DE3420795C2

DE3420795C2 - Verfahren zur Übertragung von digitalen und analogen Signalen zwischen einer Zentrale und mehreren Unterstationen

Info

Publication number: DE3420795C2
Application number: DE19843420795
Authority: DE
Inventors: Kurt 7505 Ettlingen Köhler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-06-04
Filing date: 1984-06-04
Publication date: 1991-05-08
Also published as: DE3420795A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung digitaler und analoger Signale zwischen einer Zentrale und mehreren Unterstationen, die über Zweidrahtlel· tungen miteinander verbunden sind, bei dem die Unterstationen zur Erzeugung eines Sendesignals eine Laständerung an der Zweidrahtleitung bewirken.

Aufgabenstellung:

Die Aufgabe, einen bidirektionalen Datenaustausch zwischen einer Zentrale und davon weit entfernten Unterstationen durchzuführen, ist gegeben, wenn in einem räumlich ausgedehnten System an vielen Stellen digitale und analoge Daten erfaßt und ausgegeben werden sollen. Dabei ist vor allem auf eine einfache Verkabelung und auf geringe Kosten der einzelnen Teile sowie auf große Funktionssicherheit und geringen Stromverbrauch zu achten.

Ein Anwendungsbereich ist beispielsweise lie Überwachung von Gebäuden und die Hausleittechnik, bei

ίο der ein großer Teil der elektrischen Geräte und die Heizungsanlage mit mehreren Meßstellen in einem gemeinsamen System zusammengefaßt werden. Insbesondere in diesem Anwendungsbereich ist die einfache Verkabelung und die Störsicherheit bei nur geringen Anfor-

derungen an die Übertragungsgeschwindigkeit zu beachten.

Ein zweiter Anwendungsbereich betrifft ausgedehnte Anlagen in der Verfahrens- oder in der Fertigungstechnik, in der eine Vielzahl von Sensoren, Aktuatoren und Anzeigen über ein geeignetes Netz zur Datenübertragung mit einer Zentrale verbunden werden sollen. Hierfür sind die bekannten lokalen Netzwerke wie z. B. ETHERNET viel zu aufwendig.

Stand der Technik:

Bisher bekannte Verfahren arbeiten bereits mit serieller Datenübertragung über Leitungen, an die eine Zentralstation und Unterstationen oder auch nur gleichartige Sende-/Empfangsstationen parallel angeschlossen sind. Hierbei werden oftmals getrennte Leitungen für den Datentransport zur Zentralstation und zu den Unterstationen verwendet, so daß mindestens drei Adern benötigt werden.

Andere Verfahren benutzen zwar zweiadrige Kabel oder auch Koaxialkabel und bieten eine sehr große Leistungsfähigkeit, der Schaltungsaufwand ist aber für die obengenannten Anwendungsbereiche viel zu groß.
Weiterhin benutzen mehrere bekannte Verfahren eine Form der Datenübertragung von den Unterstationen zu der Zentrale, bei der die elektrische Energie für das Senden von den Unterstationen aufgebracht wird.

In der DE-OS 26 14 075 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Unterstationen keine elektrische Energie auf die Leitung übertragen. Hier wird die Übertragung der Daten mit impulsförmiger Belastung einer zweidrähtigen Übertragungsleitung durch den jeweiligen Serider bewirkt.

Nachteile der beschriebenen Verfahren:

Das in der DE-OS 26 14 075 dargestellte System benötigt zusätzliche Taktsignale aus einer speziellen Schaltung. Die Frequenz dieser Taktsignale liegt wesentlich höher als die Frequenz der zu übertragenden Impulse. Deshalb muß die Übertragungsleitung entsprechend breitbandig ausgelegt sein und es können funktechnische Störungen von ihr ausgehen. Weiterhin sind alle Unterstationen gleichrangig, so daß bei fälschliehern gleichzeitigen Senden mehrerer Sende</Empfangsstationen keine Möglichkeit besteht, mit einer übergeordneten Zentrale Daten auszusenden, die trotz der Störungen zu den Empfängern gelangen und eine ordnungsgemäße Kommunikation einleiten.

Weitere Nachteile der beschriebenen Verfahren liegen in der Anzahl der benötigten Adern des Kabels, mit dem die einzelnen Stationen untereinander verbunden sind oder im technischen Aufwand bei den Netzen mit

Zweidrahtleitungen oder Koaxialkabeln. Nachteilig ist auch die Notwendigkeit, elektrische Energie von den Unterstationen auf die Verbindungsleitung zu übertragen. Damit wird ein Batteriebetrieb der Unterstationen erschwert.

Erfindungsgemäßes Beheben der Nachteile:

Erfindungsgrmäß werden die Nachteile bekannter Systeme durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 behoben, das in den übrigen Ansprüchen weitergebildet ist

Ausführungsbeispiel:

Ruhezustand (weder senden noch empfangen):

In der Zentrale 1 ist der Ruhezustand folgendermaßen gekennzeichnet: Der Sendetransistor T2 ist gesperrt. Durch ihn fließt kein Strom. Die Leitung 10 ist mit dem Be-ugspotential der Schaltung verbunden. Die Leitung 9 ist über den Widerstand Riund die Diode D1 mit einer Spannungsquelle verbunden, die etwa die halbe Betriebsspannung V2 Ub abgibt.

In der Unterstation 2 ergibt sich der Ruhezustand folgendermaßen: Der Ausgangstransistor des Optokopplers 6'2 ist gesperrt, so daß du.ch ihn kein Strom fließt. Die Zenerspannung der Zenerdiode Z ist größer als die Spannung zwischen den Leitungen 9 und 10. Entsprechend fließt über diese ebenfalls kein Strom.

Die wichtigste Eigenschaft des Ruhezustandes ist, daß zwar eine Spannung in der höhe der halben Betriebsspannung /wischen den Leitungen 9 und 10 liegt, aber kein Strom über die Leitung fließt. Der Ruhrzustand ist dadurch äußerst energiesparend realisiert.

Senden der Zentrale 1:

Während des Sendens der Zentrale 1 wird ein serieller Datenstrom impulsförmig durch Wechseln zwischen dem im Ruhezustand gegebenen Schaltungszustand und niederohmiges Anschalten der Leitung 9 auf nahezu Betriebsspannung Ub erzeugt. F i g. 3 zeigt den Verlauf der Spannung zwischen den Leitungen 9 und 10. Die Betriebsspannung Ub wird über den Widerstand R 2 und den nun leitenden Transistor Γ2 auf die Leitung 9 gelegt. Die Diode D1 verhindert einen unerwünschten Stromfluß von dem Tra.i .lstor T2 über den Widerstand Ri

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V/eitere Einzelheiten ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel.

F i g. 1 zeigt eine Obersicht über das System, bestehend aus einer Zentrale 1, den Unterstationen 2 und den Leitungen 9 und 10. Die Verbindungen sind teilweise ring- und teilweise sternförmig gestaltet Unterstationen 2, bei denen eine große Sicherheit gegen Leitungsunterbrechung gegeben sein muß, sind über mindestens zwei Wege gleichzeitig mit der Zentrale 1 verbunden.

Fig.2 zeigt gleichzeitig die wichtigen Schaltungsmerkmale der Zentrale 1 und einer Unterstation 2.

Fig.3 zeigt grafisch den Verlauf der Spannungen zwischen den Leitungen 9 und 10 beim Senden der Zentrale 1 und beim Senden der Unterstation 2.

Im folgenden sollen die Betriebszustände Senden der Zentrale 1, Empfangen der Zentrale 1 und Ruhezustand anhand der F i g. 2 erläutert werden.

In der Unterstation 2 bewirkt der Übergang vom Ruhezustand (d. h. halber Betriebsspannung zwischen den Leitungen 9 und 10) und der erhöhten Spannung zwischen den Leitungen 9 und 10 einen Obergang des gesperrten Zustandes der Zenerdiode Z in den leitenden Zustand derselben. Die lichtemittierende Diode des Optokopplers 01 bewirkt ein Signal am Ausgang des Optokopplers 01, das in der Sende- und Auswerteschaltung 3 registriert und ausgewertet wird.

Die Auslegung des Widerstandes R 2, über den die Betriebsspannung Ub auf die Leitung 9 gelegt wird, geschieht nach folgender Überlegung:

Der Widerstand R 2 soll einerseits so groß sein, daß im Falle des Kurzschlusses zwischen den Leitungen 9 und 10 keine Schäden an den Schaltungsteilen der Zentrale 1, insbesondere an dem Transistor 7*2, auftreten. Dadurch ergibt sich ein Minimalwiderstand für R 2. Andererseits wirken die Schaltungen aller angeschlossenen Unterstationen 2 mit den Reihenschaltungen aus der Zenerdiode Z, dem Widerstand Rv urH der lichtemittierenden Diode des Optokopplers O ϊ >ds Belastung. Zusätzliche Lasten können sich ergeben, wenn Unterstationen fälschlicherweise senden und die Leitung zusätzlich mit den Widerständen Rs belasten. Die bei de.· Belastung zwischen den Leitungen 9 und 10 verleibende Spannung muß durch die Dimensionierung von R 2 noch so hoch sein, daß die Optokoppler 01 noch ein genügendes Signal liefern. Dadurch ergibt sich ein entsprechender Maximalwiderstand für R 2. Sinnvollerweise wird R 2 zwischen dem so bestimmten Maximalwert und dem oben genannten Minimalwert gewählt.

Empfangen in der Zentrale 1:

Während des Empfangens wird ein serieller Datenstrom durch Wechseln zwischen dem im Ruhezustand gegebenen Schaltungszustand und Belasten der Leitung 9 durch Aufschalten des Widerstandes Äs »wischen die Leitungen 9 und 10 über den Optokoppler O 2 in der sendenden Unterstation 2 erzeugt. F i g. 3 zeigt den Verlauf der Spannung zwischen den Leitungen 9 und 10. Die Spannung zwischen den Leitunger. 9 und 10 sinkt im Falle der Belastung so weit ab, daß der Vorgang durch einen Komparator 4 in der Zentrale sicher registriert wird und an eine Schaltung zur Auswei tung weitergegeben werden kann.

Sowohl die Umwandlung der zu sendenden Daten in einen geeigneten Strom serieller Impulse als auch die Umwandlung einer empfangenen Folge serieller Impulse zu weiterverarbeitbaren Daten kann durch fest verdrahtete logische Schaltungen oder wie in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe von Mikroprozessoren bzw. Einchipcomputern erfolgen, die sich sowohl in der Zentrale 1 als auch in den Unterstationen 2 befinden.

55 Datenverkehr zwischen der Zentrale 1 und den Unterstationen 2:

Der Datenaustausch auf dem System wird von der Zentrale 1 geleitet. Die Unterstationen befinden sich normalerweise in einem wartenden Zustand, in dem sie die auf der Leitung erscheinenden Impulsfolgen, die von der Zentrale 1 gesendet werden, daraufhin überprüfen, ob darin die eigene Adresse enthalten ist, der ein sie individuell betreffender Befehl folgt.

Ein solcher Befehl kann die Aufforderung an die betreffende Unterstation 2 bedeuten, ihrerseits Information zu senden. Wird das von der Zentrale 1 erwartet,

geht diese in den Ruhezustand, um die Information empfangen zu können.

Die Informationen werden in beiden Richtungen nach einem geeigneten Protokoll in Form von seriellen Impulsfolgen gesendet, das an sich bekannt ist und daher s nicht weiter erläutert werden soll.

Durch Störungen kann es geschehen, daß sowohl die Zentrale 1 als auch eine oder mehrere Unterstationen 2 zugleich senden wollen. Aufgrund der oben beschriebenen elektrischen Schaltung dringen die von der Zentrale io 1 gesendeten Impulse in jedem Fall zu den Unterstationen 2 durch und können empfangen werden. Daher ge-';ngt es auch in einer solchen Störung des Datenverkehrs, alle Unterstationen 2 zunächst in den Wartezustand zu bringen, in dem sie nur empfangen, und dann is den geordneten Datenaustausch zu beginnen. Hierdurch ergibt sich mit Hilfe geeigneter Programme in der Zentrale 1 und in den Unterstationen 2 eine besonders große Sicherheit gegenüber Störungen, die durch elektromagnetische Einflüsse auf ein solches räumlich aus- 20 gedehntes System unvermeidbar sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Übertragung digitaler und analoger Signale zwischen einer Zentrale (t) und mehreren Unterstationen (2), die über Zweidrahtleitungen bestehend aus zwei Leitungen (9, 10) miteinander verbunden sind, wobei die Unterstationen (2) zur Erzeugung eines Sendesignals eine Laständerung an der Zweidrahtleitung bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß

die Zentrale (1), sofern sie keine Daten aussendet, über einen Vorwiderstand (RJ) zwischen den beiden Leitungen (9, 10) der Zweidrahtleitung eine erste Spannung erzeugt und daß

die Zentrale (1) im Falle des Sendens zwischen den beiden Leitungen (9,10) im Takt der zu übertragenden Daten von der ersten Spannung auf eine zweite, größereilpannung umschaltet und daß
die Untetstationen (2) zum Aussenden von Daten eine Laständerung zwischen den beiden Leitungen (9,10) derart bewirken, daß die von der Zentrale (1) im Ruhezustand aufgeschaltete erste Spannung im Takt der zu übertragenden Daten auf eine dritte kleinere Spannung abgesenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Unterstationen (2) die Schwellspannung einer Zenerdiode (Z) so gewählt wird, daß sie die erste Spannung überschreitet und dadurch ein Energieentzug aus der insbesondere als Ringleitung ausgebildeten Zweidrahtleitung im Ruhezustand verhindert wird

3. Verfahren nach -Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zentrt c ein Vorwiderstand (R 2) so bemessen ist, daß der gesendete Strom ausreicht, die angeschlossenen Unterstationen (2) über die Zenerdiode (Z) mit angeschlossenem Widerstand (Rv) und einem jeweiligen Optokoppler (01) zu betreiben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendevorgang der Unterstationen (2) durch Variation des von einem Widerstand (Rs) und einem Transistor eines Optokopplers (02) gebildeten Widerstandes erfolgt und deshalb keine elektrische Energie von der Unterstation (2) auf die beiden Leitungen (9,10) übertragen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand (R 2) so variiert werden kann, daß auch im Störungsfall, bei dem mehrere Unterstationen (2) fälschlicherweise gleichzeitig senden, die durch das Senden der Zentrale sich ergebende Spannung zwischen den beiden Leitungen (9, 10) so hoch ist, daß die Unterstationen (2) empfangen können.