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Herkömmliche
Bussysteme, bei denen der Datentransfer über elektrisch leitende Verbindungen geschieht,
benötigen
zur vollständigen
Verbindung von mindestens zwei Kommunikationspartnern mindestens
drei Adern. Zwei Adern werden zur Versorgung mit elektrischer Energie
benutzt, die weitere Ader zum Datentransfer. Technisch realisiert
sind jedoch in der Regel Systeme, bei denen mindestens vier Adern
benutzt werden, davon mindestens zwei zum Datentransfer. Je nach
Art des Transfers (duplex/halbduplex oder seriell/parallel), Datenrichtung innerhalb
einer Ader (unidirektional/bidirektional) und den Transfer unterstützende Leitungen
(Takt, Alarm, Synchronisation, Freigabe, etc.) kann sich die Zahl der
benötigten
Leitungen deutlich erhöhen.
Vor allem im Bereich von Feldbussystemen (Systeme in der Mess- und
Regelungstechnik, die Sensoren, Aktoren, und Rechner/Controller
usw. über
größere Entfernungen
verbinden) ist eine steigende Anzahl von Leitungen mit wachsenden
Kosten und einer höheren
Wahrscheinlichkeit der fehlerhaften Verdrahtung verbunden. Oft ist
die Funktionsfähigkeit
eines Bussystems nur für
eine fest vorgegebene Topographie des Busses gegeben.
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Herkömmliche
Bussysteme arbeiten grundsätzlich
mit einer Wechselspannung, die moduliert wird, der also das Signal – der Informationsgehalt – aufgeprägt wird.
Es wird grundsätzlich
vermieden, einen Gleichstromanteil in der Übertragungsspannung zu erhalten.
Dieses Verfahren sind in den Druckschriften
DE 39 32 035 A1 und
US 38 18 481 beschrieben.
Herkömmliche
Bussysteme, die zugleich Daten und Leistung übertragen, prägen auf
den Leistung übertragenden
Strom Oberwellen auf, die die Information übertragen, z.B. G. Färber : Bussysteme
: Parallele und serielle Bussysteme in Theorie und Praxis, R. Oldenbourg
Verlag München
Wien, 1984, S. 99, Bild 110. Bei diesen Bussystemen besteht die Notwendigkeit,
Abschlusswiderstände
vorzusehen. (Die genannten Bussysteme unterscheiden sich somit grundsätzlich von
dem Bussystem der vorliegenden Erfindung, bei dem wesentlicher Bestandteil
gerade der Gleichstromanteil ist, der die Energieversorgung der
Busteilnehmer Sensoren und Aktoren sicherstellt).
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Eine
weitere Eigenschaft dieser Bussysteme ist, dass sie mit einer vorgegebenen Übertragungsgeschwindigkeit
von Daten (Baudrate) arbeiten. Diese muss vor Inbetriebnahme des
Bussystems allen Teilnehmern mitgeteilt, bzw. an ihnen eingestellt
werden. Es existiert die Möglichkeit,
durch eine zusätzliche
Ader – die
Taktleitung – eine
von einem Master vorgegebene Baudrate allen anderen Teilnehmern vorzugeben.
So ist die Baudrate in der Druckschrift
DE 39 32 035 A1 durch den
Taktgenerator 5 in
1 und den Wechselstrom
15 in
2 festgelegt. Ein solcher Bus
wird also synchron betrieben.
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Ein
weiteres Problem von Bussystemen, die über größere Entfernungen arbeiten,
ist, dass u.U. nicht alle Teilnehmer mit dem gleichen elektrischen Bezugspotential
arbeiten, also Querströme
fließen können, die
einerseits eine Datenübertragung
erschweren oder verhindern, andererseits auch Schäden an den
elektronischen Komponenten von Teilnehmern verursachen. Dies gilt
insbesondere, wenn die Teilnehmer mit Sensoren ausgerüstet sind,
die beispielsweise auf Potentialmessungen beruhen.
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Problemstellung
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Man
kann generell ein Bussystem mit den Augen eines Informatikers betrachten,
wie das im Vorhergehenden ausgeführt
wurde. Man kann jedoch ein Bussystem auch mit den Augen eines Physikers sehen.
In diesem Falle handelt es sich darum, dass elektromagnetische Wellen
bestimmter Form und Frequenz entlang von Leitern (metallisch und/oder dielektrisch)
geführt
werden, um Informationen zu übertragen.
Da eine solche Welle mit sich selbst Energie des elektromagnetischen
Feldes transportiert, kann im Prinzip nicht nur Information sondern
auch Energie übertragen
werden, etwa dadurch, dass an einer bestimmten Stelle des Leiters
die Amplitude der Welle durch Energieauskopplung verringert wird.
Es ist bekannt, dass maximal zwei metallische Leiter benötigt werden,
um eine solche Welle entlang der Leiter zu führen; es reicht jedoch auch
ein metallischer Leiter und beispielsweise die Erde als (dielektri scher) zweiter
Leiter, wenn Frequenzen verwendet werden, die beispielsweise durch
mikroelektronische Schaltkreise erzeugt werden können.
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Wenn
ein Bussystem unter diesem Aspekt aufgebaut wird, wie es gemäß der vorliegenden
Erfindung geschieht, dann handelt es sich dabei um die zweckmäßige Beantwortung
der Fragen:
- – Werden zwei oder ein Leiter
verwendet?
- – Werden
die zum Betrieb eines Teilnehmers (Slave) nötige Energie und die zum Ansprechen
des Slave erforderliche Information zeitlich gleichzeitig oder in
sich abwechselnden Phasen übertragen,
bei denen die eine Phase ausschließlich elektrische Feldenergie
ohne Informationsgehalt, die andere Phase Informationen zum Ansprechen der
Slave(s) überträgt?
- – Werden
Information und Feldenergie ohne Informationsgehalt mit gleicher
Frequenz übertragen, oder
werden für
beide Aufgaben zwei Wellen unterschiedlicher Frequenz verwendet?
- – Wird
die Ein- und Auskopplung von Information und Energie galvanisch,
induktiv, über
geschaltete Kapazitäten
oder durch Optokoppler vorgenommen?
- – Und
letztlich, wird das Leitersystem partiell durch metallische Leiter,
partiell durch einen dielektrischen Leiter aufgebaut?
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Unberührt von
diesen physikalischen Fragestellungen bleibt der informationstechnische
Aspekt zu beantworten, wie denn insbesondere die Informationsübertragung
geschieht,:
- – Ob sie asynchron geschehen
soll?
- – Mit
unterschiedlichen Baudraten je nach Bedarf,
- – Wie
die augenblicklich gültige
Baudrate allen Teilnehmern übermittelt
wird?
- – Welche
Voraussetzungen für
das Übertragungsprotokoll
zu erfüllen
sind, damit nicht nur der bidirektionale Datenverkehr zwischen einem
Master und mehreren Slaves gewährleistet
wird?
- – Sondern
insbesondere auch wie der Datenverkehr abgewickelt werden kann,
wenn mehrere Master am Bus angeschlossen sind.
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Beschreibung
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sDie
vorliegende Erfindung baut auf den vorstehenden Problemstellungen
auf und umfasst ein leitungsgebundenes Bussystem zur Übertragung
von Information und Energie zwischen mindestens einem Master und
mindestens einem Slave, dadurch gekennzeichnet,
- a.
dass der Bus auf der physikalischen Ebene aus maximal zwei metallischen
Leitern oder einem metallischen und einem dielektrischen oder einem einzigen
dielektrischen Leiter zur Führung
elektromagnetischer Feldenergie besteht und der Master oder die
Master vorrangig sowie die Slave(s) nach Aufforderung dem Bus ohne
Einschränkung
durch eine vorgegebene Topographie jeweils asynchron eine unregelmäßige Wellenform
in Abhängigkeit von
der Anforderung der Slave(s) gleicher oder unterschiedlicher Frequenz
aufprägen,
deren Gestalt weitgehend rechteckig ist, die aber durch die Rechtecke
in ihrer Anordnung neben Feldenergie auch Information überträgt und die
den Energiebedürfnissen
der Slaves entsprechend in ihrer Höhe in weiten Grenzen variieren
kann, wobei die Information einerseits durch den Wechsel zwischen
Ruhepolarität
und entgegengesetzt gerichteter Übertragungspolarität bitweise
und bidirektional übertragen
wird und wobei im Falle der Informationsübertragung von einem angesprochenen Slave
zum Master die dafür
notwendige elektromagnetische Energie vom jeweiligen Slave aus dem
ihm eigenen Energiespeicher entnommen wird, während der Master seine Energieeinspeisung
unterbricht, wobei die Ein- und Auskopplung von Feldenergie und
Information durch Master und Slaves je nach Art der verwendeten
Leiter und den Anforderungen an die Entkopplung der Potentiale galvanisch
oder induktiv oder durch geschaltete Kapazitäten oder optoelektronisch geschieht,
- b. dass die Baudrate für
die Datenübertragung dem
jeweiligen Anwendungsfall entsprechend gewählt werden kann, wobei die
Information über
die jeweils gültige
Baudrate aus der zeitlichen Abfolge der anfänglichen Übergänge zwischen Nicht-Ruhepolarität und Ruhepolarität eines
Datensatzes oder einer Nachricht durch Messung beim Slave entnommen
wird, wobei das Verhältnis
der Zeitdauer von jeweils erster Nicht-Ruhepolarität und Ruhepolarität eines
Datensatzes oder einer Nachricht innerhalb eines Bussystems festgelegt
ist, und dass die Datenübertragung
in Form von Datensätzen
erfolgt, die eine für
das Bussystem festgelegte Anzahl von Bits und damit genau festgelegte
Länge haben,
wobei innerhalb eines Datensatzes verschiedene Felder wie Adress-, Befehls-,
Datenfeld definiert sind, in denen genau festgelegte Informationen
für die
Empfänger
enthalten sind, wobei dies gleichermaßen für die Informationsübertragung
vom Master zum Slave und umgekehrt gilt und in einem solchen Fall
der jeweils angesprochene Slave seine Antwort in die für ihn reservierten
Felder eingibt;
- c. dass in Phasen, in denen keine Informationsübertragung
erfolgt, die eingespeiste Feldenergie allein zur Energieübertragung
an die Slaves dient, insbesondere zur Versorgung ihrer angeschlossenen
Sensoren und Aktoren sowie zur Auffüllung ihrer Energiespeicher
und dass in einem solchen Fall Amplitude und Frequenz erhöht werden
können,
- d. dass die zum Betrieb von Aktoren und Sensoren der angeschlossenen
Slave(s) notwendige Energie auch aus einer vom Bussystem unabhängigen Quelle
kommen kann und das Bussystem in diesen Fällen die zur Steuerung und
zum Betrieb der Sensoren und Aktoren notwendige Information überträgt,
- e. dass, wenn mehrere Master im Bussystem integriert sind, diese
sich über
ein Protokoll über
ihre Priorität
verständigen,
wobei dem jeweiligen Master eine unterschiedliche Frequenz und 1
oder auch eine unterschiedliche Datenübertragungsgeschwindigkeit
zugeordnet werden können,
- f. dass die Übertragung
des Datensatzes und die Teilnahme eines Slaves am Datentransfer
durch geeignete Hardwareschaltungen unterbrochen werden kann, wenn
das überwachende Übertragungsprotokoll
Fehler beim Datentransfer feststellt,
- g. dass der Anschluss eines Teilnehmers (Slave(s)) an die Adern
des Bussystems unabhängig von
einer Zuordnung an eine bestimmte Anschlusseinrichtung eines Teilnehmers,
d. h. der Anschluss verpolungssicher ist.
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Im
Folgenden werden die Vorteile der vorliegenden Erfindung am Ausführungsfall
eines Zweileitersystems mit mindestens einem metallischen Leiter gegenüber dem
oben beschriebenen Stand der Technik aufgezeigt:
- – Es werden
maximal nur zwei Adern zur Energieversorgung um zum Datentransfer
benötigt.
- – Es
stehen verschiedene Möglichkeiten
der Ein- und Auskopplung für
die elektro-magnetische Feldenergie, sei es unter dem Aspekt der Übertragung
von Information oder ausschließlich
von Energie zur Verfügung,
je nach dem Anwendungsfall in Form galvanischer, induktiver, geschalteter
kapazi tiver oder optoelektronischer Einrichtungen.
- – Es
existiert keinerlei vorgeschriebene Polarität der elektrischen bzw. dielektrischen
Leiter. Es ist damit unwesentlich, in welcher Kombination Leiter zweier
Teile des Bussystems miteinander verbunden, oder in welcher Kombination
der Anschlüsse/Leiter
Teilnehmer an das Bussystem angeschlossen werden, solange nicht
beide Leiter miteinander verbunden werden.
- – Es
gibt keine vorgeschriebene Übertragungsgeschwindigkeit
für Daten.
Damit kann die Übertragungsgeschwindigkeit
in weiten Bereichen den Verhältnissen
des Bussystems angepasst werden. Das Bussystem arbeitet somit asynchron und
stellt damit keine besonderen Anforderungen im Hinblick an die Kapazität, die Induktivität, oder den
Stromverbrauch seiner Teile.
- – Die
Spannung innerhalb des Bussystems kann in weiten Bereichen frei
gewählt
werden.
- – Jeder
Teilnehmer, der zugleich Verbraucher ist, erzeugt sich die von ihm
intern benötigten
Versorgungsspannungen selbst.
- – Das Übertragungsprotokoll
ist derart gestaltet, dass bei einem Fehler in der Datenübertragung die
Datenübertragung
durch eine Hardwareschaltung soweit unterbrochen wird, dass keine
fehlerhafte Übertragung
von Informationen erfolgt.
- – Es
wird, wenn erforderlich, eine weitestgehende Entkopplung der Bezugspotentiale
hinsichtlich der Teilnehmer erreicht.
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Realisiert
wird dieses Bussystem wie folgt Der Spannungsverlauf (in der Phase
der Informationsübertragung)
stellt sich als eine unregelmäßige Wechselspannung
dar, die möglichst
nahe an einen rechteckigen Spannungsverlauf herankommt. Bei jeder Änderung
der Spannung erfolgt ein Polaritätswechsel
der beiden Adern. Dieses wird durch mehrere Leistungshalbleiter
erreicht.
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Werden
die Einkopplung und Auskopplung von Energie in das Bussystem wie
erwähnt über Transformatoren
oder geschaltete Kapazitäten
vorgenommen, sollte für
die Phasen, in denen keine Informationsübertragung erfolgt, statt einer
stationären Ruhepolarität eine Wechselspannung
höherer
Frequenz eingespeist werden. Der damit verbundene Informationsgehalt
ist zwar Null, er (ist und) muss aber für die Teilnehmer erkennbar
sein, soll jedoch keine Wirkung im informationstechnischem Sinne
hervorrufen.
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Gegenüber einer
gegebenen Ruhepolarität erfolgen
zur Übertragung
eines Bits genau zwei Polaritätswechsel.
Damit ist nach der Übertragung
eines Bits wieder der Zustand der Ruhepolarität erreicht. Mit der ersten
wechselnden Polarität
des Leitungspaares wird allen Teilnehmern der Beginn der Übertragung
eines Bits bekanntgegeben. Die Dauer eines Zustandes geänderter
Polarität,
im folgenden als Übertragungspolarität bezeichnet,
gibt die Wertigkeit des Bits an ("n"/"1" oder "low/"high"). Die Ubertragung
eines Bits gliedert sich also in mindestens zwei zeitliche Phasen:
- – Eine
Phase – im
Folgenden als Startphase bezeichnet – nach dem ersten Polaritätswechsel
von der Ruhe- zur Übertragungspolarität.
- – Eine
zweite Phase – im
Folgenden als Wertigkeitsphase bezeichnet – zu deren Beginn oder Ende
je nach Wertigkeit des Bits – die
Ruhepolarität
erreicht wird.
- – Eine
dritte Phase – Ruhephase – liegt
zwischen dem Ende einer Übertragungsphase
und dem Beginn einer folgenden Startphase.
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Das
Verhältnis
der Zeitdauer von Start- zu Übertragungsphase
ist innerhalb eines Bussystems festgelegt. (Wenn Wertigkeitsphase
und Ruhephase die gleiche Polarität haben. so können diese
als eine Phase betrachtet werden.)
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Die
Datenübertragung
erfolgt in Form von Datensätzen,
die eine für
das Bussystem festgelegten Anzahl von Bits, damit genau festgelegte
Länge haben.
Die Steuerung der Übertragung
eines Datensatzes erfolgt durch einen oder mehrere Master.
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Innerhalb
eines Datensatzes gibt es mehrere verschiedene Felder, in denen
genau festgelegte Informationen für die Empfänger enthalten sind:
- – Ein
Adressfeld, mit dem genau ein Empfänger angesprochen wird.
- – Ein
Funktionsfeld, mit dessen Inhalt nur dem angesprochenen Empfänger mitgeteilt
wird, welche Funktion er auszuführen
hat, bzw. von welcher Art die Information ist
- – Weitere
Felder, die u.a. die (im Funktionsfeld angekündigte und definierte) zu übertragende
Information beinhalten.
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Wenn
der Adressat eines Datensatzes zu antworten hat, z.B. bei einer
Datenübertragung
vom Slave zum Master, so muss diese Antwort innerhalb des laufenden
Datensatzes im Rahmen des festgelegten Protokolls erfolgen. Dies
bedeutet, dass die Datenübertragungsrichtung
innerhalb eines Datensatzes sowohl unidirektional als auch bidirektional sein
kann. Der Master formuliert die Antwort vor, insofern, als dass
die Antwort vom angesprochenen Slave zur richtigen Zeit in die dafür vorgesehenen freien
Felder des Datensatzes eingebracht wird. Ein Master muss also auch
jeden Datensatz selbst lesen und kontrollieren.
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Innerhalb
eines Datensatzes bleibt die Baudrate gleich. Die Erkennung der Übertragungsgeschwindigkeit
erfolgt durch Messen der Dauer der Startphase des ersten Bits auf
der Seite des Empfängers.
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Die
Energieversorgung eines Teilnehmers des gemäß dieser Erfindung vorgeschlagenen
Bussystems nach Auskopplung (der Feldenergie aus dem Leiterpaar)
erfolgt durch Gleichrichtung der auf den beiden Adern anliegenden
Spannung. Nachgeschaltet werden kann eine Anpassung der gleichgerichteten
Spannung durch eine Kombination von galvanisch gekoppelten (Linearreglern,
Schaltreglern oder vergleichbare Komponenten) oder galvanisch entkoppelten
Komponenten.
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Die
primäre
Einspeisung elektrischer Energie in das Bussystem erfolgt ausschließlich durch den
Master oder die Master. Dieser hat die Möglichkeit, die Leistungseinspeisung
zu unterbrechen.
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Die
in das Bussystem eingespeiste Energie kann zum Betrieb der angeschlossenen
Teilnehmer verwendet werden, dies schließt insbesondere auch den Betrieb
von Aktoren und Sensoren höherer
Leistungsaufnahme mit ein. Jeder Teilnehmer, insbesondere aber die
Slaves sind mit einem Energiespeicher ausgerüstet, der ebenfalls über die
eingespeiste Energie aufgeladen wird. Die zum Betrieb von Aktoren und
Sensoren nötige
Energie kann auch aus einer vom Bussystem unabhängigen Quelle kommen, wobei
die dann zur Steuerung und zum Betrieb der Sensoren und Aktoren
notwendige Information über
das Bussystem transportiert wird.
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Die
Topographie des Bussystems ist beliebig. Sie kann eine sternartige
Struktur, eine Baumstruktur, eine Ringstruktur oder eine unverzweigte Struktur
besitzen, oder es können
Elemente beliebiger Strukturen in einer Topographie gleichzeitig
verwendet werden.
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Auf
der Seite eines Empfängers
(auch des Masters) werden durch eine geeignete Baugruppe, vorzugsweise
Optokoppler, die Informationen von den zwei Adern ausgekoppelt und
gelesen.
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Durch
die oben beschriebene Art der Informationsaufnahme seitens des Masters
und des (der) Slave(s) ist eine zumindest teilweise Entkopplung
der elektrischen Bezugspotentiale von Slave(s), Master und Bussystem
erreicht. Durch den Einsatz galvanisch entkoppelnder Spannungsregler
auf der Seite des (der) Slave(s) erfolgt eine vollständige galvanische
Entkopplung aller Teile des Bussystems.
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Im
Fall eines bidirektionalen Datentransports erfolgt die Einspeisung
von Informationen seitens eines Slave durch Leistungshalbleiter.
In einem solchen Fall wird der Bus seitens des Masters so beschaltet,
dass von dessen Seite keine Energieeinspeisung erfolgt. Die Einspeisung
der für
die Informationsübertragung
erforderliche Feldenergie erfolgt dann seitens des sendenden Slave.
Dies setzt dort eine Speicherung elektrischer Energie voraus, wie
es bereits beschrieben ist, etwa in Form eines Akkus oder eines
Kondensators ausreichend hoher Kapazität.
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Ein
weiterer Vorteil des hier vorgeschlagenen Bussystems besteht darin,
dass mehrere Master eingesetzt werden können. Es ist dabei notwendig, dass
diese so gesteuert werden, dass keine Buskollision auftritt. Dieses
kann durch verschiedenen Maßnahmen
erreicht werden:
- – Es kann ein Protokoll vereinbart
werden, nach dem den Mastern untereinander eine Priorität zugeordnet
wird, entsprechend der ein Master senden darf oder nicht. Dieses
kann durch eine Kommunikation zwischen den Mastern erreicht werden
oder ohne eine derartige Kommunikation erfolgen.
- – Es
kann ein System ähnlich
einem Token Ring installiert werden.
- – Je
nach Art der Einspeisung von Daten und Energie und deren Auskopplung
kann die Datenübertragung
der Master mit unterschiedlicher Frequenz erfolgen, so dass einer
oder mehrere Master mit unterschiedliche Datenübertragungsgeschwindigkeit
arbeiten.
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Wenn
bei der Verlegung der Busleitungen eine Einschränkung der Gestalt vorgenommen
wird, dass bei der Verlegung der beiden Adern und des Anschlusses
von Slave(s) keine Vertauschbarkeit der Adern zugelassen ist, so
lässt sich
die Einspeisung von Energie seitens eines innerhalb eines Datensatzes
sendenden Slave erheblich senken:
- – In einem
solchen Fall erfolgt die Energieeinspeisung seitens des Masters
und die Leistungsentnahme seitens der Slave nur im Zustand der Ruhepolarität.
- – Im
Zustand der Übertragungspolarität muss dann
nur soviel Leistung eingespeist werden, wie die Verluste innerhalb
des Bussystems es erforderlich machen.
- – Damit
kann die Energiespeicherung in einem Slave deutlich verkleinert
werden.
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Das
vereinbarte Übertragungsprotokoll
ist so gestaltet, dass eine Überwachung
des gesamten Datentransfers und eine Teilnahme an diesem durch einen
Slave ausschließlich
durch geeignete Hardeware schaltungen erfolgen kann. Dies gilt vor
allem für Sicherheitsfunktionen
wie Überschreitung
der Dauer der Übertragung
eines Datensatzes, Paritätsprüfungen oder
Abbruch der Datenübertragung
innerhalb eines Datensatzes etc.