DE3632840C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung binär codierter Informationen in einer Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Es gibt zahlreiche Meßanordnungen, bei welchen der Meßum­ former und das Auswertegerät räumlich voneinander getrennt und nur durch eine Zweidrahtleitung miteinander verbunden sind, über die einerseits der für den Betrieb des Meßum­ formers erforderliche Versorgungsgleichstrom vom Auswer­ tegerät zum Meßumformer und andererseits das Meßwertsignal vom Meßumformer zum Auswertegerät übertragen werden. Bei solchen Meßanordnungen hat sich ein international weit ver­ breiteter Standard durchgesetzt, wonach das Meßwertsignal ein zwischen 4 und 20 mA veränderliches Gleichstromsignal ist. Bei solchen Meßanordnungen beeinflußt der Meßumformer den über die Zweidrahtleitung fließenden Gesamtstrom, der auch den Versorgungsgleichstrom enthält, derart, daß er das Meßwertsignal darstellt.

Durch die Anwendung von Mikroprozessoren lassen sich heut­ zutage Meßanordnungen realisieren, die wesentlich lei­ stungsfähiger sind als herkömmliche analoge Geräte. Der Fortschritt in der Mikroelektronik (höhere Integrations­ dichten, kleinere IC-Gehäuse, CMOS-Technologie bei hoch­ integrierten Schaltungen) macht es möglich, vollständige Mikrocomputer in einem Sensor unterzubringen. Dadurch ent­ steht die Notwendigkeit einer zusätzlichen Übertragung digitaler Informationen in Form von Kommunikationssignalen zwischen dem Meßumformer und dem Auswertegerät. Es besteht jedoch die Forderung, daß außer der Zweidrahtleitung keine zusätzlichen Verbindungen zwischen dem Meßumformer und dem Auswertegerät vorhanden sein sollen. Die digitalen Kommu­ nikationssignale müssen daher zusätzlich zum Meßwertsignal über die Zweidrahtleitung übertragen werden. Die Übertra­ gung der digitalen Kommunikationssignale über die Zwei­ drahtleitung soll auch unter industriellen Bedingungen störsicher sein, darf aber das über die Zweidrahtleitung übertragene Meßwertsignal nicht beeinträchtigen. Die Zwei­ drahtleitung soll eine beträchtliche Länge haben können (bis zu 1 km), doch soll die Verwendung eines Spezialka­ bels nicht notwendig sein.

Die Übertragung digitaler Kommunikationssignale über die Zweidrahtleitung ermöglicht auch die Verwendung von Kommu­ nikationseinheiten, die als zusätzliche Teilnehmerstellen an die Zweidrahtleitung anschließbar sind und Kommunika­ tionssignale über die Zweidrahtleitung senden und empfan­ gen können, so daß die Kommunikationseinheiten ebenfalls binäre Informationen mit dem Meßumformer, dem Auswertege­ rät und gegebenenfalls auch miteinander austauschen können. Dadurch ist es möglich, von einer beliebigen Stelle aus Abgleich-, Einstell-, Überprüfungs- oder Wartungsarbeiten vorzunehmen.

Bei einem aus der DE-OS 35 19 709 bekannten Verfahren dieser Art werden über eine einzige Zweidrahtleitung Informationen zwischen einer zentralen Einheit und einer oder mehreren ex­ ternen Einheiten dadurch übertragen, daß in der einen Rich­ tung Änderungen des Stroms und in der anderen Richtung Ände­ rungen der Spannung vorgenommen werden und daß zur Übertra­ gung binär codierter Informationen diesen analogen Strom- und Spannungsänderungen zusätzlich digiale Strom- und Span­ nungsänderungen überlagert werden. Dabei werden die Digital­ signale durch Impulse dargestellt, die eine gleiche Änderung in positiver und negativer Richtung aufweisen, wobei der er­ ste Binärwert jedes Bits (z. B. der Binärwert "0") durch eine Änderung in positiver Richtung und der zweite Binärwert jedes Bits (z. B. der Binärwert "1") durch eine Änderung in negati­ ver Richtung dargestellt wird. Demzufolge sind die Empfangs­ schaltungen so ausgebildet, daß sie bei jeder Feststellung einer impulsförmigen Änderung in positiver Richtung den Emp­ fang des ersten Binärwerts und bei jeder Feststellung einer impulsförmigen Änderung in negativer Richtung den Empfang des zweien Binärwerts anzeigen. Dadurch besteht die Gefahr von Übertragungsstörungen, denn jeder auf der Zweidrahtlei­ tung in der einen oder anderen Richtung auftretende Störim­ puls wird als ein Bit des binär codierten Signals mit dem entsprechenden Binärwert interpretiert, und beim störbeding­ ten Ausfall einer impulsförmigen Änderung ist nicht mehr feststellbar, welchen Binärwert das betreffende Bit des binär codierten Signals hatte.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das in einer Meßanordnung der angegebenen Art eine stör­ sichere Übertragung binär codierter Informationen zwischen beliebig vielen an die Zweidrahtleitung angeschlossenen Teilnehmerstellen ermöglicht, ohne daß die Übertragung des Meßwertsignals über die gleiche Zweidrahtleitung be­ einträchtigt wird, und das selbst bei beträchtlicher Länge der Zweidrahtleitung kein Spezialkabel erfordert.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt die Wirkung, daß empfangsseitig der richtige Binärwert auch dann erkannt wird, wenn in einer den einen Binärwert anzeigenden Pe­ riodengruppe mehrere Perioden infolge von Störungen feh­ len oder nicht detektierbar sind, und wenn in einem den anderen Binärwert darstellenden Zeitabschnitt des fehlen­ den periodischen Signals Störsignale erscheinen, die als Perioden des periodischen Signals detektiert werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Ver­ fahrens sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfah­ rens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 das Prinzipschema einer Meßanordnung, bei der die Erfindung anwendbar ist,

Fig. 2 das Schaltbild der drei Schnittstellen der Meßanordnung von Fig. 1 in näheren Einzel­ heiten,

Fig. 3 das Blockschaltbild eines der Signalgeber in den Schnittstellen von Fig. 2,

Fig. 4 das Blockschaltbild eines der Signalempfän­ ger in den Schnittstellen von Fig. 2 und

Fig. 5 Diagramme des zeitlichen Verlaufs von Si­ gnalen, die an den mit den gleichen Buch­ staben bezeichneten Schaltungspunkten im Signalgeber von Fig. 3 bzw. im Signalemp­ fänger von Fig. 4 auftreten.

Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung mit einem Meßumformer 10, der durch eine Zweidrahtleitung 11 mit einem entfernt da­ von angeordneten Auswertegerät 12 verbunden ist. Der Meß­ umformer 10 enthält einen Sensor 13 zur Erfassung einer zu messenden physikalischen Meßgröße (z. B. Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Füllstand) und einen mit dem Sensor 13 verbundenen elektronischen Meßwandler 14, der ein den Augenblickswert der Meßgröße darstellendes elektrisches Signal abgibt. Der Meßumformer 10 enthält keine eigene Energiequelle, sondern bezieht die für seinen Betrieb er­ forderliche Gleichstromenergie über die Zweidrahtleitung 11 von einer im Auswertegerät 12 enthaltenen Spannungsquelle 15. Über die gleiche Zweidrahtleitung wird ein den Augen­ blickswert der Meßgröße darstellendes Meßwertsignal vom Meßumformer 10 zum Auswertegerät 12 übertragen. Der Meß­ umformer 10 ist mit der Zweidrahtleitung 11 über eine Meß­ umformer-Schnittstelle 16 verbunden, die einerseits die Energieversorgung des Meßumformers 10 aus der Zweidraht­ leitung 11 sicherstellt und andererseits das Ausgangssi­ gnal des Meßwandlers 14 in ein zur Übertragung über die Zweidrahtleitung 11 geeignetes Meßwertsignal umsetzt. Einer üblichen Technik entsprechend ist das Meßwertsignal der über die Zweidrahtleitung 11 fließende Gleichstrom I _M , der sich aus dem Versorgungsgleichstrom I _O des Meßumformers und einem Korrekturstrom I _K zusammensetzt. Der Korrektur­ strom I _K wird gleichfalls der Spannungsquelle 15 entnommen und vom Meßumformer 10 unter Berücksichtigung der jeweili­ gen Größe des Versorgungsgleichstroms I _O so eingestellt, daß der Gesamtstrom I _M zwischen den Stromwerten 4 und 20 mA den zu übertragenden Meßwert darstellt. Schließlich enthält der Meßumformer 10 eine Kommunikations-Elektronik 17, die ebenfalls über die Meßumformer-Schnittstelle 16 mit der Zweidrahtleitung 11 verbunden ist. Der Meßwandler 14 und die Kommunikations-Elektronik 17 können durch einen Mikro­ computer gebildet sein.

Zur Verbindung des Auswertegeräts 12 mit der Zweidrahtlei­ tung 11 dient eine Auswerte-Schnittstelle 18, die einer­ seits die Übertragung der vom Meßumformer 10 benötigten Gleichstromenergie von der Spannungsquelle 15 zur Zwei­ drahtleitung 11 bewirkt und andererseits aus dem über die Zweidrahtleitung 11 fließenden Gesamtstrom I _M ein für die Anzeige des Meßwerts oder für die Weiterverarbeitung ge­ eignetes Signal ableitet. Das Auswertegerät 12 enthält ferner eine Kommunikations-Elektronik 19, die über die Auswerte-Schnittstelle 18 mit der Zweidrahtleitung 11 ver­ bunden ist. Die Kommunikations-Elektronik 19 kann durch einen im Auswertegerät enthaltenen Mikrocomputer gebildet sein.

In Fig. 1 ist weiterhin eine Kommunikationseinheit 20 dar­ gestellt, die parallel zum Meßumformer 10 an die Zweidraht­ leitung 11 angeschlossen und so ausgebildet ist, daß sie mit dem Meßumformer 10 oder mit dem Auswertegerät 12 einen Informationsaustausch durchführen kann, ohne daß der nor­ male Betrieb der Meßanordnung dadurch beeinträchtigt wird. Die Kommunikationseinheit 20 ist ein taschenrechnerähnli­ ches Gerät mit einer Tastatur 21 und einer Digitalanzeige 22 sowie mit der erforderlichen Kommunikations-Elektronik, die durch einen Mikrocomputer gebildet sein kann. Die Ver­ bindung mit der Zweidrahtleitung 11 erfolgt über eine Kom­ munikations-Schnittstelle 23 und eine zweiadrige Anschluß­ leitung 24, die mittels Anschlußklemmen 25, 26 nach Bedarf an die Zweidrahtleitung 11 angeklemmt werden kann.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Kommunikationseinheit 20 mit einer eigenen Ener­ giequelle (z. B. Batterie) ausgestattet ist. Es wäre jedoch auch möglich, den zur Energieversorgung der Kommunikations­ einheit erforderlichen Gleichstrom ebenfalls der Spannungs­ quelle 15 im Auswertegerät 12 über die Zweidrahtleitung 11 zu entnehmen.

Fig. 2 zeigt die Schaltbilder der drei Schnittstellen 16, 18 und 23 von Fig. 1 in näheren Einzelheiten.

In der Meßumformer-Schnittstelle 16 ist ein Spannungsreg­ ler 27 vorgesehen, der unabhängig von Spannungsschwankun­ gen auf der Zweidrahtleitung 11 eine konstante Betriebs­ spannung für den Meßwandler 14 und für die übrigen Schal­ tungen im Meßumformer 10 aufrechterhält. Zur Erzeugung eines den Meßwert darstellenden Meßstroms I _M enthält die Meßumformer-Schnittstelle 16 einen Nebenschlußzweig 28, der einen steuerbaren Konstantstromgenerator 29 enthält. Über den Nebenschlußzweig 28 fließt ein kontinuierlicher Gleichstrom, der gleichfalls aus der Spannungsquelle 15 entnommen wird und sich auf der Zweidrahtleitung 11 dem Versorgungsgleichstrom I _O überlagert. Der Konstantstrom­ generator 29 wird durch ein stetig veränderliches Aus­ gangssignal des Meßwandlers 14 so gesteuert, daß der über den Nebenschlußzweig 28 fließende Gleichstrom den Korrek­ turstrom I _K bildet, der zusammen mit dem Versorgungs­ gleichstrom I _O den zwischen 4 und 20 mA veränderlichen Meßstrom I _M bildet.

Ferner enthält die Meßumformer-Schnittstelle 16 einen Signalgeber 30 und einen Signalempfänger 31, die parallel an die Zweidrahtleitung 11 angeschlossen sind. Ein Steuereingang des Signalgebers 30 ist an einen Ausgang der Kommunikations Elektronik 17 angeschlossen. Der Ausgang des Signalempfängers 31 ist mit einem Eingang der Kommunikations- Elektronik 17 verbunden.

In der Auswerte-Schnittstelle 18 ist in den einen Leiter der Zweidrahtleitung 11 ein Widerstand 32 eingefügt, über den der Meßstrom I _M = I _O + I _K fließt. Am Widerstand 32 kann somit eine Spannung abgegriffen werden, die dem Meß­ strom I _M proportional ist und die Meßwertinformation ent­ hält. Diese Spannung kann zur Anzeige des Meßwerts verwen­ det oder in beliebiger Weise zur Auswertung der Meßwert­ information verarbeitet werden. Ferner enthält die Aus­ werte-Schnittstelle einen Signalgeber 33 und einen Signal­ empfänger 34, die parallel an die Zweidrahtleitung 11 an­ geschlossen sind. Ein Steuereingang des Signalgebers 33 ist an einen Ausgang der Kommunikations-Elektronik 19 an­ geschlossen. Der Ausgang des Signalempfängers 34 ist mit einem Eingang der Kommunikations-Elektronik 19 verbunden.

Schließlich enthält die Kommunikations-Schnittstelle 23 einen Signalgeber 35 und einen Signalempfänger 36, die über die Anschlußleitung 24 parallel an die Zweidrahtlei­ tung 11 angeschlossen sind. Ein Steuereingang des Signal­ gebers 35 ist an einen Ausgang der Kommunikations-Elektro­ nik 37 der Kommunikationseinheit angeschlossen. Der Aus­ gang des Signalempfängers 36 ist mit einem Eingang der Kommunikations-Elektronik 37 verbunden.

Die Signalgeber 30, 33 und 35 in den verschiedenen Schnitt­ stellen sind völlig gleich ausgebildet. Es wird daher nur einer der Signalgeber, dessen Blockschaltbild in Fig. 3 dargestellt ist, näher beschrieben. Diese Beschreibung gilt für alle Signalgeber.

Der in Fig. 3 dargestellte Signalgeber enthält einen Quarz-Oszillator 40, dessen Ausgang über einen Schalter 41 mit dem Eingang eines Wechselspannungs-Treiberverstärkers 42 verbunden werden kann. Der Schalter 41 ist symbolisch als mechanischer Kontakt dargestellt. In Wirklichkeit han­ delt es sich dabei um einen schnellen elektronischen Schalter, beispielsweise um einen Feldeffekt-Transistor. Der Schalter 41 wird durch ein binäres Steuersignal be­ tätigt, das von der zugehörigen Kommunikations-Elektronik an den Steuereingang 43 des Signalgebers angelegt wird.

Das Diagramm A von Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf eines von der Kommunikations-Elektronik an den Steuerein­ gang 43 angelegten Steuersignals, das entsprechend der zu übertragenden Nachricht binär codiert ist. Jedes Bit des Binärwerts 1 ist durch einen Impuls der Dauer T mit kon­ stanter Amplitude I dargestellt, jedes Bit des Binärwerts 0 durch eine Impulspause der gleichen Dauer T im Impulsra­ ster. Die Impulse oder Impulspausen für zwei oder mehr auf­ einanderfolgende Bits des gleichen Binärwerts schließen sich lückenlos aneinander an. Der Schalter 41 ist ge­ schlossen, wenn die Impulsamplitude I anliegt, während er in jeder Impulspause offen ist. Somit bewirkt der Schal­ ter 41 eine impulsförmige Tastung der vom Oszillator 40 erzeugten Schwingung.

Das Diagramm B von Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf des Kommunikationssignals, das auf diese Weise durch den Si­ gnalgeber über die Zweidrahtleitung 11 geschickt wird. Jedes Bit des Binärwerts 1 ist durch einen Schwingungszug der Dauer T dargestellt, jedes Bit des Binärwerts 0 durch das Fehlen der Schwingung auf der Zweidrahtleitung für die gleiche Dauer T.

Die Dauer T ist konstant und wesentlich größer als die Periodendauer der Schwingung des Oszillators 40. Somit enthält jeder Schwingungszug, der ein Bit des Binärwerts 1 darstellt, eine vorgegebene konstante Anzahl von Perioden. Jedes Bit des Binärwerts 0 ist durch das Fehlen der glei­ chen konstanten Anzahl von Perioden dargestellt.

Vorzugsweise liegt die Frequenz der vom Oszillator 40 er­ zeugten Schwingung in der Größenordnung von 40 kHz. Bei dieser Frequenz haben die meisten Kabel einen so hohen induktiven Anteil, daß die Leitung nahezu verlustfrei ist. Zugleich ist eine solche Frequenz niedrig genug, um zu gewährleisten, daß die kapazitiven Verluste oder Verluste durch den Skin-Effekt weitgehend ausgeschaltet sind.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird daher an­ genommen, daß die Frequenz der vom Oszillator 40 erzeugten Schwingung 40 kHz beträgt. Weiter wird angenommen, daß die Dauer eines Bits T = 0,4 ms beträgt. In jede Dauer T fallen dann 16 Perioden der vom Oszillator T erzeugten Schwingung. Der Treiberverstärker 42 begrenzt den Pegel der an seinem Ausgang abgegebenen Schwingungszüge auf maximal 100 mV. In dieser Form wird das getastete Kommunikationssignal der von der Spannungsquelle 15 an die Zweidrahtleitung 11 angelegten Gleichspannung überlagert. Vorzugsweise ist die Übertragungsleitung an jeder Schnittstelle mit einem Widerstand abgeschlossen, der deutlich größer als der Wellenwiderstand ist. Dadurch ist die empfangene Signal­ spannung trotz gewisser Leitungsverluste selbst bei 1 km Kabellänge am Ausgang mindestens genauso groß wie am Ein­ gang.

Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild eines der Signalempfän­ ger 31, 34, 36 in den Schnittstellen. Alle Signalempfän­ ger sind in der gleichen Weise ausgebildet.

Der Signalempfänger enthält als Eingangsstufe einen Wech­ selspannungsverstärker 50, der das über die Zweidrahtlei­ tung 11 übertragene Kommunikationssignal selektiv ver­ stärkt. An den Ausgang des Wechselspannungsverstärkers 50 ist ein Signalformer 51 angeschlossen, der die sinusför­ migen Schwingungszüge des Kommunikationssignals in Recht­ eckimpulsfolgen der gleichen Folgefrequenz umwandelt. Der Signalformer 51 ist beispielsweise ein Schmitt-Trigger. Am Ausgang des Signalformers 51 erscheint somit für jeden vollständigen Schwingungszug der Dauer T eine Impulsgrup­ pe von 16 Rechteckimpulsen der Folgefrequenz 40 kHz. Die­ se Rechteckimpulse werden über eine Zeitfensterschaltung 52 an den Zählrichtungs-Steuereingang U/D (Up/Down) eines Aufwärts-Abwärts-Zählers 53 angelegt. Die Zeitfenster­ schaltung 52, die beispielsweise durch ein nicht retrig­ gerbares Monoflop gebildet ist, spricht auf Impulse nur innerhalb eines bestimmten Zeitrasters an und sorgt da­ durch für eine zusätzliche Störsicherheit.

Die am Ausgang des Signalformers 51 vorhandenen Rechteck­ impulse werden außerdem an den Synchronisiereingang eines Taktgebers 54 angelegt, der eine kontinuierliche Recht­ eckimpulsfolge mit der Folgefrequenz der Signalimpulse, also von 40 kHz, als Taktsignal erzeugt. Der Taktgeber wird durch die an seinen Synchronisiereingang angelegten Rechteckimpulse synchronisiert, und er behält diese Syn­ chronisation auch in den Zeitintervallen bei, in denen keine Rechteckimpulse vom Signalformer 51 abgegeben wer­ den. Das Taktsignal wird an den Takteingang CK (Clock) des Aufwärts-Abwärts-Zählers 53 angelegt.

Für die Steuerung des Aufwärts-Abwärts-Zählers 53 ist ferner eine Steuerlogik 55 vorgesehen, von der ein Aus­ gang mit dem Freigabe-Eingang E (Enable) des Aufwärts- Abwärts-Zählers 53 verbunden ist. Ein Eingang der Steuer­ logik 55 ist mit dem Ausgang der Zeitfensterschaltung 52 verbunden. Drei weitere Eingänge der Steuerlogik 55 sind an die Zählerstufenausgänge Q ₀, Q ₁, Q ₂ des Aufwärts-Ab­ wärts-Zählers 53 angeschlossen. Der Zählerstufenausgang Q ₃ des Aufwärts-Abwärts-Zählers 53 ist über eine Oder- Schaltung 56 mit dem Eingang D eines D-Flipflops 57 ver­ bunden. Der Ausgang Q des D-Flipflops 57 ist mit dem zweiten Eingang der Oder-Schaltung 56 sowie mit einem weiteren Eingang der Steuerlogik 55 verbunden. Der Rück­ stelleingang R (Reset) des D-Flipflops 57 ist an einen zweiten Ausgang der Steuerlogik 55 angeschlossen. Schließ­ lich empfängt der Takteingang CK (Clock) des D-Flipflops 57 das Taktsignal vom Ausgang des Taktgebers 54.

Die Funktionsweise des Signalempfängers von Fig. 4 soll anhand der Diagramme C bis F von Fig. 5 erläutert werden. Diese Diagramme zeigen den zeitlichen Verlauf von Signa­ len, die an den mit den gleichen Buchstaben bezeichneten Schaltungspunkten des Blockschaltbilds von Fig. 4 auf­ treten.

Das Diagramm C von Fig. 5 zeigt einen Abschnitt des über die Zweidrahtleitung 11 übertragenen und an den Eingang des Wechselspannungsverstärkers 50 angelegten Kommunika­ tionssignals, jedoch in einem größeren Zeitmaßstab als im Diagramm B. Es ist ein den Binärwert 1 darstellender Schwingungszug der Dauer T dargestellt, der zwischen zwei dem Binärwert 0 entsprechenden Zeitabschnitten liegt, in denen keine Schwingungszüge über die Zweidrahtleitung 11 übertragen werden. Ferner ist angenommen, daß infolge von Störungen einige Perioden der Schwingung an den Stellen a und b im Schwingungszug fehlen oder stark gedämpft sind. Ferner ist angenommen, daß in dem auf den Schwingungszug folgenden schwingungsfreien Zeitabschnitt zwei Störimpul­ se c und d vorhanden sind.

Das Diagramm D zeigt die entsprechenden Rechteckimpulse am Ausgang des Signalformers 51. Für jede Schwingung des Schwingungszugs, deren Amplitude die Ansprechschwelle des Signalformers 51 überschreitet, wird ein Rechteckimpuls erzeugt. An der Stelle a fehlen zwei Rechteckimpulse, und an der Stelle b fehlt ein Rechteckimpuls. Dagegen erscheinen im anschließenden schwingungsfreien Zeitab­ schnitt zwei Rechteckimpulse c und d, die aufgrund der Störimpulse erzeugt werden. Die Rechteckimpulse des Dia­ gramms D werden über die Zeitfensterschaltung 52 an den Zählrichtungssteuereingang U/D des Aufwärts-Abwärts- Zählers 53 angelegt. Während des Anliegens der Impuls­ spannung ist der Aufwärts-Abwärts-Zähler 53 auf Aufwärts­ zählung geschaltet. Wenn keine Impulsspannung anliegt, ist der Aufwärts-Abwärts-Zähler 53 auf Abwärtszählung geschaltet. Somit bilden der Signalformer 51 und die Zeit­ fensterschaltung 52 eine Zählrichtungs-Steuerschaltung.

Das Diagramm E von Fig. 5 zeigt das Taktsignal am Ausgang des Taktgebers 54. Dieses Taktsignal ist eine kontinuier­ liche Folge von Rechteckimpulsen, die infolge der Synchro­ nisation zeitlich mit den Rechteckimpulsen des Diagramms D zusammenfallen, soweit diese vorhanden sind. Da dieses Taktsignal an den Takteingang CK des Aufwärts-Abwärts- Zählers 53 angelegt ist, werden die Taktimpulse in diesem Zähler folgendermaßen gezählt:

• - Alle Taktimpulse, die zeitlich mit Signalimpulsen des Diagramms D zusammenfallen, werden im Aufwärts-Abwärts- Zähler 53 aufwärts gezählt, vorausgesetzt, daß die Zäh­ lung durch das von der Steuerlogik 55 an den Freigabe- Eingang E angelegte Steuersignal zugelassen ist;
• - alle Taktimpulse, für die keine Signalimpulse im Dia­ gramm D vorhanden sind, werden im Aufwärts-Abwärts- Zähler 53 abwärts gezählt, vorausgesetzt, daß die Zäh­ lung durch das von der Steuerlogik 55 an den Freigabe- Eingang E angelegte Steuersignal zugelassen ist.

Diese Funktionsweise ist gleichbedeutend damit, daß im Aufwärts-Abwärts-Zähler 53 vorhandene Signalimpulse auf­ wärts und fehlende Signalimpulse abwärts gezählt werden.

Entsprechend der bekannten Funktionsweise eines D-Flip­ flops nimmt das D-Flipflop 57 bei jedem an den Taktein­ gang CK angelegten Taktimpuls den Zustand an, der durch den am Eingang D anliegenden Signalwert bestimmt ist. Beim Beginn der Zählung befindet sich das D-Flipflop im Zustand 0, und es bleibt solange in diesem Zustand, wie der Ausgang Q ₃ des Aufwärts-Abwärts-Zählers 53 den Signal­ wert 0 führt. In diesem Zustand hat auch das Ausgangssi­ gnal am Ausgang Q des D-Flipflops 57 den Zustand 0. Wenn jedoch bei der Aufwärtszählung der Zählerstand 8 erreicht wird, geht das Ausgangssignal am Ausgang Q ₃ auf den Si­ gnalwert 1. Dadurch wird das D-Flipflop in den Zustand 1 gebracht, und am Ausgang Q des D-Flipflps erscheint der Signalwert 1. Dieser Signalwert 1 wird über die Oder- Schaltung 56 an den Eingang D angelegt, so daß sich das D-Flipflop bei allen folgenden Taktimpulsen selbst im Zu­ stand 1 hält, selbst wenn der Ausgang Q ₃ wieder auf den Signalwert 0 geht. Das D-Flipflop 57 wird erst durch einen von der Steuerlogik 55 an den Rückstelleingang R angeleg­ ten Rückstellimpulse wieder in den Zustand 0 zurückgestellt. Das D-Flipflop 57 bildet somit in diesem Fall eine Halte­ schaltung; es könnte auch durch eine andere Halteschaltung von an sich bekannter Art ersetzt werden.

Die Steuerlogik 55 steuert den Betrieb des Aufwärts- Abwärts-Zählers 53 durch das an den Freigabe-Eingang E angelegte Steuersignal in der folgenden Weise:

• - Im Zählbereich zwischen den Zählerständen 0 und 8 gibt die Steuerlogik die Aufwärtszählung vorhandener Signal­ impulse und die Abwärtszählung fehlender Signalimpulse unabhängig vom Signalwert am Ausgang Q des D-Flipflops 57 frei.
• - Wenn bei Aufwärtszählung der Zählerstand 8 erreicht wird, sperrt die Steuerlogik 55 eine weitere Aufwärts­ zählung vorhandener Signalimpulse, sie läßt aber eine Abwärtszählung fehlender Signalimpulse zu. Sie empfängt zu diesem Zweck die Impulse vom Ausgang der Zeitfenster­ schaltung 52 und legt bei jedem dieser Impulse ein Sperrsignal an den Freigabe-Eingang E an, während sonst ein Freigabesignal anliegt.
• - Wenn bei Abwärtszählung der Zählerstand 0 erreicht wird, schickt die Steuerlogik 55 zum Rückstelleingang R des D-Flipflops 57 einen Rückstellimpuls, der das D- Flipflop 57 in den Zustand 0 zurückstellt. Der Ausgang Q nimmt dann den Signalwert 0 an. Ferner sperrt die Steuer­ logik 55 eine weitere Abwärtszählung fehlender Signal­ impulse, sie läßt aber eine Aufwärtszählung vorhandener Signalimpulse zu. Sie legt zu diesem Zweck jedesmal dann ein Freigabesignal an den Freigabe-Eingang E an, wenn ein Impuls am Ausgang der Zeitfensterschaltung 52 vorhanden ist, während sonst ein Sperrsignal anliegt.

Die Steuerlogik 55 erkennt das Erreichen der Zählerstände 8 und 0 in der einen bzw. anderen Zählrichtung aufgrund der Signale, die sie von den Zählerstufen-Ausgängen Q ₀, Q ₁ und Q ₂ des Aufwärts-Abwärts-Zählers 53 empfängt.

Das Signal am Ausgang Q des D-Flipflops 57 stellt das Aus­ gangssignal des Signalempfängers dar. Die geschilderte Funktionsweise des Signalempfängers ergibt für die Bildung des Ausgangssignals die folgende Wirkung:

• - Das Ausgangssignal geht vom Signalwert 0 auf den Signal­ wert 1, wenn seit dem letzten Übergang auf den Signal­ wert 0 acht vorhandene Signalimpulse mehr gezählt worden sind als fehlende Impulse;
• - das Ausgangssignal geht vom Signalwert 1 auf den Signal­ wert 0, wenn seit dem letzten Übergang auf den Signal­ wert 1 acht fehlende Signalimpulse mehr gezählt worden sind als vorhandene Impulse.

In beiden Fällen bleiben die während des Bestehens der Zäh­ lerstände 0 und 8 nicht gezählten fehlenden bzw. vorhande­ nen Signalimpulse unberücksichtigt.

Das Diagramm F von Fig. 5 zeigt das durch diese Funktions­ weise erhaltene Ausgangssignal des Signalempfängers für das in Diagramm C dargestellte Eingangssignal, wenn ange­ nommen wird, daß der Aufwärts-Abwärts-Zähler 53 beim Be­ ginn des Schwingungszugs, also beim Beginn der Signalim­ pulsgruppe des Diagramms D, den Zählerstand 0 hatte. Zu­ nächst werden fünf Taktimpulse des Diagramms E aufwärts gezählt, und dann werden die beiden Taktimpulse in der Lücke a abwärts gezählt. Die nächsten drei Taktimpulse werden wieder aufwärts gezählt, und dann wird ein Takt­ impuls in der Lücke b abwärts gezählt. Schließlich wird nach Aufwärtszählung von drei weiteren Taktimpulsen der Zählerstand 8 erreicht. In diesem Augenblick geht das Ausgangssignal (Diagramm F) auf den Signalwert 1. Für die beiden restlichen Signalimpulse erfolgt dann keine weite­ re Zählung von Taktimpulsen.

Die Abwärtszählung beginnt mit dem ersten fehlenden Si­ gnalimpuls. Zunächst werden vier Taktimpulse in der Ab­ wärtsrichtung gezählt, und dann wird für den Störimpuls c ein Taktimpuls in der Aufwärtsrichtung gezählt. Die näch­ sten beiden Taktimpulse werden wieder abwärts gezählt, und dann wird ein Taktimpuls für den Störimpuls d aufwärts gezählt. Schließlich wird nach der Abwärtszählung von vier weiteren Taktimpulsen der Zählerstand 0 erreicht. In die­ sem Augenblick geht das Ausgangssignal auf den Signalwert 0. Für die folgenden fehlenden Signalimpulse erfolgt dann keine weitere Zählung von Taktimpulsen, bis wieder ein Impuls am Ausgang der Zeitfensterschaltung erscheint.

Aufgrund dieser Funktionsweise werden die übertragenen Binärwerte zwar mit einer geringfügigen Verzögerung, aber mit großer Fehlersicherheit richtig erkannt. Dadurch ist eine störsichere Übertragung von digitalen Informationen auf einer von einem Meßstrom durchflossenen Zweidrahtlei­ tung unter industriellen Anwendungsbedingungen möglich, ohne daß das analoge Meßsignal unzulässig gestört wird. Die Übertragungsleitung kann eine beträchtliche Länge haben, ohne daß ein Spezialkabel erforderlich ist.

Der Meßumformer 10 und das Auswertegerät 12 bilden zwei dauernd an die Zweidrahtleitung 11 angeschlossene Teil­ nehmerstellen, die mittels der beschriebenen Kommunika­ tionseinrichtungen über die das Meßwertsignal führende Zweidrahtleitung Informationen austauschen können. Bei­ spielsweise kann das Auswertegerät zum Meßumformer Steuer­ befehle für die Steuerung des Betriebs des Meßumformers schicken, und der Meßumformer kann die Steuerbefehle be­ stätigen und angeforderte Zusatzinformationen zum Aus­ wertegerät übertragen. Durch Anklemmen der Kommunika­ tionseinheit 20 an die Zweidrahtleitung kann eine Be­ dienungsperson den Informationsaustausch zwischen Meß­ umformer und Auswertegerät überwachen und selbst Infor­ mationen mit diesen beiden Teilnehmerstellen austauschen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, von jeder beliebi­ gen Stelle aus Abgleich-, Einstell- oder Überprüfungsar­ beiten vorzunehmen, ohne daß der normale Betrieb der Meßanordnung dadurch gestört wird. Die Anzahl der Teil­ nehmerstellen, die auf diese Weise miteinander in Verbin­ dung treten können, ist nicht beschränkt. Es ist ohne weiteres möglich, mehrere Kommunikationseinheiten nach Art der Kommunikationseinheit 20 gleichzeitig an die Zweidrahtleitung 11 anzuklemmen. Alle Kommunikationsein­ heiten können dann mit dem Meßumformer 10, dem Auswerte­ gerät 12 und mit jeder anderen Kommunikationseinheit In­ formationen austauschen. Nach einer an sich bekannten Technik kann durch geeignete codierte Adressensignale erreicht werden, daß jede Teilnehmerstelle nur die für sie bestimmten Informationen auswertet.

Es sind natürlich zahlreiche Abänderungen des beschriebe­ nen Verfahrens und der Anordnung zu seiner Durchführung möglich. Insbesondere sind die angegebenen Zahlenwerte nur als Beispiele anzusehen, die nach Bedarf geändert werden können. So ist es nicht notwendig, den Zählbereich zwischen den beiden Grenzzählerständen gleich der Hälfte der Perioden pro Bitlänge zu machen. Auch wäre es möglich, bereits im Signalgeber für jedes Bit des Binärwerts 1 an­ stelle eines Sinusschwingungszugs eine Impulsgruppe zu erzeugen und diese als Kommunikationssignal über die Zwei­ drahtleitung zu übertragen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Übertragung binär codierter Informationen zwischen Teilnehmerstellen und analoger Meßwertsignale in einer Meßanordnung mit einem Meßumformer, der mit einem ent­ fernt davon angeordneten Auswertegerät durch eine Zweidraht­ leitung verbunden ist, über die einerseits die für den Be­ trieb des Meßumformers erforderliche Gleichstromenergie vom Auswertegerät zum Meßumformer übertragen wird und anderer­ seits das die Meßgröße darstellende Meßwertsignal vom Meßum­ former zum Auswertegerät dadurch übertragen wird, daß der über die Zweidrahtleitung fließende Gleichstrom in Abhängig­ keit von der Meßgröße zwischen zwei Gleichstrom-Grenzwerten verändert wird, wobei jede an der Informationsübertragung be­ teiligte Teilnehmerstelle einen Signalgeber zum Senden eines vom analogen Meßwertsignal unterscheidbaren binär codierten Teilnehmersignals über die Zweidrahtleitung und einen Signal­ empfänger zum Empfang der von anderen Teilnehmerstellen kom­ menden Teilnehmersignale enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in den Teilnehmersignalen der erste Binärwert jedes Bits durch eine Gruppe aus einer vorbestimmten Anzahl von aufein­ anderfolgenden Perioden eines Signals und der zweite Binär­ wert jedes Bits durch das Fehlen des Signals dargestellt wird und daß im Signalempfänger jeder Teilnehmerstelle zur Erkennung der übertragenen Binärwerte die folgenden Verfah­ rensschritte durchgeführt werden:

• a) in einem zwischen zwei Grenzzählerständen liegenden Zähl­ bereich, der kleiner als die Anzahl der Signal-Perioden in jeder Gruppe ist, werden empfangene Signal-Perioden in der einen Zählrichtung bis zum Erreichen des ersten Grenzzählerstandes und fehlende Signal-Perioden in der anderen Zählrichtung bis zum Erreichen des zweiten Grenz­ zählerstandes gezählt;
• b) nach dem Erreichen des ersten Grenzzählerstandes wird der Empfang des ersten Binärwerts angezeigt, solange der zwei­ te Grenzzählerstand noch nicht wieder erreicht ist;
• c) nach dem Erreichen des zweiten Grenzzählerstandes wird der Empfang des zweiten Binärwerts angezeigt, solange der erste Grenzzählerstand noch nicht wieder erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählbereich gleich der Hälfte der Anzahl der Pe­ rioden in jeder Gruppe ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kommunikationssignal durch getastete Schwingungszüge einer Sinusschwingung gebildet wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Signalempfänger einen Aufwärts-Abwärts- Zähler enthält, an dessen Zähleingang Taktimpulse ange­ legt sind, die von einem durch das empfangene Kommuni­ kationssignal synchronisierten Taktgeber erzeugt werden, sowie eine Steuerlogik, die in dem Zählbereich zwischen den Grenzzählerständen die Zählung der Taktimpulse bei Empfang des periodischen Signals in der einen Zählrich­ tung und bei Nichtempfang des periodischen Signals in der anderen Zählrichtung bewirkt und eine Zählung von Taktimpulsen über die Grenzzählerstände hinaus verhin­ dert.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zählrichtung-Steuerschaltung an den Zählrich­ tungs-Steuereingang des Aufwärts-Abwärts-Zählers für jede Periode des Empfangs des periodischen Signals ein die eine Zählrichtung bestimmendes Steuersignal und für jede Periode des Nichtempfangs des periodischen Signals ein die andere Zählrichtung bestimmendes Steuersignal anlegt und daß die Steuerlogik an den Freigabe-Eingang des Auf­ wärts-Abwärts-Zählers bei Empfang des periodischen Si­ gnals ein Freigabesignal und bei Nichtempfang des perio­ dischen Signals ein Sperrsignal anlegt, wenn sich der Aufwärts-Abwärts-Zähler im einen Grenzzählerstand befin­ det, und bei Empfang des periodischen Signals ein Sperr­ signal und bei Nichtempfang des periodischen Signals ein Freigabesignal anlegt, wenn sich der Aufwärts-Abwärts- Zähler im anderen Grenzzählerstand befindet.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die für die Grenzzählerstände kennzeich­ nenden Zählerstufenausgänge des Aufwärts-Abwärts-Zählers mit Eingängen der Steuerlogik verbunden sind.

7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zählrichtungs-Steuerschaltung einen Si­ gnalformer enthält, der für jede Periode des Empfangs des periodischen Signals einen Rechteckimpuls erzeugt.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Signalformers und den Zähl­ richtungs-Steuereingang des Aufwärts-Abwärts-Zählers eine Zeitfensterschaltung eingefügt ist, die die Übertragung der vom Signalformer erzeugten Rechteckimpulse nur in einem vorgegebenen Zeitraster zuläßt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufwärts-Abwärts-Zähler eine Hal­ teschaltung nachgeschaltet ist, die durch die für die Grenzzählerstände kennzeichnenden Zählerstufenausgänge derart gesteuert wird, daß sie beim Erreichen des einen Grenzzählerstands in den einen Zustand und beim Erreichen des anderen Grenzzählerstands in den anderen Zustand ge­ bracht wird, während sie sich bei den anderen Zählerstän­ den in dem jeweils zuletzt eingestellten Zustand hält, und daß der Ausgang der Halteschaltung den Ausgang des Signalempfängers bildet.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteschaltung durch ein D-Flipflop gebildet ist, das am Takteingang die Taktimpulse empfängt, dessen D-Ein­ gang ein das Erreichen des einen Grenzzählerstands kenn­ zeichnendes Signal empfängt und das durch eine Verbindung vom direkten Ausgang zum D-Eingang selbsthaltend ausge­ bildet ist, und daß an den Rückstelleingang des D-Flip­ flops ein Rückstellimpuls von der Steuerlogik angelegt wird, wenn diese das Erreichen des anderen Grenzzähler­ stands feststellt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber einen das periodische Signal erzeugenden Oszillator enthält, dessen Ausgangs­ signal durch einen Schalter getastet wird, der durch ein die binär codierten Informationen darstellendes binäres Steuersignal betätigt wird.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Schalter getastete periodische Signal an die Zweidrahtleitung über einen Treiberverstärker angelegt wird, der den Signalpegel auf einen vorgegebenen Wert be­ grenzt.