CN105991374B - 用于监视发送器和接收器之间的通信的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于监视发送装备项和接收装备项之间的通信的方法，所述发送装备项把控制帧(TC_i)发送给接收装备项。所述方法可以不必按固定频率发送控制帧(TC_i)，并且使诊断帧(TDx_i)的发送适应于控制帧的发送频率。当该发送频率明显变化时，如果在两个控制帧之间无诊断帧被发送，则下一个诊断帧的发送时刻将考虑这一方面。本发明的方法可以优化诊断帧的发送频率，同时保证通信状态的高可靠度，以避免使通信链路饱和以及导致电能过度消耗，并且使诊断帧的发送实时适应控制帧的发送频率。

Description

用于监视发送器和接收器之间的通信的方法

技术领域

本发明涉及一种用于监视发送装备项和接收装备项之间的通信的方法。

背景技术

在工业界，装备项之间的通信必须可靠，因为其起到对机器进行控制的作用。为了检测装备项之间的通信错误，通信要么本身具有极高的可靠度(实践证明，难以获得这样的可靠度)，要么必须加以监视。在所述第二种情况中，除了装备项之间所交换的控制帧之外，还必须能够以所定义的可靠度水平发送诊断帧，以通知有关通信的状态。诊断帧的发送使检测通信错误，从而标出这些错误成为可能。为了能够以最高可靠度检测通信错误，最容易的办法是按与控制帧的发送的最高频率相匹配的固定频率进行诊断帧的发送。然而，按照这一固定频率进行帧的发送导致了高的占用率，甚至导致通信链路的饱和以及所涉及的装备项的电能的过度消耗。

而且，在同一应用中，控制帧的发送的频率不必为固定的。在设置阶段，发送的频率可能为高，而在正常操作阶段其可能为低。监视两个装备项之间的大多数通信的协议不考虑这些不同方面。

另外，专利申请US2012/106369描述了一种通信监视方法。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种用于监视发送装备项和接收装备项之间的通信的方法，这一方法使诊断帧的发送实时适应控制帧的发送的频率，以及优化诊断帧的发送的频率，以避免使通信链路饱和以及导致电能过度消耗，同时保证通信状态的高可靠度成为可能。

通过用于监视发送装备项和接收装备项之间的通信的方法实现这一目的，所述发送装备项把控制帧发送给接收装备项，所述方法包含下列步骤：

发送装备项向接收装备项发送n个控制帧TC_i，i为范围从1到n的整数，并且定义了每一个控制帧的次序，n为大于或者等于1的整数，

在发送控制帧TC_i之后，确定次序0的诊断帧的发送时刻，如下确定所述诊断帧的所述发送时刻：

TD0_i＝TC_i+Tdiag[0]_i

其中，TD0_i相应于控制帧TC_i之后的次序0的诊断帧的发送时刻，而且其中：

Tdiag[0]_i＝Δt-Δtdiag

其中：

●Δt相应于:

o分隔控制帧TC_i-1和控制帧TC_i的时间，如果i≥2以及如果在分隔两个控制帧的所述时间期间已经发送了至少一个诊断帧，或者

o两个控制帧的发送之间的预先确定的最小时间，如果i≤1或者如果在分隔控制帧TC_i-1和控制帧TC_i的所述时间期间尚未发送诊断帧，

●Δtdiag相应于根据时间Δt(即，根据与通信的状态相关的预先定义的可靠度值以及两个控制帧之间通信故障发生的概率)加以确定的时间，

在所确定的发送时刻，所述发送装备项向接收装备项发送所述诊断帧，

根据增加的功能确定次序x的后续诊断帧TDx_i的发送时刻，最好根据互相分隔一段可变时间的发送时刻，把所述增加的功能选择为获取两个控制帧之间的所述预先定义的可靠度值；

发送装备项把所述次序x的诊断帧发送给接收装备项。

于是，本发明的方案使考虑如下情况成为可能：不必按固定频率发送控制帧，并且使诊断帧的发送适应于控制帧的发送频率。当这一发送频率明显变化时，如果在两个控制帧之间无诊断帧发送，则下一个诊断帧的发送时刻将考虑这一方面。

根据一个具体特征，所述方法包含低效运行模式(fallback mode)，其中，至少使用两个控制帧的发送之间的预先确定的最小时间确定次序0的诊断帧的发送时刻。

根据另一个具体特征，只要平均最小可靠度值保持小于所述预先定义的可靠度值，则为次序0的后续诊断帧维持低效运行模式。

根据另一个具体特征，根据以下关系确定项Δtdiag。

其中：

-Fiab相应于预先定义的可靠度值，

-τ_fail相应于两个控制帧之间通信故障发生的概率。

-Ln代表奈培(Neperian)对数。

而且，在工业环境中，在发送装备项和接收装备项之间的数据交换过程中，机器的移动、电磁干扰、大质量金属位移、数据交换区域中人们的移动、其它发送装备项的存在，很可能引发随机的干扰。这些现象很可能干扰发送装备项和接收装备项之间的通信。

根据另一个具体特征，所述方法包含这样的步骤：当控制帧没有被接收到或者没有被接收装备项认可时，对通信故障发生的概率进行修正。

根据另一个具体特征，所述方法包含这样的步骤：当次序x的诊断帧的发送的第一时刻和次序x的诊断帧的发送的第二时刻之间的时间超过所述最大值时，对两个连续的诊断帧之间的时间的最大值加以限制。

附图说明

通过以下参照附图所给出的详细描述，其它特征与优点将变得十分明显，其中：图1～图5为时间图，说明了本发明的各操作原理。

具体实施方式

以下在本说明书中：

-“TC_i”表示控制帧和这一控制帧的发送时刻，

-“TDx_i”表示诊断帧和这一诊断帧的发送时刻。

本发明的方法适用于包含通过有线或者无线类型的通信网络连接的至少一个发送装备项和一个接收装备项的装置。显然，这些装备项的每一个装备项将既能够执行发送功能，也能够执行接收功能。

在这一装置中，发送装备项向接收装备项发送控制帧，例如，用于机器的控制。所述控制帧TC_i和下一个控制帧TC_i+1(i为范围从1至n的整数，并且定义了控制帧的次序，n为大于或者等于1的整数)的发送之间的时间Δt不必为固定的。

本发明的方法旨在监视发送装备项和接收装备项之间的通信。其包括专门用于监视通信的诊断帧TDx_i(x为大于0的整数，并且定义了控制帧TC_i之后的诊断帧的次序)的发送。这一监视的目的旨在获知下一个控制帧TC_i之前的通信的状态，以确保下一个控制帧TC_i具有在无故障的情况下被发送和被接收的最佳可能的机会。为此，在控制帧TC_i的可能的下一次发送之前，必须发送至少一个诊断帧TDx_i。通常，由以下关系表示控制帧TC_i之后出现的第一诊断帧的发送时刻TD0_i：

TD0_i＝TC_i+Tdiag[0]_i

其中，TD0_i相应于诊断帧TD0_i的发送的时刻，

其中：Tdiag[0]_i＝Δt-Δtdiag(1)

其中：

-Δt是值随所实现的操作的情况的不同而不同的时间，并且如后面描述，

-Δtdiag是为保证通信状态的预先确定的可靠度而被观察的时间，并且被表示如下：

其中：

-Fiab相应于通信的预先定义的可靠度值，例如，99％，

-τ_fail相应于控制帧TC_i的两次发送之间通信故障发生的概率。

然而，在工业界，一个过程的各个阶段涉及不稳定的通信方案。因此，控制帧的发送频率不必为固定的。本发明旨在考虑诊断帧的管理中的这一方面。

为了考虑控制帧的发送时刻的变化，本发明的方法可以在控制帧的发送之后实时地重新定义一系列诊断帧的初始诊断帧TD0_i的发送时刻。

参照附图，定义了一个应用，其中：

-发送装备项向接收装备项发送n个控制帧TC_i(i在1至n的范围)，

-控制帧TC_i和控制帧TC_i+1之间经过时间Δti，控制帧TC_i+1和控制帧TC_i+2之间经过时间Δt_i+1。

1.操作的第一实例(图1)

如果在时间Δti期间已经发送了至少一个诊断帧，则根据以上定义的、其中Δt取值Δti的公式(1)确定控制帧TC_i+1之后的下一个诊断帧TD0_i的发送时刻。

于是，在图1中，可以看出，在时间Δt1期间已经发送了诊断帧TD0_1。在控制帧TC_2之后的时间期间，在使用时间Δt1所计算的时间Tdiag[0]_2之后发送了诊断帧TD0_2。

2.操作的第二实例(图2A和图2B)

如果在时间Δti期间尚未发送诊断帧，则根据以上定义的、其中Δt取预先定义的最小值Δtmin的公式确定下一个控制帧TC_i+1之后的下一个诊断帧TD0_i+1的发送时刻，从而能够确保在下一个控制帧TC_i+2之前发送诊断帧的发送。在这一情况下，可以认为所述监视方法交换至低效运行模式。

在图2A和图2B中，可以看出，在时间Δt1期间尚未发送诊断帧。因此，在后续时间Δt2期间，根据时间Δtmin确定应该跟随控制帧TC_2的诊断帧TD0_2的发送时刻。

有利的是，对于多个连续的控制帧的发送，可以保持低效运行模式。这是图2B中的情况，根据时间Δtmin计算诊断帧TD0_2和TD0_3的发送时刻。

与操作的正常模式一样，在未饱和通信连路和未导致电能过度消耗的情况下，低效运行模式应该继续。

最好是，在这一低效运行模式中，可以把可靠率修改为取低效运行值。存在这样一个最佳可靠度值(Fiab_fallback)：在所有低效运行序列上帧的总数目最小。实际上，高Fiab_fallback值可以仅具有有限数目的低效运行序列，但生成大数目诊断帧。另一方面，低Fiab_fallback值可以降低每个低效运行序列的诊断帧的数目，但生成大数目的低效运行序列。

图3说明了低效运行模式的操作原理。这一图中的第二图示出了一次性所取的可靠度值以及平均最小可靠度值的变化的曲线。细化这一图，可以形成如下序列：

-在时间Δt1和Δt2期间，在两个控制帧之间至少已经发送了一个诊断帧。最小可靠度具有等于已经针对可靠度预先定义的可靠度值(Fiab)的平均值Fiab_avg。

-在时间Δt3期间，在两个控制帧之间尚未发送诊断帧。通信的可靠度一次性降至等于1-τ_fail的值，于是，最小可靠度值具有减小的并且变为小于所述预先定义的值(Fiab)的平均值Fiab_avg。

-在时间Δt4和Δt5期间，发送装备项通过发送诊断帧交换至低效运行模式，其中，根据表示为Fiab_fallback的第二预先定义的可靠度值确定诊断帧的发送时刻，所述第二预先定义的可靠度值大于第一预先定义的可靠度值Fiab。于是，平均最小可靠度值增大。低效运行过程继续，直至平均最小可靠度值恢复到预先定义的值Fiab的水平。

-在Δt6期间，在考虑到预先定义的值Fiab的情况下，根据正常的过程重复诊断帧的发送。

根据本发明，只要发送装备项没有发送新的控制帧TC_i，则在初始诊断帧之后，发送装备项向接收装备项发送其它诊断帧。最好按可变频率发送诊断帧，从而可以避免通信的饱和以及装备项部分上能量的过度消耗。

根据一个增加的功能，例如，根据被选择来获得由可变时间分隔的发送时刻的几何级数(geometrical series)，确定第一所发送的诊断帧之后的诊断帧的发送时刻TD0_i。例如，可以确定诊断帧的发送时刻TDx_i(x大于或者等于1)的这一增加的功能为以下几何级数：

TDx_i＝TDx_i-1+Tdiag[x]_i

Tdiag[x]_i＝r(x)×Tdiag[x-1]_i (3)

其中r(x)相应于所述级数的成因。

这一增加的功能可以在下一个控制帧的发送之前改变两个诊断帧之间的时间，同时确保最大可靠度(接近100％)。随着最后一个控制帧和下一个控制帧之间的时间增加，通信故障的发生减少，因为在两个控制帧之间这一可靠率被视为常数。而且，即使诊断帧相互不断远离，通信状态的可靠度依然保持为高，接近100％。只要发送装备项没有发送控制帧，就在使用上述关系(3)所确定的发送时刻发送诊断帧。

在每一个控制帧发送之后，重新初始化所述诊断方法，并且使用上述关系(1)确定下一个诊断帧的发送时刻，以及使用关系(3)确定相继的时刻。

有利的是，如果两个诊断帧之间的时间变得过长，则可以把后者限制于所确定的上限值。例如，该值将为控制帧的发送的平均周期。图4说明了这样一种方案：其中，按固定周期发送诊断帧TD4_1、TD5_1以及TD6_1，所述固定周期相应于最大值，例如可以由发送装备项加以存储的最大值。

而且，当发送装备项和接收装备项在一个不稳定的通信环境中(例如，在工业环境中)进行通信时，通信故障司空见惯。考虑到可能的通信故障，本发明的方法能够有利地修正通信故障的发生概率。与以上所描述的确定诊断帧的方法相结合，对通信故障概率的修正将可以进一步优化所发送的诊断帧的数目。

故障率τ_fail反映了非正确接收的控制帧的比率。

例如，已知的实践是对接收装备项对控制帧的接收进行认可，以确保控制帧的良好发送。然后向发送装备项通知每一个控制帧TC_i的接收或者未接收，并且能够启动相应的动作。也为人们所熟悉的是，在对控制帧做出不认可的结论之前，发送装备项多次尝试发送控制帧，这样做是为了屏蔽极短时间通信的不适宜中断。于是，例如，故障率τ_fail的计算可以基于这一认可过程，即，通过相对所发送的帧的数目测量被认可的帧的数目。

图5说明了对通信故障的发生概率进行更新的原理：

-发送装备项把第一控制帧TC_1发送给接收装备项。

-在所确定的时间t_ACK之后，发送装备项尚未接收到对该第一控制帧TC_1的认可，则再次发送控制帧TC_1’。

-发送装备项接收针对这一最后控制帧TC_1’的认可帧TA_1。

-发送装备项降低故障的发生概率τ_fail。

-在没有接收到任何认可帧的情况下，发送装备项继续多次尝试发送新的控制帧TC_2、TC_2’、TC_2”。

-在所确定的时间t_ACK之后，发送装备项增加了故障的发生概率τ_fail。于是，在控制帧的每次发送之后，可以重新更新故障率τ_fail。

另外，如以上所描述的，在以下的表达式中，与Δtdiag相关地定义了通信故障发生的概率：

其中：

-Δt遵循根据以上所描述的操作的情况所确定的值，

-Fiab相应于通信的预先定义的可靠度值，例如，99％。

-τ_fail相应于控制帧TC_i的两次发送之间通信故障发生的概率。

因此，通信故障发生的概率的修正也将影响对所发送的诊断帧的数目的优化。

因此，本发明明显具有诸多优点：

-使诊断帧的发送频率适应于控制帧的发送频率，

-通过修改诊断帧的计算与/或通过对通信故障发生概率的修正，优化所发送的诊断帧的数目，与此同时，保证通信状态的高可靠度，

-保证通信状态的可靠度接近100％，与此同时，避免使通信链路饱和以及致使电能过度消耗，

-实现简单，并且能够适应于有线或者无线类型的通信网络。

Claims (6)

1.用于监视发送装备项和接收装备项之间的通信的方法，所述发送装备项把控制帧发送给接收装备项，所述方法的特征在于其包含下列步骤：

-发送装备项向接收装备项发送n个控制帧TC_i，i为范围从1到n的整数，并且定义了每个控制帧的次序，n为大于或者等于1的整数，

-在控制帧TC_i的发送之后，确定次序0的诊断帧的发送时刻，如下确定所述诊断帧的所述发送时刻：

TD0_i＝TC_i+Tdiag[0]_i

-其中，TD0_i相应于控制帧TC_i之后、次序0的诊断帧的发送时刻，并且TC_i表示第i控制帧和第i控制帧的发送时刻，其中：Tdiag[0]_i＝Δt-Δtdiag

-其中：

如果i≥2以及如果在分隔两个控制帧的时间期间已经发送了至少一个诊断帧，则Δt相应于分隔控制帧TC_i-1和控制帧TC_i的时间，或者

如果i≤1或者如果在分隔控制帧TC_i-1和控制帧TC_i的时间期间尚未发送诊断帧，则Δt相应于两个控制帧的发送之间的预先确定的最小时间，

Δtdiag相应于根据时间Δt，即根据与通信状态相关的预先定义的可靠度值以及两个控制帧之间通信故障发生的概率，加以确定的时间，

-在所确定的发送时刻，发送装备项向接收装备项发送所述诊断帧，

-根据增加的功能确定次序x的后续诊断帧的发送时刻TDx_i；

-发送装备项把所述次序x的诊断帧发送给接收装备项。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包含低效运行模式，其中，至少使用两个控制帧的发送之间的预先确定的最小时间确定次序0的诊断帧的发送时刻。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，只要平均可靠度值保持小于所述预先定义的可靠度值，次序0的相继的诊断帧就维持低效运行模式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据以下关系确定项Δtdiag：

其中：

-Fiab相应于预先定义的可靠度值，

-τ_fail相应于两个控制帧之间通信故障发生的概率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，其包含这样的步骤：当控制帧没有被接收装备项接收到或者没有被接收装备项认可时，对通信故障发生的概率进行修正。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，其包含这样的步骤：当次序x的诊断帧的发送的第一时刻和次序x的诊断帧的发送的第二时刻之间的时间超过最大值时，对两个连续的诊断帧之间的时间的最大值加以限制。

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