zeitgefüge von zwischen den Kommunikationsteilnehmern (TN2. . .TNn) ausgetauschten zeitgesteuerten Telegrammen (TL) berück sichtigt wird.

9. Synchrones Kommunikationsnetzwerk (K) mit Verkettungstopo logie mit einer Messung von übertragungsbedingten Verzöge rungszeiten (ΔT) und deren Kompensation nach Anspruch 8, wo bei eine Mastereinheit (M) als Taktgeber (TG) fungiert und die Kommunikationsteilnehmer (TN2. . .TNn) Slaveeinheiten (S) darstellen.

10. Digitales serielles Kommunikationsnetzwerk (K) mit Ver kettungstopologie mit einer Messung von übertragungsbedingten Verzögerungszeiten (ΔT) und deren Kompensation nach Anspruch 8 oder 9.