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Die
Erfindung betrifft ein Bussystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 und gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
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Ein
derartiges Bussystem ist aus der
EP 1 327 922 B1 bekannt. Bei diesen Bussystemen
handelt es sich generell um nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitende
Bussysteme. Dabei bildet das Bussystem ein Feldbussystem, bei welchem
die Slaves von Sensoren und/oder Aktoren gebildet sind. Ein Beispiel
hierfür
ist das ASi-Bussystem. Die Funktionsweise des ASi-Bussystems ist
in „ASI-Das-Aktuator Sensor
Interface für
die Automation”,
Werner Kriesel, Otto W. Madelung, Carl Hanser Verlag, 1994 beschrieben.
Die Sensoren und/oder Aktoren können zur Überwachung
und Steuerung von Prozessen in Maschinen und Anlagen eingesetzt
werden. Wenn es sich bei diesen Anordnungen um sicherheitskritische Applikationen
handelt, muss das Feldbussystem, um die erforderlichen Sicherheitsstandards,
insbesondere Sicherheitsnormen, zu erfüllen, fehlersicher arbeiten.
Das in der
EP 1 327
922 B1 beschriebene Bussystem weist zur Erfüllung dieser
Sicherheitsstandards einen redundant aufgebauten Sicherheitsmonitor
auf. Mit im Sicherheitsmonitor hinterlegten Codes werden Sensoren
und Aktoren angesteuert.
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Weiterhin
ist aus der
DE 198
15 148 B4 ein Bussystem bekannt, welches einen Busmonitor
in Form einer redundanten Auswerteeinheit aufweist. Der Busmonitor
bildet eine selbständige,
vom Master und den Slaves unabhängige
und separate Einheit. Dieser Busmonitor hört die über das Bussystem zwischen
dem Master und den Slaves übertragenen Nachrichten
mit.
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Bei
dem in der
DE 198
15 148 B4 beschriebenen Bussystem sind als Slaves Sensoren
vorgesehen, wobei den Signalen der Sensoren eindeutige Kodierungen
aufgeprägt
sind, die bei der Übertragung über das
Bussystem vom Busmonitor mitgehört werden.
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Im
Fall, dass die Slaves des Bussystems von Aktoren gebildet sind,
ist es für
den Einsatz des Bussystems im Bereich der Sicherheitstechnik erforderlich,
die Aktoren fehlersicher auszugestalten, insbesondere diese fehlersicher
auszusteuern, damit diese nicht unerkannt gefahrbringende Zustande
einnehmen können.
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Die
DE 10 2005 055 428
B4 betrifft ein Busmodul zum Anschluss an ein Bussystem,
mit Mitteln zur Ausgabe sicherheitsgerichteter Signale in Form von
sich wiederholenden eindeutigen Kodefolgen. Das Busmodul weist eine
erste und zweite Rechnereinheit mit Mitteln zur Ausführung von
Softwareprogrammen auf, wobei ein Kodeerzeugerprogramm der ersten
Rechnereinheit eine erste Teilkodefolge der Kodefolge und ein Kodeerzeugerprogramm
der zweiten Rechnereinheit den restlichen Teil der Kodefolge als
zweite Teilkodefolge erzeugt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bussystem der eingangs
genannten Art bereitzustellen, mittels dessen die sicherheitstechnischen Anforderungen
für eine
sichere Ansteuerung von Aktoren erfüllt werden können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale der Ansprüche 1 und 9 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einer
ersten Variante der Erfindung umfasst das Bussystem wenigstens einen
Master und eine Anordnung von Slaves, welche über Busleitungen an den Master
angeschlossen sind und von diesem zyklisch abgefragt werden. Die
Slaves sind als Aktoren ausgebildet, welche binäre Zustände aufweisen. Zur Ansteuerung
der Aktoren ist eine Steuereinheit vorgesehen. Die Aktoren sind in
einen Freigabezustand dadurch überführbar, dass
von der Steuereinheit ein Freigabesignal für den jeweiligen Aktor generiert
und an einen Codefolgengenerator ausgegeben wird. Der Codefolgengenerator
bildet eine von der Steuereinheit separate Einheit, welche das Freigabesignal
in eine Codefolge umsetzt, die an den jeweiligen Aktor ausgegeben
wird und die Ansteuerung der Aktoren dadurch fehlersicher ist, dass
der Codefolgengenerator einen fehlersicheren Aufbau aufweist oder
dass die Zustände
der Aktoren in die Steuereinheit rückgelesen werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit einem
Codefolgengenerator Codefolgen generiert werden können, mit
welchen mehrere Aktoren sicher angesteuert werden können. Der Schaltungsaufwand
zur Erfüllung
der sicherheitstechnischen Anforderungen, kann somit äußerst gering
gehalten werden.
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Generell
werden dabei zur Generierung sicherer Freigabesignale für die Aktoren
Codefolgen generiert, die für
die einzelnen Aktoren unterschiedlich sind, so dass eine eindeutige
Zuordnung der Codefolgen für
die einzelnen Aktoren gegeben ist.
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Generell
besteht dabei jede Codefolge für
einen Aktor aus einer Folge von Codefolgewörtern in Form von Datenpaketen,
welche dieselbe Anzahl von Datenbits aufweisen, wobei die Datenpakete
einzeln in aufeinander folgenden Buszyklen an den Aktor übertragen
werden, wobei sämtliche
Codefolgen dieselbe Anzahl von Codefolgewörtern aufweisen.
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Die
an das Bussystem angeschlossenen Aktoren weisen jeweils binäre Zustände auf.
In einem ersten Zustand ist der Aktor nicht freigegeben, das heißt ausgeschaltet.
In einem zweiten Zustand ist der Aktor freigegeben, das heißt aktiviert
um eine bestimmte Aktion durchzuführen.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Konzept basiert darauf, dass die
Zustände
der Aktoren über
die Steuereinheit vorgegeben werden.
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Besonders
vorteilhaft ist die Steuereinheit ein Busmonitor, welcher zwischen
dem Master und den Slaves ausgetauschte Nachrichten mithört und dadurch überwacht.
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Generell
weist die Steuereinheit dabei einen fehlersicheren Aufbau auf, um
so die sicherheitstechnischen Anforderungen für das Bussystem zu erfüllen.
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Weiterhin
ist es zur Erfüllung
der sicherheitstechnischen Anforderung für eine sichere Ansteuerung
der Aktoren ausreichend, wenn mit dem Codefolgengenerator sichere
Freigabesignale für
die Aktoren erzeugt werden. Eine entsprechend sichere Generierung
von Signalen, mit welchen die Aktoren in den Aus-Zustand überführt werden, ist nicht erforderlich,
da diese Aus-Zustände
der Aktoren jeweils einen nicht gefahrbringenden Zustand bedeuten,
der nicht separat mit dem Codefolgengenerator abgedeckt werden muss.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der ersten Variante weist der Codefolgengenerator keinen fehlersicheren
Aufbau auf, so dass mit diesem keine sicheren Codefolgen generiert
werden. Zur Gewährleistung
einer sicheren Ansteuerung der Aktoren und damit zur Erfüllung der
sicherheitstechnischen Anforderungen werden auf das Aussenden der
Codefolgen an die Aktoren deren Zustände in die Steuereinheit rückgelesen.
Im einfachsten Fall werden die Codefolgen in die Steuereinheit rückgelesen.
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Dabei
erfolgt die Ausgabe der Codefolgen des Codefolgengenerators an einen
Aktor und das Rücklesen
des Zustands dieses Aktors über
separate Kanäle,
wobei bevorzugt jeder Kanal eine Ankopplungseinheit aufweist, in
welcher eine Wandlung von über
die Busleitung übertragenen,
Nachrichten bildenden analogen Signale in digitale Signale oder
umgekehrt erfolgt.
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Dieses
Sicherheitskonzept wird dadurch komplettiert, dass mittels der Steuereinheit
der Codefolgengenerator im Fehlerfall sicher vom Bussystem getrennt
werden kann, wodurch unkontrollierte Freigaben von Aktoren, bedingt
durch einen fehlerhaft arbeitenden Codefolgengenerator, sicher unterbunden werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieser Variante der Erfindung besteht darin,
dass der Codefolgengenerator nicht fehlersicher ausgebildet sein
muss, so dass für
diesen keine gesonderten Sicherheitsanforderungen zu beachten sind.
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Für den Fall,
dass die Steuereinheit als Busmonitor gebildet ist, kann als Rücklesekanal
der bereits vorhandene Anschluss, über welchen der Busmonitor
Nachrichten des Bussystems mithört,
genutzt werden, so dass für
den Rücklesekanal
kein zusätzlicher
Hardware-Aufwand erforderlich ist.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der ersten Variante weist der Codefolgengenerator einen fehlersicheren
Aufbau auf, so dass mit diesem sichere Codefolgen generiert werden,
mit welchen eine sichere Ansteuerung der Aktoren gewährleistet
ist.
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Vorteilhaft
bei dieser Variante ist, dass auf ein Rücklesen von Daten der Aktoren
völlig
verzichtet werden kann.
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Gemäß einer
zweiten Variante der Erfindung umfasst das Bussystem wenigstens
einen Master und eine Anordnung von Slaves, welche über Busleitungen
an den Master angeschlossen sind und von diesem zyklisch abgefragt
werden. Die Slaves sind als Aktoren ausgebildet, welche binäre Zustande
aufweisen. Zur Ansteuerung der Aktoren ist eine Steuereinheit vorgesehen,
welche einen Busmonitor bildet, welcher zwischen dem Master und
den Slaves ausgetauschte Nachrichten mithört und dadurch überwacht.
Die Aktoren sind in einen Freigabezustand dadurch überführbar, dass
von der Steuereinheit ein Freigabesignal für den jeweiligen Aktor generiert
und an einen Codefolgengenerator ausgegeben wird, welcher das Freigabesignal
in eine Codefolge umsetzt, die an den jeweiligen Aktor ausgegeben
wird. Die Funktionalität
des Codefolgengenerators ist in dem die Steuereinheit bildenden
Busmonitor integriert. Die Ansteuerung der Aktoren ist dadurch fehlersicher,
dass der Codefolgengenerator einen fehlersicheren Aufbau aufweist.
Der Busmonitor weist zwei untereinander Daten austauschende Prozessoren
auf, welche beide zur Generierung sicherer Codefolgen genutzt werden,
in dem in den beiden Prozessoren in abwechselnder Reihenfolge die
Codefolgewörter
jeweils einer Codefolge separat gespeichert und in einem der Prozessoren
zur Bildung der Codefolgen aneinander fügbar sind.
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In
diesem Fall ist die Funktionalität
des Codefolgengenerators in der Steuereinheit integriert, so dass
zur Ausbildung des Codefolgengenerators keine zusätzlichen
Hardwarekomponenten erforderlich sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematischer Aufbau eines Sensor/Aktor-Bussystems.
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2:
Erste Ausführungsform
einer sicheren Ansteuerung von Aktoren für das Bussystem gemäß 1.
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3:
Zweite Ausführungsform
einer sicheren Ansteuerung von Aktoren für das Bussystem gemäß 1.
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4:
Dritte Ausführungsform
einer sicheren Ansteuerung von Aktoren für das Bussystem gemäß 1.
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5:
Ausführungsbeispiel
eines sicheren Codefolgengenerators für das Bussystem gemäß 1.
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1 zeigt
ein Beispiel eines nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitenden Bussystems 1, welches
einen Master 2 sowie eine Anzahl von Slaves 3 aufweist,
die über
Busleitungen 4 an den Master 2 angeschlossen sind.
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Bei
dem Bussystem 1 handelt es sich um ein Feldbussystem, bei
welchem als Slaves 3 Sensoren und insbesondere Aktoren
an den Master 2 angeschlossen sind.
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Im
vorliegenden Fall ist das Bussystem 1 von einem ASi-Bussystem
gebildet. Das ASi-Bussystem ist insbesondere für den Anschluss von binären Sensoren
und Aktoren konzipiert. Die Funktionsweise des ASi-Bussystems ist
in „AS-Interface Das Aktuator
Sensor Interface für
die Automation”,
Werner Kriesel, Otto W. Madelung, Carl Hanser Verlag, 2. Auflage,
1998 beschrieben.
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Bei
diesem Bussystem 1 können
bis zu 31 Slaves 3 an den Master 2 angeschlossen
werden. Durch die Verwendung sogenannter A/B-Slaves können bis
zu 62 Slaves vom Master 2 verwaltet werden. Der Master 2 steuert
die Kommunikation mit den Slaves 3. Durch ein Polling fragt
der Master 2 die Slaves 3 unter vorgegebenen Slave-Adressen
zyklisch ab, worauf die Slaves 3 Antworten an den Master 2 zurücksenden.
Bei dem ASi-Bussystem überträgt der Master 2 hierbei
Datenpakete mit 4 bit-Daten an die jeweiligen Slaves 3.
Auch die Slave-Antworten enthalten Datenpakete mit 4 bit-Daten.
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Im
vorliegenden Fall wird das Bussystem 1 im Bereich der Sicherheitstechnik,
insbesondere im Bereich des Personenschutzes, eingesetzt. Zur Erfüllung der
hierfür
gestellten Sicherheitsanforderungen, insbesondere der Sicherheitsnormen
SIL 3 und IEC 61508, ist als Busteilnehmer des Bussystems 1 ein
Busmonitor 5 vorgesehen. Der Busmonitor 5 hört die über das
Bussystem 1 übertra genen
Nachrichten mit, wobei der Busmonitor 5 die dabei einzulesenden Daten
sicher, das heißt
fehlersicher überprüft und auswertet.
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Der
Busmonitor 5 weist hierzu einen fehlersicheren, vorzugsweise
mehrkanaligen Aufbau auf. Der Master 2, der keine Sicherheitsanforderungen erfüllen muss,
kann dagegen einen einkanaligen, nicht fehlersicheren Aufbau aufweisen.
Die Sensoren und Aktoren weisen einen fehlersicheren Aufbau auf.
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Die
Fehlersicherheit des Gesamtsystems wird dadurch erreicht, dass einerseits
die Sensorsignale der Sensoren fehlersicher übertragen werden und andererseits
die Aktoren fehlersicher durch das Bussystem 1 angesteuert
werden.
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Die 2 bis 5 zeigen
unterschiedliche Ausführungsformen
für eine
derartige sichere Ansteuerung von Aktoren.
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Jeder
Aktor bildet eine binäre
Einheit, welche zwei Zustände
einnehmen kann, nämlich
einerseits einen ersten, ausgeschalteten Zustand, in dem der Aktor
nicht freigegeben ist, und andererseits einen aktivierten Zustand,
in dem der Aktor freigegeben ist und eine Aktion durchführen kann.
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Die
Vorgabe der Zustände
aller sicheren Aktoren im Bussystem 1 gemäß 1 erfolgt über eine zentrale
Steuereinheit, die im vorliegenden Fall vom Busmonitor 5 gebildet
ist.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer sicheren Ansteuerung von Aktoren im Bussystem 1 gemäß 1.
Der Busmonitor 5, der als fehlersichere Struktur zwei sich
gegenseitig überwachende und
hierzu untereinander Daten austauschende Prozessoren 5a, 5b aufweist,
dient einerseits dazu, Nachrichten auf dem Bussystem 1 mitzuhören. Hierzu
ist in einem Kanal eine erste Ankopplungseinheit 6a zur
Ankopplung des Busmonitors 5 an die Busleitung 4 des
Bussystems 1 vorgesehen. In der Ankopplungseinheit 6a werden
allgemein über
die Busleitung 4 übertragene,
analoge Spannungssignale in digitale Signa le gewandelt und umgekehrt
auch digitale Signale in analoge Signale gewandelt, um sie auf die
Busleitung 4 auszugeben. Zum Mithören der über das Bussystem 1 übertragenen
Nachrichten werden diese über
die Ankopplungseinheit 6a und eine Leitung 7 dem
Busmonitor 5 zugeführt.
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Weiterhin
erfolgt mit dem Busmonitor 5 die fehlersichere Ansteuerung
aller Aktoren. Hierzu steuert der Busmonitor 5 einen Codefolgengenerator 8 an,
der im vorliegenden Fall einen nicht fehlersicheren Aufbau aufweist
und beispielsweise von einem Controller gebildet ist.
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Mit
dem Codefolgengenerator 8 werden für die einzelnen Aktoren individuelle
Freigabesignale generiert, wenn der Busmonitor 5 für diese
Aktoren die entsprechenden Zustände
vorgibt. Die Ausschaltsignale, die im Busmonitor 5 für die Aktoren
vorgegeben werden, werden jedoch unkodiert an die Aktoren ausgegeben.
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Zur
Ansteuerung eines Aktors wird im Codefolgengenerator 8 jeweils
eine Codefolge generiert, die aus einer Folge von Codefolgewörtern besteht, wobei
jedes Codefolgewort ein Datenpaket von 4 bit darstellt, das innerhalb
eines Buszyklus an den jeweiligen Aktor übertragen wird. Damit werden,
um eine Codefolge mit N Codefolgewörter an einen Aktor zu übertragen,
insgesamt N Buszyklen benötigt.
Die Anzahl der Codefolgewörter
pro Codefolge ist dabei für alle
Aktoren gleich. Die Bitfolgen in den Codefolgen sind für die einzelnen
Aktoren unterschiedlich, so dass diese Codefolgen den einzelnen
Aktoren eindeutig zugeordnet sind.
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Ein
Aktor wird über
den Busmonitor 5 in den Freigabezustand dadurch versetzt,
dass der Busmonitor 5 den Codefolgengenerator 8 ansteuert,
um ein Freigabesignal in Form einer individuellen Codefolge zu generieren.
Die einzelnen Codefolgewörter
der Codefolge werden in den einzelnen Buszyklen über eine weitere Ankopplungseinheit 6b auf
die Busleitung 4 und so an den jeweiligen Aktor ausgegeben.
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Da
der Codefolgengenerator 8 im vorliegenden Fall keinen fehlersicheren
Aufbau aufweist, werden zur Erfüllung
der geltenden Sicherheitsanforderungen die aktuellen Zustände der
Aktoren über
einen separaten Kanal in den Busmonitor 5 zurück gelesen
und dort geprüft.
Dabei wird die Ankopplungseinheit 6a mit der Leitung 7,
die zum Mithören
der Nachrichten durch den Busmonitor 5 dient, als Rücklesekanal
genutzt.
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Als
rückgelesene
Daten können
die Zustände
der Aktoren verwendet werden, um sicher prüfen zu können, ob sich ein Aktor im
Aus-Zustand befindet oder nicht. Voraussetzung hierfür ist, dass
die Aktoren diese Zustände
ausgeben können.
Besonders vorteilhaft werden die Codefolgen in ein Busmonitor 5 rückgelesen.
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Als
weitere Maßnahme
zur Erfüllung
der Sicherheitsanforderungen ist ein vom Busmonitor 5 gesteuerter
Schalter 9 vorgesehen. Damit kann der Busmonitor 5 den
Codefolgengenerator 8 vom Bussystem 1 sicher abtrennen,
wenn im Busmonitor 5 ein Fehler im Codefolgengenerator 8 erkannt
wird.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer sicheren Ansteuerung der Aktoren im Bussystem 1 gemäß 1.
In diesem Fall ist die Funktionalität des Codefolgengenerators 8 im
Busmonitor 5 implementiert, das heißt der Busmonitor 5 übernimmt
die Erzeugung der Codefolgen, so dass auf einen Codefolgengenerator 8 als
separate Einheit verzichtet werden kann. Da der Busmonitor 5 eine
fehlersichere Einheit bildet, werden in diesem sichere Codefolgen generiert,
die bereits eine sichere Ansteuerung der Aktoren gewährleisten.
Dadurch kann auf ein Rücklesen
der Zustände
der Aktoren verzichtet werden. Der Kanal mit der Ankopplungseinheit 6a und
der Leitung 7 kann somit allein für die Mithörfunktion des Busmonitors 5 genutzt
werden. Weiterhin entfällt
der Schalter 9 aus der Ausführungsform gemäß 2.
Die im Busmonitor 5 generierten Codefolgen werden somit direkt über die
Leitung 10 und die Ankopplungseinheit 6b auf die
Busleitung 4 ausgegeben.
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4 zeigt
eine Variante der Ausführungsform
gemäß 3.
Die Ausführungsform
gemäß 4 ist
dahingehend vereinfacht, dass nur eine gemeinsame Ankopplungseinheit 6 für das Mithören der
Nachrichten durch den Busmonitor 5 über die Leitung 7 sowie
für die
Ausgabe der im Busmonitor 5 generierten sicheren Codefolgen über die
Leitung 10 vorgesehen ist.
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In
diesem Fall weist die Ankopplungseinheit 6 zusätzlich einen
Mikroprozessor mit einem Eingangspuffer auf. Dieser nimmt die Codefolgen
aus dem Busmonitor 5 entgegen und gibt sie auf die Busleitung 4 aus
und liest zudem die Daten in den Busmonitor 5 zurück.
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Zur
Generierung sicherer Codefolgen im Busmonitor 5 gemäß den Ausführungsformen
der 3 und 4 werden die beiden Prozessoren 5a, 5b des
Busmonitors 5 verwendet. Ein Beispiel hierfür ist in 5 dargestellt. 5 zeigt
die untereinander Daten austauschenden Prozessoren 5a, 5b,
wobei ein Prozessor 5a mit der Ankopplungseinheit 6a kommuniziert
(im Fall von 4 mit der Ankopplungseinheit 6).
Jedem Prozessor 5a, 5b ist ein Speicher 11a, 11b zugeordnet.
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Im
vorliegenden Fall besteht eine Codefolge aus sieben Codefolgewörtern mit
jeweils vier Bits. Die beiden ersten Bits jedes Codefolgeworts sind, wie
in 5 schematisch dargestellt, im Speicher 11a des
ersten Prozessors 5a gespeichert. Die beiden letzten Bits
jedes Codefolgeworts sind im Speicher 11b des zweiten Prozessors 5b gespeichert.
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Um
die so definierte Codefolge zu generieren und auf das Bussystem 1 auszugeben,
fordert der erste Prozessor 5a zunächst die letzten Bits „00” des ersten
Codefolgeworts vom zweiten Prozessor 5b an und bildet mit
den im Speicher 11a gespeicherten ersten Bits „11” das erste
Codefolgewort „1100” und gibt
dieses auf die Ankopplungseinheit 6a, so dass in einem
ersten Buszyklus das erste Codefolgewort „1100” auf die Busleitung 4 ausgegeben
wird. Dann fordert der erste Prozessor 5a die letzten Bits „11” des zweiten
Codefolgeworts an und bildet mit dem im Speicher 11a gespeicherten
ersten Bits „00” das zweite
Codefolgewort „0011”, das dann
in einem zweiten Buszyklus über
die Ankopplungseinheit 6, 6a, 6b auf
die Busleitung 4 ausgegeben wird. Diese Prozedur wird solange
fortgeführt,
bis alle sieben Codefolgewörter
der Codefolge gebildet und ausgesendet wurden.
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Alternativ
könnten
im Speicher 11a das erste, dritte, fünfte und siebte Codefolgewort
der Codefolge gespeichert sein und im Speicher 11a die
restlichen Codefolgewörter
der Codefolge, das heißt
das zweite, vierte und sechste Codefolgewort abgespeichert sein.
Dann wird die Codefolge so gebildet, dass die Codefolgewörter abwechselnd
aus den Speichern 11a, 11b ausgelesen und auf
die Busleitung 4 ausgegeben werden.
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In
jedem Fall ist es für
eine Erzeugung von sicheren Codefolgen wesentlich, dass hierbei
beide Prozessoren 5a, 5b des Busmonitors 5 beteiligt
sind.
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- 1
- Bussystem
- 2
- Master
- 3
- Slaves
- 4
- Busleitung
- 5
- Busmonitor
- 6
- Ankopplungseinheit
- 6a
- Ankopplungseinheit
- 6b
- Ankopplungseinheit
- 7
- Leitung
- 8
- Codefolgengenerator
- 9
- Schalter
- 10
- Leitung
- 11a
- Speicher
- 11b
- Speicher