DE19720401A1 - Datenbus für mehrere Teilnehmer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Datenbus mit mehreren Teilnehmern.

Derartige Datenbusse finden zunehmend Verbreitung. Sie dienen beispielsweise bei Gebäuden dazu, die verschiedenen elektrischen Schalter, Stromverbraucher und dergleichen eines Gebäudes schaltungstechnisch miteinander zu verbinden und Steuerbefehle der Teilnehmer untereinander zu vermitteln. Weitere Anwen­ dungsfälle sind die Vernetzung von Maschinensteuerungen im industriellen Be­ reich, z. B. für eine Fertigungsstraße, Datenbusse in Flugzeugen für die verschie­ denen Antriebs- und Steuerungskomponenten sowie Landfahrzeuge mit den ent­ sprechenden Einrichtungen zum Schalten, Umformen und Verbrauchen elektri­ scher Energie.

Es existieren zwei verschiedene Ausführungsformen von Datenbussen. Bei der einen Ausführungsform handelt es sich um den synchronisierten Typ, bei dem von einem Busmaster aus ein Synchronisationspuls mit vorgegebener Taktfrequenz ausgegeben wird. Innerhalb der Zeitspanne zwischen zwei verschiedenen Taktim­ pulsen gehen die Teilnehmer des Datenbusses innerhalb eines definierten Zeit­ fenster auf den Datenbus. Der Zeitpunkt ihrer jeweiligen Sendeberechtigung ist i. d. R. durch ihre Sendepriorität bestimmt und jeder Teilnehmer innerhalb eines de­ finierten Zeitfenster nach dem Aussenden des Synchronisationspulses sendet.

Ein derartiger Datenbus hat den Vorteil, ohne irgendwelche Kollisionen von Teil­ nehmern arbeiten zu können, da jeder Teilnehmer ein definiertes Zeitfenster für seine Sendung zur Verfügung hat. Andererseits ist ein derartiger Datenbus relativ langsam, da die Taktzeit durch die Zahl der Teilnehmer bestimmt ist und insbeson­ dere bei einer Vielzahl von Teilnehmern sich damit eine geringe Taktfrequenz er­ gibt. Hinzu kommt die Schwierigkeit, mit ein und demselben Datenbuskonzept nicht nur eine definierte Anzahl von Teilnehmern, sondern auch eine demgegen­ über abweichende Zahl von Teilnehmern versorgen zu können. Es werden somit Zeitfenster auch für nur im Maximalfall vorhanden Teilnehmer vorgehalten mit der Folge einer entsprechenden Verringerung der Taktfrequenz.

Das zweite Datenbuskonzept ist als asynchroner Datenbus bekannt. Dabei gehen die Teilnehmer entsprechend ihrer hierarchiebedingten Sendeberechtigung auf den Datenbus. Das hat zur Folge, daß der prioritätshöchste Teilnehmer jederzeit auf den Datenbus gehen kann, bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß dieser Teilnehmer den Datenbus "verstopfen" kann, d. h. für prioritätsniedere Teilnehmer nicht mehr die Möglichkeit besteht, auf den Datenbus zu gehen. Zudem besteht das Problem der Kollision von Teilnehmern, da bedingt durch die Signallaufzeiten mehrere Teilnehmer gleichzeitig auf dem scheinbar freien Datenbus auf Sendung gehen können und sie erst während ihrer Sendung die Sendung eines anderen Teilnehmers erfahren. Dies macht aufwendige Kollisionsvermeidungsstrategien wie CSMA/CD erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Datenbus der eingangs genann­ ten Art zu schaffen, der die Vorteile eines synchronen und eines asynchronen Da­ tenbus vereinigt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Der erfindungsgemäße Datenbus besitzt Merkmale sowohl des synchronen als auch des asynchronen Datenbusses. Der Synchronisationspuls ist ein eindeutiges Merkmal des synchronen Datenbusses. Die angegebene Taktzeit ist weder bei einem asynchronen noch bei einem synchronen Datenbus zu finden. Die Zeitspan­ ne liegt zwischen der Sendedauer des prioritätshöchsten und der kumulierten Sen­ dezeit aller Teilnehmer. Bei einem Datenbus mit 100 Teilnehmern ist diese Zeit­ spanne z. B. so gewählt, daß die 50 prioritätshöchsten Teilnehmer alle innerhalb einer Zykluszeit auf den Datenbus gehen können, während in diesem Fall die rangniedrigeren Teilnehmer nicht mehr auf den Datenbus kommen.

Die Zahl 50, d. h. in etwa die Hälfte der maximal vorhandenen Teilnehmer ist nur als Anhaltspunkt zu verstehen. Sie kann im jeweiligen Anwendungsfall auch zwi­ schen 2 und beispielsweise 95 Teilnehmern liegen. Wesentlich ist lediglich, daß die Taktzeit tatsächlich wesentlich kleiner als die kumulierte Sendezeit aller Teilnehmer ist, es somit nie möglich ist, sämtliche Teilnehmer innerhalb eines Zyklus auf dem Datenbus senden zu lassen. Andererseits wird dadurch das angesprochene Pro­ blem des Vorhalts von Zeitfenstern für möglicherweise nicht vorhandene Busteil­ nehmer beseitigt und eine Taktzeit erreicht, die den jeweiligen Anforderungen ent­ spricht.

Durch die Vergabe einer hierarchischen Sendeberechtigung werden die bei einem asynchronen Datenbus typischen Kollisionsverhinderungsalgorithmen überflüssig. Gleichzeitig wird durch die Wahl der Sendezeit für den in der Hierarchie jeweils nachfolgenden Teilnehmer bei Nichtsenden des vorangehenden Teilnehmers in der angegebenen Weise sichergestellt, daß nur die tatsächlich sendenden Teil­ nehmer auf den Datenbus gehen und die Teilnehmer, die nicht innerhalb des Zy­ klus den Datenbus für ihre Sendung benutzen, nur insoweit berücksichtigt werden, als sichergestellt wird, daß sie tatsächlich nicht senden. Dies wird unter Berück­ sichtigung der Signallaufzeiten innerhalb des Datenbusses erreicht.

Das Grundprinzip der Erfindung läßt sich wie folgt beschreiben:

Jeder Teilnehmer erhält im Prinzip die Möglichkeit, mit seiner Sendung auf den Datenbus zu gehen. Allerdings ist er der Hierarchie unterworfen. Sein Sendezeit­ punkt liegt innerhalb eines Zyklus umso später, je niedriger seine hierarchische Stufe ist. Liegt sein Sendezeitpunkt nach dem Ablauf des Zyklus, kann er frühe­ stens im nächsten Zyklus auf Sendung gehen. Senden auch dann wieder entspre­ chend viele rang höhere Teilnehmer, kann er auch dann noch nicht senden, usw. Seine Sendemöglichkeit hängt also in jedem Sendezyklus davon ab, wieviele ranghöhere Teilnehmer senden.

Die Zykluszeit wird danach bemessen, wievielen Teilnehmern in jedem Zyklus im­ mer die Möglichkeit zu senden gegeben werden muß. Die Zykluszeit ist für die Zahl dieser bevorzugten Teilnehmer bemessen. Ob nun die anderen Teilnehmer tat­ sächlich während eines Zyklus senden können, hängt davon ab, wieviele der be­ vorzugten Teilnehmer tatsächlich (nicht) auf Sendung gehen und wieviele der prioritätshöheren anderen Teilnehmer senden.

Bei der Sendung eines Teilnehmers kann es vorkommen, daß das Sendeende mit dem Sendezeitpunkt des Synchronpulses, d. h. mit dem Zyklusende zusammenfällt oder sogar danach liegt. Hierfür bieten sich im Rahmen der Erfindung unterschied­ liche Lösungen. Eine Lösung besteht darin, die Ausgabe des Synchronisationspul­ ses so lange zu verzögern, bis der Teilnehmer seine Sendung beendet hat.

Um trotzdem die Taktfrequenz beibehalten zu können, ist der nachfolgende Syn­ chronisationspuls in seiner Ausgabezeit so bemessen, daß er mit dem vorausge­ henden vorletzten Synchronisationspuls synchronisiert ist. Bezeichnet man den vorausgehenden vorletzten Synchronisationspuls als ersten Puls und die nachfol­ genden als zweiten, dritten usw. Puls, so ist der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Puls größer als die Taktzeit, während der zeitliche Ab­ stand zwischen dem zweiten und dem dritten Puls kleiner als die Taktzeit ist. Sollte bei Ausgabe des dritten Synchronisationspulses wiederum ein Teilnehmer auf dem Datenbus senden, so wird auch der dritte Synchronisationspuls verzögert ausge­ geben. Der darauffolgende Synchronisationspuls, d. h. hier der vierte, kompensiert dann die Zeitüberschreitung usw.

Eine alternative Lösung sieht vor, daß der Teilnehmer nicht sendet, wenn das En­ de seiner Sendung mit dem Ende des Zyklus zusammenfällt oder sogar danach liegt. Damit ergibt sich der Vorteil einer stets konstanten Zykluszeit. Korrekturen wie bei der ersten Lösungsalternative können dann unterbleiben.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentan­ sprüchen und sind anhand der Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Datenbus für mehrere Einrichtungen eines Fahrzeugs, die der Insassen-Sicherheit dienen,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Telegrammverkehrs auf dem Datenbus von Fig. 1. und

Fig. 3 den Telegrammverkehr für eine Alternative zum Datenbus von Fig. 1 und 2.

Der Datenbus von Fig. 1 und 2 besteht im wesentlichen aus einem einzigen Licht­ wellenleiter (i. f. LWL-Faser). Die einzelnen Teilnehmer T sind über die Faser so­ wie über einen aktiven Sternkoppler miteinander verbunden.

In jedem Teilnehmer ist zur Anschaltung an den LWL-Bus ein Sende/- Empfangsbaustein S/E vorhanden, in den eine Sende- und Empfangsdiode sowie eine Strahlteileroptik integriert ist (nicht dargestellt). Die durch die LWL-Faser ge­ bildete LWL-Strecke wird bidirektional betrieben. Der aktive Sternkoppler besteht im wesentlichen aus den S/E-Bausteinen. Für jeden Teilnehmer ist ein S/E-Baustein vorhanden. Die Bausteine sind im Sternkoppler so verschaltet, daß die von einem Teilnehmer gesendete Botschaft auf alle anderen Stränge des Bussy­ stems verteilt wird. Diese Stränge sind im wesentlichen gebildet durch die S/E-Bausteine sowohl des Sternkopplers als auch damit korrespondierend die S/E-Bausteine der jeweiligen Teilnehmer.

Die auf dem Bus vom jeweils sendenden Teilnehmer ausgehenden und an die an­ deren Teilnehmer übertragenen Telegramme charakterisieren Zustände bzw. Meßwerte von Sensoren als einem Teil der Teilnehmer. Ferner befinden sich als weitere Teilnehmer Aktuatoren wie Airbags und Gurtstraffer am Bussystem ange­ schlossen. Die Aktuatoren erfassen die von den Sensoren gelieferten Telegramme und berechnen, jeder für sich, die notwendigen Aktionen. Gleichzeitig wird durch den Busmaster ein gegebenenfalls kritischer Zustand in einem Teilnehmer erkannt und durch Ausgabe eines Initialisierungsimpulses auf den Bus beantwortet, der sich in seiner Länge von dem ansonsten vom Busmaster ausgegebenen Initialisie­ rungsimpuls unterscheidet.

Einer der Teilnehmer dient als Busmaster. Hierfür sei der mit T_M bezeichnete Teil­ nehmer vorgesehen. Dieser Teilnehmer sendet in zeitlich regelmäßigen Abständen einen Synchronisationspuls aus, wie im Diagramm von Fig. 2 dargestellt. Mit vor­ gegebender Sendepriorität erhalten die Teilnehmer die Sendeberechtigung. Befin­ det sich der jeweilige Teilnehmer in einem sicherheitsunkritischen Zustand, so sen­ det er in der Regel nicht. In der Regel bedeutet dabei, daß es sich dabei nicht um den Initialisierungsvorgang handelt, bei dem die Teilnehmer nach Inbetriebnahme des Fahrzeugs sich durch Aussenden einer Kennung den anderen Teilnehmern und dem Busmaster zu erkennen geben. Die Teilnehmer melden sich allerdings zyklisch, in relativ langen Abständen von mehreren Zyklen immer wieder, sofern sie nicht ohnehin auf Sendung gehen und geben ein kurzzeitiges Präsenzsignal ab.

Handelt es sich um einen sicherheitsunkritischen Zustand, d. h. senden die Teil­ nehmer sämtlich nicht, so wird der nächste Synchronisationspuls nach Ablauf der Taktzeit durch den Busmaster ausgegeben.

Bei einem sicherheitskritischen Zustand, bei dem beispielsweise der Busteilnehmer mit höchster Sendepriorität aktiviert ist, wird der Datenbus zunächst durch dessen Telegramm t₁ belegt. Der Teilnehmer mit der nächstfolgenden Sendepriorität sen­ det beispielsweise dann ebenfalls und gibt das Telegramm t₂ aus. Entsprechendes geschieht für den Teilnehmer mit dem Telegramm t₃. Jedes Telegramm t_i besitzt, wie an sich aus der DE 34 35 216 A bekannt, eine Kennung, aufgrund derer die anderen Teilnehmer das Telegramm identifizieren und ggf. aufnehmen können. Es ist auch möglich, Telegramme auf den Datenbus auszugeben, die die Adresse eines Empfängers enthalten und nur für diesen bestimmt sind. Nach Ablauf der Taktzeit und wenn zu diesem Zeitpunkt kein Teilnehmer sendet, wird der nächste Synchronisationspuls s ausgegeben.

Sendet hingegen ein Teilnehmer bei Ablauf der Taktzeit, so wird die Ausgabe des Synchronisationspulses verzögert. Dieser Fall ist in dem mit Zyklus 2 bezeichneten Zeitraum dargestellt. Die Verzögerung t__w0 muß dabei kleiner als der zeitliche Ab­ stand t__wx sein, der zwischen den Sendungen aufeinanderfolgender Teilnehmer besteht.

Der anschließende Synchronisationspuls, hier s₃ ist mit dem ersten, zu Beginn des Zyklus 1 ausgegebenen Synchronisationspulses s₀ und dem Synchronisationspuls s₁ synchronisiert. Der zeitliche Abstand zwischen dem Synchronisationspuls s₂ und und s₃ ist kleiner als die Taktzeit.

Der nicht im einzelnen dargestellte Datenbus, dessen Telegrammverkehr Fig. 3 zeigt, ist grundsätzlich genauso wie der Datenbus von Fig. 1 aufgebaut. Auch hier wird nach Ablauf der Taktzeit t__zyk der nächste Synchronisationspuls s ausgege­ ben.

Würde ein Teilnehmer bei Ablauf der Taktzeit t__zyk noch senden, so wird in diesem Fall die Sendung dieses Teilnehmers unterbunden. Hierzu berechnet jeder Teil­ nehmer die ihm innerhalb der Zykluszeit jeweils für seine Sendung zur Verfügung stehende (Ist-)Zeit und unterläßt die Sendung, wenn seine Sendedauer t₁, t₂, t₃,
nicht mindestens um den Wert t__wx vor dem Ablauf der Zykluszeit t__zyk liegt. Der Wert t__wx stellt im wesentlichen die maximale Signallaufzeit innerhalb des Daten­ busses dar.

In Fig. 2 und 3 sind weitere Merkmale des Datenbusses dargestellt. Im Zyklus 2 sind als aktive Sender die Teilnehmer T₁, T₄ und T₈ angenommen. Der Sendezeit­ punkt bemißt sich nach dem Ende der Sendung des hierarchiemäßig vorausge­ henden Teilnehmers und der eigenen hierarchischen Stellung. Bei aufeinanderfol­ genden hierarchischen Stellungen zweier Sender ist der zeitliche Abstand minimal und gleich t_wx. Der zeitliche Abstand zweier Sender nimmt mit ihrem hierarchischen Abstand zu. Deshalb ist der Abstand zwischen t₁ und t₄ größer als der Abstand zwi­ schen t₁ und t₂ und kleiner als der Abstand zwischen t₄ und t₈. Auf diese Weise erhält jeder Teilnehmer die Möglichkeit, im Bedarfsfall zu senden, sofern seine Sendeberechtigung innerhalb der Zykluszeit vorliegt. Andrerseits sendet er nur dann, wenn tatsächlich ein Notfall vorliegt. Trotzdem ist der Sendezeitpunkt genau festgelegt. Kollisionen werden dadurch vermieden. Der Sendezeitpunkt jedes Teil­ nehmers ist der frühestmögliche.

Im Alarmfall wird die Dauer des Synchronisationspulses verlängert. Dadurch wird ein Schutz gegen eine Fehlauslösung einer Sicherheitseinrichtung erreicht. Sie löst nur dann aus, wenn durch den (verlängerten) Synchronisationspuls (t__syn__b statt t__syn__a) ein kritischer Zustand signalisiert wird und sie zusätzlich ein entsprechendes Telegramm eines Crash-Sensors erhält. Im Crashfall löst die Sicherheitseinrichtung somit nicht in dem Zyklus, in dem erstmalig das Telegramm des Crash-Sensors erscheint, sondern im nachfolgenden Zyklus, zu dessen Beginn ein kritischer Zu­ stand des Gesamtsystems durch den verlängerten Synchronisationspuls signali­ siert und die tatsächliche Gefahr durch den weiterhin sendenden Crash-Sensor angezeigt wird.

Ferner besteht bei diesen Datenbussen die Möglichkeit, sie außerhalb des Alarm­ falls durch Teilnehmer zu belegen, die nicht-sicherheitskritischen Einrichtungen zugeordnet sind. Diese Einrichtungen können beispielsweise in einer Fahrzeugtür angeordnet sein und zur Bewegung des Fensters, des Außenspiegels oder zur Tür­ schloßheizung verwendet sein. Voraussetzung dafür ist lediglich eine Priorität, die kleiner ist als die der sicherheitskritischen Einrichtungen, um deren Betrieb im Alarmfall nicht zu stören.

Auf diese Weise wird erstmalig die Möglichkeit eröffnet für die Insassen-Sicherheit der Fahrzeugbenutzer zuständige Einrichtungen über einen Datenbus kommunizie­ ren zu lassen.

Claims (8)

1. Datenbus für mehrere Teilnehmer, gekennzeichnet durch folgende Merkma­ le:

• a) die Teilnehmer besitzen eine hierarchische Sendeberechtigung,
• b) die Teilnehmer sind durch einen Synchronisationspuls synchronisiert
• c) die Taktzeit des Synchronisationspulses liegt zwischen der Sende­ dauer des prioritätshöchsten Teilnehmers und der kumulierten Sen­ dezeit aller Teilnehmer.

2. Datenbus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rangnied­ rigere Teilnehmer dann, wenn der ranghöhere Teilnehmer nicht sendet, seine Sendeberechtigung in einem zeitlichen Abstand vom Sendezeitpunkt dieses (ranghöheren) Teilnehmers aus gerechnet besitzt, der im wesentlichen durch die maximale Signallaufzeit innerhalb des Datenbusses bestimmt ist.

3. Datenbus nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilnehmer nicht sendet wenn die Zeitspanne zwischen seinem Sendebe­ rechtigungszeitpunkt und dem Zeitpunkt für die Ausgabe des folgenden Syn­ chronisationspulses kleiner als seine Sendedauer ist.

4. Datenbus nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer über einen aktiven Sternkoppler miteinander verbunden sind.

5. Datenbus nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer im Normalfall ein Zustandssignal abgeben.

6. Datenbus nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronisationspuls unterschiedliche Längen entsprechend unter­ schiedlichen Zuständen der dem Datenbus zugeordneten Einrichtung besitzt.

7. Datenbus nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand durch den Sendebetrieb eines bestimmten Teilnehmers de­ finiert ist.

8. Datenbus nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Synchronisationspuls durch einen Teilnehmer ausgesandt ist.