用於連接感測器和制動器的基於主/從結構的通信網絡的製作方法

2024-03-21 03:57:05 1

專利名稱：用於連接感測器和制動器的基於主/從結構的通信網絡的製作方法
技術領域：
本發明是關於通信網絡，但特定言之並不專門用於伺服系統。
背景技術：
術語「線控飛行(fly by wire)」用於描述在一連接操作器及某種機械的伺服系統中替代一機械連接而使用電連接的情況。此處以其最廣泛的意義使用該術語以涵蓋諸如線控驅動、線控駕駛、線控剎車、線控油閥等等的技術。
線控飛行的最明顯實例是體現在現代飛機上，其中在傳遞至飛行控制表面之前由計算機處理導航控制。該技術用於航空領域已達約35年(開始於協和式飛機)，雖然所用的設施極其昂貴。
目前線控飛行技術的一主要發展領域是在汽車領域。車輛製造商通過移除在駕駛員與車輛之間的直接連結且在控制車輛之前處理駕駛員輸入來增強駕駛員經驗及車輛安全性。
當前實例為線控油閥，其用於所有現代柴油引擎且給出引擎控制單元(ECU)來完成對引擎行為的控制。另一實例是使用電子剎車輔助，藉此來由剎車系統儘快地停止車輛，即使駕駛員未能充分有力地按下剎車踏板。因而正使用的是駕駛員的意向而並非駕駛員的動作。
未來車輛(如由EU發起的線控項目(X-by-wire project)所例示)的設計目標為線控駕駛。不同於目前包含在總體電子控制下的機械可變轉向齒輪比的當前系統，一完全線控駕駛的實施例在方向盤與車輪之間無機械連結。優點將包括更大的駕駛室設計自由且能夠補償負載、側風、行駛速度等操縱特徵。應了解該線控駕駛系統必須為容錯的。
從以上實例顯見所述系統是安全的關鍵。其必定不會因為系統故障而造成人體受傷。
從使用線控飛行技術的應用特性中亦顯見該基礎技術必須支持實時操作。舉例而言，一線控駕駛系統的響應必須為駕駛員無法從「瞬間」加以區別的。從技術觀點而言，術語「實時」用於描述一必須保證在一給定時間內對一外部事件作出響應的系統，意即其是決定性的。若一系統是完全決定性的，則將其稱為「可組成的」且可具有被應用來評估在各種操作條件下的效能的統計模型。此是一重要的特徵，由於能使其執行分析來證明可靠性及故障條件行為。
如以上所提及的，許多線控飛行應用是基於一指示多伺服系統(例如，各種飛行控制表面)的單一控制器。雖然在該控制器與多伺服系統的每一個之間可能提供一直接的、硬式連線連結，但由於其導致產生不可接受的重量及成本，故該方法並不適用於具有大量伺服系統的系統中(如在現代航空器及汽車應用中)。實情為，使用一根據兩種主要方法(即「事件觸發」及「時間觸發」)中的一種來操作的通用總線為佳。
事件觸發架構為如下架構觸發事件一旦發生，則架構上的各種節點即變得有效。由於同時發生或接近同時發生的外部事件將引起總線競爭，故此當多個節點共用一總線時立即引發一問題。處理此問題的通常策略為使每一節點後退一隨機時間段，接著再試。最終一節點將在任何其他節點之前控制該總線、完成其通信及釋放總線所有權。此時，其他等待節點將試圖獲得對總線的控制，或許可引起另一輪的競爭，乙太網是一事件觸發系統的實例。
該事件觸發系統的主要缺點在於不可預知一節點是否或何時將可獲得對總線的所有權。此外，此不確定性將隨總線數據流量的增加而增加。因此，在一實時環境中不可使用一事件觸發系統。此外，一事件觸發系統是非可組成的，且因此不可對其進行分析來證明其誤差效能特徵。此對一安全關鍵系統是不可接受的。
另一替代方法是時間觸發架構，其中該總線上的每一節點具有一給定長度的規則性重複的特定時隙。在該時隙中，該特定節點佔有該總線且可發送及接收數據。在該時隙之外，節點必須保持安靜。一外部事件將在相關節點內排隊直至用於該節點的下一可用時隙出現且此時正在申請中的通信將發生。
此架構克服了事件觸發架構的缺點，以至總線競爭問題不再發生。此外，由於可預先判定在一外部事件與下一可用時隙之間的最大延遲，故該全局時基配置確保整個系統是可組成的。然而，預先配置在一共用媒體上操作的時隙具有某些分歧。第一，在其時隙外傳輸的「混串音(babbling idiot)」可潛在地破壞整個系統。「總線保護裝置」可用於防止混串音但增加了復親性且可損壞其本身。第二，整個網絡必須在一通用同步時基上執行，該通用同步時基必須以某種方式傳遞至及存儲在每一網絡節點中。必須提供某種啟動/重啟算法以同步時鐘及時隙。第三，帶寬配置是靜態的。若其將改變，則必須通知網絡的每一部分且使網絡的每一部分確認該改變。
因此，即使時間觸發架構提供優於事件觸發架構的優點，其仍然不足為一理想的解決方案。本發明設法改進所述已知系統的至少某些缺陷。

發明內容
因此，本發明由一用於伺服系統及其類似的通信網絡組成，該通信網絡包含一控制器；被配置來響應來自該控制器的控制信號且將各反饋控制信號發送至該控制器的第一和第二從屬節點；及一在該控制器與所述從屬節點之間的控制信號傳輸線；其中所述控制器與所述從屬節點之間的通信使用反射信號發送法，且其中該傳輸線中併入一路由器，該路由器被配置來依賴來自該控制器的另一信號而從該控制器向第一和第二從屬節點中的任何一者傳遞控制信號。
該配置避免了事件觸發系統的競爭問題。由於該路由器的存在，所有總線通信皆處於該總線上的一單一節點的直接控制下，該單一節點即控制器節點或主節點。
此外，不同於時間觸發系統，在通信發生之前無需等待一特定時隙。因此，可實現實時效能且不要求在網絡內跨越所有節點而分布全局時基。詳言之，反射信號發送法的使用允許第一和第二從屬節點大體上立即地向控制器進行反饋。
在WO 99/35780(以引用的方式併入本文)中已詳細描述反射信號發送的原理。在其最基本電平處，該方法包含步驟(a)從第一設備向第二設備傳輸一信號；(b)以對應於第一比特序列的方式將該信號向回反射至該第一設備；(c)接收因此而反射至該第一設備的信號；及(d)將因此而反射的信號與所述傳輸的信號相比較，由此提取該第一比特序列。通過使用信號反射，可相對於現有通信標準而減少電路、複雜度及能量消耗。在一優選電子實施例中，可通過調製在一連接該設備的傳輸線的末端的阻抗來實現以根據第一比特序列的方式所進行的信號反射。
若環境要求一特定的從屬節點分配有更大的網絡帶寬配置，則可在主節點內進行決策與執行。其他網絡節點不要求改變配置。舉例而言，可在網絡可載運車內娛樂系統與ABS剎車系統的數據的汽車應用中設想該情況。當踩下剎車時，可由控制器將增加的網絡帶寬分配至剎車從屬節點而無需如在時間觸發架構中所要求般重設所有的從屬節點。
與一直接的、硬式連線通信系統相比較，由於各伺服系統僅要求一直至路由器的各傳輸線，因此本發明的配置亦要求較少的布線(且因此較為便宜)，除非控制器另有指示，否則該路由器阻止對連接至控制器的該傳輸線進行存取。
在控制器與伺服系統組之間有一長距離的某些應用中(例如大型飛機)，可靠近伺服系統組來安放路由器。結果，在控制器與路由器之間的傳輸線長度大於在路由器與從屬節點之間的傳輸線長度。這又使得傳輸線得到大量節省。
在路由器被配置而使每一被取消的下遊節點隔離(物理隔離為有利地)的情況下(有利情況)，各伺服系統或從屬節點不可向控制器發送反饋控制信號，除非控制器已相應地設定了路由器。這避免了「混串音」問題，因而消除了對總線保護裝置的需要。
有利地，用於控制該路由器的另一信號與該控制信號共用一傳輸線。前述的WO 99/35780也描述合適路由器的構造及控制，該合適路由器在使用相同的信號發送期間略類似於一反射信號發送節點而運作，但無需發送或接收大量數據。其主要目的是允許任意主節點在一大型系統中快速定址特定節點且將大部分節點與來自該主節點的信號隔離，因而最小化衰減及寄生反射(spurious reflection)效應。一路由器在其最簡單的形式下可具有三個埠，從而允許將一傳輸線分裂或使三條線相連接(視理解而定)。該從一埠至另一埠的傳遞可包含使其他埠總呈現為開路。然而，多路路由器是可行的。
該路由器也可藉由到達被斷開的埠的任一主信號的同相開路反射而表現成「佔線」狀態。然而，其可由從所述三個埠中的任一者所接收的第一有效主比特信號進行切換，假定二進位值『1』表示如順時針的左手埠且二進位值『0』表示右手埠或逆時針。
一旦被切換，該路由器即不可改變直至在促成該轉換的埠處檢測到一重設條件。該重設條件有利地形成該輸入信號的第一部分。路由器的非選擇線上的所有節點直至任一有效節點將不能獲得被解釋為「重設」條件的信號且使所述節點為稍後的選擇作準備。在從設定該路由器路徑的埠處檢測到一重設條件/周期之後，將所有輸入傳回至特徵(吸收，意即非反射)終端電阻且該路由器可使用到達所述三個埠中之一埠的第一主信號來用於控制。
其他硬體或軟體邏輯特徵可包括在使用以上廣播特徵時允許該路由器使其特徵阻抗終端持續為一特定埠以配備一便利的終端。或者或此外，路由器可檢測在發送一唯一的比特信號或「選通」之前，主節點何時發送路由方向信號。該信號可使得該路由器持有或恢復用於該輸入埠的特徵終端阻抗且忽視任何其他的路徑選擇。在所述情況下，其他兩個埠仍可由那些埠中的任一埠上的主信號來同時進行切換，其中「佔線」信號僅當試圖路由至具有被持有的特徵終端阻抗的埠上時被傳回。然而，當一埠一接收到一重設信號其即返回至正常操作狀態。
在一反射信號發送系統中，僅有主節點可在總線媒體上傳輸。從屬節點通過調製在開路與短路之間的將一數據流向回反射至該主節點的終端阻抗來進行響應。藉由其真實的特性，一從屬節點實際上不可傳輸；其僅可控制反射。因此一反射信號發送從屬節點定義為「故障沉默」。
此外，由於從一從屬節點傳回的數據流為與從屬節點相關的點處的反射，因此由該物理總線結構判定時間延遲。因此對於一給定的媒體而言，一反射信號發送系統提供一可能最快的響應時間。由於所有定時信息存放在主節點內且響應時間可預測，因此反射信號發送本質上也為可組成的。
有利地，控制器包含用於分析一反射信號以檢測傳輸線故障的裝置。詳言之，反射信號發送法的固有使用及對信號反射的檢測也允許進行藉由時域反射測量法所作的故障檢測及定位，如起初從前述WO 99/35780所知的。可使用一高解析度計時器加上一用於調整接收的閾值設定值的工具來補充在主節點處的接收器電路，該工具一般由DAC控制。此形成可從一主節點監測精確的往返信號時間及振幅的時域反射測量系統的基礎。使用可程式化的接收閾值，主節點可降低閾值且檢測來自電纜的低電平反射、連接器的毀壞等等。這便利於準確定位一線上的故障，因此短路或開路造成的從標稱阻抗的偏離(更高或更低的阻抗)產生一反射。同樣，當使一同軸電纜嚴重變形或伸長時，其承受特徵阻抗的可測量變化且因此產生反射。該能力能使一容錯系統得以建構。


現在將參考附圖通過示例描述本發明，其中圖1是一根據本發明的第一實施例的用於伺服系統的通信網絡的方框圖；圖2是一根據本發明的第二實施例的用於伺服系統的通信網絡的方框圖。
主要元件符號說明1導航輸入裝置2從屬節點3從屬節點4飛行計算機5飛行計算機6飛行表面7飛行表面8路由器9路由器10 飛行表面CPU11 飛行表面CPU12 局部時基產生器13 傳輸線14 傳輸線15 主節點16 主節點17 傳輸線18 傳輸線19 從屬節點
20從屬節點21第二主節點22第二主節點23傳輸線24傳輸線25另一從屬節點26另一從屬節點40馬達42編碼器44軸46電子設備48系統控制器50主節點52從屬節點54傳輸線56馬達驅動器58位置感測電子設備60路由器62額外的伺服系統具體實施方式
圖1示出一航空應用，其中一導航輸入裝置1(pilot input device)具有兩個接口，即從屬節點2及3。這些節點由各傳輸線13、14連接至具有各主節點15、16的兩個飛行計算機(flight computer)4、5。由主節點15及16分別訪問從屬節點2及3，從而允許計算機4及5獨立進行關於如何改變飛行表面6、7的判定。藉由局部時基產生器12協調兩個計算機的定時。
接著由第二主節點21、22經由路由器8、9及傳輸線17、18將改變飛行表面的指令從所述飛行計算機傳輸至所述各飛行表面CPU 10、11的從屬節點19、20。那些相同CPU隨後經由相同路徑將反饋控制信號發送至控制器。也可通過向所述飛行表面CPU 10、11提供經由傳輸線23及24以及路由器8、9而交叉連接至其他的各計算機5或6的其他從屬節點25、26來獲得冗餘。
由於以下諸多原因，本發明尤其適用於具有此特性的應用。第一，每一網絡分支的所有者(即主節點)不變，以致沒有任何競爭。第二，若一從屬節點發生故障，則反射信號發送的特性為如下所述的以至其將不中斷任何網絡通信其不可變成「混串音」。第三，可藉由最近的路由器隔離一發生故障的從屬節點。第四，可級聯路由器，以便當一路由器發生故障時，該路由器僅隔離其網絡下遊的那些元件。
此外，本發明非常適用於伺服控制應用及伺服控制迴路。一伺服系統由一機械制動器、一用於測量該制動器位置的感測裝置及一確保以一受控方式移動該制動器的控制系統組成。若在該控制系統與該制動器或感測裝置之間存在一隨機或變化的時間延遲，則控制迴路並未得到最佳運行，且甚至可變得不穩定及振蕩。因此，一現有伺服系統將以上所有元件包含在彼此鄰近處以最小化各種元件之間的時間延遲。
一分布式伺服系統不可能使用事件觸發架構，因為在控制系統與制動器及感測器之間存在一隨機時間延遲。雖然時間觸發架構可用於一伺服控制應用，但控制迴路響應時間將限於全局時間框中的下一時隙。相反，本發明的網絡架構極其適用於該分布式伺服控制應用，因為控制系統(意即主節點)與感測器及制動器(意即從屬節點)之間的響應時間僅為兩者之間的電纜長度。不存在任何處理延遲或不可決定的通信等待時間。注意，藉由將路由器定位在距主節點比距從屬節點更遠的地方(如圖1中的傳輸線13及14中的鋸齒形所指示)來用以上已討論的方式最小化布線。
圖2示出了應用於一馬達伺服系統的本發明的應用。將馬達40及編碼器42安裝在共同的軸44上，從而使該編碼器能夠監測實際的馬達位置。控制系統CPU 48經由電子設備46遠端控制該馬達且由相同控制系統CPU遠端監測總體的軸位置。這允許該CPU準確且快速地將軸定位，同時使用反饋來補償可出現在該軸上的任何負載。
具體言之，系統控制器48內部的主節點50具有對網絡的全部所有權及控制權。在遠端電子設備46內部的從屬節點52經由傳輸線54從主節點50接收指令且藉由反射信號發送法來擬瞬間地響應。與決定性的電纜延遲耦合的瞬間響應使本發明的架構可用於一控制系統。此外，從屬節點52將接收指令來控制操作馬達40的馬達驅動器56。由位置感測電子設備58監測的軸編碼器42讀取軸44的總體位置且將其供給從屬節點52，在從屬節點52中可由主節點50讀取該總體位置來使馬達控制指令起作用。
如虛線62所指示的，路由器60允許系統控制器48與額外的伺服系統通信。如以上討論的，路由器較佳位於與主節點相比更接近從屬節點的地方來最小化布線。
權利要求
1.一種用於伺服系統及其類似的通信網絡，其包含一控制器；被配置來響應來自該控制器的控制信號且將各反饋控制信號發送至該控制器的第一和第二從屬節點；及一在該控制器與所述從屬節點之間的控制信號傳輸線；其中在該控制器與所述從屬節點之間的通信使用反射信號發送法，且其中該傳輸線中併入一路由器，該路由器被配置來依賴來自該控制器的一另一信號而從該控制器向所述第一和第二從屬節點中的任一者傳遞控制信號。
2.如權利要求1所述的通信網絡，其中該控制器與該路由器之間的傳輸線的長度大於該路由器與所述從屬節點之一之間的傳輸線的長度。
3.如權利要求1或2所述的通信網絡，其中該另一信號與該控制信號共用一傳輸線。
4.如上述權利要求任一所述的通信網絡，其中所述路由器被配置來隔離每一被取消的下遊節點。
5.如上述權利要求任一所述的通信網絡，其中所述控制器包含用於分析一反射信號以檢測傳輸線故障的裝置。
全文摘要
一種用於伺服系統及其類似的通信網絡，其包含一控制器(5；6；48)、被配置來響應來自該控制器的控制信號且將各反饋控制信號發送至該控制器的第一和第二從屬節點(20、25；19、26；52、62)，及一在該控制器與所述從屬節點之間的控制信號傳輸線(18、24；17、23；54、62)；其中該控制器與所述從屬節點之間的通信使用反射信號發送法，且其中該傳輸線中併入一路由器(9；8；60)，該路由器(9；8；60)被配置以依賴來自該控制器的另一信號而從該控制器向所述第一和第二從屬節點中的任何一者傳遞控制信號。
文檔編號H04L12/40GK1961534SQ200580017311
公開日2007年5月9日 申請日期2005年5月17日 優先權日2004年5月28日
發明者克裡斯託夫·J·考德雷 申請人:新型轉換器有限公司