经过总线系统的串行数据传输 本发明涉及经过总线系统的串行数据的传输、特别是经过阵列总线、比如PROFIBUS DP、经过V.24接口的串行数据的传输。对此本发明特别涉及用于总线系统的无源元件和有源元件，其中至少无源元件具有用于数据读入和读出的串行接口。此外本发明涉及经过总线系统读出并读入串行数据地方法。
在不同技术应用中使用总线系统。特别阵列总线、比如根据DIN19245(从1996年EN 50170)的PROFIBUS(PROcesFieldBUS)例如在自动化技术中广泛用于经过较长线路传输数据。不同于大多数以并行方式传输数据的系统，PROFIBUS是串行总线系统，在该系统中串行传输数据。阵列总线获得较广的应用领域，因为其与简单并复杂元件(站)连接并可以以简单和复杂的元件运行。此外阵列总线关于低连接成本和降低的电缆敷设费用是有益的。附加优点是短的反应时间和简单的协议，阵列总线的实时能力。此外列举经过较远距离的抗干扰性、在现存系统中简单集成和各自元件的独立可置换性的简单产生。
作为如此阵列总线的实例列举按照DIN 19245的PROFIBUS，其根据不同的功能性和工作方式划分为不同体系的层。对此DIN 19245的部分1定义DPOFIBUS层1和2，例如在那里定义阵列总线数据链路(FDL)。该层总线系统的实例在图1中描述。DIN 19245的部分2定义PROFIBUS层7并含有阵列总线信息规范(FMS)。DIN 19245的部分3定义PROFIBUS DP(分散的外围设备)，该部分包含层1和2的PROFIBUS FDL，并且定义业务接口和数据接口用于与外部外围设备数据的数据交换。
比如PROFIBUS DP一类的阵列总线通常包含一个或多个有源站和多个无源站。有源和无源站或者元件对此布置为主-从关系。这意味着，有源元件控制无源元件和/或读入或者读出数据。无源元件仅按照通过有源元件的控制工作。在如此阵列总线中的问题是在外部的外围设备、比如计算机、上读出当前数据，现行系统是缓慢的、无效率的和复杂的。
因此本发明的任务是，提供用于总线系统的无源元件、用于总线系统的有源元件和向总线系统中读入或者从总线系统中读出数据的方法，这些元件能够快速、高效并可靠地从一个或多个中央外围设备中读出数据或把数据读入一个或多个中央外围设备。
通过根据权利要求1的用于总线系统的无源元件解决这个任务，具有一个总线接口用于连接总线、一个串行接口用于串行读出和读入数据、一个数据存储器、该数据存储器具有输出区用于存储经过总线接口读入和经过串行接口读出的数据和一个输入区用于存储经过串行接口读入和经过总线接口读出的数据、一个控制设备用于控制数据传输和存储，其中检测单元预先规定用于检测输出区和输入区的状态并提供相应的状态信息，在这个基础上在连接的总线系统中经过总线接口通过输出区读入数据并从输入区读出数据。
此外通过根据权利要求9、用于与如此的无源元件数据交换的有源元件解决上述任务，具有一个总线接口用于连接总线、一个数据存储器、该数据存储器具有输出区用于存储在无源元件的输出区中须存储的和经过其串行接口须读出的数据和一个输入区用于从无源元件的输入区中读出数据和一个控制设备用于控制数据传输和存储，其中检测单元预先规定用于检测输出区和输入区的状态并提供相应的状态信息，在这个基础上有源元件经过总线接口把数据从无源元件读入到输入区中并从输出区传输到无源元件。
此外通过根据权利要求16、把串行数据读入总线系统中或者从总线系统中读出串行数据的方法，其中总线系统包含一个具有串行接口和数据存储器的无源元件、该数据存储器具有用于经过串行接口读出数据的输出区和一个输入区、和一个有源元件、其包含一个具有输出区和输入区的数据存储器，其中检测输出区和输入区的状态并提供相应的状态信息，在这个基础上调整有源元件的输出区与无源元件的输出区和无源元件的输入区与有源元件的输入区。
对此根据本发明的无源元件有益地具有一个比较单元用于周期地把状态信息与有源元件的相应状态信息进行比较，其中控制设备在周期性比较的基础上控制数据的读入和读出。例如在上面提到的PROFIBUS DP系统中，在该系统中周期性地调整有源和无源元件的输出区与输入区，仅仅后来调整根据本发明的无源元件和根据本发明的有源元件的输入区与输出区，也就是说，如果状态信息表明，各自区域具有相应的预定、能够或者要求数据调整的状态，则复制数据。例如，在无源元件的输出区准备好接收数据包之后，从有源元件的输出区把这个数据包读入无源元件的输出区。这意味着，在可以接收一个新数据包之前，须把各自数据包首先从无源元件的输出区经过串行接口读出到分散的外围设备。对次在无源元件中可以预先规定一个中间存储器用于暂时存储从输出区经过串行接口读出的数据包，以便能够尽快释放无源元件的输出区，如此可以从有源元件中读入新的数据包。
此外有益地在有源元件的相应输入区准备接收数据包之后，这个数据包经过串行接口读入无源元件的输入区。在这种情况下也预先规定中间存储器，如果有源元件的输入区还没有准备好接收，则该中间存储器暂时存储经过串行接口读入输入区的数据包。
用于检测无源元件的输出区和输入区状态的检测单元有益地包含一个签收计数器用于计数经过无源元件的串行接口读出的数据包和一个顺序计数器用于计数经过无源元件的串行接口读入的数据包，其中计数值用作状态信息。
此外在根据本发明的无源元件中可变地调整输入区的最大范围和输出区的最大范围，其中在这些输入区和输出区内须存储数据包可以具有在分别已调整的最大范围之下任意大小。由此在总线系统中能够非常灵活地传输串行数据。
上面描述的根据本发明的无源元件仅仅设计经过相应的串行接口、比如V.24接口读入和读出串行数据。根据本发明的有源元件对此控制数据经过无源元件的串行接口的读入和读出。有源元件的数据存储器具有一个输出区、其与根据本发明的无源元件的输出区一起调整，并且此外具有一个输入区、其与根据本发明的无源元件的输入区一起调整。可是根据本发明的有源元件也可以具有一个特有的串行接口、例如V.24接口、用于把数据串行读入相应的输出区，该输出区用于从相应的输入区串行读出数据。对此，在无源元件的输出区准备好接收数据包之后，这个数据包可以经过串行接口读入有源元件的输出区。另一方面，在有源元件的输入区准备好接收数据包之后，才可以把经过有源元件的串行接口读出的数据包从无源元件的输入区读入有源元件的输入区中。类似地象在无源元件中一样，在根据本发明的有源元件中这也是有益的，用于检测输出区和输入区状态的检测单元具有一个签收计数器用于计数经过串行接口读出的数据包和一个顺序计数器用于计数经过串行接口读入的数据包，其中目标值用作状态信息。在有源元件中也可变地调整输入区的最大范围和输出区的最大范围，其中在这些输入区和输出区中须存储的数据包可以具有在分别已调整的最大范围之下的任意大小。对此各自输入区和各自输出区可以具有不同的大小。对此由有源元件也对于无源元件预先确定输入区和输出区的大小。
下面根据优选实施例参考附图详细阐述本发明，在图中指出
图1一个总线系统的图解说明，在该系统上可以应用本发明，
图2作为在图1中指出的总线系统的具有高位业务的总线系统的图解说明，该系统是本发明的基础，
图3根据本发明的有源元件和无源元件的图解说明。
层1和2的、在图1中指出的PROFIBUS FDL系统包含一个直线的总线结构，在该结构中具有地址1、8或者25的有源元件(站)1a、1b和1c经过联络线与总线4连接。总线4是线形的并通过母线终端4端接在二个末端上。具有地址3、4、9或者39的无源元件(站)2a、2b、2c和2d同样以联络线与总线4连接。该地址说明是一个随便的例子。
总线4的总长度总计直到1.2km，而到有源和无源元件的联络线最高是0.3m长。总用户数目、也就是说有源和无源元件的总数目限制于最大126。有源元件1a、1和1c通过逻辑令牌环连接，也就是说按照令牌传递原理进行分散的总线访问。按照主-从原理的分散总线访问以叠加的分散总线访问为基础。有源元件1a、1b和1c是主站并形成逻辑令牌环。每个拥有令牌的元件执行相应的有效数据业务。无源元件2a、2b、2c和2d是从属站，其对通过有源元件的访问作出反应。有源元件彼此交换数据并，并且获得令牌的各自有源站可以控制另外有源和无源元件。无源元件仅仅根据通过有源元件的询问输出和接收或者提交和接受数据，并且不参与有源总线工作。
每个有源元件和每个无源元件具有一个电总线接口，经过该接口与另外的元件交换数据。在PROFIBUS FDL中、比如在PROFIBUS DP中、例如应用RS 485接口，该接口在11位/字符(起始位/停止位/奇偶校验位、8位有效数据位)的基础上能够与另外的元件进行数据通信。
图2指出了PROFIBUS DP单主机系统的实例，其具有根据本发明的一个有源元件1(DP主机/等级1)和多个无源元件2a、2b、2c和2d(DP从属装置A、B、C和D)。PROFIBUS DP包含关于在图1中描述PROFIBUS FDL业务并此外定义高位业务，也就是业务接口或者用于与分散外围设备通信的数据接口、比如在图2中指出的。在PROFIBUS DP系统中有源元件1的功能性对此包含经过数据接口5、经过输入数据区(输入数据)6和经过输出数据区(输出数据)7的数据传输、以及配置、状态识别和检验。无源站2a、2b、2c和2d分别具有一个输入区(输入)和一个输出区(输出)。无源元件2a对此包含一个输入区8a和一个输出区9a，无源元件2b包含一个输入区8b和一个输出区9b，无源元件2c包含一个输入区8c和一个输出区9c并且无源元件2d对此包含一个输入区8d和一个输出区9d。所有无源元件2a、2b、2c和2d经过短的联络线与线形总线4连接，同有源元件1一样。在有源元件1中预先规定较大的数据存储器，在该存储器中分别反映无源元件的输入区和输出区，也就是说一致地存在。为了这个目的有源元件1周期性以无源元件的输入区和输出区校正其输入区6或者输出区7。无源元件的输出区9a、9b、9c和9d对此含有从无源元件到各自分散外围设备须读出的数据，并且输入区8a、8b、8c和8d含有从各自分散外围设备须读入无源部件中的数据。有源元件1的输入区6含有有源元件1在分散外围设备上须读出的数据，而有源元件1的输出区7含有从如此的分散外围设备须读入的数据。
在图3中图解描述了根据本发明的有源元件10和根据本发明的无源元件11。有元件10和无源元件11、正如在图3中描述的、例如可以作为在图1和2中指出的总线系统的有源元件1或者无源元件2a、2b、2c或2d。
在图3中指出的无源元件11包含一个总线接口21用于把无源元件11连接在总线、比如上面已描述的阵列总线上。此外该无源元件包含一个串行接口22、例如V.24接口用于到外围设备、比如一个计算机、串行读入和读出数据。此外预先规定一个数据存储器24，其具有一个输出区25用于存储经过总线接口21读入和经过串行接口22读出的数据和一个输入区26用于存储经过串行接口22读入和经过总线接口21读出的数据。通过控制设备23控制数据传输与存储，其中预先规定一个签收计数器27用于计数经过串行接口22读出的数据包和一个顺序计数器28用于计数用于计数经过串行接口22读入的数据包。各自的计数值用作关于在输出区25或者输入区26中存储的数据包的状态信息。签收计数器27作为输出区25的一部分形成，而顺序计数器28作为输入区26的一部分形成。数据存储器24、其包含输出区25和输入区26、例如是一个RAM(随机存储存储器)。无源元件11的控制设备23包含一个比较单元29用于周期性地把状态信息与有源元件10的相应状态信息进行比较，其中控制设备23在这个周期比较的基础上控制数据经过输出区25和输入区26的读入和读出。在控制设备23和串行接口22之间预先规定一个选择的中间存储器30用于暂时存储从输出区经过串行接口22须读出的数据包。中间存储器30也用于暂时存储经过串行接口22须读入输入区26的数据包。可变地调整无源元件11的输入区26和输出区25的最大范围，其中在输入区和输出区中须存储的数据包可以具有在分别已调整的最大范围之下的任意大小，下面还要详细阐述。
在图3中描述的无源元件11经过其总线接口21与总线系统、例如象具有相应分配的有源元件10的PROFIBUS一样的阵列总线、连接。有源元件10相应包含一个总线接口13，以这个总线接口有源元件连接在总线系统上。此外有源元件包含一个数据存储器15、例如一个RAM、该数据存储器具有输出区16用于存储在无源元件11的输出区25中须存储的和经过其串行接口22须读出的数据和一个从无源元件11的输入区26读出的数据的输入区17。正如上面阐述的，同有源元件10的输入区17和无源元件11的输入区26的数据一样周期性地对应或者调整有源元件10的输出区16和无源元件11的输出区25的数据。对此在无源元件11的输出区25中接纳有源元件10的输出区16的数据，并且在有源元件10的输入区17中接纳无源元件11的输入区26的数据。有源元件10此外包含一个选择的串行接口12用于把数据串行读入输出区16中并用于从输出区17中串行读出数据。此外预先规定一个签收计数器19用于计数经过串行接口12读出的数据包和一个顺序计数器19用于计数经过串行接口12读出的数据包和一个顺序计数器18用于计数经过串行接口12读入的数据包，其中计数值用作状态信息，在该状态信息的基础上数据从无源元件11经过总线接口13读入输入区17并从输出区18读出到无源元件11。对此由控制设备14控制数据传输，该控制设备包含一个比较单元20用于周期性地把状态信息与无源元件11的相应状态信息进行比较，其中控制设备14在周期性比较的基础上控制数据的读入和读出。签收计数器19作为输入区17的一部分形成，顺序计数器18作为输出区16的一部分形成。
同无源元件11的输入区26和输出区25一样，有源元件10的输入区17和输出区16关于最大范围也是可调整的，其中在输入区和输出区中须存储的数据包可以具有在分别已调整的最大范围之下的任意大小。在初始化总线系统时通过有元件10调整输入区17或者26和输出区16或者25的最大范围。为此有源元件10在开始运行时根据EN 50170或者DIN 19245建立到无源元件11的数据通信，并且发送一个检测信息给无源元件11。无源元件11、也就是说控制设备23接收检测信息并回复相应的检测参数给有源元件10、也就是说其控制设备14。然后有源元件10的控制设备14转交须调整参数给无源元件11的控制设备23，由此参数化并配置这个无源元件。通过无源元件11相应地应答参数的调整，接着有源元件10转交一个配置信号给无源元件11。无源元件11从配置信号中识别输入区16和输出区25的数据区范围，并相应地调整其大小。对此可以例如在7字节至244字节的限度内定义该范围。接着无源元件11应答已调整的数据区大小。在运行期间在另外的过程中周期性修改输入区17或者16和输出区16或者25中的数据。通过控制设备14或者23中的相应算法以相应的方式支持输出区和输入区的范围的上面提到的可变调整。
强调，根据本发明的无源元件11仅仅用于在总线系统和一个或多个外围设备之间借助于串行接口22的数据通信，并且没有另外的功能。然而也可以考虑，根据本发明的有源元件11在总线系统中履行附加的控制和传感器功能。在各种情况下从有源元件10的输出区16读出到无源元件11的输出区25并且然后经过无源元件11的串行接口22读出的数据通常表明这样的数据，其用于控制总线系统的无源元件，履行控制、传感器、执行元件功能和这一类的功能。经过无源元件的串行接口22读入输入区26中并从哪里读入有源元件11的输入区17的数据表明这样的数据，其包含相应连接在串行接口22上的外围设备告知有源元件10上的信号，其中该信号还可以例如用于控制总线系统的另外无源元件。
在根据本发明的无源元件11中因此把在总线系统内部应用的数据转换为输出数据，其经过串行接口22读出到一个或多个分散的外围设备，其中串行接口22例如可以是V.24或RS 232接口。另一方面根据本发明的无源元件11把从一个或多个分散的外围设备进入到总线系统的数据从串行数据转换为这样的数据，其具有对于总线系统须的数据格式。
为了经过无源元件11的串行接口22或者经过有源元件10的串行接口12实现在总线系统和一个或多个分散外围设备之间的数据传输，根本发明输入区17或者25和输出区16或者24叠加一个另外的通信协议，该协议比如在下面的表1和2中定义。串行接口12或者22在这个实例中规定作为V.24接口。
表1说明了输出区16或者24的通信协议，也就是说从有源元件10到无源元件11的数据传输设备经过串行接口22(V24接口)读出数据。字节 标记功能o-1 Tx_seq顺序计数器 发送一个V.24电文o-2 Rx_seq_a ck签收计数器 用于接收V.24电文o-3 指令位0 0没有意义 1在发送新的电文前复位接收缓冲器DP从属装置位1..7预留o-4 预留00o-5 Rx_pref_ len接收电文的预定最大字节数，在此记录值00，如此独立确定DP从属装置的接收长度o-6 Tx_len须传输的电文的长度(字节)o-7 数据1第一个经过V.24须发送的八位o-8 数据2第二个经过V.24须发送的八位 数据......o- 数据最后经过V.24须发送的八位 (txlen +6)[tx_len]
表2表明输入区17或者26的通信协议，也就是说从无源元件11到有源元件10的数据传输设备适合于经过无源元件11的串行接口22(V.24接口)输入的数据包(电文)。字节 标记功能i-1 Tx_seq_ ack签收计数器 发送数据V.24i-2 Rx_seq顺序计数器 用于接收V.24电文i-3 Rx_tx_f ail错误信息DP从属装置，格式见下面i-4 预留00i-5 预留00i-6 Tx_len接收的电文的长度说明(字节)，其在范围o-5内部超过规定的最大长度(sofern<>0)i-7 数据1接收数据1i-8 数据2接收数据2 ::i-rx-len+6 数据 [rx_len ]最后八位接收的数据
无源元件11的接收缓冲器是用于暂时存储须读入或者须读出的数据包的中间存储器。
下面的表3说明在输入区的通信协议的部分I-3中表明无源元件11的错误信号的实例。 位位置 意义 0 溢出接收缓冲器 1 接收错误，帧错误 2 奇偶校验错误 3 另外的接收错误 4 预留(＝0) 5 预留(＝0) 6 预留(＝0) 7 内部PROFIBUS DP从属装置错误
在无错误传输的情况下，也就是说数据包经过串行接口22无错误地读入输入区26的接收或者中间存储器(接收缓冲器)30中，字节i-3等于0。在有错误的情况下，也就是说如果i-3不等于0，尽管经过中间存储器30读入输入区26中并且因此通过周期性地经过总线系统的读出，接收的数据包读入有源元件11的输入区中。
下面阐述用于把数据包从输出区16传输到输出区25中和传输经过串行接口22读出到一个或多个外围设备的数据包的发送机理的原理。对此该发送机理基于在有源元件10的控制设备14的比较设备20或者在无源元件11的控制设备23的比较设备29中传输协议的字节o-1与i-1的比较，二者例如在表1和2中说明。这意味着，输出区16的顺序计数器18与输出区25的签收计数器27的状态或者当前计数器读数的比较。二个计数器读数分别包含在字节o-1或者i-1中。原则上在输出区25准备好接收数据包之后，也就是说输出区25是空的，从有源元件10的输出区16中把数据包读入无源元件11的输出区25中。为了加快数据包从有源元件10的输出区16读出到无源元件11的输出区25中，从输出区25经过串行接口22读出的数据暂时存储在中间存储器30中。
在读出数据时有源元件10的控制设备14首先检查字节o-1和i-1的相等性。在相等的情况下须读出的数据包允许记录在有源元件10的输出区16中，并且然后在周期性读出时在无源元件11的输出区25中复制数据，然后经过串行接口22从无源元件的输出区中读出该数据。在字节o-1和i-1不相等的情况下还保留这个发送机理，也就是说数据从输出区25经过串行接口22的读出还没有结束，如此不允许在有源元件10的输出区16中记录新的数据包。在二个字节相等的情况下因此须读出的数据包从字节o-7起记录在有源元件10的输出区16中。在字节o-6中记录数据的总长度。紧接着字节o-1增值+1，由此区分字节o-1和i-1。只要存在这个差别，就不允许在有源元件10的输出区16中记录新数据。
无源元件11、也就是说控制设备23的比较设备29同样比较字节o-1和i-1并在这二个字节之间确定差别的情况下输出数据从输出区25经过中间存储器30发送到串行接口。如果从输出区25的读过程结束，则字节i-1增值+1，如此字节i-1和o-1重新具有相同值，以至允许在有源元件10的输出区16中记录新数据包。
经过无源元件11的串行接口22接收数据的接收机理是等效的。对此字节i-2和o-2分别在无源元件11和有源元件10中进行比较。原则上在有源元件10的输入区17准备好接收数据包之后，该数据包经过串行接口22读入无源元件11的输入区26中。通过顺序计数器28检测输入区26的状态，而通过签收计数器19检测输入区17的状态。二个字节i-2和o-2(参阅表1和2)分别说明顺序计数器28或者签收计数器19的当前状态或者计数器读数。当新的数据包到达无源元件11的串行接口22时控制设备23的比较设备29检查字节i-2和o-2的相等性。在相等的情况下允许在输入区26中记录到达的数据包。在不相等的情况下到达的数据包须暂时存储在中间存储器30中。这说明，中间存储器也可以是存储器24的一部分，特别是如果该存储器作为RAM形成。当在输入区26中存储到达的数据包时，接收数据从字节i-7(参阅表2)起记录在输入区26中。对此接收的数据包的总长度在考虑预置在字节o-5中的长度给定值的情况下记录在字节i-6中。紧接着通过顺序计数器28字节i-2增值+1，由此区分字节i-2和o-2。
有源元件10、也就是说控制设备14的比较设备20识别在字节o-2和i-1之间的区别，并输入数据从输入区26读出到输入区17中。对此可以从字节i-3中推断出错误状态。如果错误状态不等于0，则在经过串行接口22接收数据包时识别串行错误。在有源元件10的输入区17中读入的新数据包接着从输入区17中为了另外的应用例如读出到总线系统的另外无源元件用于控制该无源元件。输入区17的释放向有源元件10表明，在有源元件中签收计数器19把字节o-2增值1，如此字节o-2和i-2重新具有相同的值。通过在无源元件11中的比较设备29确定的、在i-2和o-2之间的相等性再度表明，可以在输入区26中记录新数据包。
在表1中表明的字节o-3(指令字节)、如果其具有值0、则没有意义。可是如果该值设置为1，则在各新的经过串行接口22从有源元件10的输出区16读出数据包之前清除无源元件11的输入区26。无源元件11的控制设备在这种情况下把字节i-2、也就是说顺序计数器28、设置为字节o-2的值、也就是说顺序计数器18的值。
此外指明，在经过串行接口22读出数据时不绝对须预先规定在无源元件11中在中间存储器30中数据的暂时存储。可是在这种情况下暂时存储是有用的，因为从无源元件11的角度输出区25尽可能快地重新准备好接收，因此通过有源元件10从输出区16把新的数据包可以传输到无源元件11的输出区25中。可是在经过无源元件11的串行接口读入数据时到达的数据包在中间存储器30中的暂时存储是重要的，因此可以没有延迟地读入到达的数据。在这种情况下在错误字节i-3中(参阅表2和3)表明中间存储器30的溢出。
在有源元件10失效的情况下由无源元件11须识别通过相应标准、例如PROFIBUS标准、规定的监视器。对此经过串行接口22读出有源元件10从无源元件11的输出区25中最后完全获得的数据包。在网络失效的情况下经过无源元件11的串行接口22不接收另外的数据包。无源元件拒绝在中间存储器30中的未料及的数据。在网络失效时或之后无源元件11的整个输入区置0。由此隐含地实现经过串行接口22接收的、长度0、包括在字节中i-3＝0的错误状态的数据包传输，该数据包相当于同步信号。如果经过总线系统可以不再触发无源元件、例如由于网络错误，则有源元件10的整个输出区16置0。由此隐含地实现一个或多个具有长度0的数据包传输到无源元件、也就是说同步信号。
在通过总线系统激活无源元件并束缚在总线系统中的情况下需要同步。对此有源元件10在输出区16中除了字节o-3外把所有输出数据置0。字节o-3设置为1，并且因此表明，无源元件11复位器输入区，也就是说应当置0。
这意味着，在无源元件11的输入区26中清除所有数据。