CH675513A5 - - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kommunikationseinrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Kommunikationseinrichtungen mit serieller Datenübertragung sind bekannt. Diese Einrichtungen unterscheiden sich im Aufbau, Protokoll, Ubertra-gungsgeschwindigkeit usw. und zwar in Abhängigkeit von der Anwendung und der auszutauschenden Informationsart. Alle seriellen Einrichtungen sind auf induzierte Störungen anfällig, welche die Übertragungsgüte beeinflussen können. Bei Kommunikationssystemen, bei denen eine zentrale Steuereinheit eine oder mehrere entfernte, gesteuerte Einrichtungen steuert, ist der Störeinfluss beträchtlich. Obwohl die bekannten Massnahmen, wie Abschirmung der Übertragungsleitungen eine hohe Störunterdrückung bewirken, ist dies teuer. Sind derartige Kommunikationssysteme in bestehenden Aufbauten zu installieren, kann die Anwendung abgeschirmter Leitungen unpraktikabel sein.

Bei der seriellen Kommunikation zwischen einer zentralen Steuerstation und einer oder mehreren entfernten Stationen müssen durch den zentralen Signalprozessor eine Anzahl von zusätzlichen Operationen durchgeführt werden, um den Datenfluss und die Datenintegritätsüberwachung zu regulieren. In einer Industrieanlage (z.B. sehr lärmige Umgebung) können durch Umgebungslärm verursachte Störungen des übertragenen Signals von gröss-ter Bedeutung sein, weil induziertes Rauschen fehlerhafte Daten und deshalb ungenaue Befehle bewirken kann. Daraus folgt als Konsequenz, dass der Bedarf einer konstanten Fehlerprüfung, um die Datenintegrität zu gewährleisten, zu einem zusätzlichen Steuersystem führen kann, was einen grösseren Signalprozessor erforderlich macht, als er für das Steuersystemprotokoil notwendig ist. Mit anderen Worten, der Steuersignalprozessor muss grösser sein, um nur die Befehle des Kommunikationsnetzwerkes selbst bereitzustellen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kommunikationseinrichtung zu schaffen, bei der die zwischen der zentralen Steuereinrichtung und den entfernten Steuereinrichtungen zu übertragenden zusätzlichen Signale reduziert werden und die eine hohe Rauschunterdrückung hat, um eine serielle Datenkommunikation für industrielle Anlagen zu erzeugen.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 erreicht.

Es ist von Vorteil, wenn die Abschlussnetzwerke jeweils duale Tiefpassfilter aufweisen, wobei jeder Filter einen Impedanzwert hat, der im wesentlichen gleich der Leitereigenimpedanz ist und jeder Filter zwischen einem Ende eines zugeordneten Übertragungsleiters und einem Erdungsabgriff des Abschlussnetzwerkes angeschlossen ist. Die Abschlussnetzwerke bilden eine _ abgeglichene Impedanz, die bei der gewählten Übertragungsfrequenz auf die Übertragungsleitung abgestimmt ist und eine Unterdrückung von Signalfrequenzen oberhalb der gewählten Ubertragungsgeschwindigkeit bewirkt.

Die Übertragungsleitung enthält ein Paar nicht abgeschirmter, verdrillter Leiter.

Die zentrale Steuereinrichtung und die entfernten Steuereinrichtugen enthalten vorteilhaft identisch aufgebaute Steuereinheiten, die abwechselnd als Haupteinheit in der zentralen Steuereinrichtung und als Nebeneinheit in der entfernten Steuereinrichtung funktionieren. Jede Einheit bildet die Schnittstelle zwischen der Signalschiene und mit dem Signalprozessor oder der gesteuerten Einrichtung in der Anlage des Anwenders.

Mit der vorliegenden Kommunikationseinrichtung kann eine rauscharme Übertragung trotz der nicht abgeschirmten Übertragungsleiter erreicht werden. Dies liegt im Systemaufbau, der eine abgeglichene Übertragungsleitung aufweist, die an jedem Ende durch ein Netzwerk mit Tiefpassfilter in einem engen Band abgeschlossen ist. Das Netzwerk bewirkt eine Niederfrequenzanpassung und Hochfrequenzunterdrückung. Die Information wird durch alle Einheiten ausgesendet und empfangen, wodurch sich eine verbesserte Rauschunterdrückung ergibt. Durch das Fehlen der Abschirmung ergibt sich eine grössere Flexibilität bei der Installation in bestehenden Anlagen und damit verbunden geringere Kosten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema einer Kommunikationseinrichtung,

Fig. 2 ein Blockschema einer bevorzugten Ausführung der Kommunikationseinrichtung,

Fig. 3 eine Reihe von Signaldiagrammen, die in der in Fig. 2 gezeigten Ausführung auftreten, und

Fig. 4 ein Schema eines Kommunikationseinheitmodules, das bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführung verwendet wird.

Figur 1 zeigt eine Kommunikationseinrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, die Signalübertragungen zwischen einer zentralen Steuereinrichtung 12 und einer oder mehreren entfernten gesteuerten Einrichtungen 14, 16 besorgt. Die zentrale Steuereinrichtung und die entfernten gesteuerten Einrichtungen sind gestrichelt dargestellt.

Die Kommunikationseinrichtung enthält eine zentrale Kommunikationsstation 18 mit Ein- und Ausgangsleitungen 20 zur zentralen Steuereinrichtung und Ein- und Ausgangsleitungen 22 zur Signalschiene 24. Die Schiene funktioniert in beiden Richtungen. Wie nachfolgend mit Bezug auf Figur 2 beschrieben, enthält die Schiene eine Datenübertragungsschiene mit abgeglichenen Abschlussnetzwerken 26, 28, um eine Zeitmultiplexübertragung zwischen der zentralen Station 18 und einer oder mehreren entfernten Stationen 30, 32 zu schaffen und enthält ferner eine Stromschiene, um alle Stationen mit Gleichstrom zu versorgen. Der Gleichstrom wird von einer Stromquelle 36 über die Leitung 34 an die Schiene 24 angelegt. Die entfernten Stationen 30, 32 sind über Leitungen 38, 40 an ihre zuge5

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ordneten entfernten Einrichtungen 14, 16 und über Leitungen 42,44 an die Schiene angeschlossen.

Figur 2 zeigt ein Blockschema der Kommunikationseinrichtung 10. Wie gezeigt, enthält die Schiene 24 Leiterpaare 46, 48. Beide Leiterpaare sind nicht abgeschirmt, um die Installation im Systemaufbau des Anwenders zu erleichtern und die Kosten zu verringern. Das Paar 46 mit den Leitern 46A, 46B ist die Datenübertragungsschiene und die Leiter sind mit Vorteil verdrillt. Das Paar 48 ist die Stromschiene mit den Leitern 48A, 48B, die an die Ausgangsklemmen der Stromquelle 34 angeschlossen sind. Dieses Paar versorgt die zentrale und entfernten Stationen sowie ihre zugeordneten Einrichtungen mit Gleichstrom. Das Paar 48 kann auch aus verdrillten Leitern bestehen. Dies ist aber nicht unbedingt erforderlich.

Weil jedes Leiterpaar nicht abgeschirmt und sowohl den Rauschpegeln mit hoher und niedriger Frequenz ausgesetzt ist, ist das Datenübertragungsleiterpaar 46 an jedem Ende an Impedanzabschlussnetzwerke 26 und 28 angeschlossen. Jedes Netzwerk enthält Tiefpassfilter 50, 52 bzw. 54, 56. Die Filter sind an den Eingangsseiten (hohes Signal) an die entsprechenden Enden Übertragungsleiter 46A, 46B und an der Ausgangsseite (niedriges Signal) an den Netzwerkmittelabgriff angeschlossen. Der Leiter 48B, der an die Ausgangsklemme mit niedrigem Potential der Stromquelle 34 angeschlossen ist, ist auch an den Mittelabgriff 57, 58 jedes Abschlussnetzwerkes angeschlossen. Der Draht 48B ist beim Mittelabgriff, d.h. an der Ausgangsseite des Filternetzwerkes geerdet, um einen Rückstrompfad aus den verschiedenen Stationen zu der Datenübertragungsleitung zu schaffen.

Wie nachfolgend beschrieben, bilden die Filter eine Niederfrequenzimpedanzanpassung und maximale Hochfrequenzsperrung bei den gewählten Datenübertragungsgeschwindigkeiten. Die Erdung des Netzwerkmittelabgriffes bildet den kürzesten Rauschrückführweg. Die Rauschpegel mit grösster Amplitude treten am Mittelpunkt der Übertragungsleitung auf. Daher werden die Filter so gewählt, dass sie eine kleine Übertragungsleitungsbandbreite und eine hohe Frequenzsperrung für hochfre-quenze Spannungssprünge haben, die von ausserhalb liegenden Rauschquellen, z.B. Relaisspulen und Induktionsmotoren induziert werden.

Die zentrale und entfernten Stationen enthalten als Module aufgebaute identische Industrie-Kommu-nikationseinheiten (ICU), die jeweils in der gleichen Art und Weise an die Übertragungs- und Stromleitungen angeschlossen sind. Diese Kommunikationseinheiten können entweder für eine Haupt- oder Nebenbetriebsweise programmiert werden und zwar abhängig davon, ob sie in einer zentralen oder entfernten Station angewendet werden. Die Haupteinheit 60 in der zentralen Hauptstation empfängt die Eingangssignale über die aus vier Leitern bestehende Schiene 22 und bildet eine Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle mit dem zentralen Steuersignalprozessor über die Leitungen 62-65 (die in den Leitungen 20 in Fig. 1 enthalten sind).

Die Nebeneinheit 68 in den entfernten Stationen empfangen die Eingangssignale über die Leitungen

42, 44 und bilden eine Schnittstelle mit ihren entfernten Einrichtungen über die Leitungen 72-74 und 76-78 (die in den Leitungen 38 in Fig. 1 enthalten sind).

Um die grösste Störfestigkeit bei den nicht abgeschirmten Übertragungsleitern 46A, 46B zu erreichen, werden mit Vorteil ein verdrilltes Paar Drähte mit 0,2 bis 0,86 mm2 Querschnitt und einer Eigenimpedanz von ca. 100 Ohm und einer Kapazität von ca. 60 pf/m verwendet. Die Stromleiter 48A, 48B haben einen Querschnitt von 0,3 mms, wobei der Querschnitt von der maximalen Länge von 305 Metern abhängig ist. Die Stromleitung wird verwendet, um Strom nur an nichtinduktive Gleichstromlasten in den Stationen anzulegen und die Belastung ist auf einen Spannungsabfall von 2 Volt ausgelegt. Werden induktive Verbraucher, grosse Gleichstromverbraucher oder Wechselstromverbraucher durch die entfernten Stationen gesteuert, so werden diese aus separaten Stromquellen (vorort) gespeist und elektrisch gegen die Kommunikationsnebeneinheit in der entfernten Station isoliert.

Das Kommunikationsprotokoll ist ein synchrones Halbduplex-Serienzeilenformat, durch welches die Haupteinheit in der zentralen Station bidirektional mit der Nebeneinheit in ca. 60 entfernten Stationen in Verbindung steht. Das Serienzeilenformat ist in Fig. 3a-c dargestellt. Die Haupteinheit überträgt Daten an und empfängt Daten von den Nebeneinheiten der entfernten Stationen in auf einanderfolgen-den Sende-Empfangszyklen 80 (Fig. 3a). Jeder Zyklus enthält einen Synchronisierungsrahmen 82, dem 128 Informationsrahmen folgen, die gleichmäs-sig in einem Sendeintervall 84 (Haupteinheit überträgt an Nebeneinheit) und einem Empfangsintervall 86 (Haupteinheit empfängt von Nebeneinheit) unterteilt sind. Jeder Informationsrahmen ist durch einen Zeilentaktimpuls gekennzeichnet, der mit der Systemtaktfrequenz ausgesendet wird. Der Synchronisierungsrahmen bewirkt die Synchronisation von Haupt- zu Nebeneinheit einmal pro Zyklus. Er enthält zwei Zeilentaktintervalle, so dass 130 gleich-massig beabstandete Zeilentaktintervalle für jeden Sende/Empfangs-Zyklus erforderlich sind, wenn sie zu den 128 Informationsrahmentaktimpulsen addiert werden.

Um das Rauschen weitgehendst zu unterdrücken, werden die Systemfrequenz und Schrittgeschwindigkeit (Band) auf die niedrigste Frequenz eingestellt, die für die bestimmte Steuerung erforderlich ist; die Bandbreite ist begrenzt, um eine Kompensation für die nicht abgeschirmte Übertragungs-leitung zu erzeugen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform des vorliegenden Kommunikationssystems, das in einem Aufzugsteuersystem angewendet wird, beträgt die Zeit für den Sende/ Empfangs-Zykius 104 ms, um eine Sende/Empfangsfrequenz (z.B. Abtastzeitfrequenz) von ca. 9,6 Hz zu erzeugen. Das vorstehend erwähnte Aufzugsteuersystem ist in der US-Patentanmeldung Nr. 546 225 vom 27. Oktober 1983 beschrieben. Für total 130 Taktimpulse und eine gewählte Zykluszeit von 104 ms beträgt die Leitungstaktfrequenz 1250 Hz (Taktperiode 800 ns). Die Kurve 3b zeigt die 130 Taktimpulse, die zwei Synchronisie-

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rungsimpulse Si, Sz und 128 Informationsimpulse enthalten, wobei die Informationsimpulse gleichmäs-sig in einen Senderahmen 84 (Taktimpuls 1 bis 64) und einen Empfangsrahmen 86 (Taktimpulse 65 bis 128) unterteilt sind. .

Die Synchronisierungsimpulse werden eigentlich weggelassen. Der Synchronisierungsrahmen selbst ist definiert als «Totzeit»-lntervall (der die weggelassenen Taktimpulse Si, S2 enthält), der zwischen dem 128sten Taktimpuls eines vorangehenden Zyklus und dem ersten Impuls eines vorhandenen Zyklus liegt. Bei einer Zykluszeit von 104 ms beträgt die Totzeit 2300 ns.

Die 64 Informationsrahmen im Sende- und Empfangsintervall genügen bis zu einem Maximum von 60 Nebeneinheiten. Die erste Gruppe von vier Informationsrahmen in jedem Intervall 88, 90 (Taktimpulse 1 bis 4 und 65-68) sind für eine spezielle Befehlsinformation zu allen Stationen reserviert und zwar für Diagnose/Wartung-Test oder Steuerung irgend einer optischen Einrichtung, die in den entfernten gesteuerten Einrichtungen enthalten ist. Die restlichen 60 Informationsrahmen sind Datenrahmen. Die Haupteinheit gibt an jede Nebeneinheit Informationen in einem zugeordneten Sendeinter-valldatenrahmen ab und empfängt von jeder Nebeneinheit während einem entsprechenden Empfangs-intervalldatenrahmen. Alle Nebeneinheiten in den entfernten Stationen empfangen und speichern die Befehlsrahmen 1-4 und 65-68 als interne Befehle, die sich auf ihre Funktion beziehen. Diese Befehle können das Ein- und Abschalten der Nebeneinheiten (sämtliche oder eine gewählte Anzahl) bewirken oder den Nebeneinheiten befehlen, bestimmte Datenmuster in einer Prüfweise auszusenden, um den Funktionstest durch die Zentralsteuerung zu erlauben. Jede Nebeneinheit hat eine zugeordnete Taktzähladresse. Die jedem Synchronisierungsrahmen folgenden Leitungstaktimpulse werden gezählt und durch Nebeneinheit dekotiert, um das Vorhandensein einer zugeordneten Zähladresse zu der Zeit, wenn die Einheit Daten aus der Übertragungsleitung liest oder in die Übertragungsleitung einschiebt, festzustellen. Das Format für die Informationsrahmen, sowohl für die speziellen Befehlsrahmen 88, 90 als auch für die Datenrahmen sind identisch,wie durch den Informationsrahmen 92 in Fig. 3c gezeigt ist. Der Rahmenzeitintervall ist in acht 100 (is-Zustände unterteilt. Der erste Zustand (0-100 ns) entspricht dem Taktimpulsintervall 94 und muss eine minimale Breite von 50 ns haben, um gültig zu sein. Der zweite Zustand 95 (100-200 jis) ist ein Totzeitintervall, der Ansprechzeittoleranzen und Abtastzeitverzögerungen zwischen den Rahmentaktimpulsen und den Datenbit ermöglicht. Die nächsten fünf Zustände 96-100 (200-700 ns) sind 5-Bit-Zeitintervalle, deren erste vier 96-99 den vier Databit D1-D4 entsprechen. Die Bit-Zeit ist gleich der Zustandszeit oder 100 jis bei der ausgewählten 100 ms betragenden Sende/Empfangszykluszeit. Das fünfte Bit ist ein spezielles Merkmalbit, das von jeder Nebeneinheit empfangen oder ausgesendet werden kann. Dieses fünfte Bit wird als spezielle Information verwendet, die eine Testroutine, z.B. ein Paritätstest enthalten kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das fünfte Bit verwendet, um die spezielle Information in 36 der verfügbaren 64 Informationsrahmen in jedem Sende- und Empfangsintervall zu übermitteln. Bei den 36 Informationsrahmen handelt es sich insbesondere um die Informationsrahmen 5-40. Der letzte Zustand 101 ist auch ein Totzeitintervall, der vor dem Beginn des nachfolgenden Datenrahmens liegt.

Wie Fig. 3 zeigt, hat das Datenformat drei Zustände, d.h. ist bipolar. Die Übertragungsleitung überträgt ein unterschiedliches drei Zustände aufweisendes Signal, welches, wenn über den Übertragungsleitern 46A, 46B gemessen, sich in einem der drei Zustände befindet. Der Leiter 46A ist der Takteingangsleiter zu den Einheiten, während der Leiter 46B der Dateneingangsleiter ist. Die drei unterschiedlichen Zustände werden bezüglich dem Differenzpotential über den Leitern 46A, 46B gemessen. Ist der Signalwert auf dem Leiter 46A höher als die Summe des Signalwertes auf dem Leiter 46B und einer Schwellenwertspannung (Vs) 104, dann ist der Zustand gleich einem Leitungstaktimpuls 94 (Fig. 3c). Ist der Signalwert auf dem Leiter 46B höher als die Summe des Signalwertes auf dem Leiter 46A und der gewählten Schwellenwertspannung, wird der Zustand als eine logische 1 in den Bitzeiten 96-100 ermittelt. Ist der Differentialwert auf den Leitern 46A, 46B niedriger als der Schwellenwert, wird der Zustand als eine logische 0 ermittelt.

Die Übermittlungsgeschwindigkeit für die gewählte 164 ms Zykluszeit beträgt ca. 10 kBaud für die vier Datenbit (D1-D4) und das spezielle fünfte Bit (Testbit) jedes Informationsrahmens. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das vorliegende System weder auf die angegebene Übermittlungsgeschwindigkeit oder auf die Bitzahl beschränkt ist. Bei dem vorliegenden Kommunikationssystem können höhere Geschwindigkeiten und/oder mehr Informationsbit gegen maximale Leitungslänge und Rauschenunterdrückungsforderungen ausgetauscht werden.

Die Figur 4 zeigt ein Schema der Kommunikationseinheit 60 (68, 70). Jede als Modul aufgebaute Einheit enthält einen Schaltkreis 110 zusammen mit einem nachfolgend beschriebenen Schaltkreis. Die Datenübertragungsleiter 46A, 46B sind über Eingangsfilter 112, 114 an die unterschiedlichen Dateneingänge (L2, Li) der Einheit angeschlossen. Die Filter sind typische RC-Netzwerke erster Ordnung mit einer von der Systemgeschwindigkeit abhängigen Zeitkonstante. Die beispielsweise für eine Aufzuganlage ausgewählte Zykluszeit und Datengeschwindigkeit liegen in der Grössenordnung von 2,5 ns (5 kOhm und 500 pF), wodurch die Spannungstransienten ohne Einbusse der Datengeschwindigkeit begrenzt werden. Die Einheit wird über einen Gleichstromregler 115 aus der Stromschiene gespeist. Der Stromregler ist ein bekanntes Gerät vom Typ LM 78L08 oder LM 317L mit drei Klemmen.

Die Daten an den Eingängen der Einheit werden über Vergleicher 116,118 empfangen, welche zusammen mit den Einheiten einen Leitungsempfänger bilden. Die Daten und Schwellenwertspannungen Vs (104 Fig. 3c), welche der Empfänger verwendet, um einen Taktimpuls an L2 bezüglich den Dateneingang

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Li und die Datenbit an Li bezüglich L2 abzufühlen, sind unterschiedliche Spannungen. Das Vorhandensein einer Gleichstrombetriebsspannung wird den Einstellwert der Schwellenspannung nicht beeinflussen. Typischenweise ist der Schwellenwert Vs gleich der halben, minimalen Spannung, die auf der Übertragungsleitung schwingt (oder der minimale Leitungsstrom) (IC>Min) multipliziert mit der minimalen Leitungsimpedanz (ZL) und beträgt typischerweise 0,5 bis 0,6 Volt. Jeder Vergleicher gibt Signale mit einem logischen Zustand 0 ab, wenn die an den Eingängen Li und L2 anliegende Spannung kleiner als der Schwellenwert Vs ist.

Die Ausgangssignale aus jedem Vergleicher werden an Digitalfilter 120,122 angelegt. Für die gewählte Systemgeschwindigkeit sind die Filter mit Vorteil 4 Bit-Digitalfilter mit einer Schaltgeschwindigkeit von 8,9 ns. Die Filter verwenden ein festes Mittelwert-Algorithmus von drei aus vier Abtastungen, bevor der Filterausgang seinen Zustand ändert. Das Ausgangssignal (L2) des Filters 120 wird gleichzeitig an einen Adressenauswahl/ermittlungs-Logik-schaltkreis 124, eine Steuereinheit 126 und über einen Ausgangspuffer 128 an den Datentaktausgang aus der Nebeneinheit (SCLK) angelegt, der für die Peripherieausrüstung verwendet werden kann. Der Ausgang Li des Filters 122 ist über eine Leitung 129 mit dem Dateneingang eines I/O-Schieberegisters 130 verbunden. Dieses Schieberegister ist ein 5 Bit Schieberegister mit Mehrfachfunktion und dualer Serie/Parallelbetriebsweise. Die aus der Leitung 129 empfangenen seriellen Daten werden durch das Register parallel formatiert und an die Datenschiene 132 angelegt, welche das Schieberegister 130 mit einem Befehlsregister 134, einem Ausgangsregister 136 und einem auf das 5te Bit ansprechenden Logikschaltkreis 138 verbindet. Der Logikschaltkreis 138 überträgt und empfängt das fünfte Bit zu oder aus der zugeordneten entfernten Einrichtung. Das Schieberegister 130 ist über Steuerleitungen 139, 140 mit dem Logikschaltkreis 138 verbunden und empfängt über die Leitungen 142 Befehlsinformationen aus der Steuereinheit 126. Die Steuereinheit 126 gibt die Befehlsinformation auch an den Datensen-deschaltkreis 143 (der ein UND-Gatter und eine Treiberschaltung enthält), den Logikschaltkreis 138, den Haupt/Nebenschaltkreis 148 und das Ausgangsregister 136 ab.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeitet die Steuereinheit sequentiell und erzeugt eine Reihe von geordneten, chronologischen Befehlen in jedem Informationsrahmen. Die Steueralgorithmusbefehle sind durch einen Steuereinheitstakt mit einer höheren Frequenz als die Frequenz des Leitungstaktes markiert. Die genaue Steuereinheitsfrequenz ist abhängig von der Anzahl der einbezogenen Sequenzschritte wählbar. Typischerweise gibt die Steuereinheit eine Sequenz von 17 Befehlsinstruktionen ab und die Steuertaktimpulse werden von dem Oszillator und Taktteilerschaltkreis 152 auf den Leitungen 154 abgegeben und haben eine Frequenz in der Grössenordnung von 20 kHz bei der ausgewählten Zykluszeit von 104 ms.

Ist die Einheit in Betrieb werden die empfangenen

Taktimpulse auf der Leitung 121 durch den Adressenschaltkreis 124 gezählt und mit der der Einheit zugeordneten durch den Mehrfachbit-Adressen-schaltkreiseingang (Ji-Jq) programmierten Adresse verglichen. Die Adresseneingabe ist entweder festgelegt (für eine Nebeneinheit) oder dynamisch (für die Haupteinheit). Der Haupt/Nebenzustand wird durch einen Logikschaltkreis 148 eingestellt. Für eine Haupteinheit in der zentralen Station 18 (Fig. 1) wird der Eingang 150 auf eine logische «0» und für eine Nebeneinheit wird der Eingang auf eine logische «1» gesetzt Bei der Haupteinheit der zentralen Station sind die Eingänge Ji-Jq über Adressenleitungen 156 mit dem Signalprozessor der zentralen Station 12 (Fig. 1) verbunden, um durch die zentrale Station die Adresse der Haupteinheit zu ändern und dieser den Zugriff zu bestimmten Informationsrahmen während der I/O-Übertragung zu ermöglichen. In einer Nebeneinheit können die Adresseneingänge durch Verbindung von einzelnen Eingängen mit der Erde oder Vdd fest kodiert werden, um die gewählte Binäradresse zu bilden.

Durch Beibehalten des Eingangsadressenzähl-standes unterscheidet die Adressenerkennungslogik 124 zwischen Lese- und Schreibzyklus der Einheit. Diese zwei Zyklen werden mit Bezug auf den Leitungstaktzählstand in den Haupt- und Nebeneinheiten umgekehrt. Die Nebeneinheiten lesen die Be-fehisinformation aus der Haupteinheit in den ersten vier Informationsrahmen des Sendeintervalls 84 (Fig. 3), die dem Synchronisierungsrahmen 82 (Fig. 3) folgen. Von der Haupteinheit wird während des Informationsrahmens des Sendeintervalles 84 (Fig. 3) ein fünftes Datenbit 100 (Fig. 3c) an die Nebeneinheiten abgegeben. Die Nebeneinheiten können das fünfte Datenbit der Informationsrahmen 4—40 zum Ausgang des unter Befehl stehenden l/0-Logik-schaltkreises 138 multiplizieren. Alle Nebeneinheiten lesen die von der Haupteinheit abgegebenen und im Intervall der Informationsrahmen 5-64 vorhandenen Daten. Die Haupteinheit liest jeden Datenausgang der Nebeneinheit während des Empfangsintervalls 86 (Fig. 3) auf den Leitungstakten 68-128. Durch die Nebeneinheiten werden keine Daten in die Adressen 65-68 eingeschrieben, welche die Leserahmen der Haupteinheit für die Adressen 1-4 sind. Für den Fall, dass der Adressenerkennungsschaltkreis einen Adressenfehler feststellt, z.B. mehr als 128 Taktimpulse, wird der Sender 143 abgeschaltet und am Ausgang 158 wird ein «Fehlen des Synchronisierungsimpulses» signalisiert. Diese Signalisierung erfolgt in der Haupteinheit und in der Nebeneinheit und dieser Zustand bleibt bestehen, bis ein neuer Synchronisierungsimpulsrahmen festgestellt wird.

Durch das Befehlsregister werden die Befehlsdaten in den ersten vier Informationsrahmen aus der Datenschiene 132 gelesen. Eine Nebeneinheit empfängt die Befehlsdaten von der Übertragungsleitung 46 über den Reiheneingang des Registers 130. Die Haupteinheit empfängt die Befehlsdaten an _den parallelen Eingängen IHp 160 des Registers von der Leitung 162 und der zentralen Steuerung des Systems. Die Funktion der Befehlsbit, der vier

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Datenbit und des speziellen fünften Bit werden, basierend auf den Anforderungen des Systems, festgelegt. Mindestens ein Bit (das höchstwertige Bit) wird zu Paritätskennzeichnungen benutzt.

Neben den Befehlsrahmen tastet die Einheit seine zugeordnete Adresse aus dem Taktzählstand ab und sperrt die Übertragung des Datenrahmens von der Leitung 129 auf die Datenschiene 132. Die von der Nebeneinheit gesendeten Daten (Empfangsintervall 86, Fig. 3) sind die durch die Nebeneinheit an den Eingängen 160 von den zugeordneten entfernten Einrichtungen 14, 16 (Fig. 1) auf den Leitungen 162 empfangenen Daten. Die Daten sind während dem Sendeintervall 84 (Fig. 3) in den Bit 1-4 des Registers 130 gehalten. Das fünfte Bit (falls vorhanden) wird aus dem Logikschaltkreis 138 abgegeben. Sendet die Nebeneinheit Adressen, schiebt das Zustandsregister 130 den fünf Bit-Informationsrahmen seriell über die Leitung 131 zum UND-Gatter 144, welches die Treiberschaltung 146 des Senders 143 steuert. Die Steuereinheit 126 gibt auf der Leitung 142 ein Gattereinschaltsignal ab, derart, dass eine logische «1» den Treiberschaltkreis 146 einschaltet und eine logische «0» diesen abschaltet. Die Daten der Einheit werden über den Ausgang 164 und eine Steuerdiode 166 an die Übertragungsleiter 46B abgegeben. Die_ Diode 166 ermöglicht die Stromspeisung der Übertragungsleitung während der Übertragung von logischen Zuständen «1» durch die Einheit, verhindert aber jede Stromabnahme, wenn die Übertragungsieiter positiver sind als der Ausgang 164. Dies verhindert die Einheiten-Verriegelung.

Die Einheiten-Datenübertragung ist bezüglich Erde einfach abgeschlossen, z.B. Leiter 46B. Deshalb sind die Abschlussnetzwerke ein integraler Teil des Senders, die einen Rückführungspfad für die logischen Zustände «1» auf dem Leiter bilden. Die Empfänger (Vergleicher 116, 118) sind unterschiedlich, derart, dass die Empfänger die gemeinsame Rauschunterdrückung erzeugen.

Die Verriegelung der Daten an den Empfängen 160, Verschiebung der Daten der Übertragungsleitung vom Filter 122 zum Register 130 und die Verschiebung der Daten aus dem Register 130 zur Datenschiene 132 wird durch Instruktionssequenzen aus der Steuereinheit 126 bewirkt. Die Steuereinheit 126 ermöglicht es, dem Ausgangsregister 136 das Register 130 in einer seriellen Ein- und parallelen Ausgangsbetriebsweise zu verwenden, um die Daten auf der Übertragungsleitung von der Leitung 129 auf die Datenschiene 132 zu verschieben. Vier Datenbit werden von der Schiene in die Ausgangsverriegelung des Ausgangsregisters abgegeben, wenn die Einheiten ein Signal an den Ausgängen Oi-Op (LSB bis MSB) abgeben. Das fünfte Datenbit wird über den Logikschaltkreis 138 an den Ausgang 167 der Haupteinheit bei irgend einem Empfangs-intervallinformationsrahmen und auf Befehl in den Rahmen 4—40 des Sendeintervalls an den Ausgang Tt der Nebeneinheiten erscheinen.

Die Ausgangsbit (Oi-Op) werden über die Treiberschaltkreise 160-170 auf die Leitung 64 (73, 77) an die zugeordnete Ausrüstung (z.B. die zentrale

Steuerung oder entfernten Einrichtungen) abgegeben.

Die Peripherieelemente für die Nebeneinheit enthalten einen Quarz 172 zwischen dem Eingang 174 zum Oszillator 172 und der Leitung 176, an die die regulierte Spannung Vod anliegt. Der Quarz erzeugt ein Signal mit 3,58 MHz, das an den Oszillator an- ' liegt. Der Eingang 174 der Haupteinheit ist an den Ausgang des Treiberschaltkreises der J/O-Schnitt-stelle mit dem zentralen Steuerschaltkreis angeschlossen.

Die Vergleicher 116, 118 des Empfängers sind durch eine Gleichspannung am vee-Eingang 176 negativ vorgespannt. Die Vorspannung wird von einem Schaltkreis 182 erzeugt und an die Leitung 180 angelegt. Der Schaltkreis, an dem auch eine

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Signalfrequenz aus dem Oszillator 152 am Ausgang anliegt, enthält einen in Reihe geschalteten Kondensator 186, der über ein Paar entgegengesetzt gepol-ter, paralleler Dioden 187,188 an die andere Seite eines zweiten Kondensators 189 angeschlossen ist. Die Diode 188 und der Kondensator 189 sind an Erde angeschlossen. Die Kondensatoren jeder ca. 0,01 (iF und die Dioden zusammen invertieren und richten das Ausgangssignal von 1,78 MHz gleich, um eine Gleichspannung von ca. -6,0 Volt bei 1,0 mA für jeden Vergleicher zu erzeugen. Diese negative Vorspannung erweitert den negativen Betriebsbereich, um die Vergleichereingänge nominell mittig einzustellen und einen optimalen Betriebsbereich für die unterschiedlichen Eingangssignale auf den Übertragungsleitungen 46A, 46B zu schaffen.

Bei einem seriellen Datenkommunikationssystem der vorliegenden Art sind drei Hauptquellen von Signal/Rauschenverlusten vorhanden. Diese enthalten (1) eine Signaldämpfung wegen der Länge der Übertragungsleitung (305 m im Maximum), (2) eine Signalreflektion wegen nicht angepasster Impedanzen (Leitungseigenimpedanz und I/O Impedanz der Einheit) und (3) ein gemeinsames Betriebsrauschen aufgrund fehlender Übertragungsleitungsisolie-rung. Beim vorliegenden System ist das verdrillte Paar von Übertragungsleitern vorzugsweise litzen-förmig, um eine einfache Installation und eine niedrigere Störkapazität zu erreichen. Für Drähte mit Querschnitten von 0,2 bis 0,86 mm2 variert die Eigenimpedanz zwischen 90 bis 120 Ohm pro 0,305 m. Bei einer Übermittlungsgeschwindigkeit von 10 kBaud liegt die Signaldämpfung in der Grös-senordnung von 0,25 db/30,5 m für eine 305 m lange Übertragungsleitung. Ein Signal mit einem logischen Zustand «1 » mit 2,5 V, das auf einer 305 m langen Leitung übertragen wird, fällt auf 1,87 V ab, wobei die Signalreflektionen -vernachlässigt sind. Der Effekt ist vernachlässigbar und bei entsprechender Einstellung der Schweilenwertpegel (Vs) ist der Dämpfungseffekt der Leitung auf die Datenübertragung unwesentlich.

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zwischen den entfernten Stationen (oder wegen der Leitungsgriffe der entfernten Stationen an der Übertragungsleitung) werden durch die Abschlussnetzwerke an den Enden der Übertragungsleitung gedämpft. Die Abschlussnetzwerkimpedanz ist gleich wie die Eigenimpedanz Zo der Übertragungsleitung (die durch den Leiterquerschnitt bestimmt ist). Die Lastimpedanz Zl der Übertragungsleitung wird durch die Parallelschaltung der Abschlussnetzwerkimpedanz und der Impedanz der an die Leitung angeschlossenen Einheiten bestimmt. Die Einheiten sind mit Vorteil integrierte Schaltkreise mit CMOS-Halbleiterelementen. Die Eingangsimpedanz der Einheiten liegt in der Grössenordnung von 100 kOhm und die Ausgangsimpedanz liegt in der Grössenordnung von 5 MOhm. Für ein Maximum von 60 entfernten Stationen beträgt die I/O Impedanz ca. 800 Ohm. Dieser Wert, parallel mit der Abschlussnetzwerkimpedanz (gleich der Eigenimpedanz Zo der Leitung, z.B. ca. 100 Ohm) führt zu einer Lastimpedanz von ca. 88,4 Ohm. Der Leitungsreflektions-koeffizient ist pv = ZL~Z0 f 0,062 V/v wobei Zl die Lastimpedanz (99,4 Ohm) und Zo die Eigenimpedanz der Leitung ist (100 Ohm). Ein an ein Ende der Leitung angelegter Impuls von 2,5 V wird mit 0,16 V reflektiert und hat am Ende der Leitung noch 2,34 Volt. Der Reflektionskoeffizient ist vernachlässigbar und kann durch die Wahl der Schwellenwertspannung (Vs) ausgeglichen werden.

Die durch die Wegnahme der Abgriffe der entfernten Stationen verursachten Signalreflektionen können ebenfalls vernachlässigt werden, weil (1) die Eigenimpedanz des Abgriffes gleich der der Haupt-übertragungsleitung ist, (2) ein verdrilltes Leiterpaar nicht mehr als über ein Viertel Wellenlänge geöffnet ist und (3) die Abgrifflänge drei Grössenord-nungen kleiner ist als die Viertelwellenlänge.

Rauschquellen können Signale verursachen, die sich nahe bei der Übertragungsleitung, z.B. der Stromzuführleitung oder anderen dem System zugeordneten Steuerspannungssignalen ausbreiten. Es können Fluoreszenzlampen oder elektrische Motore sein. Bei Rauschquellen mit 60 Hz begrenzen die Abschlussnetzwerke und RC-Filter am Eingang jedes Empfängers die Spannung auf ca. 1 mVolt. Bei Rauschquellen mit höherer Frequenz, z.B. Motoren und Relais, die ein breites Rauschspektrumband von 6 bis 10 MHz erzeugen, erscheint ein höherer Rauschpegel an dem Eingang der Einheiten. Bei einer kapazitiv gekoppelten Rauschquelle mit 10 MHz könnte das Betriebsspannungssignal ca. 290 V bei einer 300 V Rauschamplitude betragen, wenn die Leitungsdämpfung ausgenommen wird. In der Tat ist der Wert dieser Betriebssignale beträchlich kleiner und zwar wegen den Wirkungen der 2ten Ordnung, die bei nichtlinearen Prozessen in der Rauschquelle selbst verursacht werden. Die Dämpfung des Signals auf der Übertragungsleitung setzt die Betriebssignale mit hoher Frequenz beträchtlich herab, derart, dass die Amplitude um einige Volt gegenüber hunderten von Volt begrenzt wird. Die unterschiedlichen in den Leitungsempfängern verwendeten Vergleicher haben einen gemeinsamen Unterdrückungsbereich, so dass das vorher empfangene Betriebssignal aus der Hochfrequenzquelle auf den Millivoltpegel herabgesetzt wird.

Wie vorstehend gezeigt, sind die zentrale Station und die entfernten Stationen über Viertelwellenlän-gen oder geringere Anschlüsse von der Übertra-gungsleitung 46 abgezapft. Dadurch wird die Signalreflektion zur Übertragungsleitung herabgesetzt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zentrale Station mit der Haupteinheit als an einem Ende der Übertragungsleitung angeschlossen dargestellt, während die entfernten Stationen mit den Nebeneinheiten über die Länge der Übertra-gungsleitung zwischen der Haupteinheit und dem entfernten Abschlussnetzwerk verteilt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ermöglicht der geringe räumliche Abstand der Haupteinheit zu einem Abschlussnetzwerk die Haupteinheit über einen einfachen Viertelwellenlängenabgriff anzuschliessen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Haupteinheit nicht nur an einem Ende der Übertragungsleitung angeschlossen sein muss. Wird die Haupteinheit jedoch an das andere Ende der Übertragungsleitung angeschlossen, benötigt die Haupteinheit selbst ein Abschiussnetzwerk zusätzlich zu den an den Enden der Übertragungsleitung vorgesehenen Abschlussnetzwerken.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Kommunikationseinrichtung zur seriellen, synchronen Halbduplex-Datenkommunikation zwischen einer zentralen Steuereinrichtung (12) mit einer Taktsignalquelle und mit einer Stromquelle (36) und mindestens einer entfernten Steuereinrichtung (14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Steuereinheiten vorgesehen sind, die eine auf die zentrale Steuereinrichtung (12) ansprechende Haupteinheit (60) und auf jede entfernte Steuereinheit (14, 16) ansprechende Nebeneinheiten (68, 70) umfassen, wobei die Haupt- und Nebeneinheiten jeweils Ein- und Ausgangsschnittstellen (130, 136) zur Signalanpassung der zugeordneten Steuereinrichtung und eine Schienenschnittstelle (112-122) zur Signalanpassung an eine Signalschiene (24) aufweisen und Datensignale zwischen diesen Schnittstellen austauschen, wobei die von jeder Einheit an die Signalschiene abgegebenen und von dieser empfangenen Datensignale serielle Bitsignale sind, wobei jede Einheit eine Stromeinspeisung (154) enthält, dass die Signalschiene (24) eine Datensignal-Übertragungsleitung (46) und eine Stromspeiseleitung (48) aufweist, die Datensignal-Übertragungsleitung zwei Leiter (46A, 46B), die an die Schienenschnittstelle (112-122) jeder Einheitsschnittstelle angeschlossen sind, und eine Eigenimpedanz aufweisen, wobei die Stromspeiseleitung einen Spannung führenden Leiter (48A) und einen Nullpontential führenden Leiter (48B) aufweist, die die Stromquelle mit den Speiseanschlüssen der Einheiten verbindet

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und wobei die Signalschiene ausgebildet ist, den elektrischen Strom an jede Einheit anzulegen und einen Signalaustauschpfad zu bilden, um die seriellen Bitsignale zwischen den Einheiten auszutauschen, und dass Abschlussnetzwerke (26, 28) vorhanden sind, die jeweils an ein Ende der Signalschiene angeschlossen sind und einen Impedanzwert aufweisen, der im wesentlichen gleich der Eigenimpedanz der Signalschiene ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupteinheit ausgebildet ist, die durch die Ein- und Ausgangsschnittstellen zwischen der zentralen Steuereinrichtung und jeder entfernten Steuereinrichtung periodisch ausgetauschten Datensignale als eine Mehrzahl von seriellen Bitpaketen (84, 86) in jeden aufeinanderfolgenden Sende/Empfangzyklus (80), ein Signalpaket (92) für jede entfernte Steuereinrichtung, wobei jedes Signalpaket eine Mehrzahl von seriellen Bit (96-100) und jeder Sende/Empfangszyklus einen synchronisierten Rahmen (82) enthält, der die durch die Taktsignalquelle bestimmte Sende/Empfangszyklusfrequenz anzeigt, ein Sendeintervall (84), in welchem die Haupteinheit Signalpakete aus der zentralen Steuereinrichtung an jede Nebeneinheit zur Weiterleitung an die zugeordnete entfernte Steuereinrichtung überträgt und ein Empfangsintervall (86) zu bilden, in welchem die Haupteinheit Signalpakete zur Weiterleitung an die zentrale Steuereinrichtung von jeder Nebeneinheit empfängt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsleitung (46) ein nicht isoliertes, verdrilltes Paar von Leitern (46A, 46B) aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsleitungsleiter einen Querschnitt im Bereich von 0,2 bis 0,86 mm2 haben.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsleitungsleiter jeweils aus Litzen bestehen.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussnetzwerke jeweils duale Tiefpassfiiter (50, 52, 54, 56) aufweisen, wobei jeder Filter einen Impedanzwert hat, der im wesentlichen gleich der Leitereigenimpedanz ist und jeder Filter zwischen einem Ende eines zugeordneten Übertragungsleiters und einem Erdungsabgriff (57, 58) des Abschlussnetzwerkes angeschlossen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der niedriges Potential führende Leiter der Stromverteilleitung ferner an den Mittelabgriff jedes Abschlussnetzwerkes angeschlossen ist, um einen Stromrückführungspfad von der Übertragungsieitung zur externen Spannungsquelle zu schaffen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinrichtung und die entfernten Steuereinrichtungen jeweils einen Tiefpassfiiter (112,114) für jeden Übertragungs-leitungsieiter (46A, 46B), der jeweils an die Schienen angeschlossen ist, um die an den zugeordneten Übertragungsleitungsleitern erscheinende hochfrequente Betriebsspannung zu dämpfen und frequenzgefilterte Ausgangssignale zu erzeugen, Spannungsregler, die an die Stromeingänge angeschlossen sind, um eine Spannung mit geregelter Amplitude in Abhängigkeit des anliegenden Stromes zu erzeugen und eine Kommunikationseinheit (110) aufweist, die an einem Dateneingang auf die gefilterten Ausgangssignale und an einem anderen Eingang (154) auf die Spannung aus dem Spannungsregler anspricht, wobei die Einheit die Signaleingänge (160) zur Steuerung des Informationsaustausches mit diesen Signaleingängen (160) aufweist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (110) ferner Digitalfilter (120, 122) für jeden Tiefpassfiiter aufweist, um eine Digitalrauschenfilterung für jedes frequenzgefilterte Signal vor dem Anlegen an die Signaleingänge (160) zu bewirken.

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