DE19835376A1

DE19835376A1 - Verfahren zum Betrieb mehrerer Geräte an einem CSMA-Netzwerk

Info

Publication number: DE19835376A1
Application number: DE1998135376
Authority: DE
Inventors: Hubert Kirrmann
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2000-02-10

Abstract

Ein CSMA-Netzwerk, welches eine Verbindungseinheit (1) und mehrere, an dieser angeschlossene Geräte (2a-2z) aufweist, wird so betrieben, dass die Verbindungseinheit an alle bis auf jeweils eines der Geräte ein Belegtsignal sendet. Dadurch wird jeweils ein Gerät zur Übermittlung von Meldungen freigeschaltet, während die übrigen Geräte nur Meldungen empfangen können. Die Freischaltung einzelner Geräte erfolgt zyklisch. Auf diese Weise ist im Gegensatz zu konventionellen CSMA-Netzwerken gewährleistet, dass jedes Gerät innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne die Gelegenheit erhält, eine Meldung auszusenden. Das Verfahren erlaubt einen deterministischen Betrieb des Netzwerkes, so dass dieses auch zur Übertragung zeitkritischer Daten eingesetzt werden kann, während jedoch gleichzeitig konventionelle CSMA-Bauteile eingesetzt werden können.

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb mehrerer Geräte an einem CSMA- Netzwerk.

Stand der Technik

Der Ausdruck "CSMA" (Carrier Sense Multiple Access) bezeichnet Netzwerke, bei denen sich mehrere Teilnehmer ein Übertragungsmedium teilen, wobei jeder Teilnehmer nur dann Daten sendet, wenn er sieht, dass das Medium frei ist. In sogenannten CSMA/CD-Netzwerken (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ist ausserdem im Falle einer Kollision von Meldungen eine Prozedur für deren Wiederholung vorgesehen, wonach der gestörte Teilnehmer die Meldung nach einer Zufallszeit wiederholt. Ein derartiges Verfahren ist in der ISO-Norm 8802.3 definiert.

Die Zeit, die ein Signal zur Übertragung über ein solches Netzwerk benötigt, lässt sich nicht voraus sagen. Sie hängt davon ab, wann das Netz für den senden den Teilnehmer frei wird und ob es zu einer Meldungskol lision kommt. Somit eignen sich Netze dieser Art, z. B. Ethernet, aufgrund ihrer nicht-deterministischen Eigen schaften nicht zur Übermittlung zeitkritischer Daten.

Darstellung der Erfindung

Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Netz dieser Art so zu betreiben, dass es auch zur Übermittlung zeitkritischer Daten geeignet ist.

Diese Aufgabe wird vom Verfahren gemäss Anspruch 1 gelöst.

Erfindungsgemäss sendet also eine Verbin dungseinheit, bzw. ein Hub, jedem Gerät mit Ausnahme von einem ein Belegtsignal. Somit wird dem Netzwerk ein de finierter Zustand aufgezwungen, in welchem das frei geschaltete Gerät jederzeit senden kann, die übrigen Geräte aber nicht. Im Gegensatz zu konventionell be triebenen Netzwerken wird es somit möglich sicherzu stellen, dass Meldungen dieses Geräts innerhalb einer vorbestimmten Zeit übermittelt werden können.

Vorzugsweise schaltet die Verbindungseinheit ein Gerät nach dem anderen frei, so dass z. B. die Sende berechtigung zyklisch von einem Teilnehmer zum nächsten weitergegeben wird.

Wenn das jeweils freigeschaltete Gerät eine Meldung aussendet, kann diese anstelle des normalen Be legtsignals an die übrigen Geräte gesendet werden. Ins besondere wenn als Belegtsignal die Präambel eines Über mittlungsblocks verwendet wird, ist auf diese Weise eine praktisch instantane Weiterleitung des Signals möglich.

Dank der deterministischen Busvergabe wird es auch möglich, Synchronisationssignale über das Netz aus zutauschen, z. B. um die Uhren der angeschlossenen Geräte zu synchronisieren.

Vorzugsweise werden zwei Synchronisations signale ausgesendet. Das erste markiert einen Zeitpunkt, zu welchem die Synchronisation stattfinden soll. Das sendende Gerät misst den Zeitpunkt, zu welchem das erste Synchronisationssignal abgesendet wird, und sendet diese Information in einem zweiten Synchronisationssignal nach.

Um die Synchronisation zu korrigieren und die Laufzeiten der Signale auf dem Netzwerk zu berücksichti gen, misst die Verbindungseinheit vorzugsweise die Zeit, bis ein Gerät nach Wegfall des Belegtsignals eine Antwort schickt. Aus dieser Zeit kann die Signallaufzeit zwischen der Verbindungseinheit und dem jeweiligen Gerät ermittelt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele und Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführung eines Netzwerks, welches in erfindungsgemässer Weise betrieben werden kann, und

Fig. 2 eine Illustration zur Berechnung der Übertragungszeit.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein Netzwerk mit einer Verbin dungseinheit (Hub) 1 und mehreren, sternförmig mit der Verbindungseinheit 1 verbundenen Geräten 2a-2z. Aufgabe des Netzes ist es, die Übertragung von Meldungen zwischen den Geräten 2a-2z zu ermöglichen. Dabei soll aber sichergestellt sein, dass Meldungen aufgrund einer Netz überlastung oder wegen Kollisionen nicht übermässig ver zögert werden können. Derartige Anforderungen werden z. B. an Netzwerke gestellt, die Messstationen oder Leitsysteme miteinander verbinden.

Um dieses Ziel zu erreichen, sendet die Ver bindungseinheit 1 an alle Geräte 2a-2z ausser einem ein Belegtsignal. Dieses Belegtsignal, welches weiter unten genauer beschrieben wird, verhindert, dass die entsprech enden Geräte eine Meldung aussenden. Nur eines der Geräte 2a-2z erhält kein Belegtsignal, d. h. es ist "freige schaltet" und kann Meldungen aussenden.

Im Betrieb kann die Verbindungseinheit 1 nun zyklisch und periodisch jedes der angeschlossenen Geräte frei schalten, so dass innerhalb eines Zyklus jedes Gerät mindestens einmal die Gelegenheit erhält, eine Meldung auszusenden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Meldungen während höchstens einer Zykluszeit auf ihre Aussendung warten müssen.

Wenn das jeweils freigeschaltete Gerät nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit nach Wegfall des Be legtsignals mit der Übermittlung einer Meldung beginnt, so beschickt die Verbindungseinheit 1 das vorher freige schaltete Gerät wieder mit dem Belegtsignal und schaltet das jeweils nächste Gerät frei. Ansonsten wartet die Ver bindungseinheit 1 ab, bis das freigeschaltete Gerät ein Datenpaket übertragen hat.

Wenn das freigeschaltete Gerät eine Meldung aussendet, so wird diese unverzüglich an die übrigen Geräte weitergeleitet, indem ihnen anstelle des Belegt signals die Meldung zugeschickt wird. In einem CSMA Netz werk wirkt eine solche Meldung ebenfalls wie ein Belegt signal, d. h. sie verhindert, dass die empfangenden Geräte eigene Meldungen aussenden. Sobald die Meldung beendet ist, wird wieder das Belegtsignal ausgesendet.

In einer bevorzugten Ausführung schaltet die Verbindungseinheit alle Geräte 2a-2z gleich oft frei. Es ist jedoch auch denkbar, einzelne Geräte häufiger zu berücksichtigen als andere.

Beim Belegtsignal kann es sich z. B. um eine Nachrichtenpräambel handeln. Diese kann z. B. aus der Bitfolge "101010..." beliebiger Länge bestehen, da diese Bitfolge gemäss dem IEEE-Standard 802.3u einer Präambel entspricht. Detektiert ein Gerät diese Bitfolge auf dem Netz, so nimmt es an, dass ein anderes Gerät mit der Übertragung einer Meldung beginnen will und leitet des halb keine eigene Meldungsübertragung ein. Ein Verfahren dieser Art wird z. B. in DE 196 29 266 A1 beschrieben, wo das Belegtsignal jedoch zur Verhinderung einer Netzüber lastung, nicht aber zum deterministischen Betrieb des Netzes eingesetzt wird.

Das Belegtsignal kann jedoch z. B. auch aus "Fast Link Pulses" bestehen, wie sie in der Norm IEEE 802.3u definiert sind.

Die deterministische Busvergabe erlaubt es auch, die Geräte mittels Synchronisationssignalen genau zu synchronisieren. Eine derartige Synchronisation wird u. a. benötigt, um Prozessdaten auf wenige Mikrosekunden genau abzutasten, was z. B. die Überwachung elektrischer Unterstationen ermöglicht. Überdies kann auch eine ab solute Zeit an die einzelnen Geräte übermittelt werden.

Hierzu kann in einer ersten Ausführung die Verbindungseinheit 1 in Broad- oder Multicast ein Syn chronisationssignal an alle Geräte 2a-2z senden. Da dank dem deterministischen Betrieb des Netzes der Hub ohne Warteschlangen (oder mit leeren Warteschlangen) arbeitet, lässt sich beim Senden ein Verzugsunterschied von nur wenigen Mikrosekunden erreichen, wenn die Ver zögerung in den Leitungen vernachlässigt wird.

Beim Empfang eines Signals wird im empfangen den Gerät ein Signal ausgelöst, welches es erlaubt, den genauen Zeitpunkt des Empfangs festzustellen. Wenn dazu das Interruptsignal verwendet wird, kann dies ohne zu sätzliche Hardware im Buscontroller geschehen. Das Signal kann z. B. auf einen Zähler geführt werden, welcher die Zeit zwischen dem Empfang des Signals und dem Ablesen des Zählers festhält. Dadurch kann der genaue Zeitpunkt des Empfangs festgestellt und z. B. zur Synchronisation einer lokalen Uhr verwendet werden.

Die Verbindungseinheit kann überdies die Ver zögerung in den Leitungen feststellen, indem sie die Zeit misst, die im Normalbetrieb oder in einer Testphase zwi schen dem Ausbleiben des Belegtsignals und der Präambel einer Meldung der freigeschalteten Station verstreicht.

Fig. 2 zeigt illustriert dies im Detail an hand der Hub-seitigen Signalsituation. Nachdem das Be legtsignal von der Verbindungseinheit 1 abgeschaltet wird, verstreicht die Zeit t_pd, bis das Signalende das freigeschaltete Gerät erreicht. Sodann benötigt das frei geschaltete Gerät eine Reaktionszeit t_g, bis es sein eigenes Signal erzeugt, welches wiederum die Zeit t_pd benötigt, um bei der Verbindungseinheit 1 anzukommen. Somit kann die Verzögerungszeit t_pd von der Verbindungs einheit 1 ermittelt werden.

Die Reaktionszeit t_g ist der Verbindungsein heit 1 bekannt. In vielen Fällen kann ihr Einfluss jedoch auch vernachlässigt werden.

Sollen die Geräte nicht nur untereinander sondern auch bezüglich einer "absoluten" Zeit synchroni siert werden, die die Verbindungseinheit 1 z. B. über Radio empfängt, so muss der Zeitpunkt der Aussendung des oben erwähnten Broad- oder Multicastsignals genau bekannt sein. Theoretisch könnte dies unter Umständen dadurch geschehen, dass die Steuerungssoftware die Zeit genau kennt, die zwischen der Aufgabe des Signals und dessen Aussendung an das Netz verstreicht. In der Praxis ist es jedoch einfacher, zuerst ein erstes Synchronisationssig nal auszusenden, dass z. B. eine absolute Zeitangabe t_abs enthält, die dem Zeitpunkt der Aussendung dieses Signals ungefähr entspricht. Sodann misst die Verbindungseinheit 1 den Zeitpunkt t_send, an welchem das erste Synchronisa tionssignal tatsächlich auf das Netz gegeben wird. Die Differenz zwischen t_abs und t_send wird sodann in einem zweiten Synchronisationssignal an die einzelnen Geräte gesendet, so dass diese eine entsprechende Korrektur vornehmen können.

Das hier beschriebene Synchronisationsverfah ren hat den Vorteil, dass die Geräte mit handelsüblichen Buscontrollern bestückt sein können und dass nur die üb liche Interruptlogik und gegebenenfalls ein lokaler Zeit zähler (welcher oft bereits vorhanden ist) zur Synchroni sation benötigt werden. Ein Eingriff in die Logik des Buscontrollers oder eine spezielle Dekodierung der Mel dungen entfällt. Einzig die Verbindungseinheit muss speziell ausgeführt sein.

In dem soweit beschriebenen Synchronisations verfahren übernahm die Verbindungseinheit 1 alle Aufgaben der Synchronisation. Es ist jedoch auch denkbar, dass diese Aufgaben zumindest teilweise von einem als Zeit geberstation ausgestalteten Gerät übernommen werden, welches wie die übrigen Geräte 2a-2z am Netzwerk an geschlossen ist.

Durch die vorliegende Erfindung wird nicht nur ein deterministischer Betrieb eines CSMA-Netzwerks möglich. Sie erlaubt es auch, z. B. in Leitsystemen handelsübliche Komponenten zu verwenden, obwohl diese an sich nicht für einen zeitkritischen Betrieb vorgesehen wären. Neben dem Echtzeitverkehr kann auf dem Netz auch ein nicht-zeitkritischer Datenverkehr stattfinden, z. B. nach dem TCP/IP-Protokoll.

Bezugszeichenliste

1

Verbindungseinheit (Hub)

2

a-

2

zGeräte
t_pd

Verzögerungszeit
t_g

Reaktionszeit

Claims

1. Verfahren zum Betrieb mehrerer Geräte (2a-2z) an einem CSMA-Netzwerk, wobei die Geräte über eine Verbindungseinheit (1) verbunden sind, dadurch ge kennzeichnet, dass die Verbindungseinheit an alle bis auf jeweils eines der Geräte ein Belegtsignal sendet, so dass nur das jeweils eine Gerät freigeschaltet ist und Meldun gen senden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verbindungseinheit (1) ein Gerät nach dem anderen freischaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verbindungseinheit (1) die Geräte zyk lisch freischaltet.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn das frei geschaltete Gerät eine Meldung aussendet, diese Meldung anstelle des Belegtsignals an mindestens einen Teil der übrigen Geräte gesendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Belegtsignal die Form einer Nachrichtenpräambel oder die Form von Fast Link Pulses gemäss IEEE 802.3u aufweist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zeitsynchroni sation der Geräte die Verbindungseinheit (1) ein Synchro nisationssignal aussendet oder dass ein als Zeitgeber station ausgestaltetes Gerät ein Synchronisationssignal an die übrigen Geräte aussendet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass zuerst ein erstes Synchronisationssignal und zu einem späteren Zeitpunkt ein zweites Synchronisa tionssignal ausgesendet wird, wobei das zweite Synchroni sationssignal angibt, wann genau das erste Synchronisa tionssignal ausgesendet wurde.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur der Syn chronisation die Verbindungseinheit (1) misst, wie lange nach einem Wegfall des Belegtsignals ein Signal von einem jeweiligen Gerät (2a-2z) bei der Verbindungseinheit an kommt, und daraus die Signallaufzeit (t_pd) zwischen der Verbindungseinheit und dem jeweiligen Gerät ermittelt.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Frei schalten eines ersten Geräts ein nächstes Gerät frei geschaltet und das erste Gerät mit dem Belegtsignal beschickt wird, falls das erste Gerät nicht innerhalb einer vorgegebenen Zeit nach dem Freischalten eine Meldung zu übertragen beginnt.