NO884483L - Kommunikasjonsprotokoll for distribuert stasjonsnett. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører kommunikasjonssystemer hvor et antall sendere deler en felles transmisjonskanal, og i særdeleshet en kollisjons-fri kommunikasjonsprotokoll for bruk av senderene på en felles databus.

Der er tallrike situasjoner hvor det er ønskelig å ha et antall sendere som kommuniserer med en eller flere mottakere over en felles transmisjonskanal. For å gi kun et eksempel, i et hospital er det ønskelig å la et antall av fjernt-liggende avfølere overføre informasjon om tallrike individuelle pasienter til en sentral sykesøsterstasjon. En slik løsning muliggjør at en enkelt sykesøster kan effektivt overvåke tilstandene for et antall pasienter samtidig. En sykesøster kan motta og vurdere rutineinformasjoner om en pasients tilstand, eller kan være istand til umiddelbart å motta informasjon om en krisetilstand, alt fra den sentrale stasjonen. Et slikt system reduserer behovet for at sykesøsteren kontinuerlig må bevege seg fra pasient til pasient og eventuelt midlertidig være utilgjengelig når en nødsituasjon oppstår.

Et system som det ovenfor beskrevne hospitalsystem, kunne utformes ved å forbinde hver fjernavføler over dens egen utpekte kommunikasjonslinje til dens egen utpekte mottaker. På grunn av kompleksitet, fleksibilitet og kostnad, er det imidlertid ønskelig å konfigurere systemet ved å overføre all avfølerinformasjon over en felles datalinje til en mottaker. Bruken av den felles linjen krever imidlertid behovet for å sikre at kun en avføler sender informasjon over linjen på et hvilket som helst tidspunkt, ettersom dataoverføringen ellers blir sammenflettet og forvrengt. En vanlig løsning på dette problem er å anvende en sentral styringsstasjon som avspør, eller utspør, overføringsstasjonene i en viss sekvensmessig orden. Denne løsning byr på sine egne uønskede aspekter. For det første er avspørringsstasjonen konstant aktiv, uansett hvorvidt en sender har data å sende. Dernest kan en sender med en hastemelding ikke begynne å sende selv når linjen er ledig: Den må vente på sin tur til å bli avspurt. For det tredje byr løsningen på et pål itelighetsproblem. Dersom avspørringsstasjonen svikter eller på annen måte ikke er istand til å avspørre korrekt, blir hele systemet satt ut av funksjon.

Den foreliggende oppfinnelse er rettet mot et system som hindrer meldingsoverlapping uten avspørring. Istedet setter et system ifølge den foreliggende oppfinnelse et krav til hver sender å sikre at linjene er ledige før overføring. En situasjon som må hindres dersom meldingsoverlapping skal elimineres, er den samtidige begynnelse av overføring fra to sendere, hvor hver av disse nettopp har forsikret seg om at linjen er ledig. Denne situasjon løses i henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse ved bruken av en protokoll som skal følges av en hvilken som helst sender før overføring av en melding. Under protokollen avføler senderen først linjens tilstand under en gitt tidsperiode for å bestemme at den er ledig. Linjen er ledig dersom den detekterte tilstand er entydig forskjellig fra en hvilken som helst gyldig dataoverføring. Dersom linjen bestemmes å være ledig, gjør senderen så en forutbestemt tilstand på linjen gjeldende. Ved avslutningen av denne overføring, avføler senderen tilstanden på linjen over en andre tidsperiode. Dersom ingen annen overføring avføles under denne periode, er senderen så fri til å sende sin melding. Bruken av denne protokoll sikrer at kun en sender vil få eksklusiv styring over linjen på et hvilket som helst tidspunkt. Figur 1 viser i blokkskjemaform et antall kommunikasjonsanordninger som er koblet til en felles buss. Figur 2 illustrerer i skjematisk kretsform grensesnittet mellom et antall kommunikasjonsanordninger og en felles buss. Figur 3 illustrerer tegndatamønsteret for en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse. Figur 4 illustrerer kommunikasjonsprotokollen for den foretrukne utførelsesform ifølge foreliggende oppfinnelse.

Idet der vises først til figur 1, er miljøet for den foreliggende oppfinnelse illustrert i blokkskjemaform. I figuren er et antall kommunikasjonsanordninger, vist som anordning #0, anordning #1, og anordning #2, koblet til en felles kommunikasjonslinje, buss 10. Anordningen opereres asynkront for kommunikasjon over bussen 10. De to-hodede pilforbindelsene mellom hver anordning og bussen indikerer at anordningene kan være sendere/mottakere som er istand til både overføring over bussen og til lytting på denne, eller avlesning av informasjonen som føres av bussen. Anordningen som er tilkoblet bussen kan være istand til kun å lese informasjonen som er på bussen, men de anordningene som har til hensikt å sende data over bussen, må også være istand til å avføle eller lese tilstanden for bussen.

Idet der vises til figur 2, er en mer detaljert foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse vist. Bussen 10 omfatter to transmisjonslinjer 11 og 12. Bussen 10 opereres differansiert, og hver anordning tilpasses bussen ved hjelp av en differensial bussender/mottaker som innbefatter en tre-tilstand differensial-1injedriver D og en differensial-inngangslinjemottaker R. Disse differensi-albuss-sendere/mottakere er kommersielt tilgjengelige fra Texas Instruments Inc., Dallas, Texas, USA som type SN75176 grensesnittkretser. I en differensialbussløsning er den relative polariteten for de to transmisjonslinjene som indikerer informasjonsinnholdet hos bussen. Dersom eksempelvis linje 12 er på et potensial lik +3 volt, og linje 11 er på et potensial lik -3 volt, vil en differensialmottaker R avføle et "høyt" signal på en linje, hvilket kan fortolkes av anordningen som en "1" eller "fast" bit. Dersom linje 12 var på et potensial lik null volt og linje 11 var på et potensial lik +5 volt, ville forskjellen mellom de to ha en negativ retning (0 minus 5) og mottakeren R ville avføle et "lavt" linjeslgnal, hvilket ville bli fortolket av anordningen som et "0" eller "mellomrom" bit, avhengig av den valgte konvensjon. I den foretrukne utførelsesform blir transmisjonslinjene 11 og 12 omvekslet mellom null og fem volt, og bussen avføles til å være i enten en fast tilstand eller en mellomromstiIstand.

En mottaker R trenger kun å være istand til å avføle de to binære tilstander av tast ("mark") tilstanden og mellomrom ("space") tilstanden. Dersom tasttilstanden er et "høyt" signal som fortolket av senderen/mottakeren, vil så mellomromstilstanden være "lavt" signal, eller omvendt. Linje-driveren D i den foretrukne utførelsesform i figur 2 er imidlertid istand til å presentere tre tilstander til bussen 10: en tasttilstand, en mellomromstilstand, og en tilstand med høy impedanse. Den sistnevnte høy-impedanstilstand presenteres når anordningen Ikke sender informasjon over bussen. Det er uhyre viktig i et system i hvilket en person kan sende uten tidligere godkjennelse, at kun en sender av gangen vil overføre data. Mens en overføring pågår, må linjedriverne for de andre anordningene på bussen presentere sin høy-impedansetilstand til bussen. I utførelsesformen i figur 2, blir linjedriverne D styrt av drivernes klargjø-ringslinjer DE. Når en DE linje er høy, vil driveren gjøre gjeldende en differensialtast eller mellomromstilstand på bussen. Når DE linjen er lav, gis høy-impedanstilstanden til bussen.

I utførelsesformen i figur 2, er anordningen #0 og #2 koblet som sendere/mottakere eller sendere, ettersom anordningene er koblet både til driveren D og mottakeren R på deres res-pektive grensesnittkretser. Anordning #1 sender ikke data, ettersom den kun er tilkoblet mottakeren hos dens grense-snittkrets. Anordningen kan styre mottakeren gjennom en mottaksklargjøringslinje RE, eller RE linjen kan holdes lav for vedvarende å motta data med godtagelsen eller avvis-

ningen av mottatt data utført internt i anordningen.

Figur 2 viser bussen 10 koblet til en sentral stasjon 20 som er i forbindelse med samtlige av anordningene på bussen. Likesom anordningene, kommuniserer den sentrale stasjonen 20 over linjen ved hjelp av sin egen bussender/mottaker. Bussen sees også å være avsluttet av motstander 22 og 24, hvilke etablerer forutbestemte tilstander på linjene når bussen er ledig. Figur 3 viser det serielle dataformatet for tegnene som sendes over bussen i figur 2. Et datategn er ti biter i lengde, begynnende med en mellomromsbit 0 og avsluttende med en tastbit 1. Mellom tast-og mellomromsbitene er åtte databiter som er skiftesvis enten tast-eller mellomromsbiter.

I henhold til prinsippene for den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en kollisjonsfri kommunikasjonsprotokoll for å tillate flere anordninger å sende over bussen uten å for-styrre hverandre. Kollisjonsfri kommunikasjon er ønskelig fordi den reduserer overbelastning på nettet og den reduserer byrden av feilkontroll. Protokollen tillater en hvilken som helst anordning som ønsker å sende en melding, et middel til å oppnå eksklusiv styring over databussen. Protokollen Ifølge den foretrukne utførelsesform er vist I figur 4.

For å sende en melding over bussen, iverksetter en anordning den følgende prosedyre. Først lytter anordningen på bussen gjennom sin mottaker R etter en linjetilstand som indikerer fraværet av en tegnoverføring på bussen. Dette er vist i figur 4 som intervallet #0, som har en varighet av C biter. Bestemmelsen av fraværet av tegnoverføring på bussen er avhengig av tegnformatet. I eksemplet i figur 3, sees et tegn å inneholde en mellomromsbit og en tastbit innenfor tegnbitlengden av 10 biter. Derfor, dersom intervallet #0 er ti biter av lengde og anordningen som ønsker å sende ikke avføler noe mellomromsbit under denne tid, ville anordningen konkludere at der Ikke er noen tegnoverføring som pågår; bussen er ledig. Under Intervallet #0 vil anordningen se den tilstand som er etablert når høy-impedanstilstanden presenteres for bussen av samtlige andre anordninger, som angitt med det skyggelagte stykket i figur 4. Dersom anordningen ville avføle en mellomromsbit på bussen under intervall #0, ville denne starte intervallet på ny.

I den foretrukne utførelsesform ifølge figur 2, etablerer avslutningsmotstanden 22 og 24 tilstanden for tasttilstanden på bussen under de tider som alle drivere presenterer sin høy-impedanstilstand til bussen. Under disse forhold, og med tegnformatet i figur 3, ville en ledig buss bli bestemt av C på hverandre følgende biter av tasttilstanden hvor C er lik ti. I hovedsak lytter anordningen etter fraværet av den initielle mellomromsbiten for et tegn.

Mottakerne R i den foretrukne utførelsesform trenger kun å være istand til å avføle tast-og mellomromstilstanden for bussen. Det er ikke nødvendig at mottakeren avføler eksistensen av høy-impedanstilstanden som gis av alle de andre stasjonene på linjen. Dette mindre krav tillater bruken av relativt enkle, kommersielt tilgjengelige sendere/ mottakere i den foretrukne utførelsesform som er omtalt ovenfor. Dersom en mottaker som var istand til å skille mellom samtlige trebusstilstander ble anvendt, ville en avslutning som etablerer en høy-impedanstilstand bli anvendt, og enten en tast-eller mellomromsbit i en tegnoverføring ville bli avfølt til å indikere at bussen ikke er ledig.

Dersom anordningen som ønsker å sende finner at bussen er ledig ved slutten av intervall #0, veksler anordningen så om sin driver fra høy-impedanstilstand til mellomromstilstanden for de neste to intervaller. Dette er vist i figur 4 som intervall # 1 og intervall #2, hvor C biter er tegnlengden og "a" biter er en entydig anordningsidentlfiserer bitsekvens. Mellomromstilstanden overstyrer høy-impedanstilstanden for bussen, og også tasttilstanden som etableres av termine-ringsmotstandene, dersom disse er tilstede. C bitene i mellomromstilstanden i intervall #1, med en bitlengde lik ti i dette eksempel, gir det som er utvedtydig et ugyldig tegn når tegnformatet i figur 3 anvendes. Således ville en hvilken som helst mottakerlytting på bussen etter tegnin-formasjon identifisere intervall #1 overføringen som et ugyldig tegn på grunn av fraværet av den tiende tastbiten. I den foretrukne utførelsesformen etterfølges intervall #1 av et ytterligere intervall #2 av "a" biter av mellomromtil-standen. Dette er en adressetransmisjon som identifiserer meldingens kilde og også etablerer prioritet blandt anordningen som konkurrerer om bussaksess. Adressen "a" identifiserer entydig en anordning og har en bitlengde som varierer mellom 0 og minimalt N-l, hvor N er antallet av sendeanordninger på bussen. I tre-anordningseksemplet i figur 2, ville en bitlengde "a" lik null, en eller to, entydig identifisere hver av de tre anordningene.

Etter intervallet #2, blir driveren omvekslet fra mellomromstilstanden til høy-impedanstilstanden, og bussens tilstander avføles. Dersom bussen avføles til å være i fast-tilstanden (d.v.s. samtlige andre sendere er i høy-impe-danstilstanden), har anordningen så eksklusiv styring over bussen og kan begynne en kontinuerlig overføring av datategn. Ved slutten av dataoverføringen veksler driveren tilbake til høy-impedanstilstanden.

Dersom imidlertid en mellomromstilstand avføles etter intervall #2, er bussen ikke ledig og anordningen må starte protokollen på ny. Dette ville eksempelvis skje når to anordninger forsøkte å accessere bussen samtidig og begynte protokollen samtidig. Ingen av anordningene ville være klar over intensjonene for den andre, inntil anordningen med den kortere adresse "a" avsluttet sitt intervall #2 og avfølte bussens tilstand. Ved det tidspunktet ville den avføle mellomromsbiten som var gjort gjeldende på bussen av anord ningen med den lengere adressen "a", og anordningen med den kortere adressen ville starte protokollen på ny. På denne måte ville et antall av stridende anordninger sekvensmessig starte protokollen på ny inntil anordningen med den lengste adressen forble i strid og oppnådde eksklusiv access til bussen. Således, i en samtidig stridssituasjon, ville anordningen med den lengste adressen herske, og derfor ville ha den høyeste prioriteten. Tildelingen av adresser prioriterer derved systemet.

Det vil ses i figur 4 at avfølingsperioden etter intervall #2 er en bit i lengde. Dersom avfølingsperioden var C biter eller lenger, vil det forstås at en anordning på bussen ville identifisere perioden som en ledig busstilstand under dens eget intervall #0. Følgelig må avfølingsperioden ha en varighet mindre enn C biter. En enbits varighet er optimal for etablering av den korteste protokollengde. Dersom forplantningsforsinkelsen langs bussen imidlertid er et betydelig moment, så må avfølingsperioden settes til å være større enn nettverkets forplantningsforsinkelse, hvilken er funksjonelt relatert til baudtakten i et serielt kommunikasjonssystem.

En ytterligere fordel ved protokollen ifølge den foreliggende oppfinnelse er at mottagningsanordningene ikke trenger noen spesiell logikk til å dekode eller diskriminere protokollen. Mange tradisjonelle asynkrone mottakere vil avvise C eller større bitlengder av mellomromsbiter som ugyldige tegn. I protokollen i figur 4 omfatter tiden under hvilken protokollen aktivt får krav på bussen, intervallene #1 og #2, akkurat en slik sekvens av mellomromsbiter. Således vil de asynkrone mottakerne på bussen detektere protokollen ganske enkelt som en ugyldig overføring og vil avvise den. Mottagelsen av gyldige data skjer ikke før det første tegnet sendes ved begynnelsen av intervall #4, når en anordning har oppnådd eksklusiv styring av bussen.

Under tidene for på hverandre følgende meldinger som oppstår når behovet for bussen er høy, kan intervall #0 sees å tjene to formål. På den ene side er det den første prosedyren i protokollen. På den annen side, tjener det som et meldings-sammenstillingsintervall. Når en melding av på hverandre følgende tegn avsluttes, vil en mottagningsanordning generelt vite at meldingen er avsluttet ved å avføle de ti bitene i tasttilstanden som etterfølger meldingen, når ingen anordning gjør krav på bussen. Således tjener de ti tastbitene ved slutten av en melding til å informere den mottagende anordning at meldingen er blitt avsluttet, og tastbitene tjener også som intervall #0 for en anordning som har ventet på å overføre over bussen.

Kommunikasjonssystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse er blitt på vellykket måte anvendt i et nettverk for automati-serte blodtrykksmonitorer som er koblet til en sentral mottaksstasjon. Monitoren tar automatisk blodtrykkav-lesninger og sender medisinsk informasjon i intervaller som strekker seg fra en gang etter flere timer til flere ganger pr. sekund. Under anvendelse av protokollen Ifølge den foretrukne utførelsesform, sender monitoren asynkront data over en felles linje uten interferens. Asynkron operasjon ville også skje dersom monitoren ikke opererte automatisk, men ble aktivert periodisk av en sykesøster som foretok runder fra pasient til pasient. Protokollen ifølge den foreliggende oppfinnelse løser et meget reelt problem i hospitalmiljøet hvor, etter en langvarig overføring av en anordning, flere ventende anordninger samtidig ville forsøke å få styring over bussen. Protokollen unngår kollisjoner uten noen inngripen fra den sentrale stasjonen.

Selv om den foretrukne utførelsesform anvender en differensial buss, kan den foreliggende oppfinnelse være like anvendbar på en-takts (single-ended) linjesystemer. I et slikt system ville det muliggjøres at en av en flerhet av sendere koblet til linjen kan ha eksklusiv styring over linjen, slik som ved bruken av en tre-tilstandslogikk eller åpen-kollektor linjedriver.

Claims (14)

1. Protokoll for å sette en sendeanordning istand til å oppnå "I lift Am *^ eksklusiv^aeeess til en felles meldingslinje, uavhengig av en sentral linje <aceess-styreenhet, idet protokollen inngår i et kommunikasjonsnett som anvender en flerhet av sendeanordninger som er istand til å sende meldinger over nevnte felles meldingslinje,karakterisert vedtrinnene: a) å overvåke meldingslinjen til å bestemme at linjen er ledig, og dersom den er dette b) å gjøre krav på linjen for en bestemt periode med et binært signal som avviker fra en gyldig melding og er entydig for den sendende anordningen som søker linjeaccess, og så c) å overvåke meldingslinjen for en andre forutbestemt periode for å bestemme fraværet av binære signaler derpå, og dersom så er tilfelle, d) å erkjenne at sendeanordningen nå kan få eksklusiv access til linjen.

2. Protokoll som angitt i krav 1,karakterisertved at en gyldig melding omfatter en eller flere meldingsenheter, og at trinn a) omfatter overvåkning av linjen under et meldingsenhetsintervall for å bestemme fraværet av binær informasjon som Identifiserer en meldingsenhet.

3. Protokoll som angitt i krav 2,karakterisertved at nevnte forutbestemte periode i trinn b) innbefatter et første intervall som er i det minste lik et meldingsenhet-intervall, og et andre intervall som entydig identifiserer sendeanordningen.

4 . Anordning som angitt i krav 3,karakterisertved at nevnte andre forutbestemte periode er mindre enn nevnte meldingsenhet-intervall.

5 . Anordning som angitt i krav 4,karakterisertved at trinn d) omfatter å sende en melding over linjen.

6. Protokoll for konfliktfri, fordelt styring som inngår i et kommunikasjonssystem som anvender flere uavhengige stasjoner som er innbyrdes sammenkoblet på en felles buss, idet hver av nevnte stasjoner innbefatter transmisjons-og mottaksmidler og har en bestemt adressekode,karakterisertved trinnene a) at hver enhet opprettholder en tilstand hvor den ikke gjør krav på bussen, såfremt det ikke er nødvendig å gå Igang med overføring, og b) når overføring av en gitt enhet ønskes, i) å avholde seg fra overføring inntil nevnte buss er i hviletilstand i minst en første forutbestemt tid, og ii) så å sende data under en tid som er relatert til adressekoden for nevnte gitte enhet, iii) så å overvåke nevnte buss, under en andre forutbestemt tid, for nærværet av data fra andre stasjoner, og Iv) dersom ingen data detekteres under nevnte andre forutbestemte tid, å fortsette sending som ønsket og uten avbrudd inntil overføring er fullført.

7. Protokoll som angitt i krav 6,karakterisertved at nevnte første forutbestemte tid er relatert til formatet av data som sendes på nevnte felles buss.

8. Protokoll som angitt i krav 7,karakterisertved at nevnte andre forutbestemte tid har kortere varighet enn nevnte første forutbestemte tid.

9. Protokoll som inngår i et kommunikasjonsnett, der en flerhet av sendeanordninger er koblet til en felles meldingslinje, hvorved en gitt anordning kan etablere eksklusiv bruk av linjen for transmisjon uten inngrep fra en sentral linje-styreenhet,karakterisert vedtrinnene a) å overvåke linjen for et intervall C til å etablere at linjen er i hviletilstand, så b) å gjøre krav på linjen for et intervall C + A, hvor A er entydig for nevnte gitte anordning, så c) å overvåke linjen for et intervall som er mindre enn C for å etablere at ingen annen anordning gjør krav på linjen og, hvis så er tilfellet, d) å etablere at den gitte anordning kan bruke linjen helt uten andre sendeanordninger på linjen.

10. Protokoll som angitt i krav 9,karakterisertved at C er relatert til varighet av en meldingsenhet.

11. Protokoll som angitt 1 krav 10,karakterisertved at a) er null eller større.

12. Protokoll som angitt i krav 11,karakterisertved at a) er et tall som strekker seg fra null til minimum N-l, hvor N er antallet av sendeanordninger som er koblet til linjen.

13. Protokoll som angitt i krav 11,karakterisertved at trinnet b) omfatter å sende en melding kontinuerlig over linjen.

14. Anordning som angitt i krav 13,karakterisertved at trinn b) omfatter å etablere en tilstand på linjen som ikke vil bli anerkjent av andre anordninger som en hviletilstand for intervallet C + A.