DE102006004191B4

DE102006004191B4 - Deterministisches Kommunikations-System

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Publication number: DE102006004191B4
Application number: DE200610004191
Authority: DE
Inventors: Burkhard Heinke; Christian Wiese; Marcus Smidt
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-01-28
Also published as: DE102006004191A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Kommunikationssystems (1) zum Austausch von Audio-Daten zwischen mehreren Teilnehmern, wobei das Kommunikationssystems (1) umfasst:
mehrere System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) für eine Zwischenspeicherung von Audio-Daten,
einen Kontroll-Bus (14) für die Übertragung von Steuerbefehlen an die System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3),
einen Daten-Bus (12) für die Ausgabe von Audio-Daten durch die System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3),
eine Zentral-Einheit (10), die von den mehreren System-Teilnehmern (T; T1, T2, T3) die Audio-Daten über den Kontroll-Bus (14) abruft und die Audio-Daten über den Datenbus (12) empfängt,
gekennzeichnet durch die Schritte
während einer Initialisierungsphase Überprüfen der Identität der System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) durch die Zentral-Einheit (10);
während einer Konfigurationsphase Übermitteln eines vorgegebenen Daten-Rahmens mit einem ersten Synchronisierungssignal (51), der Teilnehmer-Adresse (52) eines System-Teilnehmers (T; T1, T2, T3), einem Nutzdaten-Feld (54) und einem zweiten Synchronisierungssignal (51) durch die Zentral-Einheit (10) über den Kontroll-Bus...

Description

Die Erfindung betrifft ein deterministisches Kommunikations-System insbesondere zur Anwendung in Avionik-Systemen.
Das erfindungsgemässe System kann bei Fluggeräten jeder Art angewendet werden, insbesondere bei Flugzeugen und Flugkörpern. Die Erfindung kann allgemein für Echzeit-Anwendungen verwendet werden, d.h. für Systeme, die unter Zeitbedingungen miteinander kommunizieren und bei denen die Erreichung der System-Funktionen vom zeitgerechten Austausch von Daten abhängt.
Aus dem Stand der Technik sind konventionelle Ethernet-Verbindungen bekannt, bei denen Systeme mit dezentralen oder verteilten Modulen verwendet werden, die Zugriff auf den Ethernet-Bus besitzen. Bekannt ist in diesem Zusammenhang der CSMA/CD (Carrier Sense multiple Access with Collision Detect). Dieses System ist jedoch für Echtzeit-Anwendungen ungeeignet, da es selbstblockierend sein kann und auch kein deterministisches Verhalten aufweist.
Aus der DE 34 24 866 C2 und der DE 34 26 893 A1 ist jeweils ein System bekannt, das einen gemeinsamen Bus für sämtliche System-Teilnehmer verwendet, bei dem die Anordnung und die Anzahl von Zeitfenstern konfigurierbar ist, nach denen der Zugriff auf an dem Bus angekoppelten System-Teilnehmern und Benutzer-Einheiten (terminal units) festgelegt ist. Bei diesen Systemen ist zunächst eine Initialisierungs- und Request-Phase vorgesehen, in der die erforderliche Konfiguration von System-Teilnehmern bestimmt wird. Dadurch ist eine dynamische Einrichtung (allocation) von Zeit-Fenstern zur Daten-Übertragung erreichbar. Nachteilig an diesen Systemen ist, dass Wartezeiten entstehen, die für die Daten-Übertragung benötigt wird, da jede Benutzer-Einheit individuell addressiert wird und darauf dann erst reagiert. Die sich insgesamt ergebende Warte-Zeit setzt sich aus der Reaktions-Zeit für die Benutzer-Einheiten und der von der Länge der physischen Leitung abhängigen Verzögerungs-Zeit des Daten-Busses selbst zusammen.
Ferner ist aus Hammond, Joseph L., O'Reilly, Peter J.P., "Performance Analysis of Local Computer Networks"; Reading, Mass., USA, Addison-Wesley Publ. Company, Inc, 1986, S. 193-198, ISBN 0-201-11530-1, ein Kommunikationssystem bekannt, bei dem System-Teilnehmer in regelmäßigen Abständen durch einen zentralen Computer abgefragt werden. Ein derartiges "Polling"-System kann so gesteuert werden, dass der zentrale Computer alle Teilnehmer einzeln anspricht ("roll-call"), oder so dass der zentrale Computer einen ersten Teilnehmer anspricht und dieser dann den nächsten Teilnehmer usw. ("hub-mode").
Aus US 2005/0144338 A1 ist eine Datenübertragungsvorrichtung bekannt, bei der ein Datentransfer zwischen einer Master-Einrichtung und mehreren Slave-Einrichtungen erfolgt. Dabei kommt ein Verfahren zum Einsatz, das auf einem Doppel-Puffer beruht, während man normalerweise mit einfachen Puffern arbeitet. Beim Datentransfer werden ein erster und ein zweiter Puffer als Umsetzer oder Relais verwendet, wobei beide Puffer beim Datentransfer als Umsetzer eingesetzt werden und das Lesen und Schreiben der Daten gleichzeitig stattfindet.
Aus US 4 763 320 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Übertragen von digitalen Daten, insbesondere für Flugzeuge, bekannt. Im Betrieb unterscheidet man zwischen den folgenden unterschiedlichen Übertragungsphasen: eine Initialisierungsphase, in welcher alle Stationen durch die zentrale Steuerung abgefragt werden; eine Abfragephase, in welcher die einzelnen Stationen auf den Bus zugreifen; eine Zuordnungsphase, in welcher jede Station ein Zeitfenster zur Verfügung hat für die Abfragebeantwortung; eine Datenphase, in welcher Daten übertragen werden. Die zentrale Steuerung umfasst eine Phasensteuerung, eine Sammeleinrichtung für Anfragen, eine Zuordnungseinrichtung für Zeitfenster, ein Register. Einige Stationen sind mit einem Abfragegenerator ausgestattet, so dass mit diesem ein Bedarf über den Bus angezeigt werden kann.
Aus US 5 974 056 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen von Daten bekannt. Die Daten können dabei Sprachdaten, Signaldaten, Flugkontrolldaten, Telefonie-Daten und sonstige Kommunikationsdaten umfassen. Die Daten werden in Paketen übertragen, die eine Präambel, einen Kopfteil, Daten und/oder Signaldaten umfassen für die Übertragung über einen dualen Bus zwischen vorzugsweise dezentralisierten Stationen. Die Stationen empfangen die Daten für die Übertragung von angeschlossenen peripheren Vorrichtungen wie Mikrophonen, Lautsprechern etc., und die Stationen übertragen die empfangenen Daten über diese peripheren Vorrichtungen. Die Taktpulse der Station sind mit einem Synchronisationssignal synchronisiert, das von einer Master-Station stammt. Bei jeder Station findet man eine Vorrichtung, z.B. einen Manchester-Dekodierer, in dem die Präambeln erkannt werden, die im Vergleich zu Ethernet-Präambeln verkürzt sind, und dieser Dekodierer ist zwischen die stationseigene Datenverarbeitungseinheit, z.B. ein digitaler Signalprozessor, ein Mikro-Controller, etc. und den Bus geschaltet.
Aus EP 1 183 826 B1 sind Verfahren und Vorrichtung zur periodischen und aperiodischen Datenübertragung über einen Flugzeugdatenbus bekannt. Bei einem Netzwerk hierfür mit einem Netzwerk-Datenbus und mehreren Netzwerkschnittstellensteuerungsmodulen ist mindestens eines der mehreren Netzwerkschnittstellensteuerungsmodule so angeordnet, dass es bei Benutzung als Master-Zeitsteuerungs-NIC-Modul wirkt. Periodische Daten werden auf dem Datenbus in einem ersten Zeitintervall und aperiodische Daten auf dem Datenbus in variablen Intervallen übertragen. Auf der Basis von Priorität, Länge und Sequenz von Rahmen wird bestimmt, welche Bandbreite den aperiodischen Datenübertragungen zugewiesen wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein deterministisches Kommunikations-System mit einem möglichst geringen Protokoll-Aufwand verfügbar zu machen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Weitere Ausführungen sind in den auf diese rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Kommunikations-System mit System-Teilnehmern und einem diese verbindenden Bus zum Austausch von Daten zwischen den System-Teilnehmern sowie einer Zentral-Einheit zur Konfiguration der Kommunikation zwischen den Teilnehmern vorgesehen. Die System-Teilnehmer stehen durch einen Kontroll-Bus und einen Daten-Bus mit der Zentral-Einheit in Verbindung. Die Zentral-Einheit ist in der Kontrollbus-Verbindung der einzige Transmitter und in der Datenbus-Verbindung der einzige Empfänger, wobei auch der Kontroll-Bus zusätzlich Daten an die System-Teilnehmer enthalten kann. Der Bus-Zugriff durch die Teilnehmer wird mittels der Zentral- Einheit gesteuert, so dass die Übertragung von Daten von einem Teilnehmer aus über den Daten-Bus zur Zentral-Einheit und von dort zu dem empfangenden System-Teilnehmer erfolgt. In der Zentral-Einheit ist ein Austausch-Zwischenspeicher vorgesehen ist, mit dem zum Daten-Austausch zwischen den Teilnehmern eine Spiegelung empfangener Daten und eine Weitergabe an die Sende-Einrichtung der Zentral-Einheit erfolgen kann.
Erfindungsgemäß ist ein digitales Kommunikations-System oder Avionik-System mit einer Zentraleinheit vorgesehen, die als ein Master oder ein Controller oder eine Steuereinheit für den Zugriff durch und Austausch mit anderen System Modulen agiert. Dabei wird ein in Zeitscheiben übertragendes System verwendet, das mehrere Teilnehmer mittels zweier voneinander getrennter Bus-Systeme verbindet (time division multiplexed system with dual loop communication). Dieses System kann auf der Basis einer Standard Ethernet-Anordnung beruhen.
Da das erfindungsgemässe Kommunkations-System einen deterministischen Bus-Zugriff mittels einer zentralen Steuer-Einheit besitzt, ist eine relativ hohe Zuverlässigkeit erreichbar.
Das erfindungsgemäße System ist insbesondere zur Übermittlung von Steuer- oder Schalt-Signalen und digitalisierten Analogsignalen, insbesondere zur schnellen Übermittlung dieser Signale, geeignet.
Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine vorteilhafte Organisation des Daten-Busses wegen einer modularen System-Struktur mittels zweier getrennter Bus-Leitungen, die beide mit den verschiedenen System-Teilnehmern verbunden sind. Eine Zentral-Einheit verwendet einen Kontroll-Bus als Steuer-Bus zur Übermittlung von Daten nur von der Zentral-Einheit aus zu den Teilnehmern. Die angekoppelten Teilnehmer übermitteln die Daten über einen Daten-Bus.
Mit der modularen System-Struktur nach der Erfindung wird erreicht, dass ein Fehlerfall bei einem der angekoppelten Teilnehmer das System nicht außer Funktion setzen oder den gesamten Datenaustausch blockieren kann.
Das erfindungsgemäße System verbessert das Bus-Konzept durch die Verwendung von zwei getrennten Bus-Leitungen, von denen jede mit den verschiedenen Teilnehmern verbunden ist. Zur Übertragung von Daten von der Zentral-Einheit aus steht der an dieser angekoppelte Kontroll-Bus zur Verfügung. Die Übertragung der Daten von den System-Teilnehmern an die Zentral-Einheit erfolgt über den Daten-Bus, der die System-Teilnehmer mit der Zentral-Einheit verbindet.
Das erfindungsgemäße Kommunikations-System oder Avionik-System weist eine modulare Architektur auf, bei der ein einzelner System-Teilnehmer in einem Fehlerfall den Daten-Transfer nicht vollständig verhindern oder blockieren kann. Durch die Verwendung zweier getrennter Busse in dem Kommunikations-System können auch Ethernet-Komponenten verwendet werden, z.B. 10BASE-T:IEEE 802.3 Physical Layer specification for a 10 Mb/s CSMA/CD local area network, IEEE 802.3 Clause 14.; 100BASE-T:IEEE 802.3 Physical Layer specification for a 100 Mb/s CSMA/CD local area network, IEEE 802.3 Clause 22 and 28.. Dabei ist ein "Auto-Collision Detect" nicht mehr notwendig, was bei der Verwendung eines einzelnen Bus-Systems nicht ausgeschlossen werden kann.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen dualen Bus-Systems hat den Vorteil, dass ein kontinuierlicher Daten-Übertragung von der Zentral-Einheit zu den System-Teilnehmern gewährleistet ist. Weiterhin wird mit einfachen Mitteln ein synchrones Kommunikations-System bereitgestellt, die eine einfache Anwendung einer Audiodaten-Übertragung erlaubt.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kommunikations-Systems mit einer Zentral-Einheit und mehreren Teilnehmern sowie dem dualen Bus-System,
2 eine funktionale Darstellung einer Ausführungsform der in dem Kommunikations-System der 1 verwendeten Zentral-Einheit der 1,
3 eine funktionale Darstellung einer Ausführungsform der in dem Kommunikations-System der 1 verwendeten Teilnehmer der 1,
4a einen für die Konfigurationsphase vorgesehenen Daten-Satz oder Daten-Frame für die Übertragung von Daten von der Zentral-Einheit zu System-Teilnehmern,
4b ein für die Konfigurationsphase vorgesehenes Daten-Wort oder einen Daten-Frame für die Übertragung von Daten von der Zentral-Einheit zu System-Teilnehmern,
5a ein für die Nutzdatenphase vorgesehenes Daten-Wort oder einen Daten-Frame für die Übertragung von Daten von der Zentral-Einheit zu System-Teilnehmern,
5b ein für die Nutzdatenphase vorgesehenes Daten-Wort oder einen Daten-Frame für die Übertragung von Daten von System-Teilnehmern zu der Zentral-Einheit.
Das erfindungsgemäße Kommunikations-System 1 wird in einer funktionalen Darstellung der 1 gezeigt. Eine Zentral-Einheit 10 ist einerseits über einen Daten-Bus 12 (shared bus) mit Sende-Einrichtungen TX von System-Teilnehmern T funktional verbunden. Dargestellt sind drei System-Teilnehmer T1, T2, T3. Weiterhin ist die Zentral-Einheit 10 andererseits über einen Kontroll-Bus 14 (master bus) mit Empfangs-Einrichtungen RX der angekoppelten System-Teilnehmer T funktional verbunden. Die Zentral-Einheit 10 ist der einzige Sender oder Transmitter in der Kontrollbus-Verbindung der Zentral-Einheit mit den Teilnehmern T, das heißt, die Teilnehmer T sind lediglich passive Empfänger. Der Kontroll-Bus 14 ist zur Multiplex-Datenübertragung, das heißt, zur Datenübertragung für verschiedene Empfänger oder Teilnehmer vorgesehen, wobei der Bus-Zugriff durch die Teilnehmer T von der Zentral-Einheit 10 gesteuert wird.
In dem Kommunikations-System können grundsätzlich funktional verschiedenartige Teilnehmer eingesetzt werden. In speziellen Anwendungsfällen können auch gleichwertige Teilnehmer T verwendet werden. Der funktionale Aufbau einer Ausführungsform eines in dem erfindungsgemäßen System verwendbaren Teilnehmers ist in der 3 gezeigt. Die von dem Kontroll-Bus zugeführten und von dem Empfänger-Teil RX in dem Teilnehmer T empfangenen Datensätze oder Daten-Frames werden entsprechend den mit diesem übermittelten Inhalten in verschiedenen Modulen verarbeitet: in einem Adressen-Erkennungsmodul (Adress Recognition) 21, einem Empfangszustand-Modul (Receive State Control Unit) 22, einem Master-Zeitgeber oder einer Master-Clock 23, die wiederum mit einem Schleifen-Zähler (Loop-Counter) 24 in Verbindung steht, und einem Dateneingangs-Zwischenspeicher (Data Input Buffer) 25. Der Dateneingangs-Zwischenspeicher 25 steht mit einer Eingangs-Ausgangs-Schnittstelle 26 in Verbindung, mit welcher der Teilnehmer wiederum mit weiteren Systemen oder System-Modulen funktional zusammenwirken kann. Durch dieses Zusammenwirken oder auch durch Verarbeitungsschritte innerhalb des Teilnehmers selbst gelangen Daten zu einem Datenausgangs-Zwischenspeicher (Data Output Buffer) 27, über den die zu übertragenden Daten zu der Sende-Einrichtung TX geschickt werde können. Das Empfangszustand-Modul (Receive State Control Unit) 22 ist mit einer Übertragungs-Kontrolleinheit (Transmit-Control) 28 sowie mit der Eingangs-Ausgangs-Schnittstelle 26 und dem Schleifen-Zähler (Loop-Counter) 24 verbunden. Die Eingangs-Ausgangs-Schnittstelle 26 kann einen A/D-Wandler, Lautsprecher und andere Kontroll-Einrichtungen umfassen.
Die empfangenen Daten in jedem Datensatz oder Datenframe (Bus Frame) werden in dem Dateneingangs-Zwischenspeicher (Data Input Buffer) 25 und die zu übertragenden Daten für jeden Datenframe (Bus Frame) in dem Datenausgangs-Zwischenspeicher (Data Output Buffer) 27 gespeichert. Der Empfänger-Teil RX kann eine Master-Clock oder eine Master-Zeit der Zentral-Einheit 10 einlesen und verwenden. Diese regenerierte Zeit wird dem Schleifen-Zähler (Loop-Counter) 24 zugeführt, der den Zeitpunkt für den nächsten Bus-Zugriff des betreffenden Teilnehmers T in Abhängigkeit der Zustandsgrößen des Empfangszustand-Moduls (Receive State Control Unit) 22 festlegt.
Bei der Verwendung von Ethernet-Verbindungen für die Busse 12, 14 kann die Empfänger-Einrichtung RX auf dem Standard IEEE 802.3 basieren
Die Zentral-Einheit 10 umfasst ein Teilnehmerkonfigurations-Kontrollmodul 31, in dem eine Liste der an der Zentral-Einheit 10 angekoppelten Teilnehmer T implementiert ist. Diese Liste kann aufgrund von Eingangsdaten z.B. von einer angeschlossenen Kontroll-Einheit wie einem Host-Controller geändert oder an geänderte Zustände angepasst werden. Das Teilnehmerkonfigurations-Kontrollmodul 31 steht mit einem Datenübertragungs-Speicher (Transmitter Data Memory) 32 und dieses wiederum mit einem Übertragungs-Modul 33 in Verbindung. Das Teilnehmerkonfigurations-Kontrollmodul 31 bestimmt auch, welche Daten von dem Datenübertragungs-Speicher (Transmitter Data Memory) 32 jeweils in das Übertragungs-Modul 33 geschoben werden.
Das Übertragungs-Modul 33 generiert einen vollständigen Daten-Frame auf dem Kontroll-Bus 14 mit einem generell für die Teilnehmer geltenden oder diese steuernden Synchronisierungs-Signal. Dieses wird gesteuert oder vorgegeben von einem Systemzeit-Generator (System Clock Generator) 34, der mit dem Übertragungs-Modul 33 verbunden ist.
Ein Empfangs-Modul 35 empfängt und kontrolliert die von den Teilnehmern T empfangenen Daten und führt diese einem Empfängerdaten-Speicher (Receiver Data Memory) 36 zu, der die Funktion eines Zwischenspeichers hat. Dem Empfängerdaten-Speicher (Receiver Data Memory) 36 ist ein Empfängerdaten-Konfigurationsmodul 39 zugeordnet. In dem Falle, in dem eine Kommunikationsverbindung zwischen mehreren Teilnehmern T besteht, können die Daten über einen Austausch-Zwischenspeicher (Exchange Buffer) 37 in den Datenübertragungs-Speicher (Transmitter Data Memory) 32 übermittelt werden. Der Austausch-Zwischenspeicher (Exchange Buffer) 37 wird von einer Data Switch Control Matrix 38 gesteuert oder kontrolliert. Die verschiedenen Kommunikationsphasen werden von der Kontrollbus-Steuereinheit 40 gesteuert, wobei folgende drei Kommunikationsphasen festgelegt sind:

1. eine Initialisierungs-Phase,
2. eine Konfigurations-Phase,
3. eine Nutzdaten-Phase.

Dadurch kann die Daten-Kapazität der jeweils am Bus-System angekoppelten Teilnehmer T angepasst und optimiert werden. Während der Initialisierungs-Phase prüft die Zentral-Einheit 10, welcher Teilnehmer T zum aktuellen oder zu einem vorgegebenen Zeitpunkt Zugriff auf den Bus hat und welche Daten- Anforderung (Data Demand) besteht.
Dies kann entweder durch die Zentral-Einheit 10 selbst oder durch Einsammeln und Priorisierung der Anforderungen der angekoppelten Teilnehmer T erfolgen.
Jeder Daten-Satz (Data Frame) 50 bei der Bus-Übertragung beginnt mit einem Synchronisierungs-Signal 51. Vorzugsweise ist dieses Signal gleich oder entspricht in einzelnen Bestimmungs-Merkmalen der Protokoll-Erklärung für die übergeordnete Synchronisierung der Protokoll-Erklärung gemäß dem IEEE-Standard 802.3.
Das Synchronisierungs-Signal 51 oder die Synchronisierungs-Sequenz umfasst eine „Preamble" von 7 Byte und eine Start-Sequenz („Start Frame Sequence"). Die Trailing End Bits der langen („11" gemäß IEEE 802.3) „Start Frame Sequence" wird genutzt für die exakte übergeordnete Synchronisierung (overall synchronizing). Um einen einfachen Weg der Audiodaten-Übertragung zu erreichen, wird die System-Audiosample-Zeit in einen Zusammenhang mit der Distanz zwischen zwei Synchronisierungs-Signalen 51 und diesen vorzugsweise gleich gesetzt. Das heißt, das die Sample-Frequenz der angeschlossenen Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler exakt über das gesamte System verteilt wird. Somit wird sämtlichen Teilnehmern des Systems 1 derselbe Takt vorgegeben.
Die 4a, 4b zeigen die Daten-Rahmen (Data Frames) des Daten-Bus 12 und des Kontroll-Bus 14 in der Konfigurations-Phase. Während der Konfigurations-Phase übermittelt die Zentral-Einheit 10 einen vorgegebenen Daten-Rahmen beginnend mit der beschriebenen Synchronisierungs-Sequenz oder dem Synchronisierungs-Signal 51. Das Synchronisierungs-Signal 51 wird als Kontroll-Synchronisierung für das gesamte System verwendet. Weiterhin wird ein Phase Lock Loop (PLL) gemäß des Standards IEEE 802.3 verwendet, um eine exakte Zeit-Information für sämtliche Teilnehmer zu erhalten, ohne dass eine separate Leitung zur Übertragung von Zeit-Informationen oder ähnliche Einrichtungen erforderlich ist. Auf diese Weise ist es auch möglich, das Synchronisierungs-Signal 51, das heißt dessen Frequenz oder Zeitrahmen, für das gesamte System zu ändern. Dadurch kann die elektromagnetische Verträglichkeit des gesamten Kommunikations-Systems 1 verbessert werden.
Dem Synchronisierungs-Signal 51 ist die Teilnehmer-Adresse 52 des Teilnehmers T, für den die zu übermittelnden Daten bestimmt sind, angehängt. Das System 1 hat speziell reservierte Adressen, die nicht realen oder physischen Teilnehmern T zugeordnet werden können. Diese Adress-Wörter werden als Verteiler-Adressen (Broadcast Adress) verwendet und die daran angehängten Konfigurations-Daten 53 bestimmen das Verhalten aller angekoppelten Teilnehmer T.
Auf diese Weise kann eine vorbestimmte Menge der Nutzdaten z.B. für Audiodaten verwendet werden, die kontinuierlich als Mehrkanal-Übermittlung oder Multi-Channel Broadcast von der Zentral-Einheit 10 zu den Teilnehmern T gesendet werden können. In einem Fall, in dem die Adresse für ein existierenden Teilnehmer bestimmt ist, beeinflussen die Konfigurationsdaten 53 die Einstellungen (Settings) der jeweiligen Teilnehmers T. Die daran angehängten Nutzdaten 54 können z.B. Audiodaten oder Schaltungsdaten für eine Einheit (end unit) enthalten.
Jeder Datenrahmen 50 wird abgeschlossen von einer End-Sequenz (Check Sequence) 55 zur Daten-Validierung, die z.B. eine einfache CRC Check-Sequenz sein kann.
Dem beschriebenen Daten-Rahmen 50 wird dann wiederum ein Synchronisierungs-Signal 51 oder eine Synchronisierungs-Sequenz 51 angefügt. Die entsprechende Audiosample-Zeit ergibt sich durch die Zeit von einem Ende einer Synchronisierungs-Sequenz 51 zum Ende der nächsten Synchronisierungs-Sequenz 51. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass keine Wartezeit oder Gaps benötigt werden, um Prozesse zu ordnen, wenn verschiedene Teilnehmer T auf derselben Leitung bzw. demselben Bus senden wollen.
Während der Konfigurationsphase reagiert der Teilnehmer T aufgrund des Empfangs seiner eigenen Adresse mit dem Absenden eines einfachen Datensatzes oder -rahmens 60 über den Daten-Bus. Diese Antwort wird ausgelöst durch das Adressen-Erkennungsmodul (Adress Recognition) 21. Dieser Daten-Rahmen beginnt ebenfalls mit einer Synchronisierungs-Sequenz 51, die vorzugsweise auf der IEEE 802.3-Norm basiert, jedoch wird diese nicht zur System-Synchronisierung verwendet. Die Strukturierung der Synchronisierungs-Sequenz 51 nach der IEEE 802.3-Norm hat den Vorteil, dass Standard-Ethernet-Module und – Transceiver verwendet werden können. An die Synchronisierungs-Sequenz 51 wird von dem Teilnehmer T ein Indentifizierungs-Feld (identifier field) 62 zur Identifizierung des Teilnehmers T angehängt, das die individuelle Adresse des Teilnehmers T und den geforderten Umfang an Nutzdaten angibt. Anschließend wird das Nutzdatenfeld 63 des Teilnehmer-Datenrahmens und daraufhin eine Check-Sequenz 64 zur Daten-Validierung angefügt.
Nach dem Senden durch einen Teilnehmer T adressiert die Zentral-Einheit 10 denselben oder einen weiteren Teilnehmer T. Während dieser Zeit findet auf dem Daten-Bus solange kein Senden statt, bis die nächste Adresse weitergegeben bzw. erkannt wird.
Während der Konfigurations-Phase legt die Zentral-Einheit 10 die Ordnung fest, nach der die Teilnehmer T adressiert werden. Diese muss nicht die zeitliche Reihenfolge wiedergeben. Dadurch speichert jeder Teilnehmer T einen individuellen Zählerstand oder einen individuellen Rang, den der Teilnehmer T den Konfigurationsdaten 53 entnimmt.
Die Zentral-Einheit 10 kann anschließend die Nutzdaten-Phase über eine festgelegte Teilnehmer-Adresse und ein spezielles Konfigurationsdaten-Feld durchführen. Das bedeutet, dass mit der nächstfolgenden Synchronisations-Sequenz der Schleifen-Zähler (Loop-Counter) 24 jeder Teilnehmer T gestartet wird. Aufgrund des in jedem Teilnehmer T gespeicherten Zählerstands sendet jeder Teilnehmer T seinen eigenen Datensatz oder Daten-Frame zu einem vorbestimmten Zeitpunkt auf den Daten-Bus. Die Ordnung, nach der dieses Senden erfolgt, ist festgelegt worden von der Zentral-Einheit 10 mittels der an die Teilnehmer T übermittelten Zählerstände.
Durch diese Festlegung sind in der dann folgenden Nutzdatenübertragungs-Phase sämtliche Datensätze oder Data Frames 70, 80, die jeweils von einem Teilnehmer T auf dem Kontroll-Bus und dem Daten-Bus gesendet werden, unterschiedlich. Da die Ordnung des Bus-Zugriffs fixiert ist, bestimmt nur die Zahl der von der Zentral-Einheit 10 übermittelten Synchronisations-Signale den Bus-Zugriff auf den Daten-Bus. Es ist also kein Verwaltungs-Aufwand für das Protokoll innerhalb der Datensätze erforderlich, so dass fast die gesamte Zugriffs-Zeit auf den Bus für die Nutzdaten-Übertragung verwendet wird (5a, 5b).
Die Erfindung kann IEEE 802.3-Komponenten (Physical layer IEEE 802.3) für den Datenbus verwenden. Die Realisierung kann mittels Ethernet-Komponenten erfolgen.
Zur Verwendung der Erfindung in sicherheits-kritischen Systemen kann der Kontroll-Bus 14 redundant vorgesehen also mehrfach ausgeführt sein.
Zur schnellen Audiodaten-Übertragung kann die Kontroll-Zeit-Wiederherstellung (master clock recovery) durch integrierte Standard PLLS (nach IEEE 802.3-Standard) realisiert sein.
Der Daten-Austausch zwischen am System 1 angekoppelten Teilnehmern T kann mit skalierbaren Daten-Größen erfolgen.
Der Daten-Austausch zwischen Teilnehmern T kann auf einfache durch Spiegelung („mirroring") der Daten in dem Austausch-Zwischenspeicher 37 (exchange buffer) aufgrund eines deterministisch getriggerten Protokolls erfolgen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Kommunikationssystems (1) zum Austausch von Audio-Daten zwischen mehreren Teilnehmern, wobei das Kommunikationssystems (1) umfasst: mehrere System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) für eine Zwischenspeicherung von Audio-Daten, einen Kontroll-Bus (14) für die Übertragung von Steuerbefehlen an die System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3), einen Daten-Bus (12) für die Ausgabe von Audio-Daten durch die System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3), eine Zentral-Einheit (10), die von den mehreren System-Teilnehmern (T; T1, T2, T3) die Audio-Daten über den Kontroll-Bus (14) abruft und die Audio-Daten über den Datenbus (12) empfängt, gekennzeichnet durch die Schritte während einer Initialisierungsphase Überprüfen der Identität der System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) durch die Zentral-Einheit (10); während einer Konfigurationsphase Übermitteln eines vorgegebenen Daten-Rahmens mit einem ersten Synchronisierungssignal (51), der Teilnehmer-Adresse (52) eines System-Teilnehmers (T; T1, T2, T3), einem Nutzdaten-Feld (54) und einem zweiten Synchronisierungssignal (51) durch die Zentral-Einheit (10) über den Kontroll-Bus (14); während einer Nutzdatenphase Übertragen von Audio-Datensätzen durch einen System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) über den Datenbus (12) in einer Audiosample-Zeit, die der Zeitspanne zwischen dem ersten Synchronisierungssignal und dem zweiten Synchronisierungssignal entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) bei Erkennen seiner eigenen Adresse während der Konfigurationsphase einen Daten-Rahmen (60) über den Daten-Bus (12) absendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenden eines Datensatzes durch jeden System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) zu einem vorbestimmten Zeitpunkt auf dem Daten-Bus (12) erfolgt, der von der Zentral-Einheit (10) festgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenfolge der Übertragung durch die System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) während der Nutzdatenphase von der Zentral-Einheit (10) vorab festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Synchronisierungs-Signal (51) von einem Systemzeit-Generator (34) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Synchronisierungs-Signal (51) ein Signal nach dem IEEE-Standard 802.3 ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von den System-Teilnehmern (T; T1, T2, T3) eine Taktrückgewinnung aus dem Synchronisierungs-Signal (51) mit einem Phasenregelkreis (PLL) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Daten-Austausch zwischen System-Teilnehmern (T; T1, T2, T3) durch Spiegelung der Daten in einem Austausch-Zwischenspeicher (37) der Zentral-Einheit (10) erfolgt.
Kommunikationssystem (1) zum Austausch von Audio-Daten zwischen mehreren Teilnehmern, das umfasst: mehrere System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) für eine Zwischenspeicherung von Audio-Daten, einen Kontroll-Bus (14) für die Übertragung von Steuerbefehlen an die System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3), einen Daten-Bus (12) für die Ausgabe von Audio-Daten durch die System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3), eine Zentral-Einheit (10), die von den mehreren System-Teilnehmern (T; T1, T2, T3) die Audio-Daten über den Kontroll-Bus (14) abruft und die Audio-Daten über den Datenbus (12) empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Initialisierungsphase die Zentral-Einheit (10) die Identität der System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) überprüft; während einer Konfigurationsphase durch die Zentral-Einheit (10) über den Kontroll-Bus (14) ein vorgegebener Daten-Rahmen mit einem ersten Synchronisierungssignal (51), der Teilnehmer-Adresse (52) eines System-Teilnehmers (T; T1, T2, T3), einem Nutzdaten-Feld (54) und einem zweiten Synchronisierungssignal (51) übertragen wird; während einer Nutzdatenphase Audio-Datensätzen durch einen System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) über den Datenbus (12) während einer Audiosample-Zeit, die der Zeitspanne zwischen dem ersten Synchronisierungssignal und dem zweiten Synchronisierungssignal entspricht, übertragen werden.
Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentral-Einheit (10) ein Teilnehmerkonfigurations-Kontrollmodul (31) mit einer Liste der System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) umfasst.
Kommunikationssystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilnehmerkonfigurations-Kontrollmodul (31) mit einem Übertragungs-Modul (33) zum Erzeugen des Daten-Rahmens verbunden ist.
Kommunikationssystem (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die System-Teilnehmer (T; T1, T2, T3) jeweils einen Phasen-Regelkreis umfassen für eine Taktrückgewinnung aus dem Synchronisierungs-Signal (51).
Kommunikations-System (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zentral-Einheit (10) ein Austausch-Zwischenspeicher (37) vorgesehen ist, mit dem zum Daten-Austausch zwischen den Teilnehmern eine Spiegelung empfangener Daten und eine Weitergabe an die Sende-Einrichtung der Zentral-Einheit (10) erfolgen kann.