专利名称：具有主/从结构的通信系统的制作方法
具有主/从结构的通信系统
本发明涉及一种包括主从结构的通信系统，用于这种通信系统的主机单 元，以及包括主从结构的通信系统的操作方法。
在制造与自动技术中，越来越常使用串行总线系统，其中机器外围的外
围配置装置(例如i/o模块、转换器、驱动器、阀件与使用者终端)是通过
具有自动、加工与虛拟系统的高效实时通信系统进行通信的。在此过程中， 所有的客户端都通过串行总线(最好是场总线)而连接成网络，通过总线的 数据交换最好是基于主从原理而执行。
在总线系统中控制装置的主动客户端拥有总线存取权并决定总线上的
数据传送；在下文中，主动总线客户端会被指定为串行总线系统中的主机单 元。相对的，被动总线客户端一般则为外围机器装置，其不具有总线存取权， 仅可接受所接收的信息信号、或在主机单元发出请求时传送信息至主机单元; 在下文中，被动总线客户端即称为串行总线系统中的从属单元。
包括主从结构的场总线一般配置为环形拓朴以避免复杂的接线，由此， 所有的总线客户端都连接到一环形传送路径。主机单元所产生的数据信号由 所述主机单元馈送到所述环形传送路径中，并连续循环通过串行连接到所述 环形传送路径的从属单元，从而被主机单元再次接收与评估。
主机单元通常将数据信号组织为数据封包，数据封包由控制数据与使用 者数据组成，由此，最好是使用以太网络标准(Ethernet standard),其在高 传送速率(100 Mbit/sec)下同时允许数据封包具有的长度达1500位。连接 到所述环形传送路径的每一个从属单元接着处理以太网络电报的使用者数 据，使用者数据由主机单元馈送到所述环形传送路径中。包括环形结构的主从通信系统一般是按以下方式配置，该配置使得包括 一传送单元的主机单元作为数据发出点， 一接收单元作为数据提举点，独立 的从属单元接着连接到传送路径，以形成一环，由此，每一客户端连接到两 个邻近者，而环中的第一个与最后一个客户端则连接到所述主机单元。数据 封包的传送则由此而发生，其方向是从主机单元开始、通过其传送单元而到 第一连接从属单元，并从那里到下一个、直到数据方向上环中的最后一个从 属单元，然后回到主机单元的接收单元。
为了从前一个客户端接收循环的数据封包，每一个从属单元包括一第一 终端与一第二终端，以前送至后续的客户端；每一个从属单元也包括一处理
单元，其配置在两个终端之间，用以处理循环通过所述从属单元的数据封包。 关于主从式通信系统(特别是用于制造与处理自动化中)的关键需求设定在 于高故障容限，也即在发生故障时通信系统执行所需功能(例如制造一工
作部件)的能力。通信系统中的故障必须要在不影响制造过程的情况下被处
理；除了数据封包中的故障外，这些故障还包括特别是传送路径中客户端的 故障及/或传送路径的中断，例如由通过传送媒介的实体切割所致。
为了获得具有故障容限性的主从式通信系统，特别是在连结故障的情况 下，也就是在整个传送区段失效时，常使用双环式结构。美国专利US
4，663，748因而公开了一种包括主从结构的通信系统，其中主机单元是通过两 条以相反方向操作的通信路径而串行连接到多个从属单元。由此，主机单元 包括两个传送与接收单元，其包含独立的传送器及/或接收器与相关控制单 元，以使数据封包同时通过两条通信路径循环。从属单元包括一耦接单元， 从而在发生连接故障时(例如在通信线路破坏时)通过监控两条通信路径上 的数据封包以及通过分别切换而重组通信系统。按照上述方式产生的重组可 避免因连结故障而产生通信系统中较大区段的故障、或甚至是完全故障。
在具有双环式结构、故障容限性的主从式通信系统中，其主机单元包括 两个传送与接收单元(其包含独立的传送器及/或接收器)与相关控制单元， 从而可以在两个通信路径上都发出数据封包，因此这种系统具有较高的主机 单元硬件与切换复杂度，也因此产生了可观的成本增加。本发明的目的在于提供一种具有主从结构的通信系统、用于这种通信系 统的主机单元、以及具有主从结构的通信系统的操作方法，使得在发生连结 故障时，可以用最小的硬件与切换复杂度来进行主从结构的实时重组。
此目的可由如权利要求1所述的通信系统、如权利要求5所述的主机单
元、以及如权利要求7所述的方法达成；本发明的较佳实施例则在从属权利 要求中指明。
根据本发明， 一通信系统包括了一主机单元与多个从属单元的第一与第 二终端，其各自通过第一与第二通信路径而连接到第一与第二环形结构。在 正常操作下，通过所述第一通信路径而执行一环形数据传送，其从所述主机 单元的所述第一终端开始、到数据传送方向中通过所述第一通信路径连接的 第一从属单元、再到数据传送方向中通过所述第一通信路径连接的下一个从 属单元、直到数据传送方向中通过所述第一通信路径连接的最后一个从属单 元，并接着到所述主机单元的另一个第一终端。在故障模式下，通过所述第 一通信路径与所述第二通信路径来执行一循环形数据传送，其从所述主机单 元的所述第一终端开始、到数据传送方向中通过所述第一通信路径连接的第 一从属单元、再到数据传送方向中通过所述第一通信路径连接的下一个从属 单元、直到通过所述第一通信路径到达数据传送方向中故障模式中的一从属 单元为止，然后通过所述第二通信路径而从故障模式中的所述从属单元回到 所述主机单元的所述第二终端、从所述主机单元的所述第二终端到所述主机 单元的所述另一个第二终端、从所述主机单元的所述另一个第二终端到数据 传送方向中通过所述第二通信路径连接的第一从属单元、再到数据传送方向 中通过所述第二通信路径连接的下一个从属单元、直到到达数据传送方向中 通过所述第二通信路径连接且在故障模式中的一从属单元为止，然后从故障 模式中的从属单元通过所述第一通信路径回到所述主机单元的所述另一个第 一终端为止。
通过本发明中主从式通信系统的配置，可以用最小的硬件与切换复杂度 来实现对正规通信路径中断(例如在从属单元故障或断线时)的高故障容限 性，并因此减少成本。根据本发明，在通信系统中虽使用一种双重环形拓朴， 然而主机单元却仅包括一个传送与接收单元，如同单环式结构。
7在正常操作下，专门通过第一正规通信路径进行数据传送，由此，所有 的数据封包(从主机单元的传送单元开始)会连续循环通过串行连接到正规 通信路径的所有从属单元，并接着反馈到主机单元的接收单元。如果正规通 信路径中断，通信系统中便触发一故障模式，在故障模式中循环形数据传送 是通过正规通信路径与第二替代通信路径在交叉点处与主机单元执行；由此， 数据封包会连续循环通过从属单元，其从主机单元的传送单元开始、通过正 规通信路径、到配置在正规通信路径中交叉点前的从属单元。此从属单元使 正规通信路径与第二替代通信路径短接，故数据封包会通过所述替代通信路 径而反馈到主机单元的第二终端。主机单元将所述第二终端短接至所述替代 通信路径，并将另一个第二终端连接到所述替代通信路径，接着通过与替代 通信路径连接的从属单元、由替代通信路径的另一个第二终端传送数据，直 到配置在正规通信路径断点前的从属单元；此从属单元将替代通信路径连接
到正规通信路径，使得数据封包可以反馈到正规通信路径上主机单元的接收单元。
故障容限功能是由正规通信路径中断点附近的两个从属单元中的从属 耦接单元、及/或由主机单元中的主机耦接单元实行，其中主机耦接单元在正 规通信路径发生连结故障时会自动重组通信系统中的传送路径。
根据本发明，主机单元包括两个第一终端与两个第二终端，所述第一终 端连接到第一通信路径，所述第二终端连接到第二通信路径。传送单元与接 收单元连接到两个第一终端，用于传送数据信号和接收数据信号。主机单元 的主机耦接单元在故障模式下(也即发生连接失败时)短接第一正规通信路 径中的两个第一终端，使得可通过第一与第二通信路径进行循环形数据传送。
利用本发明中主机单元的配置，可在双重环形结构中使用仅包含一个传
输与接收单元的主机单元，该主机单元也可使用在单环结构中；此外，第二 环形结构的终端与一主机耦接单元在第一环形结构连结失败时被连接到第二 环形结构的第二终端，以进行数据传送路径的重组。
在下文中，将结合附图来详细说明本发明，其中-
图1说明了本发明中包括主从结构的通信系统示意图，其中一主机单元是通过一双重环形结构而串行连接到从属单元； 图1A说明了正常模式；
图IB说明了发生连结失败时的第一通信系统重组模式；
图1C说明了在从属单元故障期间的第二通信系统重组模式;
图2说明了从属单元的示意图。
在自动技术中已越来越多地使用场总线系统，其中机器外围的分布装置 是通过场总线与自动、加工与虚拟系统通信。 一般而言，场总线系统包括一 串行总线，其可为例如电力线路、光纤或射频电缆。所有的总线客户端都连 接到该场总线，由此可在主动及被动总线客户端之间产生差异。场总线系统 中的主动总线客户端为控制总线上数据传送的主机单元，这种主机单元是为 生产线的处理器主机计算机服务的工业PC。主机单元包括一总线存取权，且 可在没有外部请求的情况下发布数据到场总线上。总线系统的被动客户端为 外围机器装置，例如I/O装置、阀件、驱动器与变换器，其作为从属单元且 不具备总线存取权，即其仅可接受所接收的数据信号、或是在主机单元发出 请求时传送数据信号。
关于主从式通信系统中用于传送数据的通信标准，最好是使用以太网络 概念。在以太网络通信系统中，欲传送的数据是通过预定格式以数据封包的 形式(下文中也称为电报)进行压縮；以太电报由此具有长达1500位的数据 长度，其中除了使用者数据外，还包括具有起始码、目标与来源地址、数据 封包类型与故障机制的控制数据。
包括主从结构的以太通信系统最好按以下方式配置，使得独立的从属单 元都通过通信媒介而连接形成一条链，每一个从属单元都连接到两个邻近者， 由此，链中的第一个与最后一个从属单元会连接到主机单元，因而形成一环 形结构。数据传送发生的方向会从主机单元开始、到第一邻近从属单元，再 到下一个、直到最后一个从属单元，接着回到主机单元。
为确保高故障容限，特别是在通信系统中连结失败的情况下，也即，当 从属单元中整个传送区段都失效(例如因电缆破坏)时，主从式通信系统包 括一第二替代通信路径，其将主机单元连接到从属单元，从而形成另一环形
9结构。
图1以显示了这种故障容限主从式通信系统，图1A显示了正常模式， 图IB显示了在连结失败时的第一重组模式，图1C则说明了在失效从属单元 下的第二重组模式。通信系统包括一主机单元1，其通过一双重环形结构串 行连接到N个从属单元3。双重环形结构包括两条独立的通信路径，其各自 将主机单元连接到N个从属单元3，因而形成一条独立的通信路径21、 22， 电力线路、光纤或射频电缆都可以作为传送路径。
主机单元1包括一个传送单元TX 11与一个接收单元RX 12。传送单元 TX 11通过第一终端111连接到第一通信路径21的第一端，而接收单元RX 12 通过第二终端112而连接到第一通信路径21的第二端。主机单元1还包括一 主机耦接单元13，其分别通过第三终端113与第四终端114而连接到第二通 信路径22。传送单元TX 11、接收单元RX 12与主机耦接单元13通过控制 线15连接到主机单元1的中央控制单元16。
每一个从属单元3包括一个第一终端，其具有一接收单元RX31，用于 通过第一通信路径21从前一客户端接收数据封包;每一个从属单元3也包括 另一个第一终端，其具有一第一传送单元TX 32以通过第一通信路径21前 送到下一个客户端。此外，各从属单元3包括一第二终端，其具有一第二接 收单元RX 33以通过第二通信路径22从前一个客户端接收数据封包；从属 单元3也包括另一第二终端，其具有一第二传送单元TX 34以通过第二通信 路径22前送到后续的客户端。在每一个从属单元3中，具有一处理单元35 与一从属耦接单元36，其切换在第一接收单元RX31、第二接收单元RX32、 第一传送单元TX 33与第二传送单元TX 34之间。
图2说明了从属单元3的可行实施例的简图，在从属单元3中，连接到 第一通信路径21的第一接收单元RX31以及连接到第二通信路径22的第二 传送单元TX 34被分组为埠0;连接到第二通信路径22的第二接收单元RX 33 以及连接到第一通信路径21的第一传送单元TX 32被分组为埠1 。从属耦接 单元36包括一第一互换开关38与一第二互换开关39，其分别被配置为2-1
(二对一)多任务器。
接收与传送单元31、 32、 33、 34、多任务器38、 39、从属耦接单元36 以及处理单元35是通过网络线路37而彼此连接的。第一接收单元RX 31连接到第一多任务器38的第一输入端，第一多任务器38的第二输入端连接到 第二接收单元RX33;第一多任务器38的输出端进一步连接到处理单元35。 第二多任务器39接着通过其第一输入端连接到第二接收单元RX 33，且通过 其第二输入连接到处理单元35;多任务器39的输出端连接到第二传送单元 TX34。此外，处理单元35连接到第一传送单元TX32。
在图1A所示主从式通信系统的无故障正常操作下，主机单元1的中央 控制单元16所产生的数据封包会通过传送单元TX 11与第一通信路径21上 第一终端lll而输出。电报接着在第一通信路径21上循环，由此，连接在下 游的从属单元3会连续循环。从属单元3中从属耦接单元36的多任务器38、 39会切换，从而使处理单元35连接到第一接收单元RX 31，还连接到第一 传送单元TX32。在循环通过最后一个从属单元N后，数据封包会通过第一 通信路径21与另一第一终端112被反馈到主机单元1的接收单元RX 12,主 机单元1的接收单元RX 12将所接收的数据封包前送到中央控制单元16以 供评估。
在无故障正常模式下，连接到第二通信路径22的主机耦接单元16的两 终端113、 114是关闭的，因此，主机单元1仅通过第一通信路径21发送电 报，在循环期间，这些电报会由从属单元3的处理单元35进行处理。在第二 通信路径22上不发生任何数据传送。
当第一通信路径21中发生连接失效时，图1中所示的主从式通信系统 在干扰下具有自身重组能力，以维持系统内部的数据传送。如果连结失败是 发生在第一通信路径21中，则失效位置邻近的两个从属单元会自动假设一故 障模式，其中从属耦接单元36会使第一与第二通信路径21、 22短连接，以 将数据封包从一通信路径重新导向至另一通信路径。在与第一通信路径21 中连接失败处相邻的从属单元3假设故障模式的时候，主机单元1也同时由 主机耦接单元16开启并使连接到第二通信路径22上的两终端113、 114短连 接而假设故障模式。
在故障模式中，接着通过第一与第二通信路径21、 22而进行循环形数 据传送，其通过第一终端111与第一通信路径21而开始于主机单元1的传送 单元RXll，而至通过第一通信路径21连接于数据传送方向的从属单元3; 接着，数据传送会通过第一通信路径21而进行至下一个连接的从属单元3，直到抵达数据传送方向中、处于故障模式的第一从属单元为止。在故障模式
下的第一从属单元3中，数据封包会被重新导向至第二通信路径22,并接着 通过第二通信路径而被导引至主机耦接单元13的第二终端113以及与其连接 的从属单元。
在主机耦接单元13中，数据封包接着会从一第二终端113而切换到另一 第二终端114，并通过数据传送方向中的第二通信路径22而前送至第一从属 单元3;从此处，数据封包会通过数据传送方向中的第二通信路径22而再前 送至连接的下一个从属单元3，直到抵达数据传送方向中、处于故障模式的 第二从属单元3为止。在故障模式下的第二从属单元接着会通过第一通信路 径21而将数据封包送回主机单元1的接收单元RX 12的另一第一终端112。
图1B说明了主从式通信系统在从属单元M与从属单元M+l之间发生 连接失败时的数据传送情形(如箭头所示)。从属单元1至M-1以及M+2至 N是处于正常操作模式，而从属单元M与M+l以及主机单元1则处于故障 模式。图1C说明了主从式通信系统在从属单元M完全失败期间的数据传送 情形(如箭头所示)，其相当于从属单元M-1与从属单元M之间、以及从属 单元M+l与从属单元M之间发生两次连结失败。从属单元1到M-2与从属 单元M+2到2是以正常模式操作。从属单元M-l与M+l以及主机单元1则 处于故障模式。
由此，对发生连结失败的重组是由连结失败处邻近的从属单元3的两端 口 0、 1触发，从属单元3的端口 0、 1是在可通过两通信路径21、 22进行与 邻近从属单元的通信时，通过认证方式所决定。当从属单元3的端口确认连 结失败，从属耦接单元36触发从属单元3的相应故障模式。
当从属单元3的端口通过通信路径21而确定通信失败时，即如图1B中 所示在从属单元M中发生连结失败、及/或如图1C中所示在从属单元M-l 中发生装置故障，处理单元35会通过从属耦接单元36而连接到第一接收单 元RX31与第二传送单元TX34。到达从属单元3中第一通信路径21上的电 报因而通过处理单元35而被反馈至第二通信路径22。如图2所示从属单元3 的从属耦接单元36的配置中，所述数据传送的重新导向是在通过将第二多任 务器39的第二输入切换至其输出而由处理单元35进行处理时发生。
若通信失败是由从属单元3的端口 0通过通信路径21而确定，即如图
12IB中所示在从属单元M+1中发生连结失败、及/或如图1C中所示在从属单 元M+l中发生装置故障，处理单元35会通过从属单元3中的从属耦接单元 36连接到第二接收单元RX 33与第一传送单元TX 32，使得到达第二通信路 径22上的电报会在处理单元35进行处理时被反馈至第一通信路径21。如图 2所示从属单元3的从属耦接单元36的配置中，所述数据传送的重新导向是 在通过将第一多任务器39的第二输入切换至其输出而由处理单元35进行处 理时发生。
故障模式下主机单元1的重组最好是由主机耦接单元13本身的端口同 时加以触发。 一旦数据封包到达第二通信路径22，端口会开启第二终端113、 114，并使其短连接以通过主机单元1而于第二通信路径22上前送数据封包。 或者是，主机耦接单元13的故障模式也会由主机单元1的中央控制单元16 加以触发。 一旦主机单元1的控制单元16确定了第一通信路径21因接收单 元TX 12不再接收任何数据封包而中断，中央控制单元16便以先前所描述 的方式来存取主机耦接单元13，也即，第二终端113、 114会开启并短连接， 以将数据封包推过第二通信路径22。
本发明中主从式通信系统的配置与功能提供了以低硬件与切换复杂度 的方式实现数据通信在连结失败时(特别是在主机单元中)高敌障容限的可 能。换言的，主机单元只需要一个传送单元与一个接收单元来操作双重环形 结构。当正规通信路径中断时，另外提供的主机耦接单元可通过替代通信路 径来重组数据传送。
权利要求
1.一种通信系统，包括一主机单元(1)与多个从属单元(3)，其中所述主机单元与所述从属单元各包括两个第一终端与两个第二终端，所述第一终端连接到一第一通信路径(21)，所述第二终端连接到一第二通信路径(22)，其中所述主机单元(1)与所述从属单元(3)的第一终端是通过所述第一通信路径(21)而连接，以形成一第一环状结构，其中所述主机单元(1)与所述从属单元(3)的第二终端是通过所述第二通信路径(22)而连接，以形成一第二环状结构，各从属单元(3)包括一从属耦接单元(36)，其于一故障模式中使所述从属单元中第一终端与第二终端之间的所述第一通信路径(21)与所述第二通信路径(22)短连接，所述主机单元包括一传送单元(11)、一接收单元(12)及一主机耦接单元(13)，所述传送单元连接到一第一终端以发送数据信号，所述接收单元连接到另一第一终端以接收数据信号，所述主机耦接单元于所述故障模式中短连接所述两个第二终端(113，114)。
2. 如权利要求1所述的通信系统，所述主机单元(1)是配置以通过所述第 一通信路径(21)上的一从属单元决定所述故障模式的开始，并触发所述 主机单元的故障模式。
3. 如权利要求1或2所述的通信系统，所述从属单元(3)是配置以决定对 连接在数据传送方向下游的所述从属单元的一数据传送故障，并触发所述 从属单元的故障模式。
4. 如权利要求1至3中任一所述的通信系统，所述从属单元(3)包括一处理单元(35)，用于处理数据信号，所述从属耦接单元(36)在 一正常模式中连接到所述第一通信路径(21)的第一终端之间切换所述处 理单元，且在所述故障模式中连接到所述第一通信路径的所述第一终端及连接到所述第二通信路径(22)的第二终端之间切换所述处理单元。
5. —种主机单元(1)，包括两个第一终端(111,112)，其连接到一第一通信路径(21)， 两个第二终端(113,114)，其连接到一第二通信路径(22), 一传送单元(11)，其连接到一第一终端(111)以传送数据信号， 一接收单元(12)，其连接到另一第一终端(112)以接收数据信号，以及一主机耦接单元(13),其于一故障模式中使所述两个第二终端(113, 114)短连接。
6. 如权利要求5所述的主机单元，所述主机单元(1)是配置决定所述第一 通信路径(21)上的一数据传送故障，并触发所述主机单元的故障模式。
7. —种用于操作一通信系统的方法，所述通信系统包括一主机单元与多个从 属单元，所述主机单元与所述从属单元各包括两个第一终端与两个第二终 端，所述第一终端连接到一第一通信路径，所述第二终端连接到一第二通 信路径，所述主机单元与所述从属单元的第一终端是通过所述第一通信路径 而连接，以形成一第一环状结构，所述主机单元与所述从属单元的第二终端是通过所述第二通信路径 而连接，以形成一第二环状结构，一环形数据传送是在一正常操作模式中通过所述第一通信路径而执 行，其从所述主机单元的一第一终端开始、到数据传送方向中通过所述第 一通信路径连接的第一从属单元、再到数据传送方向中通过所述第一通信 路径连接的下一个从属单元、直到数据传送方向中通过所述第一通信路径 连接的最后一个从属单元，并接着到所述主机单元的另一第一终端，一循环形数据传送是在一故障模式中通过所述第一通信路径与所述 第二通信路径而执行，其从所述主机单元的一第一终端开始、到数据传送 方向中通过所述第一通信路径连接的第一从属单元、再到数据传送方向中通过所述第一通信路径连接的下一个从属单元、直到通过所述第一通信路径到达数据传送方向中故障模式中的一从属单元为止，然后通过所述第二通信路径而从故障模式中的所述从属单元回到所述主机单元的一第二终端、从所述主机单元的一第二终端到所述主机单元的所述另一第二终端、从所述主机单元的另一第二终端到数据传送方向中通过所述第二通信路径连接的第一从属单元、再到数据传送方向中通过所述第二通信路径连接的下一个从属单元、直到到达数据传送方向中通过所述第二通信路径连接 且在故障模式中的一从属单元为止，然后从故障模式中的从属单元通过所述第一通信路径回到所述主机单元的所述另一第一终端。
8. 如权利要求7所述的方法，所述主机单元通过所述第一通信路径上的一从 属单元而决定故障模式的开始，并触发所述主机单元的故障模式。
9. 如权利要求7或8所述的方法，所述从属单元决定对连接于数据传输方向 下游的从属单元的一数据传送故障，并触发所述从属单元的故障模式。
全文摘要
本发明与一种通信系统有关，所述通信系统包括一主机单元(1)与多个从属单元(3)。在错误模式中，例如在发生路径错误或客户端完全故障时，数据传送是以循环方式进行，其从主机单元(1)开始，通过一第一通信路径(21)与一第二通信路径(22)。
文档编号H04L12/437GK101584155SQ200780041204
公开日2009年11月18日 申请日期2007年11月27日 优先权日2006年11月27日
发明者卡尔·伟伯, 霍格尔·布特勒 申请人:德商倍福自动化有限公司