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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren,
das es erlaubt, eine Verbindungsschaltung, die ein
serieller Bus ist, gegen die Auswirkungen eines
versehentlichen Kurzschlusses auf diesem Bus zu schützen. Sie
bezieht sich außerdem auf eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Es ist bekannt, daß zum Herstellen eines Netzes von
miteinander kommunizierenden Geräten auf dem Gebiet
intelligenter Häuser, lokaler Anwendungen, der Informatik, der
Robotik und im Automobilbau häufig busartige Verbindungen
verwendet werden, die es in großem Umfang erlauben, sich
um den Aufstellungsort der über diese Verbindung
miteinander angeschlossenen Geräte nicht weiter kümmern zu
müssen. Man verwendet hierzu eine Anordnung von Leitungen,
die ein Kabel bilden, das zu den Punkten verlegt wird, an
denen die miteinander kommunizierenden Geräte
wahrscheinlich aufgestellt werden, und mit einer Schnittstelle, die
das Aussenden und/oder das Empfangen von Signalen über
die Leitungen sowie die Stromversorgung des
kommunizierenden Teils erlaubt, wird jedes kommunizierende Gerät an
diese Leitungen angeschlossen. Unterschiedliche
Anordnungen, beispielsweise ein hierarchisches System, erlauben
es jedem mit dem Bus verbundenen Gerät, Nachrichten
und/oder Informationen in einer bestimmten Reihenfolge
auszutauschen und aus allen auf dem Bus zirkulierenden
Nachrichten und/oder Informationen diejenigen
herauszuziehen, die für es bestimmt sind. Die Schnittstellen und
die in Form von Spannungs- und/oder von Stromimpulsen
ausgesandten Nachrichten und/oder Informationen müssen
einem oder mehreren Sende- und Empfangsprotokollen
entsprechen, die einer bestimmten Anzahl von Normen
entsprechen, die dazu vorgesehen sind, den Datenaustausch
zwischen sehr unterschiedlichen Geräten zu ermöglichen, und
die insbesondere von unterschiedlichen Herstellern kommen
können, die sich einer einheitlichen Norm unterworfen
haben.
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Nach verschiedenen Kriterien können die unterschiedlichen
Normen in Familien klassifiziert werden. So gibt es
beispielsweise eine Familie von Bussen, auf denen die
Informationen Bit auf Bit von einem Gerät zum nächsten
zirkulieren, beispielsweise über einen seriellen Bus. Damit
kann eine aus lediglich zwei Leitungen bestehende
Schaltung, bekannt als "verdrillte Doppelleitung", als
Übertragungsschaltung verwendet werden.
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Wegen der seriellen Übertragung, den physikalischen
Eigenschaften des Kabels und der Verwendung eines
vergleichsweise starken Stroms von einigen zehn Milliampere
ist die Übertragungsgeschwindigkeit für die Übertragung
der Signale auf einem solchen Bus auf einige Mbit pro
Sekunde begrenzt. Dafür sind jedoch die verwendeten
Materialien günstig erhältlich.
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Das am häufigsten verwendete Kabel weist vier Leitungen
auf, es ist als "Kabelvierer" bekannt, und die zwei
freibleibenden Leitungen werden oft für die Stromversorgung
bestimmter mit dem Bus verbundener Geräte verwendet. Auf
den zwei Datenleitungen werden dagegen im allgemeinen
bezüglich Masse symmetrische Signale übertragen, in diesem
Fall erscheinen die diese Signale darstellenden
Spannungen
auf den beiden Leitungen komplementär zueinander. Sie
werden nachfolgend allgemein durch die Bezeichnungen
"DATEN" und "(DATEN)" bezeichnet (die Klammern werden
hier anstelle eines obenliegenden Querbalkens verwendet,
typographisch ist dies einfacher). Wenn diese zwei
Datenleitungen über Empfangsschaltungen mit der vorgesehenen
Impedanz verschaltet sind, fließt auf den beiden
Leitungen der gleiche Strom in entgegengesetzter Richtung, und
die Signale sind, wie weiter oben beschrieben,
komplementär zueinander.
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Derartige Schaltungen sollen insbesondere für lokale
Anwendungen benützt werden, die sich auf die Steuerung von
Geräten beziehen, die in einer Wohnung vorgesehen sind,
oder die Steuerung unterschiedlicher Zubehörteile in
einem Fahrzeug. In beiden Fällen müssen die Verbindungen
sehr sicher sein, zum einen, weil die
Verbindungsschaltungen in den so verbundenen Geräten billig sein müssen
und deshalb nur von begrenzter Zuverlässigkeit sind, zum
anderen, weil sie auch äußeren Einflüssen wie etwa einer
rauhen Umgebung oder nicht fachmännischen Eingriffen
unterworfen sind. Die Installation weist am häufigsten eine
Zentraleinheit auf, in der der Hauptteil der
Systemintelligenz konzentriert ist, sowie dezentrale Einheiten
entsprechend modularen Funktionen, die durch die
Zentraleinheit gesteuert arbeiten.
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Es passiert dann vergleichsweise häufig, daß eine der
dezentralen Einheiten ausfällt und daß dieser Ausfall zu
einem Kurzschluß auf den Datenleitungen führt. Das
gleiche Problem kann sich für die Stromversorgungsleitungen
ergeben, dann ist es jedoch hinreichend durch eine
bekannte Abschaltvorrichtung, beispielsweise eine Sicherung
und/oder eine elektronische Vorrichtung, aufgefangen.
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Sobald die Datenleitungen betroffen sind, kann die
Schmelzsicherungslösung nur schwer umgesetzt werden, so
daß ein Kurzschluß als merklichste Folge die vollständige
Unterbrechung der Verbindung zwischen der Zentraleinheit
und den anderen dezentralen Einheiten und damit den
Gesamtausfall der Systemanordnung mit sich bringt. Wenn
diese Situation andererseits lange andauert, kann man
eine Abschaltung der Verbindungsschaltungen für den Bus,
die in der Zentraleinheit gelegen sind, vornehmen. Diese
Schaltungen werden daraufhin eine hohe Intensität
aussenden, die sich als mehrere zehn Ampere oder noch mehr
ausdrücken kann, und wenn diese Schaltungen automatische
Schutzvorrichtungen aufweisen, ist das Problem der
Lokalisierung und der Identifizierung des fehlerhaften Geräts
in keiner Weise gelöst.
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Um diese Nachteile aufzuheben, wird erfindungsgemäß ein
Verfahren zum Schutz gegen Kurzschlüsse auf einen
seriellen Bus mit zumindest zwei Datenleitungen vorgeschlagen,
hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichheit
oder Quasigleichheit der Potentiale auf den
Datenleitungen erfaßt wird, um den Kurzschlußzustand auf dem Bus zu
bestimmen, und daß ausgehend von dieser Information eine
dezentralisierte Einheit, die für den Kurzschluß
verantwortlich ist, abgetrennt wird.
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Die Erfindung liegt in einem Verfahren nach Anspruch 1
und in einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
gemäß Anspruch 6.
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Andere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich deutlich aus der folgenden Beschreibung, die
bezugnehmend auf nicht einschränkend zu verstehende Beispiele
sowie auf die beiliegenden Figuren gegeben wird, es
zeigen:
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- Figur 1 ein Schema eines kommunizierenden Systems mit
einer Zentraleinheit und einer über einen seriellen Bus
verbundenen dezentralen Einheit;
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- Figur 2 das Signaldiagramm auf den
Stromversorgungsleitungen des Busses;
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- Figur 3 ein Schema von erfindungsgemäßen Schutzorganen,
die in den dezentralen Einheiten vorgesehen sind; und
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- Figur 4 ein Schema von erfindungsgemäßen Schutzorganen,
die in der Zentraleinheit vorgesehen sind.
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Das in Figur 1 dargestellte System weist eine
Zentraleinheit 100, als "UC" bezeichnet, auf, und eine dezentrale
Einheit 200, die als "UD" bezeichnet wird, die mit einem
seriellen Bus 300 miteinander verbunden sind, über den
die dezentrale Einheit mittels der Stichleitung 400
abzweigend verbunden ist.
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In bekannter Weise sind die beiden Leitungen DATEN und
(DATEN) mit der Zentraleinheit verbunden, und zwar
einerseits mit zwei Stromquellen 101 und 104, die durch die
über den Bus in Richtung zu den dezentralen Einheiten wie
etwa Nr. 200 auszugebenden Signale (1 und 0) gesteuert
werden, und andererseits mit einem Differenzverstärker
102, mit dem die auf dem Bus anliegenden und insbesondere
von der dezentralen Einheit 200 stammenden Signale erfaßt
werden können. Diese Quellen und der Empfänger sind
schematische Darstellungen von Sende- und
Empfangseinrichtungen
der Signale der UC und der weiter unten beschriebenen
UD.
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Die Zentraleinheit weist außerdem eine Spannungsquelle
103 auf, die über die zwei anderen Leitungen des Busses
für zumindest eine der dezentralen Einheiten,
beispielsweise die UD 200, die Versorgungsspannung bereitstellt.
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Die Versorgungsleitungen sind im Inneren der dezentralen
Einheit 200 auf nicht gezeigte Weise mit denjenigen
Schaltungen verbunden, die auf diese Weise einer
Stromversorgung bedürfen.
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In der UD 200 sind die zwei Datenleitungen in bekannter
Weise einerseits mit einem Differenzverstärker 202
verbunden, der die Erfassung der von den Stromquellen 101
und 104 ausgesandten Signale ermöglicht, und andererseits
mit zwei gesteuerten Stromquellen 201 und 203, mit denen
die für die Zentraleinheit oder eventuell für eine andere
dezentrale Einheit vorgesehenen Daten auf den Bus
ausgegeben werden können.
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Erfindungsgemäß ist ein Detektor 206 parallel zu den
beiden von den Datenleitungen des Busses kommenden
Verbindungen geschaltet, mit ihm kann ein möglicher Kurzschluß
dieser Datenleitungen erfaßt werden, indem der durch ihn
auf ihnen hervorgerufene Spannungsabfall erfaßt wird, der
irgendwann zur Gleichheit ihrer Potentiale führen kann.
Mit dem Detektor 206 kann gegebenenfalls sofort eine
Abtrenneinrichtung 204 gesteuert werden, mit der die
Stromquellen 201 und 203 und der Verstärker 202 von den
Verbindungsleitungen 400 der Datenleitungen des Busses 300
isoliert werden können.
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Gemäß einem anderen kennzeichnenden Merkmal der Erfindung
weist die dezentrale Einheit außerdem eine
Kurzschlußeinrichtung 205 auf, mit der gesteuert durch die
Erfassungsschaltung 206 die Verbindungsleitungen 400 für die
Stromversorgungsleitungen des Busses 300 kurzgeschlossen
werden können.
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Die Abtrenneinrichtung 204 und die Kurzschlußeinrichtung
205 sind als elektromechanische Relais dargestellt, sie
können aber auch durch andere Einrichtungen verwirklicht
werden, mit denen das gleiche Ergebnis erzielt werden
kann, insbesondere durch Halbleitervorrichtungen.
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Wenn die Erfassungsschaltung 206 das Auftreten eines
Kurzschlusses auf den Datenleitungen des Busses 300
feststellt, steuert sie erfindungsgemäß zuerst die
Wirkungsweise der Abtrenneinrichtung 204 an, die das Abtrennen
der Stromquellen 201 und 203 und des Verstärkers 202
vornimmt.
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Es sei hier angemerkt, daß man in diesem Stadium und
insbesondere bei dieser Ausführungsform nicht weiß, an
welcher Stelle der Kurzschluß vorliegt, er kann genausogut
in einer anderen dezentralen Einheit oder im Bus selbst
vorliegen. Die Detektorschaltung 206 ist mit dem Datenbus
verbunden, entweder oberhalb der Abtrenneinrichtung 204
(wie in Figur 1 dargestellt), oder unterhalb, oder genau
auf ihr. Fallabhängig müssen die logischen
Entscheidungen, die auf die Erfassung eines Kurzschlusses hin zu
treffen sind, angepaßt werden. Wenn bei der in Figur 1
dargestellten Verbindungsart der Kurzschluß andauert,
nachdem die Empfangsschaltung und die Sendeschaltung der
dezentralen Einheit 200 durch die Schaltung 204
abgetrennt wurden, liegt das daran, daß diese die Ursache
dafür
sind. Gegebenenfalls veranlaßt die
Erfassungsschaltung 206 die Einrichtung 204 zur dauerhaften Abtrennung
der dezentralen Einheit 200. Wenn die Schaltung 206
oberhalb der Einrichtung 204 angebracht ist, müssen
entgegengesetzte Entscheidungen gefällt werden.
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Es kann auch der Fall auftreten, daß sich mehrere oder
alle dezentralen Einheiten mehr oder minder gleichzeitig
abtrennen, weil sie alle meinen, fehlerhaft zu sein,
obwohl nur eine einzige betroffen ist. Um dieses Risiko zu
umgehen, kann man für den Zustand des Abgetrenntseins
eine Zeitsteuerung in der Größenordnung von beispielsweise
einigen Millisekunden vorsehen, wobei dafür Sorge zu
tragen ist, daß die Dauer dieser Zeitsteuerungen
zufallsverteilt sind, etwa bei der Herstellung der dezentralen
Einheiten. Es wird sich dann jede dann, wenn es erforderlich
ist, abtrennen und sich wieder verbinden, wenn während
des Abgetrenntseins der Kurzschluß verschwunden ist. Auf
diese Weise kann einfach das Risiko des gleichzeitigen
Abtrennens einer großen Anzahl von dezentralen Einheiten
verringert werden, und meistens verbleibt lediglich die
betroffene Einheit im abgetrennten Zustand.
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Wenn die betroffene dezentrale Einheit abgetrennt ist,
ist es oft wünschenswert, ihren Abtrennzustand an die
Zentraleinheit 100 zu signalisieren. Die einen solchen
Bus benützenden Systeme sind im allgemeinen aber billig
und oft äußerst einfach aufgebaut und haben deshalb das
gleichzeitige Vorsehen eines Senders und eines Empfängers
in den dezentralen Einheiten vermieden, wenn dies nicht
notwendig war. Eine dezentrale Einheit, die lediglich zum
Ausführen von Befehlen vorgesehen ist, wird deshalb oft
keinen Sender aufweisen und kann keine Bestatigung für
empfangene Befehle aussenden. Andererseits kann eine
dezentrale Einheit, die lediglich als Aufnehmer vorgesehen
ist, oft nicht empfangen und kann deshalb nicht in
regelmäßigen Zeitabständen durch die Zentraleinheit zur
Überprüfung ihres Zustands abgefragt werden, wie dies oft in
höher entwickelten, aber auch teureren Systemen der Fall
ist.
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Um deshalb den Zustand des Außerdienststellens der
dezentralen Einheit an die Zentraleinheit zu übertragen, wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, die elektrischen
Versorgungsleitungen des Busses mittels einer
Kurzschlußeinrichtung wie etwa dem in der Figur dargestellten Relais
205 zeitweise und gemäß einem vorbestimmten Code
kurzzuschließen. Diese Maßnahme wird durch den Detektor 206
gesteuert.
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Beispielhaft können zwei Kurzschlußimpulse einer Dauer d
von 1 µs vorgesehen sein, die durch ein Zeitintervall D
gleich 100 µs getrennt sind. Eine solche Zeitdauer
erlaubt die Übertragung eines durch die Zentraleinheit
leicht erfaßbaren Signals, ohne jedesmal eine
außerordentliche Belastung der in dieser Zentraleinheit
enthaltenen Versorgungsschaltungen oder das Ansprechen der
Schutzschaltungen wie etwa der Sicherungen zu riskieren.
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Die Zentraleinheit weist deshalb eine Erfassungsschaltung
auf, die beispielsweise durch einen Differenzverstärker
107 gebildet wird, der an den Anschlüssen der Stromquelle
103 liegt. Diese Schaltung erfaßt den Spannungsabfall an
den Anschlüssen der Quelle 103 und gibt ein Signal R aus,
das an nicht dargestellte Logikschaltungen der
Zentraleinheit den Abtrennzustand der dezentralen Einheit
200 meldet.
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Zur Vermeidung von Fehlerfassungen, beispielsweise
aufgrund von Übergangszuständen aufgrund der Wirkungsweise
der dezentralen Einheiten, kann man die an den Verstärker
107 angelegten Signale derart filtern, daß die Impulse
von 1 µs erkannt werden. Zur Bestimmung, welche der
dezentralen Einheiten abgetrennt ist, kann man außerdem
eine Codierung der Impulsfolge vorsehen, beispielsweise
durch Veränderung der Zeitdauer D, die die Impulse
trennt, wobei jede Zeitdauer für eine bestimmte
dezentrale Einheit charakteristisch ist.
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Zur weiteren Verbesserung kann vorgesehen sein, die so
ausgesandten Signale in regelmäßigen Intervallen zu
wiederholen, so daß sie, falls sie im Augenblick des
Abtrennens nicht erkannt wurden, bei einer der späteren
Wiederholungen erkannt werden. Dies ist insbesondere bei
lokalen Anwendungen nützlich, wo eine Überwachung der
dezentralen Einheiten wünschenswert ist, ohne daß dies häufig
vorgenommen werden müßte. Es kann deshalb die
Wiederholung des Hinweissignals beispielsweise einmal alle
dreißig Minuten oder einmal pro Stunde vorgesehen sein.
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Die Nachrichtenübertragung von der dezentralen Einheit
zur Zentraleinheit erfolgt bei diesem Beispiel demnach
über eine Modulation der Versorgungsspannung +V, wie dies
in Figur 2 dargestellt ist, in der man die zwei Impulse
der Zeitdauer d, getrennt durch die Zeitdauer D und
wiederholt im Intervall T, erkennt.
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Die Schaltung 206 kann beispielsweise wie schematisch in
Figur 3 dargestellt aufgebaut sein.
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Die Datenleitungen des Busses D und (D) sind mit einem
Differenzverstärker 301 verbunden, der so geregelt wird,
daß er ein Signal ausgibt, wenn die Potentiale auf den
zwei Leitungen näherungsweise identische Werte annehmen,
oder wenn sie sich praktisch ausreichend angenähert
haben, um einen echten Kurzschluß zu erfassen.
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Dieses Signal wird durch eine erste Verzögerungsschaltung
302 um die Zeitdauer t1 verzögert, der Ausgang der
Schaltung wird auf das UND-Gatter 303 gegeben. Dieses empfängt
auch das Ausgangssignal des Verstärkers 301. Man hat
demnach am Ausgang des Gatters 303 nur dann ein Signal, wenn
der Kurzschluß über den Zeitraum t1 hinaus andauerte,
also wenn sich keine andere dezentrale Einheit während
dieses Zeitraums abgetrennt hat.
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Das Ausgangssignal des Gatters 303 schaltet eine
Kippschaltung 304 um, deren Ausgang ein Steuersignal an das
Relais 204 ausgibt, das daraufhin die zentrale Einheit
abtrennt. Dieses Steuersignal wird außerdem durch eine
zweite Verzögerungsschaltung 305 um eine Zeitdauer t2
verzögert, die ausreicht, um das Relais 204 ansprechen zu
lassen und die Potentiale auf den Leitungen D und (D)
ihre normalen Werte annehmen zu lassen.
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Wenn am Ende dieser Zeitdauer t2 die Situation auf den
Leitungen D und (D) wiederhergestellt ist, kommt dies
daher, daß eine andere dezentrale Einheit in den
Kurzschlußzustand getreten ist. Um diesen Fall zu
berücksichtigen, sind die Ausgänge des Verstärkers 301 und der
Verzögerungsschaltung 305 außerdem mit einem zweiten UND-
Gatter 306 verbunden, dessen Ausgang seinerseits auf den
Rücksetzeingang RAZ der Kippschaltung 304 geschaltet ist.
Wenn dann die obige Bedingung, wonach sich gezeigt hat,
daß eine andere dezentrale Einheit fehlerhaft ist,
aufgehoben ist, setzt der Anschluß 306 die Kippschaltung 304
auf Null zurück, und diese stellt die Verbindung der
dezentralen Einheit mit dem Bus über die Relais 204 wieder
her.
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Wenn andererseits am Ende der Zeitdauer t2 die Situation
immer noch anormal ist, bleibt die Kippschaltung 304 in
ihrem Zustand des Veranlassens der Öffnung des Relais
204, und das Signal der Verzögerungsschaltung 305 wird an
den ersten Eingang eines dritten UND-Gatters 307
angelegt, das an einem anderen Eingang, der invertiert ist,
das Ausgangssignal des Verstärkers 301 empfängt. Unter
diesen Bedingungen veranlaßt der Ausgang dieses Gatters
307 die Tätigkeit einer Zeitsteuerung 308 nur dann, wenn
die dezentrale Einheit sicher fehlerhaft und abgetrennt
ist. Der Ausgang der Zeitsteuerung wird daraufhin das
Kurzschlußrelais 205 gemäß einer Abfolge entsprechend
beispielsweise der Figur 2 ansteuern. Eine solche
Zeitsteuerung 308 ist eine gewerblich leicht erhältliche
Schaltung, um eine Folge von logischen Zuständen geben zu
können, die durch nach Bedarf programmierbare Zeitdauern
getrennt sind.
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Die Erfassungsschaltung 107, mit der die Zentraleinheit
das von den Versorgungsleitungen einlaufende
Kurzschlußsignal erfassen kann, muß die kurzen Signale, wie sie in
Figur 2 dargestellt sind, verfolgen können und
vorzugsweise entsprechend den logischen Zuständen ein Signal
ausgeben können, das direkt durch die
Informationsverarbeitungseinrichtungen, beispielsweise einen
Mikroprozessor, wie sie in der Zentraleinheit 100 vorgesehen sind,
verwendet werden kann.
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Hierzu kann man beispielsweise eine Schaltung verwenden,
wie sie in Figur 4 schematisch dargestellt ist.
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Die Schaltung weist einen Differenzverstärker 107 auf,
der gegebenenfalls als Schmidt-Trigger verschaltet sein
kann, und dessen Ausgangsspannung auf den logischen Pegel
derjenigen Schaltungen begrenzt ist, die das
Ausgangssignal R verwenden.
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Der +Eingang dieses Verstärkers ist mit der positiven
Versorgungsleitung verbunden.
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Eine auch mit der positiven Leitung verbundene Diode 108
dient dem Aufladen eines Kondensators hoher Kapazität
109, der andererseits mit der -Versorgungsleitung
verbunden ist. Damit kann während der kurzen Augenblicke, in
denen die Versorgungsleitungen durch das Relais 205
kurzgeschlossen werden, an den Klemmen des Kondensators ein
Potential beibehalten werden, das näherungsweise dem
Versorgungspotential entspricht.
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Eine aus den zwei in Serie geschalteten Widerständen 110
und 111 gebildete Brücke zwischen dem Verbindungspunkt
der Diode und des Kondensators und der negativen
Versorgungsleitung erzeugt eine Schwellenspannung, die
beispielsweise gleich einem Viertel des normalen Werts der
Versorgungsspannung ist. Dieser Schwellenwert kann als
der kritische Wert angenommen werden, unter dem
angenommen werden kann, daß die Versorgungsleitungen durch das
Relais 205 kurzgeschlossen sind.
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Wenn die Spannung auf der positiven Leitung unter den
Schwellenwert fällt, schaltet der Verstärker 107 um, und
das Potential an seinem Ausgang geht vom einen logischen
Zustand in den anderen über, hier vom Zustand hoch zum
Zustand niedrig, was das Ausgangssignal R bildet. Dieses
wird dann an eine bekannte Decodiereinrichtung angelegt,
die überprüft, ob es die Zeitdauer und die
Unterbrechungsfolge der Versorgungsspannung aufgrund eines
Kurzschlusses durch das Relais 205 ist.
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Die so von der Abtrennung der dezentralen Einheit
informierte Zentraleinheit veranlaßt dann bestimmte Maßnahmen,
die den Bereich der Erfindung nicht verlassen.