專利名稱：用于開放式自動化系統(tǒng)的總線用戶的數(shù)據(jù)通信的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明首先涉及一種用于數(shù)據(jù)通信的方法，特別是用于開放式自
動化系統(tǒng)的總線用戶耦合的方法，還涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1或9的 可自由編程的通信處理器。此外，本發(fā)明還涉及一種用于數(shù)據(jù)通信的 方法，特別是用于配置的方法，以及一種根據(jù)權(quán)利要求14和19的具 有靈活的通信結(jié)構(gòu)的設備，特別是自動化設備。最后本發(fā)明涉及一種 根據(jù)權(quán)利要求20或21和24的、用于數(shù)據(jù)通信、特別是用于對具有 分布式控制的自動化系統(tǒng)的彼此通過串行數(shù)據(jù)總線通信的總線用戶 進行同步的方法和裝置。
背景技術(shù)：
長久以來就已公開了在控制技術(shù)和自動化技術(shù)中使用現(xiàn)場總線 和以太網(wǎng)，特別是關(guān)于實時以太網(wǎng)的擴展，用于在單個的、參加進程 的控制的單元之間的數(shù)據(jù)通信。已公開的現(xiàn)場總線例如是CAN總線、 Profil總線、Mod總線、DeviceNet或者Inter總線。這些單元的通信 借助特定的協(xié)議在現(xiàn)場總線/以太網(wǎng)上進行。為了能夠與根據(jù)用于聯(lián)網(wǎng) 的開放系統(tǒng)的要求相對應，有必要提供簡單并且成本低廉的通信機 制，以便使得工業(yè)設備能夠具有網(wǎng)絡能力。該要求首先也與傳動部件 的耦合關(guān)聯(lián)，例如在數(shù)字控制的機床和機器人中的傳動調(diào)節(jié)器、功率 部分和傳送器之間的耦合，其中多個插入其中的軸必須被同步地驅(qū) 動。在不同的技術(shù)系統(tǒng)越來越多地聯(lián)網(wǎng)的情況下，因此對于工業(yè)中的 標準化結(jié)構(gòu)的要求也不斷增長。
對此的 一 個例子是根據(jù)所謂的執(zhí)行機構(gòu)-傳感器-接口 -標準 (簡稱ASI標準)的現(xiàn)場總線。該現(xiàn)場總線概念特別被用于使得二進 制的傳感器或者執(zhí)行機構(gòu)直接具有總線能力，而這一點迄今利用其他
總線系統(tǒng)是不可能的。自動化系統(tǒng)由可以與總線系統(tǒng)耦合的硬件部 件、特別是電動機、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等等(也即進程環(huán)境)構(gòu)成， 這些部件與一個或者多個上級的控制裝置一同形成了自動化的生產(chǎn) 過程。在此，總線主控承擔所有對于處理總線運行必要的任務。通常， 該總線主控與實際的控制單元分離，以控制硬件部件。
為了以簡單的方式實現(xiàn)開放的和靈活的系統(tǒng)工作方式，其中硬件
部件可以無需改變控制程序而被更換，由DE 198 50 469A1公開了一 種自動化系統(tǒng)和方法，用于訪問硬件部件的功能性，其中這些部件各 具有系統(tǒng)連接單元，這些系統(tǒng)連接單元帶有功能對象作為硬件部件的 實際功能性的映像，其中設置了用于通過總線系統(tǒng)訪問硬件部件的功 能性的功能對象。為了將硬件部件實現(xiàn)為"即插即用"模塊，需要直接 在硬件部件中設置特殊的模塊，功能對象可在其上執(zhí)行，作為至硬件 部件的功能性的入口。該特殊的模塊以系統(tǒng)連接單元的形式來實現(xiàn)。 系統(tǒng)連接單元與自動化系統(tǒng)的總線系統(tǒng)耦合，使得通信數(shù)據(jù)例如可以 從引導系統(tǒng)傳輸?shù)接布考?，以及從所有與總線系統(tǒng)耦合的另外的部 件傳輸，或者傳輸?shù)剿信c總線系統(tǒng)耦合的另外的部件。由此，借助 系統(tǒng)連接單元，可能不改變自動化系統(tǒng)的存在的結(jié)構(gòu)而替換、補充硬 件部件等等。此外，特別是可以在引導系統(tǒng)和硬件部件之間可以省去 迄今都需要的交換對象。為了網(wǎng)絡過渡，系統(tǒng)連接單元具有存儲器， 用于存儲在兩個總線系統(tǒng)之間所需的協(xié)議。這樣，例如以簡單的方式 可能實現(xiàn)在以太網(wǎng)(數(shù)據(jù)傳輸率10Mbit/s )、特別是高速以太網(wǎng)(數(shù) 據(jù)傳輸率100Mbit/s - IEEE標準802.3-1998 )以及Profi總線之間的 過渡。將分配給硬件部件的系統(tǒng)連接單元嵌入到其環(huán)境中，可以通過 這種方式來實現(xiàn)功能對象至少包含一個第一功能對象，用于生成硬 件部件的最小功能性；至少一個第二功能對象，用于電路連接功能對 象，以及至少一個第三功能對象，用于列出在系統(tǒng)處理單元和/或在遠 處的系統(tǒng)處理單元和/或遠處的計算機上存在的功能對象。功能對象的 特殊的功能在于，列舉(即詢問)系統(tǒng)的功能性的總和。功能對象例 如被構(gòu)造為所謂的DCOM對象(分布組件對象模型)或者構(gòu)造為所謂的OLE對象(對象鏈接與嵌入)。此外，系統(tǒng)連接單元具有運行 時間系統(tǒng)(Rumtime-System )以及協(xié)議處理單元(Profibus， UDP/IP, RPC)。因此，系統(tǒng)連接單元是標準模塊，其必須保證對于現(xiàn)場總線 特定的協(xié)議，并且通常相當復雜并且由此相對比較昂貴。
為了保證參加安全性重要的進程的單元的無錯誤的 (fehlersichere )通信，其中同時可以使用標準模塊作為總線主控， DE 199 28 517 C2公開了一種控制系統(tǒng)，其中總線主控與第一控制單 元以及信號單元分離地連接到現(xiàn)場總線上，其中第一控制單元關(guān)于電 報流的流通方向設置在信號單元之前，并且其中第一控制單元具有一 裝置，以將尋址到信號單元的電報數(shù)據(jù)通過無錯誤的電報數(shù)據(jù)來替 換。在此，控制單元可能作為簡單的總線用戶，即沒有總線主控功能 地連接到現(xiàn)場總線上。此外，控制系統(tǒng)具有第二控制單元，用于控制 安全性重要的進程。該第二控制單元與第一控制單元分離地連接到現(xiàn) 場總線上。第二控制單元除了其它已知的部件之外還具有微控制器以 及主協(xié)議芯片。在當前情況中，主協(xié)議芯片具有Inter總線的總線主 控功能，并且被稱為總線主控。這種主協(xié)議芯片作為標準模塊可以從 不同的制造商獲得。包含于第一控制單元中的通信模塊具有從設備協(xié) 議芯片，其通過第一總線端子在輸入側(cè)與現(xiàn)場總線相連，并且通過第 二總線端子在輸出側(cè)與現(xiàn)場總線相連。協(xié)議芯片對應于包含于信號單 元中的協(xié)議芯片，它們作為總線用戶將與安全性相關(guān)的設備連接到現(xiàn) 場總線上。為了在具有順序流通的電報流的現(xiàn)場總線中也提供不具有 總線主控功能的總線用戶之間的從設備-從設備通信，希望將數(shù)據(jù)發(fā) 送給其他總線用戶的總線用戶的協(xié)議芯片被添加發(fā)送存儲器和必要 時添加接收存儲器。于是，流通的電報流的工作方式基于設置在每個 總線用戶中的相同的從設備協(xié)議芯片，其通常被稱為"串行微處理器 接口"(SUPI)。通過利用可以從不同制造商獲得的標準模塊，可以 將控制系統(tǒng)的成本保持為更低?？傮w上，為了現(xiàn)場總線而必須保證特 定協(xié)議的總線主控和信號單元的成本復雜，并且由此相對較高。
在DE 299 07 909 Ul中7>開了類似的方法，并且涉及一種基于插件板的集成監(jiān)視系統(tǒng)的制造設備。詳細而言，每個插件板都具有微 處理器，與微處理器相連的用于存儲處理數(shù)據(jù)的存儲單元，與微處理
器相連的傳感器總線接口 (RS 485)以及現(xiàn)場總線接口 (RS 485)， 用于連接到調(diào)制解調(diào)器的業(yè)務接口 (RS-232)和用于將微處理器與主 計算機相連的接口 (ISA-總線接口)。集成的現(xiàn)場總線接口或者傳感 器總線接口分別具有ISO接口和現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)處理器(SPC3)，在 本例中為Profi總線數(shù)據(jù)處理器。機器控制可選地通過集成的Profil
總線接口與插件板相連，或者通過i/o盒與傳感器電子單元相連。集
成的傳感器電子單元能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器的供電、傳感器數(shù)據(jù)的采集、測 量信號預處理(信號濾波、放大等等)以及簡單的信號分析(數(shù)字濾 波，峰值檢測等等)。因此，只能傳感器電子單元被理解為這樣的模 塊，其具有自己的微控制器、濾波器、放大器、電源盒傳感器總線接 口 。傳感器電子單元可以通過插件板在每次處理之前被重新參數(shù)化。 這例如涉及放大因子、濾波值和將多個輸入信號計算為總和信號。通 過Profil總線接口，使得監(jiān)視與處理進程同步。通過所謂的自動化的 設置例程，可以將監(jiān)視系統(tǒng)簡單地集成到制造設備中。自動化的設置 例程例如執(zhí)行在控制裝置上的語言的識別以及與此相連的語言轉(zhuǎn)換、 在傳感器總線上的傳感器的識別以及放大值和濾波值的自動配置。存 儲器可編程的控制裝置(SPS)的輸入端和輸出端被獨立分配，并且 自動地以主計算機的時間校準插件板上的實時時鐘的時間。插件板允 許監(jiān)視例如多達四個傳感器通道，其中借助傳感器總線接口的通信傳 感器，實現(xiàn)了高達460.8kBaud的數(shù)據(jù)傳輸率，同時實現(xiàn)了更高的抗 干擾性。優(yōu)選的是，插件板的微處理器處理Hamming距離為4的 Haming碼中的數(shù)據(jù)，并且負責加密和解密。在微處理器和至主計算 機的ISA總線接口之間設置了地址解碼器，其以已知的方式負責PC 中的地址訪問和存儲器訪問的編碼和解碼。插件板的電壓供給通過 ISA接口進行，通過該接口還進行與主計算機的通信。因為插件板具 有自己的負責監(jiān)視的處理器，所以主計算機的CPU沒有被占用計算 能力。為了與傳感器電子單元通信，定義了具有實時能力的傳感器總 線協(xié)議。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)請求測量數(shù)據(jù)以及以限定的應答時間來對傳
感器進行控制和參數(shù)化。監(jiān)視數(shù)據(jù)例如以10ms的時鐘被處理，并且 傳感器數(shù)據(jù)預處理允許低于lms的釆樣率。由此，對于碰撞監(jiān)視可以 保證低于lms的反應時間。通過現(xiàn)場總線或者Profi總線，除了同步 數(shù)據(jù)之外，還可以有利地傳輸對于進程特定的軸信號，例如扭矩、電 動機電流和軸速度。該協(xié)議例如可以允許請求多達八個不同的軸。所 需的控制數(shù)據(jù)也可以直接從機器控制裝置的控制核通過現(xiàn)場總線提 供給插件板的微處理器。在這種情況中，無需特殊的傳感機構(gòu)，并且 在插件板上的傳感器總線接口可以省去。通過業(yè)務接口，所有的設置、 軟件更新以及進程可視化都可以實現(xiàn)。通過設置為調(diào)制解調(diào)器接口 ， 通過調(diào)制解調(diào)器可以有遠程業(yè)務功能和遠程診斷功能可用。通過這種 方式，該系統(tǒng)可以從遠處完全地操作和參數(shù)化。進程數(shù)據(jù)的可視化可 以通過在主計算機(控制裝置、工業(yè)PC)上的程序來實現(xiàn)。而又不 利的是，插件板和為了現(xiàn)場總線必須保證特定的協(xié)議的智能傳感器電 子單元復雜并且由此相對昂貴。
此外，DE 198 31 405 Al公開了 一種帶有個人計算機的控制系 統(tǒng)，其為了處理控制程序而具有至少PC處理器、程序存儲器和數(shù)據(jù) 存儲器，并且其設置有通信處理器，用于接通到現(xiàn)場總線上。用于控 制進程的傳感器和/或執(zhí)行機構(gòu)可以連接到該現(xiàn)場總線上。為了在現(xiàn)場 總線上的通信，在個人計算機中插入了插件板，其連接到內(nèi)部的PCI 總線上，該PCI總線具有數(shù)據(jù)線、控制線和地址線。通過PCI總線 接通以及內(nèi)部總線，PC處理器與插件板的部件通信。在插件板上設 置有通信處理器，其在相應的參數(shù)化之后通過PC處理器獨立地進行 現(xiàn)場總線上的周期數(shù)據(jù)傳輸，并且基本上由ASIC構(gòu)成。通信處理器 可以作為在具有周期的數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)場總線上的主設備根據(jù) PROFIBUS DP的方式被驅(qū)動，并且在采集處理數(shù)據(jù)時具有"時鐘拍 (Taktschlaeger)"的功能。此外，設置了存儲器，其中存儲在現(xiàn)場 總線上進入的進程數(shù)據(jù)。該存儲器由此保持當前的進程映像。通過PC 處理器可以在任何時候訪問該進程映像。為了減輕PC處理器的對進
入的進程數(shù)據(jù)的輪詢負擔，或者減輕其監(jiān)視現(xiàn)場總線周期的負擔，設 置了監(jiān)視單元。監(jiān)視單元可以通過可參數(shù)化的硬件電路來實現(xiàn)，但是 通過擴展通信處理器程序的軟件解決方案也是可能的。在此，硬件電
路由小的RAM構(gòu)成，其被結(jié)合到PC處理器的地址空間中，并且因 此可以直接由該處理器尋址。硬件電路還由可編程的邏輯模塊構(gòu)成， 其對應于存在RAM中的參數(shù)化而監(jiān)視現(xiàn)場總線上的周期數(shù)據(jù)傳輸和/ 或在現(xiàn)場總線上進入的數(shù)據(jù)。在控制程序在程序存儲器中啟動時，PC 處理器訪問RAM,并且在那里設置相應的位，以便用所希望的方式 來確定監(jiān)視單元的功能。通過該參數(shù)化，例如確定了在什么情況下監(jiān) 視單元應該產(chǎn)生中斷，該中斷通過PCI總線接通和PCI總線轉(zhuǎn)發(fā)給 PC處理器。由此確定了，在什么結(jié)果的情況下應該通過控制程序引 起PC處理器進一步處理在現(xiàn)場總線上進入的數(shù)據(jù)。在激活的處理控 制裝置的情況下，通信處理器作為主設備持續(xù)地輪詢作為從設備在現(xiàn) 場總線上被驅(qū)動的用戶，例如傳感器，如流量測量變換器或者料位測 量變換器，或者執(zhí)行機構(gòu)，如在油箱上的入口閥或出口閥。當通過通 信處理器讀入了從設備的處理數(shù)據(jù)時，通信處理器將其記入存儲器的 為相應的進程數(shù)據(jù)設置的存儲單元中。監(jiān)視單元的邏輯模塊借助寫訪 問的地址來檢驗是否在改變相應的進程數(shù)據(jù)時必須產(chǎn)生中斷。該檢驗 可能以簡單的方式進行，因為單個從設備的進程數(shù)據(jù)被分別存儲在存 儲器內(nèi)的固定的存儲位置上。如果要在改變相應的數(shù)據(jù)時產(chǎn)生中斷， 則在邏輯模塊中被實現(xiàn)的數(shù)據(jù)比較器將通過通信處理器置于總線上 的數(shù)據(jù)與事先通過邏輯模塊從存儲器中讀取的先前的進程數(shù)據(jù)進行
比較。因為進行了當前進入的數(shù)據(jù)與先前的進程數(shù)據(jù)的比較，以及進 行了通過硬件實現(xiàn)的監(jiān)視單元的中斷生成，所以有利地能夠?qū)崿F(xiàn)對于 進程數(shù)據(jù)的改變的非?？斓目刂葡到y(tǒng)反應。而不利的是，為了現(xiàn)場總 線而必須保證特定的協(xié)議的通信處理器和監(jiān)視單元復雜，并且由此相 對而言較昂貴。
還公開了在將不同的通信系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時利用(高速)以太網(wǎng)傳輸技 術(shù)。例如，DE 100 47 925 Al公開了一種用于在具有以太網(wǎng)物理特性
的通信系統(tǒng)中的多個網(wǎng)絡用戶之間實時通信的方法，其中主設備單元 和一個或多個從設備單元借助通過網(wǎng)絡傳輸?shù)碾妶蠖舜送ㄐ?。以?同距離的釆樣時間點進行周期的電報交換，其方式是每個從設備單元 都通過公共的時基被同步到主設備單元上，并且通過時隙訪問方法實 現(xiàn)對于網(wǎng)絡用戶之間的發(fā)送運行和接收運行的訪問控制。對于通信系 統(tǒng)的效率的要求在自動化技術(shù)中、例如在耦接驅(qū)動部件時特別高。在 傳送器、功率部件和傳動調(diào)節(jié)裝置之間的數(shù)據(jù)交換中，作為進入調(diào)節(jié) 環(huán)路中的空載時間的數(shù)據(jù)傳輸時間是特別重要的量。該空載時間越 小，則借助調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以達到越高的動態(tài)響應。因為在自動化技術(shù)中， 重要的是高精度的保持實時條件以及傳輸?shù)母呖煽啃?，所以不滿足這
些要求的(高速)以太網(wǎng)的被標準化的傳輸層2 (電報框架和訪問方 法)被通過新的電報框架和新的訪問控制裝置而全新地定義，并且由 此使用以太網(wǎng)物理特性作為在例如工作部件之間的實時通信的基礎。 在此，可以實現(xiàn)在調(diào)節(jié)單元和傳送器以及功率部件之間的通信，以及 至運動控制裝置的連接。為了能夠以相同的采樣時間點來實現(xiàn)周期的 數(shù)據(jù)交換，制造了針對主設備和所有從設備的共同的時基。從設備與 主設備的同步通過特別突出的、時間上被限定的發(fā)送給從設備的主設 備的電報以及在從設備中的單個的參數(shù)化的時間計數(shù)器來實現(xiàn)。有用 數(shù)據(jù)可以在電報框架中被傳送，該電報框架除了從設備尋址和電報長 度信息之外，還提供了借助例如CRC校驗和的對數(shù)據(jù)完整性的保險 機制以及另外的與安全性相關(guān)的數(shù)據(jù)區(qū)域。在電報框架中的數(shù)據(jù)不僅 可以被應用處理器分析，而且可以被通信模塊分析，這能夠?qū)崿F(xiàn)第二 觸發(fā)通道。雖然應用的傳輸技術(shù)根據(jù)以太網(wǎng)標準原理上僅僅允許點對 點連接，但是如在(高速)以太網(wǎng)網(wǎng)絡中也可以通過使用網(wǎng)絡節(jié)點(所 謂的HUB)來實現(xiàn)網(wǎng)絡的構(gòu)建，其方式是多個或者每個網(wǎng)絡用戶都擁 有電路部分用于形成網(wǎng)絡節(jié)點，該電路部分用于朝著另外的主設備單 元或者另外的從設備單元的方向轉(zhuǎn)發(fā)電報。通過這種方式，也可以建 立具有以太網(wǎng)物理特性的、帶有通過網(wǎng)絡節(jié)點相連的點對點連接的分 層網(wǎng)絡，用于在更大的網(wǎng)絡拓樸中執(zhí)行實時通信。這也適合于分布的
工作系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)或者耦合，其方式是第一通信系統(tǒng)包括數(shù)字的運動控 制裝置作為主設備單元，并且包括至少一個調(diào)節(jié)單元作為從設備單 元。其中每個調(diào)節(jié)單元用作另外的通信系統(tǒng)的主設備單元，該另外的 通信系統(tǒng)具有至少一個功率部件，用于驅(qū)動電動機，并且具有所屬的 傳送器系統(tǒng)作為從設備單元。通過在每個網(wǎng)絡用戶內(nèi)的高速以太網(wǎng)線 路驅(qū)動器和可能的網(wǎng)絡節(jié)點，電報到達相應的協(xié)議模塊，該協(xié)議模塊 處理電報協(xié)議，并且其中實現(xiàn)了時隙訪問方法。當協(xié)議模塊與從應用 的微處理器(實際的功率部件)無關(guān)時，可以借助電報框架的控制位 觸發(fā)在從裝置中的確定的應用事件，而無需其微處理器和相應的軟 件。這對應于第二觸發(fā)通道，如其對于確定的針對安全性應用(例如 緊急停止)所要求的那樣。
此外，由DE 100 04 425 Al公開了一種具有多個網(wǎng)絡用戶、例 如傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡用戶為了數(shù)據(jù)傳輸而通過網(wǎng)絡 彼此相連。為了實現(xiàn)關(guān)于時間同步的更好的精確度，第一電報包含第 一網(wǎng)絡用戶的被糾正發(fā)送時間延遲的時間，并且第二網(wǎng)絡用戶被構(gòu)造 為測量自接收到第 一 電報時起的時間延遲，并且將在第 一 電報中所接 收到的時間糾正傳播時間和接收時間延遲。如果第二網(wǎng)絡用戶此外還 被構(gòu)建為發(fā)動用于時間同步的第二電報給第三網(wǎng)絡用戶，其中該第二 電報包含所接收的、被以傳播時間和在接收第一電報和發(fā)送第二電報 之間的延遲時間糾正的時間，則可以實現(xiàn)各4皮糾正的時間從網(wǎng)絡用戶 至網(wǎng)絡用戶的重復的再發(fā)送。此外，電報的傳播時間的開始和結(jié)束可 以分別確定為時間點，在該時間點，電才艮的特征場以與電才艮開始固定 的距離離開第一網(wǎng)絡用戶的媒體無關(guān)的接口，或者進入第二網(wǎng)絡用戶 的媒體相關(guān)的接口中。有利的是，在此發(fā)送時間延遲、傳播時間和接 收時間延遲的測量與相應的電報的長度無關(guān)。如果網(wǎng)絡部件滿足以太 網(wǎng)、高速以太網(wǎng)或者千兆以太網(wǎng)規(guī)范，則可以有利地使用類型場 (Type-Feld)作為電報的特征場。網(wǎng)絡用戶、特別是現(xiàn)場設備，可以 配備有多個端口、特別是四個端口，用于連接另外的網(wǎng)絡部件。在此， 可以設置接口、所謂的微處理器接口，用于將端口與用戶內(nèi)部的處理
器總線連接，以及設置控制單元、所謂的開關(guān)控制，其進行在端口和 微處理器接口之間的電報路徑導向。這樣的優(yōu)點是，網(wǎng)絡用戶、特別 是現(xiàn)場設備可以用現(xiàn)場總線的用戶已習慣的方式連接在線路結(jié)構(gòu)中。 如在星型結(jié)構(gòu)中需要的獨立的開關(guān)被省去。將開關(guān)功能集成到網(wǎng)絡用
戶中的優(yōu)點是，特別是在以太網(wǎng)中可以將CSMA/CD訪問控制去激活， 并且網(wǎng)絡獲得決定性的性能。由此，網(wǎng)絡用戶以及網(wǎng)絡的應用范圍擴 展到需要實時特性的應用情形。用于將網(wǎng)絡區(qū)域與不同物理實體 (Physik)和不同的協(xié)議耦合的網(wǎng)關(guān)不是必需的。與網(wǎng)絡用戶的應用 特定的電路部分的通信通過微處理器總線進行，其中RAM、微處理 器和微處理器接口連接到該微處理器總線上。微處理器的任務是執(zhí)行 使用者程序和通信功能，例如處理TCP/IP。另外的任務可以是管理 在外部RAM中的不同優(yōu)先級的電報的發(fā)送和接收列表。在通信接口 的ASIC中，此外集成了四個以太網(wǎng)控制器。這些以太網(wǎng)控制器的每 個都將被完整接收的電報的數(shù)據(jù)位通過復用器、DMA控制器(也被 稱為DMA 2控制)和微處理器接口登記到RAM中的接收列表中。 微處理器訪問接收列表，并且分析對應于應用程序的所接收的數(shù)據(jù)。 微處理器接口形成在以太網(wǎng)控制器和微處理器總線之間的重要接口 。 該微處理器接口控制或者裁決通過DMA控制器對RAM的寫和讀訪 問。如果兩個DMA控制器同時都存在DMA請求，則微處理器接口 通過兩個DMA通道的訪問權(quán)限來決定。此外，通過微處理器接口還 可以通過微處理器對參數(shù)寄存器進行寫操作，其中這些參數(shù)寄存器對 于網(wǎng)絡用戶的通信接口的工作是必需的。被稱為傳輸控制的以太網(wǎng)控 制器的設備包含一種控制裝置，其負責發(fā)送電報、重復發(fā)送、發(fā)送中 斷等等。該以太網(wǎng)控制器的設備形成了在內(nèi)部控制時鐘和發(fā)送時鐘之 間的接口。為了為低優(yōu)先級和高優(yōu)先級的電報存儲傳輸狀態(tài)信息，在 該設備中分別設置了傳輸狀態(tài)寄存器。當電報無錯誤地通過端口被發(fā) 送時，生成相應的中斷。媒體無關(guān)的接口 (Mil)將根據(jù)七層模型的 第二層、即數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層集成。這形成了至用于物理數(shù)據(jù) 傳輸?shù)哪K的接口。此外，MII還包含傳輸功能塊以及接收功能塊。
此外，集成了MAC控制塊、地址濾波器、統(tǒng)計計數(shù)器以及主接口。 通過MII，可以將控制和配置數(shù)據(jù)傳輸給模塊，并且從該模塊讀取狀
在分布式自動化系統(tǒng)中，例如在傳動技術(shù)領(lǐng)域中，確定的數(shù)據(jù)必 須在確定的時間(即實時性重要的數(shù)據(jù))到達為其確定的用戶，并且
被接收機處理。根據(jù)JEC 61491、 EN61491 SERCOS接口 -技術(shù)摘要 (http:〃www.ser-cos.de/deutsch/indexdeutsch.htm )可以在分布式自 動化系統(tǒng)中成功保證所提及類型的實時性重要的數(shù)據(jù)流。此外，由自 動化技術(shù)公開了具有等距離特性的同步的、定時的通信系統(tǒng)，例如在 DE 101 40 861 Al中針對用于在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)和方法 所描述的那樣。詳細地說，第一數(shù)據(jù)網(wǎng)絡具有第一裝置，用于在至少 一個第一傳輸周期中傳輸數(shù)據(jù)，其中第一傳輸周期被劃分為第一區(qū) 域，用于傳輸實時性重要的數(shù)據(jù)，以及第二區(qū)域，用于傳輸實時性不 重要的數(shù)據(jù)。在第二數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中，設置了第二裝置，用于在至少一個 第二傳輸周期中傳輸數(shù)據(jù)，其中第二傳輸周期被劃分為第三區(qū)域，用
于傳輸實時性重要的數(shù)據(jù)，以及第四區(qū)域，用于傳輸實時性不重要的 數(shù)據(jù)。為了將具有相同的或者不同的通信協(xié)議的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、例如以太 網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡、特別是等時的實時以太網(wǎng)通信系統(tǒng)與PROFIBUS數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡耦合，或者將等時的實時以太網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與SERCOS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡 和/或FIREWIRE數(shù)據(jù)網(wǎng)絡耦合，或者將PROFIBUS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和/或 FIREWIRE數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與SERCOS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡耦合，最后設置了耦合單 元(路由器)，用于將第一區(qū)域的實時性重要的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降谌齾^(qū)域 中。能夠?qū)崟r性重要的數(shù)據(jù)從一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)搅硗獾臄?shù)據(jù)網(wǎng)絡 的可能性被用于將一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的時鐘拍的周期同步電報傳輸?shù)搅?外的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中，以便也在該另外的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中借助周期同步電報將 本地相對時鐘同步。為此，不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡各具有自己的時鐘拍。由 于對于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡具有決定性意義的時鐘同步，可以在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的每個 用戶中實現(xiàn)相對時鐘，該相對時鐘給出了系統(tǒng)范圍的唯一的時間?；?于該基本機制，由此可以用 一個統(tǒng)一的時間理解來檢測兩個通信系統(tǒng)
中的事件，或者在自己的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡或者在另外的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中觸發(fā)與時 間相關(guān)的開關(guān)事件。相對時鐘的精度至少對應于傳輸周期的精度。在 此，路由器可以構(gòu)造為分立的設備，或者也可以是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之一的用 戶的整體組成部分，其中在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間的非周期性的、需求控制的
通信的路由，例如遠程過程調(diào)用(RPC)是可能的，并且在此可以進 行相應的具有專有的和/或開放的協(xié)議的通信。
自動化部件(例如控制裝置、傳動裝置)一般擁有接口，用于周 期性計時的通信系統(tǒng)。自動化部件的運行面(快周期，例如在控制裝 置中的軸承調(diào)節(jié)、傳動裝置的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，扭矩調(diào)節(jié))與通信周期同步， 通過這種方式確定了通信時鐘。自動化部件的其他的較慢運行的算法 (慢周期，例如溫度調(diào)節(jié))同樣只可以通過該通信時鐘與其他的部件 (例如通風機、泵的二進制開關(guān))通信，雖然更慢的周期已經(jīng)足夠。 通過僅僅使用 一個通信時鐘用于在系統(tǒng)中傳輸所有信息，對于傳輸段 的帶寬提出了高要求。因此，針對每個處理或者自動化平面，系統(tǒng)部 件僅使用一個通信系統(tǒng)或者一個通信周期(快周期)用于通信，在其 時鐘中傳輸所有相關(guān)的信息。僅僅在慢周期中需要的數(shù)據(jù)例如可以通 過附加的協(xié)議被分等級地傳輸，以便限制對于帶寬的要求。DE10147 421 Al公開了一種用于由在可轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中的第二用戶調(diào)節(jié)在 可控的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中的第一用戶的方法，其中調(diào)節(jié)回路通過可控的數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡而閉合。為此，在可控的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的用戶之間的通信通過一個或 者多個點對點連接在彼此同步的傳輸周期中進行。對于實際值和額定 值或者調(diào)節(jié)參數(shù)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的傳輸，在此使用了傳輸周期的具有實 時能力的區(qū)域，并且對于調(diào)節(jié)所需的數(shù)據(jù)電報的通信在確定的時間窗 內(nèi)進行。此外，也可以通過可轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸傳導值(Leitwert)， 該值由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的用戶之一為該數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的一個或者多個用戶而生 成。在此，例如可以是對軸的實際值的檢測，也就是說，裝置的所謂 的主軸的實際值的檢測。由于該實際值，由所涉及的用戶生成導出值， 該值被用于控制所謂的從軸。這種控制裝置的功能，例如存儲器可編 程的控制裝置、運動控制裝置或者數(shù)字控制裝置也可以被集成在傳動裝置中。除了將輸入/輸出站耦合到控制單元，也可以在用戶之一中生 成相對時鐘。該相對時鐘由主時鐘生成，并且周期性地分布在網(wǎng)絡中， 并且用于負責讓所有加入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的用戶都有相同設置的時間可用。
隙而給出?；谠摴餐臅r間，可以檢測帶有時間戳的事件(例如數(shù)字I/O的邊緣識別)或者設置帶有相應的時間戳的開關(guān)過程(例如轉(zhuǎn)換數(shù)字/模擬輸出端)，并且基于該共同的行對時間來實施開關(guān)輸出。 在實時通信中可能存在多個通信周期，以實現(xiàn)不同的"月艮務質(zhì)量"，例如lms周期用于同步連接(總線上的導出值)、時間重要的軸的轉(zhuǎn) 速額定值接口/位置額定值接口/I/O接口、快速I/O耦合，或者4ms 周期用于時間不重要的軸(變頻器，簡單的定位軸)、應用數(shù)據(jù)，例 如緊急停止控制、分布式移位寄存器(產(chǎn)品跟蹤)、在分布式系統(tǒng) 中的觸發(fā)裝置(例如驅(qū)動類型)、預定打孔自動機中的新的打孔任務
(例如孔深度)，或者針對項目數(shù)據(jù)和項目事件或者用于錯誤處理和 診斷的數(shù)據(jù)和例程的異步的和/或事件控制的周期。
為了提供一種用于建立基于以太網(wǎng)的用于工業(yè)自動化的通信系 統(tǒng)，其中該通信系統(tǒng)具有基本上可確定的通信特性、毫秒級的反應時 間以及通信節(jié)點的低成本，最后由DE 100 55 066 Al公開了一種用于 在用戶之間(例如在自動化設備之間)多方向交換信息的方法，其中 根據(jù)所發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分組(電報)的大小，將該數(shù)據(jù)分組拆分為 多個更小的包(短電報)，并且為這些包分別添加至少一個控制信息。 更小的數(shù)據(jù)分組在多個周期中被傳輸給它們的目的地，并且必要時在 那里借助控制信息又被組合成為原始的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分組。在此，所有 長度大于這些短電報的電報都被拆分，并且所有短電報都具有相同的 被固定設置的大小。從控制信息中，可以獲得短電報的源和目的地、 是否是被拆分的或者未被拆分的電報、被拆分為多少短電報以及短電 報的串號。為了在用戶(例如自動化設備)之間的信息的多方向交換
(其中一個用戶可以被指派給一個工業(yè)領(lǐng)域開關(guān)(IDS),該用戶借 助IDS通過以太網(wǎng)端子而被連接)，IDS通過與以太網(wǎng)一致的端子被
構(gòu)建為網(wǎng)絡，并且每個IDS都根據(jù)預先給定的周期性的規(guī)則而時間確 定地獲得發(fā)送權(quán)限。發(fā)送權(quán)限分配在系統(tǒng)啟動時或者重新啟動時 (Power On或者Reset)通過管理功能借助管理電報(其中IDS獲知 其涉及管理電報)在IDS之間進行協(xié)商。IDS的整個控制邏輯可以 被集成在高度集成的電子模塊中。
如現(xiàn)有技術(shù)的認識所表明的那樣，在自動化技術(shù)中，為了在單個 的設備之間通信，定義了具有其物理特性的不同接口和傳輸協(xié)議，并 且被引入國際標準或者建立為工業(yè)標準。這些系統(tǒng)被一般地稱為現(xiàn)場 總線系統(tǒng)，其中基于以太網(wǎng)的技術(shù)也屬于其中。接口以專用的通信控 制器的形式來構(gòu)建，部分以CPU作為集成電路(通信處理器)來構(gòu) 建，例如參見DE 198 31 405 (ASIC:ASPC2)， DE 299 07 909 (ASIC:SPC3)，DE 199 28 517 C2 (ASIC:SUPI)， DE 100 04 425 Al。同 樣，整個接口經(jīng)常被構(gòu)建為可更換的模塊，由插拔連接器、物理接口、 專用通信控制器、帶有存儲器的微處理器以及至自動化設備的CPU
的傳遞邏輯(通常為雙端口存儲器)構(gòu)成。該模塊準確地實現(xiàn)了特殊 的傳輸協(xié)議，并且必須在整體上對此進行特別地開發(fā)。通常，對于特 定的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，通信處理器分別只包括一個特殊的通信控制器， 其中同時也存在包含多個這種專用通信控制器的電路，例如在美國專
利申請09/780,979中針對根據(jù)CAN標準的通信控制器和根據(jù)以太網(wǎng) 標準的通信控制器所描述的那樣。在此，通常在對于現(xiàn)場總線而言特 定的協(xié)議中，需要特殊的、帶有一系列昂貴的、對于通信特殊地設計 的部件的硬件和軟件部件，例如HUB和線路驅(qū)動器、以太網(wǎng)控制器、 用于連接至其他網(wǎng)絡(開放的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，其他LAN或者主系統(tǒng))的 媒體Interpent接口，現(xiàn)場總線接口或者傳感器總線接口 ，特別是具 有主協(xié)議芯片或者從協(xié)議芯片的串行外圍設備接口 ，以及與環(huán)境相應 的網(wǎng)絡入口協(xié)議，例如CSMA/CD (載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)， 令牌傳遞(作為授權(quán)標記的位模式)或者TCP/IP (傳輸控制協(xié)議/英 特網(wǎng)協(xié)議)。然而，幾乎沒有注意開發(fā)這種電路或者與特定的現(xiàn)場總 線系統(tǒng)無關(guān)的通信接口 ，以基于其來實現(xiàn)通信功能的獨特的和輕松的
匹配。通常，通信控制器分別僅實現(xiàn)用于通常SPS功能模塊的通信的
特殊的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，其中例如，傳動機構(gòu)通過快速的、確定的和無 抖動的通信連接彼此同步。這通過檢測特定數(shù)據(jù)或通信控制器中的事
件來實現(xiàn)，其中通信控制器通過中斷促使串接的CPU執(zhí)行同步的驅(qū)
動功能，例如測量位置或者輸出調(diào)節(jié)量。該方法的缺點是，特別是在
使用在確定的時間禁止中斷的操作系統(tǒng)的情況下，CPU的中斷等待時
間決定性地進入同步的準確度中。因此，在實踐中，對于可以實時運 行的自動化系統(tǒng)缺少成本低廉的方法和通信接口 ，其中該自動化系統(tǒng) 保證獨特的、特別是可自動匹配的、交互的通信，或者能夠?qū)崿F(xiàn)簡單 的可更換性或者缺少用于可以實時運行的自動化系統(tǒng)的功能模塊，該 自動化系統(tǒng)也無需附加的硬件功能模塊并且無需成本過高的接口匹 配快速并且經(jīng)濟地建立高要求的自動化解決方案。這是特別有意義 的，因為電信和計算機工業(yè)，特別是在自動化技術(shù)和傳動技術(shù)的領(lǐng)域 中，被視為進步極快的、開發(fā)友好的產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)快速地釆納改進和 簡化，并且轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務是，構(gòu)建一種方法，用于開放式自動化系統(tǒng)的總線 用戶的數(shù)據(jù)通信，使得能夠?qū)崿F(xiàn)任意的總線用戶與獨特的、交互的通 信的連接。另外的任務是，使得能夠?qū)崿F(xiàn)設備的部分的可更換性，或 者自動化的和高精度的同步。
根據(jù)本發(fā)明，該任務根據(jù)權(quán)利要求l被解決。為此，使用了一種 方法，用于數(shù)據(jù)通信，特別是用于耦接具有分布式控制的開放式自動 化系統(tǒng)的彼此通過串行數(shù)據(jù)總線通信的總線用戶，這些總線用戶通過 通信控制器與上級控制設備協(xié)作，其中
-通信控制器由至少一個可自由編程的通信ALU構(gòu)建， -多個指令被編碼在通信ALU的指令代碼中，并且該通信ALU 被針對特定的通信功能而被優(yōu)化，
-在通信ALU中并行地設置有邏輯功能塊，其執(zhí)行特殊的通信
功能，
通過這種方式，通信功能并非被固定地預定，而是基于可自由編
程的并且針對通信功能被優(yōu)化的通信ALU構(gòu)建，通過這種方式，在 一個系統(tǒng)時鐘中執(zhí)行多個指令，并且由此可以實現(xiàn)在各種網(wǎng)絡之間的 過渡。
根據(jù)本發(fā)明的方法能夠以簡單的方式和方法實現(xiàn)一種"準專用 的"通信控制器的構(gòu)建，其方式是將該通信控制器構(gòu)建為一個或者多 個可自由編程的通信ALU (算術(shù)邏輯單元)，該通信ALU具有針對 通信任務優(yōu)化的指令集和硬件架構(gòu)。由此，對于根據(jù)本發(fā)明的解決方 案得到以下優(yōu)點
-開發(fā)、生產(chǎn)和銷售這種電路可以與特定的現(xiàn)場總線系統(tǒng)/以太 網(wǎng)無關(guān)地進行；
-在現(xiàn)場總線/以太網(wǎng)規(guī)范以及特別是在實時以太網(wǎng)規(guī)范內(nèi)的擴 展或者實現(xiàn)全新的現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以通過軟件更新來實現(xiàn)，并且不需 要新的電路；
-特別是在電路內(nèi)兩個或者多個通信接口的情況下，相應的現(xiàn)場 總線/以太網(wǎng)系統(tǒng)通過加載軟件而被確定，并且由此完全可以靈活地組 合。
此外，根據(jù)本發(fā)明，該任務按照權(quán)利要求9而被解決。為此使用 一種裝置，用于數(shù)據(jù)傳輸，特別是用于耦接具有分布式控制的開放式 自動化系統(tǒng)的彼此通過串行數(shù)據(jù)總線通信的總線用戶，該裝置具有
-通信控制器，其與上級的控制設備協(xié)作，并且具有至少一個可 自由編程的通信ALU，
-指令代碼，多個指令被編碼在該代碼中，并且該指令代碼被針 對通信功能而優(yōu)化，以及
-在通信ALU中并行設置至少兩個邏輯功能塊，它們執(zhí)行特殊 的通信功能，
通過這種方式，通信功能未被固定地預先給定，而是基于至少一 個可自由編程的和針對通信功能纟皮優(yōu)化的通信ALU而4皮構(gòu)建，通過 這種方式可以在一個系統(tǒng)時鐘中執(zhí)行多個指令，并且由此實現(xiàn)在不同 的網(wǎng)絡之間的過渡。
與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的、通過FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)或者其中 一部分的編程構(gòu)建專用的通信控制器相比(該通信控制器同樣也對應 于固定布線的邏輯)，根據(jù)本發(fā)明的裝置具有上述的優(yōu)點。此外，與 傳統(tǒng)的ALU相對，在一個時鐘中并行地執(zhí)行指令。為此，根據(jù)本發(fā) 明，所關(guān)聯(lián)的邏輯功能塊在ALU中并行地設置，并且可以同時處理 指令代碼，通過這種方式，在高波特率的情況下，例如在100MHz以 太網(wǎng)中，也可以實現(xiàn)必要的功能。
用于對在傳輸線路上可逐比特地傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理的裝置 本身在DE 42 20 258中被公開，其中這些數(shù)據(jù)對應于給定的用于數(shù)據(jù) 傳輸?shù)膮f(xié)議被串行傳輸，并且在接口內(nèi)在傳輸之前作為數(shù)據(jù)字可用， 或者在傳輸之后可重建為并行數(shù)據(jù)字，并且其中在系統(tǒng)時鐘的一個比 特時鐘(Bit-Takt)中執(zhí)行多個指令。詳細而言，為了與各可預定的 傳輸協(xié)議的適配設置了位處理單元，其由可選擇性地觸發(fā)的轉(zhuǎn)換元件 構(gòu)成，這些轉(zhuǎn)換元件根據(jù)相應的協(xié)議協(xié)定處理各數(shù)據(jù)位，并且由控制 機構(gòu)協(xié)調(diào)。位處理單元具有至少一個用于彼此順序相繼的數(shù)據(jù)位的比 較器，該比較器的輸出信號被發(fā)送給控制機構(gòu)。此外，在傳輸線路和 位處理單元之間設置了耦合元件，其構(gòu)建為解碼單元或者要被輸出數(shù) 據(jù)的編碼單元。為了在時間上要交錯執(zhí)行的通信流程和處理流程的情 況下提高工作速度，設置了位處理單元、耦合元件以及兩個可轉(zhuǎn)換 的并且通過控制機構(gòu)可選擇性地激活的工作存儲器被連接在內(nèi)部總 線上。此外，為了根據(jù)各預先給定的協(xié)議結(jié)構(gòu)改變位順序，設置了 位處理單元的轉(zhuǎn)換元件之一構(gòu)建為位交換器。特別是在具有位的有效 (Wertigkeit)的不同順序的協(xié)議的情況下設置了 該位交換器被構(gòu) 建來實現(xiàn)將在數(shù)據(jù)字內(nèi)設置的位在字中央進行鏡像(Spiegehmg)。 位處理單元的轉(zhuǎn)換元件之一被構(gòu)建為分類裝置，由此可能的是，將連 續(xù)的位插入數(shù)據(jù)字的任意位置。為了保證足夠高的、例如會在1 Mbit/s 范圍中的處理速度，轉(zhuǎn)換元件基本上以電路技術(shù)來實現(xiàn)。與此相反，
在根據(jù)本發(fā)明的裝置中(由于靈活的指令集以及與之關(guān)聯(lián)的邏輯功能
塊)可以以明顯更高的系統(tǒng)時鐘(即100MHz)以及事件控制的多個 子任務被并行觸發(fā)，由此與協(xié)議無關(guān)地實現(xiàn)了高的處理速度。于是在 DE 42 20 258 C2的主題中，如在現(xiàn)有4支術(shù)中那樣，開發(fā)了一種特殊的 通信解決方案，用于傳輸在數(shù)據(jù)鏈路層(二層)上的數(shù)據(jù)，而不考慮 更高的網(wǎng)絡層和接近應用的業(yè)務，例如配置參數(shù)或者網(wǎng)絡管理。在根 據(jù)IEEE 802.11的辦公室和家庭應用中，通常數(shù)據(jù)傳輸在較高的網(wǎng)絡 負栽情況下阻塞并且必須重復發(fā)送電報是無關(guān)緊要的。在自動化技術(shù) 中，必須保證與各個用戶(設備)的周期數(shù)據(jù)交換，即在限定的時間 內(nèi)必須傳輸固定的數(shù)據(jù)量。通過根據(jù)本發(fā)明的解決方案，也保證了時 間性重要的數(shù)據(jù)的傳輸，使得能夠?qū)崿F(xiàn)高服務質(zhì)量(QoS)以及網(wǎng)絡 轉(zhuǎn)移，例如將CAN總線轉(zhuǎn)移到更快一百倍的以太網(wǎng)環(huán)境。此外，可 以有利地通過插拔實現(xiàn)新的和交換有錯誤的設備的初始化，并且靈活 的通信機制能夠?qū)崿F(xiàn)簡單地應用在許多應用情形中以及系統(tǒng)架構(gòu)中。 必須將應用數(shù)據(jù)改變格式的網(wǎng)關(guān)，即將應用層(Application Layer ) 的業(yè)務變換到另 一應用層中的設備在根據(jù)本發(fā)明的解決方案中不再 必需，其中該變換特別是在面向位的數(shù)據(jù)中導致高昂的開銷。在總線 系統(tǒng)和網(wǎng)絡之間的連接在根據(jù)本發(fā)明的解決方案中通過轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù) 鏈路層(Data link layer )上來進行，由此例如CAN消息可以被轉(zhuǎn)換 為以太網(wǎng)消息，因為更高的協(xié)議(應用層)是一致的。特別是在根據(jù) 本發(fā)明的解決方案中，不僅可以實現(xiàn)主/從系統(tǒng)，而且也可以實現(xiàn)分布 式控制裝置，這些控制裝置要求具有在兩個方向的穿透性的至少部分 非劃分等級的網(wǎng)絡架構(gòu)。
此外，根據(jù)本發(fā)明，該任務根據(jù)權(quán)利要求14被解決。為此，使 用了具有靈活的通信結(jié)構(gòu)的設備，特別是自動化設備，其具有
-至少一個可自由編程的通信控制器，其與上級的控制設備協(xié)
作，
-至少一個被集成在通信控制器中的可自由編程的通信ALU,
以及
-通過用于傳輸標識代碼、控制數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的信 號線路與通信控制器相連的、可更換的物理接口，
由此物理接口可以;故更換。
根據(jù)本發(fā)明的自動化設備能夠以簡單的方式和方法實現(xiàn)"準專用 的"通信控制器的構(gòu)建，其方式是將該通信控制器構(gòu)建為一個或者多 個可自由編程的通信ALU (算術(shù)邏輯單元)，該通信ALU具有針對 通信任務優(yōu)化的指令集和硬件架構(gòu)。由此，對于根據(jù)本發(fā)明的解決方 案得到以下優(yōu)點
-物理接口作為可更換的模塊明顯更小，更加物有所值，并且僅 僅借助一個發(fā)送和接收線路以及一些控制線路連接到自動化設備中 的可自由編程的通信控制器上。與此相反，否則需要大約40根信號 線路用于常見的雙端口存儲器耦合的數(shù)據(jù)、地址和控制線路總線，該 耦合包含明顯頻率更高的信號并且將連接限制在幾厘米之內(nèi)。
-由于小的信號線路，可更換的物理接口可以通過靈活的連接被 設置在自動化設備中的任意位置上。
此外，根據(jù)本發(fā)明，該任務根據(jù)權(quán)利要求19被解決。為此使用 了 一種用于數(shù)據(jù)通信、特別是用于配置具有靈活的通信結(jié)構(gòu)的設備、 特別是帶有至少一個通信控制器、至少一個集成在其中的通信ALU 和至少一個物理接口的自動化設備的方法，其中
-通信功能未被固定地預先給定，而是基于可自由編程的并且針 對通信功能優(yōu)化的ALU來構(gòu)建，
-在啟動階段中，物理接口通過信號線路將標識代碼發(fā)送給通信 控制器，并且通信控制器獨立地進行正確的配置，并且將關(guān)聯(lián)的軟件 加載到通信ALU中。
由此，根據(jù)本發(fā)明的解決方案得到以下優(yōu)點
-開發(fā)、生產(chǎn)和銷售這種帶有可更換的、物理的接口電路的自動 化設備可以與特定的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無關(guān)地進行；
-在現(xiàn)場總線規(guī)范的擴展或者實現(xiàn)全新的現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以通 過軟件更新來實現(xiàn)，并且不需要新的接口電路；
-特別是在兩個或者多個通信接口的情況下，相應的現(xiàn)場總線系 統(tǒng)通過加載軟件而被確定，并且由此完全可以靈活地選擇。
此外，根據(jù)本發(fā)明，該任務根據(jù)權(quán)利要求20來解決。為此，使 用了 一種用于數(shù)據(jù)通信的方法，特別是用于將帶有分布式控制裝置的 開放式自動化系統(tǒng)的、彼此通過串行數(shù)據(jù)總線通信的總線用戶同步的 方法，其中所述控制裝置具有"準專用的"通信控制器，該通信控制器 通過至少一個可自由編程的通信ALU與后接的控制設備協(xié)作。其中
-通信控制器檢測確定數(shù)據(jù)或者事件的出現(xiàn)，
-通信ALU執(zhí)行同步控制功能，以及
-在同步時間點之間，借助后接的控制設備交換測量值和調(diào)節(jié)
值，
由此，后接的控制設備的中斷等待時間不會影響控制功能的直接同步。
根據(jù)本發(fā)明的方法能夠以簡單的方式和方法在保持模塊化的構(gòu) 造的情況下實現(xiàn)通過時鐘同步和等距離總線的通信，用于在極短的周 期時間的情況下控制高精度的流程。根據(jù)本發(fā)明，控制和通信解決方 案基于"準專用的，，通信控制器，其由一個或者多個可自由編程的通信 ALU (算術(shù)邏輯單元)構(gòu)建，該單元具有針對通信任務優(yōu)化的指令集 和硬件架構(gòu)。由此，根據(jù)本發(fā)明的解決方案具有以下優(yōu)點
-開發(fā)、生產(chǎn)和銷售這種電路可以與特定的現(xiàn)場總線系統(tǒng)無關(guān)地
進行；
-在現(xiàn)場總線規(guī)范內(nèi)的擴展或者實現(xiàn)全新的現(xiàn)場總線系統(tǒng)可以 通過軟件更新來實現(xiàn)，并且不需要新的電路；
-特別是在電路內(nèi)兩個或者多個通信接口的情況下，相應的現(xiàn)場 總線系統(tǒng)通過加載軟件而被確定，并且由此完全可以靈活地組合。
-根據(jù)本發(fā)明的組合的控制和通信方案盡管滿足了實時性關(guān)鍵 的要求仍能以低的成本開銷實現(xiàn)，并且由于普通的編程和共同的數(shù)據(jù) 保存(所有名稱在系統(tǒng)范圍中是自動已知且唯一的)，提供了足夠的 自由空間用于將來的補充，例如將流程并行化、插入子例程、根據(jù)要
求驅(qū)動模擬的和數(shù)字的輸入端/輸出端、以及有選擇性地單個地或彼此 依賴性地相互移動軸。
此外，根據(jù)本發(fā)明，該任務通過權(quán)利要求21來解決。為此，使 用了 一種用于數(shù)據(jù)通信的方法，特別是用于將帶有分布式控制裝置的 開放式自動化系統(tǒng)的、彼此通過串行數(shù)據(jù)總線通信的總線用戶同步的 方法，其中所述控制裝置具有"準專用的，，通信控制器，該通信控制器 通過至少一個可自由編程的通信ALU與后接的控制設備協(xié)作。其中
-在周期性運行的控制功能的啟動時間點，存儲備同步的本地時
間，
-通過與所存儲的時間求差，在上一個啟動時間點基于本地時間 測量周期時間，以及
-通過將當前周期時間增大或者縮小，將該周期時間關(guān)于本地時 間保持恒定并且在固定的相位關(guān)系中。
通過這種方式，將整個周期不但在其周期時間中而且在其相位上 都與本地時間同步。
與根據(jù)權(quán)利要求20的方法相比(其中借助"準專用的"通信控制 器實現(xiàn)了沒有后接的控制裝置的控制功能的同步)，在根據(jù)權(quán)利要求 21的方法中的同步根據(jù)所存儲的本地時間的指示隨著控制功能的每 次啟動而被執(zhí)行。在兩種方法中，后接的控制設備的中斷等待時間都 不影響控制功能的同步，其中第二種方法為了管理本地時間而要求略 為更高的硬件開銷。
最后，根據(jù)本發(fā)明，該任務根據(jù)權(quán)利要求24來解決。為此使用 了 一種用于數(shù)據(jù)通信的裝置，特別是用于將帶有分布式控制裝置的開 放式自動化系統(tǒng)的、彼此通過串行數(shù)據(jù)總線通信的總線用戶同步的裝 置，其具有
-"準專用的"通信控制器，其具有至少一個可自由編程的通信
ALU,
-連接在通信控制器之后的控制設備，以及
-在通信ALU中的至少一個帶有用于測量和存儲時間的裝置的
邏輯功能塊。
由此，借助通信控制器，實現(xiàn)了沒有后接的控制設備的控制功能 的直接同步，或者實現(xiàn)了根據(jù)被存儲的本地時鐘的指示隨著控制功能 的每次啟動的同步。
根據(jù)本發(fā)明的設備具有的優(yōu)點是，可以使用兩種高效的方法，而 同時無需基礎的硬件要求。這可以歸因于在"準專用的"通信控制器中 通過接口編程而被集成的、可簡單地參數(shù)化的驅(qū)動參數(shù)。
在本發(fā)明的改進方案中，根據(jù)權(quán)利要求15，在通信處理器中包 含多個可自由編程的通信控制器。
本發(fā)明的該改進方案具有的優(yōu)點是，與現(xiàn)有技術(shù)相比，對于每個 通道都節(jié)省了在交換模塊中所需要的微處理器以及與其關(guān)聯(lián)的基礎 設施，例如存儲器和雙端口存儲器。
在本發(fā)明的一種優(yōu)選的擴展方案中，根據(jù)權(quán)利要求16，物理接 口被構(gòu)建為在線路端頭中的印制電路。
本發(fā)明的該擴展方案的優(yōu)點是，由于物理接口的小的尺寸，該接 口可以直接作為印制電路實施在線路端頭的轉(zhuǎn)換插頭上。
優(yōu)選的是，根據(jù)權(quán)利要求18,通信處理器不僅處理應用程序還 處理傳輸協(xié)議。
現(xiàn)今的微處理器能力很強，使得其不僅可以處理應用程序，而且 也可以處理傳輸協(xié)議。由此，可以以有利的方式節(jié)省在交換模塊中的 第二個微處理器以及與其關(guān)聯(lián)的基礎設施，例如存儲器和雙端口存儲 器。


其他優(yōu)點和細節(jié)可以從下面參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施形式 的描述中得出。其中
圖1 示出了具有可自由編程的通信控制器的通信處理器的方
框圖，
圖2示出了用于根據(jù)圖1的通信處理器的可自由編程的通信
控制器的方框圖，
圖3 示出了根據(jù)本發(fā)明的指令代碼的一個例子，
圖4 示出了根據(jù)本發(fā)明的具有靈活通信結(jié)構(gòu)的自動化設備的 方框圖，
圖5 示出了具有驅(qū)動功能的直接同步的實施形式的方框圖，
圖6 示出了在驅(qū)動功能每次啟動時存儲系統(tǒng)時間的第二實施
形式的方框圖，以及
圖7 針對根據(jù)圖6的實施形式示出了根據(jù)本發(fā)明將PWM周期 同步到本地系統(tǒng)時間上的時序圖。
具體實施例方式
在自動化技術(shù)中，多年以來使用不同的具有標準化通信業(yè)務和協(xié) 議的通信系統(tǒng)，借助這些通信系統(tǒng)可以在異構(gòu)和同構(gòu)網(wǎng)絡之間通信。 在最底層面設置例如簡單的傳感器-執(zhí)行機構(gòu)-總線系統(tǒng)或后連線 總線系統(tǒng)(Rueckwandbussystem )(例如可以安裝在市面上常見的 標準支承軌上的模塊化的輸入/輸出設備)，在中間層面設置"嵌入式" 網(wǎng)絡，用于控制機器(這些網(wǎng)絡連接可編程的控制裝置、復雜的電氣 和液壓驅(qū)動設備、輸入/輸出設備、數(shù)據(jù)采集設備或人/機接口 )，并 且在最高層面設置用于工廠自動化的網(wǎng)絡。在根據(jù)本發(fā)明的解決方案 中，對于通信關(guān)系，存在統(tǒng)一的邏輯網(wǎng)絡，使得不再能夠得到傳統(tǒng)電 信網(wǎng)絡中的技術(shù)(該技術(shù)將在下文中描述)與(計算機)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之 間清晰的分界線。
在電信技術(shù)中，連續(xù)數(shù)據(jù)流、例如語言或視頻通信的傳輸通常通 過分組交換的通信網(wǎng)絡、例如LAN (局域網(wǎng))、MAN (城域網(wǎng))或 WAN (廣域網(wǎng))來實現(xiàn)。越來越多地也使用ADSL技術(shù)(非對稱數(shù) 字用戶線，非對稱DSL數(shù)據(jù)傳輸方法)。除了 ADSL技術(shù)之外，還 常用其他的DSL技術(shù)，例如HDSL-高數(shù)據(jù)率數(shù)字用戶線；SDSL = 單線數(shù)字用戶線；MDSL-多速率數(shù)字用戶線；RADSL-低速率自適 應數(shù)字用戶線以及VDSL =極高速率數(shù)字用戶線，它們中每一個都針
對應用情況被優(yōu)化，并且可以概括到xDSL傳輸技術(shù)的概念下。通信 通過完全不同的帶寬的連接實現(xiàn)，即例如56K比特的模擬連接或64K 比特的ISDN或DSL，或者-只要在局域網(wǎng)中相連-通過100M比特 雙絞線線路或通過選擇連接2M比特以及更好的，或者通過標準線路 X.25。相應地，已知多種接口設備，例如 -ISDN So接口，
-到PCI總線的LAN接口 FE (具有程序存儲器)， -外部LAN接口 LAN (具有程序存儲器)作為10/100 M比特/ 秒以太網(wǎng)或令牌環(huán)，
- WAN接口 WAN:X.21， V.35, G.703/704直到2M比特/秒。 其中，用戶的所有交互都通過事件被饋送給用戶和對話服務器之 間的對話，其中在對話控制裝置DE中存儲會話ID作為訪問授權(quán)。 對話服務器的硬件設計必須與世界范圍的網(wǎng)絡運行中多種多樣的越 來越多的連接標準匹配。具有可選的BNC、 AUI、 LWL或雙絞線端 子的特殊匹配的LAN模塊將對話服務器與本地的令牌環(huán)網(wǎng)絡和以太 網(wǎng)相連。到長途通信網(wǎng)絡(例如ISDN, X.25 )和專用線路 (Standleitung )的入口由部分為多通道的WAN適配器(S0， UPO， UKO， X.21, V.24， V.35)實現(xiàn)。為了最佳的性能，可以使用有源的WAN適 配器。在ISDN領(lǐng)域中，可以使用協(xié)議DSS1，ITR6，N1-1，以及Fetex 150。
在圖1中所示的根據(jù)本發(fā)明的方案中，以可自由編程的通信控制 器KC的形式構(gòu)建接口 。根據(jù)本發(fā)明，通信控制器包括三個通信ALU, 這三個通信ALU在圖2中,皮詳細示出，即
-接收處理ALU (RPA)，其任務是根據(jù)傳輸速率對所接收的 比特或半字節(jié)(半個字節(jié))串行的數(shù)據(jù)流進行解碼，并且將其轉(zhuǎn)換為 并行表示(例如字節(jié)，字或雙字)，
-傳輸處理ALU (TPA)，其任務是將數(shù)據(jù)從并行表示編碼為 比特或半字節(jié)串行的數(shù)據(jù)流，并且以正確的傳輸速率提供到線路上， 以及
-協(xié)議執(zhí)行ALU ( PEA )，其控制屬于一個整體的 (zusammengehoerig )數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收流程。
為了在高波特率、例如100MHz以太網(wǎng)下也能實現(xiàn)所需的功能， 通過根據(jù)本發(fā)明的方案滿足以下要求
-通信ALU RPA和TPA可以并行執(zhí)行多個指令。為此，才艮據(jù) 本發(fā)明，使用寬的指令代碼BC (參見圖3)，例如64比特，多個指 令(參見圖3:七個最高值位，運算，條件，跳轉(zhuǎn))被編碼在其中。 這例如可以是邏輯運算、控制轉(zhuǎn)移、標記F中位的設置和清除、計數(shù) 器的遞增和遞減、數(shù)據(jù)傳送以及操作特殊功能寄存器。與傳統(tǒng)的ALU 相反，這些指令在一個時鐘中被并行地執(zhí)行。為此，根據(jù)本發(fā)明，在 通信ALU中，相應的邏輯功能塊被并行地設置，并且可以同時處理 指令代碼BC。
-通信ALU RPA和TPA擁有特殊的功能寄存器，這些功能寄 存器同樣并行地作用于待處理的數(shù)據(jù)。具體而言，它們是
-移位寄存器FI,其中串行數(shù)據(jù)被自動地移入或移出，并且 支持在任何位置處插入和清除位，
-計數(shù)器Z，其自動地同時對串行數(shù)據(jù)計數(shù)，以及比較寄存器， 其在相等時對一個位進行設置，
-比較寄存器V,其將串行數(shù)據(jù)與確定的位模式比較，并且在 相同的情況下對標志F中的位進行設置，
-CRC生成器CRC，其根據(jù)比特串行數(shù)據(jù)自主地計算CRC
多項式，
-與傳統(tǒng)的ALU相反，通信ALU PEA借助于硬件并行地監(jiān)視 多個特殊事件。這例如可以是
-來自RPA或到TPA或到上級CPU的特定數(shù)據(jù)的傳送， -時間到期，
-達到特定計數(shù)器狀態(tài)，或者 -設置特定狀態(tài)位。 當出現(xiàn)事件之一或其特定組合時，通信ALUPEA在一個系統(tǒng)時
鐘內(nèi)通過處理對應于該事件的一塊程序代碼作出反應。
-通信ALU PEA還能夠在一個系統(tǒng)時鐘內(nèi) -從本地的雙端口存儲器DPM讀取數(shù)據(jù)， -處理，并且 -傳送到通信ALU TPA， 或者由通信ALU RPA -接受， -處理，并且
-存儲到本地的雙端口存儲器DPM中。
-對本地的雙端口存儲器DPM的訪問通過兩個寄存器雙重地進 行，以能夠在一個系統(tǒng)時鐘中直接訪問通信技術(shù)中常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
-根據(jù)本發(fā)明，通信ALU PEA和RPA或TPA之間的接口被構(gòu) 造為FIFO,以便中間存儲輸入或輸出的數(shù)據(jù)。
-根據(jù)本發(fā)明，通信控制器KC與上級控制設備CPU之間的接 口被構(gòu)建為用于快速地傳輸大量數(shù)據(jù)的DMA控制器DMA,也被構(gòu) 建為用于引導狀態(tài)變量的雙端口存儲器DPM，也被構(gòu)建為用于同步 的公共寄存器組SR。
-根據(jù)本發(fā)明，為了將通信ALUPEA、 RPA及TPA彼此同步， 設置一組公共寄存器SR,其中每個通信ALU PEA、 RPA或TPA都 可以對其寫入和讀取。
-上級控制設備CPU也可以訪問公共寄存器SR，以監(jiān)視或控制 通信狀態(tài)。
通信ALU TPA的其他借助于軟件在以太網(wǎng)協(xié)議中實現(xiàn)的功能包 括待發(fā)送字節(jié)的映射(Abbilden);識別半雙工運行中的沖突以及 執(zhí)行退避算法；在發(fā)送過程結(jié)束之后提供傳輸狀態(tài)信息給通信ALU PEA;在兩個電才艮之間保持停機時間-分組間間隔(IPG);為發(fā)送 數(shù)據(jù)補充前置碼、幀起始分隔符(SFD)和可參數(shù)化的周期冗余校驗 字(CRC);如果電報長度小于60字節(jié)則用填充字節(jié)(Pad-Byte) 填充電^^艮；以及應請求中斷發(fā)送過程。通信ALURPA的其他功能包 括提供通信ALUPEA所接收的字節(jié)；識別幀起始分隔符和VLAN 幀(虛擬LAN);檢驗電報中的長度字段和CRC字；在接收過程結(jié) 束后提供通信ALU PEA的接收狀態(tài)信息；以及對于電報去除前置碼 和幀起始分隔符。
這些通信ALU PEA、 RPA或TPA與上級控制i殳備CPU協(xié)同工 作，其中CPU可以一同被集成在電路中，但是也可以被設置在外部。 如果上級控制設備CPU被集成，則電路可以執(zhí)行通信功能，并且于 是包含雙端口存儲器DPMH以耦接到外部控制設備(主機系統(tǒng))， 或者電路除了通信之外還執(zhí)行所有應用程序，并且于是將內(nèi)部的系統(tǒng) 總線引出作為擴展總線EB，以連接外部存儲器和外圍設備模塊。優(yōu) 選地，設置具有連接到地址、數(shù)據(jù)、控制總線線路的主控設備 (Hoststeuereinrichtung ) HC，該設備可以在用于連接存儲器和外圍 設備模塊的擴展總線EB與用于連接另一上級控制設備的雙端口存儲 器DPMH之間切換。對于這兩種工作類型，適合于使用相同的信號， 并且通過軟件切換這兩種工作類型。其中，通信ALUPEA、 RPA或 TPA的雙端口存儲器DPM和寄存器組SR可以與連續(xù)工作并行地被 上級控制設備(CPU)讀取和寫入，從而可以以網(wǎng)絡周期和微秒級精 確度實現(xiàn)工業(yè)上的實時以太網(wǎng)方案，該方案不需要專有硬件部件或 ASIC支持。這也適用于實時傳輸?shù)膬?yōu)化和匹配，例如與應用、系統(tǒng) 及通信架構(gòu)的要求的匹配，從而保證從管理層面到現(xiàn)場層面的連續(xù)的 數(shù)據(jù)訪問。
如圖1中所示，根據(jù)本發(fā)明的裝置還包括數(shù)據(jù)開關(guān)DS，其例如 將32位控制設備CPU及其他通信ALU PEA (其中在圖l中示出了 四個單獨的通信控制器KC)連接到存儲器SP、內(nèi)部的外圍設備PE 以及對應于主控設備HC的雙端口存儲器DPMH。數(shù)據(jù)開關(guān)DS通過 以下方式避免了其他通信處理器中出現(xiàn)的公共總線的"瓶頸"，即數(shù)據(jù) 開關(guān)4吏得主端口 (Masterport)可以通過不同的從端口 ( Slaveport) (在本例中為兩個)同時訪問數(shù)據(jù)。
在根據(jù)本發(fā)明的圖4所示具有靈活通信結(jié)構(gòu)的自動化設備的方 案中，自動化設備AG的基板具有通信處理器KP，該通信處理器具 有至少一個(在所示的實施例中為四個)可自由配置的通信控制器 KC。根據(jù)本發(fā)明，至少一個可自由編程的通信ALU KA被集成在通 信控制器KC中。通信ALUKA如前所述具有以下任務根據(jù)傳輸速 率對所接收的比特或半字節(jié)(半個字節(jié))串行的數(shù)據(jù)流進行解碼，并 且將其轉(zhuǎn)換為并行表示(例如字節(jié)、字或雙字)；和/或?qū)?shù)據(jù)從并行 表示編碼為比特或半字節(jié)串行的數(shù)據(jù)流，并且以正確的傳輸率提供到 線路上；和/或控制屬于一個整體的數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收流程。
此外，自動化設備AG的基板還包括至少一個(在所示的實施例 中為四個)通過信號線路IC、 ST、 ED、 SD與通信控制器KC相連 的可更換的物理接口 PS，通過這些接口分別傳輸標識碼、控制數(shù)據(jù)、 接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖4中所示，通信處理器KP還包括數(shù)據(jù)開 關(guān)DS，其例如將32位控制設備CPU和通信控制器KC (其中在圖4 中示出四個單獨的通信控制器KC)與存儲器SP、內(nèi)部的外圍設備 PE以及主控設備HC相連。主控設備HC可以在用于連接外部存儲 器和外圍設備模塊的擴展總線EB與用于連接另一上級控制設備的雙 端口存儲器DPMH之間切換。如上所述，數(shù)據(jù)開關(guān)DS通過以下方式
避免了其他總線控制器中出現(xiàn)的公共總線的"瓶頸"，即數(shù)據(jù)開關(guān)使得 主端口(在該舉例情況中為兩個)通過不同的從端口(在該舉例情況 中為三個)同時訪問數(shù)據(jù)。通過這種方式，存儲器和雙端口存儲器 DPMH可以與持續(xù)工作并行地被讀取和寫入，使得可以以網(wǎng)絡周期和 微秒級精度實現(xiàn)工業(yè)的實時以太網(wǎng)方案，該方案不需要專有硬件部件 或ASIC的支持。這也適用于實時傳輸?shù)膬?yōu)化和匹配，諸如與應用、 系統(tǒng)以及通信架構(gòu)的要求的匹配，使得保證從管理層面到現(xiàn)場層面的 連續(xù)的數(shù)據(jù)訪問。
根據(jù)本發(fā)明，通信功能不被固定地預先給定，而是基于可自由編 程且針對通信功能優(yōu)化的通信ALU KA構(gòu)建。通信控制器KC在啟動 階段讀取物理接口 PS的標識碼，根據(jù)其合適地配置通信ALU KA， 并且自主地加載相應的固件。此外，通信處理器KP包含多個可自由
編程的通信通道，并且因此可以實現(xiàn)與通信標準的任意組合。優(yōu)選地，
基于多個可自由編程的通信控制器KC的通信處理器KP除了通信協(xié) 議之外還可以執(zhí)行應用程序。根據(jù)本發(fā)明，物理接口 PS被構(gòu)造為獨 立的可更換的沒有自身智能或控制功能的模塊，物理接口在啟動階段 中通過標識碼在可自由編程的通信控制器KC中登記，并且授權(quán)通信 控制器加載合適的配置和相應的固件。特別地，在根據(jù)本發(fā)明的方案 中，不僅可以實現(xiàn)主/從系統(tǒng)，而且也可以實現(xiàn)要求在兩個方向的具有 穿透性(Durchlaessigkeit)的至少部分非分層的網(wǎng)絡架構(gòu)的分布式控 制。
在根據(jù)本發(fā)明的圖5所示的"準專用，，通信處理器KP的方案中， 該處理器具有至少一個(在所示的實施例中為三個)可自由編程的通 信控制器KC，其中通信控制器分別具有三個通信ALURPA、 TPA、 PEA。如上所述，第一通信ALURPA的任務是根據(jù)傳輸速率對所接 收的比特或半字節(jié)(半個字節(jié))串行的數(shù)據(jù)流進行解碼，并且將其轉(zhuǎn) 換為并行表示(例如字節(jié)、字或雙字)；如上所述，第二通信ALU TPA 的任務是將數(shù)據(jù)從并行表示編碼為比特或半字節(jié)串行的數(shù)據(jù)流，并且 以正確的傳輸率提供到線路上；如上所述，第三通信ALUPEA的任 務是控制屬于一個整體的數(shù)據(jù)分組的發(fā)送和接收流程。
在圖5所示的實施形式中，通信控制器KC以脈寬調(diào)制級PWM 用于控制電機端級(Motorendstufe)，編碼邏輯EL用于讀入實際位 置，采樣保持級SH以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD用于測量相電壓和電機電流 (Motorstrom)。其中，在通信控制器KC與驅(qū)動器之間尤其傳輸位 置、電才幾電壓和電才幾電;充或?qū)δ侩?充。
如圖5中所示，通信控制器KC還包括數(shù)據(jù)開關(guān)DS，其例如將 串接的32位控制設備CPU和通信ALU KC與存儲器SP和內(nèi)部的外 圍設備PE相連。通信ALURPA和TPA可以并行執(zhí)行多個指令。為 此，如上所述，可以使用寬的指令代碼BC，例如64位，其中多個指 令被編碼在其中。這例如可以是邏輯運算、控制轉(zhuǎn)移、位的設置和清 除、計數(shù)器的遞增和遞減、傳輸數(shù)據(jù)以及操作特殊功能寄存器。與傳統(tǒng)的ALU相反，這些指令在一個時鐘中被并行地執(zhí)行。相應地，與 傳統(tǒng)的ALU相反，通信ALU PEA通過硬件并行地監(jiān)視多個特殊事 件。這例如可以是
-來自通信ALU RPA或到通信ALU TPA或到串接的控制設 備CPU的特定數(shù)據(jù)的傳送，
-時間到期，
-達到特定計數(shù)器狀態(tài)，或者
-設置特定狀態(tài)位。 當出現(xiàn)事件之一或其特定組合時，通信ALUPEA在一個系統(tǒng)時 鐘內(nèi)通過處理對應于該事件的一塊程序代碼來作出反應。 通信ALU PEA還能夠在一個系統(tǒng)時鐘內(nèi)
一從本地存儲器SR中讀取數(shù)據(jù)，
-處理，以及傳送到通信ALUTPA, 或者由通信ALU RPA
-接受，
-處理，以及存儲到本地的存儲器SR中。
對本地存儲器SR的訪問通過兩個寄存器雙重地進行，以便能夠 在一個系統(tǒng)時鐘中直接訪問通信技術(shù)中常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如上所述， 數(shù)據(jù)開關(guān)DS因此通過以下方式避免了其他通信處理器KP中出現(xiàn)的 公共總線的"瓶頸，，，即數(shù)據(jù)開關(guān)使得不同的主端口 (在該舉例情況中 為兩個)通過不同的從端口 (在該舉例情況中為三個)同時訪問數(shù)據(jù)。 通過這種方式，存儲器可以與連續(xù)工作并行地被讀取和寫入，從而能 夠以網(wǎng)絡周期和微秒級精度實現(xiàn)工業(yè)的實時以太網(wǎng)方案，該方案不需 要專有硬件部件或ASIC的支持。這也適用于實時傳輸?shù)膬?yōu)化和匹配， 例如與應用、系統(tǒng)以及通信架構(gòu)的要求的匹配，使得保證了從管理層 面到現(xiàn)場層面的連續(xù)的數(shù)據(jù)訪問。
根據(jù)本發(fā)明，通信功能不被固定地預先給定，而是基于可自由編 程且針對通信功能被優(yōu)化的通信ALU KA構(gòu)建。通信處理器KP在啟 動階段合適地配置通信控制器KC,并且自主地栽入相應的固件。此
外，通信處理器KP包含多個可自由編程的通信控制器KC,并且因 此可以實現(xiàn)與通信標準的任意組合。
優(yōu)選地，基于多個可自由編程的通信控制器KC的通信處理器 KP除了通信協(xié)議之外還可以執(zhí)行應用程序。根據(jù)本發(fā)明，在圖5所 示的實施形式中，可自由編程的通信ALU RPA、 TPA、 PEA完全確 定性地工作，并且自主地執(zhí)行同步驅(qū)動功能，而不需要串接的控制設 備CPU。在同步時間點之間，與串接的CPU交換通過兩個編碼邏輯 EL或采樣保持電路SH和AD轉(zhuǎn)換器AD所傳輸?shù)臏y量值(位置或電 機電流及相電壓)或者通過PWM調(diào)制器PWM傳輸?shù)恼{(diào)節(jié)值，因此， 其中斷等待時間不影響驅(qū)動功能的同步。根據(jù)本發(fā)明，可以實現(xiàn)將驅(qū)
動功能、特別是位置測量或輸出調(diào)節(jié)值直接同步到快速的、確定性的 和無抖動的通信連接，特別是實時的以太網(wǎng)連接，例如PROFINET，、 POWERLINK、 SERCOS-3、 EtherCAT。
替代地，驅(qū)動裝置可以引導本地時間，其中該本地時間通過與其 他驅(qū)動裝置上的本地時間的通信連接被同步到自動化裝置內(nèi)的公共 系統(tǒng)時間。在固定限定的時間點，于是可以在單個驅(qū)動裝置上激活同 步的功能，諸如測量位置或輸出電機電流。其中特別困難的是，為此 所需的功能周期性地進行，并且總周期不但在其周期時間上而且在其 相位上被同步到本地時間上。在圖6所示的實施形式中，與根據(jù)圖5 的實施形式相比，附加地"i殳置本地時鐘U，并且在通信ALU RPA、 TPA、 PEA的連接路徑中分別設置鎖存器L。在周期運行的控制功能 的啟動時間點，同步后的本地時間被存儲在鎖存器L中，通過與存儲 在鎖存器L中的上個啟動時間點的時間求差，來基于本地時鐘U的時 間測量周期時間，并且最后通過放大或縮小當前周期時間，來將周期 時間相對于本地時間保持恒定并處于固定的相位關(guān)系中。通過這種方 式，整個周期不但在其周期時間上、而且在其相位上都與本地時間同 步，如直接從圖7的時序圖中所得到。于是，根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn) 將周期性的驅(qū)動功能、特別是位置測量或輸出調(diào)節(jié)值直接同步到本地 系統(tǒng)時間，該系統(tǒng)時間通過合適的協(xié)議、特別是IEEE 1588,在自動
化系統(tǒng)內(nèi)被重新調(diào)節(jié)到同步運行。
雖然描述了根據(jù)本發(fā)明的在自動化技術(shù)中使用、特別是用于驅(qū)動
功能的方案的實施方案(包括用于條形碼和識別系統(tǒng)、智能EA、低 成本驅(qū)動裝置、SPS或機器終端的通用通信平臺)，將本方法和裝置 也使用在其他具有相應網(wǎng)絡過渡的消息網(wǎng)絡中也是可能的。通過智能 化地將標準控制功能和安全功能嚙合，不但可以將標準功能、而且可 以將安全功能無反饋地組合在一個系統(tǒng)中。系統(tǒng)的模塊化由于定制 的、任何時候都可簡單擴展的方案而為用戶提供了極大的靈活性，并 且也允許移植。原因是，根據(jù)本發(fā)明的方案在消息網(wǎng)絡或系統(tǒng)/設備(也 針對被轉(zhuǎn)接的連接)中的預先開支上被構(gòu)建，并且允許容易地與相應 的情況和連接匹配，而無需改變本發(fā)明或基本原理。例如，根據(jù)本發(fā) 明的方法能夠成本低廉地構(gòu)建任意的可聯(lián)網(wǎng)的總線用戶，這些用戶具 有各自的、通過任意的無線或有線網(wǎng)絡及電信網(wǎng)絡(例如UTRAN UMTS陸地無線接入網(wǎng))的互動通信。在此所進行的網(wǎng)絡管理業(yè)務的 迭代進程，特別是包括相應儲存的所有有意義地出現(xiàn)的對話元素(例 如初始化、配置、啟動和停止總線用戶(設備)或程序、通信協(xié)議) 的關(guān)于對話的處理尤其也可以使用在異構(gòu)結(jié)構(gòu)中，并且也允許對包括 總線用戶和電信網(wǎng)絡中對話服務器在內(nèi)的對話監(jiān)視。因此，例如能夠 實現(xiàn)從每個位置出發(fā)經(jīng)由因特網(wǎng)對每個總線用戶中的數(shù)據(jù)、參數(shù)、功 能進行訪問，以及可以實現(xiàn)統(tǒng)一的與設備無關(guān)的故障處理。此外，可 以以有利的方式，通過既插既用實現(xiàn)對新設備的初始化以及更換有故
障的設備，并且靈活的通信機制使得能夠簡單地應用在多個應用情形 和系統(tǒng)架構(gòu)中。例如，在根據(jù)本發(fā)明的方案中，不僅可以實現(xiàn)主/從系
的網(wǎng)絡架構(gòu)的分布式控制。在本發(fā)明的改進方案中，例如可以在用于 TCP/IP和SPX/IPX的對話服務器中安裝路由功能(也稱作LCR，最 低成本路由器)等等。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)據(jù)通信，尤其是用于耦接具有分布式控制的開放式自動化系統(tǒng)的彼此經(jīng)由串行數(shù)據(jù)總線通信的總線用戶的方法，其中所述總線用戶通過通信控制器(KC)與上級控制設備(CPU)協(xié)同工作，其中-通信控制器(KC)由至少一個可自由編程的通信ALU(RPA，TPA，PEA)構(gòu)建，-多個指令被編碼在通信ALU(RPA，TPA)的一個指令代碼中，并且所述指令代碼針對特定通信功能而被優(yōu)化，并且-在通信ALU(RPA，TPA)中，并行地設置執(zhí)行特殊通信功能的邏輯功能塊(FI，Z，V，CRC)，由此，通信功能不被固定地預先給定，而是基于可自由編程且針對通信功能優(yōu)化的通信ALU(RPA，TPA，PEA)構(gòu)建，從而在一個系統(tǒng)時鐘中執(zhí)行多個指令，并且由此可以實現(xiàn)各種網(wǎng)絡之間的過渡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，通過以下方式兩 級地實現(xiàn)通信，即通信功能被劃分到第一級的兩個通信ALU (RPA, TPA)和第二級的通信ALU (PEA)，其中第一級的兩個通信ALU (RPA，TPA)即為-第一通信ALU (RPA)，其中針對接收和解碼面向比特或半 字節(jié)的串行數(shù)據(jù)流以及將其并行轉(zhuǎn)換為字節(jié)，字或雙字表示而優(yōu)化所 述第一通信ALU (RPA)，-第二通信ALU (TPA)，其中針對將字節(jié)，字或雙字表示串流而優(yōu)化第二通信ALU (TPA),第二級的通信ALU (PEA)即為-第三通信ALU (PEA),其具有監(jiān)視邏輯，所述監(jiān)視邏輯同 時監(jiān)視多個可能的事件及其組合，并且在一個系統(tǒng)時鐘內(nèi)出現(xiàn)事件的情況下以相應的程序代碼啟動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，上級控制設備 (CPU)與通信ALU ( RPA， TPA， PEA ) —同被集成在一個電路中，其中所述電路包含雙端口存儲器(DPMH)以耦接到外部的控制設備 (主系統(tǒng))，或者所述電路的上級控制設備(CPU)執(zhí)行整個應用程 序并且所述電路將內(nèi)部系統(tǒng)總線引出作為擴展總線(EB )以連接外部 存儲器和外圍設備模塊，并且對于上述兩種工作方式，使用相同的信 號，并且借助于軟件切換所述兩種工作方式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，使用非常寬的、 尤其是64比特寬的指令代碼(BC)，其中多個指令、尤其是邏輯運 算、控制轉(zhuǎn)移，位的設置和清除、計數(shù)器的遞增和遞減、數(shù)據(jù)傳送以 及特殊功能寄存器的操作被編碼在所述指令代碼中，所述指令在一個 系統(tǒng)時鐘中被并行地執(zhí)行。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第三ALU (PEA) 并行地監(jiān)視多個特殊事件，尤其是來自第 一通信ALU ( RPA )或到第 二通信ALU (TPA)或到上級控制設備(CPU)的特定數(shù)據(jù)的發(fā)送、 時間到期、達到特定計數(shù)器狀態(tài)、或設置特定狀態(tài)位。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信ALU( RPA, TPA，PEA)經(jīng)由公共寄存器組(SR)與另外的通信ALU耦接，以進 行串行/并行或并行/串行轉(zhuǎn)換，其中所述通信ALU都可以同時對所述 公共寄存器組進行寫訪問和讀訪問，其中在寫入時，最后的值有效。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3和6所述的方法，其特征在于，通信ALU( RPA， TPA，PEA)的雙端口存儲器(DPM)和寄存器組(SR)可以與持續(xù) 工作并行地被上級控制設備(CPU)讀取和寫入。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3和6所述的方法，其特征在于，通信控制器 (KC)包括至少一個通信ALU (RPA， TPA， PEA),經(jīng)由DMA控制器(DMA)、雙端口存儲器(DPMH)和公共寄存器(SR)而與 上級控制設備(CPU)耦接。
9. 一種用于數(shù)據(jù)通信、尤其是用于耦接具有分布式控制的開放 式自動化系統(tǒng)的彼此通過串行數(shù)據(jù)總線通信的總線用戶的裝置，包 括-通信控制器(KC),其與上級控制設備(CPU)協(xié)作，并且 具有至少一個可自由編程的通信ALU ( RPA， TPA， PEA )，-多個指令被編碼在其中的指令代碼，其中針對通信功能優(yōu)化所 述指令代碼，以及-在通信ALU ( RPA， TPA， PEA )中并行設置執(zhí)行特殊通信功 能的至少兩個邏輯功能塊(FI， Z， V, CRC)，從而通信功能不被固定地預先給定，而是基于至少一個可自由編 程且針對通信功能優(yōu)化的通信ALU ( RPA, TPA， PEA )而構(gòu)建，由此 可以在一個系統(tǒng)時鐘中執(zhí)行多個指令，并且由此可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之 間的過渡。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，為了對高達32 比特寬的數(shù)據(jù)進行串行/并行或并行/串行轉(zhuǎn)換并對其編碼和解碼，并 行設置的邏輯功能塊(Fl， Z， V， CRC)具有至少一個移位寄存器(FI)，至少一個計數(shù)器(Z)和至少一個比較器(V),它們分析串 行數(shù)據(jù)，并根據(jù)預先給定的值設置標志(F)中的狀態(tài)位，并且并行 設置的邏輯功能塊(F1， Z， V, CRC)還具有至少一個CRC生成器(CRC)，其響應于通信ALU (RPA， TPA， PEA)的指令將串行數(shù) 據(jù)接受到CRC多項式的計算中。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，通信ALU(RPA， TPA，PEA)通過FIFO、并且還通過指令寄存器和狀態(tài)寄存器與另外 的通信ALU ( RPA， TPA， PEA )耦接，以進行串行/并行或并行/串行 轉(zhuǎn)換，或者所述另外的通信ALU ( RPA， TPA， PEA )通過公共寄存器 組(SR)被耦接，其中所述通信ALU都可以同時對所述公共寄存器 組進行寫和讀訪問，在寫的情況下，最后的值有效。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，通信ALU(RPA， TPA，PEA)中至少之一通過DMA控制器(DMA)和/或雙端口存儲 器(DPMH)與上級控制設備(CPU)相連。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9和12所述的裝置，其特征在于，設置具有 連接到地址總線線路、數(shù)據(jù)總線線路、控制總線線路的主控設備(HC ) 的主接口設備，所述主接口設備可以在用于連接存儲器和外圍設備模 塊的擴展總線(EB)與用于連接另一上級控制設備的雙端口存儲器(DPMH)之間切換。
14. 一種具有靈活通信結(jié)構(gòu)的設備，尤其是自動化設備，具有 -至少一個可自由編程的通信控制器(KC)，其與上級控制設備協(xié)作，-至少一個集成在通信控制器(KC)中的可自由編程的通信 ALU(KA),以及-通過用于傳輸標識代碼、控制數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的信 號線路(IC， ST, ED， SD)與通信控制器(KC)相連的可更換的 物理接口 (PS)，從而所述物理接口 (PS)是可更換的。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的自動化設備，其特征在于，在通信 處理器(KP)中包含多個可自由編程的通信控制器(KC)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的自動化設備，其特征在于，物理接 口 (PS)被構(gòu)造位具有通信網(wǎng)絡連接插頭的印刷電路。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的自動化設備，其特征在于，具有通 信網(wǎng)絡連接插頭的物理接口 (PS)被構(gòu)造為集成單元。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的自動化設備，其特征在于，通信處 理器(KP)處理應用程序以及傳輸協(xié)議。
19. 一種用于配置具有至少一個通信控制器(KC)、至少一個集 成在所述通信控制器中的通信ALU ( KA )和至少一個物理接口 ( PS ) 的自動化設備的方法，其中-通信功能不被固定地預先給定，而是基于可自由編程且針對通 信功能優(yōu)化的ALU (KA)來構(gòu)建，-在啟動階段，物理接口 (PS)通過信號線路(IC)將標識代 碼發(fā)送到通信控制器(KC)，并且-通信控制器(KC)自主地執(zhí)行正確的配置，并且將相應的軟 件加載到通信ALU (KA)中。
20. —種用于對具有分布式控制的自動化系統(tǒng)的彼此通過串行數(shù) 據(jù)總線通信的總線用戶進行同步的方法，其中所述總線用戶具有"準 專用的，，通信控制器(KC)，所述通信控制器通過至少一個可自由編 程的通信ALU ( RPA, TPA， PEA )與串接的控制設備(CPU )協(xié)作， 其中-通信控制器(KC)檢測特定數(shù)據(jù)或事件的出現(xiàn)， -通信ALU ( RPA， TPA， PEA )執(zhí)行同步的控制功能，以及 -在同步時間點之間，與串接的控制設備(CPU)交換測量值和 調(diào)節(jié)值，由此，串接的控制設備(CPU)的中斷等待時間不影響控制功能的直接同步。
21. —種用于對具有分布式控制的自動化系統(tǒng)的彼此通過串行數(shù) 據(jù)總線通信的總線用戶進行同步的方法，其中所述總線用戶具有"準 專用的"通信控制器(KC)，所述通信控制器通過至少一個可自由編 程的通信ALU ( RPA， TPA， PEA )與串接的控制設備(CPU )協(xié)作， 其中-在周期運行的控制功能的啟動時間點，存儲(L)被同步的本 地時間，-通過與所存儲的上一啟動點的時間求差，基于本地時間(U) 測量周期時間，以及-通過將當前周期時間增大或縮小，使其相對于本地時間保持恒 定并且保持在固定的相位關(guān)系中，由此，整個周期不但在其周期時間上、而且在其相位上都與本地 時間同步。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，驅(qū)動功能、尤 其是位置測量或輸出調(diào)節(jié)量直接與快速的確定性的且無抖動的通信 連接同步。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，周期的驅(qū)動功 能、尤其是位置測量或輸出調(diào)節(jié)值直接與本地系統(tǒng)時間同步，其中系 統(tǒng)時間通過合適的協(xié)議、尤其是IEEE 1588，在自動化系統(tǒng)內(nèi)^皮重新 調(diào)節(jié)到同步運轉(zhuǎn)。
24. —種用于對具有分布式控制的自動化系統(tǒng)的彼此通過串行數(shù) 據(jù)總線通信的總線用戶進行同步的裝置，包括-"準專用的"通信控制器(KC)，具有至少一個可自由編程的通信ALU ( RPA, TPA， PEA )，-與通信控制器(KC)串接的控制設備(CPU)，以及 -通信ALU (RPA， TPA， PEA)中具有用于測量和存儲時間的裝置的至少 一個邏輯功能塊，由此，借助于通信控制器(KC)，實現(xiàn)控制功能的直接同步而無需串接的控制設備(CPU)，或?qū)崿F(xiàn)與控制功能的每次啟動的根據(jù)所存儲的本地時鐘的同步。
全文摘要
在自動化技術(shù)中，針對特殊的應用需要電路或者通信接口，它們能夠獨立于特殊的現(xiàn)場總線系統(tǒng)實現(xiàn)各自的和容易的通信功能匹配。為了將用于開放式自動化系統(tǒng)的總線用戶的數(shù)據(jù)通信的方法這樣構(gòu)建，使得任意用戶的連接可以通過單獨的、互動的通信來實現(xiàn)，在根據(jù)本發(fā)明的方法中通信控制器(KC)由至少一個可自由編程的通信ALU(RPA，TPA，PEA)構(gòu)建，多個指令被編碼在通信ALU(RPA，TPA)的一個指令代碼中，并且該通信ALU被針對特定的通信功能而被優(yōu)化，在通信ALU(RPA，TPA)中并行地設置有邏輯功能塊(FI，Z，V，CRC)，其執(zhí)行特殊的通信功能，通過這種方式，通信功能并非被固定地預定，而是基于可自由編程的并且針對通信功能被優(yōu)化的多個通信ALU(RPA，TPA，PEA)構(gòu)建，通過這種方式，在一個系統(tǒng)時鐘中執(zhí)行多個指令，并且由此可以實現(xiàn)在各種網(wǎng)絡之間的過渡。
文檔編號G06F13/38GK101208674SQ200580050221
公開日2008年6月25日 申請日期2005年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月23日
發(fā)明者漢斯·于爾根·希爾舍 申請人:赫優(yōu)訊自動化系統(tǒng)有限公司;漢斯·于爾根·希爾舍