檢測網絡上的操作頻率中的噪聲的製作方法

2023-09-16 05:42:55 2

專利名稱：檢測網絡上的操作頻率中的噪聲的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種網絡和該網絡上的信號。具體地，本發明涉及檢測通 信網絡的操作頻率中的噪聲。
背景技術：
在典型的工業工廠中，分布控制系統(DCS)用於控制在工廠處執行 的多個工業過程。典型地，該工廠具有集中控制間，集中控制間具有計算 機系統，計算機系統具有用戶輸入/輸出(1/0)，盤工/0，以及計算領域中熟知的其他外圍設備。耦合至計算系統的是控制器和處理i/o子系統。處理I/0子系統包括I/0埠，該I/0埠連接至遍布工廠的各個現場 裝置。現場裝置包括各種類型的分析設備，矽壓力傳感器，電容性壓力傳 感器，電阻性溫度檢測器，熱電偶，應變計，限位開關，接通/斷開開關， 流量變送器，壓力變送器，電容電平開關，磅秤(weigh scale),換能器， 閥定位器，閥控制器，致動器，螺線管以及指示燈。術語"現場裝置"包 括這些裝置，以及執行分布控制系統中的功能的任何其他裝置。現場總線是旨在用於連接場設備和比如分布控制系統中的監測和仿 真單元的其他過程裝置的多站式(multi-dr叩)串行數字雙向通信協議。現場總線允許比先前的過程控制迴路方法增強的數字通信，同時保持用以 向耦合至現場總線迴路的過程裝置供電的能力，以及同時滿足固有安全性 要求。兩個合理標準化的工業現場總線協議是Foundation Fieldbus和 Profibus。由美國儀表協會(ISA)標準的ANSI/ISA-50. 02-1992，以及它 的草案二延伸(1995)定義了現場總線協議的物理層。現場總線協議定義 兩個子協議。Hl現場總線網絡以高達每秒31.25千比特(Kbps)的速率傳 輸數據，並且向耦合至網絡的現場裝置供電。1992年9月批准的ISA標準的 部分2的11款定義了該H1物理層子協議。H2現場總線網絡以高達每秒2. 5兆比特(Mbps)的速率傳輸數據，不向與網絡相連的現場裝置供電，並且 具有冗餘傳輸介質。
現場總線網絡常常與大的電動機、過程設備和工廠設備關聯地使用。 有時，電動機或設備的啟動引起通信介質的操作頻率中的噪聲突發
(burst)。該噪聲突發可能引起被破壞的消息，並且極端地，可能導致與 網絡裝置失去通信。

發明內容
本發明涉及檢測通信介質的操作頻率中的噪聲。針對被破壞的消息， 監測通信介質上的信息。當被破壞的消息的個數達到被破壞消息閾值時， 產生噪聲檢測信號。


圖l是過程控制系統的示意圖，該過程控制系統通過通信介質分段和 相連的診斷工具而在裝置之間進行數字通信。
圖2示出了用於在圖l的過程控制系統的裝置之間進行通信的消息格式。
圖3是在圖1中示出的診斷工具的體系結構的框圖。 圖4是依據本發明用於檢測網絡上的操作頻率中的噪聲的方法的流程
具體實施例方式
過程控制系統綜述
現場總線(Fieldbus)物理層定義了以物理層協議數據單元(Physical Layer Protocol Data Unit) (PhPDU)的形式來發送和接收通信協議數據 的物理手段的電特性。此外，現場總線物理層規定了符號編碼，消息成幀
(framing)以及檢錯方法。ISA現場總線標準定義了三個信令速度和兩 個耦合模式。為了該描述，將在以ISA標準ANSI/ISA-50.02， Part2-1992 的條款11定義的HI物理層的上下文中描述過程控制系統。該條款覆蓋 31.25kbps，電壓模式，導線介質，以及低功率選項。該選項允許連接至通信介質的裝置從該通信介質接收其操作功率。該物理層能夠滿足對於危 險環境的固有安全要求。依據該標準限定的電壓和電流限度，該協議在低 級雙絞線電纜上工作，並且支持多個裝置。圖l示出了典型的過程控制系統10，包括分段12，電源14和五個裝置鏈路有效調度器(Link Active Scheduler) (LAS) 20，鏈路主控機(Link Master) (LM) 22，以及基礎 裝置24、 26和28。圖1還示出了連接至分段12的診斷工具29。該分段 12可以在單對導線上支持多達三十二個裝置。典型地，根據迴路執行速度， 功率和固有安全要求，分段12具有從四至十六個的裝置。LAS 20維持對分段12上的裝置之間的全部通信的中央調度。通過發 送強迫數據(Compel Data) (CD)數據鏈路協議數據單元(DLPDUs)至每 一個裝置，以便傳回循環數據(該數據之後被調度)，LAS 20提高了整體 通信可靠性。LAS 20充當分段12上的數據鏈路時間(DL-時間)的本地 源。DLPDU是在分段12上通信的PhPDU消息的數據內容。LM裝置22被配置為在LAS 20出現故障或變得不能工作時接管LAS 20 的職責。儘管在圖1中僅示出LM裝置22，然而在分段上可以存在多於一 個的鏈路主控機裝置。這考慮到如下情況如果鏈路有效調度器和第一鏈 路主控機都發生故障，那麼第二鏈路主控機可以接管鏈路有效調度器的職 責。 一旦禁用鏈路有效調度器，鏈路主控機接管鏈路有效調度器的職能。每一個裝置具有被稱作V (TN)的唯一地址，其表示本地節點-ID (This—Node)。在圖1中示出的例子中，LAS 20具有地址V (TN) =20; LM裝置22具有地址V (TN) =22;基礎裝置24具有地址V (TN) =A5;基 礎裝置26具有地址V (TN) =F3;並且基礎裝置28具有地址V (TN) =F5。LAS 20發送通過令牌(Pass Token) (PT)和探測節點(Probe Node) (PN)消息至分段12上的全部裝置。如果合適的話，其它裝置(LM裝置 22和基礎裝置24， 26， 28)中的每一個將返回令牌(Return Token) (RT) 和探測響應(Probe Response)消息發回至LAS 20。每一個基礎裝置24， 26， 28僅需要查看其自有的、由LAS 20發送的 PT和PN消息。PT和PN消息具有在DLPDU的第二字節中編碼的指定地址 (DA)。 LAS 20向分段12上的全部裝置一次一個地傳遞令牌(PT)或探 測節點(PN)。一旦基礎裝置24， 26或28接收到具有等於該裝置的唯一地址(DA=V (TN))的指定地址的PT消息，其將會利用RT信息向LAS 20做出響應。 如果基礎裝置24， 26或28接收到具有DA二 V (TN)的PN DLPDU，則其需要利用PR信息做出響應。來自LAS 20的PT和PN消息的發送以及向LAS 20的RT和PR消息的 發送在分段12上生成若干消息，具體的基礎裝置24， 26和28不需要接 收該消息和對該消息採取行動。每一個基礎裝置24， 26和28僅需要響應 向該具體裝置尋址的PT和PN消息。被來自LAS 20向其它裝置尋址的PT 和PN信息、以及從其他裝置向LAS 20尋址的RT和PR信息而經常中斷會 產生用以處理這些"妨害中斷"的不應有的(undue)處理時間。對於基 礎裝置24, 26和28， DLPDU過濾可以用於減小基礎裝置不得不處理的中 斷的個數。另一方面，LAS 20必須處理分段12上的每一個消息。分段12上的全部裝置以Manchester編碼的基帶信號向分段12上發送 數據。利用Manchester編碼，在比特周期的中部，通過從低至高和從高 至低出現的轉變來分別表示"0"和"1"。對於現場總線，額定比特時間 是32微秒(ysec)，在16 u sec處出現轉變。Manchester編碼規則已經 被擴展至包括兩個附加符號，非數據正(N+)和非數據負(N-)，其中在 比特周期中不會出現轉變，並且Manchester編碼的基帶信號保持高(N+) 或低(N-)。通過比如導線或探針的兩個導電元件，診斷工具29被連接至分段12。 診斷工具29的診斷能力之一是當分段12上的被破壞消息的個數超過被 破壞消息閾值時警告用戶。如將關於圖4更詳細地描述的，超過被破壞消 息閾值可以指示操作頻率中的噪聲。消息格式圖2示出了用於在分段12上發送消息的物理層協議數據單元(PhPDU) 的格式。該PhPDU包括前同步碼，起始分界符(SD)，數據鏈路協議數據 單元(DLPDU)以及結束分界符(ED)。該前同步碼是PhPDU消息的前若干 個比特。現場總線規範允許一至八十個字節的前同步碼。接收消息的裝置 利用前同步碼來同步輸入的消息。如圖2中所示，前同步碼的第一字節的序列是10101010。起始分界符(SD)緊隨前同步碼。每一個消息都存在一個SD。現場總 線規範要求SD具有非字符數據(N+和N-)，其通常以互補對的形式出現 在SD消息中。該編碼方案使SD唯一，並且不可能與消息的數據部分 (DLPDU)混淆。對於SD在圖2中示出的序列是1 N+ N- 1 0 N- N+ 0。DLPDU是可變長度消息。它包括幀控制(FC)字節，作為其第一字 節；以及幀檢驗序列(FCS)檢驗和，作為其最後兩個字節(下面更詳細 地描述)。DLPDU的長度是可變的，具有最小3個字節(在RT消息的情況 下)，上至例如大約300位元組的錯誤發送(jabber)界限。結束分界符(ED)跟隨DLPDU，它表示在分段12上發送的任何PhPDU 消息的最後字節。類似SD， ED包括具有互補對的形式的非字符數據。該 編碼方案使ED唯一，並且不可能與DLPDU混淆。對於結束分界符，在附 圖2中示出的序列是1 N+ N- N+ N- 1 0 1。圖2也示出了載波檢測信號。載波檢測信號的用途是指示何時(a) 輸入的PhPDU消息出現在分段12上，或者(b)裝置向分段12上發送消 息。在發送允許(TxE)變為有效的時刻，也就是當PhPDU消息的前同步碼 首先出現在分段12上時，出現發送開始(SOT)。在載波檢測信號變為有效，並且已針對至少一個比特時間或兩個比特 時間(近似為16至32usec)穩定之後，出現活動開始(SOA)。該時間取決於載波檢測關於接收消息的裝置的內部時鐘何時變為有效。這允許裝 置的通信控制器忽略前同步碼前端處最易於出現的噪聲假信號(glitch)。附加時間用於同步比特邊界，以消除把分段12上的短的噪聲突發誤認為 是活動的潛在可能。對於被發送的消息， 一旦發送允許變成有效(也就是 PhPDU的前同步碼被呈現給分段12)，則出現SOA。在針對接收的信息檢測FC字節時的第一比特開始時，出現消息開始 (SOM)。S0M—xmt是消息發送開始，其在針對被發送消息檢測FC字節時的第一 比特的開始時出現。SOMf是接收的已過濾DLPDU的S0M。當裝置中的通信控制器已經檢測到充分的信息以確定將對輸入的消息進行過濾時，S0M出現。在接收信息中遭遇的ED的最後比特的結尾處，出現消息結束(E0M)。 在所發送的消息的ED的最後比特的結尾處，出現發送結束(E0T)。當載波檢測已經變成無效時，出現活動結束(E0A)。對於發送和接收 的DLPDU兩者，均出現E0A。診斷工具29圖3是診斷工具29的體系結構的框圖。診斷工具29包括外殼30，液 晶顯示器(LCD) 31，導電元件32和通信板33.通信板33被包含在外殼 30中，並包括介質連接單元(MAU) 34，中央處理單元(CPU) 36，以及 通信控制器38。外殼30具有有助於診斷工具29的便攜性的尺寸。例如，外殼30可被 尺寸化為使診斷工具29是手持裝置。LCD 31被包含在外殼30中，以使得診斷工具29的用戶從外部可觀看 該顯示器。LCD 31用於向用戶發送涉及診斷工具29的操作的信息。通過導電元件32，診斷工具29電連接至分段12。在一個實施例中， 導電元件32是導電的導線或探針。導電元件32從分段12向MAU 34提供 信號。MAU 34是轉換來自分段12的信號的收發機，從而使通信板33上 的硬體可使用該信號。MAU 34是網絡協議的物理層的一部分，並且可以 是集成電路，或者由分立元件構成。CPU 36經由通信控制器38連接至MAU 34。 CPU36是基於微處理器的 系統，比如Motorola 681X302， Motorola Mcore 2075， Motorola PowerPC 850， Atmel Thumb processor AT91M40800等等。在一個實施例中，CPU 36 是8位或更高的處理器。通信控制器38是充當MAU 34和CPU 36之間的接口的專用集成電路 (ASIC)晶片。它與連接至分段12的外部模擬電路傳輸已編碼的曼徹斯 特數據。在接收來自MAU 34的串行數據之後，通信控制器38解碼該數據， 將該數據形成字節，剝去前同步碼，SD和ED(以及可選的，FCS字節)， 並對提供連結層將要讀取的消息數據。診斷工具29的一個能力是用以檢測分段12上的操作頻率中的噪聲的存在。圖4是依據本發明的實施例由診斷工具29所使用的用以檢測分段
12的操作頻率中的噪聲的過程的流程圖。該過程可以通過CPU 36運行的 軟體或診斷工具29中的硬體來實現。 一般地，診斷工具29跟蹤分段12 上檢測到的被破壞消息，並且如果檢測到的被破壞消息的個數超過被破壞 消息閾值，則產生噪聲檢測信號。
為了指示被破壞消息，診斷工具29監測分段12上的消息(步驟50)。 在一個實施例中，通過對全部的輸入消息執行FCS校驗，通信控制器38 初始化該監測過程。該FCS校驗是循環冗餘校驗(CRC)，這是一種用於產 生校驗和以便檢測消息發送中的錯誤的散列函數。FCS校驗的結果被存儲 於DLPDU的最後兩個字節中。 一旦分段12上的裝置發送消息，比如來自 LAS 20的PT和PN消息或來自基礎裝置的RT和PR消息，則在發送之前， 該裝置向消息的結尾附加FCS校驗的結果。當診斷工具29檢測該消息時， 通信控制器38對該消息執行相同的FCS校驗。通信控制器38對FCS校驗 的結果與DLPDU的結尾處的FCS字節進行比較。如果兩個FCS結果不匹配， 則該信息在發送過程中可能已經被破壞，並且通信控制器38設置出錯寄 存器，以指示該消息被破壞。
接下來，基於E0A的檢測，通信控制器38產生中斷，當載波已經變得 無效時，出現E0A。由於EOA表示接收消息的最後處理，在該點處產生中 斷，允許該消息的意向接收方裝置和診斷工具29首先處理該消息。該中 斷強迫CPU 36針對消息是否被破壞的指示而檢查通信控制器38的出錯寄 存器。
基於被破壞消息的檢測(步驟52)， CPU 36更新存儲於通信控制器38 的寄存器中的被破壞消息計數(步驟54)。在一個實施例中，被破壞消息 計數涉及通信控制器接收的被破壞消息的總數。在另一實施例中，被破壞 消息計數涉及在某個時間段中接收的被破壞消息的個數。在又一實施例 中，被破壞消息計數涉及從CPU 36所維護的在網絡上有效通信的裝置的
列表中移除的裝置。例如，如果由於失去與裝置的通信而移除列表上的裝 置，這可以表示網絡操作頻率中的噪聲。在又一實施例中，被破壞消息計 數涉及失效數據塊計數。失效數據塊是數據在多次執行後不發生改變的時 間段。CPU 36維持被稱作被破壞消息閾值的數據欄位，該被破壞消息閾值被 存儲於通信控制器38中。被破壞消息閾值是這樣的點在該點處，用戶
開始看到分段12上過多的被破壞消息的次級故障現象(symptom),比如 與裝置失去通信。在一個實施例中，被破壞消息閾值表示在次級故障現象
(比如失去通信)之前某個時間段中可允許的被破壞消息的最大個數，。 在另一實施例中，被破壞消息閾值表示在出現次級故障現象之前，在分段 12上的消息總數中可允許的被破壞消息的最大個數。CPU 36對被破壞消 息計數與閾值進行比較，以確定是否已經超過閾值(步驟56)。
當被破壞消息的個數超過被破壞消息閾值時，分段12的操作頻率中的 噪聲可能是破壞消息。此外，如果某個時間段中檢測到的被破壞消息的個 數大於消息的個數，則單獨的裝置可以在該時間段中發送，這可以表示分 段12上的條件導致來自和去往多個裝置的消息被破壞。根據該指示，可 以推斷分段12的操作頻率中的噪聲正在破壞消息。這也消除了被破壞消 息的另一誘因的可能性，比如被破壞消息由有缺陷的裝置發送。
如果超過被破壞消息閾值，CPU 36產生噪聲檢測信號(步驟58)。在 一個實施例中，噪聲檢測信號是去往LCD 31的信號，以產生可視輸出， 該可視輸出警告用戶存在被網絡的操作頻率中的噪聲所破壞的消息。在另 一實施例中，診斷工具29發射可聽到的警報，以警告用戶存在被網絡的 操作頻率中的噪聲所破壞的消息。
總之，通信介質上的消息有時由於網絡的操作頻率中的噪聲而被破壞。 本發明是一種用於檢測通信介質的操作頻率中的噪聲的方法。當從通信介 質接收消息時，檢測被破壞的消息。當檢測到的被破壞消息的個數達到被 破壞消息閾值時，產生噪聲檢測信號。
儘管參照優選實施例己經描述了本發明，本領域熟練技術人員將認識 到，可以進行形式和細節的改變，只要不脫離本發明的精神和範圍。
權利要求
1、一種用於檢測通信介質的操作頻率中的噪聲的方法，所述方法包括針對被破壞的消息，監測所述通信介質上的消息；以及當被破壞消息的個數達到被破壞消息閾值時，產生噪聲檢測信號。
2、 如權利要求l所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及某個時間 段中檢測到的被破壞消息的個數。
3、 如權利要求l所述的方法，其中，被破壞消息閾值是檢測到的被 破壞消息的個數與所述通信介質上的全部消息的比率。
4、 如權利要求l所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及失效數據 塊計數。
5、 一種用於檢測通信介質的操作頻率中的噪聲的方法，所述方法包括檢測所述通信介質上的被破壞消息； 當檢測到被破壞消息時，更新被破壞消息計數；以及 當被破壞消息計數達到被破壞消息閾值時，產生噪聲檢測信號。
6、 如權利要求5所述的方法，其中，檢測所述通信介質上的被破壞 消息的步驟包括對所述通信介質上出現被破壞消息時所產生的中斷信號 進行處理。
7、 如權利要求5所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及某個時間 段中檢測到的被破壞消息的個數。
8、 如權利要求5所述的方法，其中，被破壞消息閾值是所產生的被破壞消息信號的個數與所述通信介質上的全部消息的比率。
9、 如權利要求5所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及失效數據 塊計數。
10、 一種用於連接至通信介質的診斷工具，所述診斷工具包括 多個導電元件，將所述診斷工具連接至所述通信介質； 介質連接單元(MAU)，可操作用於經由所述導電元件而接收來自所述通信介質的信號；以及連接至MAU的處理器，可操作用於針對被破壞消息而監測所述通信介 質上的消息，而且當被破壞消息的個數達到被破壞消息閾值時產生噪聲檢 測輸出。
11、 如權利要求io所述的診斷工具，其中，被破壞消息閾值涉及某個時間段中被破壞消息的個數。
12、 如權利要求IO所述的診斷工具，其中，被破壞消息閾值是所產 生的被破壞消息信號的個數與所述通信介質上的全部消息的比率。
13、 如權利要求10所述的方法，其中，被破壞消息閾值涉及失效數據塊計數。
全文摘要
檢測通信介質的操作頻率中的噪聲。針對被破壞消息，監測通信介質上的消息。當所檢測到的被破壞消息的個數達到被破壞消息閾值時，產生噪聲檢測信號。
文檔編號H04Q7/24GK101317158SQ200680044479
公開日2008年12月3日 申請日期2006年9月13日 優先權日2005年9月29日
發明者史蒂芬·A·傑林斯基, 安東尼·D·弗格森 申請人:費希爾-羅斯蒙德系統公司