用于开放式自动化系统的总线用户的数据通信的方法

专利名称：用于开放式自动化系统的总线用户的数据通信的方法
技术领域：
本发明首先涉及一种用于数据通信的方法，特别是用于开放式自
动化系统的总线用户耦合的方法，还涉及一种根据权利要求1或9的 可自由编程的通信处理器。此外，本发明还涉及一种用于数据通信的 方法，特别是用于配置的方法，以及一种根据权利要求14和19的具 有灵活的通信结构的设备，特别是自动化设备。最后本发明涉及一种 根据权利要求20或21和24的、用于数据通信、特别是用于对具有 分布式控制的自动化系统的彼此通过串行数据总线通信的总线用户 进行同步的方法和装置。
背景技术：
长久以来就已公开了在控制技术和自动化技术中使用现场总线 和以太网，特别是关于实时以太网的扩展，用于在单个的、参加进程 的控制的单元之间的数据通信。已公开的现场总线例如是CAN总线、 Profil总线、Mod总线、DeviceNet或者Inter总线。这些单元的通信 借助特定的协议在现场总线/以太网上进行。为了能够与根据用于联网 的开放系统的要求相对应，有必要提供简单并且成本低廉的通信机 制，以便使得工业设备能够具有网络能力。该要求首先也与传动部件 的耦合关联，例如在数字控制的机床和机器人中的传动调节器、功率 部分和传送器之间的耦合，其中多个插入其中的轴必须被同步地驱 动。在不同的技术系统越来越多地联网的情况下，因此对于工业中的 标准化结构的要求也不断增长。
对此的 一 个例子是根据所谓的执行机构-传感器-接口 -标准 (简称ASI标准)的现场总线。该现场总线概念特别被用于使得二进 制的传感器或者执行机构直接具有总线能力，而这一点迄今利用其他
总线系统是不可能的。自动化系统由可以与总线系统耦合的硬件部 件、特別是电动机、传感器、执行机构等等(也即进程环境)构成， 这些部件与一个或者多个上级的控制装置一同形成了自动化的生产 过程。在此，总线主控承担所有对于处理总线运行必要的任务。通常， 该总线主控与实际的控制单元分离，以控制硬件部件。
为了以简单的方式实现开放的和灵活的系统工作方式，其中硬件
部件可以无需改变控制程序而被更换，由DE 198 50 469A1公开了一 种自动化系统和方法，用于访问硬件部件的功能性，其中这些部件各 具有系统连接单元，这些系统连接单元带有功能对象作为硬件部件的 实际功能性的映像，其中设置了用于通过总线系统访问硬件部件的功 能性的功能对象。为了将硬件部件实现为"即插即用"模块，需要直接 在硬件部件中设置特殊的模块，功能对象可在其上执行，作为至硬件 部件的功能性的入口。该特殊的模块以系统连接单元的形式来实现。 系统连接单元与自动化系统的总线系统耦合，使得通信数据例如可以 从引导系统传输到硬件部件，以及从所有与总线系统耦合的另外的部 件传输，或者传输到所有与总线系统耦合的另外的部件。由此，借助 系统连接单元，可能不改变自动化系统的存在的结构而替换、补充硬 件部件等等。此外，特别是可以在引导系统和硬件部件之间可以省去 迄今都需要的交换对象。为了网络过渡，系统连接单元具有存储器， 用于存储在两个总线系统之间所需的协议。这样，例如以简单的方式 可能实现在以太网(数据传输率10Mbit/s )、特别是高速以太网(数 据传输率100Mbit/s - IEEE标准802.3-1998 )以及Profi总线之间的 过渡。将分配给硬件部件的系统连接单元嵌入到其环境中，可以通过 这种方式来实现功能对象至少包含一个第一功能对象，用于生成硬 件部件的最小功能性；至少一个第二功能对象，用于电路连接功能对 象，以及至少一个第三功能对象，用于列出在系统处理单元和/或在远 处的系统处理单元和/或远处的计算机上存在的功能对象。功能对象的 特殊的功能在于，列举(即询问)系统的功能性的总和。功能对象例 如被构造为所谓的DCOM对象(分布组件对象模型)或者构造为所谓的OLE对象(对象链接与嵌入)。此外，系统连接单元具有运行 时间系统(Rumtime-System )以及协议处理单元(Profibus， UDP/IP, RPC)。因此，系统连接单元是标准模块，其必须保证对于现场总线 特定的协议，并且通常相当复杂并且由此相对比较昂贵。
为了保证参加安全性重要的进程的单元的无错误的 (fehlersichere )通信，其中同时可以使用标准模块作为总线主控， DE 199 28 517 C2公开了一种控制系统，其中总线主控与第一控制单 元以及信号单元分离地连接到现场总线上，其中第一控制单元关于电 报流的流通方向设置在信号单元之前，并且其中第一控制单元具有一 装置，以将寻址到信号单元的电报数据通过无错误的电报数据来替 换。在此，控制单元可能作为简单的总线用户，即没有总线主控功能 地连接到现场总线上。此外，控制系统具有第二控制单元，用于控制 安全性重要的进程。该第二控制单元与第一控制单元分离地连接到现 场总线上。第二控制单元除了其它已知的部件之外还具有微控制器以 及主协议芯片。在当前情况中，主协议芯片具有Inter总线的总线主 控功能，并且被称为总线主控。这种主协议芯片作为标准模块可以从 不同的制造商获得。包含于第一控制单元中的通信模块具有从设备协 议芯片，其通过第一总线端子在输入侧与现场总线相连，并且通过第 二总线端子在输出侧与现场总线相连。协议芯片对应于包含于信号单 元中的协议芯片，它们作为总线用户将与安全性相关的设备连接到现 场总线上。为了在具有顺序流通的电报流的现场总线中也提供不具有 总线主控功能的总线用户之间的从设备-从设备通信，希望将数据发 送给其他总线用户的总线用户的协议芯片被添加发送存储器和必要 时添加接收存储器。于是，流通的电报流的工作方式基于设置在每个 总线用户中的相同的从设备协议芯片，其通常被称为"串行微处理器 接口"(SUPI)。通过利用可以从不同制造商获得的标准模块，可以 将控制系统的成本保持为更低。总体上，为了现场总线而必须保证特 定协议的总线主控和信号单元的成本复杂，并且由此相对较高。
在DE 299 07 909 Ul中7>开了类似的方法，并且涉及一种基于插件板的集成监视系统的制造设备。详细而言，每个插件板都具有微 处理器，与微处理器相连的用于存储处理数据的存储单元，与微处理
器相连的传感器总线接口 (RS 485)以及现场总线接口 (RS 485)， 用于连接到调制解调器的业务接口 (RS-232)和用于将微处理器与主 计算机相连的接口 (ISA-总线接口)。集成的现场总线接口或者传感 器总线接口分别具有ISO接口和现场总线数据处理器(SPC3)，在 本例中为Profi总线数据处理器。机器控制可选地通过集成的Profil
总线接口与插件板相连，或者通过i/o盒与传感器电子单元相连。集
成的传感器电子单元能够实现传感器的供电、传感器数据的采集、测 量信号预处理(信号滤波、放大等等)以及简单的信号分析(数字滤 波，峰值检测等等)。因此，只能传感器电子单元被理解为这样的模 块，其具有自己的微控制器、滤波器、放大器、电源盒传感器总线接 口 。传感器电子单元可以通过插件板在每次处理之前被重新参数化。 这例如涉及放大因子、滤波值和将多个输入信号计算为总和信号。通 过Profil总线接口，使得监视与处理进程同步。通过所谓的自动化的 设置例程，可以将监视系统简单地集成到制造设备中。自动化的设置 例程例如执行在控制装置上的语言的识别以及与此相连的语言转换、 在传感器总线上的传感器的识别以及放大值和滤波值的自动配置。存 储器可编程的控制装置(SPS)的输入端和输出端被独立分配，并且 自动地以主计算机的时间校准插件板上的实时时钟的时间。插件板允 许监视例如多达四个传感器通道，其中借助传感器总线接口的通信传 感器，实现了高达460.8kBaud的数据传输率，同时实现了更高的抗 干扰性。优选的是，插件板的微处理器处理Hamming距离为4的 Haming码中的数据，并且负责加密和解密。在微处理器和至主计算 机的ISA总线接口之间设置了地址解码器，其以已知的方式负责PC 中的地址访问和存储器访问的编码和解码。插件板的电压供给通过 ISA接口进行，通过该接口还进行与主计算机的通信。因为插件板具 有自己的负责监视的处理器，所以主计算机的CPU没有被占用计算 能力。为了与传感器电子单元通信，定义了具有实时能力的传感器总 线协议。这使得能够实现请求测量数据以及以限定的应答时间来对传
感器进行控制和参数化。监视数据例如以10ms的时钟被处理，并且 传感器数据预处理允许低于lms的釆样率。由此，对于碰撞监视可以 保证低于lms的反应时间。通过现场总线或者Profi总线，除了同步 数据之外，还可以有利地传输对于进程特定的轴信号，例如扭矩、电 动机电流和轴速度。该协议例如可以允许请求多达八个不同的轴。所 需的控制数据也可以直接从机器控制装置的控制核通过现场总线提 供给插件板的微处理器。在这种情况中，无需特殊的传感机构，并且 在插件板上的传感器总线接口可以省去。通过业务接口，所有的设置、 软件更新以及进程可视化都可以实现。通过设置为调制解调器接口 ， 通过调制解调器可以有远程业务功能和远程诊断功能可用。通过这种 方式，该系统可以从远处完全地操作和参数化。进程数据的可视化可 以通过在主计算机(控制装置、工业PC)上的程序来实现。而又不 利的是，插件板和为了现场总线必须保证特定的协议的智能传感器电 子单元复杂并且由此相对昂贵。
此外，DE 198 31 405 Al公开了 一种带有个人计算机的控制系 统，其为了处理控制程序而具有至少PC处理器、程序存储器和数据 存储器，并且其设置有通信处理器，用于接通到现场总线上。用于控 制进程的传感器和/或执行机构可以连接到该现场总线上。为了在现场 总线上的通信，在个人计算机中插入了插件板，其连接到内部的PCI 总线上，该PCI总线具有数据线、控制线和地址线。通过PCI总线 接通以及内部总线，PC处理器与插件板的部件通信。在插件板上设 置有通信处理器，其在相应的参数化之后通过PC处理器独立地进行 现场总线上的周期数据传输，并且基本上由ASIC构成。通信处理器 可以作为在具有周期的数据传输的现场总线上的主设备根据 PROFIBUS DP的方式被驱动，并且在采集处理数据时具有"时钟拍 (Taktschlaeger)"的功能。此外，设置了存储器，其中存储在现场 总线上进入的进程数据。该存储器由此保持当前的进程映像。通过PC 处理器可以在任何时候访问该进程映像。为了减轻PC处理器的对进
入的进程数据的轮询负担，或者减轻其监视现场总线周期的负担，设 置了监视单元。监视单元可以通过可参数化的硬件电路来实现，但是 通过扩展通信处理器程序的软件解决方案也是可能的。在此，硬件电
路由小的RAM构成，其被结合到PC处理器的地址空间中，并且因 此可以直接由该处理器寻址。硬件电路还由可编程的逻辑模块构成， 其对应于存在RAM中的参数化而监视现场总线上的周期数据传输和/ 或在现场总线上进入的数据。在控制程序在程序存储器中启动时，PC 处理器访问RAM,并且在那里设置相应的位，以便用所希望的方式 来确定监视单元的功能。通过该参数化，例如确定了在什么情况下监 视单元应该产生中断，该中断通过PCI总线接通和PCI总线转发给 PC处理器。由此确定了，在什么结果的情况下应该通过控制程序引 起PC处理器进一步处理在现场总线上进入的数据。在激活的处理控 制装置的情况下，通信处理器作为主设备持续地轮询作为从设备在现 场总线上被驱动的用户，例如传感器，如流量测量变换器或者料位测 量变换器，或者执行机构，如在油箱上的入口阀或出口阀。当通过通 信处理器读入了从设备的处理数据时，通信处理器将其记入存储器的 为相应的进程数据设置的存储单元中。监视单元的逻辑模块借助写访 问的地址来检验是否在改变相应的进程数据时必须产生中断。该检验 可能以简单的方式进行，因为单个从设备的进程数据被分别存储在存 储器内的固定的存储位置上。如果要在改变相应的数据时产生中断， 则在逻辑模块中被实现的数据比较器将通过通信处理器置于总线上 的数据与事先通过逻辑模块从存储器中读取的先前的进程数据进行
比较。因为进行了当前进入的数据与先前的进程数据的比较，以及进 行了通过硬件实现的监视单元的中断生成，所以有利地能够实现对于 进程数据的改变的非常快的控制系统反应。而不利的是，为了现场总 线而必须保证特定的协议的通信处理器和监视单元复杂，并且由此相 对而言较昂贵。
还公开了在将不同的通信系统联网时利用(高速)以太网传输技 术。例如，DE 100 47 925 Al公开了一种用于在具有以太网物理特性
的通信系统中的多个网络用户之间实时通信的方法，其中主设备单元 和一个或多个从设备单元借助通过网络传输的电报而彼此通信。以相 同距离的釆样时间点进行周期的电报交换，其方式是每个从设备单元 都通过公共的时基被同步到主设备单元上，并且通过时隙访问方法实 现对于网络用户之间的发送运行和接收运行的访问控制。对于通信系 统的效率的要求在自动化技术中、例如在耦接驱动部件时特别高。在 传送器、功率部件和传动调节装置之间的数据交换中，作为进入调节 环路中的空载时间的数据传输时间是特别重要的量。该空载时间越 小，则借助调节系统可以达到越高的动态响应。因为在自动化技术中， 重要的是高精度的保持实时条件以及传输的高可靠性，所以不满足这
些要求的(高速)以太网的被标准化的传输层2 (电报框架和访问方 法)被通过新的电报框架和新的访问控制装置而全新地定义，并且由 此使用以太网物理特性作为在例如工作部件之间的实时通信的基础。 在此，可以实现在调节单元和传送器以及功率部件之间的通信，以及 至运动控制装置的连接。为了能够以相同的采样时间点来实现周期的 数据交换，制造了针对主设备和所有从设备的共同的时基。从设备与 主设备的同步通过特别突出的、时间上被限定的发送给从设备的主设 备的电报以及在从设备中的单个的参数化的时间计数器来实现。有用 数据可以在电报框架中被传送，该电报框架除了从设备寻址和电报长 度信息之外，还提供了借助例如CRC校验和的对数据完整性的保险 机制以及另外的与安全性相关的数据区域。在电报框架中的数据不仅 可以被应用处理器分析，而且可以被通信模块分析，这能够实现第二 触发通道。虽然应用的传输技术根据以太网标准原理上仅仅允许点对 点连接，但是如在(高速)以太网网络中也可以通过使用网络节点(所 谓的HUB)来实现网络的构建，其方式是多个或者每个网络用户都拥 有电路部分用于形成网络节点，该电路部分用于朝着另外的主设备单 元或者另外的从设备单元的方向转发电报。通过这种方式，也可以建 立具有以太网物理特性的、带有通过网络节点相连的点对点连接的分 层网络，用于在更大的网络拓朴中执行实时通信。这也适合于分布的
工作系统的联网或者耦合，其方式是第一通信系统包括数字的运动控 制装置作为主设备单元，并且包括至少一个调节单元作为从设备单 元。其中每个调节单元用作另外的通信系统的主设备单元，该另外的 通信系统具有至少一个功率部件，用于驱动电动机，并且具有所属的 传送器系统作为从设备单元。通过在每个网络用户内的高速以太网线 路驱动器和可能的网络节点，电报到达相应的协议模块，该协议模块 处理电报协议，并且其中实现了时隙访问方法。当协议模块与从应用 的微处理器(实际的功率部件)无关时，可以借助电报框架的控制位 触发在从装置中的确定的应用事件，而无需其微处理器和相应的软 件。这对应于第二触发通道，如其对于确定的针对安全性应用(例如 紧急停止)所要求的那样。
此外，由DE 100 04 425 Al公开了一种具有多个网络用户、例 如传感器和执行机构的网络，这些网络用户为了数据传输而通过网络 彼此相连。为了实现关于时间同步的更好的精确度，第一电报包含第 一网络用户的被纠正发送时间延迟的时间，并且第二网络用户被构造 为测量自接收到第 一 电报时起的时间延迟，并且将在第 一 电报中所接 收到的时间纠正传播时间和接收时间延迟。如果第二网络用户此外还 被构建为发动用于时间同步的第二电报给第三网络用户，其中该第二 电报包含所接收的、被以传播时间和在接收第一电报和发送第二电报 之间的延迟时间纠正的时间，则可以实现各4皮纠正的时间从网络用户 至网络用户的重复的再发送。此外，电报的传播时间的开始和结束可 以分别确定为时间点，在该时间点，电才艮的特征场以与电才艮开始固定 的距离离开第一网络用户的媒体无关的接口，或者进入第二网络用户 的媒体相关的接口中。有利的是，在此发送时间延迟、传播时间和接 收时间延迟的测量与相应的电报的长度无关。如果网络部件满足以太 网、高速以太网或者千兆以太网规范，则可以有利地使用类型场 (Type-Feld)作为电报的特征场。网络用户、特别是现场设备，可以 配备有多个端口、特别是四个端口，用于连接另外的网络部件。在此， 可以设置接口、所谓的微处理器接口，用于将端口与用户内部的处理
器总线连接，以及设置控制单元、所谓的开关控制，其进行在端口和 微处理器接口之间的电报路径导向。这样的优点是，网络用户、特别 是现场设备可以用现场总线的用户已习惯的方式连接在线路结构中。 如在星型结构中需要的独立的开关被省去。将开关功能集成到网络用
户中的优点是，特别是在以太网中可以将CSMA/CD访问控制去激活， 并且网络获得决定性的性能。由此，网络用户以及网络的应用范围扩 展到需要实时特性的应用情形。用于将网络区域与不同物理实体 (Physik)和不同的协议耦合的网关不是必需的。与网络用户的应用 特定的电路部分的通信通过微处理器总线进行，其中RAM、微处理 器和微处理器接口连接到该微处理器总线上。微处理器的任务是执行 使用者程序和通信功能，例如处理TCP/IP。另外的任务可以是管理 在外部RAM中的不同优先级的电报的发送和接收列表。在通信接口 的ASIC中，此外集成了四个以太网控制器。这些以太网控制器的每 个都将被完整接收的电报的数据位通过复用器、DMA控制器(也被 称为DMA 2控制)和微处理器接口登记到RAM中的接收列表中。 微处理器访问接收列表，并且分析对应于应用程序的所接收的数据。 微处理器接口形成在以太网控制器和微处理器总线之间的重要接口 。 该微处理器接口控制或者裁决通过DMA控制器对RAM的写和读访 问。如果两个DMA控制器同时都存在DMA请求，则微处理器接口 通过两个DMA通道的访问权限来决定。此外，通过微处理器接口还 可以通过微处理器对参数寄存器进行写操作，其中这些参数寄存器对 于网络用户的通信接口的工作是必需的。被称为传输控制的以太网控 制器的设备包含一种控制装置，其负责发送电报、重复发送、发送中 断等等。该以太网控制器的设备形成了在内部控制时钟和发送时钟之 间的接口。为了为低优先级和高优先级的电报存储传输状态信息，在 该设备中分别设置了传输状态寄存器。当电报无错误地通过端口被发 送时，生成相应的中断。媒体无关的接口 (Mil)将根据七层模型的 第二层、即数据链路层的MAC子层集成。这形成了至用于物理数据 传输的模块的接口。此外，MII还包含传输功能块以及接收功能块。
此外，集成了MAC控制块、地址滤波器、统计计数器以及主接口。 通过MII，可以将控制和配置数据传输给模块，并且从该模块读取状
在分布式自动化系统中，例如在传动技术领域中，确定的数据必 须在确定的时间(即实时性重要的数据)到达为其确定的用户，并且
被接收机处理。根据JEC 61491、 EN61491 SERCOS接口 -技术摘要 (http:〃www.ser-cos.de/deutsch/indexdeutsch.htm )可以在分布式自 动化系统中成功保证所提及类型的实时性重要的数据流。此外，由自 动化技术公开了具有等距离特性的同步的、定时的通信系统，例如在 DE 101 40 861 Al中针对用于在数据网络之间传输数据的系统和方法 所描述的那样。详细地说，第一数据网络具有第一装置，用于在至少 一个第一传输周期中传输数据，其中第一传输周期被划分为第一区 域，用于传输实时性重要的数据，以及第二区域，用于传输实时性不 重要的数据。在第二数据网络中，设置了第二装置，用于在至少一个 第二传输周期中传输数据，其中第二传输周期被划分为第三区域，用
于传输实时性重要的数据，以及第四区域，用于传输实时性不重要的 数据。为了将具有相同的或者不同的通信协议的数据网络、例如以太 网数据网络、特别是等时的实时以太网通信系统与PROFIBUS数据 网络耦合，或者将等时的实时以太网数据网络与SERCOS数据网络 和/或FIREWIRE数据网络耦合，或者将PROFIBUS数据网络和/或 FIREWIRE数据网络与SERCOS数据网络耦合，最后设置了耦合单 元(路由器)，用于将第一区域的实时性重要的数据传输到第三区域 中。能够将实时性重要的数据从一个数据网络传输到另外的数据网络 的可能性被用于将一个数据网络的时钟拍的周期同步电报传输到另 外的数据网络中，以便也在该另外的数据网络中借助周期同步电报将 本地相对时钟同步。为此，不同的数据网络各具有自己的时钟拍。由 于对于数据网络具有决定性意义的时钟同步，可以在数据网络的每个 用户中实现相对时钟，该相对时钟给出了系统范围的唯一的时间。基 于该基本机制，由此可以用 一个统一的时间理解来检测两个通信系统
中的事件，或者在自己的数据网络或者在另外的数据网络中触发与时 间相关的开关事件。相对时钟的精度至少对应于传输周期的精度。在 此，路由器可以构造为分立的设备，或者也可以是数据网络之一的用 户的整体組成部分，其中在数据网络之间的非周期性的、需求控制的
通信的路由，例如远程过程调用(RPC)是可能的，并且在此可以进 行相应的具有专有的和/或开放的协议的通信。
自动化部件(例如控制装置、传动装置)一般拥有接口，用于周 期性计时的通信系统。自动化部件的运行面(快周期，例如在控制装 置中的轴承调节、传动装置的转速调节，扭矩调节)与通信周期同步， 通过这种方式确定了通信时钟。自动化部件的其他的较慢运行的算法 (慢周期，例如温度调节)同样只可以通过该通信时钟与其他的部件 (例如通风机、泵的二进制开关)通信，虽然更慢的周期已经足够。 通过仅仅使用 一个通信时钟用于在系统中传输所有信息，对于传输段 的带宽提出了高要求。因此，针对每个处理或者自动化平面，系统部 件仅使用一个通信系统或者一个通信周期(快周期)用于通信，在其 时钟中传输所有相关的信息。仅仅在慢周期中需要的数据例如可以通 过附加的协议被分等级地传输，以便限制对于带宽的要求。DE10147 421 Al公开了一种用于由在可转换的数据网络中的第二用户调节在 可控的数据网络中的第一用户的方法，其中调节回路通过可控的数据 网络而闭合。为此，在可控的数据网络的用户之间的通信通过一个或 者多个点对点连接在彼此同步的传输周期中进行。对于实际值和额定 值或者调节参数通过数据网络的传输，在此使用了传输周期的具有实 时能力的区域，并且对于调节所需的数据电报的通信在确定的时间窗 内进行。此外，也可以通过可转换的数据网络传输传导值(Leitwert)， 该值由数据网络的用户之一为该数据网络的一个或者多个用户而生 成。在此，例如可以是对轴的实际值的检测，也就是说，装置的所谓 的主轴的实际值的检测。由于该实际值，由所涉及的用户生成导出值， 该值被用于控制所谓的从轴。这种控制装置的功能，例如存储器可编 程的控制装置、运动控制装置或者数字控制装置也可以被集成在传动装置中。除了将输入/输出站耦合到控制单元，也可以在用户之一中生 成相对时钟。该相对时钟由主时钟生成，并且周期性地分布在网络中， 并且用于负责让所有加入数据网络的用户都有相同设置的时间可用。
隙而给出。基于该共同的时间，可以检测带有时间戳的事件(例如数字I/O的边缘识别)或者设置带有相应的时间戳的开关过程(例如转换数字/模拟输出端)，并且基于该共同的行对时间来实施开关输出。 在实时通信中可能存在多个通信周期，以实现不同的"月艮务质量"，例如lms周期用于同步连接(总线上的导出值)、时间重要的轴的转 速额定值接口/位置额定值接口/I/O接口、快速I/O耦合，或者4ms 周期用于时间不重要的轴(变频器，简单的定位轴)、应用数据，例 如紧急停止控制、分布式移位寄存器(产品跟踪)、在分布式系统 中的触发装置(例如驱动类型)、预定打孔自动机中的新的打孔任务
(例如孔深度)，或者针对项目数据和项目事件或者用于错误处理和 诊断的数据和例程的异步的和/或事件控制的周期。
为了提供一种用于建立基于以太网的用于工业自动化的通信系 统，其中该通信系统具有基本上可确定的通信特性、毫秒级的反应时 间以及通信节点的低成本，最后由DE 100 55 066 Al公开了一种用于 在用户之间(例如在自动化设备之间)多方向交换信息的方法，其中 根据所发送的以太网数据分组(电报)的大小，将该数据分组拆分为 多个更小的包(短电报)，并且为这些包分别添加至少一个控制信息。 更小的数据分组在多个周期中被传输给它们的目的地，并且必要时在 那里借助控制信息又被组合成为原始的以太网数据分组。在此，所有 长度大于这些短电报的电报都被拆分，并且所有短电报都具有相同的 被固定设置的大小。从控制信息中，可以获得短电报的源和目的地、 是否是被拆分的或者未被拆分的电报、被拆分为多少短电报以及短电 报的串号。为了在用户(例如自动化设备)之间的信息的多方向交换
(其中一个用户可以被指派给一个工业领域开关(IDS),该用户借 助IDS通过以太网端子而被连接)，IDS通过与以太网一致的端子被
构建为网络，并且每个IDS都根据预先给定的周期性的规则而时间确 定地获得发送权限。发送权限分配在系统启动时或者重新启动时 (Power On或者Reset)通过管理功能借助管理电报(其中IDS获知 其涉及管理电报)在IDS之间进行协商。IDS的整个控制逻辑可以 被集成在高度集成的电子模块中。
如现有技术的认识所表明的那样，在自动化技术中，为了在单个 的设备之间通信，定义了具有其物理特性的不同接口和传输协议，并 且被引入国际标准或者建立为工业标准。这些系统被一般地称为现场 总线系统，其中基于以太网的技术也属于其中。接口以专用的通信控 制器的形式来构建，部分以CPU作为集成电路(通信处理器)来构 建，例如参见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 样，整个接口经常被构建为可更换的模块，由插拔连接器、物理接口、 专用通信控制器、带有存储器的微处理器以及至自动化设备的CPU
的传递逻辑(通常为双端口存储器)构成。该模块准确地实现了特殊 的传输协议，并且必须在整体上对此进行特别地开发。通常，对于特 定的现场总线系统，通信处理器分别只包括一个特殊的通信控制器， 其中同时也存在包含多个这种专用通信控制器的电路，例如在美国专
利申请09/780,979中针对根据CAN标准的通信控制器和根据以太网 标准的通信控制器所描述的那样。在此，通常在对于现场总线而言特 定的协议中，需要特殊的、带有一系列昂贵的、对于通信特殊地设计 的部件的硬件和软件部件，例如HUB和线路驱动器、以太网控制器、 用于连接至其他网络(开放的数据网络，其他LAN或者主系统)的 媒体Interpent接口，现场总线接口或者传感器总线接口 ，特别是具 有主协议芯片或者从协议芯片的串行外围设备接口 ，以及与环境相应 的网络入口协议，例如CSMA/CD (载波监听多路访问/冲突检测)， 令牌传递(作为授权标记的位模式)或者TCP/IP (传输控制协议/英 特网协议)。然而，几乎没有注意开发这种电路或者与特定的现场总 线系统无关的通信接口 ，以基于其来实现通信功能的独特的和轻松的
匹配。通常，通信控制器分别仅实现用于通常SPS功能模块的通信的
特殊的现场总线系统，其中例如，传动机构通过快速的、确定的和无 抖动的通信连接彼此同步。这通过检测特定数据或通信控制器中的事
件来实现，其中通信控制器通过中断促使串接的CPU执行同步的驱
动功能，例如测量位置或者输出调节量。该方法的缺点是，特别是在
使用在确定的时间禁止中断的操作系统的情况下，CPU的中断等待时
间决定性地进入同步的准确度中。因此，在实践中，对于可以实时运 行的自动化系统缺少成本低廉的方法和通信接口 ，其中该自动化系统 保证独特的、特别是可自动匹配的、交互的通信，或者能够实现简单 的可更换性或者缺少用于可以实时运行的自动化系统的功能模块，该 自动化系统也无需附加的硬件功能模块并且无需成本过高的接口匹 配快速并且经济地建立高要求的自动化解决方案。这是特别有意义 的，因为电信和计算机工业，特别是在自动化技术和传动技术的领域 中，被视为进步极快的、开发友好的产业，该产业快速地釆纳改进和 简化，并且转化为现实。

发明内容
本发明的任务是，构建一种方法，用于开放式自动化系统的总线 用户的数据通信，使得能够实现任意的总线用户与独特的、交互的通 信的连接。另外的任务是，使得能够实现设备的部分的可更换性，或 者自动化的和高精度的同步。
根据本发明，该任务根据权利要求l被解决。为此，使用了一种 方法，用于数据通信，特别是用于耦接具有分布式控制的开放式自动 化系统的彼此通过串行数据总线通信的总线用户，这些总线用户通过 通信控制器与上级控制设备协作，其中
-通信控制器由至少一个可自由编程的通信ALU构建， -多个指令被编码在通信ALU的指令代码中，并且该通信ALU 被针对特定的通信功能而被优化，
-在通信ALU中并行地设置有逻辑功能块，其执行特殊的通信
功能，
通过这种方式，通信功能并非被固定地预定，而是基于可自由编
程的并且针对通信功能被优化的通信ALU构建，通过这种方式，在 一个系统时钟中执行多个指令，并且由此可以实现在各种网络之间的 过渡。
根据本发明的方法能够以简单的方式和方法实现一种"准专用 的"通信控制器的构建，其方式是将该通信控制器构建为一个或者多 个可自由编程的通信ALU (算术逻辑单元)，该通信ALU具有针对 通信任务优化的指令集和硬件架构。由此，对于根据本发明的解决方 案得到以下优点
-开发、生产和销售这种电路可以与特定的现场总线系统/以太 网无关地进行；
-在现场总线/以太网规范以及特别是在实时以太网规范内的扩 展或者实现全新的现场总线系统可以通过软件更新来实现，并且不需 要新的电路；
-特别是在电路内两个或者多个通信接口的情况下，相应的现场 总线/以太网系统通过加载软件而被确定，并且由此完全可以灵活地组 合。
此外，根据本发明，该任务按照权利要求9而被解决。为此使用 一种装置，用于数据传输，特别是用于耦接具有分布式控制的开放式 自动化系统的彼此通过串行数据总线通信的总线用户，该装置具有
-通信控制器，其与上级的控制设备协作，并且具有至少一个可 自由编程的通信ALU，
-指令代码，多个指令被编码在该代码中，并且该指令代码被针 对通信功能而优化，以及
-在通信ALU中并行设置至少两个逻辑功能块，它们执行特殊 的通信功能，
通过这种方式，通信功能未被固定地预先给定，而是基于至少一 个可自由编程的和针对通信功能纟皮优化的通信ALU而4皮构建，通过 这种方式可以在一个系统时钟中执行多个指令，并且由此实现在不同 的网络之间的过渡。
与根据现有技术的、通过FPGA (现场可编程门阵列)或者其中 一部分的编程构建专用的通信控制器相比(该通信控制器同样也对应 于固定布线的逻辑)，根据本发明的装置具有上述的优点。此外，与 传统的ALU相对，在一个时钟中并行地执行指令。为此，根据本发 明，所关联的逻辑功能块在ALU中并行地设置，并且可以同时处理 指令代码，通过这种方式，在高波特率的情况下，例如在100MHz以 太网中，也可以实现必要的功能。
用于对在传输线路上可逐比特地传输的数据的数据处理的装置 本身在DE 42 20 258中被公开，其中这些数据对应于给定的用于数据 传输的协议被串行传输，并且在接口内在传输之前作为数据字可用， 或者在传输之后可重建为并行数据字，并且其中在系统时钟的一个比 特时钟(Bit-Takt)中执行多个指令。详细而言，为了与各可预定的 传输协议的适配设置了位处理单元，其由可选择性地触发的转换元件 构成，这些转换元件根据相应的协议协定处理各数据位，并且由控制 机构协调。位处理单元具有至少一个用于彼此顺序相继的数据位的比 较器，该比较器的输出信号被发送给控制机构。此外，在传输线路和 位处理单元之间设置了耦合元件，其构建为解码单元或者要被输出数 据的编码单元。为了在时间上要交错执行的通信流程和处理流程的情 况下提高工作速度，设置了位处理单元、耦合元件以及两个可转换 的并且通过控制机构可选择性地激活的工作存储器被连接在内部总 线上。此外，为了根据各预先给定的协议结构改变位顺序，设置了 位处理单元的转换元件之一构建为位交换器。特别是在具有位的有效 (Wertigkeit)的不同顺序的协议的情况下设置了 该位交换器被构 建来实现将在数据字内设置的位在字中央进行镜像(Spiegehmg)。 位处理单元的转换元件之一被构建为分类装置，由此可能的是，将连 续的位插入数据字的任意位置。为了保证足够高的、例如会在1 Mbit/s 范围中的处理速度，转换元件基本上以电路技术来实现。与此相反，
在根据本发明的装置中(由于灵活的指令集以及与之关联的逻辑功能
块)可以以明显更高的系统时钟(即100MHz)以及事件控制的多个 子任务被并行触发，由此与协议无关地实现了高的处理速度。于是在 DE 42 20 258 C2的主题中，如在现有4支术中那样，开发了一种特殊的 通信解决方案，用于传输在数据链路层(二层)上的数据，而不考虑 更高的网络层和接近应用的业务，例如配置参数或者网络管理。在根 据IEEE 802.11的办公室和家庭应用中，通常数据传输在较高的网络 负栽情况下阻塞并且必须重复发送电报是无关紧要的。在自动化技术 中，必须保证与各个用户(设备)的周期数据交换，即在限定的时间 内必须传输固定的数据量。通过根据本发明的解决方案，也保证了时 间性重要的数据的传输，使得能够实现高服务质量(QoS)以及网络 转移，例如将CAN总线转移到更快一百倍的以太网环境。此外，可 以有利地通过插拔实现新的和交换有错误的设备的初始化，并且灵活 的通信机制能够实现简单地应用在许多应用情形中以及系统架构中。 必须将应用数据改变格式的网关，即将应用层(Application Layer ) 的业务变换到另 一应用层中的设备在根据本发明的解决方案中不再 必需，其中该变换特别是在面向位的数据中导致高昂的开销。在总线 系统和网络之间的连接在根据本发明的解决方案中通过转换到数据 链路层(Data link layer )上来进行，由此例如CAN消息可以被转换 为以太网消息，因为更高的协议(应用层)是一致的。特别是在根据 本发明的解决方案中，不仅可以实现主/从系统，而且也可以实现分布 式控制装置，这些控制装置要求具有在两个方向的穿透性的至少部分 非划分等级的网络架构。
此外，根据本发明，该任务根据权利要求14被解决。为此，使 用了具有灵活的通信结构的设备，特别是自动化设备，其具有
-至少一个可自由编程的通信控制器，其与上级的控制设备协
作，
-至少一个被集成在通信控制器中的可自由编程的通信ALU,
以及
-通过用于传输标识代码、控制数据、接收数据和发送数据的信 号线路与通信控制器相连的、可更换的物理接口，
由此物理接口可以;故更换。
根据本发明的自动化设备能够以简单的方式和方法实现"准专用 的"通信控制器的构建，其方式是将该通信控制器构建为一个或者多 个可自由编程的通信ALU (算术逻辑单元)，该通信ALU具有针对 通信任务优化的指令集和硬件架构。由此，对于根据本发明的解决方 案得到以下优点
-物理接口作为可更换的模块明显更小，更加物有所值，并且仅 仅借助一个发送和接收线路以及一些控制线路连接到自动化设备中 的可自由编程的通信控制器上。与此相反，否则需要大约40根信号 线路用于常见的双端口存储器耦合的数据、地址和控制线路总线，该 耦合包含明显频率更高的信号并且将连接限制在几厘米之内。
-由于小的信号线路，可更换的物理接口可以通过灵活的连接被 设置在自动化设备中的任意位置上。
此外，根据本发明，该任务根据权利要求19被解决。为此使用 了 一种用于数据通信、特别是用于配置具有灵活的通信结构的设备、 特别是带有至少一个通信控制器、至少一个集成在其中的通信ALU 和至少一个物理接口的自动化设备的方法，其中
-通信功能未被固定地预先给定，而是基于可自由编程的并且针 对通信功能优化的ALU来构建，
-在启动阶段中，物理接口通过信号线路将标识代码发送给通信 控制器，并且通信控制器独立地进行正确的配置，并且将关联的软件 加载到通信ALU中。
由此，根据本发明的解决方案得到以下优点
-开发、生产和销售这种带有可更换的、物理的接口电路的自动 化设备可以与特定的现场总线系统无关地进行；
-在现场总线规范的扩展或者实现全新的现场总线系统可以通 过软件更新来实现，并且不需要新的接口电路；
-特别是在两个或者多个通信接口的情况下，相应的现场总线系 统通过加载软件而被确定，并且由此完全可以灵活地选择。
此外，根据本发明，该任务根据权利要求20来解决。为此，使 用了 一种用于数据通信的方法，特别是用于将带有分布式控制装置的 开放式自动化系统的、彼此通过串行数据总线通信的总线用户同步的 方法，其中所述控制装置具有"准专用的"通信控制器，该通信控制器 通过至少一个可自由编程的通信ALU与后接的控制设备协作。其中
-通信控制器检测确定数据或者事件的出现，
-通信ALU执行同步控制功能，以及
-在同步时间点之间，借助后接的控制设备交换测量值和调节
值，
由此，后接的控制设备的中断等待时间不会影响控制功能的直接同步。
根据本发明的方法能够以简单的方式和方法在保持模块化的构 造的情况下实现通过时钟同步和等距离总线的通信，用于在极短的周 期时间的情况下控制高精度的流程。根据本发明，控制和通信解决方 案基于"准专用的，，通信控制器，其由一个或者多个可自由编程的通信 ALU (算术逻辑单元)构建，该单元具有针对通信任务优化的指令集 和硬件架构。由此，根据本发明的解决方案具有以下优点
-开发、生产和销售这种电路可以与特定的现场总线系统无关地
进行；
-在现场总线规范内的扩展或者实现全新的现场总线系统可以 通过软件更新来实现，并且不需要新的电路；
-特别是在电路内两个或者多个通信接口的情况下，相应的现场 总线系统通过加载软件而被确定，并且由此完全可以灵活地组合。
-根据本发明的组合的控制和通信方案尽管满足了实时性关键 的要求仍能以低的成本开销实现，并且由于普通的编程和共同的数据 保存(所有名称在系统范围中是自动已知且唯一的)，提供了足够的 自由空间用于将来的补充，例如将流程并行化、插入子例程、根据要
求驱动模拟的和数字的输入端/输出端、以及有选择性地单个地或彼此 依赖性地相互移动轴。
此外，根据本发明，该任务通过权利要求21来解决。为此，使 用了 一种用于数据通信的方法，特别是用于将带有分布式控制装置的 开放式自动化系统的、彼此通过串行数据总线通信的总线用户同步的 方法，其中所述控制装置具有"准专用的，，通信控制器，该通信控制器 通过至少一个可自由编程的通信ALU与后接的控制设备协作。其中
-在周期性运行的控制功能的启动时间点，存储备同步的本地时
间，
-通过与所存储的时间求差，在上一个启动时间点基于本地时间 测量周期时间，以及
-通过将当前周期时间增大或者缩小，将该周期时间关于本地时 间保持恒定并且在固定的相位关系中。
通过这种方式，将整个周期不但在其周期时间中而且在其相位上 都与本地时间同步。
与根据权利要求20的方法相比(其中借助"准专用的"通信控制 器实现了没有后接的控制装置的控制功能的同步)，在根据权利要求 21的方法中的同步根据所存储的本地时间的指示随着控制功能的每 次启动而被执行。在两种方法中，后接的控制设备的中断等待时间都 不影响控制功能的同步，其中第二种方法为了管理本地时间而要求略 为更高的硬件开销。
最后，根据本发明，该任务根据权利要求24来解决。为此使用 了 一种用于数据通信的装置，特别是用于将带有分布式控制装置的开 放式自动化系统的、彼此通过串行数据总线通信的总线用户同步的装 置，其具有
-"准专用的"通信控制器，其具有至少一个可自由编程的通信
ALU,
-连接在通信控制器之后的控制设备，以及
-在通信ALU中的至少一个带有用于测量和存储时间的装置的
逻辑功能块。
由此，借助通信控制器，实现了没有后接的控制设备的控制功能 的直接同步，或者实现了根据被存储的本地时钟的指示随着控制功能 的每次启动的同步。
根据本发明的设备具有的优点是，可以使用两种高效的方法，而 同时无需基础的硬件要求。这可以归因于在"准专用的"通信控制器中 通过接口编程而被集成的、可简单地参数化的驱动参数。
在本发明的改进方案中，根据权利要求15，在通信处理器中包 含多个可自由编程的通信控制器。
本发明的该改进方案具有的优点是，与现有技术相比，对于每个 通道都节省了在交换模块中所需要的微处理器以及与其关联的基础 设施，例如存储器和双端口存储器。
在本发明的一种优选的扩展方案中，根据权利要求16，物理接 口被构建为在线路端头中的印制电路。
本发明的该扩展方案的优点是，由于物理接口的小的尺寸，该接 口可以直接作为印制电路实施在线路端头的转换插头上。
优选的是，根据权利要求18,通信处理器不仅处理应用程序还 处理传输协议。
现今的微处理器能力很强，使得其不仅可以处理应用程序，而且 也可以处理传输协议。由此，可以以有利的方式节省在交换模块中的 第二个微处理器以及与其关联的基础设施，例如存储器和双端口存储 器。


其他优点和细节可以从下面参照附图对本发明的优选实施形式 的描述中得出。其中
图1 示出了具有可自由编程的通信控制器的通信处理器的方
框图，
图2示出了用于根据图1的通信处理器的可自由编程的通信
控制器的方框图，
图3 示出了根据本发明的指令代码的一个例子，
图4 示出了根据本发明的具有灵活通信结构的自动化设备的 方框图，
图5 示出了具有驱动功能的直接同步的实施形式的方框图，
图6 示出了在驱动功能每次启动时存储系统时间的第二实施
形式的方框图，以及
图7 针对根据图6的实施形式示出了根据本发明将PWM周期 同步到本地系统时间上的时序图。
具体实施例方式
在自动化技术中，多年以来使用不同的具有标准化通信业务和协 议的通信系统，借助这些通信系统可以在异构和同构网络之间通信。 在最底层面设置例如简单的传感器-执行机构-总线系统或后连线 总线系统(Rueckwandbussystem )(例如可以安装在市面上常见的 标准支承轨上的模块化的输入/输出设备)，在中间层面设置"嵌入式" 网络，用于控制机器(这些网络连接可编程的控制装置、复杂的电气 和液压驱动设备、输入/输出设备、数据采集设备或人/机接口 )，并 且在最高层面设置用于工厂自动化的网络。在根据本发明的解决方案 中，对于通信关系，存在统一的逻辑网络，使得不再能够得到传统电 信网络中的技术(该技术将在下文中描述)与(计算机)数据网络之 间清晰的分界线。
在电信技术中，连续数据流、例如语言或视频通信的传输通常通 过分组交换的通信网络、例如LAN (局域网)、MAN (城域网)或 WAN (广域网)来实现。越来越多地也使用ADSL技术(非对称数 字用户线，非对称DSL数据传输方法)。除了 ADSL技术之外，还 常用其他的DSL技术，例如HDSL-高数据率数字用户线；SDSL = 单线数字用户线；MDSL-多速率数字用户线；RADSL-低速率自适 应数字用户线以及VDSL =极高速率数字用户线，它们中每一个都针
对应用情况被优化，并且可以概括到xDSL传输技术的概念下。通信 通过完全不同的带宽的连接实现，即例如56K比特的模拟连接或64K 比特的ISDN或DSL，或者-只要在局域网中相连-通过100M比特 双绞线线路或通过选择连接2M比特以及更好的，或者通过标准线路 X.25。相应地，已知多种接口设备，例如 -ISDN So接口，
-到PCI总线的LAN接口 FE (具有程序存储器)， -外部LAN接口 LAN (具有程序存储器)作为10/100 M比特/ 秒以太网或令牌环，
- WAN接口 WAN:X.21， V.35, G.703/704直到2M比特/秒。 其中，用户的所有交互都通过事件被馈送给用户和对话服务器之 间的对话，其中在对话控制装置DE中存储会话ID作为访问授权。 对话服务器的硬件设计必须与世界范围的网络运行中多种多样的越 来越多的连接标准匹配。具有可选的BNC、 AUI、 LWL或双绞线端 子的特殊匹配的LAN模块将对话服务器与本地的令牌环网络和以太 网相连。到长途通信网络(例如ISDN, X.25 )和专用线路 (Standleitung )的入口由部分为多通道的WAN适配器(S0， UPO， UKO， X.21, V.24， V.35)实现。为了最佳的性能，可以使用有源的WAN适 配器。在ISDN领域中，可以使用协议DSS1，ITR6，N1-1，以及Fetex 150。
在图1中所示的根据本发明的方案中，以可自由编程的通信控制 器KC的形式构建接口 。根据本发明，通信控制器包括三个通信ALU, 这三个通信ALU在图2中,皮详细示出，即
-接收处理ALU (RPA)，其任务是根据传输速率对所接收的 比特或半字节(半个字节)串行的数据流进行解码，并且将其转换为 并行表示(例如字节，字或双字)，
-传输处理ALU (TPA)，其任务是将数据从并行表示编码为 比特或半字节串行的数据流，并且以正确的传输速率提供到线路上， 以及
-协议执行ALU ( PEA )，其控制属于一个整体的 (zusammengehoerig )数据分组的发送和接收流程。
为了在高波特率、例如100MHz以太网下也能实现所需的功能， 通过根据本发明的方案满足以下要求
-通信ALU RPA和TPA可以并行执行多个指令。为此，才艮据 本发明，使用宽的指令代码BC (参见图3)，例如64比特，多个指 令(参见图3:七个最高值位，运算，条件，跳转)被编码在其中。 这例如可以是逻辑运算、控制转移、标记F中位的设置和清除、计数 器的递增和递减、数据传送以及操作特殊功能寄存器。与传统的ALU 相反，这些指令在一个时钟中被并行地执行。为此，根据本发明，在 通信ALU中，相应的逻辑功能块被并行地设置，并且可以同时处理 指令代码BC。
-通信ALU RPA和TPA拥有特殊的功能寄存器，这些功能寄 存器同样并行地作用于待处理的数据。具体而言，它们是
-移位寄存器FI,其中串行数据被自动地移入或移出，并且 支持在任何位置处插入和清除位，
-计数器Z，其自动地同时对串行数据计数，以及比较寄存器， 其在相等时对一个位进行设置，
-比较寄存器V,其将串行数据与确定的位模式比较，并且在 相同的情况下对标志F中的位进行设置，
-CRC生成器CRC，其根据比特串行数据自主地计算CRC
多项式，
-与传统的ALU相反，通信ALU PEA借助于硬件并行地监视 多个特殊事件。这例如可以是
-来自RPA或到TPA或到上级CPU的特定数据的传送， -时间到期，
-达到特定计数器状态，或者 -设置特定状态位。 当出现事件之一或其特定组合时，通信ALUPEA在一个系统时
钟内通过处理对应于该事件的一块程序代码作出反应。
-通信ALU PEA还能够在一个系统时钟内 -从本地的双端口存储器DPM读取数据， -处理，并且 -传送到通信ALU TPA， 或者由通信ALU RPA -接受， -处理，并且
-存储到本地的双端口存储器DPM中。
-对本地的双端口存储器DPM的访问通过两个寄存器双重地进 行，以能够在一个系统时钟中直接访问通信技术中常见的数据结构。
-根据本发明，通信ALU PEA和RPA或TPA之间的接口被构 造为FIFO,以便中间存储输入或输出的数据。
-根据本发明，通信控制器KC与上级控制设备CPU之间的接 口被构建为用于快速地传输大量数据的DMA控制器DMA,也被构 建为用于引导状态变量的双端口存储器DPM，也被构建为用于同步 的公共寄存器组SR。
-根据本发明，为了将通信ALUPEA、 RPA及TPA彼此同步， 设置一组公共寄存器SR,其中每个通信ALU PEA、 RPA或TPA都 可以对其写入和读取。
-上级控制设备CPU也可以访问公共寄存器SR，以监视或控制 通信状态。
通信ALU TPA的其他借助于软件在以太网协议中实现的功能包 括待发送字节的映射(Abbilden);识别半双工运行中的冲突以及 执行退避算法；在发送过程结束之后提供传输状态信息给通信ALU PEA;在两个电才艮之间保持停机时间-分组间间隔(IPG);为发送 数据补充前置码、帧起始分隔符(SFD)和可参数化的周期冗余校验 字(CRC);如果电报长度小于60字节则用填充字节(Pad-Byte) 填充电^^艮；以及应请求中断发送过程。通信ALURPA的其他功能包 括提供通信ALUPEA所接收的字节；识别帧起始分隔符和VLAN 帧(虚拟LAN);检验电报中的长度字段和CRC字；在接收过程结 束后提供通信ALU PEA的接收状态信息；以及对于电报去除前置码 和帧起始分隔符。
这些通信ALU PEA、 RPA或TPA与上级控制i殳备CPU协同工 作，其中CPU可以一同被集成在电路中，但是也可以被设置在外部。 如果上级控制设备CPU被集成，则电路可以执行通信功能，并且于 是包含双端口存储器DPMH以耦接到外部控制设备(主机系统)， 或者电路除了通信之外还执行所有应用程序，并且于是将内部的系统 总线引出作为扩展总线EB，以连接外部存储器和外围设备模块。优 选地，设置具有连接到地址、数据、控制总线线路的主控设备 (Hoststeuereinrichtung ) HC，该设备可以在用于连接存储器和外围 设备模块的扩展总线EB与用于连接另一上级控制设备的双端口存储 器DPMH之间切换。对于这两种工作类型，适合于使用相同的信号， 并且通过软件切换这两种工作类型。其中，通信ALUPEA、 RPA或 TPA的双端口存储器DPM和寄存器组SR可以与连续工作并行地被 上级控制设备(CPU)读取和写入，从而可以以网络周期和微秒级精 确度实现工业上的实时以太网方案，该方案不需要专有硬件部件或 ASIC支持。这也适用于实时传输的优化和匹配，例如与应用、系统 及通信架构的要求的匹配，从而保证从管理层面到现场层面的连续的 数据访问。
如图1中所示，根据本发明的装置还包括数据开关DS，其例如 将32位控制设备CPU及其他通信ALU PEA (其中在图l中示出了 四个单独的通信控制器KC)连接到存储器SP、内部的外围设备PE 以及对应于主控设备HC的双端口存储器DPMH。数据开关DS通过 以下方式避免了其他通信处理器中出现的公共总线的"瓶颈"，即数据 开关4吏得主端口 (Masterport)可以通过不同的从端口 ( Slaveport) (在本例中为两个)同时访问数据。
在根据本发明的图4所示具有灵活通信结构的自动化设备的方 案中，自动化设备AG的基板具有通信处理器KP，该通信处理器具 有至少一个(在所示的实施例中为四个)可自由配置的通信控制器 KC。根据本发明，至少一个可自由编程的通信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务根据传输速 率对所接收的比特或半字节(半个字节)串行的数据流进行解码，并 且将其转换为并行表示(例如字节、字或双字)；和/或将数据从并行 表示编码为比特或半字节串行的数据流，并且以正确的传输率提供到 线路上；和/或控制属于一个整体的数据分组的发送和接收流程。
此外，自动化设备AG的基板还包括至少一个(在所示的实施例 中为四个)通过信号线路IC、 ST、 ED、 SD与通信控制器KC相连 的可更换的物理接口 PS，通过这些接口分别传输标识码、控制数据、 接收数据和发送数据。如图4中所示，通信处理器KP还包括数据开 关DS，其例如将32位控制设备CPU和通信控制器KC (其中在图4 中示出四个单独的通信控制器KC)与存储器SP、内部的外围设备 PE以及主控设备HC相连。主控设备HC可以在用于连接外部存储 器和外围设备模块的扩展总线EB与用于连接另一上级控制设备的双 端口存储器DPMH之间切换。如上所述，数据开关DS通过以下方式
避免了其他总线控制器中出现的公共总线的"瓶颈"，即数据开关使得 主端口(在该举例情况中为两个)通过不同的从端口(在该举例情况 中为三个)同时访问数据。通过这种方式，存储器和双端口存储器 DPMH可以与持续工作并行地被读取和写入，使得可以以网络周期和 微秒级精度实现工业的实时以太网方案，该方案不需要专有硬件部件 或ASIC的支持。这也适用于实时传输的优化和匹配，诸如与应用、 系统以及通信架构的要求的匹配，使得保证从管理层面到现场层面的 连续的数据访问。
根据本发明，通信功能不被固定地预先给定，而是基于可自由编 程且针对通信功能优化的通信ALU KA构建。通信控制器KC在启动 阶段读取物理接口 PS的标识码，根据其合适地配置通信ALU KA， 并且自主地加载相应的固件。此外，通信处理器KP包含多个可自由
编程的通信通道，并且因此可以实现与通信标准的任意组合。优选地，
基于多个可自由编程的通信控制器KC的通信处理器KP除了通信协 议之外还可以执行应用程序。根据本发明，物理接口 PS被构造为独 立的可更换的没有自身智能或控制功能的模块，物理接口在启动阶段 中通过标识码在可自由编程的通信控制器KC中登记，并且授权通信 控制器加载合适的配置和相应的固件。特别地，在根据本发明的方案 中，不仅可以实现主/从系统，而且也可以实现要求在两个方向的具有 穿透性(Durchlaessigkeit)的至少部分非分层的网络架构的分布式控 制。
在根据本发明的图5所示的"准专用，，通信处理器KP的方案中， 该处理器具有至少一个(在所示的实施例中为三个)可自由编程的通 信控制器KC，其中通信控制器分别具有三个通信ALURPA、 TPA、 PEA。如上所述，第一通信ALURPA的任务是根据传输速率对所接 收的比特或半字节(半个字节)串行的数据流进行解码，并且将其转 换为并行表示(例如字节、字或双字)；如上所述，第二通信ALU TPA 的任务是将数据从并行表示编码为比特或半字节串行的数据流，并且 以正确的传输率提供到线路上；如上所述，第三通信ALUPEA的任 务是控制属于一个整体的数据分组的发送和接收流程。
在图5所示的实施形式中，通信控制器KC以脉宽调制级PWM 用于控制电机端级(Motorendstufe)，编码逻辑EL用于读入实际位 置，采样保持级SH以及模/数转换器AD用于测量相电压和电机电流 (Motorstrom)。其中，在通信控制器KC与驱动器之间尤其传输位 置、电才几电压和电才几电;充或对目电;充。
如图5中所示，通信控制器KC还包括数据开关DS，其例如将 串接的32位控制设备CPU和通信ALU KC与存储器SP和内部的外 围设备PE相连。通信ALURPA和TPA可以并行执行多个指令。为 此，如上所述，可以使用宽的指令代码BC，例如64位，其中多个指 令被编码在其中。这例如可以是逻辑运算、控制转移、位的设置和清 除、计数器的递增和递减、传输数据以及操作特殊功能寄存器。与传统的ALU相反，这些指令在一个时钟中被并行地执行。相应地，与 传统的ALU相反，通信ALU PEA通过硬件并行地监视多个特殊事 件。这例如可以是
-来自通信ALU RPA或到通信ALU TPA或到串接的控制设 备CPU的特定数据的传送，
-时间到期，
-达到特定计数器状态，或者
-设置特定状态位。 当出现事件之一或其特定组合时，通信ALUPEA在一个系统时 钟内通过处理对应于该事件的一块程序代码来作出反应。 通信ALU PEA还能够在一个系统时钟内
一从本地存储器SR中读取数据，
-处理，以及传送到通信ALUTPA, 或者由通信ALU RPA
-接受，
-处理，以及存储到本地的存储器SR中。
对本地存储器SR的访问通过两个寄存器双重地进行，以便能够 在一个系统时钟中直接访问通信技术中常见的数据结构。如上所述， 数据开关DS因此通过以下方式避免了其他通信处理器KP中出现的 公共总线的"瓶颈，，，即数据开关使得不同的主端口 (在该举例情况中 为两个)通过不同的从端口 (在该举例情况中为三个)同时访问数据。 通过这种方式，存储器可以与连续工作并行地被读取和写入，从而能 够以网络周期和微秒级精度实现工业的实时以太网方案，该方案不需 要专有硬件部件或ASIC的支持。这也适用于实时传输的优化和匹配， 例如与应用、系统以及通信架构的要求的匹配，使得保证了从管理层 面到现场层面的连续的数据访问。
根据本发明，通信功能不被固定地预先给定，而是基于可自由编 程且针对通信功能被优化的通信ALU KA构建。通信处理器KP在启 动阶段合适地配置通信控制器KC,并且自主地栽入相应的固件。此
外，通信处理器KP包含多个可自由编程的通信控制器KC,并且因 此可以实现与通信标准的任意组合。
优选地，基于多个可自由编程的通信控制器KC的通信处理器 KP除了通信协议之外还可以执行应用程序。根据本发明，在图5所 示的实施形式中，可自由编程的通信ALU RPA、 TPA、 PEA完全确 定性地工作，并且自主地执行同步驱动功能，而不需要串接的控制设 备CPU。在同步时间点之间，与串接的CPU交换通过两个编码逻辑 EL或采样保持电路SH和AD转换器AD所传输的测量值(位置或电 机电流及相电压)或者通过PWM调制器PWM传输的调节值，因此， 其中断等待时间不影响驱动功能的同步。根据本发明，可以实现将驱
动功能、特别是位置测量或输出调节值直接同步到快速的、确定性的 和无抖动的通信连接，特别是实时的以太网连接，例如PROFINET，、 POWERLINK、 SERCOS-3、 EtherCAT。
替代地，驱动装置可以引导本地时间，其中该本地时间通过与其 他驱动装置上的本地时间的通信连接被同步到自动化装置内的公共 系统时间。在固定限定的时间点，于是可以在单个驱动装置上激活同 步的功能，诸如测量位置或输出电机电流。其中特别困难的是，为此 所需的功能周期性地进行，并且总周期不但在其周期时间上而且在其 相位上被同步到本地时间上。在图6所示的实施形式中，与根据图5 的实施形式相比，附加地"i殳置本地时钟U，并且在通信ALU RPA、 TPA、 PEA的连接路径中分别设置锁存器L。在周期运行的控制功能 的启动时间点，同步后的本地时间被存储在锁存器L中，通过与存储 在锁存器L中的上个启动时间点的时间求差，来基于本地时钟U的时 间测量周期时间，并且最后通过放大或缩小当前周期时间，来将周期 时间相对于本地时间保持恒定并处于固定的相位关系中。通过这种方 式，整个周期不但在其周期时间上、而且在其相位上都与本地时间同 步，如直接从图7的时序图中所得到。于是，根据本发明，能够实现 将周期性的驱动功能、特别是位置测量或输出调节值直接同步到本地 系统时间，该系统时间通过合适的协议、特别是IEEE 1588,在自动
化系统内被重新调节到同步运行。
虽然描述了根据本发明的在自动化技术中使用、特别是用于驱动
功能的方案的实施方案(包括用于条形码和识别系统、智能EA、低 成本驱动装置、SPS或机器终端的通用通信平台)，将本方法和装置 也使用在其他具有相应网络过渡的消息网络中也是可能的。通过智能 化地将标准控制功能和安全功能啮合，不但可以将标准功能、而且可 以将安全功能无反馈地组合在一个系统中。系统的模块化由于定制 的、任何时候都可简单扩展的方案而为用户提供了极大的灵活性，并 且也允许移植。原因是，根据本发明的方案在消息网络或系统/设备(也 针对被转接的连接)中的预先开支上被构建，并且允许容易地与相应 的情况和连接匹配，而无需改变本发明或基本原理。例如，根据本发 明的方法能够成本低廉地构建任意的可联网的总线用户，这些用户具 有各自的、通过任意的无线或有线网络及电信网络(例如UTRAN UMTS陆地无线接入网)的互动通信。在此所进行的网络管理业务的 迭代进程，特别是包括相应储存的所有有意义地出现的对话元素(例 如初始化、配置、启动和停止总线用户(设备)或程序、通信协议) 的关于对话的处理尤其也可以使用在异构结构中，并且也允许对包括 总线用户和电信网络中对话服务器在内的对话监视。因此，例如能够 实现从每个位置出发经由因特网对每个总线用户中的数据、参数、功 能进行访问，以及可以实现统一的与设备无关的故障处理。此外，可 以以有利的方式，通过既插既用实现对新设备的初始化以及更换有故
障的设备，并且灵活的通信机制使得能够简单地应用在多个应用情形 和系统架构中。例如，在根据本发明的方案中，不仅可以实现主/从系
的网络架构的分布式控制。在本发明的改进方案中，例如可以在用于 TCP/IP和SPX/IPX的对话服务器中安装路由功能(也称作LCR，最 低成本路由器)等等。
权利要求
1.一种用于数据通信，尤其是用于耦接具有分布式控制的开放式自动化系统的彼此经由串行数据总线通信的总线用户的方法，其中所述总线用户通过通信控制器(KC)与上级控制设备(CPU)协同工作，其中-通信控制器(KC)由至少一个可自由编程的通信ALU(RPA，TPA，PEA)构建，-多个指令被编码在通信ALU(RPA，TPA)的一个指令代码中，并且所述指令代码针对特定通信功能而被优化，并且-在通信ALU(RPA，TPA)中，并行地设置执行特殊通信功能的逻辑功能块(FI，Z，V，CRC)，由此，通信功能不被固定地预先给定，而是基于可自由编程且针对通信功能优化的通信ALU(RPA，TPA，PEA)构建，从而在一个系统时钟中执行多个指令，并且由此可以实现各种网络之间的过渡。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下方式两 级地实现通信，即通信功能被划分到第一级的两个通信ALU (RPA, TPA)和第二级的通信ALU (PEA)，其中第一级的两个通信ALU (RPA，TPA)即为-第一通信ALU (RPA)，其中针对接收和解码面向比特或半 字节的串行数据流以及将其并行转换为字节，字或双字表示而优化所 述第一通信ALU (RPA)，-第二通信ALU (TPA)，其中针对将字节，字或双字表示串流而优化第二通信ALU (TPA),第二级的通信ALU (PEA)即为-第三通信ALU (PEA),其具有监视逻辑，所述监视逻辑同 时监视多个可能的事件及其组合，并且在一个系统时钟内出现事件的情况下以相应的程序代码启动。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上级控制设备 (CPU)与通信ALU ( RPA， TPA， PEA ) —同被集成在一个电路中，其中所述电路包含双端口存储器(DPMH)以耦接到外部的控制设备 (主系统)，或者所述电路的上级控制设备(CPU)执行整个应用程 序并且所述电路将内部系统总线引出作为扩展总线(EB )以连接外部 存储器和外围设备模块，并且对于上述两种工作方式，使用相同的信 号，并且借助于软件切换所述两种工作方式。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用非常宽的、 尤其是64比特宽的指令代码(BC)，其中多个指令、尤其是逻辑运 算、控制转移，位的设置和清除、计数器的递增和递减、数据传送以 及特殊功能寄存器的操作被编码在所述指令代码中，所述指令在一个 系统时钟中被并行地执行。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三ALU (PEA) 并行地监视多个特殊事件，尤其是来自第 一通信ALU ( RPA )或到第 二通信ALU (TPA)或到上级控制设备(CPU)的特定数据的发送、 时间到期、达到特定计数器状态、或设置特定状态位。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信ALU( RPA, TPA，PEA)经由公共寄存器组(SR)与另外的通信ALU耦接，以进 行串行/并行或并行/串行转换，其中所述通信ALU都可以同时对所述 公共寄存器组进行写访问和读访问，其中在写入时，最后的值有效。
7. 根据权利要求3和6所述的方法，其特征在于，通信ALU( RPA， TPA，PEA)的双端口存储器(DPM)和寄存器组(SR)可以与持续 工作并行地被上级控制设备(CPU)读取和写入。
8. 根据权利要求3和6所述的方法，其特征在于，通信控制器 (KC)包括至少一个通信ALU (RPA， TPA， PEA),经由DMA控制器(DMA)、双端口存储器(DPMH)和公共寄存器(SR)而与 上级控制设备(CPU)耦接。
9. 一种用于数据通信、尤其是用于耦接具有分布式控制的开放 式自动化系统的彼此通过串行数据总线通信的总线用户的装置，包 括-通信控制器(KC),其与上级控制设备(CPU)协作，并且 具有至少一个可自由编程的通信ALU ( RPA， TPA， PEA )，-多个指令被编码在其中的指令代码，其中针对通信功能优化所 述指令代码，以及-在通信ALU ( RPA， TPA， PEA )中并行设置执行特殊通信功 能的至少两个逻辑功能块(FI， Z， V, CRC)，从而通信功能不被固定地预先给定，而是基于至少一个可自由编 程且针对通信功能优化的通信ALU ( RPA, TPA， PEA )而构建，由此 可以在一个系统时钟中执行多个指令，并且由此可以实现不同网络之 间的过渡。
10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，为了对高达32 比特宽的数据进行串行/并行或并行/串行转换并对其编码和解码，并 行设置的逻辑功能块(Fl， Z， V， CRC)具有至少一个移位寄存器(FI)，至少一个计数器(Z)和至少一个比较器(V),它们分析串 行数据，并根据预先给定的值设置标志(F)中的状态位，并且并行 设置的逻辑功能块(F1， Z， V, CRC)还具有至少一个CRC生成器(CRC)，其响应于通信ALU (RPA， TPA， PEA)的指令将串行数 据接受到CRC多项式的计算中。
11. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，通信ALU(RPA， TPA，PEA)通过FIFO、并且还通过指令寄存器和状态寄存器与另外 的通信ALU ( RPA， TPA， PEA )耦接，以进行串行/并行或并行/串行 转换，或者所述另外的通信ALU ( RPA， TPA， PEA )通过公共寄存器 组(SR)被耦接，其中所述通信ALU都可以同时对所述公共寄存器 組进行写和读访问，在写的情况下，最后的值有效。
12. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，通信ALU(RPA， TPA，PEA)中至少之一通过DMA控制器(DMA)和/或双端口存储 器(DPMH)与上级控制设备(CPU)相连。
13. 根据权利要求9和12所述的装置，其特征在于，设置具有 连接到地址总线线路、数据总线线路、控制总线线路的主控设备(HC ) 的主接口设备，所述主接口设备可以在用于连接存储器和外围设备模 块的扩展总线(EB)与用于连接另一上级控制设备的双端口存储器(DPMH)之间切换。
14. 一种具有灵活通信结构的设备，尤其是自动化设备，具有 -至少一个可自由编程的通信控制器(KC)，其与上级控制设备协作，-至少一个集成在通信控制器(KC)中的可自由编程的通信 ALU(KA),以及-通过用于传输标识代码、控制数据、接收数据和发送数据的信 号线路(IC， ST, ED， SD)与通信控制器(KC)相连的可更换的 物理接口 (PS)，从而所述物理接口 (PS)是可更换的。
15. 根据权利要求14所述的自动化设备，其特征在于，在通信 处理器(KP)中包含多个可自由编程的通信控制器(KC)。
16. 根据权利要求14所述的自动化设备，其特征在于，物理接 口 (PS)被构造位具有通信网络连接插头的印刷电路。
17. 根据权利要求14所述的自动化设备，其特征在于，具有通 信网络连接插头的物理接口 (PS)被构造为集成单元。
18. 根据权利要求14所述的自动化设备，其特征在于，通信处 理器(KP)处理应用程序以及传输协议。
19. 一种用于配置具有至少一个通信控制器(KC)、至少一个集 成在所述通信控制器中的通信ALU ( KA )和至少一个物理接口 ( PS ) 的自动化设备的方法，其中-通信功能不被固定地预先给定，而是基于可自由编程且针对通 信功能优化的ALU (KA)来构建，-在启动阶段，物理接口 (PS)通过信号线路(IC)将标识代 码发送到通信控制器(KC)，并且-通信控制器(KC)自主地执行正确的配置，并且将相应的软 件加载到通信ALU (KA)中。
20. —种用于对具有分布式控制的自动化系统的彼此通过串行数 据总线通信的总线用户进行同步的方法，其中所述总线用户具有"准 专用的，，通信控制器(KC)，所述通信控制器通过至少一个可自由编 程的通信ALU ( RPA, TPA， PEA )与串接的控制设备(CPU )协作， 其中-通信控制器(KC)检测特定数据或事件的出现， -通信ALU ( RPA， TPA， PEA )执行同步的控制功能，以及 -在同步时间点之间，与串接的控制设备(CPU)交换测量值和 调节值，由此，串接的控制设备(CPU)的中断等待时间不影响控制功能的直接同步。
21. —种用于对具有分布式控制的自动化系统的彼此通过串行数 据总线通信的总线用户进行同步的方法，其中所述总线用户具有"准 专用的"通信控制器(KC)，所述通信控制器通过至少一个可自由编 程的通信ALU ( RPA， TPA， PEA )与串接的控制设备(CPU )协作， 其中-在周期运行的控制功能的启动时间点，存储(L)被同步的本 地时间，-通过与所存储的上一启动点的时间求差，基于本地时间(U) 测量周期时间，以及-通过将当前周期时间增大或缩小，使其相对于本地时间保持恒 定并且保持在固定的相位关系中，由此，整个周期不但在其周期时间上、而且在其相位上都与本地 时间同步。
22. 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，驱动功能、尤 其是位置测量或输出调节量直接与快速的确定性的且无抖动的通信 连接同步。
23. 根据权利要求21所述的方法，其特征在于，周期的驱动功 能、尤其是位置测量或输出调节值直接与本地系统时间同步，其中系 统时间通过合适的协议、尤其是IEEE 1588，在自动化系统内^皮重新 调节到同步运转。
24. —种用于对具有分布式控制的自动化系统的彼此通过串行数 据总线通信的总线用户进行同步的装置，包括-"准专用的"通信控制器(KC)，具有至少一个可自由编程的通信ALU ( RPA, TPA， PEA )，-与通信控制器(KC)串接的控制设备(CPU)，以及 -通信ALU (RPA， TPA， PEA)中具有用于测量和存储时间的装置的至少 一个逻辑功能块，由此，借助于通信控制器(KC)，实现控制功能的直接同步而无需串接的控制设备(CPU)，或实现与控制功能的每次启动的根据所存储的本地时钟的同步。
全文摘要
在自动化技术中，针对特殊的应用需要电路或者通信接口，它们能够独立于特殊的现场总线系统实现各自的和容易的通信功能匹配。为了将用于开放式自动化系统的总线用户的数据通信的方法这样构建，使得任意用户的连接可以通过单独的、互动的通信来实现，在根据本发明的方法中通信控制器(KC)由至少一个可自由编程的通信ALU(RPA，TPA，PEA)构建，多个指令被编码在通信ALU(RPA，TPA)的一个指令代码中，并且该通信ALU被针对特定的通信功能而被优化，在通信ALU(RPA，TPA)中并行地设置有逻辑功能块(FI，Z，V，CRC)，其执行特殊的通信功能，通过这种方式，通信功能并非被固定地预定，而是基于可自由编程的并且针对通信功能被优化的多个通信ALU(RPA，TPA，PEA)构建，通过这种方式，在一个系统时钟中执行多个指令，并且由此可以实现在各种网络之间的过渡。
文档编号G06F13/38GK101208674SQ200580050221
公开日2008年6月25日 申请日期2005年9月25日 优先权日2005年6月23日
发明者汉斯·于尔根·希尔舍 申请人:赫优讯自动化系统有限公司;汉斯·于尔根·希尔舍