DE19513210A1

DE19513210A1 - Verfahren zur seriellen Datenübertragung

Info

Publication number: DE19513210A1
Application number: DE19513210A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kunz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-12
Filing date: 1995-04-12
Publication date: 1995-10-26
Also published as: WO1995027944A3; WO1995027944A2; DE4412549A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur seriellen Datenübertragung zwischen zwei oder mehreren miteinander Daten austauschenden Stationen, wobei mindestens eine Station als Master-Station und mindestens eine weitere Station als Slave-Station arbeitet, die alle durch zwei oder mehr Übertragungskanäle miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Übertragungskanal als Datenkanal für die Übertragung der Daten und ein anderer Übertragungskanal als Taktkanal für die Übertragung eines Taktsignals vorgesehen sind.

Ein System mit ähnlicher Arbeitsweise ist in der Druckschrift EP 00 51 332 A1 angegeben. Bei diesem bekannten System ist es zwingend, keinen gleichzeitigen Wechsel im Takt- und Datenkanal erfolgen zu lassen; das Taktsignal hat eine Zustandswechselhäufigkeit, die mindestens das Doppelte der Zustandswechselhäufigkeit des Datensignals aufweist. Damit ergibt sich für verschiedene Anwendungszwecke eine Beschränkung im realisierbaren Datendurchsatz. Das bekannte System hat außerdem den Nachteil, daß es zur Bildung des Start- und des Stoppsignals erforderlich ist, daß sowohl Takt- als auch Datenleitung zuvor einen festgelegten Zustand aufweisen müssen.

Die serielle Übertragung von Daten über größere Strecken gewinnt mit zunehmender Distanz der Kommunikationspartner einen immer größeren Kostenvorteil gegenüber der parallelen Datenübertragung. Ziel der Erfindung ist es, auch für Kommunikationspartner mit niedriger maximaler Schaltfrequenz eine serielle Datenübertragung realisierbar zu machen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die folgenden Maßnahmen gelöst:

1. Die Master-Station generiert zur Datenübertragung in jedem Zyklus im Taktkanal einen Zustandswechsel beliebiger Richtung und schaltet zugleich den Datenkanal in den Zustand, der dem zu übertragenden Datum entspricht, wobei die Unabhängigkeit der Interpretation der übertragenen Daten vom Zustand des Taktkanals dadurch gewährleistet ist, daß die Datenidentifikation lediglich über den Zustand des Datenkanals erfolgt.
2. Zur Übertragungssynchronisation generiert die Master-Station in einem Zyklus einen Zustandswechsel in beliebiger Richtung in mindestens einem Datenkanal, während ausschließlich in einem solchen Synchronisationszyklus der aktuelle Zustand des Taktkanals erhalten bleibt, was in jedem beliebigen Übertragungszyklus erfolgen kann und jeweils den Beginn einer neuen Datenfolge und das Ende einer bisherigen Datenfolge signalisiert.
3. Die aktuelle Übertragung kann in jedem Zyklus durch eine Übertragungssynchronisation abgebrochen und wieder neu eingeleitet werden.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind folgende Maßnahmen vorgesehen:

1. Für die Datenübertragung von einer Slave-Station zu einer Master-Station steht zusätzlich mindestens ein weiterer Datenkanal zur Verfügung (Slave-Master-Datenkanal = SM- Datenkanal).
2. Nachdem die Slave-Station durch die Detektion eines Zustandswechsels im Taktkanal einen neuen Übertragungszyklus erkannt hat, schaltet die Slave-Station den SM-Datenkanal in den Zustand, der dem von der Slave-Station zu der Master-Station zu übertragenden Datum entspricht.
3. Wenn die Slave-Station eine Übertragungssynchronisation detektiert hat, schaltet sie die Steuerung des SM-Datenkanals passiv.
4. Bei jeder Generierung eines Übertragungszyklus liest die Master-Station den neuen Zustand des SM-Datenkanals ein.

Erfindungsgemäß ist es auch, daß die folgenden Maßnahmen vorgesehen sind:

1. Mehrere Slave-Stationen werden busförmig, d. h. parallel an einer Master-Station betrieben.
2. Um die Slave-Stationen eindeutig identifizieren zu können, erhält jede Slave-Station an dem besagten Bus eine individuelle Adresse, die die Master-Station nach jeder Übertragungssynchronisation als erstes sendet.
3. Nach jeder Übertragungssynchronisation werten alle Slave-Stationen die nachfolgende Adresse aus; die Slave-Station mit der gesendeten Adresse wertet die nachfolgenden für sie bestimmten Nutzdaten aus, alle anderen Slave-Stationen warten auf die nächste Übertragungssynchronisation.
4. Welche Slave-Station als nächste zu bedienen ist, kann in der Master-Station durch eine feste Abfolge oder durch eine Prioritätssteuerung festgelegt werden.

Weiterhin ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die folgenden Maßnahmen ergriffen werden:

1. In der Master-Station ist für jede Slave-Station und jede Datenflußrichtung ein Kommunikationsdatenfeld sowie je ein Zeiger in dieses Datenfeld angelegt.
2. In der Slave-Station ist für die Empfangsdaten und die Rücksendedaten je ein Datenfeld und je ein Zeiger in dieses Datenfeld angelegt.
3. Mit jeder Datenübertragung werden in der Master-Station und der entsprechenden Slave- Station die zugeordneten Zeiger um die Anzahl der übertragenen Daten weiterbewegt.
4. Das Rücksetzen der Zeiger in der angewählten Slave-Station und der zugeordneten Zeiger in der Master-Station erfolgt nach der erneuten Adressierung der Slave-Station.

Weiterhin sind die folgenden Maßnahmen vorgesehen:

1. Der Adresse folgt eine 1-Bit-lange Datenartinformation, die festlegt, ob die nachfolgenden Daten ganz neue Daten sind oder die Fortsetzung einer zuvor unterbrochenen Datenübertragung.
2. Im Fall der Fortsetzung einer unterbrochenen Übertragung werden in der Master-Station und in der Slave-Station die Zeiger in die Kommunikationsdatenfelder nicht zurückgesetzt und die Datenübertragung erfolgt ab den aktuellen Datenzeigerpositionen.
3. Eine Prioritätssteuerung kann in jedem Zyklus die aktuelle Datenübertragung unterbrechen, um eine neue Datenübertragung zu einer anderen, höher priorisierten Slave-Station durchzuführen.

Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, daß die folgende Maßnahme ergriffen wird: Der Adresse bzw. der Datenartinformation folgt eine Slave-Station-interne Information, die den Zielort für die Übertragungsdaten innerhalb der Slave-Stationen festlegt.

Nach der Erfindung kann auch vorgesehen sein, daß das der Übertragungssynchronisation nachfolgende Bit unbenutzt bleibt.

Andererseits kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß das der Übertragungssynchronisation nachfolgende Bit zu besonderen Zwecken benutzt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß nun ein Verfahren zur seriellen Datenübertragung zur Verfügung steht, das dort zum Einsatz kommen kann, wo schon bisher wegen ihrer Kostenvorteile eine serielle Datenübertragung wünschenswert war, aber wegen der zu geringen Arbeitsgeschwindigkeit der Systemkomponenten nicht eingesetzt werden konnte. Nun ist die Obergrenze der erzielbaren Übertragungsgeschwindigkeit nur durch die maximal mögliche Schalthäufigkeit der verwendeten Komponenten gegeben. Es ist ein besonderes Merkmal der Erfindung, daß für jeden übertragenen Datenwert nur ein Zustandswechsel auf Takt- und Datenleitung gleichzeitig erfolgt, also für jeden übertragenen Datenwert nur ein Schaltzyklus erforderlich ist. Auch kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus jeder möglichen Zustandskombination zwischen Takt- und Datenleitung eine Übertragungssynchronisation erfolgen, mit der jede Übertragung begonnen wird. So ist eine Übertragungssynchronisation zu jeder Zeit möglich, d. h. die Übertragung ist interruptfähig. Zu jeder beliebigen Zeit kann die aktuelle Kommunikation durch die Kommunikation mit einem anderen Slave unterbrochen werden, um nach Abschluß der unterbrechenden Kommunikation bei der unterbrochenen Kommunikation fortgesetzt zu werden. Jede neu aufgenommene Kommunikation kann wiederum unterbrochen werden. Das neue Verfahren setzt keine Grenzen für die Verschachtelungstiefe der Unterbrechungen. Auch ist es möglich, beim Master eine Prioritätssteuerung für die Bedienung der Slaves zu installieren. Die Datenübertragung zu den Slaves ist weder an eine starre Abfolge in der Bedienung der Slaves gebunden, noch daran, daß die Kommunikation zu dem z. Zt. bedienten Slave zuerst vollständig abgearbeitet werden muß, bevor ein höher priorisierter Slave bedient werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 den zeitlichen Zusammenhang der Veränderungen im Daten- und im Taktkanal,

Fig. 2 symbolisch die Unabhängigkeit der Interpretation der übertragenen Daten vom Zustand des Taktkanals,

Fig. 3 die Übertragungssynchronisation mit der eine neue Datenfolge angezeigt wird und

Fig. 4 die zeitlichen Abläufe bei einer Datenübertragung in beiden Richtungen, wobei der Slave die empfangenen Daten an den Master zurücksendet.

Zur Beschreibung der Fig. 1 bis 4 werden zur Vereinfachung die folgenden Vereinbarungen getroffen:

1. Zwei eindeutig unterscheidbare Zustände eines Übertragungskanals werden, losgelöst von der physikalischen Realisation, als 0 (Null) beziehungsweise als 1 (Eins) bezeichnet.
2. Die Übergänge des einen Zustandes in den anderen und umgekehrt werden mit 0→1 bzw. mit 1→0 bezeichnet.
3. Bleibt in dem zu beschreibenden Abschnitt eines Ablaufs ein Zustand erhalten, wird dies mit = = kenntlich gemacht.
4. Verändert sich in dem zu beschreibenden Abschnitt eines Ablaufs ein beliebiger Zustand in den entsprechend entgegengesetzten Zustand, wird dies mit ∥ kenntlich gemacht.
5. Den Zuständen oder den Zustandsübergängen der Übertragungskanäle wird für den Datenkanal der Buchstabe D und für den Taktkanal der Buchstabe C vorangestellt.
6. Die Übertragungsrichtung der Daten wird immer vom Master aus gesehen und mit S für Sendedaten und mit R für Empfangsdaten kenntlich gemacht.

Fig. 1 zeigt den zeitlichen Zusammenhang der Veränderungen im Daten- und im Taktkanal. Die Übergänge der Zustände sind als Rampen dargestellt, da sie real neben unterschiedlichen Schaltzeitpunkten der sendenden Elemente sowohl durch deren endliche Schaltzeiten als auch durch ohmische, kapazitive und induktive Parameter des Übertragungskanals nicht beliebig steil werden können. Es ergibt sich daraus ein Fenster (tw), dessen linke Grenze durch die erste Veränderung im Daten- oder im Taktkanal und dessen rechte Grenze durch die zugehörige letzte Änderung im Daten- oder im Taktkanal bestimmt wird. Außerhalb (tw) können die Zustände im Daten- und im Taktkanal als stabil angesehen werden (tk). Der Minimalwert für (tw) ist der Maximalwert aus {(t1), (t2), (t5), (t6), . . .}. Sind die Übertragungskanäle mit Maßnahmen zur Störunterdrückung ausgestattet, sollte (tk) mindestens so groß wie (tw) sein. Je größer (tk) gegenüber (tw) wird, um so wirkungsvoller lassen sich Störungen unterdrücken. Die angestrebte maximale Übertragungsgeschwindigkeit legt die Größe für (tz) fest, wobei (tz)_min. die Summe aus (tw) und (tk) ist. Ist das Übertragungssystem auf ein bestimmtes (tz) abgestimmt, darf (tk) und somit (tz) auch in jedem Zyklus beliebig länger werden; während der Übertragung kann also die Übertragungsgeschwindigkeit unterhalb der maximalen Übertragungsgeschwindigkeit beliebig variiert werden. Eine Besonderheit der Erfindung ist es danach, daß für jeden übertragenen Datenwert nur ein Zustandswechsel auf Takt- und Datenleitung gleichzeitig erfolgt, also für jeden übertragenen Datenwert nur ein Schaltzyklus erforderlich ist, und daß die Länge der Pausen zwischen zwei Schaftzyklen beliebig groß werden kann.

In Fig. 2 ist symbolisch die Unabhängigkeit der Interpretation der übertragenen Daten vom Zustand des Taktkanals dargestellt; lediglich der Zustand des Datenkanals wird zur Datenidentifikation herangezogen. Auf dem Taktkanal können Signale unterschiedlicher Polarität gesendet werden, was durch die zwei gegenläufig verlaufenden Signalzyklen in Fig. 2 deutlich gemacht werden soll.

Die Master-Station muß bei einer seriellen Datenübertragung der Slave-Station durch eine in der normalen Datenübertragung nicht enthaltene Synchronisationsinformation den Beginn einer neuen Datenfolge mitteilen, womit zugleich die zuvor gesendete Datenfolge beendet ist. Eine solche Arbeitsweise ist schematisch in Fig. 3 dargestellt. Die Übertragungssynchronisation wird durch eine gezielte Regelverletzung der Übertragungsvereinbarung (Fig. 1 und 2) erreicht. Ein Zustandswechsel im Datenkanal ohne zugehörigen Zustandswechsel im Taktkanal ist diese eindeutige Synchronisationsinformation. Dieses neue Übertragungsverfahren ist für die zu übertragenden Daten völlig transparent. Die Anzahl der übertragenen Bit′s zwischen zwei Synchronisationsinformationen ist wahlfrei und in allen Zeichnungen nur aus darstellungstechnischen Gründen mit der jeweiligen Datenbitanzahl gezeigt.

Bisher wurde die Datenübertragung von einem Master zu einem Slave über nur einen Datenkanal (DS) beschrieben. Dabei ist die Anzahl der übertragenen Bit′s identisch mit der Anzahl der Zustandswechsel im Taktkanal. Für die Datenübertragung von einem Slave zum Master wird ein zweiter Datenkanal (DR) eingerichtet, da eine bidirektionale Nutzung des einen Datenkanals einen zusätzlichen Protokollaufwand erfordert. Dadurch würde der Anteil der zur Datenübertragung nutzbaren Zustandswechsel sinken.

In Fig. 4 ist eine Datenübertragung in beiden Richtungen dargestellt, wobei in diesem Beispiel der Slave die empfangenen Daten an den Master zurücksendet. Die Rücksendedaten können natürlich auch beliebige andere Daten des Slaves sein. Nach min. 2 * (tw) hat der Slave einen Zustandswechsel sicher erkannt und schaltet sein Rücksendedatum auf (DR). Nach einem weiteren (tw) ist das Rücksendedatum stabil. Auch hier ist noch mindestens ein weiteres (tw) zu einer wirkungsvollen Störunterdrückung erforderlich. Danach kann der Master die Antwort des Slaves lesen. Eine vollständige Datenübertragung in beiden Richtungen erfordert also 4 * (tw).

Aus den beschriebenen Zusammenhängen folgt, daß sowohl Master als auch Slave alle ihre eigenen Kommunikationsaktivitäten zur Übertragung eines Bit′s in je einem Zyklus vollständig abarbeiten können, wobei die Zyklen gegenseitig verschachtelt sind: Der Master liest von (DR) das seinem letzten Taktwechsel zuzuordnende Antwortdatum des Slaves und generiert zugleich auf (DS) sein neues Sendedatum mit dem zugehörigen neuen Taktwechsel. Nach 2 * (tw) liest der Slave das vom Master gesendete Datum und generiert zugleich auf (DR) sein Rücksendedatum.

Der maximale Datendurchsatz wird in einem erfindungsgemäßen Übertragungssystem durch die maximale Schaltfrequenz der langsamsten Systemkomponente bestimmt. Ist der so erreichbare Datendurchsatz unakzeptabel gering, kann der Anwender auch mehr als einen Datenkanal zur Verfügung stellen; entsprechend erhöht sich bei gleicher Schaltfrequenz der Datendurchsatz.

Anwendungsbeispiel

In der industriellen Steuerungstechnik werden sogenannte SPS eingesetzt, um den Ablauf von Prozessen zu steuern. Diese SPS sind mit Sensoren und Aktoren verbunden, mit denen die Aktionen am Zielort des Geschehens kontrolliert und beeinflußt werden. Jeder Sensor und jeder Aktor hat zu der SPS eine eigene Verbindungsleitung. Bei komplexen Prozessen entsteht dadurch ein erheblicher Verdrahtungsaufwand.

Den Ablauf der einzelnen Aktionen legt der Programmierer der SPS in dem Steuerprogramm fest. Dieses arbeitet in einer Endlosschleife mit den Schritten:

- alle Sensoren einlesen,
- aus dieser Information den neuen Sollzustand aller Aktoren ermitteln,
- den neuen Aktorensollzustand an die Aktoren schalten.

Ein Schleifendurchlauf dauert je nach Arbeitsgeschwindigkeit der SPS und Programmlänge zwischen einigen Millisekunden und einigen Dezisekunden. Betrachtet man die einzelnen Abläufe in einem Prozeß näher, zeigen sich zwei Arten von Ereignissen:

- Ereignisse, die eine sofortige Reaktion erfordern, wie z. B. die Bedienung des Notschalters,
- Ereignisse, bei denen geringe Verzögerungen zwischen Ereignis und entsprechender Reaktion unerheblich sind, sie z. B. bei der Erfassung und der Darstellung sich langsam ändernder Werte.

Für die Kommunikation der Sensoren und Aktoren der zweiten Ereignisklasse bietet es sich an, statt der sehr aufwendigen Parallelverdrahtung zwischen SPS und Sensoren/Aktoren das erfindungsgemäße Datenübertragungsverfahren einzusetzen. Die SPS ist der Master. Sie kann in jedem Schleifendurchlauf ein Bit eines Sensors lesen und ein Bit zu einem Aktor senden. Für Daten- und Taktkanäle können die E/A-Ports der SPS verwendet werden; auf der SPS-Seite entstehen keine zusätzlichen Hardwarekosten. Auf der Sensor/Aktorseite ist ein Interface erforderlich, das die übertragenen Daten wieder parallel zur Verfügung stellt. Diese Interfaces können auch Bestandteil der Sensoren/Aktoren sein.

Claims

1. Verfahren zur seriellen Datenübertragung zwischen zwei oder mehreren miteinander Daten austauschenden Stationen, wobei mindestens eine Station als Master-Station und mindestens eine weitere Station als Slave-Station arbeitet, die alle durch zwei oder mehr Übertragungskanäle miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Übertragungskanal als Datenkanal für die Übertragung der Daten und ein anderer Übertragungskanal als Taktkanal für die Übertragung eines Taktsignals vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die folgenden Maßnahmen:

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Maßnahmen:

1. Für die Datenübertragung von einer Slave-Station zu einer Master-Station steht zusätzlich mindestens ein weiterer Datenkanal zur Verfügung (Slave-Master- Datenkanal = SM-Datenkanal).
2. Nachdem die Slave-Station durch die Detektion eines Zustandswechsels im Taktkanal einen neuen Übertragungszyklus erkannt hat, schaltet die Slave-Station den SM-Datenkanal in den Zustand, der dem von der Slave-Station zu der Master-Station zu übertragenden Datum entspricht.
3. Wenn die Slave-Station eine Übertragungssynchronisation detektiert hat, schaltet sie die Steuerung des SM-Datenkanals passiv.
4. Bei jeder Generierung eines Übertragungszyklus liest die Master-Station den neuen Zustand des SM-Datenkanals ein.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Maßnahmen:

1. Mehrere Slave-Stationen werden busförmig, d. h. parallel an einer Master-Station betrieben.
2. Um die Slave-Stationen eindeutig individuell identifizieren zu können, erhält jede Slave-Station an dem besagten Bus eine individuelle Adresse, die die Master-Station nach jeder Übertragungssynchronisation als erstes sendet.
3. Nach jeder Übertragungssynchronisation werten alle Slave- Stationen die nachfolgende Adresse aus; die Slave-Station mit der gesendeten Adresse wertet die nachfolgenden für sie bestimmten Nutzdaten aus, alle anderen Slave-Stationen warten auf die nächste Übertragungssynchronisation.
4. Welche Slave-Station als nächste zu bedienen ist, kann in der Master-Station durch eine feste Abfolge oder durch eine Prioritätssteuerung festgelegt werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Maßnahmen:

1. In der Master-Station ist für jede Slave-Station und jede Datenflußrichtung ein Kommunikationsdatenfeld sowie je ein Zeiger in dieses Datenfeld angelegt.
2. In der Slave-Station ist für die Empfangsdaten und die Rücksendedaten je ein Datenfeld und je ein Zeiger in dieses Datenfeld angelegt.
3. Mit jeder Datenübertragung werden in der Master-Station und der entsprechenden Slave-Station die zugeordneten Zeiger um die Anzahl der übertragenen Daten weiterbewegt.
4. Das Rücksetzen der Zeiger in der angewählten Slave-Station und der zugeordneten Zeiger in der Master-Station erfolgt nach der erneuten Adressierung der Slave- Station.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch die folgenden Maßnahmen:

1. Der Adresse folgt eine 1-Bit-lange Datenartinformation, die festlegt, ob die nachfolgenden Daten ganz neue Daten sind oder die Fortsetzung einer zuvor unterbrochenen Datenübertragung.
2. Im Fall der Fortsetzung einer unterbrochenen Übertragung werden in der Master- Station und in der Slave-Station die Zeiger in die Kommunikationsdatenfelder nicht zurückgesetzt und die Datenübertragung erfolgt ab den aktuellen Datenzeigerpositionen.
3. Eine Prioritätssteuerung kann in jedem Zyklus die aktuelle Datenübertragung unterbrechen, um eine neue Datenübertragung zu einer anderen, höher priorisierten Slave-Station durchzuführen.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgende Maßnahme:
Der Adresse bzw. der Datenartinformation folgt eine Slave-Station-interne Information, die den Zielort für die Übertragungsdaten innerhalb der Slave-Stationen festlegt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgende Maßnahme:
Das der Übertragungssynchronisation nachfolgende Bit bleibt unbenutzt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgende Maßnahme:
Das der Übertragungssynchronisation nachfolgende Bit wird zu besonderen Zwecken benutzt.