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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung und
ein Verfahren für
ein Datenübertragungsnetz
mit Punkt-zu-Punkt-Verbindung, insbesondere ein Netzwerk gemäß dem IEEE 1394
Standard.
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Ein
wohlbekanntes Prinzip der Datenübertragung
zwischen verschiedenen elektronischen Vorrichtungen ist eine so
genannte ”Punkt-zu-Punkt”-Verbindung,
wie zum Beispiel durch den IEEE 1394 Standard beschrieben. Gemäß diesem
Standard und ebenso bei anderen Logikbussen werden die Daten von
jedem Knoten von dem eingehenden Kabelsegment zu den ausgehenden Kabelsegmenten
weitergegeben. Die eingehenden Daten werden unter Verwendung eines
lokalen Quarzoszillators, der in jedem der entsprechenden Knoten vorhanden
ist, synchronisiert und zeitlich neu ausgerichtet. Zum Erreichen
einer hohen Datenintegrität müssen die
durch das Netzwerk von Knoten zu Knoten laufenden Daten synchronisiert
werden. Die Synchronisation wird am Anfang jedes Datenpakets durchgeführt. Nach
der Synchronisation werden die Bits in ihrer Impulsmitte abgetastet.
Zwei Netzknoten haben jedoch niemals genau dieselbe Oszillatorfrequenz,
so dass der Zeitpunkt, an dem die Bits abgetastet werden, entweder
an den Anfang oder das Ende jedes Datenbits verschoben wird. Je
länger
ein Datenpaket ist, desto weiter entfernt von der Mitte wird ein
Bit, das am Ende des Pakets ist, abgetastet. Zur Sicherstellung
der Datenintegrität
wird eine spezifische Maximaltoleranz der Schwingfrequenz des lokalen
Oszillators festgelegt. Für
den IEEE 1394 Standard muss die Quarzoszillatortoleranz zum Beispiel
unter +/–100
ppm liegen. Entsprechend kann die Maximaldifferenz zwischen zwei
Knoten 200 ppm betragen. Anders ausgedrückt können für eine Bitlänge von 2500 die Bits mit einer
Marge von 1/2 Bit abgetastet werden, ohne den Toleranzbereich zu überschreiten,
d. h. ohne einen Fehler einzubringen. Dies entspricht einem Datenpaket
mit 312 Byte, das fehlerfrei übertragen
werden kann. Um größere Pakete
zu übertragen,
wird ein interner Schaltkreis zur zeitlichen Neuausrichtung verwendet,
der das fehlerfreie Senden und Empfangen größerer Pakete ermöglicht.
Wenn die Frequenzen der lokalen Oszillatoren in den Netzknoten um
mehr als 100 ppm schwanken, können
lediglich verringerte Datenpaketgrößen verwendet werden. Die Toleranzen
der Schwingfrequenzen der lokalen Oszillatoren können auf Grund von Alterungs-
oder Temperatureffekten erheblich schwanken. Ebenso sind lokale
Oszillatoren mit äußerst stabilen
Schwingfrequenzen teuer und komplex. Um Alterungs- oder Temperatureffekte zu
handhaben, werden Schutzschaltungen verwendet, die die genaue Bitrate
der eingehenden Pakete mit der genauen Bitrate der ausgehenden Datenpakete
vergleicht. Trotzdem müssen
neue Anwendungen und Standards für
Punkt-zu-Punkt-Netzwerke unterschiedliche Geschwindigkeiten unterstützen, und
sie müssen
ruhen, wenn keine Daten übertragen werden,
so dass ein Vergleich der Datenbitraten nicht praktikabel ist.
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Die
deutsche Patentschrift
DE
102 54 405 B3 betrifft einen Empfänger mit einem Empfängertaktoszillator,
der hinsichtlich seiner Empfängeroszillatorfrequenz
steuerbar ist. Der Empfänger
umfasst eine Einrichtung zum Erfassen einer Anzahl von Taktperioden,
die der Empfängertaktoszillator
in einem spezifizierbaren Zeitraum ausführt. Weiter ist eine Einrichtung
zum Extrahieren eines ersten und eines zeitlich folgenden zweiten
Referenzeintrags in einem empfangenen Datenstrom vorgesehen, wobei
die Einrichtung zum Extrahieren ausgebildet ist, um die Einrichtung
zum Erfassen auf der Basis des extrahierten ersten und zweiten Referenzeintrags
hinsichtlich des spezifizierbaren Zeitraums anzusteuern. Außerdem ist
eine Einrichtung zum Vergleichen der Anzahl von Taktperioden des
Empfängertaktoszillators
mit den Informationen in dem zweiten Referenzeintrag vorgesehen,
um abhängig
von einem Vergleichsergebnis den steuerbaren Oszillator so anzusteuern,
dass die Oszillatorfrequenz erhöht
oder erniedrigt wird, so dass die Oszillatorfrequenz in einem vorbestimmten Verhältnis zu
einer Frequenz des Taktoszillators im Sender oder gleich der Frequenz
des Taktoszillators im Sender ist. Damit wird erreicht, dass der
Empfänger
fest mit dem Sender synchronisiert ist und dass mehrere Empfänger untereinander
ebenfalls synchronisiert sind. Diese Vorgehensweise zum Abgleich
ist jedoch aufwändig
und umständlich.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches Datenübertragungssystem
und ein entsprechendes Verfahren für den Betrieb des Datenübertragungssystems
bereitzustellen, das Temperatur- und Alterungseffekte der lokalen
Oszillatoren handhaben kann und die Anforderungen an die lokalen
Oszillatoren lockert.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Datenübertragungsnetz bereitgestellt,
das einen Netzknoten umfasst. Der Netzknoten umfasst einen lokalen
Quarzoszillator zur Bereitstellung einer Zeitreferenz, die von dem
durch den lokalen Quarzoszillator erzeugten Taktsignal abgeleitet ist,
eine Rücksetzstufe
zum Rücksetzen
des Netzknotens als Reaktion auf einen durch das Netzwerk empfangenen
Busrücksetzimpuls
und ein Steuermittel zur Ausgabe eines Busrücksetzimpulses mit einer vorbestimmten
Länge,
die wesentlich größer als
eine Taktperiode des Taktsignals des lokalen Quarzoszillators ist.
Ferner umfasst der Netzknoten einen Busrücksetzdetektor zur Bestimmung
einer Länge
des empfangenen Busrücksetzimpulses
auf Grundlage der lokalen Zeitreferenz. Der Busrücksetzdetektor in dem Netzknoten
ist ebenfalls so eingerichtet, dass er die lokale Zeitreferenz auf
Grundlage der bestimmten Länge
des empfangenen Busrücksetzimpulses
einstellen kann. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung basiert
auf der Erkenntnis, dass Punkt-zu-Punkt-Netzwerke mehrere Netzknoten
haben und Kommunikationsleitungen, welche die Netzknoten verbinden,
zum Rücksetzen
der Netzknoten typischerweise einen Busrücksetzimpuls verwenden, der
eine Zeitlänge
hat, die ein Vielfaches der Taktperioden der lokalen Oszillatoren
in jedem Knoten beträgt.
Da der Busrücksetzimpuls
eine vorbestimmte Länge
hat, ist es entsprechend möglich,
unter Verwendung der Taktperioden des internen lokalen Oszillators
die Länge
des Busrücksetzimpulses
in jedem Netzknoten zu messen. Wenn das Messergebnis zeigt, dass
der Busrücksetzimpuls
zu lang oder zu kurz ist, kann dies als Indikator für eine Abweichung der
Taktfrequenz des lokalen Oszillators verwendet werden. Entsprechend
kann die Schwingfrequenz des lokalen Oszillators direkt oder durch
eine mit dem lokalen Oszillator gekoppelte Logikschaltung eingestellt
werden, wodurch ein korrigiertes Taktsignal mit der richtigen Taktperiode
bzw. Schwingfrequenz erzeugt wird.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst jeder Netzknoten eine
Start- und Stopplogik und einen Zeitmesser zum Vergleichen der Länge des
empfangenen Busrücksetzimpulses mit
einer Länge
eines in demselben (d. h. eigenen oder lokalen) Netzknoten erzeugten
Busrücksetzimpulses.
Entsprechend ist die durch diesen Vergleich bestimmte Zeitdifferenz
ein Qualifizierungsmittel für die
Taktgenauigkeit und somit ein Wert zur Schätzung der zu erwartenden Signalintegrität. Ebenso
ermöglicht
die Verwendung einer Start- und Stopplogik und eines Zeitmessers,
der startet, wenn einer der beiden Busrücksetzimpulse endet, und stoppt,
wenn der andere der beiden Busrücksetzimpulse
endet, die Verringerung der Komplexität des Netzknotens.
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Ferner
kann jeder Netzknoten einen Indikator für ein sicheres Rücksetzen
des Busses umfassen, wodurch sichergestellt wird, dass der Zeitmesser
nur dann aktiviert wird, wenn ein echtes Busrücksetzsignal empfangen wird.
Die oben genannten Aspekte der vorliegenden Erfindung sind besonders nützlich für Hochverfügbarkeitssysteme
und Hochsicherheitssysteme wie Telekommunikations-, Automobil- oder
Robotersysteme, die eine frühe
Anzeige benötigen,
wenn das Niveau der Datenunversehrtheit abnimmt.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Differenz der
Länge der beiden
Busrücksetzimpulse
als Absolutwert oder als Binärsignal,
das mit einem Maximalwert zu vergleichen ist, gemessen werden.
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Vorzugsweise
ist das Verhältnis
der Länge des
Rücksetzimpulses
und der Taktperiode des durch den lokalen Oszillator bereitgestellten
Taktsignals größer als
mehrere Hundert, insbesondere 500 oder höher. Insbesondere kann der
Busrücksetzimpuls
125 μs oder
166 μs betragen,
und die Taktfrequenz des Quarzoszillators kann ungefähr 25 MHz betragen.
Der genaue Wert kann 24,576 MHz sein. Diese Konfigurationen ermöglichen
eine genaue Bestimmung der Differenz der Busrücksetzimpulse. Vorzugsweise
bestehen die Kommunikationsleitungen aus zwei oder mehreren Datenleitungen.
Es kann mehrere optionale Stromversorgungsleitungen geben. Die Datenübertragungsleitungen
können
dann alle während
der gesamten Länge
eines Rücksetzimpulses
in Nullzustand gesetzt werden. Diese Aspekte der vorliegenden Erfindung
sind vorteilhafterweise anwendbar auf ein Datenübertragungssystem, das dem
IEEE 1394 Standard entspricht, oder auf jede beliebige andere serielle
Busverbindung.
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Vorzugsweise
kann ein Netzknoten gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Mittel zur Ausgabe eines Rücksetzimpulses zu jeder Zeit,
zu der das Netzwerk rekonfiguriert wird, umfassen, insbesondere dann,
wenn Netzknoten zu dem Netzwerk hinzugefügt oder aus diesem entfernt
werden. Ferner kann der Netzknoten so konfiguriert sein, dass er
bei jeder Aktivierung des Netzknotens einen Rücksetzimpuls ausgibt. Dies
ermöglicht
eine ununterbrochene Überwachung
der Abweichung der internen Zeitreferenz des Netzknotens.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren für den Betrieb
eines Datenübertragungsnetzes.
Das Verfahren umfasst das Verwenden eines lokalen Quarzoszillators
als lokale Zeitreferenz für
die Datenübertragung
in einem Netzknoten, das Empfangen eines Busrücksetzimpulses an dem Netzknoten,
der wesentlich länger
als eine Periode des lokalen Quarzoszillators ist, das Bestimmen
einer Länge
des in dem Netzknoten empfangenen Busrücksetzimpulses, und das Einstellen
der lokalen Zeitreferenz in dem Netzknoten auf Grundlage der bestimmten
Länge des
empfangenen Busrücksetzimpulses.
Entsprechend können
jegliche Taktungsdifferenzen zwischen mehreren Netzknoten auf Grund
von Alterungseffekten des lokalen Oszillators kompensiert werden.
Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Messung der Länge des
Busrücksetzimpulses
in einem Netzknoten das Vergleichen eines von einem anderen Netzknoten
empfangenen Busrücksetzimpulses
mit der Länge
eines intern in demselben Netzknoten erzeugten Busrücksetzimpulses
umfassen.
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Gemäß noch weiterer
Aspekte der Erfindung kann die Temperatur des Netzknotens (z. B.
der als Netzknoten verwendeten integrierten elektronischen Vorrichtung)
gemessen werden, während
die Länge des
Busrücksetzens
bestimmt wird. Entsprechend kann der Einfluss der Temperatur berücksichtigt
werden, wenn die Abweichung der lokalen Zeitreferenz festgestellt
wird. Des Weiteren kann die Messung der Länge eines Busrücksetzimpulses
auf statistischen Überlegungen
basieren, so dass zum Beispiel ein Durchschnittswert, eine Standardabweichung
o. ä. berücksichtigt
wird, bevor die lokale Zeitreferenz endgültig geändert wird. Dies kann eine
erhöhte
Zuverlässigkeit
und Robustheit des Netzwerks bereitstellen.
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Allgemein
betrifft die vorliegende Erfindung ein Datenübertragungssystem, einschließlich eines Netzwerks
und Netzknoten, wie obenstehend beschrieben. Die Verwendung eines
Netzknotens und des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine
Einstellung der lokalen Zeitreferenzen der Netzknoten. Wenn jedoch
mehrere Netzknoten vorhanden sind, die alle dieselben Alterungseffekte
aufweisen, und die Netzknoten lediglich untereinander Rücksetzimpulse
austauschen, kann es sein, dass die Einstellung der lokalen Zeitreferenz nicht
möglich
ist. Alle Netzknoten können
zum Beispiel ein alterungs- oder temperaturabhängiges Verhalten haben, durch
das die Rücksetzimpulse
länger werden.
In dieser Situation können
die Netzknoten eventuell nicht in der Lage sein, ihre internen Zeitreferenzen
einzustellen. Das Netzwerk funktioniert jedoch noch immer korrekt,
da die zwischen den Knoten übertragenen
Daten alle auf derselben, wenn auch geänderten, Zeitbasis basieren.
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Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der untenstehenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen. Es zeigen:
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1 einen
allgemeinen Überblick über ein Datenübertragungssystem,
auf das die vorliegende Erfindung anwendbar ist,
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2 ein
vereinfachtes Schaubild eines Netzknotens gemäß der vorliegenden Erfindung,
und
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3 Signalverläufe, die
unterschiedliche Busrücksetzimpulse
darstellen.
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1 zeigt
ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines elektronischen Datenübertragungsnetzes 1.
Es gibt drei Netzknoten NN1, NN2 und NN3, die durch die Datenübertragungsleitungen
L1, L2 verbunden sind. Das Datenübertragungsnetz 1 kann
ein typisches Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsnetz
sein, in dem Daten von einem ersten Netzknoten NN1 über eine
Kommunikationsleitung L1 an einen zweiten Netzknoten NN2 und von
dem Netzknoten NN2 über
eine Kommunikationsleitung L2 an einen Netzknoten NN3 übertragen
werden. Jeder Netzknoten NN1, NN2 und NN3 umfasst einen einzelnen Quarzoszillator
XTAL1, XTAL2 bzw. XTAL3 als lokale Zeitreferenz für eingehende
und ausgehende Daten. Beim Einschalten des Systems und ebenfalls
während
des Betriebs kann in einem der Netzknoten NN1, NN2 und NN3 ein Busrücksetzimpuls
BR erzeugt werden. Der Busrücksetzimpuls
BR läuft
durch die Datenübertragungsleitungen
L1, L2 von einem Netzknoten zum anderen. Ein Netzknoten empfängt den
Busrücksetzimpuls,
stellt den Busrücksetzimpuls nach
und synchronisiert ihn mit dem durch den lokalen Quarzoszillator
erzeugten internen Taktsignal und überträgt den Busrücksetzimpuls an einen anderen Netzknoten
in dem Datenübertragungssystem 1.
Auf Grund von Alterung, Temperaturschwankungen oder unzureichender
Genauigkeit der Quarzoszillatoren XTAL1, XTAL2 und XTAL3 ist die
Länge der
in dem Datenübertragungssystem 1 übertragenen
Datenpakete beschränkt.
Im schlimmsten Fall können
Fehler auftreten, wenn die Abweichung von Netzknoten zu Netzknoten
zu groß wird.
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2 zeigt
ein vereinfachtes Schaubild eines Netzknotens gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Netzknoten umfasst mehrere Stufen. Die lokale Zeitreferenzstufe
LTR stellt zum Beispiel einen Quarzoszillator und eine zusätzliche
Logikschaltung zur Bereitstellung einer stabilen Zeitreferenz für den Netzknoten
dar. Die lokale Zeitreferenz wird zum Beispiel in der zeitlichen
Neuausrichtungs- und Nachzentrierungsstufe RTC verwendet, in der
Daten empfangen, abgetastet, gemäß der lokalen
Zeitreferenz zeitlich neu ausgerichtet und nachzentriert und über eine
Datenübertragungsleitung
TX an einen anderen Netzknoten gesendet werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Busrücksetzdetektionsstufe BRD
bereitgestellt, die eine Start-und-Stopp-Logik SSL und einen Zeitmesser
TIM umfasst. Ferner gibt es einen Busrücksetzindikator BRI, der dazu
dient, sicher anzuzeigen, dass ein Busrücksetzimpuls vorliegt. Wenn
die Stufe BRI einen Busrücksetzimpuls sicher
detektiert hat, versucht die Start-und-Stopp-Logik SSL, das Ende
des Busrücksetzimpulses
zu detektieren. Synchron mit dem Start eines externen Busrücksetzimpulses
wird ein interner Busrücksetzimpuls
erzeugt und in der Start-und-Stopp-Logik SSL mit dem externen Busrücksetzimpuls
verglichen. Wenn der erste Busrücksetzimpuls
endet, wird der Zeitmesser TIM gestartet. Wenn der zweite Busrücksetzimpuls
endet, stoppt der Zeitmesser. Entsprechend enthält der Zeitmesser TIM die Zeitdifferenz
zwischen dem ersten und dem zweiten Busrücksetzimpuls, von denen einer
der interne Busrücksetzimpuls
und der andere der externe Busrücksetzimpuls
ist. Basierend auf dem Messergebnis in dem Zeitmesser TIM kann die
lokale Zeitreferenz in der LTR eingestellt werden.
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3 zeigt
Signalverläufe,
die drei verschiedene Busrücksetzimpulse
BROPT; BR1 und BR2 darstellen. BROPT stellt einen Busrücksetzimpuls
mit der optimalen Länge
dar. BR1 stellt einen Busrücksetzimpuls
dar, der intern in dem Netzknoten NN1 erzeugt wird, und BR2 stellt
den durch einen anderen Netzknoten (zum Beispiel Netzknoten 2 in 1)
erzeugten, von Netzknoten 1 empfangenen Busrücksetzimpuls dar. Der Vergleich
der beiden Netzknoten, der in der Busrücksetzdetektionsstufe BRD in 2 durchgeführt wird,
stellt eine in 3 gezeigte Zeitdifferenz Δt bereit.
Auf Grundlage dieser Zeitdifferenz Δt ist es möglich, die interne lokale Zeitreferenz
LTR in dem Netzknoten NN1 neu einzustellen. Es ist ebenso möglich, bei
der Messung der Zeitdifferenz zwischen den beiden Busrücksetzimpulsen
eine interne Temperaturmessung in dem Netzknoten zu berücksichtigen.
In die Auswertung der Busrücksetzimpulslängen können ebenfalls
statistische Abweichungen und Verteilungen einbezogen werden. Wenn
jedoch beide Netzknoten, die die Busrücksetzimpulse BR1, BR2 bereitstellen,
von der optimalen lokalen Zeitdifferenz abweichen, wie in 3 gezeigt,
kann die optimale Länge
BROPT nicht erreicht werden. Der gemeinsame Fehler aller Netzknoten,
die an der Datenübertragung
in dem Netzwerk beteiligt sind, überwiegt.
Die Datenübertragung
wird jedoch durch irgendwelche gemeinsame Änderungen in der Zeitreferenz
nicht beeinflusst, da die Daten in allen Netzknoten korrekt abgetastet
werden.