用于在数字传输系统中使用的装置、数字传输系统和数据传输方法

用于在数字传输系统中使用的装置、数字传输系统和数据传输方法
【专利摘要】用于在具有至少两个参与装置的数字传输系统中进行数据传输的方法，其中，该至少两个参与装置是通过数据连接来连接的；用于在具有至少一个另外的参与装置的数字传输系统中使用的参与装置，该另外的参与装置特别是开关装置和/或操作者控制器、控制器或联网装置；以及具有至少两个参与装置的数字传输系统。
【专利说明】用于在数字传输系统中使用的装置、数字传输系统和数据传输方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及在具有至少两个参与装置的数字传输系统中的数据传输方法，该至少两个参与装置经由数据连接而被连接；用于在具有至少一个其他参与装置的数字传输系统中应用的参与装置，至少一个其他参与装置特别地是开关装置和/或操作、控制或联网装置；以及具有至少两个参与装置的数字传输系统。
【背景技术】
[0002]EP1814002A1示出用于分布式自动化系统的数据获取系统。在该文献中，提出了一种自动化系统，其中字段装置和数据库系统经由网络直接互连，并且来自字段装置的数据可以经由该网络被主动地直接传输至数据库。
[0003]DE102005003011A1示出了具有点对点连接的数字传输系统的示例。在这里设想的数字传输系统中，参与装置一方面包括开关装置，诸如断路器或电机断路器，以及另一方面包括控制装置，例如网关、操作控制单元或具有接口和合适软件的PC。可用作参与装置的大量不同开关装置的共同之处在于它们捕获电流以及可能的其他物理量，并在适用时进行开关操作。然而，由各种开关装置和控制装置以物理量和/或开关命令的形式处理的具体数据类型显著不同。为此，参与装置通常具有用于处理协议栈的处理器，这些协议栈单独地适用于每个参与装置的特定环境。针对每个参与装置的这种单独组装的点对点连接允许最佳通信，但构造和修改公认很贵。为了获得用于在数字传输系统中应用的参与装置的更高兼容性，和/或降低将参与装置适配在数字传输系统中的花费，数据传输可以被简化为以下效果，所有参与装置被给予统一通信接口，换句话说是公共协议栈，其中，通信接口经由协议栈的模块化构造基本上可适用于相应参与装置的数据结构，而不会发生对特定数据的单独适用的处理。

【发明内容】

[0004]本发明的一个任务在于优化统一通信接口中的通信。
[0005]该任务通过独立权利要求的目标来实现。优选实施例和有益改进可以从从属权利要求得到。
[0006]根据本发明的在具有至少两个参与装置的数字传输系统中的数据传输方法提供为经由数据连接来连接至少两个参与装置。协议栈使用参与装置的处理器来处理。协议栈的以下描述涉及OSI参考模型(开放系统互连参考模型)，其为本领域技术人员已知的用作通信协议的基础的分层模型。经由数据连接在至少两个参与装置之间的数据交换通过在协议栈的会话层中的通信调用例程来组织。用于填写和/或读出协议栈的传输层中的存储器缓冲器的读写例程将数据分配至一系列消息。这里，根据本发明，针对数据传输定义至少两个不同的预定义优先级。
[0007]定义不同的优先级提供以高于其他数据的优先级方便地传输特定数据的可能性。由此，该方法更好地适于数据传输的环境，因为根据参与装置，其他数据被认为是重要的。
[0008]该方法的一个优选示例性实施例提供为每个消息被再划分成多个分段，至少一个状态数据分段用于具有最高优先级的数据，以及至少一个数据域分段被定义为用于具有其他优先级的数据。这意味着具有最高优先级的数据被写入每个数据消息并因此在每次传输时被更新，因为状态数据分段被保留以用于处于最高优先级的这些数据。
[0009]该方法的另一优选示例性实施例提供为需要被循环传输的数据被输入至每个消息的至少一个第一数据域分段和一个第二数据域分段。数据被分配至第一数据域分段和/或第二数据域分段，具体地，这种分配按照循环算法。要循环传输的数据形成低于要被写入状态数据分段的数据的第二优先级。循环数据在运行基础上传输，但并不随每个数据消息一起完成传输。如果对于所有循环数据没有足够存储空间，则使用循环算法通过几个消息分布式发送这些循环数据。
[0010]该方法的另一优选示例性实施例提供为通知分段被分配给至少一个数据域分段，在通知分段中传递的信息关于针对非循环数据是否存在对非循环数据的需求和/或所关联的相关数据域分段是否包含非循环数据。为了本发明的目的，低于循环数据的第三优先级针对被指定为用于未在运行基础上传输而仅在需要时传输的数据来指定。非循环数据以与循环数据相同的方式被方便地写入数据域分段中。通知分段相应地包含关于存在什么类型的数据(循环或非循环)的信息。在另一方面，通知分段方便地同时服务于将针对非循环数据的需求传送至参与装置。
[0011]还优选地，数据对象利用每个数据域分段传输，特定类型的数据被组合成数据对象。数据对象特别地在通信调用例程之上的协议栈的层中定义。这用于允许统一协议栈适用于各个参与装置，其提供的数据的类型在此从所定义数据对象的集合中选择。优选地，除了对在装置中应用的对象的数据集合的配置以外，该至少两个参与装置的处理器处理相同的协议栈，对装置中应用的对象的数据集合的配置是根据相应参与装置的属性在配置步骤中执行。
[0012]本发明的另一目标是用于在具有至少一个其他参与装置的数字传输系统中应用的参与装置，其优选地使用先前描述的方法来操作。根据本发明，通信模块被提供用于经由数据连接来连接参与装置与至少一个其他参与装置，以及提供用于数据存储的存储器缓冲器，用于处理协议栈的处理器，形成协议栈的会话层来用于组织参与装置和至少一个其他参与装置之间经由数据连接的数据交换的通信调用例程，以及在协议栈的传输层中提供用于填写和/或读出存储器缓冲器的读写例程，该读写例程将数据分配至一系列消息以及每个消息具有用于不同优先级的数据的至少两个优先级。
[0013]不同的优先级有利地提供参与装置利用高于其他数据的优先级传输特定数据的可能性。由此，可以在传输数据时更好地考虑各个参与装置的情况，因为根据参与装置，其他数据被认为是重要的。
[0014]根据一个优选实施例，每个消息被再划分成多个分段，针对具有最高优先级的数据提供至少一个状态数据分段以及针对具有其他优先级的数据提供至少一个数据域分段。每个数据域分段优选地被提供为用于传输一个数据对象，一种特定类型的数据被组合成数据对象。协议栈的一个层优选地形成通信调用例程上的数据对象的定义。
[0015]根据另一优选实施例，每个消息的至少一个第一数据域分段和一个第二数据域分段被提供用于传输要循环传输的数据。将数据分配至第一数据域分段和/或第二数据域分段优选地使用循环算法来完成。
[0016]根据另一优选实施例，通知分段被分配给至少一个数据域分段，通知分段被提供用于传输关于是否存在针对非循环数据的请求和/或所分配的数据域分段是否包含非循环数据的信息。
[0017]在也是本发明的目标的具有至少两个参与装置的数字传输系统中，除了可以根据参与装置的属性执行的配置以外，至少两个参与装置的处理器处理相同的协议栈。该配置特别地包括由参与装置发送的数据对象的定义。
[0018]以下将基于一个实施例参考附图更详细地描述本发明。实施例涉及根据本发明的方法和根据本发明用于在具有至少一个其他参与装置的数字传输系统中应用的参与装置，以及具有至少两个参与装置的数字传输系统。
[0019]根据本发明的各种可能实施例，在根据本发明的方法和根据本发明的装置中，在状态数据、循环和非循环数据之间进行区分。根据一个优选实施例，状态数据例如由描述装置的状态单独的位组成，例如，开启/关闭/运行(TRIP)、进行中的通信、电源电压的状态。根据一个优选实施例，循环和非循环数据以对象的形式组合。这里，根据一个实施例的对象是相同类型的数据的集合，例如，关于电流、电压、装置标识、参数的数据。
[0020]根据一个优选实施例，循环数据被“自动地”和重复地传输，即，相应的对象在不需要用户干预或针对这些数据的任何其他明确请求的情况下一次又一次地传输。相反，根据一个优选实施例，非循环数据仅在请求时被传输一次。
[0021]根据本发明的方法和根据本发明的装置，特别地本发明的参与装置通过以下特征中的一个或多个来表征:
[0022]1.通信方法，其中在消息中提供至少两个优先级。
[0023]2.优先级通过对消息的分段实现，例如存在具有最高优先级状态数据的至少一个分段和用于其他数据的数据域分段。
[0024]3.数据域包含数据对象，其集合了一种类型的数据(电流，电压等)。
[0025]4.数据对象被循环地传输至数据域，可以存在多于一个数据域。
[0026]5.数据域可以具有分配至它们的通知分段，包含关于是否需要和/或传输非循环数据的信息。
[0027]6.数据对象的定义发生在实际通信例程之上的层中(0SI/IS0参考模型)。
[0028]7.所有参与装置使用相同的软件来控制通信；但所使用的数据对象可以是不同的。
【专利附图】

【附图说明】
[0029]以下是附图的细节:
[0030]图1是用于应用根据本发明的方法的可能系统结构的示意图；
[0031 ] 图2是用于阐明消息的结构的图；
[0032]图3是用于阐明数据对象的图；
[0033]图4示出参考OSI参考模型的对应于根据本发明的方法的点对点协议栈；
[0034]图5以详细示意图示出图1的结构的一部分；[0035]图6至8示出用于在两个参与装置之间通信的三种示例性情况。
【具体实施方式】
[0036]这里参考图1至8描述的根据本发明的方法的示例性实施例和根据本发明的数字传输系统是可以用于各种开关装置的通信系统。该系统还被设计为实现用于这些装置的可用数据的最佳传输。同时，该系统容易适用于单独装置的需求。
[0037]该方法以图1所示意性示出的系统结构为基础。在图的左侧是不限定数量的开关装置11、12、13至IN，其中IN表示第N个开关装置。各种开关装置，例如断路器或电机断路器，具有共同的特征:它们获取电流和可能的其他物理量并在合适时进行开关操作。它们中的每一个可以直接经由第一连接10或经由插入的显示器或控制单元21、23至2N以及第二连接20与现场总线网关31、32、33至3N耦合，其中总线连接40利用现场总线主控(未示出)产生。此外，每个开关装置到PC41、42至4N的连接可以利用合适的软件实现，例如经由分支连接30连接至装置12本身或至显示器21、2N。根据该实施例，除了至网关31、32、3N的连接以外，还可以实现该连接30，或者可以实现该连接30来替代至网关31、32、3N的连接。
[0038]可以连接至这种系统的装置是例如开关装置，即开放型或紧凑型断路器、电机启动器、电机断路器、电机保护系统、软启动器和频率转换器，以及操作者控制模块、控制器以及诸如显示和操作者控制单元的网络装置、现场总线网关、具有合适软件的PC，以及其他装置可以添加至该列表。
[0039]现在将参考图2讨论数据消息100。使用根据本发明的方法连接的装置通常具有不同种类的数据。为了适用于它们并且实现最有效的可能传输，数据消息100被再分成多个分段I至6以进行信息传输。标识分段I包含不可改变的消息标识符，例如序列号。状态数据分段2包含装置的状态和/或所连接负载的概况。这里，例如将示出警报条件，然而不指示具体值。状态数据通常最快被更新，例如大概每15-25毫秒，并且一般在诸如可编程逻辑控制器(PLC)或过程控制系统的较高级系统中使用，以用于流量控制。
[0040]第一数据域3和第二数据域5被提供用于容纳循环传输的数据，例如传感器值和时间信息等。这些数据在重要性上低于状态数据，并且因此不经常更新，通常大约每50-200毫秒。这两个数据域3、5的每个传输数据对象(见图3)，其中，相同类型的数据被聚合。例如，所有有效电流或相位电压可以被捆成一个对象。循环地传输多于两个数据对象的装置在每个传输周期中更换数据域3、5的内容。例如，在具有五个对象A、B、C、D、E的装置中，这意味着在第一周期中传输对象A和B，在第二周期中传输对象C和D，以及在第三周期中再次传输对象E和A，这也称为循环过程。
[0041]通知分段4提供对装置数据的有针对性的查询的可能性。这对于不会被循环传输的数据是特别重要的，例如对于装置的标识数据或事件存储器的内容。并非一直需要这些数据而只是在需要时明确请求这些数据。请求(REQuest)或其应答(RESponse)是在通知数据分段4中进行标记的，也将其称为REQ/RES域。然而，该域4不包含任何数据，而是仅包含请求或应答可用的标识。在请求时，数据域5用于实际数据。
[0042]校验和分段6包含例如用于消息内容的CRC-16校验和并由此用于保护所传输数据。该消息结构确保所有数据根据它们的相关性来传输。状态数据作为最重要的信息到来得就像在装置本身能提供它们一样快。循环数据以同样的速度被传输，但这里由于循环算法而具有较长更新时间。此外，作为第三级，特定数据可以在有针对性的基础上被请求和传输。
[0043]来自数据域3、5的所有数据被组合成如图3所示的数据对象。这些对象各自由对象头7、8(其指示数据的类型)和实际数据9组成。对象头包括用于数据分类的域7和用于区分相同类别的数据的枚举的域8。在数据域9中，例如24个字节可用于数据。针对整个系统统一地确定对象定义。这实际上意味着，具有对象定义的数据文件一旦被建立，就可与该系统中的所有装置一起使用。实际使用来自该池的哪些对象在任何情况下可以在装置之间不同。在任何情况下，通过使用对象，相应的变量自动被编译。所有未使用的变量也未在编译中被考虑，并且由此在微控制器中不占据任何资源。该方法提供以下优点:实现了装置之间的尽可能高的兼容性。因为所有装置附接至相同的数据库，因而几乎完全排除了错误的解释。如果对象不被参与装置支持，则最坏的情况是其不被评价或传递。因为尽管这样，传输协议的形式要求也会被满足，因而将不会有进一步的影响，例如消息的破坏、数据的损失或系统崩溃。
[0044]参考图4，以下参考具有七层的OSI参考模型，描述根据本发明的方法的点对点协议栈60。OSI参考模型50主要假定具有多于两个参与装置的网络，而根据本发明的方法提供点对点通信。因此，层结构不是完全一致的。应用层57、表示层56和会话层55被组合用于限定装置软件内的数据对象67和实际通信调用65。这里，基本上实现了用于实际应用以及诸如组装和拆卸或监视的基本通信方面的数据接口。然而，实际表示层不存在于协议栈60中，因为对应用的接口对于所有参与装置都是相同的并且因此不需要进行数据的调节。
[0045]OSI参考模型50中的传输层54直接对应于用于填写和读出传输缓冲器64的例程。这里，指定接下来必须传输哪些数据对象，例如是否需要对非循环数据请求(Request)进行应答。
[0046]网络层53在协议栈60中被省掉，因为不存在网络，而是存在点对点连接。网络层52转而直接由传输和接收例程62覆盖。这里，实现了传输的和要传输的数据的安全和它们的至相应位传输层51的正确前进路由。在根据本发明的方法中，位传输层51包括两个层，处理对所使用的处理器的适配的硬件抽象层(HAL) 61a和实际物理接口 61b。
[0047]包括对通信例程65的调用和对存储器缓冲器64的填充和清空的核心区域总是保持不变，而所有其他层可以适用于各自的需求。数据对象层67的范围通过使用预定义数据对象来确定，其根据装置而变化。通信算法的类型通过传输和接收例程62来定义。由此这些确定是使用例如利用UART的异步数据交换还是使用诸如SPI的同步算法。由此，算法之间的切换通过替代相应的例程来完成。系统的所有其他组件都保持相同。对实际在使用的硬件的适配是通过硬件抽象层61a来进行，意味着在微控制器上进行。这使得将所有的覆盖层与不同的微控制器一起使用成为可能。
[0048]由于模块构造和广泛的适应性，可以使得软件通用。这意味着其仅被编程一次，并且之后仅需要稍微进行配置来用于相应装置中。
[0049]在图5中示出了一个示例。相同的软件用于在断路器11中以及在显示器21和网关31中通信。其仅在配置上不同，可以在几个步骤中对其进行调整以适应各个装置的需要。断路器11仅具有一个接口 111和一个内部存储器110。箭头A示出各个装置的内部处理对所存储的内容有影响。断路器11提供传感器值并接收参数数据。显示器21具有两个接口 211、212和存储器210。其接收来自断路器11的传感器值，显示传感器值并将传感器值向前路由至网关31，接收来自网关31的参数，显示参数并将参数路由至断路器31。显示器21，就其本身而言，可以通过菜单控制来请求诸如断路器11和网关31的参数或标识的数据。网关31仅具有接口 311和存储器310。其接收由断路器11经由显示器21传递的传感器值，并发送由显示器21传递至断路器11的参数。所有这些配置可以在没有编程工作的情况下实现；针对每个装置仅需要在配置文件中选择所要求的属性。
[0050]根据本发明的方法和根据本发明的数字传输系统的优点是通过合适的消息结构实现的对重要数据的快速更新以及同时通过将数据结构化为对象而实现的最大灵活性。由此使得几乎任意的延展性成为可能。所获得的改进的兼容性应归功于对象结构；未知的对象可以简单地被忽略，但不会导致系统误差。系统成本可以被保持相对较低，因为固件可以用于各种装置类别。此外，系统不需要特定硬件，例如总线控制器，所以这里不产生任何成本。在最简单的情况下，两个微控制器可以直接耦合在一起。由于HAL61a，可以在需要的任何硬件平台上实施。由于提供用于在开关装置中实施的项目模板，实现了简单应用。通过仅保持被配置的普遍可应用的通信系统来加速开发。加速测试通过对通信的配置而不是编程来实现。已知的方法和组件可用于该目的并且加速了测试。另外，误差的可能性被大大降低，因为系统不再被编程，而是现有的固件仅保持被配置。好的可维护性由于模块化系统(层)而实现。
[0051]基于结合图2描述的消息结构，以下将描述根据图6至8的三种数据传输案例。这里，总是假设开关装置，例如断路器，与例如显示器的外部装置通信。这里，外部装置将通常发送相对较少的数据。对于该例子，假设除了第三案例中的数据请求之外，其仅在数据分段
3、5中传输时间和数据信息T、D至开关。开关装置传输表示为100、101、102等的消息，每个增量都构成新的周期。从外部装置发送的消息相应地表示为200、201、202等。数据分段I至7仅在几个消息上通过示例的方式示出。
[0052]在图6的示例中，断路器仅发送两个对象，即电流I和电压U，由数据域3、5的相应指定表示。因为所有数据在一个周期中被传输，因而所有消息100、101、102看起来相同，除了标识分段I中的连续消息编号和校验和分段6中的校验和(这里被标记为C)。所传输的电流I和电流U的值可以自然地在周期之间改变。状态数据被表示为S并且在每个周期中在状态数据分段2中传输。在通知数据分段4中，传输空值00，其意味着没有任何非循环数据被请求或传输。
[0053]在图7中，根据图6示出了案例示例，但具有更高的数据流量。断路器发送五个对象，即，电流1、电压U、功率P、能量E和温度H。由此，不是所有数据都可以在一个周期中被传输。这些数据被分布在几个报文100、101、102的数据分段3、5之间并且之后从消息102中第二数据分段5中的对象开始重复(即在第三周期中)。在通知数据分段4中，空值00被传输，这意味着没有请求或传输任何非循环数据。
[0054]在图8中示出了对应于图7的案例示例，其具有增加的数据流量，此外，对断路器作出非循环数据请求。为此，外部装置在第二消息201中通知分段4中发送数据请求REQ，例如使用开关装置的类型代码X，开关装置在第三周期中利用消息102答复，其中，在第二数据域5中写入类型代码X而不是实际发生的电流值I，并且答复指示符RES被放置在通知分段4中。电流I的传输由此在第四周期中被移交至第四消息103中第一数据分段3中的第一数据对象。如果需要指定第二消息201的通知分段4中的数据请求REQ，则该消息的第二数据分段5用于该目的。
【权利要求】
1.一种用于在具有至少两个参与装置的数字数据传输系统中进行数据传输的方法，经由数据连接来连接所述至少两个参与装置并且通过所述参与装置的处理器处理协议栈，经由数据连接在所述至少两个参与装置之间的数据交换通过在所述协议栈的会话层中的通信调用例程来组织，用于填写和/或读出所述协议栈的传输层中的存储器缓冲器的读写例程将数据分配至一系列消息，以及在所述消息中定义至少两个预定义优先级以用于传输具有不同的优先级的数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个消息被再划分成多个分段，至少一个状态数据分段被定义为用于具有最高优先级的数据，以及至少一个数据分段被定义为用于其他优先级的数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，数据对象利用每个数据域分段传输，一种特定类型的数据被聚合为数据对象。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，将要被循环传输的数据输入到每个消息的至少一个第一数据域分段和一个第二数据域分段以用于进行传输。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，通知分段被分配给至少一个数据域分段，通过所述通知分段传输关于是否存在针对非循环数据的请求和/或所分配的数据域分段是否包含所请求的非循环数据的信息。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述数据对象在所述通信调用例程之上的协议栈的层中定义。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其特征在于，除了根据相应参与装置的属性在配置步骤中执行的对 数据对象的定义之外，所述至少两个参与装置的处理器处理相同的协议栈。
8.一种用于在具有至少一个其他参与装置的数字传输系统中使用的参与装置，具有: 用于经由数据连接来连接所述参与装置和所述至少一个其他参与装置的通信模块，用于存储数据的存储器缓冲器，用于处理协议栈的处理器，形成所述协议栈的会话层以用于组织经由所述数据连接在所述参与装置和所述至少一个其他参与装置之间的数据交换的通信调用例程，以及用于填写和/或读出在所述协议栈的传输层中提供的所述存储器缓冲器的读写例程，所述读写例程将数据分配至一系列消息以及每个报文具有用于不同优先级的数据的至少两个不同的预定义优先级。
9.根据权利要求8所述的参与装置，其特征在于，每个消息被再划分成多个分段，至少一个状态数据分段被用于具有最高优先级的数据以及至少一个数据分段被用于具有其他优先级的数据。
10.根据权利要求9所述的参与装置，其特征在于，每个数据域分段被提供用于传输一个数据对象，一种特定类型的数据被聚合在一个数据对象中。
11.根据权利要求10所述的参与装置，其特征在于，所述数据对象的定义构成所述通信调用例程上的所述协议栈的层。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的参与装置，其特征在于，每个消息的至少一个第一数据域分段和一个第二数据域分段被提供用于传输要循环传输的数据。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的参与装置，其特征在于，通知分段被分配给至少一个数据域分段，所述数据域分段被提供用于传输关于是否存在针对非循环数据的请求和/或所分配的数据域分段是否包含所请求的非循环数据的信息。
14.一种具有至少两个根据权利要求8至13中任一项所述的参与装置的数字传输系统，其特征在于，除了能够根据所述参与装置的属性执行的配置之外，所述至少两个参与装置的处理器处理相 同的协议栈。
15.根据权利要求14所述的数字传输系统，其特征在于，所述配置包括所述参与装置的数据对象的定义。
【文档编号】H04L12/951GK103959725SQ201280056346
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月14日 优先权日:2011年11月15日
【发明者】L·嘉古驰 申请人:伊顿电气Ip两合公司