DE69728644T2

DE69728644T2 - Prozesssteuerung mit datenbusprotokoll

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Publication number: DE69728644T2
Application number: DE69728644T
Authority: DE
Inventors: E. David TETZLAFF; Jogesh Warrior; A. Gabriel MAALOUF
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2017-09-24
Also published as: CN1200818A; EP1227381A1; DE69735555T2; CN1173239C; WO1998014850A1; EP0864122B1; DE69728644D1; EP0864122A1; CA2238494A1; DE69735555D1; EP1227381B1; US5928345A

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Prozeßsteuerungseinrichtungen bzw. -geräte. Im besonderen betrifft die Erfindung ein neues Datenbussystem und -protokoll für die Kommunikation zwischen Hauptsteuerknoten und Peripheriegeräten bei Prozeßsteuerungseinrichtungen bzw. -geräten, die nach dem Motorola^TM-SPI-Standardprotokoll arbeiten.
Prozeßsteuerungseinrichtungen, wie z. B. Geber und Steuergeräte, werden zur Überwachung und/oder Steuerung von Betriebsabläufen eingesetzt. Bei einigen neueren Modellen enthalten diese Prozeßsteuerungseinrichtungen eine Anzahl interner Geräte oder Komponenten, wie z. B. einen Mikroprozessor, der als Haupt- bzw. Master-Knoten arbeitet, und eine Anzahl von elektronischen Peripheriegeräten, die als untergeordnete bzw. Slave-Knoten dienen. Zu den elektronischen Peripheriegeräten gehören beispielsweise Drucksensoren zur Messung von Betriebs- bzw. Prozeßdrücken, Temperatursensoren zur Messung von Betriebs- bzw. Prozeßtemperaturen, Ventile zur Steuerung eines Prozesses, Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung von Daten, die zwischen Analog- und Digitalgeräten übertragen werden, Übermittlungsabschnitte zum Senden und Empfangen von Informationen über eine Zweidraht-Prozeßsteuerungsschleife, Speichervorrichtungen zum Speichern von Anweisungen oder überwachten Prozeßergebnissen und Sichtgeräte zur graphischen Darstellung bestimmter prozeßbezogener Informationen. Typischerweise sind alle diese Geräte in der Einrichtung enthalten oder in nächster Nähe der Einrichtung angeordnet. Die Einrichtung kann irgendeine Kombination der oben erwähnten Slave-Knoten (d. h. Peripheriegeräte) aufweisen. Die verschiedenen Slave-Knoten in der Prozeßsteuerungseinrichtung kommunizieren auf einem Datenbus, der jedes der Peripheriegeräte mit dem Master-Knoten verbindet.
Häufig ist der Master-Knoten in einer Prozeßsteuerungseinrichtung ein Motorola- oder Motorola-kompatibler Mikroprozessor oder Mikrocontroller bzw. Mikrosteuergerät. Zum Beispiel werden die Motorola-Mikrocontroller 68HC05 und 68HC11 gewöhnlich als Master-Knoten in Prozeßsteuerungseinrichtungen eingesetzt. Diese und andere Mikrocontroller sind für den Betrieb nach dem standardisierten Serial Peripheral Interface-(SPI) bus communication protocol (Buskommunikationsprotokoll für serielle Peripherieschnittstellen) konstruiert, das von Motorola in dem Referenzhandbuch M68HC11 definiert wird, das hiermit durch Verweis einbezogen wird. Die Verwendung von Mikroprozessoren oder Mikrocontrollern, die nach dem SPI-Protokoll arbeiten, ist zwar unter vielen Umständen vorteilhaft, aber das SPI-Protokoll selbst führt eine Reihe von nachteiligen Datenbusbedingungen ein und hat einige Unzulänglichkeiten. Zum Beispiel kann in Prozeßsteuerungseinrichtungen die Größe der Geräte entscheidend sein. Daher werden kleinere Leiterplatten (PCB) innerhalb der Prozeßsteuerungseinrichtung bevorzugt. Beim SPI-Protokoll ist jedoch für jedes Peripheriegerät eine separate Chipansteuerungs-(CS-)Datenbusleitung erforderlich, die an den Master-Knoten anzuschließen ist. Außer dem größeren Leiterplatten(PCB)-Raumbedarf für die zusätzlichen CS-Busleitungen erfordert diese Bedingung des Standard-SPI-Protokolls auch zusätzliche Anschlußstifte am Master-Knoten-Chip. Ein weiterer Nachteil des SPI-Protokolls betrifft die Probleme beim Hinzufügen oder Auswechseln des Master-Knotens oder der Slave-Knoten. Typischerweise hat jedes Gerät, das auf dem Datenbus der Prozeßsteuerungseinrichtung kommuniziert, eine vorgegebene Adresse. Das Hinzufügen, Entfernen oder der Austausch von Knoten erfordert, daß der Bus und/oder die Adressierung angepaßt werden, um sie mit der Änderung in Einklang zu bringen.
Wolf, V., Datenakquisition mit dem SPI-Bus, 26. Juni 1987, Elektronik, Bd. 36, Nr. 13, S. 96–98, erläutert eine MISO-Leitung, die zwischen einem Master-Steuergerät und jedem der Peripheriegeräte angeschlossen ist, um auf herkömmliche Weise betrieben zu werden. Gemäß dem Standard-SPI-Protokoll ermöglicht die in diesem Dokument erläuterte MISO-Leitung eine einseitig gerichtete bzw. unidirektionale Kommunikation von den untergeordneten bzw. Slave-Geräten zum Haupt- bzw. Master-Gerät.
Wie oben erläutert, ist es offensichtlich, daß das SPI-Protokoll eine Reihe von Nachteilen bietet, besonders bei Datenbussen innerhalb von Prozeßsteuerungseinrichtungen. Die vorliegende Erfindung überwindet diese und weitere Nachteile des Standard-SPI-Kommunikationsprotokolls.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche spezifiziert.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prozeßsteuerungseinrichtung bzw. ein -gerät mit einem verbesserten Datenbusprotokoll zur Erleichterung der Kommunikation zwischen internen Master-Knoten oder Mikroprozessoren und internen Slave-Knoten oder Peripheriegeräten. Die Prozeßsteuerungseinrichtung weist auf: mindestens einen nach dem Standard-SPI-Datenbusprotokoll betriebenen Mikroprozessor, ein erstes und ein zweites Peripheriegerät und einen mit dem Mikroprozessor, dem ersten und dem zweiten Peripheriegerät gekoppelten Datenbus. Das in den erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinrichtungen angewandte verbesserte Datenbusprotokoll bietet zahlreiche vorteile, wie z. B. einen geringeren Leiterplatten-Raumbedarf und eine größere Austauschbarkeit von Peripherie- und Master-Knoten-Komponenten.
In einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinrichtung weist das verbesserte Datenbusprotokoll eine einzige Chipansteuerungs-(CS-)Datenbusleitung auf, die mit den CS-Anschlüssen an jedem der Master- und Slave-Knoten gekoppelt wird. In anderen Ausführungsformen entfallen die CS-Leitungen ganz. In weiteren Ausführungsformen weist die Prozeßsteuerungseinrichtung einen Datenbus mit einer zweiseitig gerichteten bzw. bidirektionalen Master-In-Slave-Out-Leitung (MISO-Leitung) auf, die so eingerichtet ist, daß sie die serielle Kommunikation sowohl von Peripheriegeräten zum Mikroprozessor als auch zwischen den Peripheriegeräten erleichtert. In weiteren Ausführungsformen sind die erfindungs gemäße Prozeßsteuerungseinrichtung, die physikalische Datenbusverbindung und das Protokoll so angepaßt, daß den Peripheriegeräten dynamisch Adressen für die Kommunikation auf dem Datenbus zugewiesen werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Prozeßsteuerungssystems mit einer Prozeßsteuerungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, einer Prozeßrohrleitung bzw. Verfahrensstromleitung und einem abgesetzten Gerät zur Überwachung und Steuerung eines Prozesses.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinrichtung mit nach dem SPI-Protokoll betriebenen Master-Knoten, Peripheriegeräten und einem Datenbus, der die Master- und Slave-Knoten miteinander koppelt.
3 zeigt ein Taktdiagramm zur Erläuterung des in den erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinrichtungen verwendeten Datenbusprotokolls.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Anweisungs-Bytestruktur, die von den erfindungsgemäßen Master- und Slave-Knoten verwendet wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung weist ein verbessertes Datenbuskommunikationsprotokoll für Prozeßsteuerungseinrichtungen bzw. -geräte auf der Basis der seriellen Motorola^TM-Peripherieschnittstelle (SPI) auf. Die Erfindung kann zur Kommunikation zwischen Geräten oder Komponenten verwendet werden, die an einen Datenbus der Einrichtung angeschlossen sind. Typischerweise ist der Datenbus ein interner Datenbus der Einrichtung. Das herkömmliche oder Standard-SPI-Protokoll unterstützt einen Master-Knoten und mehrere Slave-Knoten für synchrone bidirektionale serielle Kommunikation. Das Standard-SPI-Protokoll erfordert für jeden Slave-Knoten eine separate Chipansteuerungs-(CS-)Datenbusleitung. Das in den Prozeßsteuerungseinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Datenbusprotokoll verbessert das Standard-SPI-Protokoll, indem es zuläßt, daß eine einzige CS-Leitung mehrere Slave-Knoten steuert, indem es einen Zugriffsentscheidungsmechanismus bereitstellt, damit mehrere Slave-Knoten aus eigener Initiative auf den Datenbus zugreifen können, und Partner-zu-Partner-Kopplungsfähigkeiten sowie Rundsendefähigkeiten hinzufügt.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Prozeßsteuerungssystems mit einer Steuerwarte 90, die mit einer Prozeßsteuerungseinrichtung 100 gekoppelt ist, die einen Prozeß steuert oder überwacht. Die Steuerwarte 90 ist modelliert als eine Spannungsquelle 92, die mit einem Widerstand 94 in Reihe geschaltet ist. In der dargestellten Anwendung auf einen industriellen Prozeß fließt ein Fluid 102 durch eine Rohrleitung 104. Die Prozeßsteuerungseinrichtung 100, die mit anderen Prozeßsteuerungseinrichtungen oder mit einer Haupt- bzw. Master-Steuereinheit über eine Zweidrahtsteuerschleife oder -leitung 106 kommuniziert, die den Schleifenstrom I_L führt, überwacht oder steuert ein abgesetztes bzw. entferntes Gerät 108 (wie z. B. einen Motor oder Schalter) über eine Verbindung 107, um den Prozeß zu überwachen oder zu steuern. Zum Beispiel kann das abgesetzte Gerät 108 ein Ventil aufweisen, während die Prozeßsteuerungseinrichtung 100 einen Ventilstellungsregler als Peripheriegerät aufweist. Als Alternative kann das abgesetzte Gerät 108 einen Drucksensor, einen Temperatursensor oder irgendeins aus einer großen Auswahl von anderen, dem Fachmann bekannten abgesetzten Geräten aufweisen, das in der Prozeßsteuerungsumgebung eingesetzt wird. Häufig sind mehrere Prozeßsteuerungseinrichtungen 100 an die Zweidrahtsteuerschleife 106 gekoppelt, um verschiedene Aspekte des Prozesses zu steuern oder zu überwachen.
2 zeigt ein Blockdiagramm der Prozeßsteuerungseinrichtung, das verschiedene an einen Datenbus 220 angeschlossene Geräte nach bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt. Gemäß der Darstellung weist die Prozeßsteuerungseinrichtung 100 einen ersten Mikroprozessor 200 und einen zweiten Mikroprozessor 202 auf. Die Prozeßsteuerungseinrichtung 100 ist zwar mit zwei Mikroprozessoren dargestellt, kann aber in anderen Ausführungsformen mehr oder weniger als zwei Mikroprozessoren aufweisen. Die Mikroprozessoren 200 und 202 sind vorzugsweise Motorola- oder Motorola-kompatible Mikroprozessoren oder im Handel erhältliche Steuergerätetypen, die für den Einsatz mit dem Standard-SPI-Protokoll konstruiert oder angepaßt sind. Typischerweise dient einer der Mikroprozessoren 200 und 202 als Master-Knoten des Systems. Der andere dient typischerweise als Peripheriegerät oder Slave-Knoten.
Die Prozeßsteuerungseinrichtung 100 weist außerdem einen oder mehrere Slave-Knoten oder Peripheriegeräte 204, 206, 208, 210 und 212 auf. Die Slave-Knoten der Prozeßsteuerungseinrichtung 100 sind typischerweise integrierte Chips oder Geräte, die verschiedene Funktionen ausführen, die im Zusammenhang mit der Prozeßsteuerung oder -überwachung stehen oder dafür notwendig sind. Zum Beispiel ist das Peripheriegerät 204 ein Übermittlungsabschnitt oder eine Schaltung zum Empfangen und/oder Senden von Informationen und Anweisungen über die Zweidraht-Prozeßsteuerschleife 106. Ferner können die Geräte der Prozeßsteuerungseinrichtung 100 zwar Energie von einer zugeordneten Stromquelle 214 empfangen, aber in einigen Ausführungsformen empfangen die Knoten der Prozeßsteuerungseinrichtung 100 Energie über die Zweidrahtschleife 106 durch den Übermittlungsabschnitt 204.
Das Peripheriegerät 206 kann ein integriertes Chipspeicherelement aufweisen, um Programmierungsanweisungen zur Verwendung durch die Master- oder Slave-Knoten oder Informationen zu speichern, welche die Prozeßbedingungen anzeigen. Das Peripheriegerät 208 kann einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) zur Umwandlung von Informationen aufweisen, die zwischen einem Gerät, wie z. B. einem Sensor 216, und anderen Master- oder Slave-Knoten übertragen werden. Das Peripheriegerät 210 kann einen Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler) aufweisen, um digitale Informationen oder Anweisungen so umzuwandeln, daß sie durch ein Analoggerät genutzt werden können, wie z. B. durch einen Ventilstellungsregler (Stellglied) 218, der die Stellung eines Ventils 108 (1) steuert, um den Prozeß zu steuern. Der Sensor 216 kann irgendeine System- oder Prozeßvariable messen, und der Stellungsregler 218 kann beispielsweise irgendein Typ eines abgesetzten Geräts sein, das zur Steuerung des Prozesses dient. Das Peripheriegerät 212 kann ein Anzeige- bzw. Sichtgerät sein, wie z. B. eine Kathodenstrahlröhre (CRT), eine Leuchtdiode (LED) oder eine Flüssigkristallanzeige (LCD) zur Bereitstellung graphischer oder anderer visueller Darstellungen von prozeßbezogenen Informationen.
Jeder der Slave-Knoten in der Prozeßsteuerungseinrichtung 100 weist vorzugsweise auf: einen Unterbrechungsausgangsstift (INT-Stift) oder -Anschluß zur Erzeugung eines Unterbrechungssignals, einen Chipansteuerungsstift (CS-Stift) oder -Anschluß zum Empfangen eines CS-Signals, einen Schiebetaktstift (SCK-Stift) oder -Anschluß zum Empfangen eines Synchrontaktsignals, einen Master-Out-Slave-In-Stift (MOSI-Stift) oder -Anschluß zum Empfangen von seriell gesendeten Daten vom Master-Knoten, einen zweiseitig gerichteten bzw. bidirektionalen Master-In-Slave-Out-Stift (MISO-Stift) oder -Anschluß zum seriellen Senden und Empfangen von Daten und einen Slave-Unterbrechungseingangsstift (SLINT-Stift) oder -Anschluß zum Empfangen von Unterbrechungssignalen. Der bidirektionale MISO-Anschluß an jedem Slave-Knoten ist vorzugsweise für die serielle Datenübertragung vom Slave-Knoten zu einem Master-Knoten oder zu anderen Slave-Knoten sowie für den Empfang von Daten eingerichtet, die vom MISO-Anschluß anderer Slave-Knoten übertragen werden. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen die Prozeßsteuerungseinrichtung 100 keinen Master-Knoten oder Mikroprozessor aufweist, kann der MOSI-Anschluß an den Slave-Knoten entfallen.
Der Master-Knoten der Prozeßsteuerungseinrichtung 100 weist vorzugsweise auf: einen Unterbrechungseingangsstift (SLINT-Stift) oder -Anschluß zum Empfangen von Unterbrechungssignalen, einen den CS-Eingängen der Slave-Knoten entsprechenden CS-Ausgang zur Erzeugung von CS-Signalen, einen den SCK-Eingängen der Slave-Knoten entsprechenden SCK-Ausgang zur Erzeugung von SCK-Signalen, einen MOSI-Ausgang zum Senden von seriellen Daten an die MOSI-Eingänge der Slave-Knoten, und einen MISO-Eingang zum Empfangen von Daten, die von den MISO-Ausgangsanschlüssen der Slave-Knoten übertragen werden. Wahlweise kann der Mikroprozessor 202 (oder 200) einen INT-Ausgang aufweisen, so daß er als Slave-Knoten arbeiten kann. Wie in
2 dargestellt, ist der Mikroprozessor 200 als Master-Knoten konfiguriert. Daher weist der Mikroprozessor 202 in einigen bevorzugten Ausführungsformen keine CS-, MOSI- und SCK-Anschlüsse auf und ist im Überwachungsmodus bzw. -betrieb konfiguriert.
Die Prozeßsteuerungseinrichtung 100 weist ferner einen Datenbus 220 auf, der zwischen den verschiedenen Master- und Slave-Knoten gekoppelt ist, um die Kommunikation zwischen den Knoten zu erleichtern. Im Grunde genommen weist der Datenbus 220 eine INT-Leitung auf, die jeweils an die SLINT-Anschlüsse der Mikroprozessoren 200 und 202 und an den INT-Anschluß des Slave-Knotens 204 mit der niedrigsten Priorität gekoppelt ist. Die INT- und SLINT-Anschlüsse der übrigen Slave-Knoten sind vom INT-Ausgangsanschluß eines Slave-Knotens zum SLINT-Eingangsanschluß des nächsten Slave-Knotens in Kaskade geschaltet. Der SLINT-Eingang des letzten Slave-Knotens (d. h. des dargestellten Slave-Knotens 212) ist immer an L (den L-Pegel) gelegt bzw. inaktiv, und dieser Slave-Knoten hat die höchste Priorität. Der INT-Ausgang eines Slave-Knotens ist aktiv, wenn dieser Knoten ein Unterbrechungssignal erzeugt oder wenn sein SLINT-Eingang aktiv ist, wodurch angezeigt wird, daß ein Slave-Knoten mit höherer Priorität gerade eine Unterbrechung erzeugt. Dieses Verfahren vermindert den Bedarf an zusätzlichen Schaltungen als Zwischenverbindungen für die Konfliktentscheidung über Unterbrechungen von mehreren Slave-Geräten.
Der Datenbus 220 weist außerdem eine einzelne CS-Leitung auf, die mit dem CS-Ausgang des Master-Knoten-Mikroprozessors 200 und dem CS-Eingang jedes Slave-Knotens gekoppelt ist. Das CS-Signal der CS-Datenbusleitung wird durch einen der Master-Knoten erzeugt und zeigt an, daß der Datenbus aktiv ist. Es kann als Begrenzungszeichen zwischen Nachrichten verwendet werden, oder um anzuzeigen, welcher Datenbus aktiv ist, wenn der Master-Knoten mehrere Datenbusse steuert. Alternativ kann es permanent auf aktiv gesetzt oder weggelassen werden.
Der Datenbus 220 weist ferner eine SCK-Leitung auf, die mit dem SCK-Ausgang des Master-Knotens und dem SCK-Eingang je des Slave-Knotens gekoppelt ist, um Synchrontaktsignale zwischen den Master- und Slave-Knoten zu übertragen. Wegen der Adressierung und anderer, weiter unten diskutierter Vorteile des erfindungsgemäßen Datenbusprotokolls kann eine einzelne CS-Datenbusleitung verwendet werden, oder die CS-Leitung kann ganz entfallen. Auf diese Weise kann der Leiterplatten(PCB)-Raumbedarf vermindert werden.
Der Datenbus 220 weist ferner eine MOSI-Leitung auf, die mit dem MOSI-Ausgangsanschluß des Master-Mikroprozessors und dem MOSI-Eingangsanschluß jedes Slave-Knotens gekoppelt ist, um serielle Daten vom Mikroprozessor zu den Slave-Knoten zu übermitteln. Wenn die Prozeßsteuerungseinrichtung 100 keinen Master-Knoten oder Mikroprozessor aufweist und nur Partner-zu-Partner- bzw. Peer-zu-Peer-Kommunikation (d. h. Kommunikation zwischen Slave-Knoten) benötigt, ist die MOSI-Leitung des Datenbusses 220 nicht erforderlich.
Schließlich weist der Datenbus 220 eine bidirektionale MISO-Leitung auf, die mit dem MISO-Eingangs-/Ausgangsanschluß jedes Slave-Knotens und dem MISO-Eingang jedes Mikroprozessors gekoppelt ist, um serielle Daten von den Slave-Knoten zu den Mikroprozessoren und/oder serielle Daten zwischen Slave-Knoten zu übermitteln. Zu beachten ist, die MISO-Anschlüsse der Slave-Knoten vorzugsweise Dreizustandseinrichtungen sind, da der MISO-Anschluß an jedem Slave-Knoten bidirektional ist. Mit anderen Worten, die MISO-Anschlüsse an den Slave-Knoten sind im hochohmigen Zustand, außer wenn ein einzelner Knoten die Steuerung der MISO-Datenbusleitung ausübt.
Anfangs steuert der Slave-Knoten mit der höchsten Unterbrechungspriorität die MISO-Datenbusleitung. Der Knoten mit der höchsten Priorität, der eine Unterbrechung erzeugt und einen inaktiven SLINT-Eingang aufweist, hat Unterbrechungspriorität. In 2 steuert der Slave-Knoten 212 zuerst die MISO-Datenbusleitung, wenn er gerade an seinem INT-Ausgang eine Unterbrechung erzeugt. Der Slave-Knoten 210 steuert zuerst die MISO-Datenbusleitung, wenn er, nicht aber der Slave-Knoten 212, gerade an seinem INT-Ausgang eine Unterbrechung erzeugt. Allgemein steuert ein Slave-Knoten zuerst die MISO-Datenbusleitung, wenn er gerade eine Unterbrechung erzeugt und alle vorhergehenden Knoten in der Unterbrechungskaskade gerade keine Unterbrechung erzeugen. Außerdem kann die Steuerung der MISO-Datenbusleitung als Ergebnis der auf dem Bus übertragenen Anweisung wechseln. Indem die MISO-Datenbusleitung in der vorliegenden Erfindung bidirektional bzw. als Zweiwegleitung ausgelegt wird, statt unidirektional bzw. als Einwegleitung, wie im Falle der Datenbuskonfigurationen mit Standard-SPI-Protokoll, ist eine Partner-zu-Partner- bzw. Peer-zu-Peer-Kommunikation zwischen den Peripheriegeräten möglich, ohne die Anzahl der Datenbusleitungen oder physikalischen Verbindungen zu erhöhen. Das oben beschriebene Konfliktentscheidungsverfahren trägt auch zur Erleichterung bidirektionaler Übertragungen bei.
Wenn die Prozeßsteuerungseinrichtung einen Master-Knoten aufweist, wird die Datenbussteuerung typischerweise durch den Master-Knoten ausgeführt. Wenn die Prozeßsteuerungseinrichtung nur Peripheriegeräte (d. h. Slave- oder gleichrangige Partner- bzw. Peer-Knoten) aufweist, kann die Datenbussteuerungsfunktion von einem der Slave-Knoten oder von mehreren Slave-Knoten gemeinsam ausgeführt werden. Zum Beispiel kann der Slave-Knoten mit Unterbrechungspriorität zu Beginn einer Nachricht die Datenbussteuerungsaufgaben für die Nachricht übernehmen.
3 zeigt ein Taktdiagramm, das ein Nachrichtenformat oder -protokoll darstellt, das in bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinrichtungen benutzt wird. Während ein Unterbrechungssignal (INT) von einem der Slave-Knoten veranlaßt (und durch die Unterbrechungskaskade zur INT-Datenbusleitung weitergeleitet) wird und die CS-Leitung durch einen Master-Knoten im aktiven Zustand gehalten wird, werden Nachrichten auf den MOSI- oder MISO-Datenbusleitungen mit einem Bit pro Takt des SCK-Signals übertragen. Wie aus dem Taktdiagramm von 3 ersichtlich, ist das erste Byte einer Nachricht auf den MOSI- oder MISO-Datenleitungen die ANWEISUNG. Das zweite Byte ist wahlweise ein oder mehrere Bytes EXTADR der erweiterungsfähigen Adresse, die anzeigen, für welchen Knoten die Nachricht bestimmt ist. Potentiell können dem ersten Byte der erweiterten Adresse nötigenfalls mehrere Bytes der erweiterten Adresse folgen. An diese Bytes schließen sich null oder mehr Datenbytes an. Wenn eine oder mehrere Adressenbyte-Erweiterungen benutzt werden, wird das Bit 5 des ANWEISUNG-Bytes auf den Logikpegel 1 gesetzt. Wenn die Adresse vollständig im ANWEISUNG-Byte enthalten ist, wird das Bit 5 auf 0 gesetzt, und auf das ANWEISUNG-Byte folgen DATEN-Bytes. Eine Bytezahl ist nicht vorhanden, da die Länge der Nachricht dem ANWEISUNG-Byte inhärent bzw, daran gebunden ist.
Die Struktur des ANWEISUNG-Bytes der in 3 dargestellten MOSI- oder MISO-Nachrichten ist detaillierter in 4 dargestellt. Die Bits 6 und 7 zeigen den Befehl an, wobei 00 einen Rundsendebefehl BRCST, 01 einen Zustandsbedingungsbefehl STCND, 10 einen Lesebefehl READ und 11 einen Schreibbefehl WRITE darstellen. Der READ-Befehl ist eine Anforderung des Inhalts eines Objekts in einem anderen Knoten, und der WRITE-Befehl ist eine Anforderung, den Inhalt eines Objekts in einem anderen Knoten zu ändern. Der Rundsendebefehl sendet den Wert eines Objekts zu allen Knoten und wird durch das Gerät ausgelöst, welches das Objekt enthält. Der Zustandsbefehl sendet die Zustandsbedingung eines Knotens zu allen anderen Knoten.
Wenn das Adressenerweiterungsbit AE (Bit 5) auf einen Logikwert 1 gesetzt ist, zeigt es an, daß dem ANWEISUNG-Byte ein oder mehrere Bytes EXTADR der erweiterten Adresse folgen, bevor irgendwelche DATEN-Bytes in einer Nachricht übertragen werden. Wenn das AE-Bit auf eine logische 1 gesetzt ist, die anzeigt, daß das nächste Byte eine Adresse ist, dann zeigt das Bit 7 des Bytes der erweiterten Adresse an, ob noch ein weiteres Byte der erweiterten Adresse folgt. Wenn das Bit 7 des Bytes der erweiterten Adresse auf eine logische 1 gesetzt ist, dann ist das nächste Byte der übertragenen Nachricht gleichfalls ein Byte der erweiterten Adresse. Ist das Bit 7 des Bytes der erweiterten Adresse auf eine logische 0 gesetzt, dann ist das nächste Byte der Nachricht ein DATEN-Byte. Auf diese Weise können Adressenlängen mit einer beliebigen Anzahl von Bytes benutzt werden, ohne den Datenbus, die Komponenten oder die Programmierung zu modifizieren. Durch dieses Merkmal der vorliegenden Erfindung wird das Hinzufügen oder Auswechseln von Knoten weiter erleichtert. Die Bits 0–7 des ANWEI SUNG-Bytes sind die Knoten/Objekt-Adresse. Die Anweisung 00 hex (= hexadezimal) (8 Nullen) ist reserviert und als Unterbrechungsbestätigung oder als Nulloperations-Anzeiger definiert.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen einen von drei Adressenzuweisungsmechanismen auf, um den Knoten Adressen für die spätere Kommunikation auf dem Datenbus zuzuweisen. Die drei Adressenzuweisungsmechanismen werden in der vorliegenden Patentanmeldung als statische Adressenzuweisung, dynamische Master-Adressenzuweisung bzw. automatische Partner- bzw. Peer-Adressenzuweisung bezeichnet. Jedes der Adressenzuweisungsverfahren kann angewandt werden, und Slave-Knoten, die eines der drei Verfahren nutzen, können auf dem Datenbus vermischt werden. In allen Fällen müssen jedoch müssen jedoch die Knoten entweder die Adressenzuweisungen vorher kennen, oder jeder Knoten muß seine Adresse bei der Inbetriebnahme rundsenden. Für jeden Knoten in der Prozeßsteuerungseinrichtung kann es wünschenswert sein, seine jeweilige Adresse, gleichgültig ob diese ihrer Natur nach statisch oder dynamisch ist, zusammen mit einer den Knotentyp anzeigenden Kennung bei der Inbetriebnahme an alle anderen Knoten in der Prozeßsteuerungseinrichtung zu senden.
Beim statischen Adressenzuweisungsverfahren hat jeder Knoten eine externe, fest verdrahtete Adresse. ANWEISUNG-Bytes, welche die einem bestimmten Knoten entsprechende Adresse aufweisen, haben zur Folge, daß der Knoten die entsprechende Nachricht empfängt. Ein Knoten kann mehrere unabhängig adressierbare Objekte aufweisen. Wenn mehr als fünf Bits erforderlich sind, um alle Objekte und Knoten zu adressieren, können Bytes einer erweiterten Adresse verwendet werden, wie oben diskutiert. Die Adressen- und erweiterten Adressenzustände können nach Bedarf zwischen den Knotenadressen und Objektadressen aufgeteilt werden.
Sowohl der dynamische Master-Adressenzuweisungs- als auch der automatische Partner-Adressenzuweisungsmechanismus sind von dynamischer Natur, was insofern einen Vorteil bietet, als die Knoten der Prozeßsteuerungseinrichtung aktualisiert und ausgetauscht werden können, ohne Adressen physisch neu zu zuweisen oder die Systemsoftware zu ändern. Beim dynamischen Master-Adressenzuweisungsverfahren werden beim Rücksetzen alle Slave-Knoten/Objekte auf dem Bus auf die Adresse null gesetzt, und alle Slave-Knoten erzeugen eine Unterbrechung. Dann weist ein Master-Knoten oder Mikroprozessor jedem Knoten/Objekt in der Reihenfolge vom Knoten/Objekt mit der höchsten Priorität zum Knoten/Objekt mit der niedrigsten Priorität eine von null verschiedene Adresse zu. Im allgemeinen erzeugt der Master-Knoten die von null verschiedenen Adressen und sendet die entsprechenden Adressen über den Datenbus zu den zugeordneten Knoten. Beispielsweise kann die anfängliche Unterbrechungsbestätigung vom Master-Knoten in einem Datenfeld der Nachricht die Adresse enthalten, die dem Knoten mit der höchsten Priorität zugewiesen wird. Indem jedem Knoten/Objekt eine Adresse zugewiesen wird, löscht er/es seine Unterbrechungsanforderung. Dies muß geschehen, bevor irgendwelche anderen Operationen auf dem Datenbus ausgeführt werden. Dieses Merkmal sorgt für eine leichte Austauschbarkeit verschiedener, Module der Einrichtung vor Ort, wie z. B. das Hinzufügen oder Auswechseln eines Sensormoduls.
Beim automatischen Partner-Adressenzuweisungsverfahren weist der am Anfang für eine Unterbrechung autorisierte Slave-Knoten sich selbst die erste Adresse zu. Der Knoten mit der höchsten Unterbrechungspriorität, der sich die erste Adresse zugewiesen hat, benutzt dann einen Rundsendebefehl BRCST im ANWEISUNG-Byte der Nachricht, um alle anderen Knoten zu benachrichtigen, daß die erste Adresse zugewiesen worden ist. Der nächste Knoten ohne Adresse und mit der nächstniedrigeren Unterbrechungspriorität weist sich dann die zweite Adresse zu. Anschließend sendet er eine Nachricht, die allen anderen Knoten mitteilt, daß die zweite Adresse zugewiesen worden ist. Allgemein weist der Knoten mit der höchsten Unterbrechungspriorität und ohne Adresse sich die nächstfolgende Adresse zu und benachrichtigt dann die anderen Knoten durch Rundsenden, daß die neue Adresse zugewiesen worden ist. Eine im Slave-Knoten 206 oder in einem anderen Speicher abgelegte Aufzeichnung der zuletzt verwendeten Adresse kann bei der Inbetriebnahme mit null initialisiert werden.
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Prozeßsteuerungseinrichtung kann jeder beliebige Knoten eine Nachricht aus jedem Objekt (d. h. einem Speicherplatz, einem Peripheriegerät usw.) jedes Knotens auslesen oder in dieses einschreiben, indem er eine Lese- (READ) oder Schreibbefehlsmeldung (WRITE) innerhalb der Objektadresse ausgibt, die im ANWEISUNG-Byte und in etwaigen Bytes der erweiterten Adresse angegeben wird. Außerdem kann jeder Knoten durch Ausgabe eines STCND-Befehls anzeigen, daß eine Zustandsbedingung existiert, wobei das Adressenfeld des ANWEISUNG-Bytes das Objekt mit der Zustandsbedingung anzeigt, und wobei wahlweise ein Datenbyte der Nachricht den Objektwert enthält. Zu den Zustandsbedingungen können "Daten bereit", "Datenüberlauf", "Datenpuffer leer" oder Hardware- und Sofware-Fehler gehören. Ein Knoten kann auch den Wert eines Objekts mit einer Nachricht rundsenden, die im ANWEISUNG-Byte einen BRCST-Befehl und eine Objektadresse aufweist, gefolgt von dem Objektwert in einem Datenbyte der Nachricht.
Ein Master-Knoten oder Mikroprozessor sendet unter Verwendung der MOSI-Leitung des Datenbusses Befehle zu den Slave-Knoten. Slave-Knoten senden Befehle sowohl zu Master-Knoten als auch zu anderen Slave-Knoten auf der bidirektionalen MISO-Leitung des Datenbusses. Folglich können Slave-Knoten Befehle und Informationen sowohl auf der MOSI- als auch auf der MISO-Leitung des Datenbusses empfangen. Die MISO-Leitung des Datenbusses wird durch ein aktives Schalterelement von einem der Slave-Knoten auf den L-Zustand gesetzt. Wenn ein Slave-Knoten Kommunikationsvorgänge auf dem Datenbus auslösen muß, erzeugt er eine Unterbrechung an seinem INT-Stift oder -Anschluß. Wenn keiner der Slave-Knoten gerade eine Unterbrechung erzeugt, befinden sich alle MISO-Ausgangsanschlüsse der Slave-Knoten im hochohmigen Zustand, wodurch angezeigt wird, daß von den Slave-Knoten keine Nachrichten gesendet werden.
Der Master-Knoten kann unter mindestens zwei Bedingungen auf dem Datenbus senden. Erstens kann der Master-Knoten als Reaktion auf ein Unterbrechungssignal von einem Slave-Knoten Nachrichten auf dem Datenbus senden. Zweitens kann der Master-Knoten nach eigenem Ermessen Nachrichten auf dem Daten bus senden. Wenn ein Slave-Knoten eine Unterbrechung erzeugt, gibt der Master-Knoten als Antwort einen Befehl auf der MOSI-Leitung des Datenbusses aus. Während der Master-Knoten die Antwortnachricht auf der MOSI-Leitung des Datenbusses sendet, kann der unterbrechende Slave-Knoten mit der höchsten Priorität seine Nachricht auf der MISO-Leitung des Datenbusses senden. Wenn die Antwortnachricht des Master-Knotens eine Unterbrechungsbestätigung enthält, kann der unterbrechende Knoten weiter seine Nachricht auf der MISO-Leitung des Datenbusses senden. Wenn die Antwortnachricht des Master-Knotens auf der MOSI-Leitung des Datenbusses ein anderer Befehl als eine Unterbrechungsbestätigung ist, wird die Nachricht vom Slave-Knoten bis zur nächsten Nachrichtensequenz abgebrochen.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, in denen die Prozeßsteuerungseinrichtung keinen Master-Knoten aufweist, kann die MOSI-Datenbusleitung entfallen oder inaktiviert (d. h. auf einen Logikpegel L gesetzt) werden, und alle Nachrichten werden so behandelt, als ob sie eine Unterbrechungsbestätigung enthielten. In diesem Fall muß das SCK-Signal durch ein anderes Gerät oder einen anderen Knoten als einen Master-Knoten erzeugt werden. Ferner müßte das CS-Signal auf der CS-Datenbusleitung, falls überhaupt erforderlich, gleichfalls durch ein anderes Gerät erzeugt werden, wenn kein Master-Knoten vorhanden ist.
Die vorliegende Erfindung bietet zahlreiche weitere Vorteile gegenüber Prozeßsteuerungseinrichtungen mit Master-Knoten, die nach dem Standard-SPI-Protokoll betrieben werden und eine Standard-Datenbuskonfiguration verwenden. Ein vorteilhaftes Merkmal einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, daß Slave-Knoten von Partner-Slave-Knoten Nachrichten auf der MISO-Datenbusleitung empfangen können. Die Kommunikation der physikalischen bzw. Bitübertragungsschicht wird in ein Kommunikationsdatenbussystem übertragen, das für Master- und/oder Slave-Knoten-Rundsendekommunikation, Kommunikation von Master- zu Slave-Knoten, Kommunikation von Slave- zu Master-Knoten sowie für Kommunikation von Partner zu Partner zwischen Slave-Knoten tauglich ist. Unter Verwendung modifizierter Datenbusmerkmale und physikali scher Verbindungen können Master-Knoten, die das Standard-SPI-Protokoll nutzen, mehrere Slave-Knoten mit einer einzigen CS-Datenbusleitung adressieren. Wenn alle Knoten am Datenbus dieses modifizierte Protokoll nutzen, kann die CS-Leitung als ständig aktiv angesehen werden und daher vollständig entfallen.
Die vorliegende Erfindung weist außerdem ein Konfliktentscheidungsverfahren auf, das mit Hilfe der Auswertung von physikalischen Verbindungen und/oder Anweisungen ermittelt, welcher von den mehreren Slave-Knoten Priorität hat und daher die Steuerung des Datenbusses ausführt. Ferner ermöglichen die in der erfindungsgemäßen verbesserten Prozeßsteuerungseinrichtung benutzten dynamischen Adressierverfahren einen leichten Austausch oder Ersatz der Knoten und eine größere Unabhängigkeit der Software von der Hardware-Konfiguration. Außerdem stellt die erfindungsgemäße bidirektionale MISO-Datenbusleitung eine Partner-zu-Partner-Kommunikation zwischen Slave-Knoten bereit. In Prozeßsteuerungseinrichtungen, die ausschließlich die Partner-zu-Partner-Kommunikation nutzen, kann die MOSI-Datenbusleitung ganz entfallen. Weitere Vorteile des erweiterten SPI-Protokolls und der Datenbuskonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung sind unter anderem kleinere Anschlußstiftzahlen von integrierten Chips und weniger Leiterplattenverbindungen, die zu einer Kostensenkung und physischen Verkleinerung führen, die Fähigkeit zur Verwendung vorhandener Mikroprozessoren, die nach dem Standard-SPI-Protokoll arbeiten, und die Tatsache, daß die Mikroprozessorbelastung durch die Verfügbarkeit der Rundsende- und Partner-zu-Partner-Kommunikationsfähigkeiten reduziert werden kann, so daß die Kommunikation zwischen Slave-Knoten nicht durch den Mikroprozessor geleitet werden muß.
Die vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden, aber Fachleute werden erkennen, daß Änderungen an Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung in einem beliebigen Typ der Prozeßsteuerungseinrichtung implementiert werden kann. Ferner können unter Verwendung einer geeigneten Hardware-, Software- oder Firmwaretechnik oder deren Kombination verschiedene Funktionsblöcke implementiert werden. Es sind auch andere kleinere Konstruktionsänderungen möglich. Zum Beispiel kann in Ausführungsformen, in denen der Mikroprozessor 200 als Master-Knoten dient, die Kommunikation durch einen zweiten Mikroprozessor (d. h. den Mikroprozessor 202) auf verschiedene Arten implementiert werden. Der zusätzliche Mikroprozessor kann als Peripheriegerät behandelt werden, in welchem Fall er einen INT-Ausgang aufweisen und mit den anderen Slave-Knoten in Kaskade geschaltet würde. Dann würde der zusätzliche Mikroprozessor über die bidirektionale MISO-Leitung kommunizieren. Als Alternative können Dreizustandstreiber zum MOSI-Ausgang jedes Mikroprozessors hinzugefügt werden, und alle Mikroprozessoren können über die MOSI-Leitung senden.

Claims

Prozeßsteuerungsgerät (100), das aufweist: einen gemäß SPI-Protokoll betriebenen Mikroprozessor (200); ein erstes Peripheriegerät (204; 206); ein zweites Peripheriegerät (206; 204); und einen mit dem Mikroprozessor, dem ersten Peripheriegerät und dem zweiten Peripheriegerät gekoppelten Datenbus (220), wobei der Datenbus eine bidirektionale Master-In-Slave-Out-Leitung (MISO-Leitung) aufweist, die mit MISO-Anschlüssen an dem Mikroprozessor, dem ersten Peripheriegerät und dem zweiten Peripheriegerät verbunden ist.
Prozeßsteuerungsgerät nach Anspruch 1, wobei die bidirektionale MISO-Leitung daran angepaßt ist, serielle Daten sowohl von dem ersten und zweiten Peripheriegerät (204, 206) zum Mikroprozessor als auch zwischen dem ersten und zweiten Peripheriegerät zu übermitteln.
Prozeßsteuerungsgerät nach Anspruch 2, das ferner ein drittes Peripheriegerät (208, 210, 212) mit einem an die bidirektionale MISO-Leitung des Datenbusses gekoppelten MISO-Anschluß aufweist, wobei das erste Peripheriegerät über die bidirektionale MISO-Leitung gleichzeitig Nachrichten sowohl zum zweiten als auch zum dritten Peripheriegerät sendet.
Prozeßsteuerungsgerät nach Anspruch 2, das ferner eine Einrichtung zur dynamischen Adressenzuweisung zu dem ersten und zweiten Peripheriegerät zur Verwendung beim Empfang von Nachrichten über den Datenbus aufweist.
Prozeßsteuerungsgerät nach Anspruch 4, wobei dem ersten und zweiten Peripheriegerät (204, 206) je eine Priorität zugeordnet ist, wobei von dem ersten und dem zweiten Peripheriegerät dasjenige mit der höheren Priorität sich selbst eine erste Adresse zuweist und anschließend die erste Adresse über die bidirektionale MISO-Leitung zum Mikroprozessor (200) und zu dem anderen Peripheriegerät mit der niedrigeren Priorität der beiden Peripheriegeräte sendet.
Prozeßsteuerungsgerät nach Anspruch 5, wobei, nachdem das eine von dem ersten und dem zweiten Peripheriegerät (204, 206) die erste Adresse gesendet hat, das andere (206, 204) von dem ersten und dem zweiten Peripheriegerät sich selbst eine zweite Adresse zuweist und anschließend die zweite Adresse über die bidirektionale MISO-Leitung zum Mikroprozessor (200) und zu dem einen (204, 206) der beiden Peripheriegeräte sendet.
Prozeßsteuerungsgerät nach Anspruch 4, wobei jedes der ersten und zweiten Peripheriegeräte (204, 206) Unterbrechungszeugungsschaltungen zum Erzeugen von Interrupts bzw. Unterbrechungssignalen aufweist, wobei die Einrichtung zur dynamischen Adressenzuweisung aufweist: eine mit dem Mikroprozessor (200) verbundene Interrupt-Detektionsschaltung zum Erfassen eines ersten Interrupts, der durch eines der ersten und zweiten Peripheriegeräte am Datenbus erzeugt wird; eine mit dem Mikroprozessor verbundene Adressenerzeugungsschaltung zum Generieren einer ersten Adresse; und eine mit dem Mikroprozessor verbundene Adressenübertragungsschaltung, um die erste Adresse über den Datenbus zu demjenigen der ersten und zweiten Peripheriegeräte zu übertragen, das den ersten Interrupt erzeugt hat, und dadurch die erste Adresse demjenigen der ersten und zweiten Peripheriegeräte zuzuweisen, das den ersten Interrupt erzeugt hat.
Prozeßsteuerungsgerät nach Anspruch 2, wobei der Datenbus eine Einzelchipansteuerleitung (CS) aufweist, die jeweils mit Chipansteuerungsanschlüssen am Mikroprozessor (200), am ersten Peripheriegerät (204) und am zweiten Peripheriegerät (206) gekoppelt ist.
Verfahren zur Informationsübermittlung auf einem Datenbus (220) zwischen einem ersten und einem zweiten Peripheriegerät (204, 206) in einem Prozeßsteuerungsgerät (100), wobei das Verfahren aufweist: Senden von Daten von einem bidirektionalen Master-In-Slave-Out-Anschluß (MISO-Anschluß) am ersten Peripheriegerät über eine bidirektionale MISO-Leitung auf dem Datenbus; und Empfangen der von dem bidirektionalen MISO-Anschluß am ersten Peripheriegerät gesendeten Daten an einem bidirektionalen MISO-Anschluß am zweiten Peripheriegerät.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Senden von Daten von dem bidirektionalen MISO-Anschluß am ersten Peripheriegerät über die bidirektionale MISO-Leitung auf dem Datenbus ferner die Übertragung von Daten über die MISO-Leitung unter gleichzeitiger Erzeugung eines Chipansteuersignals (CS) auf einer Einzelchipansteuerleitung aufweist, die mit Chipansteuerungseingängen des ersten und des zweiten Peripheriegeräts gekoppelt ist.