DE60014938T2

DE60014938T2 - Skalierbares datenerfassungs-/ und rechengerät

Info

Publication number: DE60014938T2
Application number: DE60014938T
Authority: DE
Inventors: Ray Emray GOOSSEN; Boyd Charles ANDERSON
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: NZ517957A; DK1212687T3; CA2382690A1; US6678747B2; AU6931100A; DE60014938D1; ATE279750T1; WO2001014979A1; AU756676B2; KR20020064278A; JP2003507816A; IL148334A0; US20030028687A1; EP1212687B1; EP1212687A1; TW583549B; ES2228598T3

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf entfernte Datenerfassung und -verteilung und insbesondere auf ein Verfahren und eine Einrichtung für eine gemeinsame Architektur zur entfernten Erfassung und Verteilung von analogen und digitalen Daten mit stapelbaren und wegwerfbaren Modulen.
In der Vergangenheit bestanden die Designs für die Eingabe/Ausgabe (E/A) eines Rechners aus einer elektronischen Komponentenbaugruppe, die in den Einbaurahmen des Rechners selbst eingesteckt wurde, oder aus einer elektronischen Komponentenbaugruppe, die in einen separaten Datenerfassungsrechner eingesteckt wurde. Diese elektronischen Komponentenbaugruppen wurden entweder als Bausteine am Vehikel oder im Geschäft des Rechnerlieferanten ausgetauscht, wenn der gesamte Rechner zu Wartungszwecken dorthin zurückgebracht wurde.
Ein System nach dem Stand der Technik, welches Stapelmodule für ein Rechnergerät verwendet, wurde in der Zeitschrift „Konstruktion und Entwicklung"; August 1995; Band 5, Artikel „Intelligenz auf die Reihe gekiemirut" offenbart. Hier wird ein System zum Einsatz in industriellen Anwendungen, aber nicht zum Einsatz im Labor oder Büro offenbart. Ferner stellt dieses System nach dem Stand der Technik Seitenkontakte zum Zusammenschalten der Module bereit und benutzt keine Klemmenblockanschlüsse zu diesem Zweck.
Jedes Vehikel weist einzigartige Schnittstellen auf, die dem Stand der jeweiligen Technik oder den jeweiligen funktionellen Anforderungen entsprechen. Dies führt normalerweise zu für dieses Vehikel einzigartigen Designs hinsichtlich Rechner und elektronischen Komponentenbaugruppen. Angewendet wurden VME- und PC-104-Stil-Verpackungsverfahren, um eine Standardisierung von Modulen oder Baugruppen zu anzustreben. Die enge Kopplung der elektronischen Ein/Ausgabe-Komponentenbaugruppen mit den Rechenbaugruppen und dem Rechnereinbaurahmen begrenzt jedoch die Fähigkeit, Technologieveralterung und Technologieauffrischung anzusprechen.
Die folgende zusammenfassende Beschreibung der Erfindung soll der Erleichterung des Verständnisses einiger der für die Erfindung einzigartigen, erfinderischen Merkmale dienen, und ist nicht als ausführliche Beschreibung gedacht. Ein vollständiges Verständnis der verschiedenen Aspekte der Erfindung ergibt sich aus der Betrachtung der gesamten Spezifikation als Ganzes einschließlich Ansprüche, Zeichnungen und Kurzdarstellung.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erfassen und Verteilen von Signalen an ein Rechengerät. Der skalierbare Datenkonzentrator setzt sich aus Standardbausteinen zusammen, die an einem Vehikel oder einer Arbeitsstation zusammengebaut und auseinandergebaut werden können, um die E/A-Erfordernisse für den speziellen Standort am Vehikel zu unterstützen. Er unterstützt die Erweiterung und Reduktion des Datenkonzentrators, um ihn an das für die einmalige Anwendung benötigte E/A-Komplement anzupassen, ohne die Elemente, aus denen der skalierbare Datenkonzentrator besteht, zu modifizieren. Das Hinzufügen von zusätzlichen E/A- oder Datenverarbeitungsfunktionen lässt sich einfach durch Stapeln der zusätzlichen Bausteinelemente bewerkstelligen. Jede Installation eines skalierbaren Datenkonzentrators setzt sich aus Standardmodulen zusammen, die vorzugsweise ein Controllermodul und ein Stromversorgungsmodul enthalten. Für die Kommunikation zwischen den Modulen und für den Strom zu den E/A-Modulrechenelementen sorgt ein Stapelverbinder.
Vom Hardware- als auch Software-Standpunkt aus betrachtet folgen die Module zielorientierten Designpraktiken. Das heißt, alle Funktionen und Eigenschaften, die zum E/A-Typ passen müssen, den das Modul unterstützt, sind im Modul enthalten. Hierzu können gehören: Quellimpedanz, Verbraucherimpedanz, Schutz gegen elektromagnetische Störungen (EMI), Anti-Aliasing-Filtrierung, Datenkomprimierung, eindeutige E/A-Signalreferenzen, Datenreduzierung, Regelkreisverriegelungen und die Kommunikation mit dem Controllermodul. Sie sind programmierbar für Verstärkungsfaktoren, Filtriereigenschaften und E/A-Datenübertragungsgeschwindigkeiten.
Die Module enthalten elektronische Geräte, integrierte Schaltungen, Widerstände, Kondensatoren und andere Komponenten, die für die Bereitstellung der Funktionalität des betreffenden Moduls benötigt werden, das vorzugsweise auf einer Leiterplatte montiert ist. Diese Baugruppe ist entweder in einem Einbaurahmen untergebracht oder in ein wärmeleitfähiges Material eingebettet. Die Modulbaugruppe kann auch in eine dünne Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials eingebettet werden, um Faraday-Käfig-Schutz gegen elektromagnetische Störungen bereitzustellen. Jedes Modul enthält vorzugsweise einen seinen E/A-Typ unterstützenden Verbinder und einen Stapelverbinder für die Zwischenmodulkommunikation und den Strom. Der Stapelverbinder wird in sein Nachbarmodul eingesteckt und bildet so eine EMI-Dichtung. Zur mechanischen Ausrichtung und Abstützung zwischen den Modulen sowie zwischen der Datenkonzentratorbaugruppe und dem Vehikel-Montageboden dienen vorzugsweise Führungsstifte. Die Führungsstifte stellen ferner ein Mittel zum Verstiften des Modultyps mit dem Vehikel-Einsteckort bereit. Eine bevorzugte Modulbaugruppe wird durch einen Schnappmechanismus zusammengehalten, der einen schnellen Zusammenbau und schnellen Auseinanderbau gestattet. Nur die Stromversorgungs- und Controllermodule sind mit Griffen versehen, da sie für jede Datenkonzentratorbaugruppe benötigt werden. Sie sind vorzugsweise derart konstruiert, dass sie an entgegengesetzten Enden der Baugruppe angeordnet werden können.
Für die im Stapelverbinder enthaltene Zwischenmodulkommunikation wird vorzugsweise eine industriemäßige Kommunikationslink wie z.B. RS485, Universal Serial Bus (USB), 1394 oder dergleichen verwendet. Sie kann zum Herunterladen von Code in die einzelnen Module, zum Synchronisieren von Modulen und Datenübertragungen eingesetzt werden. Der serielle Bus kann entweder einzeln oder mehrfach redundant sein. Jeglicher allgemeine Leistungsbedarf wird ebenfalls jedem Modul über den Stapelverbinder zugeführt. Einmaliger Leistungsbedarf und Hochstrombedarf wird wie erforderlich am E/A-Verbinder jedes einzelnen Moduls bereitgestellt.
Ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine standardisierte entfernte Erfassungs- und Verteilungseinrichtung für analoge und diskrete Daten bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, gestapelte Module für eine Vielfalt von Erfassungs- und Verteilungsgeräten bereitzustellen.
Ein wiederum weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, an jedem Modul einen standardisierten Verbinder mit seriellem Bus und Strom bereitzustellen.
Ein zusätzliches primäres Ziel der Erfindung besteht darin, E/A-Standardmodule vorzusehen, die vom Controllermodul nach dem Einschaltens des Stroms konfiguriert werden.
Ein Ziel der Modulkonfigurierbarkeit besteht in der Beurteilung der Vehikelinstallationsumgebung und der für diesen Standort benötigten E/A-Geräte und des E/A-Komplements durch das Controllermodul.
Ein zusätzliches Ziel der Modulkonfigurierbarkeit besteht in der Fähigkeit des Controllermoduls, jedem anpassbaren E/A-Gerätetyp Signaltypen, Signalrichtung, Signalverstärkungsfaktoren, Signalfiltrierung und Datenübertragungsgeschwindigkeiten zuzuweisen.
Ein primärer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Technologieauffrischung und Technologieeinfügung sehr leicht bewerkstelligt werden können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre offene Architektur, die sich entsprechend den einmaligen Erfordernissen einer bestimmten Installation leicht erweitern lässt.
Ein wiederum weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die einzelnen skalierbaren Datenkonzentratormodule (SDC) auf Auswechselbarkeit und Anpassbarkeit ausgelegt sind, und dass die niedrigen Kosten sie praktisch zu einem Wegwerfartikel machen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die SDC „Rückenwandplatine" als industriemäßiger serieller Bus (USB) implementiert ist, der den Einsatz der vielen, für den PC-Markt bestimmten handelsüblichen Produkte unterstützt.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann nach Prüfung der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung zu erkennen oder ergeben sich aus dem praktischen Einsatz der vorliegenden Erfindung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beiliegenden Zeichnungen, die in die Spezifikation aufgenommen wurden und ein Teil derselben bilden, veranschaulichen mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Die Zeichnungen wurden lediglich zur Veranschaulichung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt und sind nicht als einschränkend für die Erfindung zu verstehen. In den Zeichnungen zeigt
1 ein stapelbares erfindungsgemäßes Konzept;
2 die erfindungsgemäße Konstruktion und den erfindungsgemäßen Stapelmechanismus der Module;
3 einen zusammengebauten erfindungsgemäßen Modulstapel;
4 eine bevorzugte erfindungsgemäße interne SDC-Struktur;
5 ein Diagramm eines bevorzugten erfindungsgemäßen Stromversorgungsmoduls;
6 ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Controllermodul;
7 eine bevorzugte erfindungsgemäße Stapelverbinderstiftkonfiguration;
8 ein Blockdiagramm eines bevorzugten erfindungsgemäßen Adaptable I/O-Moduls;
9 ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Analog I/O-Modul;
10 ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Servo Loop I/O-Modul;
11 eine bevorzugte erfindungsgemäße USB-Stapelbusarchitektur;
12 eine typische USB-Standardmeldungsstruktur;
13 eine erfindungsgemäße Konfigurationstabelle;
14 eine erfindungsgemäße Sequenztabelle;
15 ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Datenübertragungs-Timing;
16 ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Controllermodul-Zustandsdiagramm; und
17 ein bevorzugtes erfindungsgemäßes E/A-Modul-Zustandsdiagramm.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die SDC-Datenerfassungsarchitektur der vorliegenden Erfindung stellt die Vorteile einer skalierbaren entfernten E/A-Erfassungsarchitektur bereit, die es erlaubt, die Anzahl der E/A-Erfordernisse zu ändern und zu rekonfigurieren, um den SDC an die E/A-Bedürfnisse am spezifischen Standort des Vehikels anzupassen. Das Hinzufügen zusätzlicher E/A- oder Datenverarbeitungsfunktionen wird auf einfache Weise durch Einstecken der zusätzlichen modularen Elemente in den SDC-Stapel bewerkstelligt. Ferner besitzt er (der SDC-Stapel) die Fähigkeit, als unabhängiger Rechner zu fungieren, wobei entsprechende Eingabe/Ausgabe- (E/A) und Verarbeitungsmodule zu einem Stapel kombiniert werden.
Eine Standardschnittstelle, die sowohl den Strom als auch den seriellen Datenbus bereitstellt, wird dazu verwendet, die Zusammenschaltung mit individuellen modularen Funktionen, sowie mit der Software und/oder Hardware zu vereinfachen. Die architektonischen funktionalen Grenzdefinitionen unterstützen funktionale Designunabhängigkeit der Module.
Das SDC-Design unterstützt das Erweitern und Anpassen der E/A an die Erfordernisse jedes spezifischen Vehikelinstallationsstandorts. Die externe E/A-Verbindung erfolgt durch einen separaten blinden Steckverbinder, der die maximale E/A unterstützt, die auf dem Platinenbereich für diesen E/A-Typ implementiert werden kann. Die Modulstromversorgung und Zwischenmodulkommunikation über einen seriellen Bus wurden in den Rückenwandplatinen-Stapelverbinder eingebaut.
Jede beliebige Art von Modul kann in den SDC-Stapel eingesteckt werden, solange die mechanischen und elektrischen Schnittstellendefinitionen erfüllt werden. Die Signal-für-Signal-Anpassbarkeit des Adaptable I/O-Moduls und die wählbaren Filter und Verstärkungen an den Unique I/O-Modulen stellen zusätzliche Flexibilität für die an jedem SDC-Standort verbleibende Reserve-E/A bereit.
Alle Module bieten die Fähigkeit, durch Befragung eines seriellen Busses auf ihre Gesundheit zuzugreifen. Sie melden regelmäßig Gesundheitsinformation, während sie sich in der Flug-Betriebsart befinden.
Die Module 10 unterstützen eine Modulstapelmethodologie, wie in 1 dargestellt. Der der Erweiterung dienende Rückenwandplatinenbus beinhaltet ein Paar von seriellen Bussen, die mit dem USB-Standard (PC Universal Serial Bus) elektrisch kompatibel sind, einen Modulprogrammierbus, der mit dem SPI-Standard elektrisch kompatibel ist, und Strom vom Stromversorgungsmodul 24.
Jedes Modul 10 enthält einen E/A-Verbinder 12 für den für dieses Modul eindeutigen E/A-Typ. Zum Beispiel werden alle diskreten E/A-Typen an ein Adaptable I/O Modul 14 angeschlossen. Jedes Modul 10 stellt den entsprechenden EMI-Schutz (elektromagnetische Störungen) für seinen E/A-Typ bereit. Eine Quelle für den Vehikelstrom ist an die SDC-Stromversorgung angeschlossen, um die Elektronik aller SDC-Module mit Strom zu versorgen. Hochstromquellen, wie zum Beispiel 2A 28VDC/Open Discretes, erhalten ihren Strom über separate Vehikelstromeingänge zum externen E/A-Verbinder 12 dieses Moduls, nicht von der SDC-Stromversorgung.
Die Module 10 sind in Standardgröße/Standformzahl konzipiert und weisen eine gemeinsame Busschnittstelle 20 sowie eine mechanische Halterung 18 auf, die wie in 2 dargestellt, das Stapeln unterstützt.
Jedes Modul 10, mit Ausnahme des Stromversorgungsmoduls 24 und Controllermoduls 26, stellt vorzugsweise den Schnittstellenbusanschluss-Verbinder 20 und die kompatible Steckdose 22 bereit. Das Stromversorgungsmodul 24 und das Controllermodul 26 werden für alle Installationen benötigt und weisen deshalb jeweils einen Griff 16 und Busklemmen mit einer Steckdose 28 und Verbinder 30 auf.
Das mechanische Stapeln erfolgt über die in der Technik gut bekannten Schnappklammern 32, die auf zwei oder drei Seiten jedes Moduls angeordnet sind, oder durch ähnliche Mittel. Das Design gestattet schnellen Zugriff zum Auswechseln eines Moduls in der Mitte des Stapels.
Alle Module 10 weisen vorzugsweise eine doppelte Einkapselungsschicht auf, um die Kosten für den Moduleinbaurahmen zu vermeiden, und um die Vibrations- und Wärmeeigenschaften zu verbessern. Die erste Schicht 24 besteht aus wärmeleitfähigem Material. Die zweite Schicht 36 besteht aus wärmeleitfähigem und elektrisch leitfähigem Material, welches eine gute EMI-Abschirmung bietet. Die Wärmeabfuhr kann über die Stützwandbefestigung und über wahlweise (nicht dargestellte) Rippen an jedem Modul erfolgen.
Ein Beispiel des resultierenden Stapels ist in 3 dargestellt. Der Modulstapel wird in einen Boden im Vehikel eingesetzt und mit Schwenkbolzen 17, die am Stromversorgungs- und Controllermodul angeordnet sind, befestigt. Auswechsel- und Reparaturarbeiten werden durch Entnahme des gesamten SDC-Modulstapels aus dem Vehikelboden, Lösen des fehlerhaften Moduls aus den Schnappklammern, Trennen des Stapels, Einsetzen eines guten Moduls, Zusammenfügen des Stapels und erneutes Installieren des SDC-Stapels auf dem Vehikelmontageboden durchgeführt.
Ein serieller USB-Bus 38 stellt die Schnittstelle between den einzelnen Modulen, wie in 4 veranschaulicht, bereit. Jedes Modul ist mit den entsprechenden Abschlüssen und einer Busschnittstelle versehen, um maximal 10 Module aufeinanderstapeln zu können.
Das SDC-Grundsystem enthält Standardmodule der folgenden Typen: Stromversorgung 24, Controller mit serial I/O 26, Adaptable Analog and Discrete I/O 44, Analog I/O 46 und Servo Loop Closure (Regelkreis-Verriegelung) 48. Implementierungen können wahlweise optische serielle Busschnittstellenmodule, PHM-Verarbeitungsmodule (Prognostic Health Management) sowie andere einzigartige Designs enthalten.
Ein bevorzugtes SDC-Stromversorgungsmodul 24 ist in 5 veranschaulicht. Es liefert Vehikelstrom 25, konvertiert ihn zu ±15 VDC 27, +5 VDC 29 und +3,3 VDC 31, um die elektrischen Komponenten in den gestapelten Modulen mit Strom zu versorgen. Den E/A-Gerätestrom an jedem Modulverbinder liefert der Vehikelstrombus. Andere Spannungspegel können, wie von den spezifischen Modulen benötigt, im Stromversorgungsmodul 24 vorgesehen werden.
Die Stromversorgung enthält Messfühler 39 zum Messen der Umgebungstemperatur und der im Modul aufgetretenen Vibrationspegel. Diese Information ist verfügbar, um in anderen Modulen am gleichen Standort gespeichert werden zu können.
Das Controllermodul 26 definiert die Konfiguration aller E/A-Module, steuert die SDC-Erfassung und Ausgabe von Daten, steuert die Kommunikation des SDC mit dem Systemrechner, und führt SDC PHM und BIT sowie potentielle Datenverarbeitung und -filtrierung durch. Ein bevorzugtes Controllermodul ist in 6 veranschaulicht. Es enthält zwei identische Mikrocontroller, einen Master-Controller 40 und einen ESBC 43 (External System Bus Controller). Eine Doppelportschnittstelle 41 dient zum Puffern der Daten vom externen Systembus 45 zum internen USB-Bus 33. Das Controllermodul 26 enthält die Root HUBs für die beiden SDC USB-Busse. Diese Ausführungsform des Controllermoduls 26 ist eine Implementierung des Controllermoduls zur Unterstützung eines externen USB-Vehikelsystembusses. Andere Systembussarchitekturen (429, 1553, 1394) würden in (nicht dargestellter) ähnlicher Weise implementiert. Als SDC-Controller kann einer der drei grundlegenden Typen – Mikrocontroller, Zustandsmaschine oder DSP – verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Stapelverbinders 20 nutzt ein Paar von elektrisch kompatiblen USB-Bussen 33 für die interne SDC-Kommunikation, wie in 7 veranschaulicht. Dieser Hochgeschwindigkeitsbus (12 MHz) unterstützt zeitgleiche (USB-synchrone) Datenübertragungen, die zur Synchronisation der Datenkonvertierung und Datenübertragung an den externen Systembus und zur Minimierung von Wartezeiten verwendet werden. Obwohl sich viele andere Busarchitekturen für interne Datenübertragungen und zur Synchronisation eignen, wird der USB in einer bestimmten Weise implementiert, die Synchronisation und Intergrität im grundlegenden Protokoll unterstützt. Das Doppelpaar von USB-Bussen 33 sorgt für zusätzliches Gesundheitsmanagement aufgrund seiner diagnostischen Fähigkeit und Verfügbarkeit. Die Verwendung des USB-Busses in der SDC-Architektur ermöglicht ein Avioniksystem mit Plug-and-Play-Merkmalen, wie ein Personalcomputer (PC) sie aufweist.
Das Adaptable I/O-Modul 14 besitzt die Fähigkeit, alle diskreten Vehikeleingabe- und Ausgabetypen und analoge Signale über einen großen Bereich zu handhaben, ungeachtet des Stiftes, mit dem sie verbunden sind. Ein Blockdiagramm eines bevorzugten Adaptable I/O-Moduls ist in 8 veranschaulicht. Jeder E/A-Stift 47 ist anpassbar (programmierbar), um ihn, wie vom Controllermodul für den Standort der SDC-Installation festgelegt, für Pegelwerte (28 VDC oder Masse), diskrete oder analoge Werte und Richtung konfigurieren zu können. Die Installationsdaten werden im Controllermodul 26 gespeichert. Das Konfigurieren erfolgt beim Einschalten, wenn jedes Gerät dem SDC-Controller und dem seriellen E/A-Modul seine Klasse/seinen Typ meldet. Daraufhin erstellt das Controllermodul die gewünschte Konfiguration aufgrund der diskreten Vehikelinstallationswerte 49.
Die bevorzugte Ausführungsform enthält ein digital gesteuertes Filter 54 erster Ordnung an jedem E/A-Stift, dessen Eigenschaften vom Controllermodul festgelegt werden.
Alle Ausgaben können durch das Einfügen von BIT-Reizen 50 geprüft werden, welche zur Bestätigung der Pegelkontrolle im Zyklus adressiert werden. Alle Ausgaben befinden sich beim Einschalten in einem hohen Impedanzzustand, bis sie vom Controllermodul aktiviert werden.
Das Unique Analog I/O-Modul 46 handhabt die einmaligen Vehikel-Installationssignale und ist speziell für dieses Vehikel konstruiert. Wenn das Vehikel dieses Modul mehrmals enthält, kann es Controllermodulbefehlen zufolge alle Konfigurationseinstellungen vornehmen, die in das Modul eingebaut sind. Ein Beispiel einer spezifischen Vehikelausführungsform ist in 9 dargestellt. In diesem Beispiel können Eingangsverstärkungsfaktoren 71 und Filter 68 durch Controllermodulbefehle berichtigt werden.
Alle Eingaben/Ausgaben können durch Einfügung von BIT-Reizen 70 geprüft werden, welche zur Bestätigung der Pegelregelung im Zyklus adressiert werden.
Ein Beispiel eines Servo Loop Moduls (Regelkreismodul) ist in 10 dargestellt. Das Servo Loop Modul 48 ist fähig, alle mit mehreren Stellgliedern und LVDT/RVDT-Rückkopplungen 72 verbundenen Eingaben und Stellantriebausgaben zu handhaben. Die Ausführung der Regelkreisverriegelungskontrollgesetze (loop closure), Moduslogik und Filtrierung zweiter Ordnung wird am Modul unter Nutzung der Verarbeitungskraft des Modul-Mikrocontrollers bereitgestellt. Rückkopplungsverstärkungsfaktoren 80, Filter 78 und Stellantriebsparameter 74 können vom Mikrocontroller konfiguriert werden.
Alle Eingaben/Ausgaben können durch Einfügung von BIT-Reizen 82 geprüft werden, welche zur Bestätigung der Pegelregelung im Zyklus adressiert werden.
Der vorangegangene Text beschreibt ein modulares Design zur Hardware-Stapelung, welches die Auswahl aller Funktionstypen für jeden eindeutigen Vehikelstandort zur Zeit der Installation gestattet. In der bevorzugten Ausführungsform wird diese Flexibilität durch Software ermöglicht, die für jedes Modul, je nach Typ und Funktion des Moduls, angepasst wird. 11 zeigt die USB-Zusammenschaltung zwischen dem Controllermodul und den lokalen Modulen. Jedes E/A-Modul enthält einen lokalen Mikrocontroller 90, der für die Handhabung des Debouncing, des Filterns, der Kontrollgesetze usw. verantwortlich ist, die mit dem E/A-Typ sowie dem Stapelbusprotokoll verbunden sind. Das USB-Standardschnittstellen-Protokoll stellt die verbindende Kommunikationslink bereit, die zum Identifizieren, Konfigurieren und Kommunizieren mit dem E/A-Stapel dient.
Die SDC-Software nutzt die Leistungsstärke des USB-Busses, um spannungsführende Verbindungen, Endpunktidentifikation, zeitgleiche Datentransaktionen, Massendatentransaktionen und Framing-Kontrolle zu implementieren. Das Ergebnis ist ein deterministisches Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungs- und Verteilungssystem. Die Software-Architektur enthält eine Doppelbuslink 38, die ausgehend vom Host Hub 92 durch jedes Modul im SDC verläuft.
Jedes Modul aktiviert seine HUB Repeater-Funktion zum stromabwärtigen Port 94, wenn es seine eigene Abzählung (Identifikation und Adress-Spezifikation) abschließt. Bis zu 10 Module können auf diese Weise in Reihe angeschlossen werden. Für den HUB 96 jedes Moduls können mehrere Endpunkte konfiguriert werden, um Pipes oder Datenströme zwischen den Funktionen des Master-Controllers 40 und der lokalen Controller 90 zu definieren.
Die Steuerung des Busses wird allgemein vom Controllermodul durch ,Token Requests', die in USB- Meldungsformaten ausgegeben werden, bereitgestellt. Vier primäre USB-Meldungstypstrukturen sind in 12 dargestellt.
Eine bevorzugte Ausführungsform implementiert drei grundlegende USB-Datentransaktionstypen.

a) Kontrollübertragungen – wird während des Abzählprozesses benutzt, um ein Modul zu identifizieren und seine E/A-Konfiguration auf die spezifischen Vehikel- und SDC-Standorterfordernisse einzustellen. Der Master-Controller sendet ein ,Token Packet' 98, mit dem er spezifische Information anfordert. Der vom ,Token Packet' angesprochene Controller antwortet entweder mit einem Datenpaket 100 oder einem Handshake-Paket 102.
b) Zeitgleiche (USB-Standardbegriff, der periodische, kontinuierliche Datenübertragungen zwischen einem Host und einem Gerät definiert) Datenübertragungen – das Mittel, durch welches garantiert wird, dass die E/A-Daten mit den benötigten Geschwindigkeiten und zum bestimmten Zeitpunkt innerhalb eines Frames und/oder auf einer spezifischen Frame-Nummer übertragen werden. Das Framestart-Paket 104 (SOF) wird in regelmäßigen Intervallen vom Master-Controller ausgegeben. Jeder lokale Controller nutzt dies, um angeforderte Datentransaktionen vorwegzunehmen. Der Master-Controller fordert Datenübertragungen mit einem ,Token Packet' 98 an, und der lokale Controller ist fähig, sofort mit dem Datenpaket 100 zu antworten.
c) Massendatenübertragungen – kontinuierliche BIT-Überwachung und andere nicht zeitkritische Übertragungen im Flugzustand.

Die Modulkonfiguration findet beim Einschalten statt.
Während der Abzählung liefert jedes Modul durch Kontrolldatenübertragungen die folgende Information an das Controllermodul:
Modultyp/-klasse (Adaptable I/O, Servo Loop usw.);
Modulhersteller und Teilenummer;
Modul-Seriennummer; und
Letzte Konfigurationseinstellung.
Das Controllermodul benutzt diese Information um zu bestimmen, ob das korrekte Modul für diesen Standort im Vehikel installiert wurde, und ob die E/A-Konfiguration korrekt ist. Wenn die E/A-Konfiguration inkorrekt ist, was darauf hindeutet, dass ein neues Modul installiert wurde, aktualisiert das Controllermodul die Konfiguration für dieses Modul. Dies beinhaltet ein Setup ,Token Packet' 98 gefolgt von „out" Datenpaketen 100, die folgende Angaben liefern:
E/A-Richtung für jede vom Modul bereitgestellte E/A;
Verstärkungs- und Filtereinstellungen für jede vom Modul bereitgestellte E/A;
Framing Sequencing (Eingabe- und Ausgabe-Timing für jede E/A); und
Initialisierung des Framezählers.
Jedes E/A-Modul speichert die Konfigurationseinstellung in seinen Konfigurations- und Sequenztabellen, die sich im nichtflüchtigen Speicher befinden.
13 veranschaulicht den Inhalt der Konfigurationtabelle für ein Adaptable analog/discrete I/O-Modul. Jede Signalverbindung 106 weist mehrere Parameter – Richtung 108, Pegel 110, Verstärkung 112, Filter 114 – auf, die bestimmt werden können. Die Eigenschaften jedes Moduls sind verschieden, und der Inhalt der Konfigurationstabelle ist deshalb unterschiedlich.
14 zeigt den Inhalt der Sequenztabelle. Jeder Signalverbindung 106 wird eine Geschwindigkeit 116 und die erste Framenummer, bei der die Daten übertragungsbereit sein müssen, zugewiesen. In der bevorzugten Ausführungsform kann die Geschwindigkeit 116 für 5, 10, 20, 40, 80, 160, 320 Hz Intervalle bestimmt werden, obwohl der Fachmann erkennen wird, dass zahlreiche Geschwindigkeiten möglich sind. Der Framezähler 122 wird auf die Framenummer 118 abgestimmt, um Signale anzugeben, die während dieses Frames übertragen werden sollen. Die Signale können in gemeinsamen Geschwindigkeitstabellen zusammengruppiert werden, um Softwarezugriff zu erleichtern.
Der SDC-Modulstapel wird für alle zeitgleichen Datenübertragungen genau synchronisiert. 15 veranschaulicht den Standort und die Reihenfolge der Datenübertragungen innerhalb eines Frames. Das Controllermodul sendet das Framestartpaket (SOF – Start of Frame) zu Anfang jedes 1ms Frames an alle Module. Jedes Modul benutzt dieses Paket, um die Datenkonvertierungen mit dem Framestart und dem eindeutigen Frame zu sychronisieren, wobei die Framenummer 118, wie in der Sequenztabelle festgelegt, zum Einsatz kommt. Das SOF-Paket bezeichnet den Beginn einer Periode, während der alle zeitgleichen Daten 120 von allen SDC-Modulen an das Controllermodul übertragen werden.
Die Sequenztabelle ist deterministisch. Alle Eingabedatenkonvertierungen, die das Controllermodul voraussichtlich während einer gegebenen Framenummer 118 anfordert, werden vorherbestimmt, wobei die Daten während des vorhergehenden Frames vom E/A-Modul konvertiert werden. Danach stehen die Eingabedaten infolge einer zeitgleichem Datenanforderung des Controllermoduls sofort zur Verfügung, was die Wartezeit für Eingabedaten auf ein Minimum reduziert.
Die Ausgabedaten werden vom E/A-Modul sofort nach Abschluss der zeitgleichen Datenübertragungsperiode im gleichen Frame, in dem sie empfangen wurden, bei minimaler Datenwartezeit konvertiert.
Sowohl das Controllermodul als auch jedes E/A-Modul benutzt einen Framezähler 122, um die Ausführung des entsprechenden Teils der Sequenztabelle zu lenken. Die E/A-Module überwachen die „Framenummer" des SOF-Pakets 118. Wenn die Framenummer nicht mit der eigenen Zählung des Moduls übereinstimmt, stellt sich das Modul auf die angegebene Framezählung um (Resynchronisation) und gibt auf Anforderung das angeforderte zeitgleiche Datenpaket aus. Wenn sich das Modul umstellen muss, setzt es auch das Datengültigkeitsbyte auf ungültig.
Der SDC nutzt die USB-Standard-Fehlerschutzsysteme und verbindet sie mit zusätzlichen Ausfallerkennungsmechanismen. Es werden USB-Standard-Datentransaktions-CRCs benutzt, um Datenintegrität für die Request Tokens als auch die Datenübertragungen sicherzustellen. Jedes SOF-Paket und Token Paket enthält ein 5-Bit-CRC 124, welches zur Validierung der Controllermodulanforderung dient. Ein Fehler in der Meldung führt dazu, dass das angesprochene E/A-Modul mit einem NAK (Negative Acknowledgement) antwortet. Jedes Datenpaket enthält ein 16-Bit-CRC 126, welches zur Validierung der Datenpaketintegrität dient.
Während der anfänglichen Abzählung prüft das Controllermodul, dass die korrekten Module entsprechend den angegebenen diskreten Vehikel- und Standortschlüsselwerten befestigt werden. Die Modulklasse bzw. der Typ wird vor der USB-Befestigung auf die Kennung als Adaptable I/O, Unique I/O, Servo Loop usw. geprüft.
Der redundante USB-Bus 38 stellt zusätzliche Verfügbarkeit nach einem Ausfall bereit, wird aber auch zur Isolierung von HUB 96 Ausfällen auf dem anderen Bus benutzt.
Zu zusätzlichen Überwachungen gehören Aktivitätsverlust (LOA – Loss of Activity), Babble, Busaktivität nach EOF (Frameende) und Paketstart (SOP) ohne Paketende (EOP). Eine Wiederherstellung nach diesen Fehlern setzt voraus, dass das den ungültigen Zustand treibende Gerät durch Deaktivieren des stromabwärtigen Ports 94 vom Bus isoliert wird.
Der ESBC 43 (External System Bus Controller) unterstützt die Funktionen: externer Systembus zu USB-Schnittstelle, Vehikel-ID and und Standort, und SDC-Programmiersteuerung. Diese Funktionen sind installationsunabhängig und benötigen keine Änderungen, es handelt sich um feste Programmierfunktionen zur Zeit der Herstellung.
Die Programmierung des Master-Controllers 40 und der lokalen Controller 90 der SDC-Stapel-E/A-Module wird vom ESBC durch ESBC-Meldungssteuerung vorgenommen. Zu diesem Zweck schaltet ein SPI-Bus 51 den Master-Controller des Controllermoduls mit den lokalen Controllern der E/A-Module zusammen. Jede Programmierfunktion der E/A-Module wird der Reihe nach aktiviert, während sie im Reset für diese Funktion gehalten wird. Verriegelungen verhindern während des Flugzustands 130 das Vorkommen von Aktivierungen.
Die verschiedenen Zustände des Controllermodul-Master-Controllers sind in 16 dargestellt. Im Einschaltzustand identifiziert der ESBC 132 das Vehikel und den SDC-Installationsstandort durch diskrete Eingabeschlüssel 49. Diese Information enthält Hinweise auf die Auswahl von Sequenztabellen.
Der ESBC ist dafür verantwortlich zu bestimmen, ob eine normale Einschaltfolge stattfindet oder ob ein Eintritt in den Programmierzustand erforderlich ist. Dies wird durch eine Folge von externen Systembusmeldungen und diskreten Vehikelzustandswerten erreicht. Wenn der Programmierzustand 134 gesetzt wird, wählt der ESBC das richtige zu programmierende Modul, setzt es zurück und überträgt die Daten über einen internen SDC SPI Programmierbus. Wenn der Programmierzustand falsch ist, führen sowohl der ESBC als auch der Master-Controller ihre individuellen Standard-BIT-Prüfungen 136 durch (z.B. Instruction set, Register, FLASH, NVM, Timers, WDT, Dual Port usw.). Nach Abschluss der BIT-Prüfungen wartet der ESBC auf das Einleiten des Flugzustands.
Nach Eintritt in den Abzählungszustand 138 beginnt der Master-Controller mit der Abzählung aller E/A-Module. Der Abzählungsprozess beginnt mit der Aktivierung des stromabwärtigen Ports 140 einer der Controllermodul-USB-Busse. Das erste stromabwärtige Modul antwortet mit einer ,Soft Attach' Anforderung. Wenn das stromabwärtige Modul als TBD identifiziert wird, und Klasse und Typ für die Installation korrekt sind, weist der Master-Controller ihm eine Adresse 144 zu. Diese Folge wird so lange für jeden nachfolgenden stromabwärtigen Port wiederholt, bis die Stromversorgung erreicht wird. Dann führt der Master-Controller die gleiche Sequenz auf dem anderen USB-Bus durch.
Der zweite Schritt des Abzählungsprozesses erbringt den Nachweis für die Konfiguration der Eingaben und Ausgaben an jedem E/A-Modul und die Auswahl der Konvertierungssequenztabelle. Im ersten Schritt wird bestimmt, ob die aktuelle Konfiguration des E/A-Moduls inkorrekt ist (und somit ein geändertes Modul bedeutet). Eine inkorrekte Konfiguration führt dazu, dass der Master-Controller die korrekte Konfiguration 146 und Sequenz 148 bereitstellt, damit das E/A-Modul diese in seinen nichtflüchtigen Speicher laden kann. Bei einer korrekten Konfiguration geht der Master-Controller zum nächsten E/A-Modul weiter.
Nach Konfigurierung des gesamten des SDC-Stapels teilt der Master-Controller dem ESBC-Mikrocontroller mit, dass der Stapel für den Flugzustand 130 bereit ist. Der ESBC leitet diese Information durch den externen Systembus an den VMC (Vehikel-Management-Rechner). Wenn Ausfälle eintreten, werden stattdessen die Konditionen an den VMC weitergeleitet.
Im Flugzustand führt der ESBC das Komprimieren und Dekomprimieren für die UBS-Bus-Datenübertragungen 150 vom externen Systembus zum Doppelport durch und steuert andere Controller-E/A-Funktionen.
Der Master-Controller handhabt die Doppelport-zu-USB-Transaktionen und ist für die SDC-Stapel-Synchronisation und das Framing 152 verantwortlich. Er gibt die zeitgleichen Datenübertragungsanforderungen entsprechend seiner eigenen Sequenztabellenreihenfolge aus.
Während des Flugzustands überwacht der Master-Controller bei 154 die Frame-Sequenzantworten von den E/A-Modulen, die empfangene USB-Datenintegrität und führt Gesundheitszustandsüberwachungen auf dem ESBC durch. Fehler werden an den VMC ausgegeben und im nichtflüchtigen Flugjournalspeicher gespeichert.
In diesem Zustand laufen kontinuierliche BIT- und IBIT-Funktionen ab. Auch andere Datenmanipulationsfunktionen werden in diesem Zustand 156 ausgeführt.
Die verschiedenen Zustände der E/A-Module sind in 17 dargestellt. Der Programmierzustand 160 wird durch Zurücksetzen des Modul-Mikrocontrollers durch den ESBC gesetzt. Die Programmdaten werden über den internen SDC SPI Programmierbus 51 übertragen. Wenn der Programmierzustand falsch ist, führt der Mikrocontroller seine internen Standard-BIT-Prüfungen 162 durch (Instruction set, Register, FLASH, NVM, Timers, WDT, usw.). Dann führt er E/A-Funktionalitätsprüfungen auf seinem E/A-Typ durch BIT-Reize und interne zyklische Adressierungen durch. Nach Abschluss der BIT-Prüfungen setzt der Modul-Mikrocontroller die ,Soft Connect' Anforderung und wartet auf Abzählung.
Der Abzählungsprozess wird durch eine Modulkennungsanforderung 164 des Master-Controllers eingeleitet. Wenn Modulklasse und -typ für die Installation korrekt sind, weist der Master-Controller ihm eine Adresse 168 zu. Bei Bestätigung der Adresse aktiviert das E/A-Modul seinen eigenen stromabwärtigen Port und erlaubt dem Controllermodul, durch den HUB Repeater zu kommunizieren, um die anderen Module im Stapel abzuzählen.
Der zweite Schritt des Abzählungsprozesses erbringt den Nachweis für die Konfiguration 168 der Eingaben und Ausgaben jedes E/A-Moduls und die Auswahl der Konvertierungssequenztabelle 170. Die Steuerung erfolgt wiederum durch den Master-Controller. Die erste Anforderung betrifft aktuelle Konfigurations- und Sequenztabelleninformation. Wenn diese korrekt ist, geht der Master-Controller zum nächsten E/A-Modul weiter. Wenn sie inkorrekt ist, liefert der Master-Controller die entsprechende Information zur Einstellung der E/A auf den Vehikelinstallationsstandort. Im zweiten Schritt des Abzählungsprozesses stellt der E/A-Modulcontroller die E/A-Richtung sowie die analogen Verstärkungen und Filterelemente auf den korrekten Zustand ein.
Die E/A-Ausgaben sind so lange deaktiviert, bis das Controllermodul den Befehl für den Flugzustand 172.
Im Flugzustand 172 führt der E/A-Mikrocontroller die angegebene Signalverarbeitung 174 einschließlich Filtrierung, Debouncing sowie anderer Signalkonditionen entsprechend der Sequenztabellenreihenfolge und der Framezählung durch. Die Daten werden aus dem USB-Format für die Transaktionen über die USB-Kommunikationslink 176 zwischen dem Controllermodul und dem E/A-Modul komprimiert bzw. dekomprimiert. Da die Datenkonvertierungssequenz von der Sequenztabelle getrieben wird, erfolgt eine automatische Synchronisierung der Datenverfügbarkeit mit den erwarteten zeitgleichen Datentransaktionsanforderungen des Controllermoduls.
E/A-Modulfunktionen 178; Kontrollgesetze (Regelkreise), Datenreduktionsalgorithmen, prognostisches Gesundheitsmanagement und Umgebungsdatenkonvertierungen (Temperatur und Vibration) werden entsprechend der Sequenztabelle ausgeführt.
Jedes E/A-Modul führt eine umfassende Überwachung 180 im Flugzustand durch, zum Beispiel wie folgt: WDT; Frame Sequencing; Datenintegrität; I/O-Wraps; Token-Überwachung; Stromüberwachung; stromabwärtige USB-Fehler; usw. Alle Fehler werden an das Controllermodul gesendet und im nichtflüchtigen Flugjournalspeicher gespeichert. In diesem Zustand laufen kontinuierlich BIT- und IBIT-Funktionen ab.
Der Fachmann wird noch andere Variationen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung erkennen können, und die beigefügten Ansprüche dienen dem Zweck, diese Variationen und Modifikationen abzudecken. Die oben besprochenen spezifischen Werte und Konfigurationen können variiert werden und dienen lediglich dem Zweck, eine bestimmte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung näher zu erklären, und nicht den Geltungsbereich der Erfindung einzuschränken. Es ist durchaus denkbar, dass bei Einsatz der vorliegenden Erfindung Komponenten mit anderen Eigenschaften verwendet werden, solange das Prinzip, die Darlegung eines Verfahrens und einer Einrichtung für eine gemeinsame Architektur zur entfernten Erfassung und Verteilung von analogen und digitalen Daten mit stapelbaren und wegwerfbaren Modulen, befolgt wird. Die hier beigefügten Ansprüche sollen dazu dienen, den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu definieren.

Claims

Eine Rechnereinrichtung mit einer Mehrzahl von stapelbaren Modulen (10), die jeweils eine vordefinierte Funktion umfassen, wobei die stapelbaren Module (10) mindestens ein Stromversorgungsmodul (24) und ein Controllermodul (26) umfassen, dadurch gekennzeichnet dass die stapelbaren Module (10) Führungsstifte (18) zum Ausrichten und Stabilisieren und Schnappklammern (32) zum Fixieren der Module (10) vor Ort umfassen; und jedes Modul (10) einen Stapelverbinder (20) umfasst, der intern in ein nächstes Modul eingesteckt wird, welches ferner eine EMI-Dichtung und einen E/A-Verbinder (12) umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die stapelbaren Module (10) ferner gekapselte Module (24,36) zur Wahrung der strukturellen Integrität der stapelbaren Module (10) umfassen.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Stapelverbinder (20) einen Durchgangsverbinder zum Erweitern, Reduzieren und Auswechseln der Module (10) umfasst, um ein 110 Komplement über den E/A-Verbinder (12) der Rechnereinrichtung ohne Modifikation angrenzender gestapelter Module zu ändern, und der Stapelverbinder einen Modulprogrammierbus (38) und einen seriellen Bus (38) umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Module (10) zum Prüfen der Installation Kennungsinformation an das Controllermodul (36) liefern, bestehend aus mindestens: dem Modultyp; dem Hersteller; der Seriennummer; und der letzten Konfigurationseinstellung.
Einrichtung nach Anspruch 4, wobei das Controllermodul (36) diskrete Vehikelinstallationswerte zum Kennzeichnen der Standort-E/A-Anforderungen verwendet und die individuelle Modultypkennung mit den Vehikelstandortanforderungen vergleicht und das Rechnergerät über seinen Status informiert.
Einrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend E/A-Module (44,46), die mit einem von einem Controllermodul (36) getriebenen Frame synchronisiert sind, und die E/A-Module (44,46) Daten zu einer Zeit übertragen und empfangen, die im Voraus vom Controllermodul (36) festgelegt wurden, und/oder wobei die E/A-Module (44,46), die mit einem von einem Controllermodul (36) getriebenen Framemittel synchronisiert sind, eine E/A-Sequenztabelle (170) umfassen, und/oder wobei die E/A-Module (44,46) fähig sind, ihren E/A-Typ, die Richtung (108), das Filter (114) und die Eigenschaften der Verstärkung (112) dynamisch zu ändern.
Einrichtung nach Anspruch 6, wobei das Controllermodul (36) die Eigenschaften des E/A-Moduls (44,46) im Voraus vor seiner Aktivierung festlegt, und wobei die Festlegung des Konfigurationszustands des E/A-Moduls (44,46) im Voraus eine Konfigurationstabelle umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 6, wobei das Controllermodul (36) und E/A-Modul (44,46) eine Integritätsüberwachung des Modulstapels durchführen.
Erfindung nach Anspruch 8, wobei jedes Modul (10) den Synchronisationsframe (104) mit seinem eigenen Framezähler (122) überwacht, und wobei jedes Modul die USB-Prüfungen (124) Framestart (Start-of-Frame) (104), Frameende (End-of-Frame), Paketstart (Start-of-Packet), Paketende (End-of-Packet), Aktivitätsverlust (Loss-of-Activity) und zyklische Redundanz (Cyclical Redundancy) verwendet, um die Integrität der Datenübertragung zu prüfen.
Verfahren zum schnellen Ausbau und Auswechseln von Rechnermodulen (10) in einer Rechnereinrichtung, welche Module (10) eine Mehrzahl von stapelbaren Modulen umfassen, die jeweils eine vordefinierte Funktion umfassen, wobei die stapelbaren Module (10) mindestens ein Stromversorgungsmodul (24) und ein Controllermodul (36) umfassen, welches Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Ausrichten und Stabilisieren eines Moduls (10) an jedem Standort im Stapel der Module unter Einsatz von Führungsstiften (18); Einstecken eines Stapelverbinders (20), der intern in ein nächstes Modul eingesteckt wird; und Fixieren des Moduls (10) vor Ort mit Schnappklammern (32) und Ausstatten des Moduls mit einer EMI-Dichtung und einem E/A-Verbinder (12).