DE19951526C2 - Datenübertragungsnetzwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Datenübertragungsnetzwerk mit meh­ reren kettenförmig hintereinander geschalteten Kommunikati­ onselementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Moderne elektrische Endstufen verfügen oftmals über eine se­ rielle SPI-Schnittstelle (SPI = Serial Peripheral Interface) zur Kommunikation mit einem Mikrocontroller. Der Mikrocon­ troller überträgt hierbei über eine digitale Datenleitung se­ riell Steuerdaten zu der SPI-Schnittstelle, die dann die End­ stufe entsprechend ansteuert. Bei einer gleichzeitigen An­ steuerung mehrerer Endstufen durch einen einzigen Mikrocon­ troller benötigt jedoch der Mikrocontroller eine Vielzahl von Steuerleitungen entsprechend der Zahl von zu steuernden End­ stufen.

Zur Einsparung von Steuerleitungen am Mikrocontroller werden die einzelnen Endstufen deshalb oftmals kettenartig hinter­ einander geschaltet und im sogenannten Daisy-Chain-Verfahren betrieben, wobei den Endstufen ein einziger Mikrocontroller vorgeschaltet ist. Dieser Mikrocontroller überträgt die Steu­ erdaten für sämtliche Endstufen über eine serielle Datenlei­ tung bitweise zu der ersten Endstufe innerhalb der Kette, welche die für sie bestimmten Steuerdaten ausliest und die Steuerdaten an die nächste Endstufe innerhalb der Kette wei­ terleitet, welche die Steuerdaten in ein internes Schiebere­ gister einliest und gleichzeitig die im Schieberegister vor­ handenen Statusdaten am seriellen Ausgang ausgibt und zur nächsten Endstufe innerhalb der Kette überträgt. Da die Anzahl der vom Mikrocontroller gesendeten Datenbits größer ist als die Länge des Schieberegisters werden Steuerdaten und Statusdaten bitweise durch die einzelnen Endstufen hindurch­ geschoben. Die letzte Endstufe der Kette ist mit dem Mikro­ controller verbunden und sendet somit die Statusdaten alle­ r Endstufen an den Mikrocontroller zurück, so daß dieser an­ hand dieser die Vollständigkeit einer Übertragung erkennen kann.

Nachteilig an einer derartigen kettenartigen Verschaltung der Endstufen und dem damit verbundenen Daisy-Chain-Betrieb ist die Tatsache, daß bei einem Ausfall einer einzigen Endstufe oder einer Übertragungsleitung zwischen benachbarten Endstu­ fen die gesamte Kette mit allen Endstufen ausfällt, da die Übertragung der Steuerdaten innerhalb der Kette nicht mehr gewährleistet ist, so daß eine derartige Anordnung fehleran­ fälliger ist.

Aus DE 42 07 675 C1 ist ein Kommunikationssystem mit mehreren Busstationen bekannt, dessen Netzwerktopologie variiert wer­ den kann, um bei einer Fehlfunktion einer Busstation oder ei­ nem Leitungsausfall zwischen zwei Busstationen weiterhin ei­ nen Betrieb des Kommunikationssystems zu ermöglichen. Die einzelnen Busstationen weisen deshalb eine Vielzahl von Sen­ de- und Empfangsanschlüssen auf, um entsprechend der vorgege­ benen Topologie eine Verbindung mit mehreren anderen Bussta­ tionen zu ermöglichen. Die Netzsteuerfunktionen sind hierbei dezentral in allen oder einer reduzierten Anzahl von Bussta­ tionen (mindestens 2) vorhanden.

Nachteilig an diesem bekannten Kommunikationssystem ist zu­ nächst der relativ komplexe Aufbau der einzelnen Busstationen, die jeweils eine Vielzahl von Sende- und Empfangsan­ schlüssen aufweisen. Weiterhin ist die aus dieser Druck­ schrift bekannte Topologie leitungstechnisch wesentlich auf­ wendiger zu realisieren, als die eingangs beschriebene Daisy- Chain-Topologie.

Ferner ist aus JP 10290252 A ein Übertragungssystem mit einer Bypass-Leitung bekannt, die auch bei einem Leitungsfehler ei­ ne Datenübertragung über die Bypass-Leitung ermöglicht. Der Grundgedanke dieses Übertragungssystems geht also dahin, ne­ ben den eigentlichen Übertragungsleitungen jeweils zusätzlich eine Bypass-Leitung vorzusehen. Nachteilig an diesem bekann­ ten Übertragungssystem ist deshalb der erhöhte Leitungsauf­ wand.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein ketten­ artiges Datenübertragungsnetzwerk der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das einen möglichst fehlertoleranten Betrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung umfaßt die allgemeine technische Lehre, bei ei­ nem im Daisy-Chain-Betrieb arbeitenden Datenübertragungsnetz­ werk mit mehreren kettenartig hintereinander geschalteten Kommunikationselementen die Steuerdaten nicht nur von einem Kommunikationselement zu dem jeweils nächsten Kommunikations­ element innerhalb der Kette zu übertragen, sondern die Steu­ erdaten beim Ausfall eines Kommunikationselementes in der Kette oder einer Datenübertragungsleitung zwischen zwei be­ nachbarten Kommunikationselementen auch von einer Endstufe zu einer nur mittelbar nachgeschalteten Endstufe zu übertragen, um in Form eines Bypasses die fehlerhaften Kommunika­ tionselemente bzw. Datenübertragungselemente innerhalb der kettenartigen Anordnung zu überbrücken.

Erfindungsgemäß weisen die einzelnen Kom­ munikationselemente deshalb jeweils zwei Datenausgänge auf, wobei der erste Datenausgang mit dem Dateneingang eines un­ mittelbar nachgeschalteten Kommunikationselementes verbunden ist, während der zweite Datenausgang mit dem Dateneingang ei­ nes nur mittelbar nachgeschalteten Kommunikationselementes verbunden ist, so daß der zweite Datenausgang einen Bypass bildet, der im Falle einer Störung des unmittelbar nachge­ schalteten Kommunikationselementes oder der Datenübertragung zu dem unmittelbar nachgeschalteten Kommunikationselement ei­ ne Weiterleitung der Steuerdaten innerhalb der kettenartigen Anordnung unter Umgehung der gestörten Kommunikationselemente bzw. Datenübertragungsleitungen ermöglicht.

Erfindungsgemäß ist der zweite Datenausgang der einzelnen Kommunikationselemente mit dem Dateneingang des jeweils über­ nächsten Kommunikationselementes innerhalb der Kette verbun­ den, so daß die einzelnen Bypässe jeweils nur ein Kommunika­ tionselement innerhalb der kettenartigen Anordnung überbrüc­ ken.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lassen sich beide Datenausgänge der einzelnen Kommunikationselemente in­ nerhalb der Kette durch Steuerdaten wahlweise aktiv oder in­ aktiv schalten, wobei die Steuerdaten zur An- oder Abschal­ tung des zweiten Ausgangs der einzelnen Kommunikations­ elemente jeweils unabhängig voneinander für die einzelnen Kommunikationselemente von der Steuereinheit übertragen werden. Dies bedeutet, daß die Datenübertragung über die Bypass- Leitungen nur dann erfolgt, wenn der zugehörige zweite Daten­ ausgang des jeweiligen Kommunikationselementes zuvor von der Steuereinheit aktiv geschaltet wurde. Dies bietet den Vor­ teil, daß die separate Steuereinheit im Fehlerfall ermitteln kann, welches Kommunikationselement innerhalb der Kette bzw. welche Datenübertragungsleitung gestört ist. Hierzu werden nacheinander die zusätzlichen Ausgänge der Kommunikationsele­ mente aktiv geschaltet, um die zugehörigen Bypassleitungen zu aktivieren. Die Steuereinheit überprüft dann, ob die Aktivie­ rung der jeweiligen Bypass-Leitung zu einer Umgehung der feh­ lerhaften Stelle innerhalb der kettenartigen Anordnung führt, was die separate Steuereinheit daran erkennt, daß das letzte Kommunikationselement innerhalb der Kette die Steuerdaten wieder korrekt zur Steuereinheit zurück überträgt. Auf diese Weise werden nacheinander sämtliche Bypassleitungen aktiv ge­ schaltet, bis die separate Steuereinheit die Fehler­ quelle lokalisiert hat.

In einer weiteren vorteilhaften Variante der Erfindung weist zumindest ein Kommunikationselement innerhalb der Kette zwei Dateneingänge auf, wobei der zusätzliche Dateneingang die Übernahme von Steuerdaten direkt von der Steuereinheit ermög­ licht. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das erste Kommunikationselement innerhalb der Kette defekt ist, da kei­ ne Bypassleitung eine Umgehung des ersten Kommunikationsele­ mentes innerhalb der Kette ermöglicht. Zur Fortsetzung des Betriebs muß das zweite Kommunikationselement innerhalb der Kette deshalb die Steuerdaten direkt von der Steuereinheit ü­ ber den zusätzlichen Dateneingang empfangen.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusam­ men mit der Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figur näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine kettenartige Anordnung von vier im Daisy- Chain-Betrieb arbeitenden Endstufen mit jeweils ei­ ner SPI-Schnittstelle als Blockschaltbild.

Fig. 2 eine Abwandlung der in Fig. 1 dargestellten Anord­ nung und

Fig. 3 eine weitere Abwandlung der in Fig. 1 dargestell­ ten Anordnung.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht im wesentlichen aus vier Endstufen 1.1 bis 1.4 mit jeweils einer SPI- Schnittstelle 2.1 bis 2.4 und einer SPI-Steuereinheit 3 zur Ansteuerung der SPI-Schnittstellen 2.1 bis 2.4 in den einzel­ nen Endstufen 1.1 bis 1.4.

Die Datenübertragung von der SPI-Steuereinheit 3 zu den ein­ zelnen SPI-Schnittstellen 2.1 bis 2.4 erfolgt hierbei durch eine serielle digitale Übertragung von Steuerdaten, wobei die einzelnen Endstufen 1.1 bis 1.4 mit den SPI-Schnittstellen 2.1 bis 2.4 zur Einsparung von Ausgangsleitungen an der SPI- Steuereinheit 3 kettenartig hintereinander geschaltet sind und nach dem sogenannten Daisy-Chain-Verfahren betrieben wer­ den. Hierzu weisen die einzelnen SPI-Schnittstellen 2.1 bis 2.4 jeweils eine seriellen digitalen Dateneingang SPI_In so­ wie einen seriellen digitalen Datenausgang SPI_Out1 auf, wo­ bei der serielle, digitale Datenausgang SPI_Out1 der Einzel- SPI-Schnittstellen 2.1 bis 2.3 jeweils mit dem seriell­ digitalen Dateneingang SPI_In der nächsten SPI-Schnittstelle 2.2 bis 2.4 innerhalb der Kette verbunden ist, so daß die Steuerdaten innerhalb der Kette von einer SPI-Schnittstelle 2.1 bis 2.4 zu der nächsten SPI-Schnittstelle 2.1 bis 2.4 weitergeschoben werden. Der serielle, digitale Dateneingang SPI_In der ersten SPI-Schnittstelle 2.1 innerhalb der Kette ist dagegen mit einem seriellen digitalen Datenausgang SPI_Out der SPI-Schnittstelle 3 verbunden, während der se­ rielle, digitale Datenausgang SPI_Out1 der letzten SPI- Schnittstelle 2.4 innerhalb der Kette mit einem seriellen di­ gitalen Dateneingang SPI_In der SPI-Steuereinheit 3 verbunden ist.

Die SPI-Steuereinheit 3 überträgt also die Steuerdaten für alle SPI-Schnittstellen 2.1 bis 2.4 bzw. Endstufen 1.1 bis 1.4 an die SPI-Schnittstelle 2.1, welche die Steuerdaten über den seriellen digitalen Datenausgang SPI_Out1 an die zweite SPI-Schnittstelle 2.2 innerhalb der Kette weiterleitet, die ebenfalls die für die zugehörige Endstufe 1.2 bestimmten Steuerdaten ausliest. Auf diese Weise werden die von der SPI- Steuereinheit 3 übertragenen Steuerdaten innerhalb der ket­ tenartigen Anordnung bitweise von einer SPI-Schnittstelle zu der nächsten SPI-Schnittstelle übertragen, bis die Steuerda­ ten schließlich die letzte SPI-Schnittstelle 2.4 in der Kette erreicht haben. Gleichzeitig zur Übertragung der Steuerdaten geben die Endstufen Statusdaten an ihrem seriellen Datenaus­ gang aus, die somit entlang der Kette durch die folgenden Endstufen hindurch zur SPI-Steuereinheit 3 zurück gesendet werden. Die Steuerdaten und Statusdaten werden also als Da­ tenpaket seriell durch die Kette der SPI-Schnittstellen 2.1-­ 2.4 hindurchgeschoben, so daß am Ende einer Übertragung die zugehörigen Steuerdaten in die jeweiligen Endstufen und die Statusdaten der einzelnen Endstufen von der Steuereinheit 3 übernommen werden. Anhand der Statusdaten kann die Steuerein­ heit 3 entscheiden, ob die Datenübertragung von Steuer- und Statusdaten vollständig und fehlerfrei durchgeführt wurde.

Nach einer korrekten Übertragung der Steuerdaten deaktiviert die SPI-Steuereinheit 3 das auf einer Steuerleitung SPI_CS (CS = Chip Select) anliegende Aktivierungssignal, woraufhin sämtliche SPI-Schnittstellen 2.1-2.4 die zuvor nacheinander übertragenen Steuerdaten übernehmen und die Endstufen 1.1 bis 1.4 gleichzeitig ansteuern.

Die vorstehend beschriebene Anordnung ermöglicht vorteilhaft eine Ansteuerung der vier Endstufen 1.1 bis 1.4 über nur zwei serielle Datenleitungen durch die SPI-Steuereinheit 3. Bei einer Störung einer der SPI-Schnittstellen 2.1 bis 2.4 oder der Datenübertragungsleitungen zwischen zwei benachbarten SPI-Schnittstellen ist jedoch die Datenübertragung innerhalb der Kette gestört. Falls beispielsweise die SPI-Schnittstelle 2.2 gestört ist, so empfangen die SPI-Schnittstellen 2.3 und 2.4 keine Steuerdaten mehr. Dies erkennt die SPI- Steuereinheit 2 an dem Ausbleiben der von der SPI- Schnittstelle 2.4 ansonsten zurückgesendeten Statusdaten. Bei einem derartigen Fehlerfall überträgt die SPI-Steuereinheit 3 zunächst besondere Steuerdaten an die erste SPI-Schnittstelle 2.1 innerhalb der Kette, die daraufhin anstelle des normalen seriellen Datenausgangs SPI_Out1 einen zusätzlichen seriel­ len, digitalen Datenausgang SPI_Out2 aktiv schaltet, der mit dem seriellen digitalen Dateneingang SPI_In der dritten SPI- Schnittstelle 2.3 innerhalb der Kette verbunden ist.

Anschließend versucht die SPI-Steuereinheit 3 erneut, die Steuerdaten über die Kette zu übertragen, wobei die Steuerda­ ten zunächst der SPI-Schnittstelle 2.1 und anschließend unter Umgehung der SPI-Schnittstelle 2.2 zu der dritten SPI- Schnittstelle 2.3 innerhalb der Kette weitergeleitet werden. Schließlich gelangen die Steuerdaten dann zu der SPI- Schnittstelle 2.4, welche die Steuerdaten dann zu der SPI- Steuereinheit zurücksendet, woran diese erkennt, daß die Um­ gehung der SPI-Schnittstelle 2.2 erfolgreich war, so daß der Fehler innerhalb der Übertragungskette lokalisiert ist.

Falls der SPI-Schnittstelle 3 jedoch auch bei einer Umgehung der SPI-Schnittstelle 2.2 die zuvor gesendeten Steuerdaten nicht zurückgemeldet werden, so wird der zusätzliche serielle Datenausgang SPI_Out2 der ersten SPI-Schnittstelle 2.1 wieder inaktiv geschaltet, wohingegen dann der serielle, digitale Datenausgang SPI_Out2 der zweiten SPI-Schnittstelle 2.2 aktiv geschaltet wird. Die SPI-Schnittstelle 3 schaltet also nach­ einander sämtliche Bypassleitungen aktiv, bis sie wieder ein Kontrollsignal von der letzten SPI-Schnittstelle 2.4 inner­ halb der Kette erhält, so daß durch sukzessives Testen der Bypassleitungen der Fehler lokalisiert werden kann.

Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung stimmt weitgehend mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung überein, so daß im folgenden für entsprechende Bauelemente dieselben Bezugszei­ chen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Der wesentliche Unterschied der in Fig. 2 dargestellten An­ ordnung zu der vorstehend beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die SPI-Steuereinheit 3 zwei serielle Datenausgän­ ge SPI_OUT1 und SPI_OUT2 aufeist, wobei der erste Datenaus­ gang SPI_OUT1 der SPI-Steuereinheit 3 in herkömmlicher Weise mit dem Dateneingang SPI_IN der ersten SPI-Schnittstelle 2.1 innerhalb der Kette verbunden ist, während der zweite Steuer­ eingang SPI_OUT2 der SPI-Steuereinheit 3 mit dem Datenein­ gang SPI_IN der zweiten SPI-Schnittstelle 2.2 innerhalb der Kette verbunden ist.

Dies bietet den Vorteil, daß die gesamte Anordnung auch beim Ausfall der ersten SPI-Schnittstelle 2.1 bzw. bei einer Stö­ rung der Datenübertragung von der ersten SPI-Schnittstelle 2.1 zu der zweiten SPI-Schnittstelle weiterhin funktioniert, indem die erste SPI-Schnittstelle 2.1 innerhalb der Kette um­ gangen wird.

Die SPI-Steuereiheit 3 prüft deshalb bei einer Datenübertra­ gung an die SPI-Schnittstellen 2.1-2.4, ob die letzte SPI- Schnittstelle 2.4 innerhalb der Kette die übertragenen Steu­ erdaten wieder zurücksendet. Falls diese Rückmeldung aus­ bliebt, so nimmt die SPI-Steuereinheit 3 zunächst an, daß die erste SPI-Schnittstelle 2.1 innerhalb der Kette defekt ist und aktiviert deshalb den zweiten Datenausgang SPI_OUT2, der den Dateneingang SPI_IN der zweiten SPI-Schnittstelle 2.2 in­ nerhalb der Kette ansteuert, so daß die erste SPI- Schnittstelle umgangen wird. Anschließend prüft die SPI- Steuereinheit 3, ob die letzte SPI-Schnittstelle 2.4 inner­ halb der Kette die übertragenen Daten wieder zu der SPI- Steuereinheit 3 zurücksendet. Ist dies der Fall, so behält die SPI-Steuereinheit 3 die Umgehung der ersten SPI- Schnittstelle 3 bei den folgenden Datenübertragungen bei. An­ dernfalls werden in der vorstehend zu Fig. 1 beschriebenen Weise Bypaßleitungen geschaltet, die nacheinander die einzel­ nen SPI-Schnittstellen 2.2-2.4 umgehen, bis die fehlerhafte SPI-Schnittstelle lokalisiert ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung stimmt ebenfalls weit­ gehend mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung überein, so daß im folgenden für entsprechende Bauteile dieselben Bezugs­ zeichen verwendet werden und zur Vermeidung von Wiederholun­ gen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Der Unterschied der in Fig. 3 dargestellten Anordnung gegen­ über der in Fig. 1 dargestellten Anordnung besteht im we­ sentlichen darin, daß die zweite SPI-Schnittstelle 2.2 inner­ halb der Kette zwei Dateneingänge SPI_IN1 und SPI_IN2 auf­ weist, wobei der erste Dateneingang SPI_IN1 mit dem ersten Datenausgang SPI_OUT1 der ersten SPI_Schnittstelle 2.1 inner­ halb der Kette verbunden ist, während der zweite Dateneingang SPI_IN2 direkt an den Datenausgang SPI_OUT der SPI_Steuereinheit 3 angeschlossen ist.

Dies bietet den Vorteil, daß die erste SPI-Schnittstelle in­ nerhalb der Kette bei der Datenübertragung umgangen werden kann, ohne daß dafür eine zusätzliche Ausgangsleitung an der SPI-Steuereinheit 3 erforderlich ist.

Bei einer Fehlfunktion der ersten SPI-Schnittstelle 2.1 in­ nerhalb der Kette leitet die zweite SPI-Schnittstelle 2.2 in­ nerhalb der Kette die über den zweiten Dateneingang SPI_IN2 empfangenen Daten an die folgenden SPI-Schnittstellen 2.3-2.4 weiter.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gear­ teten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims (3)

1. Datenübertragungsnetzwerk, insbesondere zur Ansteuerung mehrerer elektrischer Endstufen (1.1-1.4),
mit einer digitalen Steuereinheit (3) mit einem ersten digi­ talen Datenausgang (SPI_OUT), und
mit mehreren kettenartig hintereinander geschalteten Kommuni­ kationselementen (2.1-2.4) mit jeweils einem digitalen Daten­ eingang (SPI_IN) und einem ersten digitalen Datenausgang (SPI_OUT1),
wobei der erste Datenausgang (SPI_OUT) der Steuereinheit (3) mit dem Dateneingang (SPI_IN) des ersten Kommunikationsele­ ments (2.1) in der Kette und der erste Datenausgang (SPI_OUT1) der einzelnen Kommunikationselemente (2.1-2.4) je­ weils mit dem Dateneingang (SPI_IN) des unmittelbar nachge­ schalteten Kommunikationselements (2.2-2.4) verbunden ist, während die Steuereinheit (3) einen digitalen Dateneingang (SPI_IN) aufweist, der mit dem ersten digitalen Datenausgang (SPI_OUT1) des letzten Kommunikationselements (2.4) in der Kette verbunden ist,
wobei die Kommunikationselemente (2.1-2.4) mindestens einen zweiten digitalen Datenausgang (SPI_OUT2) aufweisen, wobei der zweite Datenausgang (SPI_OUT2) der einzelnen Kommunikati­ onselemente (2,1-2.4) jeweils mit dem Dateneingang (SPI_IN) des übernächsten Kommunikationselements in der Kette verbun­ den ist.

2. Datenübertragungsnetzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (3) einen zweiten digitalen Datenaus­ gang aufweist, der mit dem Dateneingang des zweiten Kommuni­ kationselements in der Kette verbunden ist.

3. Datenübertragungsnetzwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite digitale Datenausgang (SPI_OUT2) der einzelnen Kommunikationselemente (2.1-2.4) wahlweise in einen inaktiven hochohmigen Zustand oder in einen Ausgabezustand schaltbar ist, wobei die Umschaltung zwischen dem hochohmigen Zustand und dem Ausgabezustand durch Steuerdaten erfolgt, die über den ersten Dateneingang (SPI_IN) des jeweiligen Kommunikati­ onselements (2.1-2.4) aufgenommen werden.