FI90483B - Tiedonsiirtomenetelmä häiriöllisessä ympäristössä toimivaa toimilaitejärjestelmää varten - Google Patents

Description

90483

Tiedonsiirtomenetelmä häiriöllisessä ympäristössä toimivaa toimilaitejärjestelmää varten

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen tiedonsiirtomenetel-5 mä häiriöllisessä ympäristössä toimivaa toimilaitejärjestelmää varten.

Teollisuuslaitoksissa tiedonsiirto on toteutettu perinteisesti käyttämällä erisuuruisille tietomassoille erilaisia väylärakenteita. Tavarantoimitusten seurantaa ja taloushallintoa varten käytetään nopeaa tiedonsiirtoväylää, joka siirtää tiedon suurina lohkoina 10 käyttäen monimutkaista tiedonsiirtorakennetta siirretyn tiedon oikeellisuuden varmista miseksi. Koska tieto siirtyy suurina lohkoina, on tiedonsiirtonopeus tavu/sekunti korkea, mutta reaaliaikaiseen prosessiohjaukseen tarvittavaan, vähän tietoa sisältävään tiedonsiirtoon tämä väylärakenne on epäedullinen, sillä lyhyen viestin nopea läpivienti tällaisessa väylässä on vaikeaa. Tällaista väylää ei myöskään ole suunniteltu vaativia 15 prosessiolosuhteita varten.

Usein pääväylän alapuolelle onkin rakennettu prosessiväylä, jonka välityksellä proses-siasemat kommunikoivat keskenään. Väylä kykenee nopeaan tiedonsiirtoon, mutta tämän väylän vienti yksittäisille sähkömekaanisille toimilaitteille ei ole taloudellisesti 20 mielekästä. Myöskään tällaista väylää ei ole suunniteltu usein erittäin häiriöllisiä prosessiolosuhteita varten.

Philipsin I2C-väylää voidaan käyttää toimilaitteiden ohjaukseen prosessisovelluksissa. Tässä ratkaisussa kellopulssi ei ole koko aikaa päällä. Datatavun pituus vaihtelee aina 25 datasisällön mukaan ja datatavu sisältää aina orjalaitteen osoitteen. Hitaimmat toimilaitteet voivat tässä väyläratkaisussa hidastaa tiedon siirtonopeutta. Tämä ratkaisu on alunperin suunniteltu laitteen sisäiseen tiedonsiirtoon, ja niinpä tietorakenne ei sovellu optimaalisesti häiriölliseen prosessiympäristöön. Mm. vaihtelevan tavunpituuden vuoksi tämä väyläratkaisu on häiriöaltis ja hitaiden toimilaitteiden ollessa kytkettynä verk-30 koon, ei järjestelmän nopeus ole kaikissa olosuhteissa riittävä. Myös tiedonsiirtofor-maatti aiheuttaa rajoituksia tiedonsiirtonopeudelle.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä kuvatun tekniikan puutteellisuudet ja aikaansaada aivan uudentyyppinen tiedonsiirtomenetelmä (ja laitteisto) häiriöllisessä 2 90483 ympäristössä toimivaa toimilaitejäijestelmää varten.

Keksintö perustuu siihen, että peruslaite muodostaa väylälle jatkuvan, oleellisen vakiotaajuisen kellosignaalin, peruslaite ylläpitää datarekisteriä, joka sisältää muisti-5 paikat tiedontallennusta varten, kommunikaatiossa käytetty informaatio jaetaan kiin-teäpituuksisiin tavuihin, jotka sisältävät peruslaitteen rekisterin osoitetiedon sekä data-tiedon, ja toimilaite tunnistaa informaatiotavun sen datarekisteriosoitteen perusteella.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, 10 mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

Keksinnön mukainen tiedonsiirtomenetelmä on nopea ja sietää hyvin ulkoisia häiriöitä. 15

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

Kuvio 1 esittää lohkokaaviona ympäristöä, johon keksintö on sovellettavissa.

20

Kuvio 2 esittää yksityiskohtaisemmin osaa kuvion 1 lohkokaaviosta.

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaiseen menetelmään soveltuvaa sähköistä kytkentää.

25 Kuvio 4 esittää taulukkona keksinnön mukaisen menetelmän tiedonsiirtotavurakennetta.

Kuvio 5 esittää taulukkona keksinnön mukaista rekisterirakennetta.

Kuvio 6 esittää lohkokaaviona yhtä keksinnön mukaista protokollapiiriä.

Kuvio 7 esittää kuvion 4 mukaisen tiedonsiirtotavurakenteen ajallista rakennetta.

30 I: 3 90483

Kuvion 1 mukaisesti muodostuu teollisuuslaitoksen tiedonsiirtoväylärakenne tyypillisesti esimerkiksi neljästä väylätasosta: a) Tehdasväylästä 1, johon on kytketty useita tehokkaita tiedonkäsittely- 5 laitteita, kuten prosessitietokone 3 ja muut rinnakkaiset tietojenkäsitte- lylaitteet 2, joita voivat olla muut tietokoneet, tiedonsiirtolaitteistot ulkoiseen verkkoon jne.

b) Hierarkisesti tehdasväylän alapuolella sijaitsevasta prosessiväyIästä 4, 10 johon on kytketty prosessiasemat 5.

c) Prosessiväylän 4 alapuolella olevasta kenttäväylästä 6, johon on kytketty toimilaitteet 7 oheislaitteineen.

15 d) Kenttäväylän 6 alapuolella olevasta laiteväylästä 10, jota tarkastellaan kuvion 2 yhteydessä tarkemmin.

Yleisesti voidaan väylähierarkiasta sanoa se, että mitä ylemmälle tasolle väylähierar-kiassa mennään (esim. tehdasväylä 1), sitä suurempi on tiedon kokonaissiirtonopeus. 20 Koska tieto siirtyy tällaisessa väylässä suurina lohkoina, on yksittäisen tiedon siirty-misnopeus tilastollinen suure. Tämä voi aiheuttaa ongelmia nopeissa sovelluksissa.

Alimmalla väylätasolla (laiteväylä 10) taas siirtonopeus on pieni, mutta kevyemmän tietoformaatin ansiosta yksittäinen tieto saadaan nopeasti perille haluttuun kohteeseen.

25

Kuvion 2 mukaisesti toimilaitelohko 7 lohko käsittää älykkään toimilaitteen 9, tähän laiteväylän kautta kytketyn oheislaitteen 11 sekä saman väylän 19 välityksellä kytketyn valvonta/ohjauslaitteen 12.

30 Kuvion 3 mukaisesti väylärakenne muodostuu fyysisesti yhdestä peruslaitteesta 30 ja tähän kytketyistä, yhdestä tai useammasta lisälaitteesta 31. Peruslaite 30 lähettää kaiken aikaa kellosignaalia kellolinjalle 32 lisälaitteen 31 vastaanotettavaksi. Sekä perus- 4 90483 30 että lisälaitteet 31 lähettävät datalinjalle 33 tavunpituudeltaan vakiosuuruisia datatavuja. Väylä muodostuu neljästä signaalista. Tiedonsiirron kannalta oleellisimmat signaalit ovat jo edellä mainitut kello- ja datasignaalit. Kello 32 ja datalinjojen 33 lisäksi myös käyttöjännite 34 ja referenssimaa (ei esitetty) viedään peruslaitteelta 30 5 orjille 31. Väylän signaalitasoista 0 v vastaa loogista nollaa ja 5 V loogista ykköstä. Datalinja 33 on peruslaitteessa kytketty 2 kilo-ohmin vastuksen kautta käyttöjännitteeseen Vdd ja yhdessä open drain tyyppisten piirilähtöjen kanssa se muodostaa wired-AND -toiminnoin datalinjalle 33.

10 Väylän suurin sallittu kapasitanssi on 400 pF, joka sisältää kaapelin, liittimet sekä piirien jalat. Suurin sallittu kapasitanssi rajoittaa kaapelin pituuden kahteen metriin. Kellotaajuus väylällä on 64 kHz. Fyysisenä siirtotienä käytetään suojattua kaapelia, jossa on kolme kierrettyä paria. Kussakin parissa toinen johdin on kytketty signaali-maahan. Myös kaapelin vaippa on maapotentiaalissa. Väylään liitettävien laitteiden 15 määrää rajoittaa ainoastaan suurin sallittu kapasitanssi.

Väyläprotokollaa kuvataan seuraavassa kuvion 3 lohkoihin sekä kuvioiden 4 ja 5 taulukoihin viitaten. Väylänhallinta on bitti bitiltä arbiteroiva. Peruslaite 30 kuviossa 3 generoi kellolinjalle 32 64 kHz:n kellon, johon muut väylällä 32 olevat laitteet 31 20 tahdistuvat. Kaikki väylällä olevat laitteet 31 ja 30 voivat toimia sekä lähettäjinä että vastaanottajina. Eri laitteilla ei ole omia osoitteita, vaan osoite viittaa tiettyyn datata-vuun peruslaitteen 30 datarekisterissä, jonka rakenne on kuvattu kuviossa 5. Mainittu osoite on oikeanpuoleisin sarake taulukossa. Tässä taulukossa osoite on esitetty heksadesimaaliformaatissa. Systeemissä kulkeva tieto on siis jaettu 32x8 datarekisterin 25 tavuihin, joilla kullakin on oma osoite. Tieto kulkee väylällä tavu kerrallaan. Peruslaite 30 sisältää täydellisen datarekisterin, kun taas lisälaitteissa 31 saattaa olla vain sen tarvitsemat tavut.

Kuvion 5 datarekisteri on jaettu osoitteensa mukaan eri alueisiin aina sen mukaan 30 saavatko toimilaitteet kiijoittaa näihin osoitteisiin tietoa. Kuviossa toinen sarake vasemmalta edustaa eniten merkitsevää databittiä ja toinen sarake oikealta vähiten merkitsevää bittiä.

I: 5 90483

Peruslaite 30 lähettää koko ajan kuviossa 5 esitetyn rekisteriavaruuden tavuja ylimmästä osoitteesta lähtien alaspäin osoiteavaruudessa datalinjalle 33. Kun lisälaite 31 lähettää tavun, se aloittaa lähetyksen yhtä aikaa peruslaitteen 30 kanssa ja mikäli viesti on prioriteetiltaan korkeammalla, lähetys onnistuu. Jos viesti ei päässyt perille, lisälaite 5 31 yrittää uudelleen.

Kuvioiden 4 ja 7 mukaisesti viestikehys alkaa aloitusmerkillä START. Sitä seuraavat viisibittinen osoite ADDR4 - ADDRO, kahdeksanbittinen data DATA7 - DATAO, pariteetti PARITY ja kuittaus CHECK. Heti sanoman päätyttyä alkaa seuraava lähetys. 10 Jokainen lähetettävä bitti on kahdennettu, eli yhden bitin lähettäminen kestää kahden kellojakson ajan. Sanoman sisällä yhden bitin perättäisten lukukertojen pitäisi siis aina tuottaa sama tulos. Näin huomataan linjalla mahdolliset häiriöt, jotka vaihtavat linjan tilan, ja pystytään estämään vääristyneen sanoman hyväksyminen. Samaa tarkoitusta palvelee myös pariteettibitin käyttö. Keksinnön mukaisessa väylässä käytetään paritonta 15 pariteettia.

Aloitusmerkki START poikkeaa muista merkeistä siinä, että se ei pysy kahden kellojakson aikana samana, vaan muuttaa tilansa nollasta ykköseksi ensimmäisen kellojakson jälkeen. Pariteettibittinä PARITY lähetetään pariton pariteetti. Näin mikäli 20 datalinjalla 33 on esimerkiksi kontaktiongelmia, eli linja on muuten maassa, mutta yksittäinen häiriö vetää linjan hetkeksi ylös, mikä tulkittaisiin aloitusbitiksi, ei sanoma mene pariteettitarkistuksesta läpi.

Protokollassa on käytössä negatiivinen kuittaus, eli jos data vastaanotetaan virheettö-25 mästi, eivät vastaanottajat 31 reagoi mitenkään, vaan datalinja pysyy ylhäällä. Mutta jos vastaanottaja huomaa merkinpuolikkaan kääntyneen, tai pariteetti ei täsmää, vetää vastaanottaja linjan alas kuittauksen ajaksi. Tällöin lähettäjä tietää, että sanoma on lähetettävä uudestaan. Peruslaite 30 yrittää saman tavun lähetystä korkeintaan neljä kertaa, jonka jälkeen se siirtyy seuraavan tavun lähettämiseen. Negatiivisen kuittauksen 30 ansiosta protokolla toimii, vaikka väylällä ei olisi yhtään lisälaitetta.

Koska väylällä on tyypillisesti useita lähettäjiä, joista yksi lähettää koko ajan, ei 6 90483 sanomien törmäämistä voi välttää. Tässä tilanteessa tarvitaan systeemi, jolla väylän omistus ratkaistaan. Ongelma on keksinnössä ratkaistu siten, että sanomassa oleva looginen nolla voittaa ykkösen, joten kun useampi yksikkö lähettää samanaikaisesti, voittaa lähetysoikeuden se, jolla on enemmän nollia sanomansa alussa. Kun laite 5 huomaa menettäneensä väylänomistuksen, se lopettaa lähetyksensä ja jää vastaanottajaksi. Näin datatavut tulevat samalla priorisoiduiksi siten, että binäärimuodossa pienimmässä osoitteessa olevalla tavulla on suurin prioriteetti.

Tämä osoitepriorisointi aiheuttaa toisaalta sen, että kuvion 5 taulukossa laitteiston ja 10 prosessin kannalta tärkeimmät tiedot sijaitsevat alimmissa muistipaikoissa. Niinpä datatavut onkin jaettu tehtäviensä mukaisesti siten, että lisälaitteilta tuleva data on alimmissa osoitteissa. Näin lisälaitteet pystyvät kohtalaisen ajan kuluessa saamaan lähetyksensä läpi. Jos lisälaite lähettäessään huomaa menettäneensä väylän omistuksen, se yrittää uudelleen lähetystä 15 kertaa. Tähän mennessä peruslaite 30 on ehtinyt käydä 15 läpi kaikki korkeimmilla prioriteeteilla olevat datatavut ja lisälaite saa väylän haltuunsa.

Jos kaksi laitetta päivittää samaa datatavua, on pääsääntöisesti voimassa viimeisin päivitys. Sääntö voidaan kumota alimmassa tavussa olevilla ns. lukkobiteillä, joilla 20 voidaan estää lisälaitteiden lähetysten päivittyminen peruslaitteen rekistereihin. Lisälaite huomaa lukkobitit, eikä yritäkään lähettää dataa estettyihin tavuihin.

Väyläprotokollapiirin logiikka koostuu kuvion 6 mukaisesti kolmesta päälohkosta: ulkoisesta open-drain-lähtöä ohjaavasta logiikasta 60, lähetystä ja vastaanottoa ohjaa-25 vasta tilakoneesta 61 sekä saija-rinnan ja rinnan saija muuntimista 62 lisälaitteen sisälle päin.

Saija-rinnanmuunnin 62 on toteutettu siirtorekisterirakenteella. Samoin rinnan-saija-muunnoksessa on käytetty siirtorekisteriä. Liikennöinti lisälaitteen sisäisiä toimintoja 30 hoitavalle mikroprosessorille päin on hoidettu prosessorin normaalien osoite- ja dataväylien kautta. Liikennettä ohjaamaan tarvitaan keskeytyslinja sekä kiijoitus- ja lukusignaalit. Prosessorilta väylälle lähetettäväksi aiottu data täytyy puskuroida ensin i 7 90483 protokollapiirin sisään odottamaan lähetysvuoroaan ja rinnan ja sarjaanmuunnosta. Väylältä prosessorille päin menevän datan puskuroinnista vastaavat I/O pinnin sisäiset ohjausrakenteet.

5 Portti määrältään pienin on open-drain-lähdön ohjauslogiikka 60. Siinä pinnin kolmitila-ohjauksella ohjataan ulostulo kolmitilaan aina muulloin, paitsi kun piiri lähettää väylälle loogisen nollan.

Tilakone 61 ohjaussignaaleineen on rakenteista monimutkaisin. Tilakoneessa 61 on 10 kaksi erillistä ohjaussekvenssiä, vastaanotto ja lähetys. Toiminta alkaa tahdistu mi sella peruslaitteen lähettämään tietoliikenteeseen. Koska peruslaite protokollan mukaan lähettää koko ajan väylälle tietoa, voidaan lisälaitteet tahdistaa peruslaitteen signaaliin. Lisälaitteen protokollapiiri tunnistaa lähetyksen aloitusmerkin, jonka jälkeen vastaanot-tologiikka aktivoituu. Vastaanotettaessa tarkkaillaan, että saman bitin molemmat 15 lukukerrat ovat samanlaiset, mutta jos havaitaan virhetilanne, asetetaan vastaanoton hylkäämisen merkiksi siitä kertova signaali aktiiviseksi. Samaan signaaliin vaikuttaa myös pariteetintarkistuslogiikka. Jos vastaanotettu pariteetti on erisuuri kuin laskettu, vastaanotto hylätään. Vastaanoton hylkääminen merkitsee sitä, ettei lisälaitteen sisällä olevalle prosessorille anneta keskeytystä prosessorin lukuoperaatiota varten. Jos 20 vastaanoton loppumisen jälkeen hylkäämisestä kertova signaali on aktiivinen, annetaan tieto siitä myös lähettäjälle ohjaamalla open-drain-lähtö nollatilaan.

Kun lisälaitteen sisältä prosessorilta tulee kiijoituskäsky, asetetaan lähetystarvetta ilmaiseva signaali aktiiviseksi. Signaali pysyy aktiivisena kunnes lähetys on onnistunut 25 tai yrityskertalaskurilta tulee tieto maksimiyrityskertojen täyttymisestä. Lähetys aloitetaan heti meneillä olevan vastaanoton päätyttyä. Protokollapiiri vastaanottaa myös oman lähetyksensä, mutta sitä ei päivitetä piirin sisällä uudestaan. Lähetettäessä suoritetaan siirtorekisterin avulla rinnan-saija-muunnos ja data kahdennetaan käyttämällä siirtorekisterin kellotaajuutena kahdella jaettua toimintataajuutta. Vertailija tarkkailee 30 koko ajan, että väylällä todella on se tila, mitä sinne yritetään lähettää. Jos joku muu lähettää korkeammalla prioriteetilla olevaa viestiä, Iähetyssignaali nollataan, ja vastaanotto jatkuu. Lähetystä yritetään uudestaan heti seuraavan aloitusmahdollisuuden 8 90483 tullen. Kun koko viesti on lähetetty, kuunnellaan vielä, vastaanottivatko kaikki sanoman virheettömästi. Jos näin oli, kuitataan lähetystarvetta osoittava signaali. Jos taas datalinja on alasvedetty kuittausbitin ajan, aloitetaan uusi lähetysyritys välittömästi.

5 Tilakone 61 on toteutettu kahden 32-bittisen alaslaskurin avulla. Toinen laskee vastaanottoa ja toinen lähetystä. Aloitettaessa joko vastaanottoa tai lähetystä ladataan ko. laskuriin luku 29 ja sallitaan laskurin toiminta. Laskurin kunkin hetkinen luku ilmaisee tilaa missä ollaan. Perusporteilla haetaan toimintaa aiheuttavat tilat ja annetaan ohjaussignaalit niiden mukaan.: Lähetyslaskuri nollataan, jos lähetysvuoro on menetet-10 ty. Lähetyskertalaskurina on nelibittinen ylöslaskuri, jossa on reset- ja chip enable-linjat. Kun lähetyskertalaskuri saavuttaa arvon 15, nollataan lähetystarvesignaali.

Claims (4)

9 90483 Patentti vaati mukset:

1. Tiedonsiirtomenetelmä häiriöllisessä ympäristössä toimivaa toimilaitejärjestelmää varten, jossa menetelmässä 5 - peruslaite (30) kommunikoi ainakin yhden lisälaitteen (31) kanssa väylää (33, 32) pitkin, tunnettu siitä, että 10 - peruslaite (30) muodostaa väylälle (32) jatkuvan, oleellisen vakiotaa-juisen kellosignaalin, - peruslaite (30) ylläpitää datarekisteriä, joka sisältää muistipaikat 15 tiedontallennusta varten, - kommunikaatiossa käytetty informaatio jaetaan kiinteäpituuksisiin tavuihin, jotka sisältävät peruslaitteen (30) rekisterin osoitetiedon (ADDR) sekä datatiedon (DATA), ja 20 - toimilaite (30,31) tunnistaa informaatiotavun sen datarekisteriosoitteen (ADDR) perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että informaatiota- 25 vu muodostetaan aloitusmerkistä (START), viisibittisestä datarekisteriosoitteesta (ADDR0-ADDR4), kahdeksanbittisestä datasta (DATA0-DATA7), pariteetista (PARITY) ja kuittauksesta (CHECK).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jokainen 30 lähetettävä bitti kahdennetaan.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10 90 483 aloitusmerkin (START) tila muutetaan nollasta ykköseksi ensimmäisen kellojakson aikana. “ 90483