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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von Signalen in
einem Datennetz sowie ein entsprechendes Datennetz, wobei die Signale
zwischen Teilnehmern in dem Datennetz als Rahmen zumindest teilweise
drahtlos auf einem Funkkanal über
eine Funkschnittstelle übertragen
werden und die Rahmen durch eine Arbitrierung priorisiert werden.
Ein Teilnehmer bezeichnet dabei ein beliebiges Gerät, welches
durch Empfangen und Aussenden von Signalen in dem Datennetz kommunizieren kann.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, welche
die Reihenfolge festlegen, in der Datenpakete bzw. Rahmen (englisch:
frames) in einem Datennetz übertragen
werden können. In
Feldbussen wird beispielsweise eine Priorisierung von Rahmen durch
eine sog. bitweise Arbitrierung auf der Basis eines Identifikationsfeldes
in den Rahmen ermöglicht.
Das Verfahren der bitweisen Arbitrierung ist derzeit nur für eine kabelgebundene
Signalübertragung
bekannt.
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Bei
der drahtlosen Datenübertragung über einen
Funkkanal ist das sog. Zeitschlitzverfahren (englisch: TDMA = Time
Division Multiple Access) bekannt, bei dem die Teilnehmer in vorher
reservierten Zeitschlitzen Informationen senden können. Der Nachteil
dieses Verfahrens besteht darin, dass die vorhandene Kapazität des Funkkanals
bei unbekanntem Datenaufkommen schlecht ausgenutzt wird.
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Darüber hinaus
ist das sog. CSMA/CA-Verfahren bekannt, welches beispielsweise in
dem WLAN-Standard IEEE 802.11 eingesetzt wird (CSMA/CA = Carrier
Sense Multiple Access/Collision Avoidance). Bei diesem Verfahren
hört ein
Teilnehmer zunächst
in den Kanal, bevor er Rahmen aussendet. Stellt ein Teilnehmer fest,
dass gerade ein Rahmen auf dem Kanal gesendet wird, wartet er so lange,
bis das Senden des Rahmens beendet ist. Anschließend sendet er nach Ablauf
einer bestimmten Zeitspan ne seine Rahmen auf dem freien Kanal. Dieses
Verfahren ermöglicht
jedoch keine Priorisierung von Rahmen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
um Datenpakete zu priorisieren, besteht darin, dass zur Datenübertragung
mehrere Funkkanäle
eingesetzt werden, wobei Datenpakete mit hoher Priorität auf einem
separaten Funkkanal übertragen
werden. Die Verwendung mehrerer Funkkanäle ist jedoch oftmals nicht
erwünscht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Übertragung von Signalen in
einem Datennetz zu schaffen, mit dem auf einfache Weise eine Priorisierung
der Signale auf einem einzelnen Funkkanal ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
definiert.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden Signale zwischen Teilnehmern des Datennetzes als Rahmen zumindest
teilweise drahtlos auf einem Funkkanal über eine Funkschnittstelle übertragen, wobei
zur Priorisierung eine Arbitrierung verwendet wird. Die Arbitrierung
läuft derart
ab, dass für
auf dem Funkkanal zu übertragende
Rahmen in Abhängigkeit von
einem Identifikationswert in dem jeweiligen Rahmen dominante und
rezessive Pegel auf den Funkkanal geschaltet werden, wobei basierend
auf dominanten und rezessiven Zuständen auf dem Funkkanal, welche
sich durch das Aufschalten der dominanten und rezessiven Pegel ergeben,
ein Rahmen aus den zu übertragenden
Rahmen ausgewählt
und auf dem Funkkanal übertragen
wird. Dabei liegt ein dominanter Zustand auf dem Funkkanal dann
vor, wenn auf den Funkkanal zumindest ein dominanter Pegel geschaltet
wird. Demgegenüber
liegt ein rezessiver Zustand auf dem Funkkanal dann vor, wenn auf
diesen Kanal ausschließlich
ein oder mehrere rezessive Pegel geschaltet werden. Bei einer derartigen
Arbitrierung vergleichen die Teilnehmer, welche Rahmen übertragen
möchten,
in einer Arbitrierungsphase die von ihnen jeweils aufgeschalteten
Pegel gemäß dem Identifikationswert
in dem von dem jeweiligen Teilnehmer zu übertragenden Rahmen mit dem
Zustand auf dem Funkkanal. Ein Teilnehmer, der feststellt, dass
der von ihm aufgeschaltete rezessive Pegel nicht dem rezessiven
Zustand auf dem Funkkanal entspricht, beteiligt sich nicht mehr
an der Arbitrierungsphase. Derjenige Teilnehmer, der am Ende der Arbitrierungsphase übrig bleibt,
sendet schließlich seinen
Rahmen aus.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass die Arbitrierungsphase, welche gemäß dem Stand
der Technik drahtgebunden realisiert ist, nunmehr auch drahtlos über einen
Funkkanal durchführbar
ist. Dies wird dadurch erreicht, dass ein dominanter und rezessiver
Zustand durch eine Modulation auf dem Funkkanal erzeugt wird. Der Erfindung
liegt somit die Erkenntnis zu Grunde, dass eine Arbitrierung durch
eine einfache Modulation zur Generierung von dominanten und rezessiven
Zuständen
auf einem Funkkanal drahtlos realisiert werden kann. Als Arbitrierung
kann dabei insbesondere auch die an sich bekannte bitweise Arbitrierung
eingesetzt werden, welche heutzutage z. B. in dem drahtgebundenen
CAN-Feldbus (CAN = Controller Area Network) verwendet wird. Bei
dieser Arbitrierung werden in Abhängigkeit von rezessiven und
dominanten Bitwerten in dem Identifikationswert des jeweiligen Rahmens
die rezessiven und dominanten Pegel auf den Funkkanal geschaltet.
Die bitweise Arbitrierung wird in der detaillierten Beschreibung
anhand von 2 noch näher erläutert.
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Die
Modulation, mit der die dominanten und rezessiven Zustände auf
dem Funkkanal erzeugt werden, kann dabei beliebig gewählt werden.
Insbesondere kann eine Amplitudenmodulation und/oder eine Phasenmodulation
und/oder eine Frequenzmodulation verwendet werden. In einer besonders
bevorzugten Variante der Erfindung wird eine Amplitudenmodulation
in der Form einer Amplitudenumtastung verwendet, welche auch als
ASK (ASK = Amplitude Shift Keying) bezeichnet wird. Es handelt sich dabei
um eine digitale Modulationsart, wobei in einer bevorzugten Variante
die sog. OOK-Modulation (OOK = On-Off Keying) eingesetzt wird, bei
der ein angeschaltetes Trägersignal
auf dem Funkkanal einem dominanten Zustand und ein abgeschaltetes Trägersignal
auf dem Funkkanal einem rezessiven Zustand entspricht.
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In
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform wird durch das Datennetz
ein Feldbus zur Steuerung von verschiedenen Teilnehmern über eine
zentrale Steuerungseinheit realisiert. Das heißt, zur Signalübertragung
wird ein Feldbus-Protokoll
eingesetzt. In einer bevorzugten Variante wird dabei ein an sich
bekanntes CAN-Protokoll verwendet. Im Unterschied zum bekannten
CAN-Feldbus können
nunmehr jedoch auch Teile des Feldbusses drahtlos über eine
Funkschnittstelle realisiert sein.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann in einer Variante der Erfindung zur ausschließlich drahtlosen Übertragung
von Signalen zwischen Teilnehmern eingesetzt werden. Es besteht
jedoch auch die Möglichkeit,
das Verfahren in einem Datennetz mit einem drahtgebundenen Teil
und zumindest einer Funkschnittstelle zu realisieren. In einer solchen
Variante erfolgt eine Wandlung von dominanten und rezessiven Zuständen im
drahtgebundenen Teil in dominante und rezessive Zustände auf
dem Funkkanal der zumindest einen Funkschnittstelle und umgekehrt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Signale
auf dem Funkkanal mit einer Frequenz in dem sog. ISM-Frequenzband
(ISM = Industrial Scientific Medical) übertragen, welches ein lizenzfreies
Frequenzband ist. Beispielsweise kann als Übertragungsfrequenz 2,4 GHz
eingesetzt werden. Die Reichweite des in dem erfindungsgemäßen Verfahren
verwendeten Funkkanals ist in einer bevorzugten Variante der Erfindung
lokal begrenzt und reicht beispielsweise von 1 mm bis 100 m. Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird somit bevorzugt in lokalen Funknetzen verwendet, welche einen
begrenzten räumlichen
Bereich abdecken. Beispielsweise kann hierdurch ein drahtloses Feldbus-System
realisiert werden, in dem Teilnehmer in einem räumlich begrenzten Umkreis miteinander
vernetzt werden.
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Ein
bevorzugter Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Steuerung
von Teilnehmern in der Form von Geräten einer Automatisierungsanlage,
wobei zumindest ein Teil der Geräte
vorzugsweise über
eine Funkschnittstelle an das Datennetz angebunden sind. Beispielsweise
können die
Geräte
in der Automatisierungsanlage einen Bestückungsautomaten für Halbleiterplatinen
umfassen, der über
eine Funkschnittstelle an das Datennetz angebunden ist. Ein solcher
Automat weist sich schnell drehende mechanische Teile auf, so dass eine
drahtgebundene Anbindung an das Datennetz nur aufwändig realisiert
werden kann. In diesem Fall bietet sich im Besonderen die Verwendung
eines Funkkanals einer Funkschnittstelle zur Signalübertragung
hin zu bzw. weg von diesem Bestückungsautomaten
an.
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Neben
dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein
Datennetz zur Übertragung
von Signalen, wobei das Datennetz derart ausgestaltet ist, dass
im Betrieb des Datennetzes Signale basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren übertragen
werden. In dem Datennetz kann dabei jede der oben beschriebenen
Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwendet werden. Das Datennetz ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ein Feldbus-System, insbesondere ein CAN-Feldbus-System, mit einem drahtgebundenen
Teil und zumindest einer Funkschnittstelle. Gegebenenfalls kann
auch das gesamte Feldbus-System als drahtloses Feldbus-System realisiert
sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren
detailliert beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer drahtlosen Signalübertragung gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine
schematische Darstellung des Ablaufs einer bitweisen Arbitrierung,
welche in einer Ausführungsform
der Erfindung zur Priorisierung von Rahmen eingesetzt wird; und
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3 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Signalübertragung.
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In
den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
werden Signale in einem Feldbus-System zwischen einer Vielzahl von
Teilnehmern in der Form von Feldgeräten übertragen. Bei den Feldgeräten kann
es sich um unterschiedliche Geräte,
wie z. B. Sensoren, Stellglieder, Antriebe und dergleichen, handeln,
welche an den Feldbus angeschlossen sind. Gemäß der Ausführungsform der 1 wird
ein Feldbus-System geschaffen, welches ausschließlich drahtlos Signale über den
Funkkanal einer Funkschnittstelle überträgt. Zwecks Vereinfachung sind
in 1 lediglich zwei Teilnehmergeräte A und B dargestellt, welche über einen
entsprechenden Funkkanal F einer Funkschnittstelle mittels Sende-
bzw. Empfangsantennen miteinander kommunizieren. Gemäß 1 bezeichnet
TA die Sendeantenne des Teilnehmers A und TB die Sendeantenne des
Teilnehmers B. Demgegenüber
bezeichnet RA die Empfangsantenne des Teilnehmers A und RB die Empfangsantenne
des Teilnehmers B.
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In
einem Feldbus-System müssen
die einzelnen Signale, welche basierend auf Rahmen übertragen
werden, geeignet priorisiert werden, wobei gleichzeitig sichergestellt
werden muss, dass keine Rahmen verloren gehen. Dies erfolgt in der
Ausführungsform
gemäß 1 über eine
sog. bitweise Arbitrierung, die insbesondere in CAN-Feldbussen eingesetzt
wird. Die bitweise Arbitrierung ist an sich bekannt, wird nunmehr
jedoch über
einen einzelnen Funkkanal einer Funkschnittstelle realisiert. Dies
wird dadurch ermöglicht,
dass auf dem Funkkanal ein dominanter und ein rezessiver Zustand übertragen
werden, welche bei der Durchführung
der bitweisen Arbitrierung benötigt
werden. In der Ausführungsform
gemäß 1 werden
die dominanten und rezessiven Zustände durch eine Modulation des
Trägersignals des
Funkkanals erzeugt. Vorzugsweise wird dabei die sog. OOK-Amplitudenumtastung
verwendet, bei der es sich um eine digitale Modulationsart handelt, mit
der in der hier beschriebenen Ausführungsform eine logische 0
durch ein angeschaltetes Trägersignal
und eine logische 1 durch ein abgeschaltetes Trägersignal erzeugt werden. Die
hierdurch realisierbare bitweise Arbitrierung wird nachfolgend anhand
von 2 erläutert,
wobei diese Arbitrierung und der Aufbau der zu übertragenden Rahmen an sich
bekannt sind und insbesondere in dem CAN-Feldbus eingesetzt werden.
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2 geht
von einem Szenario aus, bei dem beide Teilnehmer A und B einen Rahmen übertragen möchten und
durch die bitweise Arbitrierung festgelegt wird, welcher Teilnehmer
den Rahmen zuerst überträgt. Die
Struktur des Rahmens ist im oberen Bereich von 2 wiedergegeben.
Der Rahmen umfasst ein SOF-Bit
(SOF = Start of Frame), welches den Anfang des Rahmens anzeigt.
Hieran schließt sich
ein Identifikationsfeld Id an, bei dem es sich um ein 11-Bit-Feld
handelt, welches bitweise belegt ist und dem Identifikationswert
im Sinne des Anspruchs 1 entspricht. An das Identifikationsfeld
Id schließt
sich ein sog. Anforderungsbit RTR an, über welches unterschieden wird,
ob der Rahmen ein sog. Datentelegramm oder ein sog. Datenanforderungstelegramm ist.
Schließlich
folgen ein Steuerfeld CF und daran anschließend das eigentliche Datenfeld
DF.
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Die
bitweise Arbitrierung erfolgt durch die Übertragung der Bits im Identifikationsfeld
Id und im Bitfeld RTR der jeweiligen Rahmen der Teilnehmer A und
B. In 2 ist diese Arbitrierungsphase als AP bezeichnet.
Ferner sind die bitweisen Belegungen des Felds Id für die Rahmen
des Teilnehmers A und des Teilnehmers B mit logischen Pegeln 1 und
0 wiedergegeben. Ein logischer Pegel 0 führt zur Übertragung eines Trägersignals
durch den entsprechenden Teilnehmer auf dem Funkkanal. Demgegenüber führt der
logische Pegel 1 zum Abschalten des Trägersignals durch den entsprechenden
Teilnehmer. Der logische Pegel 0 stellt den dominanten Pegel und
der logische Pegel 1 den rezessiven Pegel im Sinne des Anspruchs
1 dar. Die Zuweisung des dominanten Pegels zur logischen 0 und des
rezessiven Pegels zur logischen 1 ist lediglich beispielhaft und
es kann auch die umgekehrte Zuweisung gewählt werden. Das Aufschalten
lediglich eines dominanten Pegels auf den Funkkanal führt zu einem
dominanten Zustand des Funkkanals. Ein Übergang von dem dominanten in
den rezessiven Zustand des Funkkanals erfolgt nur dann, wenn alle
Teilnehmer, welche einen dominanten Pegel auf den Funkkanal schalten,
in den rezessiven Pegel umschalten, da ansonsten ein Trägersignal
auf dem Funkkanal verbleibt.
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In
der Arbitrierungsphase senden der Teilnehmer A und der Teilnehmer
B, welche miteinander synchronisiert sind, ihre Bitfolge gemäß dem Feld
Id. Gleichzeitig überwacht
jeder Teilnehmer den Zustand auf dem Funkkanal. Sobald ein Teilnehmer
feststellt, dass der Zustand des Funkkanals nicht seinem Pegel entspricht,
geht er auf den rezessiven Pegel. In 2 ist der
Zustand auf dem Funkkanal in der Arbitrierungsphase und danach in
der unteren Zeile F wiedergegeben, wobei ein dominanter Zustand
als logische 0 (bedeutet Trägersignal
an) und ein rezessiver Zustand als logische 1 (bedeutet Trägersignal
aus) dargestellt ist. Gemäß 2 schalten
die beiden Teilnehmer A und B zunächst für die zwei Bits 10 und 9 auf
einen rezessiven Pegel und anschließend gehen beide Teilnehmer
für die
zwei Bits 8 und 7 auf den dominanten Pegel. Bis zum Bit 7 werden
durch diese aufgeschalteten Pegel die entsprechenden gleichen Zustände auf
dem Funkkanal F erzeugt. Im Bit 6 geht nunmehr der Teilnehmer A
auf den rezessiven Pegel, wohingegen der Teilnehmer B auf dem dominanten Pegel
bleibt, so dass auf dem Funkkanal F weiterhin der dominante Zustand
vorliegt. Da der Teilnehmer A nunmehr feststellt, dass sich sein
Pegel von dem Zustand auf dem Funkkanal unterscheidet, stellt er
seinen Arbitrierungsversuch ein und verbleibt anschließend auf
dem rezessiven Pegel. Der Teilnehmer B durchläuft weiterhin die Arbitrierungsphase,
wobei die anschlie ßend
aufgeschalteten rezessiven und dominanten Pegel auch immer den sich
daraus ergebenden rezessiven und dominanten Zuständen auf dem Funkkanal F entsprechen,
denn es ist kein weiterer Teilnehmer mehr an der Arbitrierungsphase
beteiligt. Nach Durchlaufen der Arbitrierungsphase sendet der Teilnehmer
B seine Daten im Datenfeld DF über
den Funkkanal F, was in 2 dadurch angedeutet ist, dass
das für
den Teilnehmer B schraffiert angedeutete Datenfeld DF nunmehr auch
als entsprechende Schraffur im Funkkanal F auftritt. In einer späteren Arbitrierungsphase
wird dann wieder neu entschieden, welcher Teilnehmer gemäß dem Identifikationswert
im Identifikationsfeld Id seinen Rahmen senden darf. In der Ausführungsform
der 2 wird dabei immer derjenige Rahmen übertragen,
dessen Identifikationswert am niedrigsten ist.
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Anhand
von 1 wurde eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
beschrieben, bei der ein komplett drahtloser Feldbus realisiert wurde.
Erfindungsgemäß ist es
auch möglich,
nur Teilstrecken des Feldbusses drahtlos auszugestalten und den
Rest des Systems in an sich bekannter Weise drahtgebunden zu realisieren.
Eine solche Ausführungsform
ist in 3 gezeigt. In 3 ist ein Feldbus-System
mit paralleler Verdrahtung und drei Teilnehmern A, B und C wiedergegeben.
Der Feldbus zwischen Teilnehmer A und Teilnehmer B ist dabei teilweise
drahtlos durch einen entsprechenden Funkkanal F ausgestaltet, wohingegen
der Rest des Feldbus-Systems drahtgebunden ist. Um die Übertragung über den
Funkkanal F zu realisieren, umfasst die Ausführungsform gemäß 3 entsprechende Wandler
W1 und Wandler W2 mit zugeordneten Sendeantennen T1 bzw. T2 und
zugeordneten Empfangsantennen R1 bzw. R2. Der Wandler W1 wandelt dabei
den auf dem Bus drahtgebunden signalisierten dominanten bzw. rezessiven
Zustand zwischen sich und Teilnehmer A in einen entsprechenden dominanten
bzw. rezessiven Zustand auf dem Funkkanal F, d. h. er überträgt je nach
Zustand ein Trägersignal über die
Sendeantenne T1 oder nicht. Analog empfängt der Wandler W1 das entsprechende
Signal auf dem Funkkanal F über
die Antenne R1 und wandelt den dadurch drahtlos empfangenen dominanten
bzw. re zessiven Zustand in ein entsprechendes drahtgebundenes Signal
für den
drahtgebunden Teil hin zum Teilnehmer A. Die gleichen Funktionen
wie der Wandler W1 erfüllt
der Wandler W2 auf der anderen Seite des Funkkanals F, auf welcher
die Teilnehmer B und C ihre Pegel auf den Bus aufschalten.
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Die
Ausführungsform
der 3 kann beispielsweise dadurch abgewandelt werden,
dass ein Teilnehmer direkt über
den drahtlosen Funkkanal F an den Bus angebunden ist. Beispielsweise
könnte der
Teilnehmer A unmittelbar an der Stelle realisiert sein, an der sich
in 3 der Wandler W1 befindet. Hierdurch wird eine
direkte drahtlose Funkschnittstelle an einem Teilnehmergerät zur Signalübertragung auf
den Bus realisiert. Eine solche Ausführungsform kommt beispielsweise
bei Teilnehmergeräten
in Betracht, welche sich sehr schnell drehende und/oder schnell
schwenkende mechanische Komponenten aufweisen, wie es beispielsweise
bei einem Bestückungsautomaten
für Halbleiterplatinen
der Fall ist. Dort ist eine drahtgebundene Anbindung an den Feldbus
unerwünscht,
da es durch die drehenden Komponenten zu einer Verdrehung von Kabeln
kommen kann. In einem solchen Fall ist es besonders vorteilhaft,
den Teilnehmer direkt über
eine drahtlose Funkschnittstelle an den Bus anzubinden. Es kann dabei
insbesondere auf anfällige
Schleifringe verzichtet werden, welche herkömmlicherweise bei der drahtgebundenen
Anbindung von Teilnehmergeräten mit
drehenden Komponenten verwendet werden.
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Wie
sich aus den vorangegangenen Ausführungen ergibt, wird durch
die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung eine drahtlose Signalübertragung in einem Feldbus-System
erreicht, indem eine drahtlose Signalisierung von rezessiven und
dominanten Zuständen
auf einem Funkkanal ermöglicht wird.
Die Datenübertragung
erfolgt dabei wie bei herkömmlichen
Feldbussen kollisionsfrei und verlustfrei.