DE102015213390A1 - Bus coupler for a field bus and method for transmitting a bus signal - Google Patents
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Abstract
Buskoppler für einen Feldbus mit einer Feldbuspotentialgruppe 1, einer galvanisch davon getrennten Gerätepotentialgruppe 2, einem ersten Optokopler 4 zur Übertragung eines Bussignals und einem Empfänger 3 oder einem Sender 6 zum Empfangen oder Senden eines Bussignals wobei ein Summierer 7, ein Generator 9, eine Auswerteinheit 10, eine Korrektureinheit 11, ein Hochpass 12 und ein Tiefpass 13 vorhanden sind, der Generator 9 ein Testsignal erzeugt, das Testsignal eine niedrigere Frequenz aufweist als das Bussignal, der Summierer 7 das Testsignal und das Bussignal summiert, der Optokopler 4 dieses Summensignal überträgt, die beiden Signale nach ihrer Übertragung durch eine Frequenzweiche 12, 13 getrennt werden und das übertragene Testsignal mit dem originalen Testsignal verglichen wird, wobei eine Übertragungsfunktion und deren inverse Übertragungsfunktion erzeugt wird, und die inverse Übertagungsfunktion zur Beeinflussung des Bussignals mit Hilfe der Korrektureinheit 11 verwendet wird. Außerdem wird ein Verfahren zur Übertragung eines Bussignals mit einem Buskoppler beansprucht.Bus coupler for a fieldbus having a fieldbus potential group 1, a galvanically separated device potential group 2, a first optocopler 4 for transmitting a bus signal and a receiver 3 or a transmitter 6 for receiving or transmitting a bus signal where a summer 7, a generator 9, an evaluation unit 10 , a correction unit 11, a high pass 12 and a low pass 13 are present, the generator 9 generates a test signal, the test signal has a lower frequency than the bus signal, the totalizer 7 sums the test signal and the bus signal, the optocoupler 4 transmits this sum signal, the two signals are separated after their transmission through a crossover 12, 13 and the transmitted test signal is compared with the original test signal, wherein a transfer function and its inverse transfer function is generated, and use the inverse transfer function for influencing the bus signal by means of the correction unit 11 et will. In addition, a method for transmitting a bus signal is claimed with a bus coupler.
Description
Die Erfindung betrifft einen Buskoppler für einen Feldbus gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Übertragung eines Bussignals gemäß Anspruch 5. The invention relates to a bus coupler for a fieldbus according to the preamble of
Feldbusse, wie AS-Interface, CANopen, CC-Link, ControlNet, DeviceNet, Interbus, oder Profibus sind in der industriellen Automatisierungstechnik inzwischen weit verbreitet.Fieldbuses such as AS-Interface, CANopen, CC-Link, ControlNet, DeviceNet, Interbus, or Profibus are now widely used in industrial automation technology.
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.The connection between the fieldbus and the sensors or actuators preferably takes place galvanically in the systems mentioned. But there are also applications where galvanic isolation, i. H. a potential-free signal transmission is required between the modules located on the field bus potential and the components of the bus coupler located on a device potential. In the following, the former is referred to as a fieldbus potential group and the latter as a device potential group.
Die
Die
Die
Die
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. If defined signal levels or defined signal shapes are required, which corresponds to an analog signal transmission, these measures are not sufficient to compensate for item scattering, component aging and, above all, temperature changes. which are pronounced in optocouplers and affect the transmission characteristics (CTR = Current Transfer Ratio).
Die
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.The object of the invention is to at least partially overcome the deficiencies of the prior art, and to provide a more suitable for field buses optical transmission system and a method for its operation.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie des Verfahrensanspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. This object is achieved with the characterizing features of
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. The essential idea of the invention is to transmit the bus signal together with a low-frequency test signal with a first optocoupler, wherein the two signals are summed prior to transmission and separated after transmission by bandpasses. For synchronization, the test signal is transmitted either separately with another optocoupler in the opposite direction, or coded with a characteristic bit sequence to the required for comparison of the ideal test signal (original test signal) with the transmitted test signal synchronization, ie information about the phase position of the two signals to obtain. Subsequently, the original test signal is compared with the actually transmitted test signal so as to obtain the transfer function (characteristic curve) of the optocoupler, which can be done by pointwise division of the two waveforms. On the basis of the thus obtained transfer function, more precisely the inverse, the bus signal is transmitted by transmitter-side distortion and / or Receiver-side equalization corrected. What can be done by a controller or in a control loop.
Das Testsignal liegt vorteilhaft in einem Frequenzbereich außerhalb der vom Feldbus genutzten Frequenzen, erfindungsgemäß unterhalb der Feldbusfrequenz. The test signal is advantageously in a frequency range outside the frequencies used by the fieldbus, according to the invention below the fieldbus frequency.
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. Since the transmission of the field bus signals takes place without a high-frequency carrier signal, the correction can be made over the entire bandwidth of the bus coupler and thus also of the field bus if the bandwidth of the optocoupler is sufficient for this.
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. The correction values for the bus signal (useful data) can be determined either with an analog or a digital circuit, with the aid of software, or with programmable logic components (ASICs or PLDs), without departing from the invention.
Die Erfindung ist auch für Optokoppler mit nichtlinearer Übertragungskennlinie anwendbar. The invention is also applicable to non-linear transfer characteristic optocouplers.
Dann sind mehrere Testsignale mit unterschiedlichen Pegeln (Amplituden) oder ein kompliziertes mit mehreren Amplitudenstufen erforderlich.Then several test signals with different levels (amplitudes) or a complicated one with several amplitude levels are required.
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. An advantage of the invention is that low cost standard optocouplers can be used. In addition, high impedances in the range of several kΩ are achieved because of the elimination of a transformer, so that the bus line is hardly loaded.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.
Die
Das entstandene Summensignal wird mit einem Optokopler
Das Testsignal stammt von einem Generator
Nach der Übertragung auf das Gerätepotential werden das Bussignal und das Testsignal durch eine aus dem Hochpass
Das Testsignal gelangt nun zu einer Auswerteeinheit
Die dadurch gewonnene Übertragungsfunktion bildet die Grundlage für eine Signalkorrektur, die im Wesentlichen der reziproken Übertragungsfunktion des Optokopplers
Die Ermittlung der Übertragungskennlinie und die Korrektur des Bussignals können analog, digital oder auch durch eine programmierbare Logikschaltung ausgeführt werden. The determination of the transfer characteristic and the correction of the bus signal can be performed analog, digital or by a programmable logic circuit.
Um die Übertragungsfunktion (Kennlinie) des Optokopplers
Die
Nach der Trennung wird das Testsignal einem Schwellwertschalter
Die Korrektur des Sendesignals erfolgt wie oben beschrieben mit Hilfe der Korrektureinheit
Die
Die
Bei der Referenzierung der Optokoppler wird die Richtung der Signalübertragung durch Klammern angezeigt: (
Wenn der bidirektionale Buskoppler
Der Ablauf ist wie bereits in der Beschreibung zur
Die Funktion der Baugruppen im Sendebetrieb ist in der Beschreibung zur
Das Sendesignal durchläuft den Hochpass
Dort wird es von einem mit TP2 bezeichneten Tiefpass
Es sei noch erwähnt, dass der Generator
Die Schwellwertschalter
Die
Es ist zu erwähnen, dass die in den
Die
Nur die direkt mit der Busleitung (Feldbus
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
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
Die Rückübertragung durch den baugleichen und thermisch mit dem Optokoppler
Das Testsignal dient dazu, die u. a. auch von der Umgebungstemperatur abhängige und damit veränderliche Übertragungsfunktion, bzw. den Übertragungsfaktor des Optokopplers
Die Signale werden nach der Übertragung durch eine Frequenzweiche (
Das Testsignal steht in keinem inhaltlichen Zusammenhang mit einem Bussignal und enthält keine über den Feldbus
In den
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 ).
- Generation of a low-frequency test signal compared to the bus signal,
- Summation of the test signal with the bus signal to generate a sum signal,
- - Potential-free transmission of the sum signal with an optocoupler (
4 ) - Separation of the test signal from the bus signal by means of a crossover network (
12 .13 ) - Comparison of the transmitted test signal with the original test signal and generation of the reciprocal transfer function of the optocoupler (
4 ) by the signal comparison, - Correction of the already transmitted or yet to be transmitted bus signal on the basis of the reciprocal transfer function of the bus coupler (
4 ) with the help of the correction unit (11 ).
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Feldbuspotentialgruppe, auf Feldbuspotential, galvanisch vom Gerätepotential getrennt Feldbuspotentialgruppe, on Feldbuspotential, galvanically isolated from the device potential
- 22
- Gerätepotentialgruppe, auf Gerätepotential, galvanisch vom Feldbuspotential getrennt Device potential group, at device potential, galvanically isolated from the fieldbus potential
- 33
- Empfänger (zum Empfang des Bussignals) Receiver (to receive the bus signal)
- 44
- Erster Optokoppler (für das Bussignal) First optocoupler (for the bus signal)
- 55
- Zweiter Optokoppler (für das Testsignal) Second optocoupler (for the test signal)
- 66
- Sender (zum Aussenden des Bussignals) Transmitter (for sending the bus signal)
- 77
- Summierer (summiert das Bussignal und das Testsignal) Totalizer (sums the bus signal and the test signal)
- 88th
- Schwellwertschalter (Trigger) Threshold switch (trigger)
- 99
- Signalgenerator (generiert das Testsignal, optional auch abstimmbar) Signal generator (generates the test signal, optionally also tunable)
- 1010
- Auswerteeinheit (für das Testsignal und zur Steuerung der Korrektureinheit) Evaluation unit (for the test signal and for the control of the correction unit)
- 1111
- Korrektureinheit (zur Korrektur des Bussignals) Correction unit (to correct the bus signal)
- 1212
-
Hochpassfilter (
12 +13 = Frequenzweiche)High pass filter (12 +13 = Crossover) - 1313
- Tiefpassfilter (TP1 und TP2 mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen) Low pass filter (TP1 and TP2 with different cutoff frequencies)
- 1414
-
Bidirektionaler Bustreiber, Transceiver für den Feldbus
16 Bidirectional bus driver, transceiver for thefieldbus 16 - 1515
- Codegenerator (spezieller Signalgenerator für das Testsignal) Code generator (special signal generator for the test signal)
- 1616
- Feldbus fieldbus
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102005059012 A1 [0005] DE 102005059012 A1 [0005]
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- WO 2003/010416 A2 [0007] WO 2003/010416 A2 [0007]
- DE 102011083075 A1 [0009] DE 102011083075 A1 [0009]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |