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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Übertragung mindestens eines
digitalen Ausgangssignals von einem Sender zu einem Empfänger. Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf eine entsprechende Vorrichtung zur Übertragung
mindestens eines digitalen Ausgangssignals von einem Sender zu einem
Empfänger.
Beim Sender und Empfänger handelt
es sich beispielsweise um zwei Komponenten eines Messgerätes der
Prozess- und Automatisierungstechnik zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße. Die
Prozessgröße ist beispielsweise
Druck, Füllstand,
Dichte, Viskosität,
Durchfluss oder pH-Wert eines Mediums.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, digitale Signale durch einen Strom
als Informationsträger
zu übertragen.
Die Stromübertragung
ermöglicht
eine sehr schnelle und störsichere
Kommunikation. Dabei ist sie im Gegensatz zur Spannungsübertragung
zudem unabhängig
von der Länge
des Kabels, über welches
die Kommunikation erfolgt. Nachteilig ist jedoch, dass ein Kompromiss
zwischen der Störunempfindlichkeit
und der Stromaufnahme gefunden werden muss. Das bedeutet, dass für eine sichere Kommunikation
ein entsprechend hoher Strom gesendet werden muss. Somit steigt
der Energieaufwand. Dies ist jedoch insbesondere bei den Messgeräten der
Prozess- und Automatisierungstechnik, für welche oft nur eine beschränkte Menge
Energie zur Verfügung
steht, kaum realisierbar. Ein weiterer Nachteil ist, dass eine sog.
Präambel
erforderlich ist, da sonst die ersten Bits nicht erkannt werden
würden. Man
braucht einige Bits um den Bus einschwingen zu lassen. Wenn das
Eingangsignal zu lang unverändert in
einem Status bleibt, wie zum Beispiel bei der Übertragung von 0 × 00 oder
O × FF,
entlädt
sich das Kabel wieder, und ein erneuerter Einschwingvorgang ist erforderlich.
Um dieses Problem zu lösen,
ist ein „balanced" Eingangsignal erforderlich,
d.h. ein Eingangsignal mit einem Mittelwert der halben Versorgungsspannung (VCC/2),
bzw. ein speziell codiertes Signal, wie zum Beispiel ein Manchestercodiertes
Signal.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine störsichere und energiesparende
digitale Kommunikation vorzuschlagen, welche insbesondere auch für die Übertragung über lange
Kabel geeignet ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass die Kommunikation
ohne die Notwendigkeit einer Präambel
auskommt.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe mit einem Verfahren zur Übertragung mindestens eines
digitalen Ausgangssignals von einem Sender zu einem Empfänger, wobei
mindestens ein mit einer Flanke des digitalen Ausgangssignals korrespondierender Stromimpuls
zwischen Sender und Empfänger übertragen
wird. Die Erfindung besteht somit darin, dass keine langen Stromsignale übertragen
werden, sondern dass für
die Flanken des digitalen Ausgangssignals jeweils ein Stromimpuls übermittelt
wird, d.h. es wird nur die wesentliche Information übertragen, dass
ein Rechtecksignal beginnt (ansteigende Flanke) bzw. endet (abfallende
Flanke), und dies geschieht über
Stromimpulse. Es wird also für
jede Flanke ein Impuls einer vorgebbaren Zeitdauer und einer vorgebbaren
Amplitude übermittelt,
insbesondere handelt es sich um zeitlich kurze Impulse, welche überdies
vorzugsweise hohe Amplituden aufweisen. Dieses Verfahren wird insbesondere
auch für
die Übertragung
innerhalb eines Messgerätes
der Prozess- und Automatisierungstechnik verwendet, so dass also
Sender und Empfänger
zwei, ggf. räumlich voneinander
getrennte Bestandteile eines Messgerätes sind. Der Abstand kann
dabei beispielsweise zwischen 1 m und mehreren hundert m betragen.
Die Aufgabe wird somit durch den Einsatz von Stromimpulsen einer
hohen Amplitude anstatt des permanenten Stromflusses zur Informationsübertragung
gelöst.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass in Abhängigkeit
davon, ob es sich um eine ansteigende oder abfallende Flanke handelt,
ein Stromimpuls mit einem positiven oder negativen Vorzeichen übertragen
wird.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass in Abhängigkeit
davon, ob es sich um eine ansteigende oder abfallende Flanke handelt,
der Stromimpuls vom Sender zum Empfänger oder vom Empfänger zum
Sender übertragen wird.
Diese und die vorhergehende Ausgestaltung beziehen sich auf die Übertragung
der Information, um was für
eine Flanke es sich handelt, ob ansteigend oder abfallend, d.h.
ob ein Rechtecksignal beginnt oder endet. Diese Information über die
Art der Flanke macht die Übertragung
noch sicherer. In der ersten Ausgestaltung werden die Flankentypen durch
das Vorzeichen des Impulses gekennzeichnet. In der zweiten Ausgestaltung
wird die Richtung des Impulses (d.h. vom Sender zum Empfänger – dies entspricht
beispielsweise einem positiven Vorzeichen – oder vom Empfänger zum
Sender – dies
ist eine Ausgestaltung eines Stromimpulses mit einer negativen Amplitude –) zum Träger der
Information über den
Flankentyp. Weist das Kabel als Leitungseinheit z.B. zwei Teilkabel
auf, die zumindest auf der Seite des Empfängers – z.B. über ein Widerstandselement – elektrisch
miteinander verbunden sind, so entspricht ein negativer Stromimpuls
an einem Teilkabel dem, dass ein Stromimpuls mit positiven Vorzeichen vom
anderen Teilkabel ausgesendet wird. Diese Stromimpulse entsprechen
sich jedoch aufgrund der Eigenschaften des Kabels nur im Idealfall,
da durch das reale Kabel immer Verluste auftreten.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass in dem Fall, dass es sich um eine ansteigende Flanke
handelt, ein Stromimpuls mit einem positiven Vorzeichen übertragen
wird, und dass in dem Fall, dass es sich um eine abfallende Flanke
handelt, ein Stromimpuls mit einem negativen Vorzeichen übertragen
wird.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass die übertragenen
Stromimpulse im Empfänger
in Flanken eines digitalen Signals übertragen werden. Eine Ausgestaltung
sieht vor, dass auf der Empfängerseite
ein Komparator mit einer Hysterese vorgesehen ist. Der Komparator
wird passend von den Stromimpulsen bzw. daraus gewonnenen Spannungsimpulsen
gesteuert, indem passend ein Set bzw. Reset des Komparators ausgelöst wird.
Der Empfänger
erzeugt somit aus den Impulsen wieder die Flanken eines digitalen
Signals.
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Weiterhin
löst die
Erfindung die Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Übertragung mindestens eines digitalen
Ausgangssignals von einem Sender zu einem Empfänger. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht
vor, dass mindestens eine Impulseinheit vorgesehen ist, welche aus
den Flanken des digitalen Ausgangssignals Stromimpulse erzeugt,
dass mindestens eine Leitungseinheit vorgesehen ist, welche der Übertragung
der Stromimpulse zwischen Sender und Empfänger dient, und dass mindestens
eine Rekonstruktionseinheit vorgesehen ist, welche aus den Stromimpulsen
ein digitales Signal rekonstruiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist insbesondere ein Bestandteil eines Messgerätes oder Feldgerätes der Prozess-
und Automatisierungstechnik. Die Erfindung besteht darin, dass auf
der Seite des Senders für
jede Flanke des zu übertragenden
Signals ein Stromimpuls erzeugt wird, und dass auf der Seite des Empfängers aus
den Stromimpulsen wieder digitale Signale erzeugt werden.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass die Impulseinheit derartig ausgestaltet ist, dass
die Impulseinheit aus den Flanken des digitalen Ausgangssignals
Spannungsimpulse erzeugt, und dass in der Impulseinheit mindestens
eine Spannungs-Strom-Wandlereinheit vorgesehen ist, welche die Spannungsimpulse
in Stromimpulse wandelt. In einer Ausgestaltung werden also passend
zu den Flanken Spannungsimpulse erzeugt, die dann in Stromimpulse
für die Übertragung übersetzt
werden. In einer Ausgestaltung wird die Wandlung von Spannung in
Strom über
ein elektrisches Widerstandselement vorgenommen.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass in der Rekonstruktionseinheit mindestens eine Strom-Spannungs-Wandlereinheit
vorgesehen ist, welche die übertragenen
Stromimpulse in Spannungsimpulse wandelt. Auf der Seite des Empfängers werden
die Stromimpulse wieder in Spannungsimpulse gewandelt, aufgrund
derer das digitale Signal wieder zusammengesetzt wird.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass in der Rekonstruktionseinheit mindestens ein Komparator
mit einer Hysterese vorgesehen ist, wobei der Komparator derartig ausgestaltet
ist, dass der Komparator in Abhängigkeit
vom Vorzeichen der Spannungsimpulse einen Set oder einen Reset auslöst.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass die Spannungs-Strom-Wandeleinheit mindestens ein
elektrisches Widerstandselement aufweist, und/oder dass die Strom-Spannungs-Wandeleinheit mindestens
ein elektrisches Widerstandselement aufweist.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
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2:
eine Darstellung der Signale, welche sich von der erfindungsgemäßen Vorrichtung
abgreifen lassen.
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In
der 1 sind die Bauteile gezeigt, welche erfindungsgemäß der Übertragung
von digitalen Signalen dienen. Beispielsweise handelt es sich dabei
um ein Bestandteil eines Messgerätes
der Prozess- und Automatisierungstechnik, wobei der Signalsender 1 in
diesem Fall mindestens eine Sensoreinheit zur Erfassung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße umfasst,
und wobei der Signalempfänger 2 z.B.
eine Auswerteeinheit umfasst, welche ein Messsignal des Senders 1 auswertet
oder weiterverarbeitet. Bei der Prozessgröße handelt es sich beispielsweise
um Druck, Füllstand, Dichte,
Viskosität,
pH-Wert, Temperatur oder Durchfluss. Durch die Leitungseinheit 5 kann
somit die Auswerteeinheit als Empfänger 2 vom eigentlichen
Prozess oder vom Medium, in welchem ein Prozess stattfindet, abgesetzt
werden. Der Abstand zwischen Sender 1 und Empfänger 2 kann
dabei durch das erfindungsgemäße Verfahren
bzw. durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
größer als
1 m betragen oder sogar im Bereich von mehreren hundert m liegen.
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Im
Sender 1 befindet sich eine Signalquelle 12, welche
beispielsweise eine – hier
nicht dargestellte – Sensoreinheit
umfasst. Diese Signalquelle 12 erzeugt das digitale Ausgangssignal
V1, welches in einer Ausgestaltung Rechtecksignale aufweist. D.h.
im Ausgangssignal V1 zeigt sich ein Wechsel von konstant Versorgungsspannung
Vcc und konstant Masse. Die Differenziereinheit 10 erzeugt
in dieser Ausgestaltung ein differenziertes Signal, indem sie zusätzlich zu
dem Ausgangssignal V1 ein Signal erzeugt, welches beim Vorliegen
des betraglich niedrigen Spannungswerts Masse im Ausgangssignal
V1 den betraglich höheren
Spannungswert Vcc mit positivem Vorzeichen aufweist und welches
beim Vorliegen des betraglich hohen Spannungswerts Vcc im Ausgangssignal
V1 den betraglich hohen Spannungswert Vcc mit negativen Vorzeichen
aufweist. In der Impulseinheit 6 wird dann passend zu jeder
Flanke des Ausgangssignals V1 bzw. zu der Ausgstaltung des „differenzierten" Signals ein Spannungsimpuls erzeugt,
wobei bereits eine Trennung in aufsteigende bzw. abfallende Flanken
stattfindet, indem jeweils zeitlich passend zur Flanke ein Spannungsimpuls
in einem jeweils eigenen Spannungssignal V2 oder V3 auftritt. Die
Umwandlung der rechteckigen Spannungssignale in Spannungsimpulse
erfolgt beispielsweise über
zwei Schmitt-Trigger, an deren Signaleingang jeweils ein RC-Glied
angeordnet ist. Somit sorgt jeweils eine Kombination aus RC-Glied
und Schmitt-Trigger für
die negativen bzw. positiven Spannungsimpulse. In dem hier gezeigten
Beispiel bedeutet insbesondere jeder Impuls im Signal V2 eine ansteigende
Flanke und jeder Impuls im Signal V3 eine abfallende Flanke im Ausgangssignal
V1. Über
die Spannungs-Strom-Wandlereinheit 8 werden die Spannungsimpulse
in Stromimpulse der Signale 14, 15 umgewandelt,
wobei die Stromimpulse eine vorgebbare zeitliche Dauer und eine
vorgebbare Amplitude aufweisen. Die Amplitude der Impulse sollte dabei
mindestens ein Zehnfaches der durchschnittlich zur Verfügung stehenden
Stromstärke
betragen. Soll beispielsweise ein Ausgangssignal V1 mit einer Bitrate
von 1200 Bits übertragen
werden, so hat der Impuls beispielsweise eine Dauer von 30 μs. D.h. das Verhältnis zwischen
der Dauer eines Rechtecksignals (hier 1/1200 s) und der Dauer eines
Impulses beträgt
ca. 30. Ist weiterhin die durchschnittlich zur Verfügung stehenden
Stromstärke
100 μA,
so sollte die Amplitude des Stromimpulses mindestens 1 mA betragen,
so dass ein Faktor 10 besteht. Unter Beachtung des obigen Verhältnisses
der Zeitdauern kann der Faktor auch 30 betragen, d.h. der Stromimpuls
hätte damit
eine Amplitude von 3 mA. Wesentlich ist, dass die Amplitude möglichst
groß sein
sollte, so dass zu erwartende Störsignale
auf jeden Fall kleiner sind. Diese Stromimpulse unterscheiden sich
dabei in Hinsicht auf ihr Vorzeichen voneinander. Die Stromimpulse 14, 15 werden
jeweils auf eine der beiden Signalleitung 3, 4 gegeben,
d.h. die Flanken des digitalen Ausgangssignals V1 werden je nachdem, ob
sie ansteigend oder abfallend sind, als Stromimpulse mit einem positiven
oder negativen Vorzeichen und auf der ersten 3 oder der
zweiten Signalleitung 4 übertragen. Auf der Seite des
Empfängers 2 werden die
Stromimpulse durch eine Strom-Spannungs-Wandlereinheit 9,
welche beispielsweise ein passend geschaltetes elektrisches Widerstandselement
aufweist, in Spannungsimpulse umgewandelt. Die Spannungsimpulse
dienen dann zur Ansteuerung eines Komparators 11 mit Hysterese,
so dass sich wieder ein digitales Signal V7 ergibt. Für die Rekonstruktion
in der Rekonstruktionseinheit 7 führt der Komparator 11 einen
Set oder Reset aus, abhängig von
der Flanke des Spannungssignals V6 bzw. der Stromrichtung. Die Flankeninformation
wird also entweder vom Sender 1 zum Empfänger 2 durch
einen positiven Stromimpuls übertragen
oder umgekehrt, indem ein negativer Stromimpuls erzeugt wird.
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Beispielhafte
Vorteile der erfindungsgemäßen Übertragung
sind folgende: Da die Stromimpulse sehr kurz sind, lassen sich mit
derselben Energieaufnahme größere Stromamplituden
erzeugen. Damit ist das gesamte System störsicher, weil es niederohmig ist.
Da die Stromimpulse frei von Gleichanteilen sind, schwingt das Kabel
sofort ein. Somit ist keine Präambel
und kein speziell codiertes Signal (Manchester Code) nötig.
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In
der 2 sind die Verläufe der einzelnen Signale dargestellt.
Das Ausgangssignal V1 weist in dem hier gezeigten Beispiel Rechtecksignale
mit ansteigenden und abfallenden Flanken auf. Diese Flankeninformation
findet sich jeweils vereinzelt in den beiden Spannungssignalen V2
und V3. Aus jedem dieser beiden Spannungssignale V2, V3 wird jeweils ein
Stromsignal 14, 15 generiert, wobei die Amplitude – diese
sollte möglichst
groß sein,
jedoch insbesondere größer als
zu erwartende Störsignale
und insbesondere größer als
die durch das Kabel bedingte Abschwächung – und die zeitliche Dauer – bei einer
vorgegebenen maximal verwendbaren Stromstärke ermöglichen kurze Impulse größere Amplituden – der einzelnen
Stromimpulse jeweils vorgebbar ist. Weiterhin unterscheiden sich
die Impulse in den beiden Signalen 14, 15 auch
in Hinsicht auf ihr Vorzeichen. Die Impulse der beiden Signale 14 und 15 sind
jeweils dominant und überragen
den durchschnittlich und permanent zur Verfügung stehenden Strom beispielsweise
mindestens um den Faktor 10. Dementsprechend erlaubt ein kürzerer Impuls
auch ein höheres
Signal. Die Amplitude hängt
jedoch auch von der Länge
der Leitungseinheit 5 ab, so dass bei einem längeren Kabel
in der Regel auch eine höhere
Amplitude erforderlich ist. Da die beiden Leitungen 3 und 4, über welche
die Stromimpulse übertragen
werden, über
den Widerstand auf der Empfängerseite
miteinander verbunden sind und da damit der Stromkreis geschlossen
ist, weisen die beiden Signale 14 und 15 in der
Umsetzung immer auch die Impulse des jeweils anderen Signals auf,
jedoch mit einer durch die Verluste im Kabel bedingten deutlich
verringerten Amplitude. Dargestellt sind also in den Signalen 14 und 15 jeweils
nur die auf den beiden Einzelleitungen messbaren dominanten Signalanteile.
Die ansteigenden Flanken werden somit durch positive Stromimpulse,
die abfallenden Flanken durch negative Stromimpulse repräsentiert.
Die Strom-Spannungs-Wandlereinheit 9 erzeugt aus den beiden Stromsignalen 14, 15 ein
Spannungssignal V6, welches durch den Komparator 11 in
ein Spannungssignal V7 umgewandelt wird, welches identisch mit dem Ausgangssignal
V1 ist. Da die Leitungseinheit 5 eine Länge deutlich größer 50 m
aufweisen kann, ist dabei erfindungsgemäß durch die Übertragung
mittels kurzer, aber hohe Amplitude aufweisender Stromimpulse die
sichere Übermittlung
durch das Aufzeigen der Flanken gewährleistet, und somit kann beispielsweise
auch die Auswerteeinheit sehr weit von der Sensoreinheit abgesetzt
werden.
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- 1
- Sender
- 2
- Empfänger
- 3
- Erste
Signalleitung
- 4
- Zweite
Signalleitung
- 5
- Leitungseinheit
- 6
- Impulseinheit
- 7
- Rekonstruktionseinheit
- 8
- Spannungs-Strom-Wandlereinheit
- 9
- Strom-Spannungs-Wandlereinheit
- 10
- Differenziereinheit
- 11
- Komparator
- 12
- Signalquelle
- V1
- Digitales
Ausgangssignal
- V7
- Digitales
Signal