DE19921359C2 - Datenübertragungssystem mit bidirektionaler Datenburstübertragung zwischen einer Zentrale und mindestens einer an einen Bus angeschlossenen Busstation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Datenübertragungssystem mit bidirektionaler Datenburstübertragung zwischen einer Zentrale und mindestens einer an einen Bus angeschlossenen Busstation, bei dem der Bus eine bidirektionale Datenleitung und mindestens eine Steuerleitung sowie eine Taktleitung aufweist, welche durch die Busstation geführt sind und bei dem in der Busstation angeordnete Schieberegister zusammen mit denen anderer Busstationen zu einer gemeinsamen Schieberegisterkette zusammenschaltbar sind (Oberbegriff des Patentanspruchs 1).

Die Entwicklung der Leistungsfähigkeit von Personal Computern (PC) hat dazu geführt, dass an vielen Arbeitsplätzen mit ihnen tägliche Routinearbeit erledigt wird. Immer wichtiger wird es, dass PC-Nutzer gleichzeitig auf gemeinsam nutzbare Datenbestände und Programme zugreifen können. Auch die Ausgabegeräte sowie Telekommunikationsdienste werden zunehmend gemeinsam in Anspruch genommen. Die Verbreitung von Datenterminals und die Vernetzung der Rechenzentren haben dazu geführt, dass herstellerspezifische Lösungen für schnelle und weite Datenübertragungen realisiert wurden. Die anfangs fehlende Normierung hat weiterhin dazu beigetragen, dass für lokale Netze eine Vielzahl von Sonderverfahren erdacht und installiert wurden.

Die Entscheidung für oder gegen eine bestimmte Netzwerklösung wird wesentlich von den Investitionskosten für die verschiedenen Hardware- und Software-Elemente beeinflußt. Hardwareelemente sind: Fileserver, Netzwerkkarten für den Fileserver und die Arbeitsstationen, Netzwerkfestplatten, Netzwerksicherungsspeicher (Festplatte oder Streamer), Arbeitsstationen, Kabelsystem, Verbindungselemente (Terminatoren, BNC-Stecker). Zusätzlich evtl. notwendige Hardwareelemente sind Bootproms für die Arbeitsstationen (Fernladen der Arbeitsstationen über den Server), Repeater (Verstärker) bei längeren Kabelstrecken, Bridges zur Verbindung mehrerer gleicher Netzwerke, Gateways zur Verbindung mehrerer unterschiedlicher Netzwerke, Modems für die Datenfernübertragung.

Softwareelemente sind: Netzwerkbetriebssystem und Dienstprogramme für den Fileserver, Netzwerkbetriebssystem für die einzelnen Arbeitsstationen, Netzwerkmanager zur Organisation und Verwaltung von Netzwerkteilnehmern (Usern) und Anwendungen, gerätespezifisches Betriebssystem für intelligente Arbeitsstationen (beispielsweise MS-DOS, OS/2), Anwendungsprogramme (zum Beispiel für die Text- und Dateiverwaltung, Kalkulation, Desktop Publishing, Auftragsbearbeitung, Finanzbuchführung und andere).

Für die Datenübertragung zwischen den Komponenten eines Datenübertragungssystems wird ein Bus, bestehend aus mehreren Leitungen, verwendet. Im wesentlichen ist ein Bus ein gemeinsamer Hauptverkehrsweg, der verschiedene Teile eines Systems miteinander verbindet und ihnen damit den Austausch von Informationen ermöglicht. So sind auch in einem Computer der Mikroprozessor, Laufwerksadapter, der Speicher sowie die Ein- und Ausgabeschnittstellen mit dem Bus verbunden. Der Bus wird normalerweise vom Mikroprozessor verwaltet und ist auf die Übertragung unterschiedlichster Arten von Informationen spezialisiert. Beispielsweise übermittelt eine Gruppe von Leitungen (eigentlich Leiterbahnen auf einer Platine) Daten, während eine andere Gruppe Adressen (Orte innerhalb des Speichers) überträgt. Eine dritte Gruppe von Leitungen transportiert Kontrollsignale, die sicherstellen, dass die verschiedenen Teile des Systems ihren Bus ohne Kollisionen benutzen. Ein Bus wird durch die Anzahl der Bits charakterisiert, die er gleichzeitig übertragen kann. Ein Computer mit einem 8-Bit-Datenbus kann z. B. acht Datenbits gleichzeitig transportieren, und ein 16-Bit-Datenbus übermittelt 16 Bits gleichzeitig. Weil der Bus ein wichtiges Element für den internen Datenverkehr darstellt und Computer oft durch zusätzliche Komponenten erweitert werden müssen, lassen sich die meisten Bus-Systeme über eine oder mehrere Erweiterungssteckplätze ausdehnen (Steckplätze für Zusatzplatinen). Wenn diese Steckkarten in das System eingebaut werden, stellen sie eine elektrische Verbindung zu dem Bus her und werden so zu einem Teil des Systems.

Das Bus-Netzwerk ist eine Topologie (Konfiguration) für ein lokales Netzwerk, in dem alle Netzwerkknoten mit einer Hauptkommunikationsleitung (Bus) verbunden sind. In einem Bus-Netzwerk beobachtet jeder Knoten die Aktivitäten auf der Leitung. Nachrichten werden von allen Knoten erkannt, aber nur von dem oder den Knoten angenommen, für den bzw. für die eine Nachricht bestimmt ist. Weil ein Bus-Netzwerk auf einer gemeinsamen "Datenautobahn" basiert, kann sich ein nicht funktionierender Knoten einfach aus der Kommunikation zurückziehen. Er stört damit nicht die Zusammenarbeit der anderen Knoten wie beispielsweise bei einem Ring-Netzwerk, bei dem die Nachrichten von einem Knoten zum nächsten weitergegeben werden. Um Zusammenstöße zu vermeiden, die beispielsweise entstehen, wenn zwei oder mehr Knoten die Leitung zur gleichen Zeit benutzen wollen, sichern sich Bus-Netzwerke normalerweise mit Kollisionserkennung oder Token-Passing ab, um den Datenverkehr zu regeln.

Ein Ring-Netzwerk ist ein lokales Netzwerk, bei dem alle Geräte oder Knoten (z. B. Computer, Server oder Mailbox) in einem geschlossenen Kreis bzw. Ring angeordnet sind. Nachrichten in einem Ring-Netzwerk bewegen sich in einer Richtung von Knoten zu Knoten. Wenn eine Nachricht durch den Ring wandert, untersucht jedes Gerät die Zieladresse der Nachricht. Wenn die Adresse mit der Knotenadresse übereinstimmt, nimmt das entsprechende Gerät die Nachricht an. Im anderen Fall erneuert dieses Gerät das Signal und gibt die Nachricht an den nächsten Knoten im Ring weiter. Diese Erneuerung ermöglicht einem Ring- Netzwerk, längere Entfernungen zu überdecken als Stern- oder Bus-Netzwerke. Es kann außerdem so ausgelegt werden, dass nicht funktionierende oder fehlerhafte Knoten umgangen werden. Weil es sich um einen geschlossenen Kreis handelt, sind allerdings neue Knoten schwer hinzuzufügen.

Ein Token Ring Network ist ein lokales, ringförmiges Netzwerk, bei dem eine umlaufende (symbolische) Marke (Token) anzeigt, welche angeschlossene Station an der Reihe ist (Token-Passing). Token Ring Network wurde von IBM entwickelt und arbeitet mit einer Geschwindigkeit von 4 Megabit (vier Millionen Bits) pro Sekunde. Über Standardtelefonleitungen kann Token Ring Network bis zu 72 Geräte miteinander verbinden. Mit der Verkabelungsart Twisted Pair (verdrilltes Drahtpaar) können sogar 260 Geräte angeschlossen werden. Obwohl Token Ring Network auf einer Ringtopologie (geschlossener Kreis) basiert, werden bis zu acht Arbeitsstationen jeweils sternförmig mit einem so genannten Konzentrator (MAU: Multistation Access Unit, Mehrstationsanschlusseinheit) verbunden, der wiederum in den Hauptring integriert ist. Token Ring Network wurde für Mikrocomputer, Minicomputer und Großrechner entwickelt und entspricht der amerikanischen IEEE-802,5-Norm. Die Abkürzung IEEE steht für Institute of Electric and Electronic Engineers - dieses Standardisierungsgremium wurde 1963 gegründet.

Im militärischen Bereich und auf dem Gebiet Automatisierungstechnik werden überwiegend serielle Datenbusse eingesetzt. So ist beispielsweise in der DE 40 35 459 C1 eine Einrichtung zur Erweiterung eines seriellen Datenbusses für den transparenten, nahezu verzögerungsfreien Anschluß mehrerer Teilnehmereinrichtungen beschrieben und erläutert. Auf dem Gebiet Automatisierungstechnik, insbesondere speicherprogrammierbare Steuerungen, werden nicht nur hohe Anforderungen an die Rechenleistung gestellt, sondern darüber hinaus ist auch ein robustes dezentrales Ein-Ausgabesystem zum direkten Anschluß der Prozeßstell- und Meldegeräte erforderlich. So ist beispielweise aus der DE 33 28 834 A1 ein Datenübertragungssystem mit einer ringförmigen Übertragungsleitung (Ring) mit gerichtetem Verkehr und einer Vielzahl von Anschlussstellen bekannt, die jeweils über eine Empfangs- und Sendeleitung an den Ring angeschlossen sind. Um eine schnelle Datenübertragung mit einer einfachen Weitergabe des Senderechts zu ermöglichen, ist zwischen Empfangsleitung und Sendeleitung jeder Anschlussstelle ein elektronischer Schalter vorgesehen. Die Anschlussstelle und der Ringschalter werden von der an der Anschlussstelle angeschlossenen Teilnehmerstation gesteuert. Innerhalb des Rings hat jeweils lediglich eine Teilnehmerstation ein Senderecht, wobei diese während einer Datenübertragung den Ring mittels des ihr zugeordneten Ringschalters auftrennt. Nach jeder Datenübertragung wird das Senderecht von der letzten sendenden Teilnehmerstation der nächsten, im Ring folgenden sendewilligen Teilnehmerstation übergeben, indem alle sendewilligen Teilnehmerstationen nach vorhergehender Aufforderung ihren Ringschalter auftrennen und während einer fest vorgegebenen Überwachungszeit auf den Empfang des Senderechts warten. Alle Teilnehmerstationen, die nach Ablauf einer Überwachungszeit das Senderecht nicht erhalten haben, schliessen ihren Ringschalter wieder und ermöglichen dadurch die folgende Datenübertragung. Die dann sendende Teilnehmerstation kennzeichnet die Daten mittels einer individuellen Zieladresse oder mittels einer Rundspruchadresse und sendet diese an die andere Teilnehmerstation bzw. an die anderen Teilnehmerstationen. Insbe­ sondere im unteren Bereich der Automatisierungshierarchie, beispielsweise im Bereich der Sensorik/Aktorik fallen bei den einzelnen Stationen bzw. für die einzelnen Stationen nur sehr geringe Nutzdatenmengen an, so daß das Verhältnis zwischen den Protokolldaten und Nutzdaten bei Anlagen der vorstehend beschriebenen Art mit adressierter Ansprache außerordentlich schlecht werden kann.

Aus der DE 40 26 581 A1 ist ein Steuerungssystem für eine Textilmaschine mit einer Vielzahl von separat angetriebenen Spindeln mit einem seriellem Bus bekannt. Dabei ist zumindest eine Datenleitung vorgesehen, welche durch die Spindelstelle geführt ist und wobei zur Datenübermittlung Schieberegister eingesetzt werden und jede Spindelstelle zwei getrennte Schieberegister aufweist. Das komplette Prozeßabbild wird von einem Mikroprozessor in der Haupteinheit zyklisch eingelesen und je nachdem ob mehr oder weniger Spindelstelle angeschlossen sind, wird eine entsprechende Anpassung vorgenommen.

Im einzelnen wird in Abhängigkeit vom Prozeßabbild bei der Datenübertragung entweder das eine Schieberegister bzw. bei der Übertragung von Befehlen das andere Schieberegister in die Datenleitung eingeschleift oder die Datenleitung überbrückt. Dadurch können ohne Zeitverzögerung online Daten von Spindelstellen gesammelt, sowie ebenfalls online Funktionsfolgen an Spindelstellen zentral programmiert werden. Ergänzend hierzu ist der Einsatz von Schieberegistern mit unterschiedlichen Längen (je nach Bitbreite der beiden Schieberegister werden eine unterschiedliche Anzahl von Signalen je Spindelstelle verarbeitet) vorgesehen, wodurch der Busaufbau nicht starr ist.

Ein weiteres Übertragungsverfahren, bei dem die Übertragung aller Daten in der Anlage innerhalb eines gemeinsamen Übertragungsrahmens ist aus Möhlenbein, Hermann: Offener Echtzeit-Sensor/Aktiv-Bus für Standard-SPS-Systeme, in: Sonderdruck aus: Hard and Soft, 1989 Nr. 7/8, Seite 29//33, insbesondere Seite 30, bekannt. bei diesem sogenannten Interbus-System liegen alle Stationen oder Busteilnehmer zusammen mit der Zentralstation, dem "Busmaster", in einer Ringleitung, dem Bus. Neben der Steuerung des Busverkehrs sorgt der Busmaster auch für die Ankopplung an ein übergeordnetes Steuerungs- oder Rechnersystem. Die Datenübertragung vom Busmaster zu den Busteilnehmern oder auch umgekehrt erfolgt mit Hilfe von Schieberegistern in jeder Station. Die Schieberegister aller Stationen sind über den Bus in Reihe geschaltet und bilden eine gemeinsame Registerkette. Zur Übertragung von Daten an die Busteilnehmer schiebt der Busmaster seriell und unter Takteinfluß die Daten in die Ringleitung und damit die in Reihe geschalteten Schieberegister. Nach einer Anzahl von Schiebetakten, die der Anzahl von in Reihe geschalteten Schieberegisterstufen entspricht, sind die Daten richtig bei den einzelnen Teilnehmern positioniert. Über ein Steuersignal wird dann das Ende eines solchen Buszyklus den Teilnehmern mitgeteilt, die dann die Daten aus ihren Schieberegistern entnehmen können. Auf die gleiche Weise erfolgt die Übertragung von den Teilnehmern zum Busmaster. Hierbei gibt das Steuersignal an, daß die Teilnehmer jeweils wieder neue, für den Busmaster bestimmte Daten in ihre Register laden können. Das Interbus-System weist im Vergleich zu Datenübertragungsanlagen, bei denen alle Teilnehmer parallel an eine ringförmige Übertragungsleitung angeschlossen sind und jeweils einzeln mittels einer Adresse im Nachrichtenkopf unter Verwendung herkömmlicher Protokolle aufgerufen werden, ein verbessertes Verhältnis zwischen Nutz- und Rahmendaten auf.

Weiterhin ist aus der DE 36 03 751 A1 ein Informationsübertragungsverfahren zur Übertragung digitaler Informationen zwischen einer Haupteinheit und einer Anzahl von Untereinheiten eines elektrischen Geräts, insbesondere eines modularen Automatisierungsgeräts, über ein Bussystem bekannt, das mindestens eine Datenleitung zum Übertragen der Informationen, eine Taktleitung zur Vorgabe eines gemeinsamen Systemtaktes und mindestens eine Steuerleitung zum Übertragen von Steuersignalen aufweist, wobei zumindest die Datenleitung durch die Untereinheiten hindurch geführt ist. Als Datenpfad wird ein Ringschieberegister verwendet, während Befehlsübertragungen über zueinander und zum Schieberegister parallele Befehlsleitungen erfolgen. Die Registerlänge der in das Schieberegister eingeschleiften Einzelregister ist dabei konstant. Nur beim Anlauf des elektrischen Geräts, beim sogenannten Identifikationslauf, kann ein anderes Schieberegister in den Ring eingeschleift sein. In jedem Fall sind aber bei jeder Informationsübertragung über das Ringschieberegister mindestens 4 bzw. 5 Bit pro Untereinheit in das Ringschieberegister eingeschleift. Von daher ist stets das Durchschieben des gesamten Ringschieberegisters erforderlich, um Informationen von der Haupteinheit zu einer der Untereinheiten bzw. umgekehrt zu übertragen. Wenn also z. B. Informationen nur zu einer der Untereinheiten übertragen werden sollen, muß ein Großteil von Leerinformationen mit übertragen werden. Dies verringert die theoretisch erreichbare Informationsübertragungsgeschwindigkeit. Um den Busaufbau nicht starr vorzugeben, sondern ihn von Informationsübertragung zu Informationsüber­ tragung nach Bedarf anzupassen, ist als Weiterentwicklung des Informationsübertragungsverfahrens beim Gegenstand gemäß der EP 0 586 715 B1 vorgesehen, dass über die Datenleitung abwechselnd Befehle und Daten übertragen werden, wobei bei der Übertragung von Befehlen, die Untereinheiten die Datenleitung überbrücken und ein Schieberegister zur Abspeicherung eines über die Datenleitung übertragenen Befehls an die Datenleitung ankoppeln und bei der Übertragung von Daten, die Untereinheiten in Abhängigkeit vom zuletzt übertragenen Befehl entweder ein Schieberegister in die Datenleitung einschleifen oder die Datenleitung überbrücken.

Nachteilig bei diesem Informationsübertragungsverfahren mit einem Schieberegisterring ist die Notwendigkeit, dass zusätzlich zu den Daten über die Ringleitung zeitgleich Steuer- und Rahmeninformationen, z. B. die Information für das Zyklusende, an alle Teilnehmerstationen übertragen werden muß. Dazu sind dann zusätzlich zu der Ringleitung parallele Leitungen - insbesondere parallele Steuerleitungen zur Zuführung der Steuersignale zu einer Auswerteeinheit, welche erfaßt, ob als nächstes ein Befehl oder Daten über die Datenleitung übertragen werden - erforderlich. Dadurch steigt der Aufwand bei der Installation und Wartung und außerdem die Störanfälligkeit. Es handelt sich nämlich meist um Leitungen, die in industrieller Umgebung, beispielsweise in einer Fertigungsstraße, zwischen den einzelnen Stationen verlaufen und daher einer erhöhten Beschädigungsgefahr ausgesetzt sind.

Um dies zu vermeiden ist aus der DE 41 00 629 C1 eine Steuer- und Datenübertragungsanlage mit einer Anzahl von Anschaltmodulen für Datenerfassungs- und Auswertestationen bekannt, welche in einer ringförmigen Übertragungsleitung liegen und je ein Schieberegister enthalten. Das Schieberegister ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Moduls geschaltet und nimmt Daten derart auf, dass die Schieberegister aller Anschaltmodule über die Übertragungsleitung in Reihe geschaltet sind und eine gemeinsame Registerkette bilden. Weiterhin ist für die Steuerung der Anlage eine Zentralstation in die Übertragungsleitung eingeschleift. Um eine Steuer- und Datenübertragungsanlage zu schaffen, die ohne zusätzliche Parallelleitungen für die Übertragung von Steuer- und Rahmeninformationen auskommt, ist im einzelnen vorgesehen, dass jedes Anschaltmodul einen Umschalter aufweist, der das Schieberegister überbrückt und eine Erkennungsschaltung an die Übertragungsleitung anschaltet. Die Erkennungsschaltungen aller Anschaltmodule sprechen parallel auf ein Steuersignal auf der Übertragungsleitung an und betätigen den Umschalter, wodurch die Überbrückung der Schieberegister aufgehoben wird.

Schließlich sind zur Datensicherung am Eingang und am Ausgang der Anschaltmodule Prüfschaltungen vorgesehen, die aus den Eingangs- bzw. Ausgangsdaten des Anschaltmoduls Eingangs- bzw. Ausgangsprüfdaten errechnen. Unter Ansprechen auf ein Steuersignal der Zentralstation übertragen die Anschaltmodule gleichzeitig ihre Ausgangsprüfdaten zum nachfolgenden Anschaltmodul. Dort vergleicht eine Vergleichsschaltung die übertragenen Ausgangsprüfdaten des vorhergehenden Anschaltmoduls mit den selbst errechneten Eingangsprüfdaten und nur bei Übereinstimmung wird ein Signal zur Übernahme der Daten aus dem Schieberegister erzeugt. Um fehlerhafte Teile der Anlage abzutrennen, ist die ringförmige Übertragungsleitung an besonderen Anschaltmodulen durch Öffnen und Überbrücken in Segmente unterteilbar, so daß wahlweise einzelne Anschaltmodule oder Gruppen von Anschaltmodulen abtrennbar sind.

Schließlich ist aus IEEE Standard Test Port and Boundary-Scan Architecture"; Institute of Electrical and Electronic Engineers; IEEE Std. 1149.1-1990 (includes IEEE Std. 1149. 1a-1993) ein sogenannter Boundary-Scan Testbus bekannt, welcher beginnend Mitte der 80'er Jahre im Rahmen der Joint Test Action Group (JTAG), von einem über 200 Mitglieder starken Gremium entwickelt wurde. Bei diesem Testbus werden zu Schieberegistern zusammenschaltbare Flip-Flops allein für den Testzweck an den äußeren Rand der Schaltung bzw. des IC's angeordnet; diese sind als Boundary-Scan Register bezeichnet. Da ihr Vorhandensein die normale Funktion der Schaltung stören würde, werden diese über Multiplexer zu- oder abgeschaltet.

Weiterer Bestandteil der Boundary-Scan Architektur sind der Test Access Port TAP, an welchem der 4-Draht-Testbus (bzw. optional die Leitung reset) angeschlossen ist, bzw. der TAP-Controller, welcher in Verbindung mit dem Befehlsregister (instruction register) als Ablaufsteuerung die internen Takt- und Steuersignale erzeugt. Die Befehlsregister können anwenderspezifische Befehle speichern oder Standard-Informationen enthalten (z. B. die Identifikationsnummer eines Schaltkreises).

Neben dem Boundary-Scan Register definiert der IEEE Std. 1149.1-1990 im Minimum noch das Vorhandensein des bereits erwähnten Bypass-Registers als weiteres Datenregister. Die Adressierung der Datenregister erfolgt durch den vorher in das Befehlsregister eingelesenen Befehl; das jeweilige Datenregister wird anschließend als Schiebepfad zwischen die TDI- und TDO-Pins des Schieberegisterrings eingeschleift.

Die über die Datenleitung übertragenen Informationen umfassen Befehle und Daten, wobei abwechselnd Befehle und Daten übertragen werden. Weiterhin werden bei der Übertragung von Befehlen die Datenleitung durch das Bypass- Register überbrückt und das Befehlsregister, zur Abspeicherung eines über die Datenleitung übertragenen Befehls, an die Datenleitung angekoppelt und bei der Übertragung von Daten wird - in Abhängigkeit vom zuletzt übertragenen Befehl - entweder das Boundary-Scan Register in die Datenleitung eingeschleift oder die Datenleitung durch das Bypass-Register überbrückt.

Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, ist für unterschiedlich ausgestaltete Datenübertragungssysteme die Verwendung von ringförmigen Übertragungsleitungen, insbesondere in Form serieller Ringschieberegister, bekannt. Die Daten werden auf der Datenringleitung geschoben und in der Busstation (Teilnehmereinrichtung) parallel übergeben, wobei im Falle, dass pro Busstation mehr Bits benötigt werden, das Ringschieberegister überbrückt und ein anderes Schieberegister in den Ring eingeschleift wird. Damit wird, um eine hohe Verfügbarkeit zu besitzen, bei der Ausgestaltung des Busses stets ein überhöhter Schieberegisteraufwand in Verbindung mit Multipexern und Auswertelogik und einem komplexen Kommunikationsprotokoll mit hohen Protokoll-Overhead in Kauf genommen. Da eine schnelle, zyklische und sichere Übertragung beispielsweise von Sensor- und Aktorsignalen in industrieller Umgebung von großem Nutzen ist und diese einen hohen kostenmäßigen Aufwand für die unterschiedlich ausgestalteten Systeme erfordert, kann die Forderung nach hoher Übertragungssicherheit nicht kostengünstig erfüllt werden. Besonders bedeutsam ist dies, weil die Automatisierungs-, Computer- sowie Telekommunikations-Industrie als äußerst fortschrittliche, entwicklungsfreudige Industrie anzusehen ist, die sehr schnell irgendwelche Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat umsetzt.

Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten Datenübertragungssystemen die Aufgabe zugrunde, dieses derart auszugestalten, dass - bei blockweiser Übertragung von Daten - ein schnelle und sichere Datenübertragung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Datenübertragungssystem mit bidirektionaler Datenburstübertragung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, dass über die bidirektionale Datenleitung eine byteweise paritätsgesicherte asynchrone Nachrichtenübertragung stattfindet, dass - über eine sequentiell durchschaltbare Steuerleitung - die Busstationen der Zentrale ihre Empfangsbereitschaft und den Empfang von Datenbursts anzeigen und dass die Busstation eine mit dem Schieberegister und der Steuerleitung in Verbindung stehende Steuerschaltung aufweist, welche beim Feststellen eines Paritätsfehlers des im Schieberegister zwischengespeicherten Datenbursts diese Steuerleitung unterbricht.

Beim erfindungsgemäßen Datenübertragungssystem erfolgt im Vergleich zum vorstehend gewürdigten Stand der Technik erstmalig eine systematische Aufteilung zwischen Übertragung von Steuersignalen gemäß Übertragungsprotokoll und Steuersignalen speziell für die Datenübertragung an sich. Bekannte Lösungen bieten gerade für eine schnelle und sichere Übertragung von Sensor- und Aktorsignalen in industrieller Umgebung nur eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit. Das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem weist zudem den Vorteil auf, dass beim Stand der Technik eine vergleichbare Datensicherung wesentlich mehr Zeit benötigt, so dass dort - über das Mittel betrachtet - die effektive Nutzdatenmenge geringer ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass die Auswertung der Signalisierung sehr einfach ist und die Datensicherung mit geringem Schaltungsaufwand durch einige wenige Baugruppen digital realisiert werden kann. Dabei ist es auch möglich, einen ohnehin vorhandenen Mikroprozessor bei der Auswertung mitzubenutzen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2, ist in der Zentrale und den Busstationen jeweils ein Paritätsgenerator zur Bildung von die Daten sichernden Paritätsbits vorgesehen und in der Busstation werden sowohl Daten als auch Befehle zur Paritätsprüfung in demselben Schieberegister zwischengespeichert, wobei im Falle eines Befehls, dieser erst nach Paritätsprüfung aus dem Schieberegister ausgelesen und in einem Befehlsregister gespeichert wird; in gleicher Weise erfolgt dies für Daten.

Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass durch den Verzicht jeden empfangenen Datenburst zu speichern, einerseits auf überraschend einfache Art und Weise die Steuereinrichtung von der Auswertung fehlerhafter Steuersignale entlastet andererseits das Überschreiben von korrekten Steuerbefehlen mit fehlerhaften Steuerbefehlen zuverlässig verhindert wird. Dies um so mehr, da das Auftreten von Bündelfehlern wahrscheinlicher als die Verfälschung einzelner Bits ist und die Rechenzeit zur Korrektur von verfälschten Bits größer wäre als die Übertragungszeit für dieselben Daten. Insgesamt ist dadurch eine schnelle und sichere Überwachung der angeschlossenen Bustationen auf Daten- und Funktionsfehler möglich.

In Weiterbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 3, am Ausgang der Busstation ein Multiplexer angeordnet, welcher mit der Steuereinrichtung und dem Schieberegister verbunden ist und welcher nach Maßgabe der Steuersignale entweder die Busstation überbrückt oder zumindest Datenburstteile des Schieberegisters weiterleitet.

Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass gleichzeitig in allen Busstationen die Durchführung einer Datenüberprüfung und Auswertung des empfangenen Datenbursts durchgeführt werden kann. Im Fehlerfall oder auch zur Durchführung von Wartungs- oder Änderungsarbeiten kann die betreffende Busstation vom Datenübertragungssystem abgetrennt werden, ohne den Gesamtbetrieb zu stören.

Vorzugsweise besteht, gemäß Patentanspruch 4, das Schieberegister aus einer Schieberegisterkette mit gleichlangen Schieberegistern und die Steuereinrichtung weist eine Anzahl von Paritätsauswertern auf, welche jeweils mit den Datenausgängen der Schieberegister verbunden sind, wobei die Paritätsauswerter identifizieren, ob eingehende Paritätsprüfbits eine bestimmte Anzahl von Bits in einem vorgegebenen logischen Zustand "1" oder "0" aufweisen.

Diese Ausführungsform weist den Vorteil, dass das Auftreten von Fehlern schnell detektiert werden kann und lediglich der verfälschte Teil des Datenbursts erneut übertragen werden muß.

In Weiterbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 5, mindestens die erste Schieberegisterstufe mit dem Befehlsregister verbunden, wobei der Datenburst ohne das abgestreifte Paritätsbit im Befehlsregister gespeichert wird.

Diese Weiterbildung der Erfindung weist - im Vergleich zur vollständigen Abspeicherung des Datenbursts - den Vorteil eines verringerten Speicheraufwands auf.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 6, zum Umschalten der Schieberichtung am Eingang und am Ausgang der Busstation jeweils ein von der Steuereinrichtung gesteuerter und mit der Datenleitung und der Schieberegisterkette verbundener Umschalter angeordnet.

Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass mit geringem Schaltungsaufwand eine Datenübertragung von der Zentrale zu den Busstationen und umgekehrt erfolgen kann.

Vorzugsweise weist, gemäß Patentanspruch 7, der Multiplexer einen weiteren Schaltanschluß auf, welcher sowohl mit dem eingangsseitigen Umschalter als auch mit dem Eingang der ersten Schieberegisterstufe verbunden ist, wodurch der Datenburst gleichzeitig der nachfolgenden Busstation und der ersten Schieberegisterstufe zugeführt wird.

Diese Ausführungsform weist den Vorteil, dass eine priorisierte Datenübertragung durchgeführt werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Datenübertragungssystems.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Datenübertragungssystems. Als Anwendungsbeispiel wird ein Echtzeit-Sensor/Aktor-Bus für Standard-SPS-Systeme beschrieben. Das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem kann beispielsweise bei drahtgebundenen oder drahtlosen Punkt zu Mehrpunkt-Übertragungsystemen, wie beispielsweise passiven optischen Netzen, Koaxialkabelnetzen, Automatisierungssystemen oder Funksystemen mit Rückkanal eingesetzt werden.

Beim erfindungsgemäßen Datenübertragungssystem findet eine bidirektionale Datenburstübertragung zwischen einer Zentrale und mindestens einer an einen Bus (in Form eines Strangs) angeschlossenen Busstation BS statt. Der Bus weist eine bidirektionale Datenleitung D und mindestens eine Steuerleitung S sowie eine Taktleitung T auf, welche durch die Busstation BS geführt sind. Über die bidirektionale Datenleitung D findet eine byteweise paritätsgesicherte asynchrone Nachrichtenübertragung statt und die Busstationen BS zeigen über eine sequentiell durchschaltbare Steuerleitung R der Zentrale ihre Empfangsbereitschaft und den Empfang von Datenbursts an. Die Busstation BS weist eine mit dem Schieberegister SR und der Steuerleitung R in Verbindung stehende Steuerschaltung ST auf, welche beim Feststellen eines Paritätsfehlers des im Schieberegister SR zwischengespeicherten Datenbursts diese Steuerleitung R unterbricht. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform wird der Schalter durch ein UND-Gatter UR in der Steuerschaltung ST realisiert. Ist kein Paritätsfehler feststellbar, so werden sowohl dem ersten Eingang (über Anschluß EP das Ergebnis der eigenen Paritätsprüfung) als auch dem zweiten Eingang des UND-Gatters UR der logische Wert "1" (Ergebnis der Paritätsauswertung in der vorangegangenen Busstation) zugeführt.

In der Zentrale und den Busstationen BS ist jeweils ein Paritätsgenerator PG1, . ., PGn zur Bildung von die Daten sichernden Paritätsbits vorgesehen und in der Busstation BS werden sowohl Daten als auch Befehle zur Paritätsprüfung in demselben Schieberegister SR zwischengespeichert. Im Falle eines Befehls, wird dieser erst nach Paritätsprüfung aus dem Schieberegister SR ausgelesen und in einem Befehlsregister BR gespeichert. Im einzelnen besteht das Schieberegister SR aus einer Schieberegisterkette mit gleichlangen Schieberegistern SR1, SR2, . ., SRn und die Steuereinrichtung ST weist eine Anzahl von Paritätsauswertern PW1, PW2, . ., PWn auf, welche jeweils mit den Datenausgängen der Schieberegister SR1, SR2, . ., SRn verbunden sind. Die Paritätsauswerter PW1, PW2, . ., PWn identifizieren, ob eingehende Paritätsprüfbits eine bestimmte Anzahl von Bits in einem vorgegebenen logischen Zustand "1" oder "0" aufweisen. Mindestens die erste Schieberegisterstufe SR1 ist mit dem Befehlsregister BR verbunden, wobei der Datenburst ohne das abgestreifte Paritätsbit im Befehlsregister BR gespeichert wird.

Zum Umschalten der Schieberichtung ist am Eingang und am Ausgang der Busstation BS jeweils ein von der Steuereinrichtung ST gesteuerter und mit der Datenleitung D verbundener Umschalter UE, UA angeordnet. Weiterhin ist am Ausgang der Busstation BS ein Multiplexer M angeordnet, welcher mit der Steuereinrichtung ST, dem ausgangsseitigen Umschalter UA und der Schieberegisterkette SR1, SR2, . ., SRn verbunden ist. Der Multiplexer M weist einen weiteren Schaltanschluß Ü auf, welcher sowohl mit dem eingangsseitigen Umschalter UE als auch mit dem Eingang der ersten Schieberegisterstufe SR1 verbunden ist. Dadurch wird der Datenburst gleichzeitig der nachfolgenden Busstation BS und der ersten Schieberegisterstufe SR1 zugeführt.

Schließlich ist zumindest das erste Bit des in die erste Schieberegisterstufe SR1 eingelesenen Datenbursts abgreifbar und wird einem weiteren Schaltanschluß H des Multiplexers M zugeführt. Hierdurch besteht die Möglichkeit das Hochlaufen und die Selbstkonfiguration des Datenübertragungssystems schnell ablaufen zu lassen. Zunächst wird von der Zentrale der Befehl "Selbstkonfiguration einlesen" für die Busstationen BS ausgegeben. Der Befehl "Selbstkonfiguration einlesen" ist ein Summenbefehl, der bewirkt, dass in jeder Busstation BS das Schieberegister SR mit dem Wert Null in die Datenleitung D geschaltet wird. Da die Datenleitung D auf der Zentrale abgewandten Seite jeder Busstation BS über einen in der Zeichnung nicht dargestellten Pull-up-Widerstand mit der Versorgungsspannung verbunden ist, wird von der letzten Busstation BS zwar ein Null-Bit als Meldung für die angeschlossene Prozeßbaugruppe ausgegeben, danach werden aber stets 1-Bits weitergereicht. Der Grund dafür ist, daß der Pull-up-Widerstand dieser Busstation die Datenleitung D auf der Zentrale abgewandten Seite stets auf Eins hält. Gleiches kann für die sequentiell durchschaltbare Steuerleitung R angewandt werden.

Das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem weist den Vorteil der vielfältigen Einsatzmöglichkeit auf und ist auch zum nachträglichen Aufrüsten in bestehenden Systemen geeignet. Insbesondere ist es auch kompatibel zu bestehenden Systemen ohne Paritätsprüfung, wobei die Schieberegisterkette SR1, SR2, . ., SRn dann beim Hochlaufen bzw. Selbstkonfiguration des Systems auf eine 8-bit-Struktur umgeschaltet wird. Weitere Vorteile sind im Vergleich zum bekannten Stand der Technik die wesentlich geringere Anzahl von parallel liegenden Schieberegistern sowie die Einsparung eines Multiplexers am Eingang der Busstation BS für die Umschaltung auf das jeweilige Schieberegister mit unterschiedlicher Schieberegisterlänge. Zudem werden durch die Topologie Laufzeit- bzw. Jitterprobleme zuverlässig vermieden und in jeder Busstation kann vor dem Weiterschieben der Daten ein Wiederauffrischen vorgenommen werden.

Alle dargestellten und beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten, sowie alle in der Beschreibung und/oder der Zeichnung offenbarten neuen Einzelmerkmale und ihre Kombination untereinander, sind erfindungswesentlich. Beispielsweise kann zur vorrangigen Alarmbehandlung eine zusätzliche Alarmleitung A oder zum Umschalten zwischen Befehls- und Datenübertragung eine weitere Steuerleitung SD vorgesehen werden, der Einsatz bei einem Datenübertragungssystem mit ringförmigen Übertragungsleitungen, insbesondere in Form serieller Ringschieberegister (für Zweige mit hoher Nutzdatenmenge) ist möglich u. a.

Claims (8)

1. Datenübertragungssystem mit bidirektionaler Datenburstübertragung zwischen einer Zentrale und mindestens einer an einen Bus angeschlossenen Busstation (BS), bei dem der Bus eine bidirektionale Datenleitung (D) und mindestens eine Steuerleitung (S) sowie eine Taktleitung (T) aufweist, welche durch die Busstation (BS) geführt sind und bei dem in der Busstation (BS) angeordnete Schieberegister (SR) zusammen mit denen anderer Busstationen (BS) zu einer gemeinsamen Schieberegisterkette zusammenschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass über die bidirektionale Datenleitung (D) eine byteweise paritätsgesicherte asynchrone Nachrichtenübertragung stattfindet, dass - über eine sequentiell durchschaltbare Steuerleitung (R) - die Busstationen (BS) der Zentrale ihre Empfangsbereitschaft und den Empfang von Datenbursts anzeigen und dass die Busstation (BS) eine mit dem Schieberegister (SR) und der Steuerleitung (R) in Verbindung stehende Steuerschaltung (ST) aufweist, welche beim Feststellen eines Paritätsfehlers des im Schieberegister (SR) zwischengespeicherten Datenbursts diese Steuerleitung (R) unterbricht.

2. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zentrale und den Busstationen (BS) jeweils ein Paritätsgenerator (PG1, . ., PGn) zur Bildung von die Daten sichernden Paritätsbits vorgesehen ist und dass in der Busstation (BS) sowohl Daten als auch Befehle zur Paritätsprüfung in demselben Schieberegister (SR) zwischengespeichert werden, wobei im Falle eines Befehls, dieser erst nach Paritätsprüfung aus dem Schieberegister (SR) ausgelesen und in einem Befehlsregister (BR) gespeichert wird.

3. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang der Busstation (BS) ein Multiplexer (M) angeordnet ist, welcher mit der Steuereinrichtung (ST) und dem Schieberegister (SR) verbunden ist und welcher nach Maßgabe der Steuersignale entweder die Busstation (BS) überbrückt oder zumindest Datenburstteile des Schieberegisters (SR) weiterleitet.

4. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schieberegister (SR) aus einer Schieberegisterkette mit gleichlangen Schieberegistern (SR1, SR2, . ., SRn) besteht, dass die Steuereinrichtung (ST) eine Anzahl von Paritätsauswertern (PW1, PW2, . ., PWn) aufweist, welche jeweils mit den Datenausgängen der Schieberegister (SR1, SR2, . ., SRn) verbunden sind, wobei die Paritätsauswerter (PW1, PW2, . ., PWn) identifizieren, ob eingehende Paritätsprüfbits eine bestimmte Anzahl von Bits in einem vorgegebenen logischen Zustand "1" oder "0" aufweisen.

5. Datenübertragungssystem nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die erste Schieberegisterstufe (SR1) mit dem Befehlsregister (BR) verbunden ist, wobei der Datenburst ohne das abgestreifte Paritätsbit im Befehlsregister (BR) gespeichert wird.

6. Datenübertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Umschalten der Schieberichtung am Eingang und am Ausgang der Busstation (BS) jeweils ein von der Steuereinrichtung (ST) gesteuerter und mit der Datenleitung (D) und der Schieberegisterkette (SR1, SR2, . ., SRn) verbundener Umschalter (UE, UA) angeordnet ist.

7. Datenübertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplexer (M) einen weiteren Schaltanschluß (Ü) aufweist, welcher sowohl mit dem eingangsseitigen Umschalter (UE) als auch mit dem Eingang der ersten Schieberegisterstufe (SR1) verbunden ist, wodurch der Datenburst gleichzeitig der nachfolgenden Busstation (BS) und der ersten Schieberegisterstufe (SR1) zugeführt wird.

8. Datenübertragungssystem nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das erste Bit des in die erste Schieberegisterstufe (SR1) eingelesenen Datenbursts abgreifbar ist und einem weiteren Schaltanschluß (H) des Multiplexers (M) zugeführt wird.