DE4394368C2 - Datenübertragungsverfahren und Vorrichtung mit Zweifrequenzbetrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Datenübertragungssysteme mit hoher Geschwindigkeit und geringer Amplitude und betrifft ins­ besondere den Betrieb eines Datenbusses mit hoher Geschwindig­ keit und geringer Amplitude bei unterschiedlichen Geschwindig­ keiten.

Die Offenlegungsschrift DE 36 36 511 A1 beschreibt eine Ein­ richtung zum Adressieren von Baugruppen. Dabei werden Adressie­ rungsleitungen nicht als durchgehende Leitungen parallel an al­ le Baugruppen, sondern von einer Zentraleinheit ausgehend se­ riell von Baugruppe zu Baugruppe geführt. Die über die Adress­ leitungen zugeführten Adressinformationen werden in einer Ände­ rungsschaltung der jeweiligen Baugruppe verändert und der nächsten Baugruppe weitergegeben, so dass jede Baugruppe über eine andere Adressinformation verfügt.

US 4,972,432 beschreibt einen gemultiplexten synchronen/asyn­ chronen Datenbus, auf den über drei Busleitungen Daten synchron und bidirektional zwischen mindestens zwei Endgeräten mit ge­ ringer Datenrate ausgetauscht werden. Weiter ermöglicht der Da­ tenbus eine asynchrone Datenübertragung im Halb-Duplexmodus bei einer höheren Datenübertragungsrate.

Im allgemeinen enthalten Datenübertragungssysteme einen Daten­ bus, der in der Lage ist, Daten zwischen einer Mastereinrich­ tung und einer oder mehreren peripheren Einrichtungen zu über­ tragen. Bei einem herkömmlichen Datenübertragungssystem adres­ siert die Mastereinrichtung jede der peripheren Einrichtungen mit einer Adresse, die den Daten vorangeschickt wird, welche zu den peripheren Einrichtungen gesendet werden sollen. Diese Adressen der peripheren Einrichtungen werden üblicherweise vor dem Betrieb des Datenbusses festgelegt und sind dem Master bekannt.

Bei einem neueren System sind die Adressen der peripheren Ein­ richtungen vor Betrieb des Datenübertragungssystems nicht be­ kannt. Beim Starten des Datenübertragungssystems gibt es eine Initialisierungsperiode, bei der jede periphere Einrichtung dem Masterkontroller die Adresse und weitere Einrichtungsartinformation mitteilt. Diese neueren Einrichtun­ gen sind weitaus komplexer und anspruchsvoller als herkömmliche Datenübertragungssysteme, sie erlauben jedoch aus der Sicht des Benutzers eine einfache Bedienung. Die Initialisierungsperiode ist sehr kompliziert und erfordert einen hohen Grad an Genauig­ keit. Wenn das Datenübertragungssystem nicht in richtiger Weise initialisiert wird, kann nachfolgender Nachrichtenverkehr ver­ lorengehen.

Auf dem Gebiet der Datenübertragungstechnik ist das Bedürfnis nach einem Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungssystem bekannt, welches in der Lage ist, mehr Daten mit höherer Effizienz zu übertragen. Zusätzlich wird stets gefordert, daß das Datenüber­ tragungssystem minimale Funkfrequenzinterferenzen (RFI) und elektromagnetische Interferenzstrahlung (EMI) erzeugt. Ein Weg zur Reduzierung der Höhe der RFI- und EMI-Strahlung besteht da­ rin, die Amplitude des Signalpegels auf dem Datenbus von her­ kömmlich 5 Volt Spitze-Spitze auf 0,5 Volt Spitze-Spitze zu re­ duzieren. Die Reduzierung in der Amplitude reduziert deutlich die Höhe der von dem Datenübertragungssystem erzeugten Strah­ lung. Zweitens werden die Signale, die von jeder mit dem Da­ tenbus verbundenen Einrichtung erzeugt werden, stark gefiltert, um harte Spitzen des Signals zu entfernen und um somit ein Da­ tensystem mit geringer Amplitude zu erstellen. Dieses Filtern verlängert die Anstiegs- und Abfallzeiten der Übergänge auf dem Datenbus, was zu Abweichungen in dem Signal, welches zwi­ schen dem Master und den peripheren Einrichtungen übertragen wird, führen kann. Drittens bewirken die Kapazitäten der physikalischen Kabel auf dem Datenbus bei einem Datenbus mit hoher Geschwindigkeit und geringer Amplitude, bei dem der Ma­ ster und die peripheren Einrichtungen um mehr als einen Meter voneinander beabstandet sind, variable und lange Zeitverzöge­ rungen hinsichtlich der Übergänge von Daten zwischen dem Master und den peripheren Einrichtungen.

Um die erforderliche Integrität eines automatischen komplexen Datenübertragungssystems, welches einen Datenbus mit hoher Ge­ schwindigkeit und geringer Amplitude und eine Beabstandung zwi­ schen den Kontrollern der Peripheriegeräte und dem Master um mehr als 20 Meter aufweist, zu erhalten, muß eine sehr genaue Initialisierungsbusarbitrationsmethode und eine Vorrichtung entwickelt werden, derart, daß die Integrität des Datenübertragungssystem nicht durch Rauschen oder Varianzen im Nachrichten­ verkehr während der Initialisierungsperiode gestört wird.

Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Datenübertragungssystem sowie ein entsprechendes Verfahren an­ zugeben, mit dem die Integrität der nach einer Initialisierung entstehenden Nachrichtenverbindungen sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird in erfindungsgemäßer Weise durch den Gegen­ stand des Patentanspruchs 1 sowie den Gegenstand des Patentan­ spruchs 3 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläu­ tert. Dabei zeigen die Zeichnungen im Einzelnen:

Fig. 1 stellt ein Funktelefonsystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

Fig. 2 ist eine Darstellung von Manchester-codierten Daten.

Fig. 3 ist eine Darstellung der Abtastzeit, die während der Initialisierungsperiode bei herkömmlichen Datentransfersystemen zur Verfügung steht.

Fig. 4 verdeutlicht die Abtastzeit, die bei einem Datentrans­ fersystem gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verfügung steht.

Fig. 5 ist ein Ablauf, der die Schritte verdeutlicht, die in einem peripheren Kontroller während der Initialisierungsperiode ausgeführt werden.

Fig. 6 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte, die in dem Masterkontroller während der Initialisierungsperiode ausgeführt werden, verdeutlicht.

Fig. 7 zeigt die Synchronisationsbits während eines Initiali­ sierungs- und Betriebszustandes gemäß der vorliegenden Erfin­ dung.

Die bevorzugte Ausführungsform enthält ein Funktelefonsystem. Dabei ist wichtig, daß das Funktelefon ein Hochgeschwindigkeitsdatenbus mit geringer Amplitude zwischen der Funktele­ fonsende/Empfangseinrichtung und den mehreren Peripherie­ geräten aufweist. Die Peripheriegeräte des Funktelefonsystems weisen ein Handset und eine Faxmaschine auf, wobei auch andere Geräte angeschlossen sein können. Andere Geräte können bei­ spielsweise ein Datenmodem, ein Laptop-Computer oder eine Da­ tenanzeigeeinrichtung sein. Der Datenbus mit hoher Gechwindig­ keit und geringer Amplitude weist einen Master-Kontroller in der Sende/Empfangseinrichtung und entsprechende Peripherie­ kontroller in jeder der peripheren Einrichtungen auf. Das Da­ tenübertragungssystem beginnt mit einem Initialisierungszu­ stand während einer Initialisierungsperiode. Während des Initialisierungszustandes arbeitet der Datenbus zunächst lang­ samer als mit normaler Gechwindigkeit, um eine Überabtastung und Genauigkeit während der Vermittlung (Arbitration) zu erreichen. Zweitens wird jedes Peripheriegerät mit der Mastereinrichtung synchronisiert und drittens wird jedem Peri­ pheriegerät eine einmalige Adresse zugewiesen, so daß der Masterkontroller mit jedem der peripheren Geräte individuell kommunizieren kann. Der Masterkontroller weist eine Fähigkeit zum Detektieren des Endes dieses Initialisierungszustandes auf. Wenn das Ende des Initialisierungszustandes detektiert wird, wird die Frequenz des Datenbusses bis auf eine Betriebsge­ schwindigkeit erhöht, welche höher ist als die der Initiali­ sierung. Die Verwendung von einer geringen Frequenz während der Initialisierungsperiode stellt die Integrität der Kommu­ nikationen zwischen dem Master und den peripheren Geräten wäh­ rend nachfolgender Kommunikationen sicher. Die Integrität wird dadurch erzielt, daß eine Überabtastung und eine nachfolgende Rauschverarbeitung zugelassen wird und indem eine Varianz hin­ sichtlich der. Bitkanten aufgrund von Filtervorgängen und der Kapazität und der variablen Länge von physikalischen Kabeln, die mit jeder Peripherieeinrichtung verbunden sind, erlaubt wird.

Fig. 1 zeigt ein Funktelefonsystem gemäß der vorliegenden Er­ findung. Das Funktelefonsystem enthält eine feste Sende/Empfangseinrichtung 101 und ein mobiles oder portables Funkte­ lefon 103. Das mobile oder portable Funktelefon 103 enthält eine Sende/Empfangseinrichtung 107, eine Antenne 105 und meh­ rere periphere Geräte. Zum Zwecke der Verdeutlichung und der Erklärung der bevorzugten Ausführungsform wurden als periphere Geräte ein Handset 111 und eine Faxmaschine 113 vorgesehen. Je­ doch können auch andere periphere Geräte eingesetzt werden oder diese peripheren Geräte ergänzen. Der Datenbus 109 ist ein Da­ tenbus mit hoher Geschwindigkeit und geringer Amplitude, wel­ cher von der vorliegenden Erfindung profitieren kann. Das mobi­ le oder portable Funktelefon 103 sendet und empfängt Hochfre­ quenz(HF)-(Funkfrequenz)Signale von der an einem festen Ort be­ findlichen Sende/Empfangseinrichtung 101. Die HF-Signale werden von der Antenne 105 eingekoppelt und von der Sende/Empfangs­ einrichtung 107 moduliert und in Datensignale transformiert. Die Sende/Empfangseinrichtung 107 kann Datensignale von einer Vielzahl von peripheren Geräten empfangen und an diese senden, beispielsweise an ein Handset 111 und eine Faxmaschine 113.

Die auf dem Datenbus 109 zwischen der Sende/Empfangseinrich­ tung und den Peripheriegeräten übertragenen Daten bestehen aus einem Manchester-codierten seriellen Datenstrom. Die Fig. 2 verdeutlicht das Manchester-Codierschema. Bei Manchester-co­ dierten Daten wird eine logische Null durch eine fallende Kante in der Mitte des Bits repräsentiert, wie dies durch 201 ange­ deutet ist. Eine Manchester-codierte Eins wird durch steigende Kante in der Mitte des Bits repräsentiert, wie dies durch 203 angedeutet ist.

Während des Initialisierungszustandes werden Nachrichtenver­ bindungen (Kommunikationen) zwischen den Peripheriegeräten und der Master-Einrichtung aufgebaut. Die Anforderungen für den Initialisierungszustand enthalten die Synchronisation der peripheren Geräte mit der Master-Einrichtung und das Zuteilen einer einmaligen Adresse an jedes Peripheriegerät. Um die Zu­ weisung einer einmaligen Adresse mit der notwendigen Genauig­ keit vornehmen zu können, arbeitet das Datenübertragungssystem mit einer geringeren Frequenz als während des Betriebszustan­ des. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Initiali­ sierungsfrequenz 128 kHz und die Betriebszustandsfrequenz 512 kHz.

Diese Synchronisation der peripheren Geräte mit der Master- Einrichtung stellt eine Funktion dar, die in gleichmäßigen In­ tervallen während des Betriebs des Datenübertragungssystems vorgenommen wird. Diese Synchronisation wird durch Senden eines Synchronisationsbits von der Master-Einrichtung 107 an die Peripheriegeräte 109, 113 erreicht. Um die Synchronisation so­ wohl während des Betriebszustandes als auch des Initialisie­ rungszustandes aufrechtzuhalten, müssen die Synchronisations­ bits etwa gleich sein, da andernfalls die Peripheriekontroller mehr als ein Synchronisationsbit erkennen müßten oder die Kommunikationsverbindung verloren ginge.

Fig. 7 zeigt Sychronisationsbits während des Initialisierungs- und des Betriebszustandes. Die Signalform 701 stellt eine Man­ chester-codierte "0" dar, die mit der Initialisierungsfrequenz (128) übertragen wird. Eine ebenfalls übertragene Manchester- codierte "1" wirkt als Synchronisationsbit während der Ini­ tialisierungsperiode. Somit wird jedes Bit, welches während des Initialisierungszustandes übertragen wird, die Takte der Peri­ pheriegeräte mit dem Master synchronisieren. Während des Be­ triebszustandes wird die Synchronisation weniger oft durchge­ führt. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird einmal zu Be­ ginn jedes Zeitschlitzes synchronisiert und dann etwa alle 125 Mikrosekunden. Insbesondere sendet der Masterkontrolle ein nicht codiertes logisches "1"-Bit 703, welches von einem Manchester-codierten logischen "0"-Bit 705 und einem codierten logischen "0"-Bit 707 gefolgt wird. Das inverse Signal dient auch als Synchronisationsbit, nämlich ein nicht codiertes lo­ gisches "0"-Bit, gefolgt von einem Manchester-codierten logi­ schen "1"-Bit und einem nicht codierten logischen "1"-Bit. Die Synchronisationsbits, welche während des Betriebs- und das Initialisierungszustandes gesendet werden, werden als solche von den Peripheriekontrollern erkannt, wodurch eine Synchro­ nisation während des Initialisierungszustandes und des Be­ triebszustandes aufrechterhalten wird.

Die geeignete Zuweisung einmaliger Adressen an jedes Periphe­ riegerät ist erforderlich, um sicherzustellen, daß alle nach­ folgenden Kommunikationen erfolgreich sind. Das Flußdiagramm 500 der Fig. 5 zeigt das Verfahren für jeden Peripheriekontrol­ ler. Beim Funktionsblock 509 setzt der Peripheriekontroller seinen Adreßzähler auf den niedrigsten Adreßwert. Beim Funktionsblock 511 überträgt der Peripheriekontroller seine serielle Nummer auf den Datenbus 109. Beim Funktionsblock 513 liest der Peripheriekontroller den momentanen Wert des Daten­ busses 109. Beim Entscheidungsblock 515 vergleicht der Peri­ pheriekontroller den Wert des Datenbusses mit der übertragenen seriellen Nummer. Wenn bei dem Vergleich festgestellt wird, daß die serielle Nummer und der Wert des Datenbusses gleich sind, liegt kein Datenbuskonflikt vor. Wenn kein Datenbuskonflikt vorliegt, wird der einmaligen Adresse des Peripheriekontrollers der Adreßwert bei dem Funktionsblock 517 zugewiesen.

Die Detektion des Endes der Initialisierungsperiode ist kri­ tisch, um die Datenübertragungsvorrichtung in den Betriebszu­ stand zu transformieren. Das Ablaufdiagramm 600 der Fig. 6 zeigt das Verfahren für den Master-Kontroller zum Detektieren des Endes der Initialisierungsperiode. Beim Funktionsblock 609 zählt die Kontrollsoftware ein vorgegebenes Intervall aus, um zu überprüfen, ob eine Seriennummer (serielnumber) eines Peri­ pheriekontrollers empfangen worden ist. Das Warten einer vorge­ gebenen Zeitdauer entspricht dem Auszählen eines vorgegebenen Intervalls durch die Kontrollsoftware.

Beim Entscheidungsblock 611 entscheidet das Verfahren, ob eine Seriennummer empfangen worden ist. Wenn eine Seriennummer emp­ fangen worden ist, konfiguriert die Masterkontrollsoftware beim Funktionsblock 613 das neu zugewiesene Peripheriegerät. Wenn der Funktionsblock 613 abgeschlossen ist, wartet das Verfahren auf das nächste Abzählen beim Funktionsblock 609.

Wenn der Entscheidungsblock 611 feststellt, daß eine Serien­ nummer nicht empfangen worden ist, bestimmt der Entscheidungs­ block 615, ob zumindest eine Seriennummer empfangen worden ist, seit der Kontroller angeschaltet ist. Wenn keine Serien­ nummer empfangen worden ist, wird die Datenübertragungsvor­ richtung vom Funktionsblock 627 abgeschaltet. Wenn zumindest eine Seriennummer empfangen worden ist, wurde das Ende des Initialisierungszustandes detektiert. Wenn das Ende der Initialisierungsperiode detektiert worden ist, wird die Fre­ quenz des Datenbusses in die Betriebszustandsfrequenz beim Funktionsblock 617 verändert. Bei der bevorzugten Ausführungs­ form ist die Betriebszustandsfrequenz höher als die Initiali­ sierungszustandsfrequenz, nämlich 512 kHz.

Das System hält eine Synchronistation zwischen den Master- und den Peripheriekontrollern aufrecht, während die Fre­ quenzen des Datenbusses 109 geändert werden. Bei der bevor­ zugten Ausführungsform beträgt die Betriebsfrequenz 512 kHz. Der Masterkontroller ändert solange nicht die Betriebsfrequenz, bis er das Ende der Initialisierungsperiode detektiert hat. Zu erst sendet der Masterkontroller einen Befehl an alle Periphe­ riekontroller aus, die Betriebsfrequenz zu ändern, während der Masterkontroller die Initialisierungsfrequenz beibehält. Wäh­ rend dieser Übergangsperiode erscheinen alle Übertragungen von dem Masterkontroller an die Peripheriekontroller wie Synchroni­ sationspulse an die Peripheriekontroller, die mit Betriebsfre­ quenz ablaufen. Das liegt an den Gemeinsamkeiten, die oben in Zusammenhang mit Fig. 7 diskutiert wurden. Sobald die Periphe­ riekontroller auf die Betriebsfrequenz umgeschaltet haben, be­ ginnt der Masterkontroller mit der Betriebsfrequenz zu arbei­ ten. Sobald der Betriebszustand erreicht ist, werden die Nach­ richtenverbindungen (Kommunikationen) innerhalb der Datenübertragungsvorrichtung zu Standardübertragungen.

Die geringe Geschwindigkeit während der Initialisierungs­ periode ist notwendig, um die Integrität der nachfolgenden Kommunikation (Nachrichtenverbindung) sicherzustellen. Die Signalform 300 der Fig. 3 zeigt die Abtastzeit, die beim Stand der Technik für die peripheren Kontroller zur Verfü­ gung steht, um ihe einmaligen Adressen zu bestimmen, während sie mit Betriebsgeschwindigkeit arbeiten. Während der Abtast­ zeit 301 muß der Peripheriekontroller seine Seriennummer auf dem Datenbus 511 übertragen und den Datenbuswert 513 lesen. Aufgrund der Kapazitätsverzögerungen, der variablen Kabel­ längen, mit denen die Peripheriegeräte verbunden sind, und der Abweichungen bei den Bitflanken von Signalen mit geringer Amplitude war die Abtastzeit 301 nicht geeignet, um eine Überabtastung und eine Rauschverarbeitung hinsichtlich der Ergebnisse des Datenbuslesevorganges 513 durchzuführen. Das Betreiben mit geringerer Geschwindigkeit während der Initia­ lisierungsperiode erhöhte die Abtastzeit, die zum Lesen des Wertes von dem Datenbus 513 zur Verfügung steht. Die erhöhte Abtastzeit 401 ist in Fig. 4 verdeutlicht. Eine detaillierte Analyse der variablen Verzögerungen wird in den beigefügten Tabellen 1 bis 4 gegeben.

Claims (4)

1. Datenübertragungssystem mit einer Master-Einrichtung, zumindest zwei Periphe­ rieeinrichtungen und einem Datenbus, wobei das System zum Übertragen von Daten von der Master-Einrichtung an die zumindest zwei peripheren Einrichtungen sowie umgekehrt dient, wobei die Peripherieeinrichtungen sowie die Master-Einrichtung je­ weils einen Kontroller aufweisen und das System weiterhin eine Einrichtung zum Ini­ tialisieren aufweist mit:
einer Einrichtung zum Betreiben des Datenbusses während der Initialisierung mit ei­ ner ersten Datenübertragungsgeschwindigkeit,
einer Einrichtung zum Detektieren des Endes der Initialisierungsperiode,
einer Einrichtung zum Betreiben des Datenbusses mit einer zweiten Datenübertra­ gungsgeschwindigkeit, nachdem die Initialisierung abgeschlossen ist,
einer Einrichtung zum Erkennen der angeschlossenen Peripherieeinrichtungen,
einer Einrichtung zum Zuweisen von einmaligen Adressen an die zumindest zwei Pe­ ripheriegeräte während der Initialisierung, wobei die Einrichtung zum Zuweisen auf­ weist:
innerhalb jeder Peripherieeinrichtung eine Adresszählereinrichtung und eine Ein­ richtung zum Setzen der Adresszählereinrichtung auf einen ersten Zählwert, eine Übertragungseinrichtung zum Übertragen einer einmaligen Seriennummer von jeder Peripherieeinrichtung über den Datenbus an die Master-Einrichtung, eine Einrichtung zum Bestimmen, ob eine Zuweisung einer Adresse an die entsprechende Periphe­ rieeinrichtung gewünscht ist und eine Einrichtung zum Zuweisen des Zählwertes des entsprechenden Adresszählers als Adresse für die Peripherieeinrichtung und eine Einrichtung zum Erhöhen des Adresszählers, wenn keine Zuweisung einer Adresse an die Peripherieeinrichtung gewünscht ist.

2. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zum Initialisie­ ren weiterhin eine Einrichtung zum Synchronisieren der zumindest zwei Peripherie­ geräte mit der Master-Einrichtung noch vor dem Zuweisen von Adressen aufweist.

3. Verfahren zum Übertragen von Daten zwischen einer Master-Einrichtung und zu­ mindest einer ersten und zweiten Peripherieeinrichtung unter Verwendung eines Datenbusses, wobei die Master-Einrichtung und die erste und zweite Peripherieein­ richtung jeweils einen Kontroller aufweisen und das Verfahren folgende Schritte auf­ weist:
Durchführen einer Initialisierung, während der Datenbus mit einer ersten Datenüber­ tragungsgeschwindigkeit betrieben wird und folgende Schritte ausgeführt werden:
Setzen eines Adresszählers in der Kontrollereinrichtung einer Peripherieeinrichtung auf einen ersten Wert (509),
Übertragen einer einmaligen Seriennummer von einer Peripherieeinrichtung über den Datenbus an die Master-Einrichtung (511),
Erkennen einer angeschlossenen Peripherieeinrichtung anhand der einmaligen Se­ riennummer innerhalb der Master-Einrichtung (611),
Erkennen in der Peripherieeinrichtung, ob eine Adresszuweisung veranlasst werden soll,
für den Fall, dass eine Adresszuweisung veranlasst werden soll, Übernehmen des Zählerstandes des Adresszählers als Adresse für die Peripherieeinrichtung (519),
für den Fall, dass keine Adresszuweisung veranlasst werden soll, Inkrementieren des Adresszählers (517) und erneutes Übertragen der einmaligen Seriennummer an die Master-Einrichtung sowie Durchführen der genannten darauffolgenden Schritte,
Detektieren des Endes der Initialisierungsperiode, und
nach erfolgter Initialisierung für alle Peripheriegeräte Betreiben des Datenbusses mit einer zweiten Datenübertragungsgeschwindigkeit (527).

4. Verfahren nach Anspruch 3, weiterhin aufweisend den Schritt des Synchronisie­ rens der zumindest zwei Peripherieeinrichtungen mit der Master-Einrichtung vor dem Zuweisen von Adressen (507).