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Die Erfindung betrifft einen Buskoppler für einen Feldbus gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Übertragung eines Bussignals gemäß Anspruch 5.
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Feldbusse, wie AS-Interface, CANopen, CC-Link, ControlNet, DeviceNet, Interbus, oder Profibus sind in der industriellen Automatisierungstechnik inzwischen weit verbreitet.
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Die Verbindung zwischen dem Feldbus und den Sensoren bzw. Aktoren erfolgt bei den genannten Systemen vorzugsweise galvanisch. Es gibt aber auch Anwendungsfälle, wo die galvanische Trennung, d. h. eine potentialfreie Signalübertragung zwischen den auf Feldbuspotential und den auf einem Gerätepotential befindlichen Baugruppen des Buskopplers erforderlich ist. Im Folgenden wird die ersteren als Feldbuspotentialgruppe und die letzteren als Gerätepotentialgruppe bezeichnet.
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Die
DE 199 47 501 A1 offenbart einen Buskoppler für ein Aktuator-Sensor-Interface (AS-i) mit einem Trennbauelement zur galvanischen Trennung zwischen der (Feld) Busleitung und den Anschlüssen für Aktuatoren oder Sensoren. Die Trennung erfolgt vorzugsweise über einen Transformator, wobei die Verwendung von Optokopplern erwähnt, nicht näher betrachtet wird.
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Die
DE 10 2005 059 012 A1 offenbart ein AS-i-Bus-System zum Anschluss von Sensoren oder Aktoren, wobei die Übertragung zumindest teilweise drahtlos ausgebildet ist. Das soll direkt oder auch indirekt mit einer optischen Sende-Empfangseinrichtung erfolgen.
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Die
DE 10 2010 064 027 A1 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung eines für den Empfang von vorzugsweise digitalen Signalen ausgelegten Empfangskanals mit einem Optokoppler als Potentialtrennglied, wobei die dem Potentialtrennglied zugeführte Grundleistung solange erhöht oder abgesenkt wird, bis ein definierter Signalparameter auf der Sekundärseite einen Schwellenwert unterschreitet bzw. überschreitet. Dabei wird ein Testbit-Impuls zur Ermittlung der Verzögerungszeit beim Passieren des Potentialtrenngliedes erzeugt. Die Verzögerungszeit wird anhand der Impulsbreite und bei starken Verzerrungen anhand der damit verbundenen Amplitudenreduzierung bestimmt. Der Zweck besteht darin, die Optokoppler so gering wie möglich mit Strom zu belasten. Die Signalform wird nicht korrigiert.
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Die
WO 2003 / 010 416 A2 beschreibt eine Schnittstelle für Lichtsteuergeräte, bei dem die Bitlänge durch Mitlesen der vom Sendezweig übermittelten Funktionen durch den weniger toleranzempfindlichen Empfangszweig derselben Seite kontrolliert und korrigiert wird. Hier bleibt die Amplitude des übertragenen Signals unbeeinflusst.
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Falls definierte Signalpegel oder definierte Signalformen notwendig sind, was einer analogen Signalübertragung entspricht, reichen diese Maßnahmen nicht aus, um Exemplarstreuungen, Bauteilalterung und vor allem Temperaturänderungen auszugleichen. die bei Optokopplern ausgeprägt sind, und sich auf die Übertragungseigenschaften (CTR = Current Transfer Ratio) auswirken.
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Die
DE 10 2011 083 075 A1 offenbart eine Anordnung zur freien Übermittlung von digitalen und analogen Signalen über dieselbe Schnittstelle zur Datenübertragung mit einem Beleuchtungssystem. Übertragen werden vorzugsweise frequenzmodulierte Signale. Gezeigt wird eine Anordnung mit einem ersten Optokoppler zur Vorwärtsübertragung und einen zweiten Optokoppler zur Rückübertragung eines linearen (analogen) Kontrollsignals. Nachteilig sind die Modulation des Analogsignals mit einen Trägersignal mit üblicherweise höherer Frequenz und die damit verbundene Begrenzung der Bandbreite des Analogsignals.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Mängel des Standes der Technik zumindest teilweise zu beseitigen, und ein für Feldbusse besser geeignetes optisches Übertagungssystem und ein Verfahren zu seinem Betrieb anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie des Verfahrensanspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, das Bussignal gemeinsam mit einem niederfrequenten Testsignal mit einem ersten Optokoppler zu übertragen, wobei die beiden Signale vor der Übertragung summiert und nach der Übertragung durch Bandpässe getrennt werden. Zur Synchronisation wird das Testsignal entweder mit einem weiteren Optokoppler separat in der Gegenrichtung übertragen, oder mit einer charakteristischen Bitfolge codiert, um die zum Vergleich des idealen Testsignals (originalen Testsignal) mit dem übertragenen Testsignal erforderliche Synchronisation, d. h. eine Information über die Phasenlage der beiden Signale zu erhalten. Anschließend wird das originale Testsignal mit dem tatsächlich übertragenen Testsignal verglichen, um so die Übertragungsfunktion (Kennlinie) des Optokopplers zu erhalten, was durch punktweise Division der beiden Signalverläufe geschehen kann. Auf der Grundlage der dadurch gewonnenen Übertragungsfunktion, genauer der Inversen, wird das Bussignal durch senderseitige Verzerrung und/oder empfängerseitige Entzerrung korrigiert. Was durch eine Steuerung oder auch in einer Regelschleife geschehen kann.
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Das Testsignal liegt vorteilhaft in einem Frequenzbereich außerhalb der vom Feldbus genutzten Frequenzen, erfindungsgemäß unterhalb der Feldbusfrequenz.
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Da die Übertragung der Feldbussignale ohne ein hochfrequentes Trägersignal erfolgt, kann die Korrektur über die gesamte Bandbreite des Buskopplers und damit auch des Feldbusses erfolgen, sofern die Bandbreite des Optokopplers dafür ausreicht.
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Die Korrekturwerte für das Bussignal (Nutzdaten) können wahlweise mit einer analogen oder einer digitalen Schaltung, mit Hilfe von Software, oder mit von programmierbaren Logikbausteinen (ASICs oder PLDs) ermittelt werden, ohne die Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist auch für Optokoppler mit nichtlinearer Übertragungskennlinie anwendbar.
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Dann sind mehrere Testsignale mit unterschiedlichen Pegeln (Amplituden) oder ein kompliziertes mit mehreren Amplitudenstufen erforderlich.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass preisgünstige Standard-Optokoppler verwendet werden können. Außerdem werden wegen des Wegfalls eines Transformators hohe Impedanzen im Bereich von mehreren kΩ erreicht, so dass die Busleitung kaum noch belastet wird.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung des Empfangskanals,
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung des Sendekanals,
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3 zeigt eine spezielle Ausgestaltung des Empfangskanals,
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4 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung mit Sende- und Empfangskanal,
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5 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Anordnung mit Sende- und Empfangskanal,
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6 zeigt einen Feldbus 16 mit einem Master und diversen Slaves mit Sensoren und/oder Aktoren.
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Die 1 zeigt einen passiven Buskoppler für einen Feldbus 16. Das Bussignal gelangt vom Receiver Rx (Empfänger) eines bidirektionalen Bustreibers 14 zu einem Summierer 7, wo es zu einem Testsignal addiert wird.
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Das entstandene Summensignal wird mit einem Optokopler 4 von der auf Feldbuspotential liegenden Feldbuspotentialgruppe 1 zur galvanisch getrennten Gerätepotentialgruppe 2 übertragen.
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Das Testsignal stammt von einem Generator 9, und wurde vorher durch einen zweiten Optokoppler 5 vom Gerätepotential auf Feldbuspotential übertragen, und von einem Schwellwertschalter 8 auf einen definierten Signalpegel angehoben (regeneriert) wurde.
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Nach der Übertragung auf das Gerätepotential werden das Bussignal und das Testsignal durch eine aus dem Hochpass 12 und dem Tiefpass 13 bestehende Frequenzweiche voneinander getrennt.
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Das Testsignal gelangt nun zu einer Auswerteeinheit 10, wo es punktweise mit dem vom Generator 9 erzeugten originalen Testsignal verglichen wird.
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Die dadurch gewonnene Übertragungsfunktion bildet die Grundlage für eine Signalkorrektur, die im Wesentlichen der reziproken Übertragungsfunktion des Optokopplers 4 entspricht. Sie wird von der Auswerteeinheit 10 berechnet und von der Korrektureinheit 11 ausgeführt. Das korrigierte Bussignal (Empfangssignal) gelangt nun zum Empfänger 3, wo es auf die bekannte Weise ausgewertet wird.
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Die Ermittlung der Übertragungskennlinie und die Korrektur des Bussignals können analog, digital oder auch durch eine programmierbare Logikschaltung ausgeführt werden.
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Um die Übertragungsfunktion (Kennlinie) des Optokopplers 4 genauer zu erfassen, sind vorteilhaft mindestens zwei Testsignale mit unterschiedlichen Pegeln zu verwenden.
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Die 2 zeigt einen aktiven Buskoppler für dem Feldbus 16, wobei das von einem Sender 6 erzeugte Bussignal (Nutzsignal) über eine Korrektureinheit 11 zu einen Summierer 7 gelangt, wo es zu einem Testsignal addiert wird. Das Testsignal wurde von einem ebenfalls auf dem gleichen Gerätepotential befindlichen Generator 9 erzeugt. Das entstandene Summensignal wird anschließend mit dem ersten Optokoppler 4 auf das Feldbuspotential übertragen. Dort werden die Signale wie oben beschrieben voneinander getrennt. Das Bussignal gelangt über den Hochpass 12 zum bidirektionalen Bustreiber 14, wo es von dessen Driver Tx (Treiber) als Sendesignal in den Feldbus 16 eingekoppelt wird.
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Nach der Trennung wird das Testsignal einem Schwellwertschalter 8 zugeführt, wo es digitalisiert, d.h. auf einen definierten Pegel gebracht wird. Anschließend wird es vom zweiten Optokoppler 5 auf das Gerätepotential übertragen, wo es in der Auswerteeinheit 10 mit dem originalen Testsignal verglichen wird. Die Übertragungsfunktion des Optokopplers 4 erhält man beispielsweise mit einem dreieckigen Testsignal, indem der Signalpegel nach der Übertragung durch den ersten Optokopler 4 anhand des Ansprechzeitpunkts des Schwellwertschalters 8 ermittelt wird. Der zweite Optokopler 5 liefert (überträgt) in diesem Fall nur den Ansprechzeitpunkt.
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Die Korrektur des Sendesignals erfolgt wie oben beschrieben mit Hilfe der Korrektureinheit 11
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Die 3 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, die ohne die zweifache Übertragung des Testsignals und damit auch ohne den zweiten Optokoppler 5 auskommt. Die Synchronisation der beiden Signale erfolgt hier durch die Modulation des Testsignals mit einer charakteristischen Bitfolge (Codefolge). An Stelle des Signalgenerators 9 tritt nun ein Codefolgengenerator 15. Er erzeugt eine Signalsequenz, deren Aufbau und zeitliche Abfolge der galvanisch getrennten Auswerteeinheit 10 bekannt ist, so dass die zur Synchronisation notwendige Phaseninformation beispielsweise durch Korrelation der beidseitig vorliegenden Bitfolgen gewonnen werden kann. Im einfachsten Fall kann das sogar nur ein Rechtecksignal mit einer für das System begrenzten Bandbreite sein. Sofern die Signalsequenz der Auswerteeinheit 10 bekannt ist, kann sie erkennen, ob ein Testsignal gesendet wurde, und die Signalkorrektureinheit 11 entsprechend ansteuern. Die Übertragungsfunktion (Kanaleigenschaften) des Optokopplers 4 kann nun auf die oben beschriebene Weise gewonnen werden.
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Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen bidirektionalen Buskoppler mit insgesamt drei Optokopplern, wobei der obere, mit 4 (5) bezeichnete, je nach Übertragungsrichtung sowohl zur Übertragung von Summensignalen als auch zur Übertragung von Testsignalen dient.
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Bei der Referenzierung der Optokoppler wird die Richtung der Signalübertragung durch Klammern angezeigt: (4), (5) bedeutet „aktiv“ (senden) und 4, 5 bedeutet „passiv“ (empfangen).
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Wenn der bidirektionale Buskoppler 14 als Empfänger, d.h. passiv arbeitet, wird das vom Generator 9 erzeugte Testsignal mit dem zweiten Optokoppler 5 zur Feldbuspotentialgruppe 1 übertragen.
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Der Ablauf ist wie bereits in der Beschreibung zur 1 erläutert. Die Unterschiede bestehen darin, dass die Feldbuspotentialgruppe 1 einen Summierer 7 mit einem dritten Eingang zur Übertragung des Testsignals im Sendebetrieb aufweist, die Gerätepotentialgruppe 2 einen zweiten mit TP2 bezeichneten Tiefpass 13 für das Sendesignal. Die beiden unterschiedlichen Tiefpässe TP1 und TP2 gibt es, weil der Optokoppler (5) das Empfangssignal in einem reservierten zweiten Frequenzbereich (Frequenzband) übertragen soll.
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Die Funktion der Baugruppen im Sendebetrieb ist in der Beschreibung zur 2 erläutert. Das vom Sender 6 erzeugte Sendesignal wird von der Korrektureinheit 11 an die Übertragungsfunktion des Optokopplers 5 angepasst und dem Mischer 7 zugeführt, wo es gemeinsam mit einem Testsignal vom Optokoppler 4 vom Gerätepotential auf das Feldbuspotential übertragen wird. Dort werden die Signale auf die bekannte Weise getrennt.
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Das Sendesignal durchläuft den Hochpass 12 und gelangt über den bidirektionalen Bustreiber 14 zum Feldbus 16. Das niederfrequente Testsignal wird vom Schwellwertschalter 8 auf einen definierten Pegel gebracht und dem Summierer 7 zugeführt, wo es separat oder als Summensignal mit dem Optokoppler 5 wieder auf das Gerätepotential übertragen wird.
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Dort wird es von einem mit TP2 bezeichneten Tiefpass 13 vom Summensignal getrennt und der senderseitigen Auswerteeinheit 10 zugeführt. Diese analysiert das Signal und korrigiert die Übertragungsfunktion (Kanaleigenschaften) des Optokopplers 5 mit der im Signalpfad befindlichen Korrektureinheit 11, indem das Bussignal mit der reziproken Überragungsfunktion des Optokopplers 5 multipliziert wird.
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Es sei noch erwähnt, dass der Generator 9 hier für beide Übertragungsrichtungen eingesetzt wird. Aus diesem Grund ist er abstimmbar dargestellt, wobei wie auch bei den anderen Baugruppen wegen der besseren Übersicht auf die Darstellung von notwendigen Steuerleitungen verzichtet wurde.
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Die Schwellwertschalter 8 können für beide Kanäle als mehrbittige A/D-Wandler ausgeführt sein.
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Die 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bidirektionalen Buskopplers mit drei Optokopplern, wobei der mit (4) 5 bezeichnete Optokoppler sowohl das Sendesignal als auch das empfängerseitige Testsignal überträgt. Die Funktion der einzelnen Baugruppen kann den obigen Beschreibungen entnommen werden. Auch hier wird das Testsignal des Empfangszweiges in einem reservierten Frequenzband gemeinsam mit den anderen Signalen mit über den Optokoppler (4) 5 des Sendezweiges übertragen. Aus diesem Grund gibt es auch hier zwei unterschiedliche Tiefpässe TP1 und TP2, und auch zwei unterschiedliche Generatoren 9 für die beiden Übertragungsrichtungen.
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Es ist zu erwähnen, dass die in den 1 bis 5 dargestellten Empfänger 3 und Sender 6 im Normalfall mit dem Analog-Frontend eines Busteilnehmers (Slave) verbunden sind, der eine integrierte Schaltung, insbesondere ein Field Programmable Gate Array (FPGA), oder einen Mikrocontroller µC aufweisen kann.
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Die 6 zeigt einen Feldbus 16 mit einem Master und den Slaves 1 bis n, die jeweils verschiedene Sensoren und/oder Aktoren aufweisen. Dargestellt sind zwei kapazitive, ein induktiver und ein Temperatursensor, sowie ein Motor als Aktor, die von einer übergeordneten Speicherprogrammier-baren Steuerung (SPS) über den Busmaster gesteuert werden. Einige der Sensoren/Aktoren sollen galvanisch vom Feldbus getrennt sein, was die erfindungsgemäße Datenübertragung erforderlich macht. Aus Platzgründen wurde auf die in den 1 bis 5 dargestellten galvanisch getrennten Potentialgruppen 1 und 2 verzichtet.
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Nur die direkt mit der Busleitung (Feldbus 16) verbundenen bidirektionalen Bustreiber 14 sind detaillierter mit Transmitter TX und Receiver RX dargestellt.
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Die Erfindung betrifft einen Feldbuskoppler zur optischen Übertragung eines Bussignals zwischen zwei galvanisch getrennten Potentialen, nämlich dem Feldbuspotential mit einer ersten Gruppe von Bauelementen (Feldbuspotentialgruppe 1) und einem Gerätepotential mit einer zweiten Gruppe von Bauelementen (Gerätepotentialgruppe 2), wobei erfindungsgemäß ein Testsignal mit einer Grundfrequenz unterhalb der Busfrequenz erzeugt, und als Summensignal zusammen mit dem Bussignal von dem einen Potential auf das andere übertragen wird. Nach der Übertragung werden die beiden Signale mit einer aus einem Hochpass 12 und einem Tiefpass 13 bestehenden Frequenzweiche (12, 13) wieder getrennt.
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Das übertragene Testsignal wird nun mit seinem Original, d. h. dem originalen Testsignal verglichen, was vorzugsweise durch eine punktweise Division der beiden zeitlichen Signalverläufe erfolgen kann. Die dafür notwendige Synchronisation erfolgt entweder durch eine separate Rückübertragung des regenerierten, auf einen definierten(Signal-)Pegel angehobenen Testsignals, oder durch Codierung des Testsignals mit einer charakteristischen Codefolge, die eine Synchronisation, beispielsweise durch Korrelation, erlaubt. Hierzu wird der Generator 9 durch einen Codegenerator 15 ersetzt.
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Die Rückübertragung durch den baugleichen und thermisch mit dem Optokoppler 4 gekoppelten zweiten Optokoppler 5 erlaubt eine weitere Messung der Übertragungsfunktion, wobei nur das Testsignal mit bekannter Form und bekanntem Pegel auf die gleiche Weise wie das Bussignal oder auch das Summensignal übertragen wird. Die Übertragungsfunktion besteht im einfachsten Fall, d. h. bei einem Rechtecksignal, aus dem Grundpegel und einem Übertragungsfaktor k für die Amplitude. Die anschließende Korrektur des Bussignals erfolgt Hilfe der von der Auswerteeinheit 10 gesteuerten Korrektureinheit 11 anhand der inversen Übertragungsfunktion, im genannten Fall wäre das 1/k.
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Das Testsignal dient dazu, die u. a. auch von der Umgebungstemperatur abhängige und damit veränderliche Übertragungsfunktion, bzw. den Übertragungsfaktor des Optokopplers 4 wenigstens punktweise zu erfassen. Hierbei wird die Übertragungsstrecke als Messwandler betrachtet, der ein Eingangssignal gemäß einer Übertragungsfunktion in ein Ausganssignal umwandelt.
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Die Signale werden nach der Übertragung durch eine Frequenzweiche (12, 13) getrennt. Das Bussignal wird korrigiert, indem es entweder vor der Übertragung verzerrt oder nach der Übertragung entzerrt wird, so das ein wenigstens näherungsweise dem empfangenem oder auszusendenden Bussignal entsprechendes Signal erzeugt wird.
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Das Testsignal steht in keinem inhaltlichen Zusammenhang mit einem Bussignal und enthält keine über den Feldbus 16 übertragene Daten, oder über den Feldbus zu übertragende Daten.
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In den 4 und 5 sind Anordnungen zur bidirektionalen Bussignalübertragung dargestellt. Hier werden ein erfindungsgemäßer aktiver unidirektionaler Feldbuskoppler und ein passiver unidirektionaler Feldbuskoppler mit jeweils zwei Optokopplern derart miteinander kombiniert, dass an Stelle der vier Optokoppler nur drei notwendig sind, wobei ein Optokoppler aus dem gerade nicht genutzten Übertragungszweig zur Übertragung eines Testsignals verwendet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende kennzeichnende Verfahrensschritte auf:
- – Erzeugung eines im Vergleich zum Bussignal niederfrequenten Testsignals,
- – Summation des Testsignals mit dem Bussignal zur Erzeugung eines Summensignals,
- – Potentialfreie Übertragung des Summensignals mit einem Optokoppler (4)
- – Trennung des Testsignals vom Bussignal mittels einer Frequenzweiche (12, 13)
- – Vergleich des übertragenen Testsignals mit dem originalen Testsignal und Erzeugung der reziproken Übertragungsfunktion des Optokopplers (4) durch den Signalvergleich,
- – Korrektur des bereits übertragenen oder noch zu übertragenden Bussignals anhand der reziproken Übertragungsfunktion des Buskopplers (4) mit Hilfe der Korrektureinheit (11).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Feldbuspotentialgruppe, auf Feldbuspotential, galvanisch vom Gerätepotential getrennt
- 2
- Gerätepotentialgruppe, auf Gerätepotential, galvanisch vom Feldbuspotential getrennt
- 3
- Empfänger (zum Empfang des Bussignals)
- 4
- Erster Optokoppler (für das Bussignal)
- 5
- Zweiter Optokoppler (für das Testsignal)
- 6
- Sender (zum Aussenden des Bussignals)
- 7
- Summierer (summiert das Bussignal und das Testsignal)
- 8
- Schwellwertschalter (Trigger)
- 9
- Signalgenerator (generiert das Testsignal, optional auch abstimmbar)
- 10
- Auswerteeinheit (für das Testsignal und zur Steuerung der Korrektureinheit)
- 11
- Korrektureinheit (zur Korrektur des Bussignals)
- 12
- Hochpassfilter (12 + 13 = Frequenzweiche)
- 13
- Tiefpassfilter (TP1 und TP2 mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen)
- 14
- Bidirektionaler Bustreiber, Transceiver für den Feldbus 16
- 15
- Codegenerator (spezieller Signalgenerator für das Testsignal)
- 16
- Feldbus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19947501 A1 [0004]
- DE 102005059012 A1 [0005]
- DE 102010064027 A1 [0006]
- WO 2003/010416 A2 [0007]
- DE 102011083075 A1 [0009]
