DE19921359C2 - Datenübertragungssystem mit bidirektionaler Datenburstübertragung zwischen einer Zentrale und mindestens einer an einen Bus angeschlossenen Busstation - Google Patents
Datenübertragungssystem mit bidirektionaler Datenburstübertragung zwischen einer Zentrale und mindestens einer an einen Bus angeschlossenen BusstationInfo
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- DE19921359C2 DE19921359C2 DE1999121359 DE19921359A DE19921359C2 DE 19921359 C2 DE19921359 C2 DE 19921359C2 DE 1999121359 DE1999121359 DE 1999121359 DE 19921359 A DE19921359 A DE 19921359A DE 19921359 C2 DE19921359 C2 DE 19921359C2
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Description
Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Datenübertragungssystem mit
bidirektionaler Datenburstübertragung zwischen einer Zentrale und mindestens
einer an einen Bus angeschlossenen Busstation, bei dem der Bus eine
bidirektionale Datenleitung und mindestens eine Steuerleitung sowie eine
Taktleitung aufweist, welche durch die Busstation geführt sind und bei dem in der
Busstation angeordnete Schieberegister zusammen mit denen anderer
Busstationen zu einer gemeinsamen Schieberegisterkette zusammenschaltbar sind
(Oberbegriff des Patentanspruchs 1).
Die Entwicklung der Leistungsfähigkeit von Personal Computern (PC) hat dazu
geführt, dass an vielen Arbeitsplätzen mit ihnen tägliche Routinearbeit erledigt
wird. Immer wichtiger wird es, dass PC-Nutzer gleichzeitig auf gemeinsam
nutzbare Datenbestände und Programme zugreifen können. Auch die
Ausgabegeräte sowie Telekommunikationsdienste werden zunehmend gemeinsam
in Anspruch genommen. Die Verbreitung von Datenterminals und die Vernetzung
der Rechenzentren haben dazu geführt, dass herstellerspezifische Lösungen für
schnelle und weite Datenübertragungen realisiert wurden. Die
anfangs fehlende Normierung hat weiterhin dazu beigetragen, dass für lokale
Netze eine Vielzahl von Sonderverfahren erdacht und installiert wurden.
Die Entscheidung für oder gegen eine bestimmte Netzwerklösung wird
wesentlich von den Investitionskosten für die verschiedenen Hardware- und
Software-Elemente beeinflußt. Hardwareelemente sind: Fileserver,
Netzwerkkarten für den Fileserver und die Arbeitsstationen, Netzwerkfestplatten,
Netzwerksicherungsspeicher (Festplatte oder Streamer), Arbeitsstationen,
Kabelsystem, Verbindungselemente (Terminatoren, BNC-Stecker). Zusätzlich
evtl. notwendige Hardwareelemente sind Bootproms für die Arbeitsstationen
(Fernladen der Arbeitsstationen über den Server), Repeater (Verstärker) bei
längeren Kabelstrecken, Bridges zur Verbindung mehrerer gleicher Netzwerke,
Gateways zur Verbindung mehrerer unterschiedlicher Netzwerke, Modems für
die Datenfernübertragung.
Softwareelemente sind: Netzwerkbetriebssystem und Dienstprogramme für den
Fileserver, Netzwerkbetriebssystem für die einzelnen Arbeitsstationen,
Netzwerkmanager zur Organisation und Verwaltung von Netzwerkteilnehmern
(Usern) und Anwendungen, gerätespezifisches Betriebssystem für intelligente
Arbeitsstationen (beispielsweise MS-DOS, OS/2), Anwendungsprogramme (zum
Beispiel für die Text- und Dateiverwaltung, Kalkulation, Desktop Publishing,
Auftragsbearbeitung, Finanzbuchführung und andere).
Für die Datenübertragung zwischen den Komponenten eines
Datenübertragungssystems wird ein Bus, bestehend aus mehreren Leitungen,
verwendet. Im wesentlichen ist ein Bus ein gemeinsamer Hauptverkehrsweg, der
verschiedene Teile eines Systems miteinander verbindet und ihnen damit den
Austausch von Informationen ermöglicht. So sind auch in einem Computer der
Mikroprozessor, Laufwerksadapter, der Speicher sowie die Ein- und
Ausgabeschnittstellen mit dem Bus verbunden. Der Bus wird normalerweise vom
Mikroprozessor verwaltet und ist auf die Übertragung unterschiedlichster Arten
von Informationen spezialisiert. Beispielsweise übermittelt eine Gruppe von
Leitungen (eigentlich Leiterbahnen auf einer Platine) Daten, während eine andere
Gruppe Adressen (Orte innerhalb des Speichers) überträgt. Eine dritte Gruppe
von Leitungen transportiert Kontrollsignale, die sicherstellen, dass die
verschiedenen Teile des Systems ihren Bus ohne Kollisionen benutzen. Ein Bus
wird durch die Anzahl der Bits charakterisiert, die er gleichzeitig übertragen
kann. Ein Computer mit einem 8-Bit-Datenbus kann z. B. acht Datenbits
gleichzeitig transportieren, und ein 16-Bit-Datenbus übermittelt 16 Bits
gleichzeitig. Weil der Bus ein wichtiges Element für den internen Datenverkehr
darstellt und Computer oft durch zusätzliche Komponenten erweitert werden
müssen, lassen sich die meisten Bus-Systeme über eine oder mehrere
Erweiterungssteckplätze ausdehnen (Steckplätze für Zusatzplatinen). Wenn diese
Steckkarten in das System eingebaut werden, stellen sie eine elektrische
Verbindung zu dem Bus her und werden so zu einem Teil des Systems.
Das Bus-Netzwerk ist eine Topologie (Konfiguration) für ein lokales Netzwerk,
in dem alle Netzwerkknoten mit einer Hauptkommunikationsleitung (Bus)
verbunden sind. In einem Bus-Netzwerk beobachtet jeder Knoten die Aktivitäten
auf der Leitung. Nachrichten werden von allen Knoten erkannt, aber nur von dem
oder den Knoten angenommen, für den bzw. für die eine Nachricht bestimmt ist.
Weil ein Bus-Netzwerk auf einer gemeinsamen "Datenautobahn" basiert, kann
sich ein nicht funktionierender Knoten einfach aus der Kommunikation
zurückziehen. Er stört damit nicht die Zusammenarbeit der anderen Knoten wie
beispielsweise bei einem Ring-Netzwerk, bei dem die Nachrichten von einem
Knoten zum nächsten weitergegeben werden. Um Zusammenstöße zu vermeiden,
die beispielsweise entstehen, wenn zwei oder mehr Knoten die Leitung zur
gleichen Zeit benutzen wollen, sichern sich Bus-Netzwerke normalerweise mit
Kollisionserkennung oder Token-Passing ab, um den Datenverkehr zu regeln.
Ein Ring-Netzwerk ist ein lokales Netzwerk, bei dem alle Geräte oder Knoten
(z. B. Computer, Server oder Mailbox) in einem geschlossenen Kreis bzw. Ring
angeordnet sind. Nachrichten in einem Ring-Netzwerk bewegen sich in einer
Richtung von Knoten zu Knoten. Wenn eine Nachricht durch den Ring wandert,
untersucht jedes Gerät die Zieladresse der Nachricht. Wenn die Adresse mit der
Knotenadresse übereinstimmt, nimmt das entsprechende Gerät die Nachricht an.
Im anderen Fall erneuert dieses Gerät das Signal und gibt die Nachricht an den
nächsten Knoten im Ring weiter. Diese Erneuerung ermöglicht einem Ring-
Netzwerk, längere Entfernungen zu überdecken als Stern- oder Bus-Netzwerke.
Es kann außerdem so ausgelegt werden, dass nicht funktionierende oder
fehlerhafte Knoten umgangen werden. Weil es sich um einen geschlossenen Kreis
handelt, sind allerdings neue Knoten schwer hinzuzufügen.
Ein Token Ring Network ist ein lokales, ringförmiges Netzwerk, bei dem eine
umlaufende (symbolische) Marke (Token) anzeigt, welche angeschlossene
Station an der Reihe ist (Token-Passing). Token Ring Network wurde von IBM
entwickelt und arbeitet mit einer Geschwindigkeit von 4 Megabit (vier Millionen
Bits) pro Sekunde. Über Standardtelefonleitungen kann Token Ring Network bis
zu 72 Geräte miteinander verbinden. Mit der Verkabelungsart Twisted Pair
(verdrilltes Drahtpaar) können sogar 260 Geräte angeschlossen werden. Obwohl
Token Ring Network auf einer Ringtopologie (geschlossener Kreis) basiert,
werden bis zu acht Arbeitsstationen jeweils sternförmig mit einem so genannten
Konzentrator (MAU: Multistation Access Unit, Mehrstationsanschlusseinheit)
verbunden, der wiederum in den Hauptring integriert ist. Token Ring Network
wurde für Mikrocomputer, Minicomputer und Großrechner entwickelt und
entspricht der amerikanischen IEEE-802,5-Norm. Die Abkürzung IEEE steht für
Institute of Electric and Electronic Engineers - dieses Standardisierungsgremium
wurde 1963 gegründet.
Im militärischen Bereich und auf dem Gebiet Automatisierungstechnik werden
überwiegend serielle Datenbusse eingesetzt. So ist beispielsweise in der
DE 40 35 459 C1 eine Einrichtung zur Erweiterung eines seriellen Datenbusses
für den transparenten, nahezu verzögerungsfreien Anschluß mehrerer
Teilnehmereinrichtungen beschrieben und erläutert. Auf dem Gebiet
Automatisierungstechnik, insbesondere speicherprogrammierbare Steuerungen,
werden nicht nur hohe Anforderungen an die Rechenleistung gestellt, sondern
darüber hinaus ist auch ein robustes dezentrales Ein-Ausgabesystem zum direkten
Anschluß der Prozeßstell- und Meldegeräte erforderlich. So ist beispielweise aus
der DE 33 28 834 A1 ein Datenübertragungssystem mit einer ringförmigen
Übertragungsleitung (Ring) mit gerichtetem Verkehr und einer Vielzahl von
Anschlussstellen bekannt, die jeweils über eine Empfangs- und Sendeleitung an
den Ring angeschlossen sind. Um eine schnelle Datenübertragung mit einer
einfachen Weitergabe des Senderechts zu ermöglichen, ist zwischen
Empfangsleitung und Sendeleitung jeder Anschlussstelle ein elektronischer
Schalter vorgesehen. Die Anschlussstelle und der Ringschalter werden von der an
der Anschlussstelle angeschlossenen Teilnehmerstation gesteuert. Innerhalb des
Rings hat jeweils lediglich eine Teilnehmerstation ein Senderecht, wobei diese
während einer Datenübertragung den Ring mittels des ihr zugeordneten
Ringschalters auftrennt. Nach jeder Datenübertragung wird das Senderecht von
der letzten sendenden Teilnehmerstation der nächsten, im Ring folgenden
sendewilligen Teilnehmerstation übergeben, indem alle sendewilligen
Teilnehmerstationen nach vorhergehender Aufforderung ihren Ringschalter
auftrennen und während einer fest vorgegebenen Überwachungszeit auf den
Empfang des Senderechts warten. Alle Teilnehmerstationen, die nach Ablauf
einer Überwachungszeit das Senderecht nicht erhalten haben, schliessen ihren
Ringschalter wieder und ermöglichen dadurch die folgende Datenübertragung.
Die dann sendende Teilnehmerstation kennzeichnet die Daten mittels einer
individuellen Zieladresse oder mittels einer Rundspruchadresse und sendet diese
an die andere Teilnehmerstation bzw. an die anderen Teilnehmerstationen. Insbe
sondere im unteren Bereich der Automatisierungshierarchie, beispielsweise im
Bereich der Sensorik/Aktorik fallen bei den einzelnen Stationen bzw. für die
einzelnen Stationen nur sehr geringe Nutzdatenmengen an, so daß das Verhältnis
zwischen den Protokolldaten und Nutzdaten bei Anlagen der vorstehend
beschriebenen Art mit adressierter Ansprache außerordentlich schlecht werden
kann.
Aus der DE 40 26 581 A1 ist ein Steuerungssystem für eine Textilmaschine mit
einer Vielzahl von separat angetriebenen Spindeln mit einem seriellem Bus
bekannt. Dabei ist zumindest eine Datenleitung vorgesehen, welche durch die
Spindelstelle geführt ist und wobei zur Datenübermittlung Schieberegister
eingesetzt werden und jede Spindelstelle zwei getrennte Schieberegister aufweist.
Das komplette Prozeßabbild wird von einem Mikroprozessor in der Haupteinheit
zyklisch eingelesen und je nachdem ob mehr oder weniger Spindelstelle
angeschlossen sind, wird eine entsprechende Anpassung vorgenommen.
Im einzelnen wird in Abhängigkeit vom Prozeßabbild bei der Datenübertragung
entweder das eine Schieberegister bzw. bei der Übertragung von Befehlen das
andere Schieberegister in die Datenleitung eingeschleift oder die Datenleitung
überbrückt. Dadurch können ohne Zeitverzögerung online Daten von
Spindelstellen gesammelt, sowie ebenfalls online Funktionsfolgen an
Spindelstellen zentral programmiert werden. Ergänzend hierzu ist der Einsatz von
Schieberegistern mit unterschiedlichen Längen (je nach Bitbreite der beiden
Schieberegister werden eine unterschiedliche Anzahl von Signalen je
Spindelstelle verarbeitet) vorgesehen, wodurch der Busaufbau nicht starr ist.
Ein weiteres Übertragungsverfahren, bei dem die Übertragung aller Daten in der
Anlage innerhalb eines gemeinsamen Übertragungsrahmens ist aus Möhlenbein,
Hermann: Offener Echtzeit-Sensor/Aktiv-Bus für Standard-SPS-Systeme, in:
Sonderdruck aus: Hard and Soft, 1989 Nr. 7/8, Seite 29//33, insbesondere Seite
30, bekannt. bei diesem sogenannten Interbus-System liegen alle Stationen oder
Busteilnehmer zusammen mit der Zentralstation, dem "Busmaster", in einer
Ringleitung, dem Bus. Neben der Steuerung des Busverkehrs sorgt der Busmaster
auch für die Ankopplung an ein übergeordnetes Steuerungs- oder Rechnersystem.
Die Datenübertragung vom Busmaster zu den Busteilnehmern oder auch
umgekehrt erfolgt mit Hilfe von Schieberegistern in jeder Station. Die
Schieberegister aller Stationen sind über den Bus in Reihe geschaltet und bilden
eine gemeinsame Registerkette. Zur Übertragung von Daten an die Busteilnehmer
schiebt der Busmaster seriell und unter Takteinfluß die Daten in die Ringleitung
und damit die in Reihe geschalteten Schieberegister. Nach einer Anzahl von
Schiebetakten, die der Anzahl von in Reihe geschalteten Schieberegisterstufen
entspricht, sind die Daten richtig bei den einzelnen Teilnehmern positioniert.
Über ein Steuersignal wird dann das Ende eines solchen Buszyklus den
Teilnehmern mitgeteilt, die dann die Daten aus ihren Schieberegistern entnehmen
können. Auf die gleiche Weise erfolgt die Übertragung von den Teilnehmern zum
Busmaster. Hierbei gibt das Steuersignal an, daß die Teilnehmer jeweils wieder
neue, für den Busmaster bestimmte Daten in ihre Register laden können. Das
Interbus-System weist im Vergleich zu Datenübertragungsanlagen, bei denen alle
Teilnehmer parallel an eine ringförmige Übertragungsleitung angeschlossen sind
und jeweils einzeln mittels einer Adresse im Nachrichtenkopf unter Verwendung
herkömmlicher Protokolle aufgerufen werden, ein verbessertes Verhältnis
zwischen Nutz- und Rahmendaten auf.
Weiterhin ist aus der DE 36 03 751 A1 ein Informationsübertragungsverfahren
zur Übertragung digitaler Informationen zwischen einer Haupteinheit und einer
Anzahl von Untereinheiten eines elektrischen Geräts, insbesondere eines
modularen Automatisierungsgeräts, über ein Bussystem bekannt, das mindestens
eine Datenleitung zum Übertragen der Informationen, eine Taktleitung zur
Vorgabe eines gemeinsamen Systemtaktes und mindestens eine Steuerleitung zum
Übertragen von Steuersignalen aufweist, wobei zumindest die Datenleitung durch
die Untereinheiten hindurch geführt ist. Als Datenpfad wird ein
Ringschieberegister verwendet, während Befehlsübertragungen über zueinander
und zum Schieberegister parallele Befehlsleitungen erfolgen. Die Registerlänge
der in das Schieberegister eingeschleiften Einzelregister ist dabei konstant. Nur
beim Anlauf des elektrischen Geräts, beim sogenannten Identifikationslauf, kann
ein anderes Schieberegister in den Ring eingeschleift sein. In jedem Fall sind aber
bei jeder Informationsübertragung über das Ringschieberegister mindestens 4
bzw. 5 Bit pro Untereinheit in das Ringschieberegister eingeschleift. Von daher
ist stets das Durchschieben des gesamten Ringschieberegisters erforderlich, um
Informationen von der Haupteinheit zu einer der Untereinheiten bzw. umgekehrt
zu übertragen. Wenn also z. B. Informationen nur zu einer der Untereinheiten
übertragen werden sollen, muß ein Großteil von Leerinformationen mit
übertragen werden. Dies verringert die theoretisch erreichbare
Informationsübertragungsgeschwindigkeit. Um den Busaufbau nicht starr
vorzugeben, sondern ihn von Informationsübertragung zu Informationsüber
tragung nach Bedarf anzupassen, ist als Weiterentwicklung des
Informationsübertragungsverfahrens beim Gegenstand gemäß der EP 0 586 715
B1 vorgesehen, dass über die Datenleitung abwechselnd Befehle und Daten
übertragen werden, wobei bei der Übertragung von Befehlen, die Untereinheiten
die Datenleitung überbrücken und ein Schieberegister zur Abspeicherung eines
über die Datenleitung übertragenen Befehls an die Datenleitung ankoppeln und
bei der Übertragung von Daten, die Untereinheiten in Abhängigkeit vom zuletzt
übertragenen Befehl entweder ein Schieberegister in die Datenleitung einschleifen
oder die Datenleitung überbrücken.
Nachteilig bei diesem Informationsübertragungsverfahren mit einem
Schieberegisterring ist die Notwendigkeit, dass zusätzlich zu den Daten über die
Ringleitung zeitgleich Steuer- und Rahmeninformationen, z. B. die Information für
das Zyklusende, an alle Teilnehmerstationen übertragen werden muß. Dazu sind
dann zusätzlich zu der Ringleitung parallele Leitungen - insbesondere parallele
Steuerleitungen zur Zuführung der Steuersignale zu einer Auswerteeinheit,
welche erfaßt, ob als nächstes ein Befehl oder Daten über die Datenleitung
übertragen werden - erforderlich. Dadurch steigt der Aufwand bei der
Installation und Wartung und außerdem die Störanfälligkeit. Es handelt sich
nämlich meist um Leitungen, die in industrieller Umgebung, beispielsweise in
einer Fertigungsstraße, zwischen den einzelnen Stationen verlaufen und daher
einer erhöhten Beschädigungsgefahr ausgesetzt sind.
Um dies zu vermeiden ist aus der DE 41 00 629 C1 eine Steuer- und
Datenübertragungsanlage mit einer Anzahl von Anschaltmodulen für
Datenerfassungs- und Auswertestationen bekannt, welche in einer ringförmigen
Übertragungsleitung liegen und je ein Schieberegister enthalten. Das
Schieberegister ist zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Moduls
geschaltet und nimmt Daten derart auf, dass die Schieberegister aller
Anschaltmodule über die Übertragungsleitung in Reihe geschaltet sind und eine
gemeinsame Registerkette bilden. Weiterhin ist für die Steuerung der Anlage eine
Zentralstation in die Übertragungsleitung eingeschleift. Um eine Steuer- und
Datenübertragungsanlage zu schaffen, die ohne zusätzliche Parallelleitungen für
die Übertragung von Steuer- und Rahmeninformationen auskommt, ist im
einzelnen vorgesehen, dass jedes Anschaltmodul einen Umschalter aufweist, der
das Schieberegister überbrückt und eine Erkennungsschaltung an die
Übertragungsleitung anschaltet. Die Erkennungsschaltungen aller Anschaltmodule
sprechen parallel auf ein Steuersignal auf der Übertragungsleitung an und
betätigen den Umschalter, wodurch die Überbrückung der Schieberegister
aufgehoben wird.
Schließlich sind zur Datensicherung am Eingang und am Ausgang der
Anschaltmodule Prüfschaltungen vorgesehen, die aus den Eingangs- bzw.
Ausgangsdaten des Anschaltmoduls Eingangs- bzw. Ausgangsprüfdaten
errechnen. Unter Ansprechen auf ein Steuersignal der Zentralstation übertragen
die Anschaltmodule gleichzeitig ihre Ausgangsprüfdaten zum nachfolgenden
Anschaltmodul. Dort vergleicht eine Vergleichsschaltung die übertragenen
Ausgangsprüfdaten des vorhergehenden Anschaltmoduls mit den selbst
errechneten Eingangsprüfdaten und nur bei Übereinstimmung wird ein Signal zur
Übernahme der Daten aus dem Schieberegister erzeugt. Um fehlerhafte Teile der
Anlage abzutrennen, ist die ringförmige Übertragungsleitung an besonderen
Anschaltmodulen durch Öffnen und Überbrücken in Segmente unterteilbar, so
daß wahlweise einzelne Anschaltmodule oder Gruppen von Anschaltmodulen
abtrennbar sind.
Schließlich ist aus IEEE Standard Test Port and Boundary-Scan Architecture";
Institute of Electrical and Electronic Engineers; IEEE Std. 1149.1-1990 (includes
IEEE Std. 1149. 1a-1993) ein sogenannter Boundary-Scan Testbus bekannt,
welcher beginnend Mitte der 80'er Jahre im Rahmen der Joint Test Action Group
(JTAG), von einem über 200 Mitglieder starken Gremium entwickelt wurde. Bei
diesem Testbus werden zu Schieberegistern zusammenschaltbare Flip-Flops
allein für den Testzweck an den äußeren Rand der Schaltung bzw. des IC's
angeordnet; diese sind als Boundary-Scan Register bezeichnet. Da ihr
Vorhandensein die normale Funktion der Schaltung stören würde, werden diese
über Multiplexer zu- oder abgeschaltet.
Weiterer Bestandteil der Boundary-Scan Architektur sind der Test Access Port
TAP, an welchem der 4-Draht-Testbus (bzw. optional die Leitung reset)
angeschlossen ist, bzw. der TAP-Controller, welcher in Verbindung mit dem
Befehlsregister (instruction register) als Ablaufsteuerung die internen Takt- und
Steuersignale erzeugt. Die Befehlsregister können anwenderspezifische Befehle
speichern oder Standard-Informationen enthalten (z. B. die Identifikationsnummer
eines Schaltkreises).
Neben dem Boundary-Scan Register definiert der IEEE Std. 1149.1-1990 im
Minimum noch das Vorhandensein des bereits erwähnten Bypass-Registers als
weiteres Datenregister. Die Adressierung der Datenregister erfolgt durch den
vorher in das Befehlsregister eingelesenen Befehl; das jeweilige Datenregister
wird anschließend als Schiebepfad zwischen die TDI- und TDO-Pins des
Schieberegisterrings eingeschleift.
Die über die Datenleitung übertragenen Informationen umfassen Befehle und
Daten, wobei abwechselnd Befehle und Daten übertragen werden. Weiterhin
werden bei der Übertragung von Befehlen die Datenleitung durch das Bypass-
Register überbrückt und das Befehlsregister, zur Abspeicherung eines über die
Datenleitung übertragenen Befehls, an die Datenleitung angekoppelt und bei der
Übertragung von Daten wird - in Abhängigkeit vom zuletzt übertragenen Befehl -
entweder das Boundary-Scan Register in die Datenleitung eingeschleift oder die
Datenleitung durch das Bypass-Register überbrückt.
Wie die vorstehende Würdigung des Standes der Technik aufzeigt, ist für
unterschiedlich ausgestaltete Datenübertragungssysteme die Verwendung von
ringförmigen Übertragungsleitungen, insbesondere in Form serieller
Ringschieberegister, bekannt. Die Daten werden auf der Datenringleitung
geschoben und in der Busstation (Teilnehmereinrichtung) parallel übergeben,
wobei im Falle, dass pro Busstation mehr Bits benötigt werden, das
Ringschieberegister überbrückt und ein anderes Schieberegister in den Ring
eingeschleift wird. Damit wird, um eine hohe Verfügbarkeit zu besitzen, bei der
Ausgestaltung des Busses stets ein überhöhter Schieberegisteraufwand in
Verbindung mit Multipexern und Auswertelogik und einem komplexen
Kommunikationsprotokoll mit hohen Protokoll-Overhead in Kauf genommen. Da
eine schnelle, zyklische und sichere Übertragung beispielsweise von Sensor- und
Aktorsignalen in industrieller Umgebung von großem Nutzen ist und diese einen
hohen kostenmäßigen Aufwand für die unterschiedlich ausgestalteten Systeme
erfordert, kann die Forderung nach hoher Übertragungssicherheit nicht
kostengünstig erfüllt werden. Besonders bedeutsam ist dies, weil die
Automatisierungs-, Computer- sowie Telekommunikations-Industrie als äußerst
fortschrittliche, entwicklungsfreudige Industrie anzusehen ist, die sehr schnell
irgendwelche Verbesserungen und Vereinfachungen aufgreift und in die Tat
umsetzt.
Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten Datenübertragungssystemen die
Aufgabe zugrunde, dieses derart auszugestalten, dass - bei blockweiser
Übertragung von Daten - ein schnelle und sichere Datenübertragung gewährleistet
ist.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Datenübertragungssystem mit
bidirektionaler Datenburstübertragung mit den Merkmalen im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1, dadurch gelöst, dass über die bidirektionale Datenleitung eine
byteweise paritätsgesicherte asynchrone Nachrichtenübertragung stattfindet, dass
- über eine sequentiell durchschaltbare Steuerleitung - die Busstationen der
Zentrale ihre Empfangsbereitschaft und den Empfang von Datenbursts anzeigen
und dass die Busstation eine mit dem Schieberegister und der Steuerleitung in
Verbindung stehende Steuerschaltung aufweist, welche beim Feststellen eines
Paritätsfehlers des im Schieberegister zwischengespeicherten Datenbursts diese
Steuerleitung unterbricht.
Beim erfindungsgemäßen Datenübertragungssystem erfolgt im Vergleich zum
vorstehend gewürdigten Stand der Technik erstmalig eine systematische
Aufteilung zwischen Übertragung von Steuersignalen gemäß
Übertragungsprotokoll und Steuersignalen speziell für die Datenübertragung an
sich. Bekannte Lösungen bieten gerade für eine schnelle und sichere Übertragung
von Sensor- und Aktorsignalen in industrieller Umgebung nur eine eingeschränkte
Leistungsfähigkeit. Das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem weist
zudem den Vorteil auf, dass beim Stand der Technik eine vergleichbare
Datensicherung wesentlich mehr Zeit benötigt, so dass dort - über das Mittel
betrachtet - die effektive Nutzdatenmenge geringer ist. Weiterhin ist von Vorteil,
dass die Auswertung der Signalisierung sehr einfach ist und die Datensicherung
mit geringem Schaltungsaufwand durch einige wenige Baugruppen digital
realisiert werden kann. Dabei ist es auch möglich, einen ohnehin vorhandenen
Mikroprozessor bei der Auswertung mitzubenutzen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2, ist
in der Zentrale und den Busstationen jeweils ein Paritätsgenerator zur Bildung
von die Daten sichernden Paritätsbits vorgesehen und in der Busstation werden
sowohl Daten als auch Befehle zur Paritätsprüfung in demselben Schieberegister
zwischengespeichert, wobei im Falle eines Befehls, dieser erst nach
Paritätsprüfung aus dem Schieberegister ausgelesen und in einem Befehlsregister
gespeichert wird; in gleicher Weise erfolgt dies für Daten.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass durch den
Verzicht jeden empfangenen Datenburst zu speichern, einerseits auf überraschend
einfache Art und Weise die Steuereinrichtung von der Auswertung fehlerhafter
Steuersignale entlastet andererseits das Überschreiben von korrekten
Steuerbefehlen mit fehlerhaften Steuerbefehlen zuverlässig verhindert wird. Dies
um so mehr, da das Auftreten von Bündelfehlern wahrscheinlicher als die
Verfälschung einzelner Bits ist und die Rechenzeit zur Korrektur von verfälschten
Bits größer wäre als die Übertragungszeit für dieselben Daten. Insgesamt ist
dadurch eine schnelle und sichere Überwachung der angeschlossenen Bustationen
auf Daten- und Funktionsfehler möglich.
In Weiterbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 3, am Ausgang der
Busstation ein Multiplexer angeordnet, welcher mit der Steuereinrichtung und
dem Schieberegister verbunden ist und welcher nach Maßgabe der Steuersignale
entweder die Busstation überbrückt oder zumindest Datenburstteile des
Schieberegisters weiterleitet.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass gleichzeitig in
allen Busstationen die Durchführung einer Datenüberprüfung und Auswertung des
empfangenen Datenbursts durchgeführt werden kann. Im Fehlerfall oder auch zur
Durchführung von Wartungs- oder Änderungsarbeiten kann die betreffende
Busstation vom Datenübertragungssystem abgetrennt werden, ohne den
Gesamtbetrieb zu stören.
Vorzugsweise besteht, gemäß Patentanspruch 4, das Schieberegister aus einer
Schieberegisterkette mit gleichlangen Schieberegistern und die Steuereinrichtung
weist eine Anzahl von Paritätsauswertern auf, welche jeweils mit den
Datenausgängen der Schieberegister verbunden sind, wobei die Paritätsauswerter
identifizieren, ob eingehende Paritätsprüfbits eine bestimmte Anzahl von Bits in
einem vorgegebenen logischen Zustand "1" oder "0" aufweisen.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil, dass das Auftreten von Fehlern schnell
detektiert werden kann und lediglich der verfälschte Teil des Datenbursts erneut
übertragen werden muß.
In Weiterbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 5, mindestens die erste
Schieberegisterstufe mit dem Befehlsregister verbunden, wobei der Datenburst
ohne das abgestreifte Paritätsbit im Befehlsregister gespeichert wird.
Diese Weiterbildung der Erfindung weist - im Vergleich zur vollständigen
Abspeicherung des Datenbursts - den Vorteil eines verringerten
Speicheraufwands auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 6,
zum Umschalten der Schieberichtung am Eingang und am Ausgang der
Busstation jeweils ein von der Steuereinrichtung gesteuerter und mit der
Datenleitung und der Schieberegisterkette verbundener Umschalter angeordnet.
Diese Ausgestaltung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass mit geringem
Schaltungsaufwand eine Datenübertragung von der Zentrale zu den Busstationen
und umgekehrt erfolgen kann.
Vorzugsweise weist, gemäß Patentanspruch 7, der Multiplexer einen weiteren
Schaltanschluß auf, welcher sowohl mit dem eingangsseitigen Umschalter als
auch mit dem Eingang der ersten Schieberegisterstufe verbunden ist, wodurch der
Datenburst gleichzeitig der nachfolgenden Busstation und der ersten
Schieberegisterstufe zugeführt wird.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil, dass eine priorisierte
Datenübertragung durchgeführt werden kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die
Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Datenübertragungssystems.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Datenübertragungssystems. Als Anwendungsbeispiel wird ein
Echtzeit-Sensor/Aktor-Bus für Standard-SPS-Systeme beschrieben. Das
erfindungsgemäße Datenübertragungssystem kann beispielsweise bei
drahtgebundenen oder drahtlosen Punkt zu Mehrpunkt-Übertragungsystemen,
wie beispielsweise passiven optischen Netzen, Koaxialkabelnetzen,
Automatisierungssystemen oder Funksystemen mit Rückkanal eingesetzt werden.
Beim erfindungsgemäßen Datenübertragungssystem findet eine bidirektionale
Datenburstübertragung zwischen einer Zentrale und mindestens einer an einen
Bus (in Form eines Strangs) angeschlossenen Busstation BS statt. Der Bus weist
eine bidirektionale Datenleitung D und mindestens eine Steuerleitung S sowie
eine Taktleitung T auf, welche durch die Busstation BS geführt sind. Über die
bidirektionale Datenleitung D findet eine byteweise paritätsgesicherte asynchrone
Nachrichtenübertragung statt und die Busstationen BS zeigen über eine
sequentiell durchschaltbare Steuerleitung R der Zentrale ihre
Empfangsbereitschaft und den Empfang von Datenbursts an. Die Busstation BS
weist eine mit dem Schieberegister SR und der Steuerleitung R in Verbindung
stehende Steuerschaltung ST auf, welche beim Feststellen eines Paritätsfehlers
des im Schieberegister SR zwischengespeicherten Datenbursts diese
Steuerleitung R unterbricht. Bei der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsform wird der Schalter durch ein UND-Gatter UR in der
Steuerschaltung ST realisiert. Ist kein Paritätsfehler feststellbar, so werden
sowohl dem ersten Eingang (über Anschluß EP das Ergebnis der eigenen
Paritätsprüfung) als auch dem zweiten Eingang des UND-Gatters UR der
logische Wert "1" (Ergebnis der Paritätsauswertung in der vorangegangenen
Busstation) zugeführt.
In der Zentrale und den Busstationen BS ist jeweils ein Paritätsgenerator PG1, . .,
PGn zur Bildung von die Daten sichernden Paritätsbits vorgesehen und in der
Busstation BS werden sowohl Daten als auch Befehle zur Paritätsprüfung in
demselben Schieberegister SR zwischengespeichert. Im Falle eines Befehls, wird
dieser erst nach Paritätsprüfung aus dem Schieberegister SR ausgelesen und in
einem Befehlsregister BR gespeichert. Im einzelnen besteht das Schieberegister
SR aus einer Schieberegisterkette mit gleichlangen Schieberegistern SR1, SR2, . .,
SRn und die Steuereinrichtung ST weist eine Anzahl von Paritätsauswertern
PW1, PW2, . ., PWn auf, welche jeweils mit den Datenausgängen der
Schieberegister SR1, SR2, . ., SRn verbunden sind. Die Paritätsauswerter PW1,
PW2, . ., PWn identifizieren, ob eingehende Paritätsprüfbits eine bestimmte
Anzahl von Bits in einem vorgegebenen logischen Zustand "1" oder "0"
aufweisen. Mindestens die erste Schieberegisterstufe SR1 ist mit dem
Befehlsregister BR verbunden, wobei der Datenburst ohne das abgestreifte
Paritätsbit im Befehlsregister BR gespeichert wird.
Zum Umschalten der Schieberichtung ist am Eingang und am Ausgang der
Busstation BS jeweils ein von der Steuereinrichtung ST gesteuerter und mit der
Datenleitung D verbundener Umschalter UE, UA angeordnet. Weiterhin ist am
Ausgang der Busstation BS ein Multiplexer M angeordnet, welcher mit der
Steuereinrichtung ST, dem ausgangsseitigen Umschalter UA und der
Schieberegisterkette SR1, SR2, . ., SRn verbunden ist. Der Multiplexer M weist
einen weiteren Schaltanschluß Ü auf, welcher sowohl mit dem eingangsseitigen
Umschalter UE als auch mit dem Eingang der ersten Schieberegisterstufe SR1
verbunden ist. Dadurch wird der Datenburst gleichzeitig der nachfolgenden
Busstation BS und der ersten Schieberegisterstufe SR1 zugeführt.
Schließlich ist zumindest das erste Bit des in die erste Schieberegisterstufe SR1
eingelesenen Datenbursts abgreifbar und wird einem weiteren Schaltanschluß H
des Multiplexers M zugeführt. Hierdurch besteht die Möglichkeit das Hochlaufen
und die Selbstkonfiguration des Datenübertragungssystems schnell ablaufen zu
lassen. Zunächst wird von der Zentrale der Befehl "Selbstkonfiguration einlesen"
für die Busstationen BS ausgegeben. Der Befehl "Selbstkonfiguration einlesen" ist
ein Summenbefehl, der bewirkt, dass in jeder Busstation BS das Schieberegister
SR mit dem Wert Null in die Datenleitung D geschaltet wird. Da die Datenleitung
D auf der Zentrale abgewandten Seite jeder Busstation BS über einen in der
Zeichnung nicht dargestellten Pull-up-Widerstand mit der Versorgungsspannung
verbunden ist, wird von der letzten Busstation BS zwar ein Null-Bit als Meldung
für die angeschlossene Prozeßbaugruppe ausgegeben, danach werden aber stets
1-Bits weitergereicht. Der Grund dafür ist, daß der Pull-up-Widerstand dieser
Busstation die Datenleitung D auf der Zentrale abgewandten Seite stets auf Eins
hält. Gleiches kann für die sequentiell durchschaltbare Steuerleitung R angewandt
werden.
Das erfindungsgemäße Datenübertragungssystem weist den Vorteil der
vielfältigen Einsatzmöglichkeit auf und ist auch zum nachträglichen Aufrüsten in
bestehenden Systemen geeignet. Insbesondere ist es auch kompatibel zu
bestehenden Systemen ohne Paritätsprüfung, wobei die Schieberegisterkette SR1,
SR2, . ., SRn dann beim Hochlaufen bzw. Selbstkonfiguration des Systems auf
eine 8-bit-Struktur umgeschaltet wird. Weitere Vorteile sind im Vergleich zum
bekannten Stand der Technik die wesentlich geringere Anzahl von parallel
liegenden Schieberegistern sowie die Einsparung eines Multiplexers am Eingang
der Busstation BS für die Umschaltung auf das jeweilige Schieberegister mit
unterschiedlicher Schieberegisterlänge. Zudem werden durch die Topologie
Laufzeit- bzw. Jitterprobleme zuverlässig vermieden und in jeder Busstation kann
vor dem Weiterschieben der Daten ein Wiederauffrischen vorgenommen werden.
Alle dargestellten und beschriebenen Ausführungsmöglichkeiten, sowie alle in der
Beschreibung und/oder der Zeichnung offenbarten neuen Einzelmerkmale und
ihre Kombination untereinander, sind erfindungswesentlich. Beispielsweise kann
zur vorrangigen Alarmbehandlung eine zusätzliche Alarmleitung A oder zum
Umschalten zwischen Befehls- und Datenübertragung eine weitere Steuerleitung
SD vorgesehen werden, der Einsatz bei einem Datenübertragungssystem mit
ringförmigen Übertragungsleitungen, insbesondere in Form serieller
Ringschieberegister (für Zweige mit hoher Nutzdatenmenge) ist möglich u. a.
Claims (8)
1. Datenübertragungssystem mit bidirektionaler Datenburstübertragung zwischen
einer Zentrale und mindestens einer an einen Bus angeschlossenen
Busstation (BS), bei dem der Bus eine bidirektionale Datenleitung (D) und
mindestens eine Steuerleitung (S) sowie eine Taktleitung (T) aufweist, welche
durch die Busstation (BS) geführt sind und bei dem in der Busstation (BS)
angeordnete Schieberegister (SR) zusammen mit denen anderer
Busstationen (BS) zu einer gemeinsamen Schieberegisterkette
zusammenschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass über die
bidirektionale Datenleitung (D) eine byteweise paritätsgesicherte asynchrone
Nachrichtenübertragung stattfindet, dass - über eine sequentiell
durchschaltbare Steuerleitung (R) - die Busstationen (BS) der Zentrale ihre
Empfangsbereitschaft und den Empfang von Datenbursts anzeigen und dass
die Busstation (BS) eine mit dem Schieberegister (SR) und der Steuerleitung
(R) in Verbindung stehende Steuerschaltung (ST) aufweist, welche beim
Feststellen eines Paritätsfehlers des im Schieberegister (SR)
zwischengespeicherten Datenbursts diese Steuerleitung (R) unterbricht.
2. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in
der Zentrale und den Busstationen (BS) jeweils ein Paritätsgenerator (PG1, . .,
PGn) zur Bildung von die Daten sichernden Paritätsbits vorgesehen ist und
dass in der Busstation (BS) sowohl Daten als auch Befehle zur Paritätsprüfung
in demselben Schieberegister (SR) zwischengespeichert werden, wobei im
Falle eines Befehls, dieser erst nach Paritätsprüfung aus dem Schieberegister
(SR) ausgelesen und in einem Befehlsregister (BR) gespeichert wird.
3. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass am Ausgang der Busstation (BS) ein Multiplexer (M) angeordnet ist,
welcher mit der Steuereinrichtung (ST) und dem Schieberegister (SR)
verbunden ist und welcher nach Maßgabe der Steuersignale entweder die
Busstation (BS) überbrückt oder zumindest Datenburstteile des
Schieberegisters (SR) weiterleitet.
4. Datenübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schieberegister (SR) aus einer Schieberegisterkette mit gleichlangen
Schieberegistern (SR1, SR2, . ., SRn) besteht, dass die Steuereinrichtung
(ST) eine Anzahl von Paritätsauswertern (PW1, PW2, . ., PWn) aufweist,
welche jeweils mit den Datenausgängen der Schieberegister (SR1, SR2, . .,
SRn) verbunden sind, wobei die Paritätsauswerter (PW1, PW2, . ., PWn)
identifizieren, ob eingehende Paritätsprüfbits eine bestimmte Anzahl von Bits
in einem vorgegebenen logischen Zustand "1" oder "0" aufweisen.
5. Datenübertragungssystem nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens die erste Schieberegisterstufe (SR1) mit dem Befehlsregister
(BR) verbunden ist, wobei der Datenburst ohne das abgestreifte Paritätsbit im
Befehlsregister (BR) gespeichert wird.
6. Datenübertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Umschalten der Schieberichtung am Eingang und am Ausgang der
Busstation (BS) jeweils ein von der Steuereinrichtung (ST) gesteuerter und
mit der Datenleitung (D) und der Schieberegisterkette (SR1, SR2, . ., SRn)
verbundener Umschalter (UE, UA) angeordnet ist.
7. Datenübertragungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Multiplexer (M) einen weiteren Schaltanschluß (Ü) aufweist, welcher
sowohl mit dem eingangsseitigen Umschalter (UE) als auch mit dem Eingang
der ersten Schieberegisterstufe (SR1) verbunden ist, wodurch der Datenburst
gleichzeitig der nachfolgenden Busstation (BS) und der ersten
Schieberegisterstufe (SR1) zugeführt wird.
8. Datenübertragungssystem nach Anspruch 4 und 6, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest das erste Bit des in die erste Schieberegisterstufe (SR1)
eingelesenen Datenbursts abgreifbar ist und einem weiteren Schaltanschluß
(H) des Multiplexers (M) zugeführt wird.
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