CN101755244B - 无线工业数据传输系统 - Google Patents

Abstract

一种无线数据传输系统包括处理传感器(10)，该处理传感器通过连接到传感器的输出并在时间门间隔内发送数据的发射机(8)提供用于处理监测数据的输出。接收机(24)从所述发射机接收所述数据并进行是否在门时间间隔接收到新数据的确定。连接到接收机的处理器(28)基于接收到的数据计算处理参数并且存储一组计算出的处理参数。处理器响应于在门间隔没有接收到数据包的确定的信号，基于所存储的一组计算出的处理参数估计处理参数。然后将来自实际数据的处理参数(如果存在)或将来自处理器进行的估计的处理参数输出用于处理控制。响应于所述丢失数据的确定的计数器(222)，在达到预定的计数数目时提供紧急停止信号(32)。

Description

无线工业数据传输系统

技术领域

本发明总体涉及无线通信系统领域，更特别地涉及采用以预定关闭标准估计丢失数据传输的能力的、用于处理控制的、具有低等待时间和数据安全的数据传输系统。

背景技术

工业数据系统通常依赖于用于处理控制的、直接的或硬布线(hardwired)连接的控制和反馈系统。这些直接控制系统的简单性和可靠性是制造或处理控制环境所高度期望的。然而，在某些情况下，例如在要求滑动环(slip ring)或其他运动电子连接的电路连续性的旋转或其他机械系统操作中，无线通信已成为减少机械复杂度和增加可靠性的最优选择。

用于处理控制的工业数据传输系统通常依赖于数据重传、数据加密和用于错误校正的编码来确保数据可靠性。在许多应用中，来自数据大小或值的绝对精确的短期偏差对处理控制不是有害的。在数据传输暂时中断或“丢失(drop)”并且不能被系统恢复时，对于确保数据完整性，处理的复杂性是没有保证的，或在某些情况下会导致可靠性的丢失。基于用于恢复的数据重传，会导致等待时间问题或数据速率波动。在该工业环境中，机器和其他干扰源通常提供对无线收发器提供极度“吵杂的”环境，这通常导致丢失数据或要求更高功率的收发器系统来确保通信连续性。

因此，期望提供一种无线数据传输系统，该无线数据传输系统可以提供减少的等待时间并具有低的功率，同时可以在可能发生数据中断或丢失的传输环境中增加可靠性。

发明内容

在示意性的实施例中，一种无线数据传输系统包括处理传感器，该处理传感器通过连接到传感器的输出并在时间门间隔内发送数据的发射机提供用于处理监测数据的输出。接收机从所述发射机接收所述数据并进行是否在门时间间隔接收到新数据的确定。连接到接收机的处理器基于接收到的数据计算处理参数并且存储一组计算出的处理参数。处理器响应于在门间隔没有接收到有效数据的确定的信号，基于所存储的一组计算出的处理参数估计处理参数。然后将来自实际数据的处理参数(如果存在)，或将来自处理器进行的估计的处理参数输出用于处理控制。

该无线数据传输系统进一步包括响应于丢失数据的确定的计数器，该计数器在达到预定的计数数目时提供紧急停止信号。

在示意性的实施例中，处理传感器是位置传感器并且处理参数是速度和位置。在缺乏实际数据时的处理参数的估计包括基于存储的数据计算速度和加速度，并且估计出的处理参数是基于该速度和加速度计算的。

同样在该示意性的实施例中，基于在估计处理参数之后接收到的数据将估计的处理参数变成实际的处理参数来完成对处理参数输出的平滑，该平滑响应于在丢失数据的周期之后新数据的存在的确定。

附图说明

在结合附图考虑时，通过参考以下具体实施方式，可以更好地理解本发明的这些或者其他特征和优点，在附图中：

图1是本发明第一实施例的系统单元和收发器序列的框图；

图2是用于该示例实施例中的通信处理的系统算法的操作的流程图；

图3在数据包丢失后用于恢复新数据包数据的数据平滑示例的流程图；

图4是采用本发明的系统的实施例中使用的示意性的第一数据控制算法的流程图；以及

图5是采用本发明的系统的实施例中使用的示意性的第二数据控制算法的流程图。

具体实施方式

这里揭示的本发明的实施例采用位置编码器作为处理数据输入的示例。如图1中的第一实施例所示，在数据传输系统的发射机单元8中，来自位置/运动传感器10的输出信号被提供到编码器输入12，用于编码成绝对的和相对的位置测量14，基于计数的周期通过来自编码器和速度测量16的计数提供该绝对的和相对的位置测量14。在示意性的实施例中，采用BEI型H25D-55-2500-ABZC-28V/5-SM18 2500周期旋转编码器(cycle rotaryencoder)。通过数据封包器18处理这些测量来产生适当的传输层协议的数据包。对于所示的示意性实施例，额外的特征被提供用于使用曼彻斯特加密20或可选的安全数据加密对该数据进行编码和安全加密。然后将被封包和编码的数据提供到无线收发器22用于传输。

在处理控制接收机单元23通过第二无线收发器24接收所发送的数据。在所示的实施例中，该收发器对采用具有伪随机跳频、跟踪、传递成功检查和干扰避免的ISM频带通信。(在这个特定的实施例中)每600微秒将该信息发送到对应的接收机。在收到有效数据后，接收机将确认消息发送回发送机。发送机监测它的传输的成功率并相应地调整共享跳频表来避免无线频带的噪声部分。如随后将更为详细地讨论的，不会对允许非常低的等待时间的失败的传输进行数据重传。出于频率控制目的，发送的收发器仅仅记录缺乏用于频率控制目的的、与传输成功率相关联的确认数据包。尽管在这里的实施例中被揭示为无线收发器对，但在可选的实施例中，该发射机和接收机可以采用光学或其他的传输介质。

第二收发器接收的数据被提供到作为本示意性实施例的特征的曼彻斯特加密编码器26，然后被提供到处理器28，用于将参考图2详细描述的信号重构。通过输出驱动器30将重构的数据提供用于系统控制。

如所示，如果在接收机系统中数据丢失超过预定计数，则将紧急停止命令32作为标记发到系统控制器来指示系统控制的丢失。类似的，如果发送收发器没有接收到确认数据包达到预定数目的计数(通常与预定的接收机数据包丢失计数相同)，则发送机系统会将紧急停止命令34发到系统控制器。

参考图2，在本示意性实施例中，处理控制接收机中的处理器期望每600微秒接收到包括传感器的位置和/或速度信息在内的数据更新。基于与该收发器的周期时间对应的时间门条目(time gated entry)，确定是否已经接收到新数据202。将新数据与输出驱动器提供的编码器输出数据204相比较，且处理器以新数据更新编码器统计206。对于所示的该实施例，编码后的数据被用于计算和存储由运动/位置传感器测量的该机器单元的位置、速度和加速度208，并计算编码器输出的速度和位置矢量210。输出速度212和输出位置214可用作可选的控制算法，这在随后将更为详细的描述。然后，将重构的编码器输出216提供作为积分输出218(quadrature output)，供控制系统使用。

如果基于时间门条目确定数据包已被丢弃并且未接收到新数据，则在处理器中设置标记并且采用关于位置、速度和加速度的所存储的编码器统计来估计否则可能已经接收到的数据220。处理器响应于数据丢失标记，使用估计的数据计算传感器位置和速度210。另外，将数据丢失计数器加一222。在超过预定数据丢失计数时，将紧急停止输出32提供给控制系统以允许基于数据完整性的丢失来关闭被监测的机器/处理。对于采用之前在高架起重机控制系统中描述的2500周期旋转编码器的示意性实施例，等于大致160毫秒的紧急停止计数是期望的。该计数对应于起重机的运动中的一英尺的1/100。收发器的传输周期时间是600微秒，这对应于丢失数据包引起的267个丢失计数。在接收到下一个新数据包时，数据丢失计数器复位并且处理器将最后一个估计的数据计算与基于新数据的新计算进行比较，如果存在不可恢复的数据偏差，则从处理器发出紧急停止输出。处理器可以基于实际数据将数据从最后一次计算或估计的数据点平滑到新数据点以避免控制中断。图3给出了本发明中实现的数据平滑的示意性流程图。

处理器接收由本示意性实施例的编码器以计数输入302和周期输入304形式提供的数据并且将计数的数目乘以周期306。从数据包周期时间减去该结果308以提供性能系数(figure of merit)来确定平滑是否必要310。如果该结果不大于单个周期，则处理器转发所接收的该数据312，用于返回该数据314来创建如图2所示的重构的输出编码器数据。如果该结果大于单个周期，则将结果除以计数输入316并进一步除以预定的权重常数318。然后以该修正后的结果的量来调整该周期320。计算可以在一个数据包周期时间中的该调整周期输出的计数的数目322，并且将调整后的周期和计算的计数值作为计数和周期值返回314，以创建重构的输出编码器数据。

在所描述的实施例中，由于传感器连接到机械设备，因此物理特性，例如惯性，提供了用于估计丢弃的数据包的合适的基础。在高数据流速率，丢失很多数据包不是可怕的后果，因为在丢失数据期间能发生的是仅仅这么多的位置和/或速度的改变。

这里揭示的发明与通常的“数据恢复”算法(例如在CD音频恢复中使用的)之间最主要的区别是，不需要恢复已丢失的精确的数据。在数据丢失周期后，会接收到传感器的当前位置和速度的更新并将其与从估计的数据计算出的输出的位置和速度进行比较。这产生了用于该处理器算法的新的输入，并且，基于接收到的重构的编码器数据产生新的输出速度和位置目标。在可选的实施例中，可以调整该特定算法的许多不同方面，例如考虑传感器连接到的机器的实际物理惯性。此附加有助于“调谐”该系统，很像可以针对标准的马达控制器或伺服系统的环境调谐标准的马达控制器或伺服系统。这些变量可以是在工厂设置的静态的，或者，它们可以是实际的变量并可以由对处理器的适当输入而调整。

在示意性的实施例中，具有适当安全编码的收发器链路被采用来发送这些变量到接收机单元中的处理器。如本领域已知的那样采用数据包的帧格式或数据包中的指示内容。

在用于旋转机器感测和控制的特定示意性实施例中，在采用传感器数据的积分输出的系统控制器中使用的两个不同类型的算法是可用的，为了易于描述将其命名为“速度锁定”和“位置锁定”。在速度锁定算法中，保持输出信号的正确周期是期望的重点，为了计算的目的实际的角的或者线性的位置可被忽略。许多马达控制器不使用控制传感器作为位置反馈，而仅作为马达以适当的速率运动的反馈。速度锁定算法试图具有超强的噪声恢复，因为除了速度之外，没有必要保持位置的精确性。然而，位置锁定算法将期望的输出位置与由积分数据定义的传感器的位置进行比较，并保持该关系。任何的位置差异都必须被修正，即使这意味着输出不正确的速度来弥补该差异。这是这两种算法最不相同的地方，因为速度锁定会放弃该位置关系来保持正确的速度关系。

图4示出了示意性的速度锁定处理方法。如之前所描述的，处理器确定是否已经接收到新的数据包402。如果是，则采用新的数据包404的数据来更新内部周期寄存器406。检查旧的周期和新的周期之间的差异408。该差异小于预定值410的确定导致使用新的周期412用于处理控制信息并将该周期值写入输出寄存器414。接收新的数据包导致数据包数据计数器的复位416。如果该差异大于预定值418，则采用来自存储数据的旧的周期420，并将其写入输出寄存器。

如果没有接收到新的数据包，则检索(retrieve)来自存储的数据的旧的数据包422，并来自该旧的数据的周期被采用来用于计算424且输入用于差异检查。丢失数据包计数器加一424并且如果超过预定停止计数时则输出紧急停止428。

图5中示出了示意性的位置锁定处理方法。完成对新的数据包的接收的确定502，且如果接收到新的数据包，则将新的数据包提供504来更新内部周期和计数寄存器506，并且将丢失数据包计数器复位508。使用图3所揭示的数据平滑处理以该周期值计算新的输出计数510。然后处理器等待来自上个周期的将被输出的所有计数512，并且然后将该周期值写入输出寄存器514。

如果未接收到新的数据包，则检索来自旧的数据包的数据516，并使用该平滑处理，将旧的周期和计数提供来用在输出计数的计算中。丢失数据包计数器加一520，并且如果超过预定的紧急停止计数则输出紧急停止522。

现在已如专利法规所要求的详细描述了本发明，本领域技术人员会认识到对这里所揭示的特定实施例的修改和替换。这样的修改在所附权利要求书中定义的发明的范围和意图之内。

Claims (19)

1.一种无线数据传输系统，包括：

处理传感器(10)，提供用于处理监测数据的输出；

发射机(8)，被提供所述处理传感器的所述输出并在时间门间隔内发送所述数据；

接收机(24)，从所述发射机接收所述数据；

连接到所述接收机、用于确定是否在时间门间隔接收到新数据的装置(202)；

处理器(28)，连接到所述接收机并具有用于基于接收到的所述数据计算处理参数的装置；

用于存储(414，514)一组计算出的处理参数的装置；

处理器进一步具有用于基于所存储的一组计算出的处理参数估计处理参数的装置，所述估计装置响应于来自所述确定装置的信号；以及

用于所述处理参数的输出的装置(216)。

2.如权利要求1所述的无线数据传输系统，进一步包括响应于所述确定装置的计数器(222)，所述计数器在达到预定的计数数目时提供标记信号(32)。

3.如权利要求1所述的无线数据传输系统，其中，所述处理传感器是运动传感器。

4.如权利要求3所述的无线数据传输系统，其中，所述处理参数是速度和位置。

5.如权利要求4所述的无线数据传输系统，其中，所述用于估计的装置包括用于计算速度和加速度的装置(208)，并且，所述估计的处理参数是基于所述速度和加速度计算出的。

6.如权利要求1所述的无线数据传输系统，其中，所述处理器进一步包括用于响应于所述确定装置而平滑处理参数输出的装置(316，318，320，322)，其中，所述平滑装置基于估计处理参数之后接收到的数据将估计的处理参数平滑成实际的处理参数。

7.一种用于无线数据传输的方法，包括以下步骤：

提供处理传感器；

从所述处理传感器获得输出，用于处理监测数据；

将所述处理传感器的所述输出提供到发射机，并在时间门间隔内发送所述数据；

提供接收机并从所述发射机接收所述数据；

确定是否在时间门间隔接收到新数据；

基于接收到的所述数据计算处理参数；

存储一组计算出的处理参数；

基于所存储的一组计算出的处理参数估计处理参数，所述估计响应于在时间门间隔没有接收到新数据的确定；以及

输出所述处理参数。

8.如权利要求7所述的方法，

基于没有接收到新数据的所述确定对丢失数据包进行计数；以及

在达到预定的计数数目时提供标记信号。

9.如权利要求7所述的方法，其中，所述处理传感器是运动传感器。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述处理参数是速度和位置。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述估计步骤包括计算速度和加速度，并且所述估计处理参数的步骤包括基于所述速度和加速度计算所述处理参数。

12.如权利要求7所述的方法，进一步包括步骤：

响应于新数据的存在的确定而平滑处理参数输出，其中，基于在估计所述处理参数之后接收到的数据将估计的处理参数变成实际的处理参数来实现所述平滑。

13.如权利要求7所述的方法，其中，所述估计步骤包括在先的、通过所述发射机发送在估计所述处理参数中使用的变量组的步骤。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述变量组包括关于所述处理的基于惯性的信息。

15.如权利要求8所述的方法，进一步包括在达到用于要求紧急停止的所述预定的计数数目时提供紧急停止信号。

16.如权利要求12所述的方法，其中，所述数据被计数并被周期化，并且所述平滑步骤包括：

接收所述计数输入和周期输入；

将所述计数数目乘以所述周期；

从数据包周期时间减去乘法结果；

如果减法结果大于单个周期，则将所述结果除以所述计数输入；

以所述结果的量调整所述周期；

计算在所述数据包周期时间中的所述调整后的周期中能被输出的计数数目；以及

将计算出的计数数目和所述调整后的周期作为计数和周期值返回。

17.如权利要求16所述的方法，进一步包括在所述除所述结果的步骤之后将商除以预定的权重常数的步骤。

18.一种用于无线数据传输的方法，包括以下步骤：

提供处理传感器；

从所述处理传感器获得输出，用于计数和周期；

将所述处理传感器的所述输出提供到发射机，并在时间门间隔内将所述计数和周期作为数据包发送；

提供接收机并从所述发送机接收所述数据包；

确定是否在时间门间隔接收到新的数据包；

如果接收到新的数据包，则使用所述新的数据包的计数和周期数据；

更新内部周期寄存器；

计算所述新的数据包的所述周期与在先的数据包的周期之间的差异；

如果计算结果小于预定值，则使用新的周期并将使用新的周期的周期值写入输出寄存器：

如果计算结果大于所述预定值，则使用在先的周期并将在先的周期写入所述输出寄存器；以及

输出处理参数，

基于没有接收到新数据的确定对丢失数据包进行计数；以及

在达到预定的计数数目时提供紧急停止信号。

19.一种用于无线数据传输的方法，包括以下步骤：

提供处理传感器；

从所述处理传感器获得输出，用于计数和周期；

将所述处理传感器的所述输出提供到发射机，并在时间门间隔内将所述计数和周期作为数据包发送；

提供接收机并从所述发送机接收所述数据包；

确定是否在时间门间隔接收到新的数据包；

如果接收到新的数据包，则使用所述新的数据包的计数和周期数据并将丢失数据包计数器复位；

如果没有接收到新的数据包，则使用存储的旧的计数和周期数据并将所述丢失数据包计数器加一；

更新内部周期寄存器；

将所述计数数目乘以所述周期；

从数据包周期时间减去乘法结果；

如果减法结果大于单个周期，则将所述结果除以所述计数输入；

以所述结果的量调整所述周期；

计算在所述数据包周期时间中的所述调整后的周期中能被输出的计数数目；

输出计算出的计数数目；

在完成最后一个周期的计数的输出时，将周期值写入所述输出寄存器；以及

在丢失数据包计数器达到了预定数目时提供紧急停止信号。

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