專利名稱：冗余串行總線及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冗余串行總線及其運(yùn)行的一種方法。
普遍的問題在于，自身沒有系統(tǒng)集成的冗余裝置的現(xiàn)有串行總線系統(tǒng)-通常它是標(biāo)準(zhǔn)的因而也是投入使用的總線系統(tǒng)-通過冗余設(shè)計(jì)的總線線路相互連接。
此外，在選擇冗余設(shè)計(jì)的總線線路中的一條線路進(jìn)行通信時(shí)存在以下問題在純物理層面上例如通過發(fā)射電平識(shí)別來單獨(dú)地識(shí)別復(fù)雜的錯(cuò)誤不再是可能的。判斷必須在協(xié)議處理的更高層面上進(jìn)行。在被選的用于接收電報(bào)的線路能被選擇之前，首先至少串行傳輸?shù)囊徊糠直仨毐蛔鳛檎_的來識(shí)別。電報(bào)的監(jiān)測(cè)部分必須如此之長，使得在總線上能具有確定延遲時(shí)間的反射被可靠地識(shí)別出來。
通常傳輸協(xié)議的低層總線系統(tǒng)采用專門的總線控制器。如果此控制器不存在相應(yīng)的冗余，為實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的冗余所需的數(shù)位對(duì)于這種控制器的應(yīng)用來說是不可達(dá)到的。
從維也納奧登波爾格出版社的出版物(1992年)“自動(dòng)化技術(shù)”第1冊(cè)第406頁我們知道，在一個(gè)冗余總線系統(tǒng)中在滿足切換準(zhǔn)則時(shí)將數(shù)據(jù)流動(dòng)從活動(dòng)的總線切換到備份的總線上，其中每次活動(dòng)的總線代表從冗余總線系統(tǒng)的同類并有同樣權(quán)利的總線中的一個(gè)可預(yù)先規(guī)定的選擇。作為切換準(zhǔn)則的是活動(dòng)總線故障和在活動(dòng)的及備份的總線上循環(huán)查詢傳送請(qǐng)求的差別。
DE 195 13 318公開了一種運(yùn)行一個(gè)異步且冗余的串行總線的方法，該總線由n＞1個(gè)并行的獨(dú)立線路構(gòu)成，其中存在至少兩個(gè)相互可同步的復(fù)用器，它們適合于在串行總線接口和并行線路中的一個(gè)之間雙向傳送數(shù)據(jù)信息。其中冗余串行總線的一個(gè)優(yōu)先線路被定為主要總線，并且剩下的n-1個(gè)線路被定為輔助總線，在數(shù)據(jù)流動(dòng)不被干擾時(shí)通過復(fù)用器連接的站之間的數(shù)據(jù)信息通過作為活動(dòng)總線的主要總線進(jìn)行交換并且復(fù)用器之間的控制信息通過至少一個(gè)可預(yù)先規(guī)定的總線交換，在活動(dòng)總線上傳輸質(zhì)量下降到可預(yù)先規(guī)定的界限之下時(shí)一個(gè)可預(yù)先規(guī)定的輔助總線被定為活動(dòng)總線，一個(gè)錯(cuò)誤通知被放到一個(gè)被設(shè)定的位置上，并且被停止的總線被分析，當(dāng)主要總線上傳輸質(zhì)量上升到預(yù)先規(guī)定的界限之上時(shí)主要總線重又被定為活動(dòng)總線。
上述方案的缺點(diǎn)在于同步所有總線用戶到活動(dòng)總線上所需的開銷以及為此而要求的協(xié)議功能。因?yàn)橥窖b置本身是總線用戶，因而減小了可連接站可供使用的用戶地址數(shù)。
DE 195 13 316公開了一種具有n＞1個(gè)總線線路的可分段以太網(wǎng)總線系統(tǒng)用以具有一個(gè)控制輸出和一個(gè)通信端口的單端口站的冗余組網(wǎng)，其中存在具有一個(gè)可復(fù)用端口和n個(gè)線路端口以及一個(gè)控制輸入的雙向復(fù)用器。至少一個(gè)具有n個(gè)線路端口的檢查裝置被接到一個(gè)以太網(wǎng)段的n個(gè)總線線路上。每個(gè)單端口站配置一個(gè)復(fù)用器，單端口站的通信端口與復(fù)用器的復(fù)用端口連接而且單端口站的控制輸出與復(fù)用器的控制輸入連接。每個(gè)復(fù)用器的n個(gè)線路端口連接到以太網(wǎng)段的n個(gè)總線線路上。
上述方案的缺點(diǎn)是每個(gè)單端口站配有一個(gè)用于控制復(fù)用器的控制輸出。尤其是在現(xiàn)有系統(tǒng)中裝配冗余總線線路時(shí)沒有可供使用的這樣的控制輸出。
此外DE 195 13315公開了一種用于單端口站冗余組網(wǎng)的可分段的以太網(wǎng)總線系統(tǒng)，其中至少部分段上并行配置兩個(gè)線路并且為了連接單端口站到此兩個(gè)線路上，采用活動(dòng)用戶可尋址的雙向復(fù)用器，它可由至少一個(gè)被作為活動(dòng)用戶進(jìn)行尋址的監(jiān)視單元控制，它們可由至少一個(gè)被作為活動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)用戶尋址的監(jiān)視單元控制。
上述方案的缺點(diǎn)是需要大量網(wǎng)絡(luò)地址，它限制了在此網(wǎng)絡(luò)中可能的單端口站的數(shù)量。
本發(fā)明的目的在于給出一種裝置，它可用冗余設(shè)計(jì)的總線線路將現(xiàn)有的自身沒有系統(tǒng)集成的冗余裝置的串行總線系統(tǒng)相互連接起來。并且原有總線系統(tǒng)盡可能不受影響和是可兼容使用的。與非冗余用戶混合運(yùn)行應(yīng)是可能的并且冗余裝置應(yīng)還能很好地識(shí)別和處理復(fù)雜的錯(cuò)誤，如總線錯(cuò)誤關(guān)閉和類似錯(cuò)誤。
本發(fā)明的任務(wù)用權(quán)利要求1所述裝置和權(quán)利要求10所述步驟實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的優(yōu)化方案如權(quán)利要求2至9以及權(quán)利要求11所述。
本發(fā)明在于，對(duì)于接收線路的每一個(gè)，在串接裝置(Vorschalteinrichtung)中附加部分協(xié)議，以得到必需的判決準(zhǔn)則。在判斷之后一個(gè)被判別為無干擾的線路被選擇。被選線路如此還原原來信號(hào)，使得該信號(hào)能被讀入一般的通信控制器或設(shè)備。
本發(fā)明基于下述經(jīng)驗(yàn)傳輸路徑的干擾通常在段首中或UART協(xié)議傳送第一個(gè)字節(jié)時(shí)能被發(fā)現(xiàn)。
按照本發(fā)明，存在一個(gè)串接裝置，它一方面連接冗余設(shè)計(jì)的總線線路，另一方面連接沒有系統(tǒng)集成的冗余裝置的用戶或設(shè)備，總線線路的每一個(gè)與其所連接的用戶或設(shè)備連接時(shí)完全放棄使用系統(tǒng)集成的冗余裝置。
在這種冗余總線系統(tǒng)中總是在所有線路上發(fā)送，而在接收時(shí)選擇一個(gè)任意的無干擾線路。這就是說，不同的、連接到其自己總線線路上的接收機(jī)可確認(rèn)不同的總線線路作為無干擾的。
在優(yōu)化的方案中還可采用可供使用的總線控制器。此外，現(xiàn)有具有總線控制器而沒有系統(tǒng)集成冗余裝置的設(shè)備可以簡(jiǎn)單的方式在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)冗余組網(wǎng)?？梢圆恍枰郊拥膶?duì)應(yīng)同步裝置的用戶地址。
串接冗余的概念適用于所有方式的串行通信并且在物理層面上實(shí)現(xiàn)。依賴于數(shù)據(jù)流的有效性，冗余體現(xiàn)在從n個(gè)(n大于等于m+1)接收線路中選出1個(gè)。此選擇對(duì)傳輸塊(幀)的持續(xù)期有效。在所有發(fā)送線路上發(fā)送。接收和發(fā)送線路可以被合成為一個(gè)雙向數(shù)據(jù)線路。
下面借助具有兩個(gè)并行的總線線路的實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明。附圖中

圖1是一個(gè)冗余總線系統(tǒng)的原理示意圖，圖2是一個(gè)可串接的冗余裝置的方框圖，圖3是一個(gè)有監(jiān)視的冗余總線系統(tǒng)原理示意圖，圖4是一個(gè)有監(jiān)視的可串接的冗余裝置的方框圖。
圖1示出一個(gè)按照本發(fā)明的冗余總線系統(tǒng)的原理。在由兩個(gè)總線線路11和12組成的冗余串行總線1上連接有組21至25的總線用戶2，其中每個(gè)用戶2支配一個(gè)單獨(dú)的無冗余的總線通信接口200。
第1組21和第2組22的總線用戶2每一個(gè)通過一個(gè)用戶分立的，可串接的冗余裝置3連接到冗余串行總線1的兩個(gè)總線線路11和12上。第4組24的總線用戶2通過一個(gè)無冗余的串行總線4和一個(gè)公共的，可串接的冗余裝置3連接到冗余串行總線1的兩個(gè)總線線路11和12上。第3組23的總線用戶2僅連接到冗余串行總線1的總線線路11上。這里到總線線路11或12的一個(gè)的連接是可自由選擇的和可混合使用的。其中不使用優(yōu)先權(quán)。
在特別有意義的方式中對(duì)應(yīng)于單個(gè)總線用戶2支配要求的串行總線1的冗余是可標(biāo)定的。此外在同一個(gè)冗余串行總線1上冗余和非冗余連接的用戶2的混合運(yùn)行是可能的。
第5組25包含所謂的重復(fù)器，其每一個(gè)實(shí)現(xiàn)第一段的一個(gè)總線線路11和12與同一總線系統(tǒng)第二段的相應(yīng)一個(gè)總線線路的連接。
圖2示出一個(gè)可串接的冗余裝置3的原理結(jié)構(gòu)?？纱拥娜哂嘌b置3由一個(gè)接收機(jī)31和一個(gè)發(fā)射機(jī)32組成。接收機(jī)31包含至少一個(gè)與一個(gè)總線線路11和12相應(yīng)的輸入電路311、一個(gè)計(jì)算電路312和一個(gè)輸出電路313。輸入電路311配有同步、濾波和串-并轉(zhuǎn)換裝置。此外也可以具有計(jì)算數(shù)據(jù)流用的裝置(校驗(yàn)，成幀等)并將狀況繼續(xù)送到計(jì)算電路312。合乎目的是輸入電路311串接一個(gè)放大器314，它具有用于匹配輸入電路311至冗余的串行總線的總線線路11和12的物理傳輸媒體上的裝置。
計(jì)算電路312包含用于計(jì)算數(shù)據(jù)流的裝置、用于時(shí)間計(jì)算的裝置、用于評(píng)估接收線路狀況的裝置和用于線路選擇的裝置。
輸出電路313具有并-串轉(zhuǎn)換裝置、在錯(cuò)誤接收數(shù)據(jù)時(shí)封鎖電路的裝置以及用于匹配到總線用戶2的無冗余總線通信接口200的驅(qū)動(dòng)電路(RS485，RS232，LWL，…)。此外也可將延遲了接收識(shí)別時(shí)間的串行數(shù)據(jù)流從輸入電路311直接傳送給輸出電路313。這樣就不再需要并-串轉(zhuǎn)換了。
在輸入電路311中接收信號(hào)通過濾波器送到同步電路。在同步電路中接收機(jī)31同步到數(shù)據(jù)流上。傳輸速度能被配置或自動(dòng)識(shí)別。為了自動(dòng)速度識(shí)別，輸入的數(shù)據(jù)流被求值。數(shù)據(jù)流能串行或并行地傳送給計(jì)算電路312。
在計(jì)算電路312中借助于判據(jù)來選擇接收線路11或12，判據(jù)是由串行或并行的數(shù)據(jù)流，時(shí)間行為以及接收線路11和12的狀態(tài)作出的。作為由數(shù)據(jù)流來的判據(jù)有幀錯(cuò)誤，校驗(yàn)錯(cuò)誤，段首，同步序列等。其它的判據(jù)由時(shí)間行為，由在數(shù)據(jù)傳送中的空用時(shí)間，或者由數(shù)據(jù)傳送持續(xù)期得到。一個(gè)時(shí)間相關(guān)的切換戰(zhàn)略也可提供判據(jù)。表征接線線路11和12狀態(tài)的一個(gè)選擇判據(jù)也可以是信號(hào)電平，它指示過載或不過載。
在輸出電路313中對(duì)認(rèn)定為有效并被選擇的數(shù)據(jù)流進(jìn)行比特再定時(shí)并且通過驅(qū)動(dòng)電路輸出。在可串接的冗余裝置3中產(chǎn)生的時(shí)延是不重要的，因?yàn)樗陔娎|傳播時(shí)間(反射傳播時(shí)間)的范圍之內(nèi)。如果沒有有效的數(shù)據(jù)流被確認(rèn)，輸出電路313提供空用狀態(tài)作為輸出信號(hào)。
在發(fā)射方面，可串接的冗余裝置3具有一個(gè)發(fā)射機(jī)32，它對(duì)冗余串行總線1的每個(gè)總線線路11和12有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器321。被發(fā)送的數(shù)據(jù)流經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器321輸出到所有總線線路11和12上。
圖3示出一個(gè)冗余的總線系統(tǒng)的原理，其中用相同的標(biāo)號(hào)表示相同的裝置，被選總線用戶2配有診斷裝置。第一個(gè)用戶組21的被選總線用戶2配有一個(gè)附加的診斷裝置接口201并且借助于控制線5與對(duì)應(yīng)于它的可串接冗余裝置3連接。
圖4示出一個(gè)具有用于監(jiān)視和診斷的附加控制線5的可串接冗余裝置3的方框圖。接收機(jī)31的計(jì)算電路312具有一個(gè)用于輸出狀況信息的輸出口和用于選擇被提供的總線線路11或12中的一個(gè)作為接收總線的輸入口，它們各通過附加控制線5的一根與第一個(gè)用戶組21的被選總線用戶2的附加診斷接口201連接。
此外接收機(jī)31具有用于測(cè)試和用于診斷的裝置，它們?cè)试S調(diào)整接收機(jī)31于不同的工作方式上。除了根據(jù)數(shù)據(jù)流有效性選擇總線線路11或12的一個(gè)作為接收線路這樣一般工作方式外，也可在一個(gè)規(guī)定的固定總線線路11或12上接收，計(jì)算電路312可以接通或關(guān)斷。
用于測(cè)試和診斷目的時(shí)接收機(jī)31可如此構(gòu)造僅在一個(gè)規(guī)定的總線線路11或12上接收。這時(shí)可以對(duì)所選擇的總線線路11或12將接收機(jī)31的輸入口和輸出口直接連接起來。為此接收機(jī)31的計(jì)算電路312被所選的總線用戶2通過控制線路5相應(yīng)地初始化。
用于測(cè)試和診斷目的時(shí)發(fā)送方面，可個(gè)別構(gòu)造的數(shù)據(jù)流輸出到僅僅一個(gè)或多個(gè)總線線路11和12上。為此發(fā)射機(jī)32的驅(qū)動(dòng)器321配置有門電路，用它們來閉鎖任意驅(qū)動(dòng)器321的輸出。每個(gè)門電路具有一個(gè)控制輸入口，它通過控制線5與被選用戶2的診斷接口201連接。
在診斷期間以一個(gè)被選用戶為目標(biāo)的數(shù)據(jù)通過同一個(gè)被選總線線路11或12發(fā)送和接收。通過這種方法識(shí)別有缺陷的總線線路11和12并且通知一個(gè)上級(jí)裝置。
權(quán)利要求
1.具有n＞1個(gè)并行的總線線路的冗余串行總線，它用于各具有一個(gè)單獨(dú)的總線通信接口的總線用戶的組網(wǎng)，其特征在于，-存在一個(gè)可串接的冗余裝置(3)，它具有n個(gè)用于連接n個(gè)并行的總線線路(11，12)的接口和一個(gè)用于連接至少一個(gè)總線用戶(2)的單獨(dú)的總線通信接口(200)的接口，-可串接的冗余裝置(3)在接收方面對(duì)于每個(gè)總線線路(11，12)至少具有一個(gè)輸入電路(311)并對(duì)所有總線線路(11，12)有一個(gè)計(jì)算電路(312)和輸出電路(313)，-計(jì)算電路(312)具有用于判斷數(shù)據(jù)流的有效性和用于選擇總線線路(11，12)的一個(gè)作為接收線路的裝置，并且-可串接的冗余裝置(3)在發(fā)送方面對(duì)每個(gè)總線線路(11，12)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器(321)。
2.如權(quán)利要求1所述的冗余串行總線，其特征在于，輸入電路(311)具有用于同步和濾波的裝置。
3.如權(quán)利要求1和2中的任一項(xiàng)所述的冗余串行總線，其特征在于，輸入電路(311)具有用于串-并轉(zhuǎn)換的裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的冗余串行總線，其特征在于，輸出電路(313)具有用于并-串轉(zhuǎn)換的裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的冗余串行總線，其特征在于，計(jì)算電路(312)具有用于求值數(shù)據(jù)流，用于時(shí)間計(jì)算，用于判斷接收線路的狀況和用于選擇線路的裝置。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的冗余串行總線，其特征在于，可串接的冗余裝置(3)在接收方面可固定調(diào)整到一個(gè)總線線路(11，12)上。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的冗余串行總線，其特征在于，可串接的冗余裝置(3)在發(fā)送方面可固定調(diào)整到一個(gè)總線線路(11，12)上。
8.如權(quán)利要求7所述的冗余串行總線，其特征在于，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器(321)包含一個(gè)用于閉鎖驅(qū)動(dòng)器輸出的門電路。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的冗余串行總線，其特征在于，-至少一個(gè)被選的用戶(2)配置有一個(gè)用于連接控制線(5)的診斷接口(201)，-可串接的冗余裝置(3)的計(jì)算電路(312)配置有用于連接控制線(5)的連接端，并且-驅(qū)動(dòng)器(321)的門電路具有控制輸入口，它們與診斷接口(201)的控制線(5)連接。
10.運(yùn)行如權(quán)利要求1所述的冗余串行總線的方法，其特征在于，-運(yùn)行過程中在所有總線線路(11，12)上并行和同時(shí)發(fā)送相同的消息包，-所有總線(11，12)的相同的消息包并行地被可串接的冗余裝置(3)接收，-接收消息包的數(shù)據(jù)流被檢查其有效性，并且-根據(jù)數(shù)據(jù)流的有效性選擇總線線路(11，12)的一個(gè)，其數(shù)據(jù)流被繼續(xù)送給所連接的總線用戶(2)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，用于具有同一被選總線用戶(2)的冗余的串行總線(1)的診斷，數(shù)據(jù)包在同一個(gè)總線線路(11，12)上發(fā)送和接收。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種冗余的串行總線及其運(yùn)行的一種方法。為了將現(xiàn)有的無系統(tǒng)集成的冗余裝置的串行總線系統(tǒng)通過冗余設(shè)計(jì)的總線線路(11,12)相互連接起來,本發(fā)明建議一種可串接的冗余裝置(3),它接在總線用戶(2)的總線通信接口(200)和冗余的總線線路(11,12)之間。在運(yùn)行中始終在所有總線線路(11,12)上發(fā)送,而在接收方面則選擇一個(gè)無干擾的總線線路(11,12)。
文檔編號(hào)H04L12/26GK1260930SQ98806346
公開日2000年7月19日 申請(qǐng)日期1998年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月20日
發(fā)明者沃爾夫?qū)ず?jiǎn)珍 申請(qǐng)人:哈特曼及布勞恩兩合公司