DE3827688A1 - Verfahren zur seriellen datenuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur seriellen Datenübertragung zwischen Komponenten eines automatischen Steuerungssystems über einen die Komponenten mitein­ ander verbindenden Datenbus.

Um den Zugriff auf den Bus seitens dezentral angeord­ neter Komponenten zu regeln, wurden bisher unterschied­ liche Bus-Protokolle bzw. Datenfolgen verwendet, wobei die zu übertragenden Daten-Bytes in Rahmen angeordnet sind, die z. B. einen Aufbau gemäß Fig. 2 aufweisen. Nach einer Startsignalfolge wird die Sendeadresse und die Zieladresse angegeben, um kenntlich zu machen, welche Komponente an welche andere etwas übertragen will. Danach folgt ein Code, um die zu übertragende Datenart zu kennzeichnen. Erst jetzt folgt die eigent­ liche Information, die dann mit einer Prüfsignalfolge und einer Stopsignalfolge abschließt. Besteht die tatsächlich zu übertragende Information nur aus wenigen bits oder sogar nur aus einem einzigen bit, so nehmen die übrigen Bereiche des Rahmens einen mehrfachen Teil der eigentlichen Informationsübertragungszeit in Anspruch.

Je größer die Zahl der an einen Datenbus angeschlossenen Komponenten ist, desto stärker machen sich Probleme bei der Datenübertragungszeit bemerkbar, insbesondere wenn verschiedene Komponenten relativ abgeschlossene Teilprozesse bearbeiten und ständig aktuelle Daten von anderen Komponenten hierzu benötigen. Wenn es sich hierbei beispielsweise um eine Vielzahl von Sensoren und Schaltern handelt, die jeweils nur wenige bits zu übertragen haben, so steht die benötigte Übertragungs­ zeit in keinem Verhältnis mehr zur übertragenen eigent­ lichen Information.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur seriellen Datenübertragung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, durch das eine schnellere Datenübertragung möglich ist und bei dem die zur Synchronisation der Datenübertragung erforder­ lichen Signale im Verhältnis zur übertragenen Informa­ tion nur sehr wenig Zeit beanspruchen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Datenfolgen fester Länge jeweils nacheinander durch zyklische Startbefehle in einem regelmäßigen zeitlichen Raster ausgelöst werden, daß jeder Komponente innerhalb einer solchen Datenfolge ein eigener, fester, zeitlicher Senderahmen zum Absenden von Signalen oder Signalfolgen auf den Datenbus zugeordnet wird und daß die zeitliche Zuordnung der Senderahmen zu den Komponenten in jeder von diesen gespeichert wird, wobei jeder Komponente die Zeit außerhalb ihres Senderahmens zum Empfang von Daten anderer Komponenten zur Verfügung steht.

Durch diese festen, individuellen Senderahmen innerhalb einer Datenfolge können alle Komponenten bzw. angeschlos­ senen Stationen entsprechend ihrer Kanalzuteilung ihre Daten auf den Datenbus geben. Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch mit maximaler Geschwindigkeit, so daß alle informativen Daten praktisch jederzeit für jede Komponente zum Zugriff bereitstehen. Wegen der ein­ deutigen Zuordnung der Senderahmen kann jede angeschlosse­ ne Komponente die für sie relevanten Kanäle lesen. Dadurch werden neben den zu übertragenden Informationen praktisch nur noch kurze zyklische Startsignale oder -folgen erforderlich, während den zu übertragenden Informationen demgegenüber ein Vielfaches an Zeit zur Verfügung steht. Dadurch können auch sehr kurze Informa­ tionen, die beispielsweise aus nur einem einzigen bit bestehen, vorteilhaft übertragen werden, da sie die gesamte Übertragungszeit nur ganz geringfügig in An­ spruch nehmen, während bei den bekannten Bus-Proto­ kollen auch für einzelne bits jeweils ein vollständiges Bus-Protokoll erforderlich ist, das gegenüber der zu übertragenden Information ein Vielfaches an Länge auf­ weist. Die Vorgabe von Prioritäten ist nicht mehr er­ forderlich, da jede Komponente gleichberechtigt über ihren Senderahmen frei verfügen kann. Eine fehlerhaft übertragene Information hat nur geringe Auswirkungen, da eine ständige Wiederholung stattfindet.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.

Jede Komponente kann außerhalb ihres Senderahmens alle Daten anderer Komponenten empfangen, es ist jedoch auch vorteilhaft möglich, wenigstens einen Teil der Komponenten nur während vorbestimmter Senderahmen von ausgewählten anderen Komponenten innerhalb der Daten­ folgen auf Empfang zu schalten. Hierdurch erfolgt von vornherein eine Auswahl derjenigen Daten, die für die jeweilige Komponente erforderlich ist.

Die Datenfolgen werden zweckmäßigerweise in Ein-bit- Kanäle aufgeteilt, wobei jeder der Senderahmen der Komponenten bestimmte Kanäle umfaßt, wenigstens jedoch einen bestimmten Kanal. Durch die eindeutige Zuordnung über die bit-Nummer kann jede angeschlossene Komponente exakt die für sie relevanten Kanäle auswählen.

Die Startbefehle werden zweckmäßigerweise durch eine am Datenbus angeschlossene Monitorstation erzeugt. Die Zuteilung der Senderahmen kann ebenfalls durch diese Monitorstation oder einen separaten Rechner mittels eines Programmiersystems erfolgen. Hierdurch können die Senderahmen variabel zugeteilt und auch wieder leicht verändert werden, wenn sich Komponenten ver­ ändern oder andere Komponenten hinzukommen.

Zum nahtlosen Aneinanderreihen der Senderahmen werden Laufzeitfehler infolge hoher Datenraten in vorteilhafter Weise durch ein Vorhaltesystem in jeder der Komponenten kompensiert.

Zur Aufrechterhaltung einer funktionierenden Taktsyn­ chronisierung werden Taktabweichungen vorzugsweise von der Monitorstation überwacht, das heißt, bei Über­ schreitung einer vorgebbaren Taktabweichung wird ein Fehler angezeigt, der einen nicht mehr ordnungsgemäßen Betriebszustand kenntlich macht.

Zur Gewährleistung der Datensicherheit werden die Daten­ folgen im an sich bekannten Manchester-Code erzeugt und überwacht. Alternativ oder zusätzlich können auch wenigstens zwei gleiche Informationen in aufeinander­ folgenden Datenrahmen gesendet und empfangen werden, wobei eine Prüfung in der empfangenen Komponente auf Identität erfolgt. Dies ist auf einfache Weise möglich, da die Daten ständig in kurzen Abständen nacheinander gesendet werden.

Zur Prüfung, Decodierung und/oder Auswertung der empfange­ nen Daten werden diese in jeder Komponente zwischen­ gespeichert.

Eine laufende Diagnose des Gesamtsystems kann durch ein am Datenbus angeschlossenes Testgerät erfolgen, das an jeder Stelle des Busses angeschlossen werden kann. Dieses Testgerät kann beispielsweise in der Monitor­ station integriert sein und muß lediglich die Konfigura­ tionsparameter des Systems kennen und interpretieren können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 verschiedene an einem Datenbus angeschlossene Komponenten eines automatischen Steuerungs­ systems,

Fig. 2 eine bekannte Übertragungs-Datenfolge,

Fig. 3 die erfindungsgemäße Übertragungs-Datenfolge und

Fig. 4 eine Signaldarstellung zur Erläuterung des Manchester-Codes.

Bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten automati­ schen Steuerungssystem ist an einem Datenbus 10 eine Vielzahl von Komponenten angeschlossen. Ein Datenbus besteht selbstverständlich aus mehreren parallelen Datenleitungen, wobei zur Vereinfachung jedoch nur eine einzige dargestellt ist. Bei den angeschlossenen Komponenten handelt es sich um einen als Monitorstation dienenden Rechner 11, z.B. ein PC, Steuerungskomponenten 12-14 zur Bearbeitung relativ abgeschlossener Teil­ prozesse, Sensoren 15-17, die mit dem Datenbus 10 über Synchronisiereinheiten 18-20 verbunden sind, Schalter 21-23, insbesondere End- und Positionsschalter, die mit dem Datenbus 10 ebenfalls über Synchronisier­ einheiten 24-26 verbunden sind, und ein Testgerät 27. Die Zahl und die Art der Komponenten können in sehr variabler Weise gewählt werden, wobei das vorliegen­ de Verfahren zur Datenübertragung eine besonders große Zahl von Komponenten erlaubt, insbesondere auch Kompo­ nenten, die selbst jeweils nur wenige oder nur ein einziges bit übertragen.

Zur Datenübertragung zwischen den Komponenten werden feste Bus-Protokolle bzw. Datenfolgen erzeugt, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. Derartige Datenfolgen werden sehr schnell zyklisch nacheinander übertragen. Zur Synchronisation dient ein Startsignal oder eine kurze Startsignalfolge zu Beginn jeder Datenfolge, die vom Rechner 11 als zyklisches Signal erzeugt wird. Dieses Startsignal kann beispielsweise eine definierte Code-Verletzung darstellen, das heißt eine Signalfolge, die von den angeschlossenen Komponenten nicht als Infor­ mation, sondern als Fehler erkannt wird, wobei hier wiederum ein spezieller "Fehler" vorliegt, der als Startsignal erkannt wird. Anstelle eines Rechners kann selbstverständlich auch eine andere angeschlossene Einheit die Startsignale erzeugen. An das Startsignal anschließend ist die Datenfolge in Ein-bit-Kanäle aufge­ teilt (bit 1 - bit n). Danach schließt sich ein Stopp­ signal zur Festlegung des Endes der Datenfolge an. Dieses Stoppsignal kann u.U. auch entfallen. Nun wird jeder angeschlossenen Komponente ein bestimmter indi­ vidueller Kanal als Senderahmen zugeteilt, der durch die jeweiligen bit-Nummern eindeutig definiert ist. Beispielsweise sind dem Rechner 10 die bits 1 bis 12, der Steuerungskomponente 12 die bits 13 bis 15, der Steuerungskomponente 13 die bits 16 bis 20 usw. als Senderahmen zugeteilt. Ein Schalter, beispielsweise der Schalter 21, benötigt dabei nur ein einzelnes bit, beispielsweise das bit 35. Auf diese Weise werden alle bits des Info-Bereichs der Datenfolge fest zugeordnet. Die Zuteilung bzw. Zuordnung erfolgt durch ein geeig­ netes Programmiersystem, beispielsweise über den Rechner 11. Damit können die Senderahmen durch Tastatureingabe auf einfache Weise festgelegt und auch wieder verändert werden, insbesondere wenn z.B. zusätzliche Komponenten hinzukommen oder ein Austausch von Komponenten statt­ findet.

Nach jedem Startsignal sendet jede Komponente innerhalb ihres zugeteilten Senderahmens ihre Information auf das Bus-System 10. Eine Prioritätenregelung ist dadurch nicht erforderlich. Dieser Vorgang erfolgt zyklisch mit höchster Geschwindigkeit, so daß alle Daten praktisch ständig im Takt der Zykluszeit auf dem Datenbus 10 vorliegen. Jede angeschlossene Komponente kann entweder alle oder nur die für sie relevanten Kanäle lesen, die Senderahmen bestimmter anderer Komponenten ent­ sprechen. Hierzu ist es selbstverständlich erforderlich, daß in jeder der angeschlossenen Komponenten die Zuteilung der Kanäle gespeichert ist. Im Falle der Sensoren 15 bis 17 und Schalter 21, 23 sorgen die Synchronisier­ einheiten 18 bis 20 sowie 24 bis 26 für die Adaptierung an dieses Kanalsystem.

Bei sehr hohen Übertragungsfrequenzen kann es beim Umschalten von einer sendenden Komponente auf die nächste zu Laufzeitfehlern kommen, die eine eindeutige Kanal­ zuordnung erschweren oder verhindern. In jeder Kompo­ nente ist bei hohen Datenraten ein Vorhaltesystem vorge­ sehen, das vorzugsweise als lernendes System ausgebildet ist. Es bewirkt, daß sich die Daten der Kanäle nahtlos aneinanderreihen. Da bei sehr hohen Datenraten einer Komponente nicht das Schluß-bit der zuvor sendenden Komponente abgewartet werden kann, bis das erste bit des eigenen Senderahmens abgesandt wird, erfolgt diese Absendung schon zeitlich vorverlegt, wobei die jeweilige Komponente selbständig hierdurch sich sonst ergebende Laufzeitfehler ausgleicht. Schon nach wenigen Zyklen während einer Initialisierungsphase hat die jeweilige Komponente nach Art einer Regelung die korrekte Zeit­ spanne ermittelt, um die die Absendung ihrer Information vorverlegt werden muß.

Vom Rechner 11 oder einer anderen entsprechenden Kompo­ nente wird der maximale Takt-Jitter überwacht, also die maximal zulässige Taktabweichung durch einzelne oder mehrere Komponenten. Ab einer bestimmten Abweichung ist eine Taktsynchronisation nicht mehr möglich, und der Rechner erzeugt ein Fehlersignal, das insbesondere auf einem Monitor wiedergegeben wird.

Zur Erzielung einer gewünschten Datensicherheit wird der an sich bekannte Manchester-Code verwendet. Dieser besteht darin, daß jeweils die erste Hälfte eines bits als inverses Signal und die zweite Hälfte als korrektes Signal erzeugt wird. Die empfangende Station inter­ pretiert die Signale entsprechend. Die in Fig. 4 darge­ stellten fünf bits stellen demgemäß die Signalfolge 0-1-1-0-1 dar. Bei einer korrekten Übertragung muß die Zahl der Flanken in jedem Kanal bzw. in jedem Sende­ rahmen oder in jeder Datenfolge der Zahl der Ein-bit- Kanäle entsprechen. Ist dem nicht so, muß eine Störung oder eine fehlerhafte Übertragung vorliegen. Die Über­ prüfung dieser Signalflanken kann durch jede angeschlos­ sene Komponente oder auch übergeordnet durch den Rechner 11 erfolgen.

Da die Datenfolgen sehr schnell zyklisch nacheinander erzeugt werden, können zur Gewährleistung der Daten­ sicherheit auch jeweils wenigstens zwei identische Datenfolgen erzeugt werden, wobei die empfangende Station jeweils zwei aufeinanderfolgende entsprechende Informa­ tions-Signalfolgen auf Identität vergleicht. Bei einer Abweichung wird ein Fehler erkannt.

Durch das Testgerät 27, das an jeder Stelle des Daten­ busses 10 angeschlossen werden kann, wird eine Dia­ gnose des Gesamtsystems ermöglicht. Das Testgerät muß dazu lediglich die Konfigurationsparameter des Systems bzw. seiner Komponenten kennen und interpretieren können. Ein aktives Eingreifen in das Gesamtsystem ist dabei nicht erforderlich. Durch die Unterteilung in feste Kanäle können fehlerhafte Komponenten dabei leicht festgestellt und zur Anzeige gebracht werden. Die Funk­ tion des Testgeräts 27 kann selbstverständlich auch vom Rechner 11 übernommen werden.

Zur Überwachung, Decodierung und/oder Auswertung der von den einzelnen Komponenten individuell empfangenen Daten werden diese dort zwischengespeichert. In diesem Zwischenspeicher liegen somit ständig die aktuellen Daten vor, die zyklisch erneuert werden, wodurch ein ständiger Zugriff möglich ist.

Claims (12)

1. Verfahren zur seriellen Datenübertragung zwischen Komponenten eines automatischen Steuerungssystems über einen die Komponenten miteinander verbindenden Datenbus, dadurch gekennzeichnet, daß Datenfolgen festgelegter Länge jeweils nacheinander durch zyklische Startbefehle in einem regelmäßigen zeitlichen Raster ausgelöst werden, daß jeder Komponente (11-27) innerhalb einer solchen Datenfolge ein eigener, fester, zeitlicher Senderahmen zum Absenden von Signalen oder Signalfolgen auf den Datenbus (10) zugeordnet wird, und daß die zeitliche Zuordnung der Senderahmen zu den Komponenten in jeder von diesen gespeichert wird, wobei jeder Komponente die Zeit außerhalb ihres Senderahmens zum Empfang von Daten anderer Komponenten zur Verfügung steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Komponenten (11-27) nur während vorbestimmter, senderahmenausgewählter anderer Komponenten entsprechenden Zeitintervallen innerhalb der Datenfolgen auf Empfang geschaltet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Datenfolgen in Ein-bit-Kanäle aufge­ teilt sind, wobei jeder der Senderahmen der Komponenten bestimmte Kanäle umfaßt, wenigstens jedoch einen bestimm­ ten Kanal.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Startbefehle durch eine am Datenbus (10) angeschlossene Monitorstation (11) erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuteilung der Senderahmen durch die Monitor­ station (11), einen separaten Rechner od.dgl. mittels eines Programmiersystems erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum nahtlosen Aneinander­ reihen der Senderahmen Laufzeitfehler infolge hoher Datenraten durch ein Vorhaltesystem in jeder der Kompo­ nenten kompensiert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Taktabweichungen insbesondere von der Monitorstation (11) überwacht werden und daß bei Überschreitung einer vorgebbaren Taktabweichung ein Fehler angezeigt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung der Datensicherheit die Datenfolgen im Manchester-Code erzeugt und überwacht werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung der Datensicherheit jeweils zwei gleiche Informationen in aufeinanderfolgenden Datenrahmen gesendet und empfan­ gen werden, wobei eine Prüfung auf Identität in der empfangenden Komponente erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Komponente empfangene Daten zwischen­ speichert und zyklisch decodiert und/oder auswertet.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine laufende Diagnose des Gesamtsystems durch ein am Datenbus (10) angeschlosse­ nes Testgerät (27) erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Testgerät in der Monitorstation integriert ist.