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Die Erfindung betrifft ein Synchronisationsbussystem, Kommunikationseinheiten sowie ein Verfahren zum Austauschen von Nachrichten zwischen Komponenten, insbesondere Komponenten eines mechatronischen Systems beispielsweise eines Koordinatenmessgerätes, zur zeitlichen Synchronisation.
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Eine Vielzahl von Systemen, beispielsweise mechatronische Systeme, die mehrere Komponenten umfassen, sind darauf angewiesen, dass die einzelnen Komponenten zeitlich synchronisiert Arbeits- oder Verfahrensschritte ausführen. Zu solchen mechatronischen Systemen gehören beispielsweise Koordinatenmessgeräte, die über einen oder mehrere Sensorträger und einen oder mehrere Sensoren verfügen, der oder die auf dem oder den Sensorträgern angeordnet sind. Ferner ist eine Steuerung vorgesehen, die mit dem oder den Sensorträgern und dem oder den Sensoren kommunikationstechnisch verbunden ist. Alle diese Einheiten werden als Komponenten eines Koordinatenmessgerätes betrachtet. Um eine Koordinatenmessung auszuführen, müssen die einzelnen Sensorträger und Sensoren zeitlich synchronisiert Bewegungen ausführen und/oder Messsignale erfassen.
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Aus der
EP 1 667 354 A1 sind ein Kommunikationssystem und ein Verfahren bekannt, mit denen Audio- und Videodatenströme synchronisierbar sind. Ein Synchronisationsmaster erzeugt zu einem Zeitpunkt
t1 einen Synchronisationssteuerungsrahmen (synchronization control frame), wartet eine Zeitspanne
A1 und beginnt zu einem Zeitpunkt
t2 die Übertragung, zu dem sein Uhrzählerregister den Wert
0 annimmt. Die Übertragung erfolgt gemäß einem CSMA/CD Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Am Ende der Übertragung des Synchronisationssteuerungsrahmens zum Zeitpunkt
t3 werden die Interrupt-Signale der Sendeeinheit und der Empfangseinheit, die mit dem Ende der Übertragung bzw. dem Ende des Empfangs erzeugt werden, zum Zurücksetzen der jeweiligen Uhrzählerregister genutzt. Da der Beginn einer Übertragung bei einem CSMA/CD Verfahren nicht durch die Einheit festlegbar ist, die die Nachrichtenübertragung initiiert ist ein fortlaufendes durch die Synchronisierung nicht deutlich in seiner Kontinuität beeinflusstes Uhrsignal nicht realisierbar. Die Kontinuitätsschwankungen liegen zum Teil deutlich über den Laufzeitlängen einzelner Nachrichten.
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Die Funktionsweisen eines CSMA- und eines CSMA/CD-Übertragungsverfahrens sind beispielsweise in der Monographie von Andrew S. Tanenbaum, „Computernetzwerke“, erschienen im Verlag Prentice Hall, München [u.a.], ISBN 3-8272-9568-8, 1998, auf den Seiten 276 bis 279 und 302 bis 310 beschrieben.
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Aus der
WO 2004/014022 A2 ist ein Rechnernetzwerk zur Konfiguration, Inbetriebnahme, Überwachung, Fehler-Diagnose und/oder Analyse mehrerer technisch-physikalischer Prozesse, insbesondere elektrische Antriebsvorgänge, die unter Steuerung, Regelung und Überwachung durch mehrere Prozessrechner knotenablaufen, bekannt, die kommunikationstechnisch mit wenigstens einem Diagnoserechnerknoten über das Ethernet oder ein sonstiges asynchron oder mit einem stochastischen Zugriffsverfahren arbeitenden Bus- oder Kommunikationssystem verbunden sind.
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Aus der
DE 42 15 380 A1 ist ein Verfahren zum Synchronisieren von lokalen Zeitgebern eines Automatisierungssystems bekannt. Um eine zeitliche Abstimmung der Zeitgeber in den einzelnen Automatisierungseinheiten, die über das Ethernet, welches nach dem CSMA/CD Verfahren arbeitet, miteinander verbunden sind, auf eine maximal tolerierte Zeitabweichung von weniger als bis zu ungefähr 2 ms zu erreichen, ist vorgesehen, ein für eine Synchronisierung zu einem Zeitpunkt erzeugtes und zum Senden vorgesehenes und an die Übertragungskomponente übergebenes Telegramm nicht mehr zu übertragen, wenn ein durch die Übertragungssteuerung der Übertragungskomponente verursachtes Zurückhalten eine Zeitspane überschreitet, die kleiner aber in der Größenordung der maximalen Zeitabweichung liegt. Eine Synchronisierung mit hoher Präzision ist mit diesem Verfahren jedoch nicht möglich, da die Übertragung des Telegramms stochastisch und somit nicht deterministisch im Bezug auf den Sendezeitpunkt relativ zu der Zeit des Zeitgebers erfolgt.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Komponenten solcher mechatronischer Systeme mittels eines Bussystems kommunikationstechnisch zu verknüpfen. Ein bekanntes Bussystem ist das CAN-Bussystem (Controller Array Network-Bussystem), welches beispielsweise häufig in der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzt wird. Bei dem CAN-Bussystem können unterschiedliche miteinander verknüpfte Komponenten gleichberechtigt auf ein Übertragungsmedium zugreifen. Den einzelnen übertragenen Nachrichten ist jeweils eine mehrere Bits umfassende Kennung zugeordnet, die eine Priorität der einzelnen übertragenen Nachrichten festlegt. Bei einem zeitgleichen Zugriff zweier Komponenten wird diejenige Nachricht übertragen, deren Kennung eine höhere Priorität aufweist. Über ein CAN-Bussystem können somit von den einzelnen Komponenten zeitlich nicht synchronisiert, d.h. asynchron, zu einer gegebenenfalls vorherrschenden Systemzeit Nachrichten ausgetauscht werden. Da jedoch eine größere Anzahl von Bit, d.h. Informationseinheiten, bei jedem Sendevorgang ausgetauscht werden müssen, ist ein CAN-Bus hinsichtlich seiner Echtzeitfähigkeit bei zeitkritischen Anwendungen begrenzt. Ferner ist eine Synchronisation auf die Zeit, die von einer Uhreinheit einer der Komponenten vorgegeben ist, nicht im Protokoll vorgesehen. Vielmehr werden die Uhreinheiten der einzelnen Kommunikationseinheiten der einzelnen Komponenten mittels eines mit den Nachrichten übertragenen Synchronisationsbits jeweils neu synchronisiert. Hierbei hängt eine Synchronisation davon ab, welche Laufzeitunterschiede die einzelnen Komponenten zueinander aufweisen. Da die Synchronisation durch Nachrichten unterschiedlicher Komponenten erfolgt, die in der Regel zu einer Komponente unterschiedliche Laufzeitunterschiede aufweisen, schwankt die Synchronisation um diese Laufzeitunterschiede.
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Im Stand der Technik sind andere Systeme bekannt, bei denen ein Zeitgeber eine Synchronisationsnachricht an die übrigen Komponenten des Systems übermittelt, die ihre Uhreinheiten entsprechend anhand der empfangenen Synchronisationsnachricht synchronisieren. Die Uhreinheiten der einzelnen Komponenten sind somit synchronisiert. Hinsichtlich einer „absoluten Zeit“ können sich die einzelnen Uhren der Komponenten voneinander jeweils um eine Laufzeit unterscheiden, die die Synchronisierungsnachricht von dem Zeitgeber zu der jeweiligen Komponente benötigt. Da diese Laufzeit jedoch konstant ist, schwankt die Synchronisierung relativ zu der Uhr des Zeitgebers nicht. Soll eine solche zeitliche Synchronisation fest auf eine Uhreinheit einer Komponente in einem CAN-Bussystem realisiert werden, so ist hierfür eine aufwendige Logik notwendig, um ein Senden einer bestimmten Nachricht synchronisiert mit einer Uhreinheit der Komponente auszulösen. Hierbei müsste eine Vielzahl von Bits, d.h. Informationseinheiten, übertragen werden, so dass dieses für zeitkritische Anwendungen nicht geeignet anwendbar ist. Ferner findet keine Synchronisation auf einen Flankenwechsel statt. Vielmehr wird ein Signal in Intervallen abgetastet. Ein Wechsel von einem Intervall zum nächsten wird als Synchronisationspuls verwendet. Die Abtastzeit, d.h. ein Abtastintervall, verbleibt als Ungenauigkeit.
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Zusätzlich zu einem Vorhandensein eines genauen synchronen Uhrsignals in den Komponenten ist es häufig notwendig, dass Komponenten zeitlich synchronisiert auf Ereignisse reagieren, die von einer anderen Komponente erfasst wurden. Eine Übertragung einer solchen Ereignisinformation ist bei zeitkritischen Anwendungen mittels bekannter Bussysteme nicht befriedigend möglich.
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Der Erfindung liegt somit die technische Aufgabe zugrunde, ein Synchronisationsbussystem, Kommunikationseinheiten hierfür und ein Verfahren zum Austauschen von Nachrichten zur zeitlichen Synchronisation von Komponenten zu schaffen, die einerseits eine Synchronisation auf eine durch eine Uhreinheit vorgegebenes Zeitsignal als auch zusätzlich eine Übertragung von asynchronen Nachrichten der einzelnen über das Bussystem verknüpften Komponenten ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Synchronisationsbussystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie eine Kommunikationseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Für ein solches Synchronisationsbussystem zum Ermöglichen eines Austausches von Nachrichten zwischen Komponenten ist vorgesehen, dass dieses Synchronisationsbussystem Kommunikationseinheiten der Komponenten zum Austauschen der Nachrichten über ein Übertragungsmedium umfasst, wobei die Kommunikationseinheiten eine Uhr zum Bereitstellen eines Zeitsignals für ihre jeweilige Komponente umfassen und eine der Kommunikationseinheiten eine Sendeeinheit zum Senden von Nachrichten über das Übertragungsmedium umfasst und als Gebereinheit betrieben wird, die in regelmäßigen Zeitintervallen synchronisiert mit dem Zeitsignal ihrer Uhr eine als Synchronisationsnachricht bezeichnete Nachricht sendet und die übrigen Kommunikationseinheiten eine Empfangseinheit zum Empfangen von Nachrichten umfassen und als synchronisierte Einheiten betrieben werden, die bei einem erfolgreichen Empfang der Synchronisationsnachricht ihre Uhr mit der Uhr der Gebereinheit synchronisieren, wobei erfindungsgemäß die Gebereinheit eine Empfangseinheit und die synchronisierten Einheiten eine Sendeeinheit umfassen und die Kommunikationseinheiten ausgebildet sind, asynchron zu einem durch die übertragenen Synchronisationsnachrichten vorgegebenen Takt asynchrone Nachrichten über das Übertragungsmedium zu senden und zu empfangen, wobei das Übertragungsmedium einen Übertragungszustand, in dem mindestens eine der Nachrichten übertragen wird, oder einen Freizustand annehmen kann, in dem keine der Nachrichten übertragen wird, und wobei die Kommunikationseinheiten ausgestaltet sind, ein Senden einer zur Übertragung anstehenden Nachricht nur zu beginnen, wenn das Übertragungsmedium im Freizustand ist. Ein solches Synchronisationsbussystem bietet den Vorteil, dass zum einen die Uhreinheiten der einzelnen Komponenten starr zueinander synchronisiert werden. Ebenso ist es jedoch möglich, die anderen Komponenten asynchron über ein eingetretenes Ereignis zu informieren. Hierdurch wird es möglich, unterschiedliche Komponenten in ihren Handlungsabläufen zeitlich zu synchronisieren. Soll ein an einer der Komponenten auftretendes Ereignis verwendet werden, um Arbeits- oder Verfahrensschritte an einer anderen Komponente in Gang zu setzen, so ist eine zeitnahe Übermittlung dieses aufgetretenen Ereignisses mittels einer asynchronen Nachricht mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bussystems möglich. Hierdurch können komplexe Verfahrens- und Arbeitsabläufe einfach realisiert werden. Dennoch ist gewährleistet, dass alle Komponenten über Uhrsignale verfügen, die auf eine einzige Uhr synchronisiert sind. Hierdurch ist gewährleistet, dass die einzelnen Arbeits- und Verfahrensschritte, die die einzelnen Komponenten ausführen, zeitlich synchron ausgeführt werden können. Eine erfindungsgemäße Kommunikationseinheit für ein solches Synchronisationsbussystem umfasst somit eine Empfangseinheit zum Empfangen von über ein Übertragungsmedium von anderen Kommunikationseinheiten gesendeten Nachrichten, eine Sendeeinheit zum Senden von Nachrichten an die anderen Kommunikationseinheiten über das Übertragungsmedium, eine Uhreinheit zum Bereitstellen eines Zeitsignals, wobei die Kommunikationseinheit entweder als synchronisierte Einheit betreibbar ist, so dass bei einem Empfang einer als Synchronisationsnachricht bezeichneten der Nachrichten die Uhreinheit synchronisiert wird, oder als Gebereinheit betreibbar ist, die in regelmäßigen Zeitintervallen synchronisiert mit dem Zeitsignal ihrer Uhr eine als Synchronisierungsnachricht bezeichnete Nachricht über das Übertragungsmedium sendet, wobei eine Logik ausgebildet ist, asynchron zu einem durch die übertragenen Synchronisationsnachrichten vorgegebenen Takt asynchrone Nachrichten über das Übertragungsmedium zu senden und asynchrone Nachrichten zu empfangen, wobei das Übertragungsmedium einen Übertragungszustand, in dem mindestens eine der Nachrichten übertragen wird, oder einen Freizustand annehmen kann, in dem keine der Nachrichten übertragen wird, und wobei ein Senden einer zur Übertragung anstehenden Nachricht nur begonnen wird, wenn das Übertragungsmedium im Freizustand ist. Mit dem Synchronisationsbussystem bzw. den Kommunikationseinheiten für ein solches Synchronisationsbussystem wird somit ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Austauschen von Nachrichten zwischen Komponenten, insbesondere Komponenten eines mechatronischen Systems, beispielsweise eines Koordinatenmessgeräts, zur zeitlichen Synchronisation geschaffen, bei dem von einer als Gebereinheit bezeichneten Kommunikationseinheit einer der Komponenten über ein Übertragungsmedium in zeitlich regelmäßigen Abständen synchronisiert mit einem Zeitsignal einer Uhr der Gebereinheit eine als Synchronisationsnachricht bezeichnete der Nachrichten gesendet wird, und die Kommunikationseinheiten der übrigen der Komponenten als synchronisierte Einheiten betrieben werden, die Synchronisationsnachrichten empfangen und bei einem erfolgreichen Empfang der Synchronisationsnachricht ihre jeweilige Uhr mit der Uhr der Gebereinheit synchronisieren, wobei mindestens eine der Kommunikationseinheiten asynchron zu einem durch die übertragenen Synchronisationsnachrichten vorgegebenen Takt asynchrone Nachrichten über das Übertragungsmedium sendet und die übrigen Kommunikationseinheiten die asynchrone Nachricht empfangen. Eine weitgehend kollisionsfreie Übertragung wird dadurch erreicht, dass ein Senden nur dann begonnen wird, wenn das Übertragungsmedium in dem Freizustand ist. Unter einem Zeitsignal wird ein Signal verstanden, welches eine Unterteilung der Zeit in Zeitintervalle ermöglicht. Hierbei ist es nicht notwendig, dass in dem Zeitsignal eine absolute Zeit codiert ist. Vielmehr kann ein einen zeitlich regelmäßigen Takt angebendes Signal als Zeitsignal verwendet werden. Entsprechend sind Uhren und Uhreinheiten im Sinne des hier Beschriebenen auch Oszillatoren, die ein oszillierendes Signal erzeugen. In der Regel werden Uhren oder Uhreinheiten einen Schwingquarz umfassen, dessen hochfrequentes Signal durch einen Teiler herabgesetzt wird. Das Uhrsignal ermöglicht es den Komponenten, die Zeit zwischen den Synchronisationsnachrichten einzuteilen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nachrichten jeweils nach einem ihnen zugeordneten Inhalt unterschieden werden, wobei der Inhalt über eine Nachrichtenübertragungsdauer codiert ist. Als Nachrichtenübertragungsdauer wird die Zeitspanne angesehen, die eine Kommunikationseinheit zum Senden der Nachricht benötigt, welche identisch zu der Zeit ist, die eine andere Komponente benötigt, um die Nachricht zu empfangen. Hiervon zu unterscheiden ist eine Laufzeit, die die Nachricht benötigt, um auf dem Übertragungsmedium von der einen Komponenten zu der anderen übertragen zu werden. Wird als Übertragungsmedium beispielsweise eine Kupferleitung verwendet, so ist die Laufzeit für eine Nachrichtenübertragung durch eine Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals auf der Kupferleitung festgelegt. Die Nachrichtenübertragungsdauer ist hingegen von der Zeitspanne abhängig, in der die Sendeeinheit die Nachricht auf das Übertragungsmedium sendet. Eine Codierung des Nachrichteninhalts über eine Zeitdauer, die Nachrichtenübertragungsdauer, bietet den Vorteil, dass sie einfach zu realisieren ist. Eine Binnenstruktur der Nachricht, sofern sie vorhanden ist, muss von der Empfangseinheit nicht analysiert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind den Nachrichten Prioritäten zugeordnet, wobei die Priorität proportional zu der der Nachricht zugeordneten Nachrichtenübertragungsdauer ist. Nachrichten hoher Priorität werden somit durch eine lange Nachrichtenübertragungsdauer codiert. Hierdurch soll erreicht werden, dass unterschiedliche Nachrichten, die in dem seltenen Fall, dass zwei Komponenten zeitgleich mit dem Senden einer Nachricht beginnen, die prioritätshöhere Nachricht von allen Komponenten zuverlässig erkannt wird.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt vorzusehen, dass die Nachrichten jeweils einzelnen der Komponenten zugeordnet sind und jeweils nur von dieser Komponente gesendet werden. Hierdurch ist es möglich, anhand der erkannten Nachricht auch den Sender der Nachricht zu erkennen.
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Vorzugsweise sind die Kommunikationseinheiten so ausgebildet, jeweils eine Zeitspanne zu ermitteln, in der das Übertragungsmedium ununterbrochen in seinem Übertragungszustand ist und die entsprechende übertragene Nachricht anhand dieser ermittelten Zeitspanne zu identifizieren.
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Um den seltenen Fall einer Kollision abfangen zu können, die dann auftritt, wenn zwei Komponenten zeitgleich mit dem Senden einer Nachricht beginnen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Kommunikationseinheiten nach einem Senden überprüfen, ob das Übertragungsmedium in einen Freizustand wechselt, und falls dies nicht der Fall ist, hieran eine Kollision erkennen und die gesendete Nachricht erneut senden, sobald das Übertragungsmedium in den Freizustand wechselt. Hiervon ausgenommen sind Synchronisationsnachrichten, die nur zeitlich synchronisiert mit dem Uhrsignal der Gebereinheit gesendet werden. Die Kommunikationseinheit, die feststellt, dass das Übertragungsmedium nach einem Senden nicht in den Freizustand wechselt, kann ebenfalls die Zeitspanne ermitteln, die vergeht, bis das Übertragungsmedium erneut in den Freizustand wechselt. Diese ermittelte Zeitspanne plus der Zeitspanne, die diese Kommunikationseinheit zum Senden der eigenen Nachricht verwendet hat, d.h. der Nachrichtenübertragungsdauer der von dieser Kommunikationseinheit gesendeten Nachricht, ergibt die Nachrichtenübertragungsdauer der von der anderen Kommunikationseinheit gesendeten Nachricht. Die Kommunikationseinheit, die die Kollision festgestellt hat, kann somit die Nachricht eindeutig identifizieren, die mit der eigenen gesendeten Nachricht kollidiert ist. Die übrigen Komponenten bzw. Kommunikationseinheiten des Synchronisationsbussystems können eine solche Kollision nicht bemerken. Daher ist ein erneutes Senden der kürzeren Nachricht, die eine geringere Priorität aufweist, notwendig. Die hierbei auftretende minimale Zeitverzögerung muss in Kauf genommen werden. Sie liegt in der Regel weit unterhalb der Zeiten, die in bekannten Bussystemen auf einen Zugriff für ein Übermitteln einer asynchronen Nachricht gewartet werden müssen.
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Um den übrigen Einheiten zu signalisieren, dass eine Nachricht von einer Kollision betroffen war, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass den einzelnen Kommunikationseinheiten jeweils zwei, vorzugsweise prioritätsbenachbarte, Nachrichten zugeordnet sind. Vorzugsweise wird die prioritätsniedrigere Nachricht gesendet, sofern keine Kollision aufgetreten ist. Die andere, vorzugsweise prioritätsbenachbarte, mit einer höheren Priorität versehene Nachricht wird nur in dem Fall gesendet, in dem beim Senden der prioritätsniedrigeren Nachricht eine Kollision aufgetreten ist. Hierdurch ist auf einfache Weise eine Signalisierung einer Kollision möglich.
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Das Synchronisationsbussystem wird in der Regel so ausgestaltet, dass die regelmäßigen Zeitintervalle so bemessen sind, dass die einzelnen Uhreinheiten auch bei einem Ausbleiben einer Synchronisationsnachricht über mehrere dieser Zeitintervalle synchronisiert bleiben. Dies bedeutet, dass die einzelnen Zeitsignale der Uhren sich nur innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs relativ zueinander verändern. Daher können die einzelnen Kommunikationseinheiten ein Ausbleiben einer Synchronisationsnachricht erkennen, wenn in dem entsprechenden Zeitfenster für die Synchronisationsnachricht eine asynchrone Nachricht über das Übertragungsmedium übertragen wird. Um keine asynchrone Nachricht beim Synchronisieren zu „zerstören“, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Synchronisationsnachricht die kürzeste Nachrichtenübertragungsdauer der unterschiedlichen Nachrichten zugeordnet ist.
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Um eine Kollisionswahrscheinlichkeit von Nachrichten zu minimieren, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die kürzeste Nachrichtenübertragungsdauer länger als die maximale Signallaufzeit auf dem Übertragungsmedium zwischen zwei der Kommunikationseinheiten ist. Als Signallaufzeit wird die Zeit angesehen, die zwischen einem Beginnen des Sendens einer Nachricht an eine andere der Komponenten und dem Beginn eines Empfangs der Nachricht durch die andere Komponente vergeht.
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Um eine sichere Unterscheidung der einzelnen gesendeten Nachrichten auch im Falle einer auftretenden Kollision zu gewährleisten, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass sich die Nachrichtenübertragungsdauern der verschiedenen Nachrichten jeweils um eine Zeitspanne unterscheiden, die größer als eine maximale Signallaufzeit, vorzugsweise größer als ein Doppeltes der maximalen Signallaufzeit, auf dem Übertragungsmedium zwischen zwei der Kommunikationseinheiten ist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einer Kollision von zwei Nachrichten, die an zwei Kommunikationseinheiten zeitgleich gesendet werden, deren prioritätshöhere Nachricht, d.h. die Nachricht mit der längeren Nachrichtenübertragungsdauer, an jeder Stelle im Synchronisationsbussystem zuverlässig identifiziert werden kann. Unterschreitet die zeitliche Differenz der Nachrichtenübertragungsdauer von zwei unterschiedlichen Nachrichten das Doppelte der maximalen Signallaufzeit, so können diese Nachrichten, sofern sie an den Kommunikationseinheiten zeitgleich abgesandt werden, zwischen denen die maximale Signallaufzeit auftritt, von Kommunikationseinheiten, die keinen oder einen geringen „Signallaufzeitabstand“ von einer der beiden sendenden Komponenten aufweisen, nicht zuverlässig unterschieden werden.
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Die Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Kommunikationseinheiten weisen dieselben Vorteile wie die entsprechenden Merkmale des Synchronisationsbussystems auf.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Synchronisationsbussystems mit mehreren Komponenten;
- 2-6 ein Auftreten von zu übermittelnden Nachrichten, aufgetragen gegen die Zeit sowie ein entsprechendes Zustandsdiagramm eines Übertragungsmediums aufgetragen gegen die Zeit,
- 7 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Übermitteln von Nachrichten; und
- 8 eine schematische Ansicht eines Koordinatenmesssystems.
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In 1 ist ein Synchronisationsbussystem 1 schematisch dargestellt. Das Synchronisationsbussystem 1 umfasst als Steuergeräte S1, S2, ..., Sn bezeichnete Komponenten. Bei den Steuergeräten S1-Sn kann es sich um beliebige mechatronische Komponenten, beispielsweise Tastköpfe, Drehschwenkgelenke, Steuereinrichtungen, Auswerteeinheiten, Anzeigevorrichtungen, Bedienvorrichtungen usw., handeln. Bei der dargestellten Ausführungsform nach 1 des Synchronisationsbussystems 1 umfassen die Steuergeräte S1-Sn jeweils eine integrierte Sende- und Empfangseinheit SE1-SEn. Bei den dargestellten Sende- und Empfangseinheiten SE1-SEn handelt es sich um RS 485 Transceiver. Die Sende- und Empfangseinheiten SE1-SEn sind über ein Übertragungsmedium 3 miteinander verbunden, welches zwei vorzugsweise in Kupfer ausgeführte und vorzugsweise verdrillte Leitungen 5 umfasst. Die Sende- und Empfangseinheiten können bei anderen Ausführungsformen getrennt ausgeführt sein. Auch das Übertragungsmedium kann anders ausgestaltet sein. Wird eine optische Übertragung gewählt, so kann das Übertragungsmedium beispielsweise ein Lichtwellenleiter sein. Ebenso kann ein die Komponenten umgebendes Fluid oder sogar ein Vakuum als Übertragungsmedium dienen. Eine Empfangseinheit kann in einem solchen Fall ein lichtempfindliches elektronisches Bauteil, beispielsweise ein Fototransistor oder ein lichtempfindlicher Widerstand sein. Die Sendeeinheit kann eine Leuchtdiode oder Laserdiode umfassen. Dem Fachmann sind vielfältige Sende- und Empfangseinheiten sowie entsprechende Übertragungsmedien bekannt. Bei optischer Übertragung, Infrarot-, Schall- oder Funkübertragung muss das Übertragungsmedium nicht unbedingt gesondert materialisiert ausgeführt sein. Vielmehr kann angepasst an die Sende- und Empfangseinheiten auch ein Fluid oder ein Vakuum als Übertragungsmedium dienen. Entscheidend ist lediglich, dass das Übertragungsmedium mindestens zwei unterscheidbare Zustände einnehmen kann, wobei der eine Zustand, ein Übertragungszustand, eingenommen wird, wenn über das Übertragungsmedium eine Nachricht übertragen wird. Der andere Zustand, welcher als Freizustand bezeichnet wird, wird von dem Übertragungsmedium eingenommen, wenn keine Nachricht über das Übertragungsmedium übertragen wird. Insbesondere der Übertragungszustand kann weitere unterscheidbare Unterzustände aufweisen, die hier jedoch nicht weiter von Interesse sind. Der Begriff „einen Zustand einnehmen“ ist hier in dem Sinne zu verstehen, dass dem Übertragungsmedium jeweils „ein Zustand zuordenbar ist“.
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Die Sende- und Empfangseinheiten SE1-SEn sind Bestandteile von Kommunikationseinheiten KE1-KEn. Die Steuergeräte S1-Sn können selbst als Kommunikationseinheiten ausgebildet sein. Die Kommunikationseinheiten KE1-KEn umfassen neben den Sende- und Empfangseinheiten SE1-SEn jeweils eine Uhreinheit UE1 -UEn, die jeweils ein Zeitsignal für ihr Steuergerät S1 -Sn zur Verfügung stellt. Ferner umfassen die Kommunikationseinheiten KE1-KEn jeweils eine Logikeinheit LE1-LEn. Die Logikeinheiten LE1-LEn steuern sowohl die Uhreinheiten UE1-UEn als auch die entsprechenden Sende- und Empfangseinheiten SE1-SEn. Sie bearbeiten ferner Nachrichtenübertragungsanforderungen, die von Steuereinheiten StE1-StEn der jeweiligen Steuergeräte S1-Sn für eine Übertragung bereitgestellt werden. Zusätzlich bereiten sie über das Übertragungsmedium 3 übertragene Signale auf und stellen hierüber empfangene Nachrichten den Steuereinheiten StE1-StEn zur Verfügung.
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Die Steuereinheiten StE1-StEn und die Logikeinheiten LE1-LEn können jeweils auch in eine gemeinsame integrierte Steuereinheit integriert sein. Die Logikeinheiten sind vorzugsweise so ausgebildet, dass die einzelnen Kommunikationseinheiten KE1-KEn jeweils wahlweise entweder als Gebereinheit oder als synchronisierte Einheit betrieben werden können. Was hierunter zu verstehen ist, wird im Folgenden ausführlicher erläutert. Eine entsprechende Auswahl kann beispielsweise über einen der Logikeinheit angeordneten Umschalter (nicht dargestellt) vorgenommen werden. Ist die Logik programmgesteuert ausgeführt, kann eine Auswahl vorteilhafterweise über eine softwaregestützte Konfiguration vorgenommen werden.
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In 2 sind in einem oberen Teil Synchronisationsnachrichten SN auf einer Zeitachse 11 aufgetragen. Linke Kanten 13 der Synchronisationsnachrichten SN geben die so genannten Synchronisationszeitpunkte ti und ti+1 an, an denen eine Synchronisation der Uhreinheiten eines Synchronisationsbussystems erfolgen soll. (Ebenso wäre eine Definition möglich, in der die rechten Kanten 14 als Synchronisationszeitpunkte festgelegt werden.) Eine Zeitdifferenz Δt = ti+1 - ti ist eine vorgegebene Zeitspanne, nach deren Ablauf eine als Gebereinheit ausgebildete Komponente, d.h. beispielsweise Steuergerät S1 nach 1, jeweils eine Synchronisationsnachricht über das Übertragungsmedium sendet. In einem unteren Teil der 2 ist ein Zustand des Übertragungsmediums in Form eines Zustandsdiagramms 15 gegenüber der Zeit aufgetragen. Bei einer Verwendung einer RS 485-Schnittstelle als Sende- und Empfangseinheit entspricht das Zustandsdiagramm einem Spannungsdifferenzdiagramm der Leitungen 5 des Übertragungsmediums 3 nach 1.
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Vor dem Synchronisationszeitpunkt ti befindet sich das Übertragungsmedium im Freizustand. Dies bedeutet, dass keine Nachricht über das Übertragungsmedium übertragen wird. Zum Zeitpunkt ti beginnt die Übertragung der Synchronisationsnachricht SN. Das Übertragungsmedium wechselt in den Übertragungszustand. Das Übertragungsmedium bleibt für eine Übertragungsdauer ΔtSN der Synchronisationsnachricht SN in dem Übertragungszustand. Zu einem Zeitpunkt ti + ΔtSN wechselt das Übertragungsmedium wieder in den Freizustand. Nachdem eine vorgegebene Zeitspanne ΔT = ti+1 - ti vergangen ist, wird erneut die Synchronisationsnachricht SN über das Übertragungsmedium versandt. Entsprechend wechselt das Übertragungsmedium zum Zeitpunkt ti+1 erneut für eine Übertragungsdauer ΔtSN in den Übertragungszustand.
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Zusätzlich zu den Synchronisationsnachrichten, die von der Gebereinheit versandt werden, können asynchrone Nachrichten von der Gebereinheit oder anderen Kommunikationseinheiten bzw. Komponenten (Steuergeräten) über das Übertragungsmedium versandt werden.
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In 3 sind im oberen Teil erneut die zur Übertragung anstehenden Nachrichten und im unteren Teil das Zustandsdiagramm des Übertragungsmediums dargestellt. Zusätzlich zu den Synchronisationsnachrichten SN sollen asynchrone Nachrichten aN2 und aN3 beispielsweise von einem Steuergerät 2 und einem Steuergerät 3 versandt werden. Linke Kanten 13 geben die entsprechenden Zeitpunkte taN2 und taN3 an, zu denen eine Nachrichtenübertragung entsprechend angefordert ist. Um die einzelnen Nachrichten optisch besser unterscheiden zu können, weisen die unterschiedlichen Nachrichten SN, aN2, aN3 jeweils eine unterschiedliche Schraffur auf. Diese wird durch alle Figuren beibehalten. Die Synchronisationsnachrichten SN weisen eine von links oben nach rechts unten schräg verlaufende Schraffur auf. Die asynchrone Nachricht aN2 des Steuergerätes 2 weist eine waagerechte Schraffur und die asynchrone Nachricht aN3 des Steuergerätes 3 eine senkrechte Schraffur auf. Eine Ausdehnung entlang der Zeitachse 11 gibt jeweils eine der entsprechenden Nachricht zugewiesene Nachrichtenübertragungsdauer ΔtSN , ΔtaN2 , ΔtaN3 an. Im unteren Teil der 3 ist das entsprechende Zustandsdiagramm des Übertragungsmediums gegenüber der Zeit aufgetragen. Es ist gut zu erkennen, dass alle Nachrichten, sowohl die Synchronisationsnachricht SN als auch die asynchronen Nachrichten aN2 und aN3, störungsfrei übertragen werden können. Anhand der Zeitdauer, in der das Übertragungsmedium im Übertragungszustand verbleibt, kann jede Kommunikationseinheit, die mit dem Übertragungsmedium verbunden ist, die jeweilige Nachricht identifizieren.
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In 4 ist ein Fall gezeigt, bei dem die asynchrone Nachricht aN2 des Steuergerätes 2 zu einer Zeit taN2' übertragen werden soll, deren Abstand von dem Synchronisationszeitpunkt ti zeitlich geringer ist als die Übertragungsdauer ΔtaN2 der asynchronen Nachricht aN2 des zweiten Steuergerätes. Dies bedeutet, dass sich das Übertragungsmedium im Übertragungszustand befindet, wenn das Steuergerät 1 eine Synchronisationsnachricht SN übertragen möchte. Würde das Steuergerät 1 diese Nachricht nun auf das Übertragungsmedium senden, so könnten dies die übrigen Kommunikationseinheiten der anderen Steuergeräte nicht erkennen. Da die übrigen Kommunikationseinheiten jedoch alle eine Uhreinheit aufweisen, können sie den Zeitpunkt, zu dem die Synchronisationsnachricht übertragen werden sollte, selbstständig erkennen. Daher geht auch in diesem Fall das Synchronisationsereignis nicht verloren. Die Uhreinheiten sind so ausgestaltet, dass die einmal synchronisierten Zeitsignale der verschiedenen Uhreinheiten über mehrere vorgegebene Zeitdauern ΔT (Synchronisationszyklen) synchron bleiben, auch wenn keine Synchronisationsnachricht SN (Synchronisationspuls) von den synchronisierten Kommunikationseinheiten empfangen worden ist. Das Synchronisationsbussystem kann somit gut einzelne asynchrone Nachrichten, wie die asynchrone Nachricht aN2 des Steuergeräts 2 im Beispiel nach 4, verkraften, die während eines Synchronisationszeitpunkts ti , ti+1 übertragen werden.
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In 5 ist ein Fall dargestellt, bei dem eine Anforderung zur Übertragung einer asynchronen Nachricht aN3 des Steuergeräts 3 zu einem Zeitpunkt taN3' erfolgt, an dem eine Nachrichtenübertragung einer asynchronen Nachricht aN2 des Steuergerätes 2 noch andauert. In diesem Fall bemerkt die Kommunikationseinheit des Steuergerätes 3, dass das Übertragungsmedium nicht im Freizustand ist. Es wartet den Empfang der asynchronen Nachricht ab, d.h. der asynchronen Nachricht aN2 des Steuergerätes 2, und sendet anschließend, nachdem das Übertragungsmedium wieder in den Freizustand gewechselt ist, seine asynchrone Nachricht aN3. Der kleine zeitliche Versatz zwischen dem Zeitpunkt taN3', zu dem die Nachrichtenübertragung angefordert ist, und dem Zeitpunkt taN3 R, zu dem die Übertragung tatsächlich beginnt, ist in der Regel so minimal, dass sie nicht weiter die Funktionsweise des Gesamtsystems beeinflusst. Ist mittels der Komponenten (Steuergeräte) des Synchronisationsbussystems 1 nach 1 beispielsweise ein Koordinatenmessgerät verwirklicht und beträgt die vorgegebene Zeitspanne ΔT 1 ms (entspricht 1 kHz) und Nachrichtenübertragungsdauer der Synchronisationsnachrichten 3 µs, der asynchronen Nachricht aN2 des Steuergerätes 2 ΔtaN2 = 5 µs und die Nachrichtenübertragungsdauer ΔtAN3 der asynchronen Nachricht aN3 des Steuergerätes 3 ΔtAN3 = 7 µs, so beträgt ein Versatz hier maximal eine Nachrichtenübertragungsdauer der zuerst gesendeten Nachricht. Führen die Komponenten, die beispielsweise als bewegliche Stellglieder ausgebildet sind, Bewegungen mit einer Geschwindigkeit im Bereich von einigen mm/s aus, so bewirken Synchronisationsungenauigkeiten im Bereich von einigen Mikrosekunden (µs) Ortsungenauigkeiten der Stellelemente im Bereich von Mikrometern (µm) oder darunter.
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In 6 ist schließlich der selten eintretende Fall dargestellt, bei dem zwei Steuergeräte zeitgleich (taN2 = taN3") versuchen, eine Nachricht zu übertragen. In dem dargestellten Fall versuchen das Steuergerät 2 und das Steuergerät 3 jeweils, die ihnen entsprechend zugeordnete asynchrone Nachricht aN2 und aN3 zu übertragen. Beide beginnen die Übertragung zeitgleich. Das Übertragungsmedium bleibt im Übertragungszustand, solange eine der beiden Nachrichten gesendet wird. Dies bedeutet, dass die Nachricht aN3 mit der größeren Nachrichtenübertragungsdauer das Verweilen des Übertragungsmediums im Übertragungszustand bestimmt. Somit wird von den Kommunikationseinheiten, die mit dem Übertragungsmedium verbunden sind, lediglich festgestellt, dass die Nachricht aN3 mit der längeren Nachrichtenübertragungsdauer übertragen wurde. Eine Nachricht mit einer längeren Nachrichtenübertragungsdauer weist somit eine höhere Priorität als eine Nachricht auf, die eine kürzere Nachrichtenübertragungsdauer besitzt.
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Das Steuergerät 2 kann die Kollision daran feststellen, dass es nach dem Ende der Übertragung seiner asynchronen Nachricht aN2 prüft, ob das Übertragungsmedium in den Freizustand wechselt. Ist dies nicht der Fall, so kann hieran eine Kollision erkannt werden. Ermittelt das Steuergerät 2 nun die Zeitspanne ΔtÜZ , in der das Übertragungsmedium im Übertragungszustand verbleibt, nachdem das Senden der eigenen asynchronen Nachricht aN2 beendet ist, so kann diese Zeitspanne ΔtÜZ dazu verwendet werden, die Nachrichtenübertragungsdauer der Kollisionsnachricht zu ermitteln. Hierfür wird die ermittelte Zeitspanne ΔtÜZ zu der Nachrichtenübertragungsdauer ΔtaN2 der selbst versandten Nachricht addiert. Über die so erhaltene Nachrichtenübertragungsdauer ΔtaN3=ΔtÜZ+ΔtaN2 ist eine eindeutige Identifikation der übertragenen Nachricht möglich. Hierfür ist Voraussetzung, dass die einzelnen Nachrichten jeweils eine individuelle Nachrichtenübertragungsdauer aufweisen. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass jede Nachricht genau einem Steuergerät zugewiesen ist. Dies bedeutet, dass einem Steuergerät jedoch mehrere Nachrichten zugewiesen sein können. Insbesondere kann auch das als Gebereinheit genutzte Steuergerät 1 asynchrone Nachrichten zusätzlich zu den Synchronisationsnachrichten versenden.
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Nachdem die asynchrone Nachricht aN3 fertig gesendet ist und das Übertragungsmedium in den Freizustand zurück gewechselt ist, wird zum Zeitpunkt taN2 R die asynchrone Nachricht aN2 leicht zeitversetzt gegenüber dem Anforderungszeitpunkt taN2 gesendet.
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Bei Anwendungen, bei denen es notwendig ist, eine Kollision auch für die Empfänger erkennbar zu machen, kann vorgesehen sein, dass für jede übertragene Information zwei unterschiedliche Nachrichten vorgesehen sind. Eine der Nachrichten wird versandt, wenn zum Zeitpunkt der Nachrichtenübertragungsanforderung das Übertragungsmedium im Freizustand ist und eine Nachrichtenübertragung unverzüglich begonnen wird. Die andere der Nachrichten wird versandt, wenn das Nachrichtenübertragungsmedium zum Zeitpunkt der Anforderung der Übertragung der Nachricht nicht im Freizustand ist oder am Ende der Nachrichtenübertragung der einen Nachricht festgestellt worden ist, dass die eine Nachricht mit einer prioritätshöheren Nachricht einer anderen Kommunikationseinheit kollidiert war.
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In 7 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Übermitteln von Nachrichten zum Zwecke der zeitlichen Synchronisation 100 dargestellt. Exemplarisch dargestellt sind sowohl die Verfahrensschritte, die in einer Gebereinheit als auch in einer synchronisierten Einheit ausgeführt werden. An entsprechender Stelle wird darauf hingewiesen, welche Verfahrensschritte nur in der einen oder der anderen Einheit ausgeführt werden. Zeitgleich und fortwährend werden zum einen das Übertragungsmedium überwacht 103, eine Sendeanforderung überwacht 105 und von einer Uhreinheit ein Zeitsignal erzeugt 107. Das erzeugte Zeitsignal kann anderen Bestandteilen, beispielsweise einer Steuereinrichtung, der eigenen Komponente bereitgestellt werden. In der Gebereinheit wird zusätzlich überprüft, ob die regelmäßige vorgegebene Zeitspanne ΔT vergangen ist, nach der eine erneute Synchronisationsnachricht zu versenden ist 109. Ist dies nicht der Fall, so wird das Erzeugen des Zeitsignals fortgesetzt. Ist die regelmäßige Zeitspanne Δ T jedoch vergangen, so wird eine Synchronisationsnachricht 111 als eine zu sendende Nachricht festgelegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform, die auch dem hier gezeigten Verfahren zugrunde liegt, weisen die asynchronen Nachrichten eine höhere Priorität als die Synchronisationsnachricht auf. Daher wird abgefragt, ob eine zu sendende asynchrone Nachricht vorliegt 113. Ist dies der Fall, so kann die Synchronisationsnachricht nicht übertragen werden und das Erzeugen des Zeitsignals wird weiter fortgesetzt, bis zum nächsten Mal die regelmäßige Zeitspanne ΔT vergangen ist.
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Hat die Abfrage 113 jedoch ergeben, dass keine zu sendende asynchrone Nachricht vorliegt, so wird als Nächstes geprüft, ob das Übertragungsmedium im Übertragungszustand ist 115. Ist dies nicht der Fall, so wird dem rechten Neinzweig 117 gefolgt. Die Verfahrensabläufe, die mit einem Senden einer Nachricht zusammenhängen, sind in 6 mittels gestrichelter Linien verbunden. Da das Übertragungsmedium sich nicht im Übertragungszustand befindet, muss es sich im Freizustand befinden. Nun wird die zu sendende Nachricht auf das Übertragungsmedium gesendet 119.
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Nachdem das Senden der Nachricht beendet ist, wird überprüft, ob das Übertragungsmedium in den Freizustand gewechselt ist 121. Ist dies der Fall, so wurde die übertragene Nachricht erfolgreich übertragen. Ist das Übertragungsmedium hingegen nicht in den Freizustand gewechselt, so ist eine Kollision erkannt 123. Hierauf wird die Zeitspanne ΔtÜZ ermittelt, in der das Übertragungsmedium im Übertragungszustand verbleibt 125.
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Indem die so ermittelte Zeitspanne ΔtÜZ zu der Nachrichtenübertragungsdauer ΔtaNj der gesendeten Nachricht addiert wird, wird die Nachrichtenübertragungsdauer ΔtaNk der Kollisionsnachricht aNk ermittelt 127, die anschließend identifiziert werden kann 129.
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Ist eine Kollision zuvor aufgetreten, so kann die identifizierte Nachricht keine Synchronisationsnachricht sein, sofern die Synchronisationsnachricht die niedrigste Priorität besitzt. Folglich wird mit dem Ausgeben der identifizierten empfangenen Nachricht fortgefahren 131.
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Um zu prüfen, ob die Kollision beim Senden einer asynchronen Nachricht aufgetreten ist, muss zumindest in der Gebereinheit geprüft werden, ob eine zu sendende asynchrone Nachricht vorliegt 133. Ist dies nicht der Fall, beispielsweise weil die Kollision beim Senden einer Synchronisationsnachricht aufgetreten ist, so wird mit dem Erzeugen des Zeitsignals 107 und dem Überwachen der Sendeanforderung 105 sowie dem Überwachen des Übertragungsmediums 103 fortgefahren. Liegt hingegen eine zu sendende asynchrone Nachricht vor, so wird mit dem Verfahrensschritt 115 fortgefahren, in dem überprüft wird, ob das Übertragungsmedium im Übertragungszustand ist. Der weitere Verfahrensablauf gleicht dem bisher beschriebenen Verfahrensablauf ab Verfahrensschritt 115, sofern das Übertragungsmedium nicht im Übertragungszustand ist.
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An das Überwachen des Übertragungsmediums 103 schließt sich die Abfrage an, ob das Übertragungsmedium im Übertragungszustand ist 115. Ist das Übertragungsmedium im Übertragungszustand, so wird gemäß Verfahrensblock 125 die Zeitspanne ermittelt, in der das Übertragungsmedium im Übertragungszustand verbleibt. Anschließend kann die empfange Nachricht anhand der ermittelten Nachrichtenübertragungsdauer identifiziert werden 129. In einer Abfrage 135 wird in einer synchronisierten Einheit überprüft, ob die identifizierte Nachricht eine Synchronisationsnachricht ist 135. Ist dies der Fall, so wird die Uhr (beispielsweise ein Oszillator) der eigenen Uhreinheit synchronisiert 137. Anschließend wird mit dem Überwachen des Übertragungsmediums 103 fortgefahren. Ist hingegen die identifizierte Nachricht keine Synchronisationsnachricht, so wird die identifizierte empfangene Nachricht ausgegeben 131 und anschließend mit dem Überwachen des Übertragungsmediums 103 sowie den anderen zeitgleich fortwährend ablaufenden Verfahrenshandlungen, Überwachen der Sendeanforderung 105 und dem Erzeugen des Zeitsignals 107, fortgefahren.
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Bei der Abfrage 139, ob eine Sendeanforderung vorliegt, wird erkannt, ob eine solche Sendeanforderung für eine asynchrone Nachricht aNj vorliegt. Ist dies der Fall, so wird die asynchrone Nachricht aNj als zu sendende Nachricht festgelegt 141. Der weitere Verfahrensablauf gleicht dem vom Versenden einer Synchronisationsnachricht ab Verfahrensschritt 115.
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Für den Fachmann versteht es sich, dass die oben beschriebenen Beispiele lediglich exemplarischen Charakter haben. Insbesondere kann eine genaue Ausgestaltung der Kommunikationseinheiten unterschiedlich ausgeführt sein. Hierbei können sowohl die Logikeinheit als auch die Steuereinheit sowohl mittels Hardware als auch Software ausgeführt sein. Bevorzugt sind die Kommunikationseinheiten so ausgestaltet, dass sie sowohl als Gebereinheit als auch als synchronisierte Einheit betreibbar sind. Es sind jedoch auch Ausführungsformen von Synchronisationsbussystemen denkbar, bei denen Kommunikationseinheiten eingesetzt werden, die nur entweder als Gebereinheit oder als synchronisierte Einheit betreibbar sind, als auch Synchronisationsbussysteme, in denen zusätzlich noch Einheiten eingesetzt werden, die wahlweise sowohl als Gebereinheiten als auch als synchronisierte Einheiten betreibbar sind.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen wurde der Synchronisationsnachricht jeweils die niedrigste Priorität zugeordnet. Andere Ausführungsformen sind denkbar, bei denen die Synchronisationsnachricht eine mittlere oder sogar die höchste Priorität zugewiesen ist.
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Um eine eindeutige Identifikation der Nachrichten zu ermöglichen, sollte die kürzeste Nachrichtenübertragungszeit größer als eine maximale Signallaufzeit zwischen zwei Kommunikationseinheiten über das Übertragungsmedium sein. Ferner sollten die Nachrichtenübertragungsdauern unterschiedlicher Nachrichten sich um mehr als das Doppelte der maximalen Signallaufzeit voneinander unterscheiden.
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In 8 ist schematisch ein beispielhaftes Koordinatenmessgerät 50 dargestellt. Das Koordinatenmessgerät 50 umfasst eine Steuereinheit 52 sowie mechanisch miteinander gekoppelt ein x-Stellglied 54, ein y-Stellglied 56 und ein z-Stellglied 58. Die Steuereinheit 52 und die Stellglieder 54-58 sind Komponenten des Koordinatenmessgerätes 50. Mit dem z-Stellglied ist ein Tastkopf 60 verbunden, der über die Stellglieder 54-58 im Raum dreidimensional positioniert werden kann, um ein Objekt 62 hinsichtlich dessen Abmessungen abzutasten. Jedes Stellglied kann eine Verschiebung des Tastkopfes entlang einer Richtung eines Koordinatensystems 61 bewirken.
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Um einen Kontakt des Tastkopfes 60 mit dem Objekt 62 zu detektieren, umfasst das z-Stellglied einen Messsensor (nicht dargestellt).
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Die Steuereinheit 52 ist mit den Stellgliedern 54-58 über einen ersten Bus 64, auf dem beispielsweise Nachrichten mittels des CAN-Protokolls ausgetauscht werden, und einem Synchronisationsbus 66 verbunden.
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Während über den ersten Bus 64 Anweisungen, Messdaten, Statusinformationen usw. ausgetauscht werden, dient der Synchronisationsbus 66 dazu, Uhren bzw. Uhreinheiten des Steuergerätes 52 und der Stellglieder 54-58 zu synchronisieren. Ferner werden Bewegungsabläufe über asynchrone Nachrichten angestoßen und Ereignisse, beispielsweise ein Bewegungsbeginn, ein Erreichen einer vorgegebenen Stellung, ein Erfassen eines Messwertes usw., zeitnah zu ihrem Auftreten signalisiert. Hierbei sind einzelnen Ereignissen einzelne Nachrichten zugeordnet, die sich durch ihre Nachrichtenübertragungsdauer unterscheiden. Vorzugsweise wird eine Nachricht nur von einer der Komponenten (Steuergerät 52 oder einem der Stellglieder 54-58) gesendet.
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Über die asynchronen Nachrichten ist eine synchronisierte Ausführung von Bewegungen der Stellglieder 54-58 und ein synchronisiertes Erfassen von Statusinformationen und Messdaten möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Synchronisationsbussystem
- S1, S2, ..., Sn
- Steuergeräte
- SE1, SE2 ..., SEn
- Sende- und Empfangseinheiten
- 3
- Übertragungsmedium
- 5
- Leitungen
- KE1, KE2, ..., KEn
- Kommunikationseinheiten
- UE1, UE2, ..., UEn
- Uhreinheiten
- StE1, StE2, ..., StEn
- Steuereinheiten
- SN
- Synchronisationsnachricht
- 11
- Zeitachse
- 13
- linke Kante
- 14
- rechte Kante
- ti, ti+1
- Synchronisationszeitpunkte
- 15
- Zustandsdiagramm
- taNj
- Anforderungszeitpunkt für eine Übertragung einer asynchronen Nachricht j
- taNj R
- Sendezeitpunkt für eine Übertragung einer asynchronen Nachricht j, die zeitversetzt gesendet werden muss
- ΔtaNj
- Nachrichtenübertragungsdauer der asynchronen Nachricht j
- aNj
- asynchrone Nachricht j
- 50
- Koordinatenmessgerät
- 52
- Steuereinheit
- 54
- x-Stellglied
- 56
- y-Stellglied
- 58
- z-Stellglied
- 60
- Tastkopf
- 61
- Koordinatensystem
- 62
- Objekt
- 64
- erster Bus (CAN-Bus)
- 66
- Synchronisationsbus
- 100
- Verfahren zum Austauschen von Nachrichten für eine zeitliche Synchronisation
- 103
- Überwachen eines Übertragungsmediums
- 105
- Überwachen einer Sendeanforderung
- 107
- Erzeugen eines Zeitsignals
- 109
- Abfrage: Ist regelmäßige Zeitspanne vergangen?
- 111
- Synchronisationsnachricht als zu sendende Nachricht festlegen
- 113
- Abfrage: Liegt zu sendende asynchrone Nachricht vor?
- 115
- Abfrage: Ist Übertragungsmedium im Übertragungszustand?
- 117
- rechter Neinzweig
- 119
- zu sendende Nachricht senden
- 121
- Abfrage: Ist Übertragungsmedium in den Freizustand gewechselt?
- 123
- Erkennen einer Kollision
- 125
- Ermitteln einer Zeitspanne, in der das Übertragungsmedium im Übertragungszustand verbleibt
- 127
- Addieren der ermittelten Zeitspanne zu der Nachrichtenübertragungsdauer der gesendeten Nachricht
- 129
- Identifizieren der empfangenen Nachricht
- 131
- Ausgeben der identifizierten empfangenen Nachricht
- 133
- Abfrage: Liegt eine zu sendende asynchrone Nachricht vor?
- 135
- Abfrage: Ist identifizierte Nachricht eine Synchron isationsnach richt?
- 137
- Synchronisieren der Uhreinheit
- 139
- Abfrage: Liegt eine Sendeanforderung vor?
- 141
- asynchrone Nachricht wird als zu sende Nachricht festgelegt
