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Die Erfindung betrifft ein serielles Bussystem mit Busmodulen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Ein serielles Bussystem mit direkt in den Bus integrierten Busmodulen beschreibt beispielsweise die
DE 101 48 470 A1 .
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Bei der seriellen Datenübertragung kommunizieren mehrere Busteilnehmer über ein gemeinsames Übertragungsmedium. Damit jeder die Möglichkeit bekommt, seine Daten zu versenden und zu empfangen, sind Vereinbarungen notwendig, die den Zugriff auf das Übertragungsmedium reglementieren. Bei der seriellen Datenübertragung werden im Bereich der Sensor/Aktorebene die unterschiedlichsten Buszugriffsverfahren, wie Master/Slave, CSMA/CD, Token Passing usw. eingesetzt.
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Die unterschiedlichen Buszugriffsverfahren benutzen im Wesentlichen das nachrichtenorientierte oder das E/A-orientierte Übertragungsverfahren. Bei den nachrichtenorientierten Übertragungsverfahren gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Übertragungsprotokollen und Schnittstellenimplementierungen.
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Auch die einfachsten Sensoren und Aktoren kommunizieren mit Hilfe dieser Übertragungsverfahren mit der überlagerten Steuerung. Die Busteilnehmer werden dabei über ein gemeinsames Übertragungsmedium, z. B. eine Zwei-Draht-Leitung, miteinander verbunden. Dadurch wird der Verkabelungsaufwand erheblich reduziert, und Anlagenerweiterungen sind sehr einfach möglich. Neue Anlagenteile werden dann In die bestehende Verkabelung integriert, indem die vorhandene Busleitung aufgetrennt und der neue Anlagenteil zwischen den beiden Trennstellen angeschlossen wird. Es müssen keine neuen, zusätzlichen Kabel verlegt werden, da die Signale des neuen Anlagenteils mit über das bereits vorhandene Übertragungsmedium übertragen werden.
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Bei der
DE 101 48 470 A1 wird angenommen, dass in einem Automatisierungssystem Komponenten mit einem modularen Baugruppenträger, in dem mehrere Baugruppen angeordnet sind, eine Verbindung zu benachbarten Baugruppenträgern erbringen sollen.
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Die
DE 101 48 470 A1 sieht deshalb vor, dass mehrere Bussegmente vorhanden sind, wobei jedes Bussegment ein sternförmiges Buskopplungselement aufweist. Es finden sich jedoch keine Hinweise, wie das sternförmige Buskopplungssegment ausgebildet ist.
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Die genannte Druckschrift vermag demnach nicht, eine intelligente und mechanisch stabile Verbindung zu in einem Bus direkt eingebundenen Modulen (nachfolgend auch „Busmodule” genannt) zu schaffen, bei denen eine Ringverbindung in eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung übersetzt wird.
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Unter dem Begriff „Busmodul” wird ein Modul nach dem Stand der Technik verstanden, das eine komplexe Schaltungselektronik zur direkten Anschaltung an den seriellen Bus in Verbindung mit den Eigenschaften eines „einfachen” I/O oder Schalt-Moduls hat. Die Implementierung der komplexen Schaltungselektronik im Busmodul zur direkten Anschaltung an den seriellen Bus ist jedoch in mehrfacher Hinsicht nachteilig.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein serielles Bussystem mit Busmodulen der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass ein schneller Datendurchsatz durch den seriellen Bus unabhängig von der Anzahl der daran angeschlossenen Busmodule gegeben ist, und dass bei Ausfall einzelner im Bus vorhandener Busmodule keine Störung der übrigen Busteilnehmer stattfindet. Ferner soll unabhängig von der Anzahl der Busmodule stets eine maximal mögliche Datenübertragungsrate gegeben sein.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Zur besseren Abgrenzung der Module nach dem Stand der Technik im Vergleich zu den erfindungsgemäßen Modulen, werden nachfolgend die in die Busstruktur direkt eingebundenen Module nach dem Stand der Technik als „Busmodule” bezeichnet, während die Module nach der Erfindung zweigeteilt sind und in jeweils ein direkt in die Busstruktur eingebundenes Koppelmodul und ein daran angeschlossenes „einfaches” Standard-Modul aufgeteilt sind. Das „einfache” Standard-Modul ist demnach nur indirekt über das Koppelmodul an die Busstruktur angeschlossen.
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Merkmal der Erfindung ist demnach, dass in einem seriellen Bus, der von einem CPU-Busmaster verwaltet wird, nun nicht mehr einzelne komplexe Module (Busmodule) selbst im Bus eingebunden sind, sondern stattdessen sogenannte Koppelmodule, welche lediglich in logischer Hinsicht die daran angeschlossenen Standardmodule auf den Bus abbilden.
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Damit ergibt sich gegenüber der
DE 101 48 470 A1 der Vorteil, dass lediglich logische Abbilder der am Bus angeschlossenen Standard-Module in den Koppelmodulen vorhanden sind und keine direkte Verschaltung der bekannten Busmodule mit dem seriellen Bus selbst stattfindet. Bei der genannten Druckschrift
DE 101 48 470 A1 war hingegen eine Verschaltung der einzelnen sternförmig angeschalteten Busmodule notwendig, was mit dem Nachteil eines hohen Schaltungsaufwandes und erheblicher Störungen bei Ausfall von einigen Modulen behaftet war.
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Die Erfindung sieht deshalb vor, dass eine intelligente, mechanisch stabile Anschaltung von Koppelmodulen an die Busstruktur vorgesehen ist. Nachdem die Module lediglich als Modulabbilder in der seriellen Busstruktur des seriellen Busses in Form der dort angeordneten Koppelmodule angeordnet sind, ist eine Ringverbindung lediglich zwischen den Koppelmodulen vorhanden. Auf eine Ringverbindung zwischen einzelnen, direkt in der Ringstruktur eingebundenen, komplexen Busmodule kann deshalb verzichtet werden.
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Es nehmen dann nur noch die Koppelmodule am Datenverkehr im seriellen Bus teil und nicht mehr die nun vereinfacht aufgebauten Standard-Module.
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Dies ist mit dem Vorteil verbunden, dass nunmehr eine beliebige Anzahl von Standard-Modulen in die Busstruktur angeschaltet werden kann, ohne dass der Datenverkehr auf dem seriellen Bus beeinträchtigt wird, weil lediglich die Koppelmodule im seriellen Bus angeschaltet sind und die Koppelmodule ihrerseits mit den einfachen Standard-Modulen verbunden sind.
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Auf diese Weise wird ein schneller Datendurchsatz in der Busstruktur erreicht, und der gesamte Datenverkehr wird bei Ausfall eines Koppelmoduls nicht gestört, weil das Koppelmodul dann eine Durchschaltung veranlasst und die anderen Koppelmodule noch im seriellen Bus verbleiben und dort arbeitsfähig sind.
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Auch wenn einfache Module ausfallen, die vorher beim Stand der Technik in der Ringstruktur enthalten waren, führt dies nach der Erfindung zu keiner Störung des seriellen Bussystems, weil die Koppelmodule dann aufgrund ihrer eigenen Intelligenz einen Ausfall des dort angeschlossenen Moduls feststellen und dieses Modul aus dem Datenverkehr herausnehmen.
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Die Erfindung wird nachfolgend stichpunktartig aufgrund der angegebenen weiteren Merkmale erläutert:
- • Intelligente, mechanisch stabile Verbindung von Modulen
- • Ringverbindung (zwischen Koppelmodulen) auf Punkt-zu-Punkt-Verbindung (zu Modulen) übersetzen
- • Auf Datenbasis flexiblen Anschluss von Modulen ermöglichen
- • Intelligenz „nahe” an (an sich dummes) I/O-Modul bringen
- • Ringverbindung auf Punkt-zu-Punkt-Verbindung übersetzen
- • Störsicherheit – ein defektes Modul macht nicht alles kaputt
- • (Kurzer Ring) über Koppelmodule
- • Punkt-zu-Punkt-Verbindung ist „abgeschlossen”
- • Keine Reflexionen, sauberes Layout
- • Mehr Datendurchsatz zum einzelnen Modul möglich
- • In Verbindung mit lokaler Intelligenz nutzbar
- • CPU nicht durch Datentransfer direkt zu den Modulen belastet
- • Macht eigenes FPGA/System an Chip
- • Auf Datenbasis flexiblen Anschluss von Modulen ermöglichen
- • Standard-Elektronik ohne Zusatzlogik anschließen
- • „I/O-Expander” – SPI-Eingang übersetzt auf digitale Signale
- • „Speed Grades” (Taktfrequenz des SPI-Busses) – bei Punkt-zu-Punkt-Verbindung gibt es sowohl langsame als auch schnelle Verbindungen
- • Langsam anfangen, mit „besseren” Modulen, dann schneller
- • Kein fixes Protokoll
- • Konfigurierbarer Datentransfer, Daten können vom Modul abhängen
- • Datencontroller nimmt „Kommandos” entgegen
- • Für Busschiene auf abstrakter Ebene halten – es können jegliche elektrischen Bauelemente angeschlossen werden
- • Es sind alles „nur” Daten
- • Austauschbare Feldbusprotokolle zu dem Koppelmodul
- • Auf Datenbasis flexiblen Anschluss von Modulen ermöglichen
- • Separate Kennung im Modul
- • „ID”-unabhängig vom Rest auslesen
- • Koppelmodul kennt keine „Modultypen”
- • Konfigurationsvorschrift kommt vom Modul (und nicht von der CPU)
- • Jedes Modul bringt seine „Sprache” und „Wörterbuch” mit (Kommandos und Verknüpfung zu Daten)
- • Standardbauelemente anschließbar
- • Angeschlossene Elemente müssen nicht nach einem besonderen Standard funktionieren
- • Nur zusätzliches „ID-Register” mit der „Kommandobeschreibung”
- • Intelligenz wird „nahe” an I/O-Modul gebracht
- • Verschiedene I/O von verschiedenen Modulen mit Intelligenz beaufschlagen
- • Modul selbst kann dumm bleiben
- • Schnelles Reagieren der einzelnen Module, die an einem Koppelmodul angeschlossen sind (unterhalb Buszyklus)
- • Modul-Modul-Kommunikation
- • (Bevorzugt über die Linie Modul-Koppelmodul + Koppelmodul-Modul)
- • Autonomes Agieren aller Module an einem Koppelmodul („Notlauf”)
- • Dezentrale Logik
- • Anwender-Applikation auf dem Koppelmodul (z. B. 61131)
- • Sonstige Eigenschaften
- • (z. B. USB-)Stecker für Diagnose auf dem Koppelmodul
- • Kühlung
- • „Intelligenz” des Koppelmoduls ist näher an Baugruppenträger
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Ansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Ansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: schematisiert ein Blockschaltbild eines seriellen Busses nach dem Stand der Technik
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2: ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisierter Darstellung
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3: ein gegenüber 2 abgewandeltes zweites Ausführungsbeispiel
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4: eine detailliertere Darstellung des Koppelmoduls
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5: eine Darstellung als Blockschaltbild des Aufbaus nach 4
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6: die Anordnung einer Anzahl von Koppelmodulen an einem seriellen Bus in Form eines Blockschaltbildes
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1 zeigt einen üblichen seriellen Bus 1 nach dem Stand der Technik, der zum Beispiel als CAN-Bus, Profibus, Interbus-S, Profinet, Ethercat oder in der Art anderer bekannter serieller Busse ausgebildet ist.
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Kennzeichen solcher serieller Busse ist, dass der Datentransfer in einem geschlossenen Ring stattfindet und dass die in dem geschlossenen seriellen Bus angeordneten Busmodule 2', 3', 4' den gesamten Datendurchsatz erfahren. Damit besteht der Nachteil, dass die Anzahl der in einem solchen seriellen Bus anzuordnenden Module beschränkt ist, weil mit der Einschaltung jedes weiteren Moduls das zeitliche Verhalten im Bus nachteilig beeinflusst wird.
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Ebenso bestehen Probleme, wenn ein Modul ausfällt, weil dann der Datenverkehr zu den anderen am Bus angeschlossenen Modulen gestört sein oder ganz ausfallen kann.
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Die Erfindung ist im Übrigen nicht auf einen zum Stand der Technik gehörenden, in sich geschlossenen seriellen Bus beschränkt, sondern sie verwendet auch offene Bussysteme, wie zum Beispiel den CAN-Bus, der jedoch ebenfalls als serieller Bus arbeitet.
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Gemäß der 1 besteht demnach der Nachteil, dass die Anzahl der in einem solchen seriellen Bus 1 aufzunehmenden Module beschränkt ist, dass mit der Hinzuschaltung von mehreren Modulen der Datenverkehr nachteilig beeinflusst wird, und dass bei Ausfall eines Moduls der Datenverkehr gestört wird oder sogar ausfällt.
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Die Hinzuschaltung jedes einzelnen Moduls verändert auch das zeitliche Verhalten der im Bus eingeschalteten Module, wodurch es zu Synchronisationsproblemen kommen kann. Jedes Modul nach dem Stand der Technik muss das unter Umständen komplizierte Protokoll des seriellen Busses beherrschen, wodurch ein hoher Schaltungs- und Programmieraufwand entsteht.
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Die Module sind deshalb schaltungstechnisch aufwendig, komplex zu programmieren und dementsprechend auch störungsanfällig.
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Selbst wenn die Module einfache Schaltungsaufgaben ausführen sollen, müssen sie komplex aufgebaut sein, um mit ihrer internen Modulsteuerung den Datenverkehr auf dem gesamten seriellen Bus zu beherrschen. Dementsprechend sind die Module auch kostenaufwendig.
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Der Erfindung schlägt deshalb vor, ein serielles Bussystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass unabhängig von der Anzahl der im Bussystem angeordneten Module stets ein gleichbleibender Datenverkehr gewährleistet wird, der unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Module ist, und dass eine verbesserte Ausfallsicherheit bei verringerten Kosten der einzuschaltenden Module gegeben ist.
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Merkmal der Erfindung ist, dass nunmehr im seriellen Bussystem nicht mehr die (komplexen) Busmodule selbst eingeschaltet sind, sondern lediglich Koppelmodule, welche die an die Koppelmodule angeschalteten (einfachen) Standard-Module logisch auf den Bus abbilden und dass nur die Koppelmodule in Verbindung mit dem Busmaster den Datenverkehr im seriellen Bussystem ausführen.
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Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der Vorteil, dass eine gleichbleibende hohe Bandbreite des Datenverkehrs im seriellen Bus gewährleistet ist, denn es kommt nun nicht mehr darauf an, die an und für sich einfachen und teilweise auch „dummen” Module selbst unter hohem Aufwand in das serielle Bussystem zu integrieren, sondern erfindungsgemäß sind nur noch hochintelligente Koppelmodule in das Bus-System integriert, die den Datenverkehr mit den daran angeschlossenen Modulen selbst steuern und administrieren.
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Damit besteht der Vorteil, dass auch bei Ausfall eines Koppelmoduls der Datenverkehr zu den anderen Koppelmodulen nicht gestört wird, denn das Koppelmodul enthält geeignete Notlaufeigenschaften.
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Ferner besteht der weitere Vorteil, dass auch bei Ausfall von einem oder mehreren an die Koppelmodule angeschlossenen Module der Datenverkehr im seriellen Bussystem nicht gestört wird, weil dann das Koppelmodul aufgrund seiner Intelligenz das angeschlossene, ausgefallene Modul stillsetzt oder den Datenverkehr mit anderen am Koppelmodul angeschlossenen Modulen fortsetzt. Unter dem Begriff „Modul” versteht die Erfindung sämtliche Ein- und Ausgangsbausteine, die in der Lage sind, einen externen Datenverkehr, zum Beispiel zu einem analogen Empfänger, einem Sensor oder dergleichen, zu verwirklichen, wobei ein solches „Modul” vorzugsweise auf eine komplexe Bussteuer-Logik und eine eigene CPU verzichtet.
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Ein solches Modul, welches zum Beispiel als I/O-Modul ausgebildet ist, hat eine Schnittstelle zu einer äußeren Verschaltung. Und wenn ein solches I/O-Modul ausfällt, das heißt zum Beispiel durch Kurzschluss verbrennt, wäre beim Stand der Technik der vollständige Datenverkehr auf dem seriellen Bussystem unterbrochen, und das gesamte System würde unbrauchbar.
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Hier setzt die Erfindung ein, die bei derartigen einfachen digitalen oder auch analogen Modulen vorsieht, dass die (digitalen oder analogen) Module nunmehr nur indirekt an den seriellen Bus angeschlossen werden, nämlich über die erfindungsgemäßen Koppelmodule.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Koppelmodule auch den Datenverkehr zwischen den einzelnen an das Koppelmodul angeschlossenen Modulen administrieren, weil damit ein wesentlich geringerer Schaltungsaufwand entsteht als vergleichsweise, wenn – wie beim Stand der Technik – die Module in eine komplexe serielle Busstruktur eingebunden sind.
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Dies führt bei der Erfindung dazu, dass sehr einfache Module, die kostengünstig herstellbar sind, ohne großen Steuerungs- und Schaltungsaufwand an das jeweilige Koppelmodul angeschaltet werden und der Datenverkehr zwischen dem einfachen Modul und dem Koppelmodul bevorzugt über ein SPI-Bussystem oder ein anderes vergleichbares Bussystem gesteuert wird.
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Ein solches SPI-Bussystem ist ein einfaches Vierdraht-System, welches mit einer eigenen Taktfrequenz arbeitet, wobei die Taktfrequenz vom Koppelmodul vorgegeben wird.
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Damit ergibt sich der Vorteil, dass die Module, die in unterschiedlicher Weise an unterschiedliche Koppelmodule angeschlossen sind, auch mit unterschiedlichen Taktfrequenzen betrieben werden können, was beim Stand der Technik nicht möglich war.
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Somit können kostengünstige und einfache Module geschaffen werden, weil auch langsame Module entsprechend ihrer Charakteristik an zugeordnete Koppelmodule angeschlossen werden können, und die Koppelmodule selbst den Datenverkehr auf dem seriellen Bussystem administrieren.
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Wenn mehrere einfache Module an ein Koppelmodul angeschlossen sind, kann die Modul-zu-Modul-Kommunikation sehr schnell ausgebildet sein, weil dazwischen liegende Kontrollmechanismen entfallen können, sodass die Module sehr schnell und ohne störende Zwischenschaltungen miteinander kommunizieren können.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass auch komplexe Aufgaben, die ein Koppelmodul verwalten muss, auf mehrere daran angeschlossene Module aufgeteilt werden kann, sodass auch die Koppelmodule aufgrund der verschiedenartig verteilten Aufgabenverteilung eine sehr schnelle Taktfrequenz im seriellen Bus entfalten können.
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Bei einer Störung des seriellen Bussystems, wenn zum Beispiel der CPU-Busmaster ausfällt, war es beim Stand der Technik nachteilig, dass das gesamte Bussystem stillgelegt war und keine weitere Kommunikation mehr möglich war.
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Hier setzt die Erfindung ein, die vorsieht, dass bei Ausfall des seriellen Bussystems die einzelnen Koppelmodule noch weiter arbeiten können und den Datenverkehr mit den daran angeschlossenen Modulen aufrecht erhalten. Beispielsweise ist dies wichtig bei Werkzeugmaschinen, wo die Module zum Beispiel für die Werkzeugsteuerung oder für den Werkzeugwechsler vorgesehen sind, und wenn der serielle Bus ausfällt, kann trotzdem noch der Werkzeugwechsler diese oder andere eingeschränkte Aufgaben erfüllen, weil das Koppelmodul ein Notlaufprogramm durchführt und den Datenverkehr mit den daran angeschlossenen Modulen aufrecht erhält.
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Bei Versagen des seriellen Bussystems ist es sogar möglich, dass das daran angeschlossene intelligente Koppelmodul einen gesteuerten und gesicherten Notlaufdienst ausführt oder ein gesteuertes Herunterfahren aller Dienste ausführt, wodurch es nicht zu Beschädigungen an den angeschlossenen Modulen und den daran angeschlossenen Maschinensteuerungen kommt.
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Die nach dem Stand der Technik ausgebildete 1 zeigt, dass die einzelnen komplexen und direkt in die Busstruktur eingebundenen (Bus-)Module 2' bis 4' Schnittstellen zur Außenwelt aufweisen, wobei die Schnittstelle 5 zum Beispiel eine I/O-Schnittstelle ist und die Schnittstelle 6 eine Ethernet-Schnittstelle darstellt.
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Ausgehend von einem seriellen Bus nach 1, der zum Beispiel als Feldbus ausgebildet ist, wird ein neuartiger serieller Bus nach 2 vorgeschlagen, der beispielsweise auch als Feldbus ausgebildet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen seriellen Bus in seiner Ausbildung als Feldbus beschränkt. In der allgemeinen Beschreibungsanleitung wurden andere Bustypen genannt, die alle den Erfindungsgedanken nutzen.
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In der 2 ist lediglich beispielhaft dargestellt, dass die Erfindung nicht ausschließt, dass auch noch komplexe (Bus-)Module 2' bis 4' in der seriellen Bus-Struktur 1 angeordnet sind, was jedoch im Hinblick auf den Datenverkehr nicht unbedingt erwünscht ist. Die Erfindung sieht nämlich vor, dass anstatt der Einbindung von hochkomplexen (Bus-)Modulen 2', 3' und 4' die den gesamten Datenverkehr auf dem seriellen Bus 1 mitverfolgen müssen, nunmehr stattdessen erfindungsgemäße Koppelmodule 7–10 vorhanden sind.
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Der Datenverkehr wird durch einen CPU-Busmaster 13 auf dem seriellen Bus 1 verwaltet.
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Mit der Verwendung von erfindungsgemäßen Koppelmodulen 7–10 besteht der Vorteil, dass die nun anzuschließenden einfachen Module 2–4 nicht mehr direkt an den Bus angeschlossen sind, sondern nur indirekt über die Koppelmodule 7–10 an dem seriellen Bus 1 angeschlossen sind und mit diesem kommunizieren.
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Nachdem alle Koppelmodule 7–10 bevorzugt gleich ausgebildet sind, werden die weiteren Eigenschaften eines Koppelmoduls anhand des Koppelmoduls 10 in 2 und den nachfolgenden Figuren erläutert.
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Es ist schematisiert dargestellt, dass an jedem Koppelmodul 7–10 eine Vielzahl von einfachen Modulen 2–4 angeschlossen werden kann, und der Datenverkehr zwischen den jeweiligen Koppelmodulen 7–10 und den daran angeschlossenen Modulen 2–4 erfolgt jeweils über einen SPI-Bus 12.
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Ein solcher SPI-Bus ist eine einfache Vierdrahtleitung, die besonders einfach aufgebaut ist und aus Standard-Elektronikbausteinen gebildet ist, sodass eine besonders einfache und stabile Datenverbindung zwischen den angeschlossenen Modulen 2–4 und den jeweiligen Koppelmodulen 7–10 gegeben ist.
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Vorstehend wurde ausgeführt, dass die Anzahl der direkt in die Busstruktur des seriellen Busses 1 einzuschaltenden Module 2'–3' beschränkt werden sollte und zwar im Hinblick auf die Vorteile, die bei der vorliegenden Erfindung mit der Verwendung von an das Bussystem angeschlossenen Koppelmodulen 7–10 entstehen.
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Die Erfindung sieht jedoch auch vor, derartige komplexe Module 2' und 3' – zum Beispiel von Fremdherstellern – in die serielle Busstruktur des seriellen Busses 1 einzuschalten, weil der Bus nach wie vor für die Einschaltung derartiger komplexer Module geeignet und bestimmt ist.
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Im Hinblick auf die Anschaltung von den erfindungsgemäß einfachen Modulen 2, 3 zeigt die 2 auch symbolisch, dass eine Querverbindung 34 zwischen den einzelnen Modulen 2, 3 gegeben ist, die aber schaltungstechnisch durch die Direktverbindung 11 in 2 dargestellt ist, das heißt, die Direktverbindung 34 wird über das jeweilige Koppelmodul 7–10 durchgeführt.
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Auf diese Weise ist ein schneller und direkter Datenverkehr zwischen den einzelnen an einem Koppelmodul 7–10 angeschlossenen Module 2–4 gegeben, wobei der Datenverkehr zwischen dem Koppelmodul und dem jeweiligen angeschlossenen Modul taktmäßig so gewählt werden kann, dass unterschiedliche Taktfrequenzen möglich sind. Dies war bei dem herkömmlichen Bussystem nach 1 nicht möglich.
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Die 3 zeigt ein gegenüber 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Busmaster 13 einen seriellen Bus 1 administriert, der nicht unbedingt als geschlossenes System ausgebildet sein muss. Es ist lediglich schematisiert ein einziges Modul 4' in direkter Anschaltung an den seriellen Bus 1 dargestellt, wobei jedoch erfindungsgemäß das Koppelmodul 10 über ein Feldbus-Interface 14 an den seriellen Bus 1 angeschaltet ist, und wiederum an das Koppelmodul 10 die Module 2, 3 über den einfachen SPI-Bus 12 angeschaltet sind.
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Ein solcher Bustyp, wie er in 3 dargestellt ist, kann zum Beispiel ein CAN-Bus sein.
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Die 4 zeigt den schematisierten inneren Aufbau eines erfindungsgemäßen Koppelmoduls 7–10. Zunächst ist schematisiert dargestellt, dass über das Feldbus-Interface 14 eine Datenanschaltung an das Koppelmodul 7–10 vonseiten des seriellen Busses 1 erfolgt.
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Über die Signalverbindung 17 erfolgt der Signalverkehr zu einer im Koppelmodul integrierten Koppelmodul-CPU 16, die über eigene Datenverbindungen 35 mit dem jeweiligen SPI-Controller 28 kommuniziert, der Teil des Koppelmoduls 7–10 ist.
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Der SPI-Controller 28, 29 führt einen individuellen Datenverkehr über jeweils einen SPI-Bus 12 mit dem dort angeschlossenen Modul 2–4 aus.
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Die Module 2, 3, 4 sind unterschiedlichster Bauart, wobei im Ausführungsbeispiel dargestellt ist, dass das Modul 2 einen Datenspeicher 30 aufweist, mit dem es die dem Modul zugeordneten Parameter dem Koppelmodul über den SPI-Bus 12 mitteilt, sodass eine Verwaltung des Moduls 2 vonseiten des Koppelmoduls möglich ist.
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Anstatt eines Datenspeichers 30 können auch andere Elemente in dem Modul enthalten sein; so zeigen zum Beispiel die Module 3, 4 geeignete Interface-Anschaltungen, mit denen die Module 3, 4 mit der analogen oder digitalen Außenwelt kommunizieren.
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Im Ausführungsbeispiel nach 4 ist noch dargestellt, dass der Koppelmodul-CPU ein FPGA-Modul 18 zugeordnet ist. Es handelt sich um ein Field Programmable Gate Array, was bedeutet, dass über ein solches programmierbares Kontrollsystem der Datenverkehr auf der Datenverbindung 35 in Richtung auf den SPI-Controller 28 administriert wird.
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Die SPI-Controller 28 können auch Teil des FPGA-Moduls 18 sein.
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Es ist auch dargestellt, dass in jedem beliebigen Modul ein Datenwandler 32 vorgesehen sein kann, der z. B. als Analog-Digital-Wandler ausgebildet ist und analoge Signale, zum Beispiel von Sensoren, einlesen kann.
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Die 5 zeigt ein gegenüber 4 detaillierteres Blockschaltbild, bei dem der serielle Bus lediglich schematisiert dargestellt ist und auf ein Feldbus-Interface über ein entsprechendes Datenübertragungsprotokoll arbeitet.
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Das Feldbus-Interface ist als ETH-Controller ausgebildet, und arbeitet über logische Verbindungen auf das vorher erwähnte FPGA-Modul.
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Dieses Modul ist lediglich in Form von logischen Blöcken dargestellt, und die eingangsseitig angeordneten logischen Blöcke sind schematisiert als Datenblöcke 19, 20, 21 dargestellt. Die Datenblöcke enthalten die entsprechenden Daten, wie zum Beispiel der Datenblock 19 die Informationen über die Konfiguration, der Datenblock 20 Informationen über den ablaufenden Prozess und der Datenblock 21 Informationen über den Inhalt und den Zustand des FPGA-Moduls 18.
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Die Datenstruktur des FPGA-Moduls 18 ist lediglich schematisiert dargestellt. Es ist ein Buskoppler-Controller 22 vorhanden, der eine Anzahl von Module 23a, 24a, 25a, 26a ansteuert. Die Module 23a–26a sind das logische Abbild der außen angeschalteten Module 2, 3 im FPGA-Modul 18.
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Die Module 23a–24a sind jedoch nicht das gesamte Abbild der außen angeschalteten Module 2, 3, sondern lediglich das Prozessabbild, welches in der Darstellung nach 5 mit dem Bezugszeichen 23b, 24b bezeichnet ist. Es handelt sich demnach beim Modul 23a um das logische Abbild des in dem Modul 2 vorhandenen logischen Moduls 23b, mit dem die Prozessdaten in das FPGA-Modul gespiegelt werden.
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Gleiches gilt für die anderen, mit dem Buchstaben b bezeichneten Module, die jeweils in das FPGA-Modul mit dem Buchstaben a an die entsprechend gekennzeichnete Stelle gespiegelt werden.
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Mit der Darstellung in 5 wird somit die Datenstruktur des FPGA-Moduls beschrieben und diese Datenstruktur wird von einem Datencontroller 27 verwaltet.
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Es handelt sich demnach um logische Module 23a, 24a, 25a, 26a, welche die Abbildungen der Datenstruktur von den extern angeschalteten Modulen 2–4 auf die Datenstruktur des FPGA-Moduls vollziehen.
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Aus 5 lässt sich noch entnehmen, dass analoge Sensoren 31 angeschlossen sein können, deren Signale über einen Datenwandler 32 in das jeweilige Modul 2–4 eingelesen werden.
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Die 6 zeigt die Verschaltung einer Vielzahl der erfindungsgemäßen Koppelmodule 7–10 in einer Busstruktur des seriellen Busses 1.
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Hier ist dargestellt, dass der CPU-Busmaster 13 den seriellen Bus 1 verwaltet, und an diesen eine Vielzahl von Koppelmodulen 7, 8, 9 angeschaltet ist. Jedes Koppelmodul weist ein Feldbus-Interface 14 auf, mit dem der Datenverkehr mit dem seriellen Bus 1 abgewickelt wird.
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In jedem Koppelmodul 7–10 sind eine Vielzahl von SPI-Controllern vorhanden, die von dem vorher genannten Datencontroller 27 verwaltet werden. Jeder SPI-Controller 28 arbeitet über einen eigenen SPI-Bus mit dem jeweils angeschlossenen Modul 2–4.
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Damit wird es erstmals möglich, dass jedes Modul 2 individuell über einen daran angeschlossenen SPI-Bus einen Datenverkehr mit dem Koppelmodul abwickeln kann, und dass deshalb die Taktfrequenz auf den einzelnen SPI-Bussystemen 12 unterschiedlich sein kann.
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Fällt ein Koppelmodul aus, zum Beispiel das Koppelmodul 7, wird der busseitige Datenverkehr trotzdem mit den anderen Koppelmodulen 8, 9, 10 weitergeführt.
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Fällt ein Modul 2–4 aus, dann wird dies von dem jeweiligen Koppelmodul 7–10 festgestellt und der Datenverkehr mit den übrigen Modulen 2–4 wird fortgesetzt.
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Ebenso ist es auf diese Art möglich, auf einfache Weise die Module 2–4 zu wechseln, ohne dass es zu einer Unterbrechung des Datenverkehrs auf dem seriellen Bus kommt.
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Der Wechsel kann also im laufenden Betrieb (Plug and Play) erfolgen, ohne dass ein Unterbrechungsprogramm eingeschaltet werden muss.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Koppelmodul-CPU ein Anwenderprogramm abläuft. Es kann sehr schnell reagieren, denn gemäß 5 läuft das Anwenderprogramm in der Koppelmodul-CPU 16 und im dort angeordneten Mikrocontroller ab, der somit das FPGA und die dort gespiegelte Datenstruktur der außen angeschlossenen Module steuert.
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Aus diesem Grund können auch schnelle Signaländerung der angeschlossenen Modulen 2–4 verarbeitet werden, weil deren Datenstrukturen in die FPGA gespiegelt und dort verarbeitet werden.
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Ein Datenverkehr über den langsameren seriellen Bus 1 ist deshalb nicht notwendig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Serieller Bus
- 2
- Module (FPGA-E/A-Module)
- 2'
- Busmodul
- 3
- Module
- 3'
- Busmodul
- 4
- Module
- 4'
- Busmodul
- 5
- Schnittstelle
- 6
- Schnittstelle
- 7
- Koppelmodul
- 8
- Koppelmodul
- 9
- Koppelmodul
- 10
- Koppelmodul
- 11
- Direktverbindung
- 12
- SPI-Bus
- 13
- CPU-Busmaster
- 14
- Feldbus-Interface
- 15
- Interface
- 16
- Koppelmodul-CPU
- 17
- Signalverbindung
- 18
- FPGA-Modul
- 19
- Datenblock
- 20
- Datenblock
- 21
- Datenblock
- 22
- Buskoppler-Controller
- 23a, 23b
- Logisches Modul
- 24a, 24b
- Logisches Modul
- 25a, 25b
- Logisches Modul
- 26a, 26b
- Logisches Modul
- 27
- Datencontroller
- 28
- SPI-Controller
- 30
- Datenspeicher
- 31
- Sensor
- 32
- Datenwandler
- 33
- Signaltreiber
- 34
- Querverbindung
- 35
- Datenverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10148470 A1 [0002, 0006, 0007, 0014, 0014]
