DE3304300C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Busan
forderung und Sammelquittierung in einem Prozeßbus-Sy
stem gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 sowie auf
eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.
Prozeßbus-Systeme werden zur Prozeßdatenkommunikation in
der Automatisierungstechnik angewendet, z. B. in Leitan
lagen zur Führung industrieller Prozesse. Es handelt
sich dabei um digitale Systeme mit byte- oder bitseriel
ler Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern. Da in
solchen Datenübertragungssystemen nicht mehrere Teilneh
mer zugleich Daten senden dürfen, sorgt eine Steuerungs
einrichtung für eine Buszuteilung z. B. nach einem zykli
schen Verfahren, wobei den Teilnehmern der Bus nach
einer vorgegebenen Reihenfolge nacheinander zugeteilt
wird. Häufig wird außer einer turnusmäßigen Buszuteilung
noch eine Möglichkeit zur spontanen Busanforderung für
Ereignismeldungen benötigt. Aufgrund einer spontanen
Busanforderung kann der zyklische Ablauf unterbrochen
werden und eine vom Zyklus unabhängige Buszuteilung er
folgen. Aus wirtschaftlichen Gründen kann für die spon
tane Busanforderung zur Ereignismeldung in der Regel nur
eine Sammelleitung für sämtliche Teilnehmer zur Verfü
gung gestellt werden. Trotzdem muß es beliebig vielen
Teilnehmern möglich sein, gleichzeitig oder mit beliebi
ger Phasenverschiebung ein Busanforderungssignal zu sen
den. Eine solche Sammelleitung ist also als ODER-Ver
knüpfung aufzufassen.
Außer der Busanforderung zur Ereignismeldung wird manch
mal auch eine Sammelquittierung mit dem Sammelleitungs
system durchgeführt. Bei der Sammelquittierung geben
normalerweise alle Teilnehmer ständig ein Signal ab. Bei
ordnungsgemäßem Empfang einer (durch alle zu quittieren
den) Nachricht wird für eine gewisse Zeit der Sender ab
geschaltet. Der Ruhezustand auf der Leitung wird (vom
Busverwalter z. B.) als Positiv-Quittierung interpre
tiert. Bei der Sammelquittierung handelt es sich logisch
um eine UND-Verknüpfung, die hier nach den de Mor
gan'schen Regeln mit Hilfe einer ODER-Verknüpfung reali
siert wird.
Es gibt jeweils mehrere Lösungen für die Ereignismeldung
oder Quittierung auf Sammelleitungssystemen. Im DIN-Ent
wurf 19241, Teil 2, vom Oktober 1982 ist auf Seite 6
eine zyklische Kurzabfrage beschrieben. Dabei wird den
Teilnehmern in einem besonderen Abfragezyklus die Mög
lichkeit gegeben, eine Busanforderung durchzuführen. Die
zyklische Kurzabfrage verringert allerdings den Daten
durchsatz, d. h. die pro Zeiteinheit übertragbare Daten
menge.
In dem Buch "Digitale Prozeßdaten-Kommunikationssysteme
(Bus-Systeme), Herausgeber K. Fleck, VDE-Verlag, 1980
ist auf Seite 71 eine im System TDC 2000 der Firma
Honeywell realisierte Ereignisabfrage nach dem Zeitmul
tiplexprinzip beschrieben. Dabei wird im Zyklus von min
destens 10 ms eine Abfrage durchgeführt, wobei die Teil
nehmer nacheinander innerhalb eines vorbestimmten Zeit
fensters antworten und gegebenenfalls eine Busanforde
rung melden können. Dieses Verfahren ist jedoch auf
wenige Teilnehmer beschränkt, weil die Abfrage sonst
zuviel Zeit beanspruchen würde. Anstelle Zeitmultiplex
ist auch Frequenzmultiplex möglich, erfordert aber eine
individuelle Einstellung der Teilnehmer-Sender.
Weiterhin ist aus DIN IEC 625, Teil 1, Mai 1981,
Seite 67 bis 69 eine ODER-Verknüpfung mit Hilfe eines
Leitungstreibers mit offenem Kollektor bekannt. Die An
wendung dieser Schaltung ist auf kurze Buslängen (z. B.
innerhalb eines Schrankes) und niedrige Übertragungsge
schwindigkeiten beschränkt.
Für das Sammelleitungssystem eines Prozeßbusses im Anla
genbereich mit Entfernungen bis zu einigen Kilometern
wird ein Signal benötigt, das nachstehenden Anforde
rungen genügt:
- a) Es muß gleichstromfrei sein und sich z. B. induktiv auf eine Übertragungsleitung einkoppeln lassen.
- b) Die additive Überlagerung einer begrenzten Zahl zeitlich beliebig gegeneinander versetzter Sende signale darf nicht zur totalen Auslöschung inner halb des Beobachtungszeitraumes führen.
Um eine Mehrfachnutzung des Übertragungswegs im Fre
quenzmultiplex zu erleichtern, wird außerdem gefordert:
- c) Die Sendeleistung des Signals soll in einem belie big vorgebbaren Frequenzband zu etwa 80% konzen triert sein.
- d) Die Überlagerung einer begrenzten Zahl von Sende signalen darf nicht zur totalen Auslöschung der Sendeleistung in diesem vorgegebenen Band führen.
- e) Das Signal soll in allen Sendern ohne individuelle Einstellung nach dem gleichen Bildungsgesetz gebil det werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
sowie eine Einrichtung anzugeben, die eine ODER-Ver
knüpfung auf einem Sammelleitungssystem eines Prozeßbus
ses mit Hilfe eines gleichstromfreien bandbegrenzten und
überlagerungsfähigen Signals entsprechend den vorstehen
den Forderungen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren mit den in den
Ansprüchen 1 bzw. 2 gekennzeichneten Merkmalen
und eine Einrichtung zur Durchführung des
Verfahrens
gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 4.
Gemäß der Aufgabenstellung wird ein gleichstromfreies
überlagerungsfähiges Signal benötigt. Die Gleichstrom
freiheit des Signals wird im Hinblick auf eine Übertra
gungsmöglichkeit ohne galvanische Kopplung gefordert.
Dieser Bedingung genügen periodisch gleichstromfreie
Signale. Ein Signal der Periodendauer T wird als gleich
stromfrei bezeichnet, wenn das Integral des Signals über
die Periodendauer T den Wert null ergibt.
Der außerdem geforderten Überlagerungsfähigkeit genügen
jedoch nicht alle periodisch gleichstromfreien Signale.
Sinusschwingungen und Rechteckschwingungen sind z. B.
nicht unbegrenzt überlagerungsfähig, da die Überlagerung
zweier um eine halbe Periode gegeneinander phasenver
schobener Signale gleicher Amplitude zum Nullsignal,
also zur Auslöschung führen. Dagegen ist eine Sägezahn
schwingung theoretisch unbegrenzt überlagerungsfähig. In
der Praxis wird die Überlagerungsfähigkeit allerdings
durch die zur Verfügung stehende Bandbreite begrenzt.
Die Überlagerung von zwei gleichgroßen Sägezahnschwin
gungen, die gegeneinander um eine halbe Periode verscho
ben sind, ergibt nämlich eine Sägezahnschwingung glei
cher Amplitude und doppelter Frequenz. Entsprechend
steigt bei sonst gleichen Voraussetzungen bei M Signalen
die resultierende Frequenz auf das M-fache.
In praktischen Anwendungen ist eine unbegrenzte Überla
gerungsfähigkeit des Signals jedoch nicht erforderlich.
Es genügt eine auf eine bestimmte Anzahl von Signalen,
nämlich auf die Zahl der bei einem Prozeßbus-System zu
gelassenen Teilnehmer begrenzte Überlagerungsfähigkeit.
Solche begrenzt überlagerungsfähigen Signale lassen sich
relativ einfach mittels einer Digitalschaltung erzeugen
und auf eine relativ geringe Bandbreite begrenzen.
Anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung wird
die Erfindung näher erläutert.
Das Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren und eine
Einrichtung zur Übertragung von Daten und von Signalen
zur Busanforderung oder Sammelquittierung auf einer ge
meinsamen Leitung in getrennten Frequenzbändern. Die
bekannte Übertragung von Daten wird im folgenden jedoch
nicht weiter ausgeführt, sondern nur die erfindungsge
mäße Erzeugung und Übertragung des überlagerungsfähigen
bandbegrenzten Signals zur Busanforderung und Sammel
quittierung.
Es zeigt
Fig. 1 Blockschaltbild eines digitalen Rauschsenders,
Fig. 2 Signalkurven zur Erläuterung der Arbeitsweise
des Rauschsenders,
Fig. 3 Leistungsspektrum des Pseudorauschsignals,
Fig. 4 Blockschema der Übertragungsstrecke.
In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines digitalen
Rauschsenders 6 dargestellt. Der Rauschsender 6 besteht
aus einem Rechteckgenerator 1, einem Frequenzteiler 2,
einem Pseudo-Rauschfolge-Generator 3, einem
Exklusiv-ODER-Glied 4 und einem Signalverstärker 5. Der
Ausgang des Rechteckgenerators 1 ist mit dem Eingang des
Frequenzteilers 2 und mit einem Eingang des
Exklusiv-ODER-Glieds 4 verbunden. Der Ausgang des Fre
quenzteilers 2 ist mit dem Eingang des Pseudo-Rausch
folge-Generators 3 verbunden, dessen Ausgang auf einen
zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Glieds 4 führt. Der
Signalverstärker 5 ist dem Exklusiv-ODER-Glied 4 nach
geschaltet.
Die Arbeitsweise des Rauschsenders 6 aus Fig. 1 wird mit
Hilfe der Signalkurven in Fig. 2 beschrieben. Der Recht
eckgenerator 1 gibt eine wählbare (siehe weiter unten)
Rechteckschwingung S 1 mit der Frequenz f 1 ab. Im nachge
schalteten Frequenzteiler 2 wird diese Rechteckschwin
gung S 1 umgesetzt in eine Schwingung S 2. Im dargestell
ten Beispiel hat der Frequenzteiler einen Teiler k = 2,
die Frequenz wird also im Verhältnis 2 : 1 herabgesetzt.
Die Schwingung S 2 wird dem Pseudo-Rauschgenerator 3 zu
geführt. Der Pseudo-Rauschgenerator 3 ist auch unter der
Bezeichnung PN (Pseudo Noise)-Generator bekannt. Solche
Generatoren sind in der Literatur beschrieben:
J. MacWilliams, N. J. A. Sloane, "Pseudo-Random Sequences and Arrays", Proc. IEEE 64 (1976) 12, Seite 1715-1729. Der Pseudo-Rauschgenerator 3 erzeugt mit Hilfe eines rückgekoppelten Schieberegisters im Takt der Schwingung S 2 eine bestimmte Folge von Binärimpulsen, die sich nach einer Impulszahl N periodisch wiederholen. Diese Folge von Binärimpulsen wird hier als pseudostochastische Binärfolge BF bezeichnet und ist in Fig. 2 in einem Ab schnitt beispielhaft dargestellt. Am Ausgang des Pseu do-Rauschgenerators 3 erscheint ein digitales Signal S 3 , das der Binärfolge BF entspricht.
J. MacWilliams, N. J. A. Sloane, "Pseudo-Random Sequences and Arrays", Proc. IEEE 64 (1976) 12, Seite 1715-1729. Der Pseudo-Rauschgenerator 3 erzeugt mit Hilfe eines rückgekoppelten Schieberegisters im Takt der Schwingung S 2 eine bestimmte Folge von Binärimpulsen, die sich nach einer Impulszahl N periodisch wiederholen. Diese Folge von Binärimpulsen wird hier als pseudostochastische Binärfolge BF bezeichnet und ist in Fig. 2 in einem Ab schnitt beispielhaft dargestellt. Am Ausgang des Pseu do-Rauschgenerators 3 erscheint ein digitales Signal S 3 , das der Binärfolge BF entspricht.
Mit Hilfe des Exklusiv-ODER-Glieds 4 wird die Rechteck
schwingung S 1 durch das digitale Signal S 3 phasenmodu
liert. Das am Ausgang des Exklusiv-ODER-Glieds 4
erscheinende Signal wird noch einem Signalverstärker 5
(Leitungstreiber) zugeführt und von diesem als Sendesig
nal abgegeben. Das Sendesignal ist in Fig. 2 als Impuls
folge S 4 dargestellt. Die Impulse werden symmetrisch zur
Nullinie umgetastet und sind periodisch gleichstromfrei.
Die zweckmäßige Wahl der Frequenz f 1, der Rechteck
schwingung S 1, des Teilers k, des Frequenzteilers 2 und
die Anzahl N der Impulse je Periode der Binärfolge BF
wird anhand der Darstellung des Leistungsdichtespektrums
S des Pseudo-Rauschsignals in Fig. 3 beschrieben. In
Fig. 3 ist das Leistungsdichtespektrum S für ein Bei
spiel mit k = 2 und N = 15 dargestellt. Dabei ist eine
normierte Leistungsdichte L der Einzelimpulse über einer
normierten Frequenz f aufgetragen. Bei dieser Normierung
wird die Frequenz f 1 der Rechteckschwingung S 1 (=
Nyquistfrequenz) gleich 1 und die Leistung des gesamten
Sendeimpulses ebenfalls gleich 1. Aus Fig. 3 ist zu ent
nehmen, daß sich die Sendeleistung auf einzelne Spek
trallinien aufteilt, jedoch hauptsächlich auf Spektral
linien in der Nähe der Frequenz f 1 konzentriert ist.
Durch Wahl des Teilers k kann die Form des Spektrums S
beeinflußt werden. Je größer k ist, desto schmaler ist
das Band, in dem der größte Teil, z. B. 80%, der Sende
leistung liegt. Damit läßt sich erreichen, daß die Ver
luste in den Filtern zur Bandbegrenzung des zu übertra
genden Signals gering sind.
Die Zahl der lückenlos vorhandenen Spektrallinien zwi
schen den beiden Nullstellen, die am nächsten bei der
Frequenz f 1 liegen, beträgt 2 N - 1. Theoretisch wäre
damit das Rauschsignal (2 N - 1)fach überlagerungsfähig.
Unter der Annahme, daß das Übertragungsband so weit be
grenzt wird, daß etwa N Spektrallinien in den Durchlaß
bereich fallen und unter Berücksichtigung der relativ
geringen Leistung der Spektrallinie bei der Frequenz f 1,
kann man in der Praxis mit einem lückenlosen Spektrum
aus etwa N /2-Spektrallinien mit etwa gleichmäßig hoher
Leistung rechnen, d. h. das Rauschsignal als N /2-überla
gerungsfähig ansehen. Man wird also zweckmäßig die An
zahl N der Impulse je Periode der Binärfolge BF etwa
doppelt so hoch wählen wie die Anzahl der maximal an das
Bussystem anschließbaren Teilnehmer.
Der Fig. 3 ist zu entnehmen, daß das Maximum des Lei
stungsspektrums nicht genau mit der Frequenz f 1 der
Rechteckschwingung S 1 übereinstimmt. Die Frequenz f 1
wählt man deshalb so, daß das Maximum des Leistungsspek
trums S des Sendesignals (Impulsfolge S 4) mit der Band
mittenfrequenz f M eines vorgegebenen Frequenzbandes mit
der Frequenzbreite B übereinstimmt. Die gewünschte Kon
zentration der Sendeleistung auf Spektrallinien in einem
schmalen Band erreicht man, indem man den Teiler k so
wählt, daß 1/ k in etwa der relativen Bandbreite B/f M
entspricht.
Fig. 4 zeigt die gesamte Übertragungsstrecke als Hinter
einanderschaltung des in Fig. 1 dargestellten Rauschsen
ders 6, eines Sende-Bandfilters 7, einer Übertragungs
leitung 8, eines Empfangs-Bandfilters 9, einer Einrich
tung 10, die das Empfangssignal gleichrichtet, und einer
Begrenzerschaltung 11, die Signale unterhalb eines ein
gestellten Schwellwertes unterdrückt. Die Funktion des
Sende-Bandfilters 7 und des in Fig. 1 dargestellten
Signalverstärkers 5 kann auch in einem Begrenzerverstär
ker zusammengefaßt sein. In Fig. 4 ist nur ein Teilneh
mer dargestellt, der mit seinem Sender zur Busanforde
rung an die Übertragungsleitung 8 angeschlossen ist. In
einer Datenübertragungsanlage sind jedoch mehrere Teil
nehmer parallel angeschlossen, so daß auf der Übertra
gungsleitung 8 die ODER-Verknüpfung des Signals zur Bus
anforderung oder Sammelquittierung erfolgt. Außerdem
können an die Übertragungsleitung 8 die Datensender der
Teilnehmer angeschlossen werden, die in einem anderen
Frequenzband senden.
Als Alternative zu dem im Ausführungsbeispiel beschrie
benen digitalen Rauschsignal läßt sich auch ein nach
einem anderen Verfahren erzeugtes Rauschsignal verwen
den. Es ist z. B. bekannt, daß Rauschsignale mit Hilfe
von in Sperrichtung betriebenen Dioden erzeugt werden
können. Dabei kann es sich z. B. um eine Zenerdiode oder
um die Basisemitterdiode eines Transistors handeln. In
Versuchen hat sich gezeigt, daß mit derartigen relativ
einfachen Rauschsendern ein überlagerungsfähiges Signal
erzeugt werden kann. Allerdings können Streuungen in den
Eigenschaften der in den Rauschsendern verwendeten Dio
den die Einstellung eines in einem bestimmten Frequenz
band liegenden Rauschsignals mit dem erforderlichen Lei
stungspegel erschweren. Ein digitales Rauschsignal hat
demgegenüber den Vorzug, daß das Signal in der gewünsch
ten Form erzeugt und seine Überlagerungsfähigkeit mathe
matisch nachgewiesen werden kann.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen
sich so zusammenfassen:
Durch Bandbegrenzung ist eine Übertragung von Daten und
Signalen zur Busanforderung oder Sammelquittierung im
Frequenzmultiplex auf einer Leitung möglich. Rauschsig
nale als Signale zur Busanforderung oder Sammelquittie
rung erübrigen eine individuelle Einstellung der Teil
nehmer. Soweit es sich um digitale Rauschsignale han
delt, ist ihre Überlagerungsfähigkeit zur Durchführung
der ODER-Verknüpfung mathematisch nachweisbar und sie
können in einer solchen Form erzeugt werden, daß bei
einer Bandbegrenzung nur geringe Leistungsverluste auf
treten.
Claims (4)
1. Verfahren zur Busanforderung durch einen oder
gleichzeitig durch mehrere Teilnehmer oder zur Übertra
gung mehrerer gleichzeitig gesendeter Quittiersignale
(Sammelquittierung) der Teilnehmer in einem Prozeßbus-
System zur seriellen Datenübertragung, wobei die Teil
nehmer ein gleichstromfreies, überlagerungsfähiges, auf
ein bestimmtes Frequenzband begrenztes und bei allen
Teilnehmern nach dem gleichen Bildungsgesetz erzeugtes
Signal senden, das von einer Benutzereinrichtung ausge
wertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als überlage
rungsfähiges Signal ein digitales Pseudo-Rauschsignal
verwendet wird, wobei
- - das Signal für alle Teilnehmer gleich ist und eine Impulsfolge (S 4) darstellt, die sich aus Rechteck schwingungen (S 1) zusammensetzt, die durch ein mit einer pseudostochastischen Binärfolge (BF) gebilde ten digitalen Signal (S 3) phasenmoduliert sind,
- - die Anzahl N der Impulse je Periode der Binärfolge (BF) etwa doppelt so hoch gewählt wird, wie die An zahl der maximal an das Prozeßbus-System anschließ baren Teilnehmer,
- - die Frequenz (f 1) der Rechteckschwingung (S 1) so gewählt wird, daß das Maximum des Leistungsdichte spektrums (S) der Impulsfolge (S 4) etwa mit der Bandmittenfrequenz (f M ) eines vorgegebenen Frequenz bandes mit der Bandbreite (B) übereinstimmt,
- - die Anzahl k der Rechteckschwingungen (S 1) je Impuls der Binärfolge (BF) so gewählt wird, daß 1/ k in etwa der relativen Bandbreite B/f M entspricht.
2. Verfahren zur Busanforderung durch einen oder
gleichzeitig durch mehrere Teilnehmer oder zur Übertra
gung mehrerer gleichzeitig gesendeter Quittiersignale
(Sammelquittierung) der Teilnehmer in einem Prozeßbus-
System zur seriellen Datenübertragung, wobei die Teil
nehmer ein gleichstromfreies, überlagerungsfähiges, auf
ein bestimmtes Frequenzband begrenztes und bei allen
Teilnehmern nach dem gleichen Bildungsgesetz erzeugtes
Signal senden, das von einer Benutzereinrichtung ausge
wertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als überlage
rungsfähiges Signal ein bandbegrenztes Rauschsignal ver
wendet wird, das mit einer in Sperrichtung betriebenen
Diode erzeugt und durch Filter begrenzt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Übertragung von Daten und
die Übertragung der Signale zur Busanforderung oder Sam
melquittierung auf einer gemeinsamen Leitung in getrenn
ten Frequenzbändern erfolgt.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung
des digitalen Pseudo-Rauschsignals ein Rauschsender (6)
vorgesehen ist, der aufgebaut ist aus
- - einem Rechteckoszillator (1), dessen Ausgang sowohl mit einem Eingang eines Exklusiv-ODER-Glieds (4) als auch mit dem Eingang eines Frequenzteilers (2) ver bunden ist,
- - einem Pseudo-Rauschgenerator (3), der ein rückge koppeltes Schieberegister enthält, wobei der Eingang des Generators (3) mit dem Ausgang des Frequenztei lers (2) verbunden ist und wobei der Ausgang des Generators (3) auf einen zweiten Eingang des Exklu siv-ODER-Glieds (4) geführt ist, sowie
- - einem Signalverstärker (5), der dem Exklusiv-ODER- Glied (4) nachgeschaltet ist.
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Legal Events
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
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Owner name: BBC BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ASEA BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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8320 | Willingness to grant licences declared (paragraph 23) |