用于在以自动方式受控的设施中发送过程数据的方法

摘要

过程数据发送器以限定的循环时间间隔以限定的符号速率按照具有多个数据符号(68)的串行发送数据流(66)的形式发送当前过程数据。过程数据接收器以采样速率对串行发送数据流(66)进行采样，从而生成对于每个数据符号(68)具有多个采样(72)的串行接收器数据流(70)，采样速率比符号速率高限定的倍数。过程数据接收器将串行接收器数据流(70)分成数据包(86)，每个数据包(86)具有限定的第一数量的采样(72)。过程数据接收器从各数据包(86)中选择限定的第二数量的采样(72’)。第二数量比第一数量小限定的倍数，并且从每个数据包(86)选择的采样(72’)彼此等距。过程数据接收器将所选择的采样(72’)处理为所接收的过程数据。

权利要求

1.一种用于在自动受控设施中发送过程数据的方法，所述方法包括以下步骤：

提供过程数据发送器(14)，所述过程数据发送器(14)以限定的循环时间间隔通过数据线(26)发送相应的当前过程数据；以及提供过程数据接收器(18)，所述过程数据接收器(18)通过所述数据线(26)接收所述过程数据，其中，所述过程数据发送器(14)通过所述数据线(26)以限定的符号速率按照包括多个数据符号(68)的串行发送数据流(66)的形式发送所述过程数据，其中，所述过程数据接收器(18)以采样速率对所述串行发送数据流(66)进行采样，以生成每数据符号(68)包括多个采样值(72)的串行接收器数据流(70)，所述采样速率比所述符号速率高限定的倍数，其中，所述过程数据接收器(18)将所述串行接收器数据流(70)细分成数据包(86)，每个数据包(86)具有限定的第一数量的采样值(72)，其中，所述过程数据接收器(18)从各数据包(86)中选择限定的第二数量的采样值(72’)，其中，所述第二数量比所述第一数量小所述限定的倍数，

其中，从每个数据包(86)选择的采样值(72’)彼此等距，并且

其中，所述过程数据接收器将所选择的采样值(72’)处理为所接收的过程数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述过程数据接收器(18)同时从各数据包(86)中选择限定的第二数量的采样值(72’)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过程数据接收器以时间上连续的步骤来形成所述数据包(86)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，每个所选择的采样值(72’)在第一数量的采样值中具有右侧邻居和左侧邻居(92，94)，并且其中，所述过程数据接收器(18)将所选择的采样值(72’)与其各自的右侧邻居和左侧邻居(92，94)进行比较，以确定多个比较结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述过程数据接收器(18)根据所述比较结果形成所述数据包(86)。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述过程数据接收器(18)根据所述比较结果选择所述第二数量的采样值(72’)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述过程数据接收器从第一数据包(86)选择等距的第一采样值(72’)，并且从第二数据包(86’)选择等距的第二采样值(72”)，其中，如果在所有情况下所述第一采样值(72’)与其各自在第一数量的采样值中的右侧邻居和左侧邻居(92，94)均相同，则所述第一采样值和第二采样值(72’，72”)等距分布。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，如果至少一个第一采样值(72’)与其在第一数量的采样值中的右侧邻居或左侧邻居(92，94)不相同，则所述第二采样值(72”)相对于所述第一采样值(72’)移位。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过程数据发送器(14)使用线路码发送所述当前过程数据，所述线路码按照以下方式被设计，所述方式使得在每个数据包(86)中出现至少一个符号变化(96)。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述线路码是4B5B线路码。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述倍数至少等于4，并且其中，所述第二数量至少等于3。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述倍数等于4，并且其中，所述第二数量等于

5。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过程数据接收器(18)生成相移90°的第一时钟信号和第二时钟信号(74，76)，并且其中，所述过程数据接收器以所述第一时钟信号和第二时钟信号(74，76)的每个边缘(78)对所述发送数据流进行采样。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一时钟信号和第二时钟信号(74，76)中的每个具有与所述限定的符号速率对应的时钟频率。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过程数据接收器(18)具有逻辑阵列(58)，所述逻辑阵列(58)具有彼此并行的多个数据路径(60)，其中，并行的所述数据路径(60)以与所述限定的符号速率对应的时钟频率操作。

16.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述过程数据接收器(18)根据所述串行数据流(66)修改过程数据，以生成更新的发送数据流，并且其中，所述过程数据接收器通过另外的数据线(30)发送所述更新的发送数据流。

17.一种用于在自动受控设施中接收过程数据的过程数据接收器，在所述自动受控设施中，过程数据发送器(14)通过数据线(26)以限定的循环时间间隔发送相应的当前过程数据，其中，所述过程数据发送器通过所述数据线(26)以限定的符号速率按照具有多个数据符号(68)的串行发送数据流(66)的形式发送所述过程数据，所述过程数据接收器包括用于接收所述串行发送数据流的输入端(24)、包括从所述串行发送数据流(66)提取所述过程数据的通信模块(22)、并且包括输出端(34)，其中，所述通信模块(22)以采样速率对所述串行发送数据流(66)进行采样，从而生成每数据符号(68)具有多个采样值(72)的串行接收器数据流(70)，所述采样速率比所述符号速率高限定的倍数，其中，所述通信模块(22)将所述串行接收器数据流(70)细分成数据包(86)，每个数据包(86)具有限定的第一数量的采样值(72)，其中，所述通信模块(22)从各数据包(86)中选择限定的第二数量的采样值(72’)，其中，所述第二数量比所述第一数量小所述限定的倍数，其中，从每个数据包(86)选择的采样值(72’)彼此等距，并且其中，所述通信模块(22)使所选择的采样值在所述输出端(34)处能够得到。

说明书

用于在以自动方式受控的设施中发送过程数据的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于在自动受控设施中发送过程数据的方法以及被设计成根据该方法接收过程数据的相应的过程数据接收器。

背景技术

[0002] WO 2004/097539 A1描述了用于控制在其中需要故障安全操作以避免对人造成风险的安全关键过程的方法和装置。具体地，其包括对以自动方式操作的设施的监视和控制，该设施的操作对人造成受伤的风险。该类型的设施通常由防护栏、防护门、挡光器、光栅、应急开关和其他安全传感器保护。一旦防护门打开，挡光器被中断或者应急开关致动，则该设施必须以不同的方式被停止或被转变至安全条件。这通常由以限定的循环时间间隔评估防护门、光栅、应急开关等的状态信号的故障安全设计的控制器并通过根据状态信号触发被布置在到该设施的电驱动的电源路径中的安全相关的致动器(诸如接触器)来实现。

[0003] 传感器和致动器通常物理上远离控制器。在具有很多传感器和致动器的大规模的设施中，通过总线系统将控制器连接至传感器和致动器是适当的。总线系统使得能够交换表示传感器和致动器的状态以及控制器的控制命令的数字数据。在下面通常将这些数据称作过程数据。另外，过程数据可以包括对于设施的操作重要的诊断信息和/或配置信息。

[0004] 上面提到的WO 2004/097539 A1描述了方法和相应的装置，其中，多个I/O单元通过总线系统将过程数据发送至控制单元。控制单元生成可变的关键字，I/O单元使用可变的关键字对要发送的过程数据进行编码。即使例如由于防护门的状态未改变而过程数据由此长时间保持不变，但是由于变化的编码，发送数据也发生变化。使用可变的关键字创建限定的动态行为，使得控制器能够为了故障安全操作而检查I/O单元。该方法和相应的装置在实际操作中经证实是成功的。然而，期望在以自动方式控制的设施中进一步优化过程数据的发送。具体地，期望增大数据传输速度，以通过简单且经济实现的总线系统，以最短可能的时间间隔发送尽可能多的过程数据。

[0005] WO 2006/069691 A1描述了具有物理上分布的站的另外的控制系统，在站与站之间以循环的时间间隔发送过程数据。第一站产生具有多个数据字段的数据帧。由一系列另外的站以斗链式方式发送数据帧。每个另外的站将过程数据写入数据帧，并且当由所有站填充的数据帧再次由一系列站发送返回至第一站时，读取来自其他站的过程数据。该方法可以在单个通信周期内实现控制系统的任何站之间的交叉通信。

[0006] 上面提到的两个文档描述了用于以OSI参考模型的较高协议层在自动受控设施中发送过程数据的方法。为了使其更精确，该方法包括根据其进行通信的规则。使用其发送过程数据的电信号或光信号对于提出的方法具有次级重要性。具体地，对于提出的方法而言，无关的是：是否使用分离数据和时钟线发送过程数据或者是否将过程数据和发送时钟组合在一个信号中。时钟信号确定发送速度，并且为了使发送线的数量最小化，期望组合在一个信号中。

[0007] 在现有技术中已经存在可以将时钟信号和数据组合在一个公共信号中的方法。这些方法通常在数据接收器侧需要PLL。该PLL(锁相环)是生成将其自身与外部馈送的信号同步的时钟信号的控制电路。因此，可以使用PLL根据数据流生成时钟信号，那么所述时钟信号使数据流的各数据符号能够清楚的重建。不幸地，如果要实现大量的相对简单且经济的过程数据接收器，则PLL相当复杂和昂贵。

[0008] 可替代地，存在用于使用过采样根据串行数据流重建数据符号的可能性。在这种情况下，数据接收器必须以时钟频率对所接收的数据流进行处理，该时钟频率基本上高于数据流本身的符号速率。如果数据流的符号速率以及相应的数据传输速度想要较高，则这是有问题的，这是因为则在接收器侧需要很快且相应地昂贵的电路。因此，通常仅对于相对慢的数据传输(诸如在1960年代的已知的RS-232数据传输中)使用过采样。例如，在标注有美国加利福尼亚州森尼维耳市(Sunnyvale)的最大集成产品(Maxim  Integrated Products)的数字2141的应用中描述了在RS-232数据传输中的过采样。

发明内容

[0009] 在这个背景下，本发明的一个目的是提供在自动受控设施中发送过程数据的方法，该方法能够非常经济的实现并具有较高的数据传输速度。由于所期望的用途，该新颖的方法特别旨在能够以周期性循环时间间隔串行发送大量的过程数据。另一个目的是提供经济的过程数据接收器，该过程数据接收器适于在自动受控设施中接收周期性循环的过程数据。

[0010] 根据发明的第一方面，该目标由用于在自动受控设施中发送过程数据的方法来实现，该方法包括下面的步骤：

[0011] 提供过程数据发送器，所述过程数据发送器以限定的循环时间间隔通过数据线发送相应的当前过程数据；以及

[0012] 提供过程数据接收器，所述过程数据接收器通过所述数据线接收所述过程数据，[0013] 其中，所述过程数据发送器以限定的符号速率通过所述数据线按照具有多个数据符号的串行发送数据流的形式发送所述过程数据，其中，所述过程数据接收器以采样速率对所述串行发送数据流进行采样，从而生成每数据符号具有多个采样值的串行接收器数据流，所述采样速率比所述符号速率高限定的倍数，其中，所述过程数据接收器将所述串行接收器数据流细分成数据包，每个数据包具有限定的第一数量的采样值，所述过程数据接收器从各数据包中选择限定的第二数量的采样值，其中，所述第二数量比所述第一数量小所述限定的倍数，其中，从每个数据包选择的采样值彼此等距，并且其中，所述过程数据接收器将所选择的采样值作为所接收的过程数据进行处理。

[0014] 根据又一方面，该目的由用于在自动受控设施中接收过程数据的过程数据接收器实现，在自动受控设施中过程数据发送器以限定的循环时间间隔通过数据线发送相应的当前过程数据，其中，过程数据发送器以限定的符号速率通过数据线按照具有多个数据符号的串行发送数据流的形式发送过程数据，该过程数据接收器包括用于接收串行发送数据流的输入端、包括从串行发送数据流提取过程数据的通信模块、并且包括输出端，其中，通信模块以采样速率对串行发送数据流进行采样，从而生成每数据符号具有多个采样值的串行接收器数据流，采样速率比符号速率高限定的倍数，其中，通信模块将串行接收器数据流细分成数据包，在每种情况下数据包具有限定的第一数量的采样值，其中，通信模块从各数据包中选择限定的第二数量的采样值，其中，第二数量比第一数量小所述限定的倍数，其中，从每个数据包选择的采样值彼此等距，并且其中，通信模块使所选择的采样值在输出端处可用。

[0015] 该新颖的方法和相应的过程数据接收器根据过采样原理进行操作，即，以对于每个数据符号提供多个采样值的采样速率对发送数据流进行采样。然后，被集成在过程数据接收器中的通信模块从每数据符号多个采样值中选择每数据符号一个采样值。从而，过程数据接收器根据发送数据流重建过程数据，而无需与发送数据流的符号速率和/或过程数据发送器的时钟信号同步的时钟信号。因此，该新颖的方法和相应的过程数据接收器不需要PLL，这允许经济的实现。

[0016] 由于缺乏同步的时钟信号，从可得到的采样值的总体集合中对于每个数据符号选择“正确的”采样值是一个挑战。根据该新颖的方法，逐块或逐组进行选择，其在于：过程数据接收器将接收器数据流细分成数据包，然后从数据包中逐块或逐组选择适当的采样值。这使得可以使用彼此并行的数据路径实现适当的或正确的采样值的选择。由于并行化，每数据符号的很多采样值可以同时被评估，而过程数据接收器不必须以符号速率的多倍的时钟频率操作。因此，该新颖的方法能够特别经济地实现，该实现不要求PLL或“超高速的”模块。

[0017] 用于选择正确的采样值的一个标准是：对于每个数据包所选择的采样值彼此等距。这表示：所考虑的相应的数据包内的一个所选择的采样值与下一个所选择的采样值之间的时间间隔严格相同。然而，两个所选择的采样值之间的时间间隔可以从一个数据包变动至另一个数据包，这有利于使发送数据流和/或发送器与接收器之间的不同的时基中的速度变动相等。

[0018] 关于选择的又一标准与从数据包选择的采样值的数量有关。该(第二)数量小了这样的倍数：该倍数与采样值的(第一)数量高于发送数据流中的数据符号的数量的倍数相同。因此，该新颖的方法精确地提供每数据符号一个采样值。通过逐块选择并结合所选择的采样值彼此等距的条件，可以经济地且高精确度地确定相应“正确的”采样值。特别地，逐块选择使得能够实现数据处理而不管发送数据流以较低时钟频率的过采样。因此，完全实现了上面提到的目的。

[0019] 在本发明的优选改进中，过程数据接收器从各数据包中同时选择限定的第二数量的采样值。

[0020] 原理上，可以设想使用数据包逐块执行适当的采样值的选择，但时间上连续确定每个块中所选择的采样值在于：例如，再次通过实现选择的逻辑路径，因此对于每个所选择的采样值，通过实现选择的逻辑路径多次。然而，使用并行的数据路径的同时选择是优选的，这是由于这使得能够使用较低成本的部件较快地重建过程数据。因此，在该设计中，每数据符号的大量的采样值的逐块处理不仅用作用于选择适当的采样值的标准，而且选择本身也是并行的，并且优选地在与每数据包必须选择的采样值确切地一样多的数据路径中分布。在下面将详细说明的特定优选的示例性实施方式中，发送数据流被四倍过采样，使得对个每个数据符号给出四个采样值。然后，对于每个数据包，对使用彼此并行的五条数据路径的二十个采样值进行处理，使得从二十个采样值中同时选择五个采样值。每个所选择的采样值表示发送数据流中的数据符号。因此，在这样的情况下，彼此并行的数据路径的数量以及因此同时选择的采样值的数量高于采样速率本身比符号速率高的倍数。该类型的并行化使得以时钟频率操作每个数据路径变得尤其简单，该时钟频率匹配于或者甚至低于发送数据流的符号速率。

[0021] 在另外的改进中，过程数据接收器以时间上连续的步骤形成数据包。优选地，过程数据接收器对于每个“块选择”形成各自的数据包，其中，从每个各自的数据包中选择对于至少三个数据符号中的一个的采样值。此外，如果过程数据接收器将由过采样得到的采样值写入从其并行读取限定的第一数量的采样值的移位寄存器，以将串行接收器数据流细分成数据包，这是优选的。

[0022] 在该改进中，未“成组地”对整个发送数据流进行分析，以在接收器侧重建所发送的过程数据，但是过程数据接收器使用将接收器数据流细分成数据包，用于随后的处理。然而，在优选的情况下对于每个数据包进行并行处理，以实现上面所说明的优势。该改进使得过程数据能够“即时”重建，即，在过程数据接收器已经完全接收发送数据流之前，已经开始过程数据的重建。如果发送数据流连续通过多个站，则该设计尤其有优势，其中，每个站分别从发送数据流读出所分配的信息，并且/或者将当前过程数据插入发送数据流中。因此，该改进尤其适于中央控制单元从多个传感器和致动器“采集”过程数据以根据过程数据确定致动器的控制命令的应用。

[0023] 在另外的改进中，每个所选择的采样值具有右侧和左侧邻居，其中，过程数据接收器将所选择的采样值与它们各自的右侧和左侧邻居进行比较，以确定多个比较结果。

[0024] 该改进的比较结果表示所选择的采样值与它们各自的邻居之间的相邻关系。使用该相邻关系，确立所选择的采样值是否主要位于它们在每种情况下表示的数据符号的中心，或确立所选择的采样值是否替代地位于边缘上，尤其是位于相关联的数据符号的单个边缘的区域中是简单的。后者是不利的，因为其具有以下风险：采样值错误地表示相关联的数据符号中的信息。换言之，如果所选择的采样值中的每个主要位于它们表示的相应数据符号的中心，则这是优选的。所选择的采样值与其右侧和左侧邻居的比较，即，与在所选择的采样值的时间上前一个或后一个未选择的采样值的比较，使得能够对所选择的采样值进行很简单且快速可实现的检查。对于其中数据符号是二进制符号的优选的情况，简单的识别比较足以确立是否已“很好地”选择所选择的采样值。如果所选择的采样值等于其相邻的采样值，则所选择的采样值不能位于发送数据流中的单个边缘上。然而，如果邻居中之一具有除了所选择的采样值之外的电平值，则所选择的采样值位于发送数据流的单个边缘上。在这种情况下，以增大到单个边缘的距离的方式执行下一个采样值的选择至少是有利的。
另外，所选择的采样值可以经历真实性检查，以避免过程数据的重建中的错误。

[0025] 在数据符号是二进制数据符号的优选的示例性实施方式中，使用与其右侧邻居的异或比较以及使用与其左侧邻居的另外的异或比较连接所选择的采样值。如果异或连接结果对应于逻辑0，则所选择的采样值与其相应的相邻值相等。另一方面，逻辑1表示所选择的采样值与其邻居彼此不同。因此，异或连接很简单地且快速地使得能够检查所选择的采样值是否是“适当的”。

[0026] 在另外的改进中，过程数据接收器根据比较结果形成数据包。优选地，依赖于所选择的采样值提供的与时间上前一个数据包的比较结果形成每个新的数据包。作为该改进的结果，数据包的边界根据所选择的采样值与发送数据流的信号边缘之间的时间间隔而变化。采样值的选择自适应地将其自身调节到当前发送数据流。因此，采样值可以复制地包括在两个连续的数据包中，或各采样值可以不包括在任何数据包中并且因此对于选择完全不可得到。

[0027] 在另外的改进中，过程数据接收器根据比较结果选择第二数量的采样值。

[0028] 在该改进中，过程数据接收器实际上形成具有等距的孔的掩码，其中掩码根据比较结果被置于对于选择可得到的采样值之上。掩码相对于采样值的位置依赖于比较结果。该设计有助于选择适当的采样值，以很快地适应当前接收的发送数据流。

[0029] 在另外的改进中，过程数据接收器从第一数据包选择第一等距采样值，并且从第二数据包选择第二等距采样值，其中，如果第一采样值与它们各自的右侧和左侧邻居在每种情况下都相等，则第一采样值和第二采样值整体彼此等距地分布。

[0030] 在该改进中，过程数据接收器保持“掩码位置”，使用该“掩码位置”已从第一数据包选择第一采样值，并且从随后的第二数据包选择第二采样值，只要比较结果不包括所选择的采样值位于发送数据流的单个边缘的区域中的表示。因此，所选择的采样值等距地分布在多个数据包上。该设计使得能够很简单且快速的选择适当的采样值。

[0031] 在另外的改进中，如果至少一个第一采样值不等于其右侧或左侧邻居，则第二采样值相对于第一采样值移位。

[0032] 在该改进中，如果来自第一数据包的至少一个采样值位于发送数据流的信号边缘的区域中，则过程数据接收器对于从第二数据包中选择第二采样值改变掩码位置。通过该设计，过程数据接收器非常快地响应于采样值的不利的选择。因此，使过程数据接收器的重建中的错误最小化。

[0033] 在另外的改进中，过程数据发送器使用线路码(特别是4B5B线路码)发送当前过程数据，线路码以如下方式被设计，该方式使得在每个数据包中出现至少一个符号变化。

[0034] 线路码限定了如何在物理层(即在OSI参考模模型的最底层)上发送发送数据流。该新颖的方法和新颖的过程数据接收器优选地使用其中两个不同的信号状态表示逻辑状态0和1的二进制线路码。然而，原理上，也可以使用更高进制的线路码(如三进制线路码)实现该新颖的方法和相应的过程数据接收器。在任何情况下，如果线路码包括信号变化，即使要发送的过程数据的逻辑状态经过长时间不变化(例如因为设施的传感器长时间具有非致动的状态(＝逻辑0))，则这是有利的。如果选择数据包的长度使得在每个数据包中出现至少一个符号变化，则可以利用所选择的采样值与它们各自的上述邻居之间的比较确保所选择的采样值适于无错误地重建所发送的过程数据。因此，在优选的变型中，该改进包括甚至对于长的逻辑0或1序列生成符号变化的线路码的使用，其中，选择数据包的长度，使得在每个数据包中出现至少一个符号变化。

[0035] 在另外的改进中，所述倍数等于4，并且第二数量优选地等于5。

[0036] 4B5B线路码发送5个二进制数据符号，这5个二进制数据符号一起表示相应的4个有用的二进制数据位。因此，4B5B线路码将冗余位插入发送数据流，从而使得能够进行误差校正或至少误差检测。另外，4B5B代码确保至少在4个相同的数据符号之后出现符号变化。因此，4B5B线路码很适合于该新颖的方法的低成本实现。如果过采样因子也被选择为等于4并且第二数量(即从每个数据包选择的采样值的数量)等于5，则每个数据包提供5个位，可以根据该5个位很简单且快速地重建发送数据流的4个有用的数据位。

[0037] 在另外的改进中，过程数据接收器生成相对彼此相移90°的第一时钟信号和第二时钟信号，其中，过程数据接收器以第一时钟信号和第二时钟信号的每个独立边缘对发送数据流进行采样。

[0038] 该改进很简单且经济地使得能够进行发送数据流的四倍过采样，其中，过程数据接收器仅需要两个相移的时钟信号，时钟信号的时钟频率匹配于发送数据流的符号速率。在优选的示例性实施方式中，第一时钟信号和第二时钟信号的时钟频率高于100MHz，特别地，高于125MHz。在这种情况下，四倍采样的采样速率为500MHz。

[0039] 在另外的改进中，过程数据接收器具有逻辑阵列，该逻辑阵列具有彼此并行的数据路径，其中，并行的数据路径以对应于限定的符号速率的时钟频率操作。在前面提到的示例性实施方式中，符号速率为125MHz，因此并行的数据路径中的每个以125MHz操作。该新颖的方法使得过程数据能够使用四倍过采样进行重建，而用于数据重建的数据路径不必须以500MHz的高时钟频率操作。

[0040] 在另外的改进中，过程数据接收器根据串行数据流修改限定的过程数据，以生成更新的发送数据流，并且过程数据接收器通过另外的数据线发送更新的发送数据流。过程数据接收器优选地即时地发送更新的发送数据帧，即，其在仍然接收不同的过程数据发送器的发送数据流的时刻已发送更新的发送数据流。

[0041] 该改进非常有利地利用新颖的方法，这是由于其使得能够从以逻辑顺序被布置在设施内的多个站“采集”过程数据。每个站可以将“其”发送数据插入在站与站之间发送的循环的数据流。该设计以最佳方式将新颖的方法的优势与在自动受控设施中的过程数据的发送期间产生的要求结合。

[0042] 不言而喻，在不超出本发明的范围的情况下，上述特征和在下面将要说明的特征不仅可以以分别表示的组合使用，也可以以其他组合或独立使用。

附图说明

[0043] 在附图中示出了本发明的示例性实施方式，并且在下面的描述中详细地对其进行说明，在附图中：

[0044] 图1示出了自动设施的安全相关控制的模块化控制器的简化表示，其中，使用了新颖的方法和新颖的过程数据接收器的示例性实施方式，

[0045] 图2示出了过采样的示例性实施方式，

[0046] 图3示出了说明发送数据流与接收器数据流之间的关系的简化表示，[0047] 图4示出了根据图3且具有表示适当采样值的选择的掩码的接收器数据流，[0048] 图5示出了根据图3和图4具有使用其选择适当的采样值的两个数据包的接收器数据流，

[0049] 图6示出了根据所选择的采样值与它们各自的邻居之间的比较的选择掩码的自适应，

[0050] 图7示出了选择掩码的自适应的又一示例，以及

[0051] 图8示出了又一示例，其中根据来自第一数据包的采样值的比较结果确定第二数据包。

具体实施方式

[0052] 图1示出了由附图标记10表示其整体的装置，在该装置中使用了新颖的方法和新颖的过程数据接收器的示例性实施方式。

[0053] 在这种情况下，装置10是被设计成以自动方式控制技术设施的模块化控制器。例如，技术设施可以是汽车制造商的生产线、机场处的传送带或不同设施，该技术设施的操作对该设施周围区域中的人造成危险。在优选的示例性实施方式中，控制器能够控制安全相关的功能和标准功能。后者(标准功能)是与设施的正常操作过程有关的功能。前者(安全相关的功能)是首要用于避免通过设施的操作的意外和伤害的功能。然而，原理上，新颖的方法和相应的过程数据接收器可以用于其他控制器中，具体地，还可用于专门控制设施的正常操作功能的控制器中，或用于专门控制安全功能的纯粹安全控制器中。

[0054] 在此，控制器10具有头部分12，在这种情况下，头部分12包括故障安全评估和控制单元14。在优选的示例性实施方式中，评估和控制单元14具有至少两个处理器16a、16b，至少两个处理器16a、16b彼此相关冗余地执行控制程序，并且彼此相互监视。这在图1中以简化形式由双箭头17示出。在此，故障安全表示头部分12至少满足根据国际标准IEC 61508的SIL 2的要求和/或根据标准EN ISO 13849-1的PL d要求或类似的要求。

[0055] 此外，控制器10还包括一系列I/O单元18a、18b、…、18n、…。I/O单元18用于接收和输出信号，控制器10使用所述信号影响设施的操作。在一种优选的示例性实施方式中，如在图1中以简化形式所示，I/O单元电连接且机械连接至头部分12。在其他示例性实施方式中，对于I/O单元而言，可以与头部分12分离布置或与对应于头部分12的控制器分离布置，并且仅通过下面详细说明的通信连接与头部分12通信。

[0056] 在本示例性实施方式中，每个I/O单元18具有控制模块20，例如使用微控制器实现控制模块20。还可以使用更强大的微处理器或使用类似的逻辑模块代替微控制器将控制模块20实现为ASIC，实现为FPGA。

[0057] 此外，每个I/O单元18具有通信模块22，在优选的示例性实施方式，将通信模块22实现为FPGA。原理上，通信模块22和控制模块20可以被集成为公共通信和控制模块和/或可以通过微控制器的适当编程执行通信模块22的功能。

[0058] 通信模块22具有输入端24和输出端28，第一数据线26连接至输入端24，第二数据线30连接至输出端28(图1中使用I/O单元18n的示例示出)。在优选的示例性实施方式中，第一数据线26和第二数据线30一起形成串行数据线，串行数据线通过I/O单元18的所有通信模块22被路由。在示出的示例性实施方式中，串行数据线将I/O单元18连接至头部分12。另外的数据线32被从串联的最后一个通信模块22反馈至头部分12的评估和控制单元14，使得整体形成回路，头部分12的评估和控制单元14可以通过该回路与I/O单元18通信。在该优选的示例性实施方式中，每个I/O单元18既是过程数据接收器，又是过程数据发送器，这是因为每个通信模块22在其输入端24处接收前一个通信模块22的过程数据，并且在其输出端28处发送过程数据(如果需要，过程数据已被修改)。在此，同样适用于评估和控制单元14，评估和控制单元14在原理上可以包括与I/O单元相同的FPGA(未在此示出)。

[0059] 新颖的方法不限于在此示出的回路。可以同样在星形拓扑或在树形拓扑中利用其他拓扑(例如利用简单的点对点连接)来使用该方法。然而，该方法尤其适于示出的线和/或回路拓扑。

[0060] 在此，每个通信模块22具有另外的输出端34，通信模块22将用于控制模块20的过程数据提供至输出端34。如果通信模块22被集成在控制模块20中，则输出端34可以是寄存器或存储区域，或处理程序中的逻辑数据传送点。

[0061] 反过来，通信模块22可以从控制模块20接收过程数据，并且将其集成到串行数据流中，串行数据流通过输出端28被发送至下一个通信模块。因此，输出端34可以是双向输入和输出接口。

[0062] 每个I/O单元18具有多个连接器38，传感器和/或致动器可以连接至连接器38。在此，示出防护门传感器40、光栅42、应急关断按钮44和两个接触器46a、46b作为示例。如果例如防护门传感器40表示防护门已经打开，则控制器10可以利用接触器46a、46b中断对电动机48的电力供给。

[0063] 在此，借助于示例示出了传感器40、42、44和致动器46、48。实际上，可以将另外的传感器和/或致动器(如转速传感器、温度传感器、位置传感器或磁阀)连接至控制器10。

[0064] 评估和控制单元14以(优选地，周期性地)循环时间间隔通过I/O单元18采集在每种情况下表示传感器和致动器的当前状态的过程数据。然后，评估和控制单元14对所采集的过程数据进行处理，并且根据所采集的过程数据生成进一步的过程数据，进一步的过程数据被发送至I/O单元18的控制模块20。进一步的过程数据可以包括例如控制命令，控制命令使用于电动机48的电力供给通过接触器46被中断。此外，过程数据可以包括与I/O单元本身的当前状态有关的信息，特别是，诊断信息和/或配置信息。

[0065] 在一个示例性实施方式中，评估和控制单元14以周期性循环间隔生成发送数据流，发送数据流通过数据线26、30、32被从一个I/O单元18转发至下一个I/O单元18。每个I/O单元18从所接收的发送数据流读取所分配的数据，并且将当前过程数据写入发送数据流，发送数据流被发送至下一个I/O单元18并且最终被发送至评估和控制单元14。以这种方式，评估和控制单元14可以采集所有连接的I/O单元18的过程数据，并且可以与各个I/O单元18通信。另外，在原理上，如果例如在打开防护门的情况下需要电动机48的快速本地关闭，则I/O单元之间的交叉通信也是可以的。

[0066] 在优选的示例性实施方式中，除了到I/O单元18的“内部”通信连接之外，控制器10还具有外部通信连接，在图1中由双箭头50以简化形式示出了外部通信连接。外部通信连接可以是现场总线，头部分12通过现场总线与其他单元(例如与不同的控制器52)通信。该新颖的方法尤其适合于评估和控制单元14与I/O单元18的周期性通信，以采集I/O单元18的过程数据并且将进一步的过程数据输出至I/O单元18。然而，在原理上，该新颖的方法也可以用于评估和控制单元14与I/O单元18之间的非周期性通信和/或用于通过外部通信连接50的周期性或非周期性通信。

[0067] 在图2中，附图标记58表示逻辑阵列，该逻辑阵列具有四个并行的数据路径60a、60b、60c和60d。每个数据路径60具有串联连接的三个触发器62。各自的第一触发器62a、
62b、62c和62d连接至通信模块22通过输入端24接收的发送数据流。

[0068] 图3以示意性表示示出了发送数据流66。发送数据流66包括多个串行连续的数据符号68。在优选的示例性实施方式中，数据符号68是对应于数据线上的高电压电平或低电压电平的二进制符号。如果具有高电压的多个数据符号彼此相随，则这在多个数据符号上产生高电压电平。然而，各个数据符号彼此是可以有区别的，这在图3中使用字母a、b、c、…由附图标记66示出。

[0069] 在图3中，在发送数据流66下面示出了包括多个采样值72的接收器数据流70。在示出的示例性实施方式中，根据发送数据流66的四倍过采样产生接收器数据流70。因此，对于每个数据符号68，存在具有所采样的数据符号的逻辑值的四个采样值72。

[0070] 在一种优选的示例性实施方式中，通信模块22使用相对彼此相移90°的两个时钟信号74、76。以两个时钟信号的每个各自边缘78，根据发送数据流66生成采样值72。在实际的实现中，借助于逻辑阵列58影响四倍过采样在于：每个数据路径60中的相应的第一触发器62a至62d响应于两个时钟信号74、76的四个不同的边缘。在示出的情况下，第一数据路径60a中的触发器62a假定在第一时钟信号74的每个正边缘78的情况下在输入端24处出现的数据符号的电平值。第二数据路径60b中的第一触发器62b假定在第二时钟信号76的每个正边缘的情况下在输入端24处出现的数据符号的电平值。由于两个时钟信号74、76相对彼此相移90°，所以两个触发器62a、62b在不同的时间对输入端24处出现的数据符号进行采样。
第三数据路径60c中的触发器62c假定在第一时钟信号74的每个下降边缘的情况下在输入端24处出现的数据符号的电平值。第四数据路径60a中的触发器62d假定在第二时钟信号76的每个下降边缘的情况下在输入端24处出现的数据符号的相应的电平值。总之，因此四个并行的触发器62a至62c在四个不同的连续时刻对在输入端24处出现的发送数据流进行采样。由于在优选的示例性实施方式中两个时钟信号74、76的时钟频率大致等于发送数据流
66的符号速率，所以触发器62a至62d为发送数据流66的每个数据符号68提供四个连续的采样值。使用数据路径60a至60d中每个中的另外的触发器，将采样值与公共接收器系统时钟同步，然后将采样值逐块写入移位寄存器80，这在图2中象征性地被示出。逻辑阵列58和移位寄存器80两者形成通信模块22的一部分。

[0071] 为了根据接收器数据流70重建过程数据，在每种情况下足以对于每个数据符号68选择“适当的”采样值。因此，如图4所示，可将具有彼此等距的多个掩码开口84的字符掩码82置于接收器数据流70上，并且掩码开口84处的相应未掩码的采样值可以被选择。然而，对于采样值72的选择将整个接收器数据流70“作为整体”进行分析并不是必须的。代替地，足以逐段对接收器数据流70进行分析，并且足以逐段或逐块选择适当的采样值72。下面将参照图5对其进行说明。

[0072] 图5示出了窗口，在示例性实施方式中，在每种情况下该窗口容纳二十个采样值72。由于四倍过采样，所以这对应于五个数据符号。窗口不必须精确地容纳五个数据符号。
代替地，如图5中所示，允许窗口在每种情况下“切掉”第一个和最后一个数据符号。然而，可以从总计二十个采样值中逐块选择彼此等距的五个采样值72’，其中，每个所选择的采样值
72’精确地对应于发送数据流66的一个数据符号68。

[0073] 换言之，借助于窗口将接收器数据流70细分成数据包86。然后，从每个数据包86中选择限定数量的采样值72’。如在图5中由符号掩码82所示，所选择的采样值72’彼此等距。在优选的示例性实施方式中借助于连接至串行移位寄存器80的、彼此并行的数据路径88影响从数据包86中选择采样值72’。在优选的实施方式中，通信模块22具有五个并行的数据路径88，这五个并行的数据路径88使得在每种情况下每数据包86能够同时选择五个采样值
72’。一旦同时选择了五个采样值72’，就形成新的数据包86’，并且同时选择下一批采样值
72”。在优选的实施方式中，如由箭头90所示，通过借助于移位寄存器80使用多个采样值72串行移位接收器数据流70来实现数据包86、86’的形成。

[0074] 总之，通信模块22因此在每个I/O单元18中逐步或逐块重建所接收的过程数据的一部分。首先通过具有并行的数据路径60的逻辑阵列对发送数据进行过采样。将过采样的接收器数据写入串行移位寄存器80(参考图2)。在每种情况下通过从每数据符号多个采样值中选择每数据符号一个采样值72’，由串行移位寄存器重建过程数据。在每种情况下通过使用并行数据路径88评估数据包86，逐块进行选择。在示出的示例性实施方式中，每数据包86数量N个采样值是过采样因子与在处理步骤中重建的位的数量的乘积。优选地，同时选择至少三位，并且在每种情况下，尤其优选地同时选择五位，在示出的示例性实施方式中产生每个数据包N＝4×5＝20个采样值。

[0075] 在每种情况下相对于数据包86“正确地”定位选择掩码82的范围内，所选择的采样值72’、72”的等距分布保证过程数据的无误差重建。在优选的实施方式中，通过将分别选择的采样值72’、72”与它们各自的相邻采样值92、94进行比较来验证选择掩码82的正确定位。这在图6中由采样值“d”的示例示出。左侧邻居92类似地表示数据符号“d”。因此，所选择的采样值“d”和其左侧邻居92相同。相反，所选择的采样值“d”与其右侧邻居94不相同，这是由于相邻的采样值94已经表示下一个数据符号“e”。因此，所选择的采样值“d”位于发送数据流66的信号边缘96的区域中(参照图3)，这在过程数据的无误差重现方面是不利的。因此，选择掩码82移位一个采样值至下一个数据包86’左侧，从而使得这样所选择的采样值72”相对于数据符号68主要居中定位。这在图6中象征性地被示出，因此，所选择的采样值“e”与所选择的采样值“f”之间的间隔小于第一数据包86中的所选择的采样值之间的相应的间隔。

[0076] 在示出的情况下，信号边缘96位于所选择的采样值“d”的右侧，因此选择掩码82向右移位一个采样值。图7示出了相反的情形，在该情形中所选择的采样值“e”不同于其左侧邻居92。因此，在下一个数据包86’中，选择掩码82向右移位一个采样值。因此，所选择的采样值“e”与所选择的采样值“f”之间的相对间隔为5个(非选择的)采样值，从而大于其他所选择的采样值之间的相对间隔。

[0077] 通常，如果所选择的采样值72’、72”与其各自邻居92、94之间的比较显示差异，则该新颖的方法总是将选择掩码82向左或向右移位一个采样值，其中，在每种情况下，将掩码82远离被识别为不同的相邻采样值移位。

[0078] 如果过程数据接收器的通信模块22中的时钟信号74、76朝前或落后过程数据发送器的相应发送时钟，则可以根据上述规则在多个周期之后不再移位选择掩码82，而掩码开口84不落在窗口或由此表示的数据包之外。例如，在图8中示出的情形下，在掩码开口84不落在采样值“a”的选择之外的情况下，不可以在步骤n中进一步向左移位掩码82。在这种情况下，在优选的示例性实施方式中，如图8中步骤n+1中所示，将掩码82完全向窗口的相对边缘移位。在这种情况下，以如下方式有利地确定数据包86’，该方式使得包括数据符号“f”的采样值，这是因为相应的数据符号的采样值“f”将以其他方式被丢失。如图8中所示，数据包86’因此必须再次包括来自数据包86的最后四个采样值，即，数据包86、86’相对于所包括的采样值彼此部分重叠。相反地，如果选择掩码82已完全沿相反方向被移位(在此未示出)，则数据包86’将跳过大量的采样值。因此，根据每个所选择的采样值与其右侧和左侧邻居之间的比较结果，相应地进行将接收器数据流70细分成数据包86、86’。