DE3420795A1

DE3420795A1 - Method for data transmission of digital and analog data

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Publication number: DE3420795A1
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: 1985-12-05
Also published as: DE3420795C2

Abstract

Published without abstract.

Description

VERFAHREN ZUR PROCEDURE FOR

UBERTRAGUNG VON DIGITALEN UND ANALOGEN DATEN Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Übertragung von digitalen und analogen Daten in bidirektionaler Richtung zwischen einer Zentrale und Unterstationen, die miteinander parallel in beliebiger Vernetzung zweidrähtig verbunden sind.TRANSFER OF DIGITAL AND ANALOG DATA The invention relates to a method for the transmission of digital and analog data in a bidirectional direction between a control center and substations which are connected to each other in parallel with two wires in any network.

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 einfache Verkabelung und auf geringe Kosten der einzelnen Teile sowie auf große Funktionssicherheit und geringen Stromverbrauch zu achten.Task: The task of a bidirectional data exchange between a control center and remote substations, is given when digital in many places in a spatially extended system and analog data are to be recorded and output. It is mainly based on simple Cabling and at low cost of the individual parts as well as great functional reliability and low power consumption.

Ein Anwendungsbereich ist beispielsweise die Überwachung von Gebäuden und die Hausleittechnik, bei 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 Anforderungen an die Übertragungsgeschwindigkeit zu beachten.One area of application is, for example, the monitoring of buildings and home automation, where a large part of the electrical equipment and the Heating system with several measuring points combined in a common system will. Particularly in this area of application is the simple cabling and the interference immunity with only low requirements on the transmission speed to be observed.

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.A second area of application relates to extensive systems in the Process or manufacturing technology, in which a large number of sensors, actuators and displays connected to a control center via a suitable network for data transmission should be. The well-known local networks such as ETHERNET are a lot for this too expensive.

Stand der Technik: Bisher bekannte Verfahren arbeiten bereits mit serieller Datenübertragung über Leitungen, an die eine Zentralstation und Unterstationen parallel angeschlossen sind. Hierbei werden getrennte Leitungen für den Datentransport zur Zentralstation und zu den Unterstationen verwendet, so daß mindestens drei Adern benötigt werden.State of the art: Previously known processes are already working serial data transmission over lines to a central station and substations are connected in parallel. There are separate lines for data transport used to the central station and to the substations, so that at least three wires are needed.

Andere Verfahren benutzen zwar zweiadrige Kabel oder auch Koaxialkabel und bieten eine sehr große Leistungsfähigkeit, der Schaltungsaufwand ist aber für die oben genannten Anwendungsbereiche viel zu groß.Other methods use two-core cables or coaxial cables and offer a very high performance, but the circuit complexity is for the areas of application mentioned above are far too large.

Weiterhin benutzen die bekannten Verfahren eine Form der Datenübertragung von den Unterstationen zu der Zentrale, bei der die elektrische Energie für das Senden von den Unterstationen aufgebracht wird.Furthermore, the known methods use some form of data transmission from the substations to the control center, where the electrical energy for the Sending from the substations is applied.

Nachteile der beschriebenen Verfahren: Ein Nachteil der beschriebenen Verfahren liegt 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. Ein weiterer Nachteil besteht in der Notwendigkeit, elektrische Energie von den Unterstationen auf die Verbindungsleitung zu übertragen. Damit wird ein Batteriebetrieb der Unterstationen erschwert.Disadvantages of the method described: A disadvantage of the method described The method lies in the number of cores required in the cable with which the individual Stations are connected to one another or in terms of technical complexity in the networks with two-wire lines or coaxial cables. Another disadvantage is the Need to transfer electrical energy from the substations to the interconnection line transferred to. This makes battery operation of the substations more difficult.

Erfindungsgemäßes Beheben der Nachteile: Erfindungsgemäß werden die Nachteile bekannter Systeme durch ein Verfahren gemäß demlPatentanspruch e behoben.Removal of the disadvantages according to the invention: According to the invention, the Disadvantages of known systems eliminated by a method according to patent claim e.

Ausführungsbeispiel: Weitere Einzelheiten ergeben sich aus einem Ausführungsbeispiel.Exemplary embodiment: Further details emerge from an exemplary embodiment.

Figur 1 zeigt eine Übersicht 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.Figure 1 shows an overview of the system, consisting of a Central 1, the substations 2 and the lines 9 and 10. The connections are partly ring-shaped and partly star-shaped. Substations 2 where A high level of security against line interruption must be given are at least over two ways connected to the center 1 at the same time.

Figur 2 zeigt gleichzeitig die wichtigen Schaltungsmerkmale der Zentrale 1 und einer Unterstation 2 Figur 3 zeigt grafisch den Verlauf der Spannungen zwischen den Leitungen 8 und 9 beim Senden der Zentrale 1 und beim Senden der Unterstation 2.Figure 2 simultaneously shows the important circuit features of the control center 1 and a substation 2 Figure 3 graphically shows the course of the voltages between lines 8 and 9 when sending the central unit 1 and when sending the substation 2.

Im folgenden sollen die Betriebszustände Senden der Zentrale 1, Empfangen der Zentrale 1 und Ruhezustand anhand der Figuren 1 und 2 erläutert werden.In the following, the operating states sending the center 1, receiving the control center 1 and the idle state are explained with reference to FIGS. 1 and 2.

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 Bezugspotential der Schaltung verbunden. Die Leitung 9 ist über den Widerstand Ri und die Diode D1 mit einer Spannungsquelle verbunden, die etwa die halbe Betriebsspannung 1/2 Ub abgibt.Idle state (neither send nor receive): In the center 1 is the Idle state marked as follows: The transmission transistor T2 is blocked. No electricity flows through it. The line 10 is at the reference potential of the circuit tied together. The line 9 is connected to a voltage source via the resistor Ri and the diode D1 connected, which emits about half the operating voltage 1/2 Ub.

In der Unterstation 2 ergibt sich der Ruhezustand folgendermaßen: Der Ausgangstransistor des Optokopplers 02 ist gesperrt, so daß durch 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.In substation 2, the idle state is as follows: The output transistor of the optocoupler 02 is blocked so that there is no current through it flows. The Zener voltage of the Zener diode Z is greater than the voltage between lines 9 and 10. Correspondingly, no current flows through these either.

Die wichtigste Eigenschaft des Ruhe zustandes ist, daß zwar eine Spannung in der Höhe der halben Betriebsspannung zwischen den Leitungen 9 und 10 liegt, aber kein Strom über die Leitung fließt. Der Ruhezustand ist dadurch äußerst energiesparend realisiert.The most important property of the state of rest is that it is a tension is in the amount of half the operating voltage between lines 9 and 10, but no current flows through the line. As a result, the idle state is extremely energy-saving realized.

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. Figur 3 zeigt den Verlauf der Spannung zwischen den Leitungen 9 und 10. Die Betriebsspannung Ub wird über den Widerstand R2 und den nun leitenden Transistor T2 auf die Leitung 9 gelegt. Die Diode D1 verhindert einen unerwünschten Stromfluß von dem Transistor T2 über den Widerstand Ri.Sending the center 1: While the center 1 is sending, a serial data stream in pulse form by switching between the one given in the idle state Circuit status and low-resistance connection of line 9 to almost operating voltage Convinced. Figure 3 shows the course of the voltage between lines 9 and 10. The operating voltage Ub is via the resistor R2 and the now conductive transistor T2 placed on line 9. The diode D1 prevents an undesired flow of current from transistor T2 through resistor Ri.

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 übergang 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 Auswerteschaltung 3 registriert und ausgewertet wird.In substation 2, the transition from the idle state (i.e. halfway Operating voltage between lines 9 and 10) and the increased voltage between the lines 9 and 10 a transition of the blocked state of the Zener diode Z. in the conductive state of the same. The light emitting diode of the optocoupler 01 causes a signal at the output of the optocoupler 01, which is in the evaluation circuit 3 is registered and evaluated.

Die Auslegung des Widerstandes R2, über den die Betriebsspannung Ub auf die Leitung 9 gelegt wird, geschieht nach folgender überlegung: Der Widerstand R2 soll einerseits so groß sein, das im Falle des Kurzschlusses zwischen den Leitungen 9 und 10 keine Schäden an den Schaltungsteilen der Zentralstation, insbesondere an dem Transistor T2 auftreten. Dadurch ergibt sich ein Minimalwiderstand für R2. Andererseits wirken die Schaltungen aller angeschlossener Unterstationen 2 mit den Reihenschaltungen aus der Zenerdiode Z, dem Widerstand Rv und der lichtemittierenden Diode des Optokopplers 01 als Belastung. Zusätzliche Lasten können sich ergeben, wenn Unterstationen fälschlicherweise senden und die Leitung zusätzlich mit den Widerständen Rs belasten. Die bei der Belastung zwischen den Leitungen 9 und 10 verbleibende Spannung muß durch die Dimensionierung von R2 noch so hoch sein, daß die Optokoppler 01 noch ein genügendes Signal liefern. Dadurch ergibt sich ein entsprechender Maximalwiderstand für R2. Sinnvollerweise wird R2 zwischen dem so bestimmten Maximalwert und dem oben genannten Minimalwert gewählt.The design of the resistor R2, via which the operating voltage Ub is placed on the line 9, happens after the following consideration: The resistance On the one hand, R2 should be as large as that in the event of a short circuit between the lines 9 and 10 no damage to the circuit parts of the central station, in particular occur at the transistor T2. This results in a minimum resistance for R2. On the other hand, the circuits of all connected substations 2 act with the Series connections from the Zener diode Z, the resistor Rv and the light-emitting Diode of the optocoupler 01 as a load. Additional loads can arise if substations send incorrectly and the line additionally with the Load resistors Rs. The load between lines 9 and 10 remaining voltage has to be high enough due to the dimensioning of R2 that the optocoupler 01 still delivers a sufficient signal. This results in a corresponding one Maximum resistance for R2. It makes sense for R2 to be between the maximum value determined in this way and the above-mentioned minimum value.

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 Rs zwischen die Leitungen 9 und 10 über den Optokoppler 02 in der sendenden Unterstation 2 erzeugt.Receiving in the control center 1: During receiving, a serial Data stream by changing between the circuit state given in the idle state and loading the line 9 by connecting the resistor Rs between the lines 9 and 10 generated via the optocoupler 02 in the transmitting substation 2.

Figur 3 zeigt den Verlauf der Spannung zwischen den Leitungen 9 und 10. Die Spannung zwischen den Leitungen 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 Auswertung weitergegeben werden kann.Figure 3 shows the course of the voltage between lines 9 and 10. The voltage between lines 9 and 10 drops in the event of a load far from the fact that the process is safely registered by a comparator 4 in the control center and can be passed on to a circuit for evaluation.

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.Both the conversion of the data to be sent into a suitable stream serial pulses as well as the conversion of a received sequence of serial pulses to further processable data can by hardwired logic circuits or as in this exemplary embodiment with the aid of microprocessors or single-chip computers which are located in both the control center 1 and the substations 2.

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 Impuls folgen, die von der Zentrale 1 gesendet werden, daraufhin überprüfen, ob darin die eigene Adresse enthalten ist, der ein sie individuell betreffender Befehl folgt.Data traffic between the control center 1 and the substations 2: The The exchange of data on the system is managed by the central unit 1. The substations are usually in a waiting state in which they are on the line follow the appearing impulse, which is sent by the central unit 1, then check, whether it contains your own address, the one that relates to you individually Order follows.

Ein solcher Befehl kann die Aufforderung an die betreffende Unterstation 2 bedeuten, ihrerseits Information zu senden.Such a command can be the request to the substation concerned 2 mean to send information on your part.

Wird das von der Zentrale 1 erwartet, geht diese in den Ruhezustand, um die Information empfangen zu können.If this is expected by the central unit 1, it goes into the idle state, to be able to receive the information.

Die Informationen werden in beiden Richtungen nach einem geeigneten Protokoll in Form von seriellen Impulsfolgen gesendet, das an sich bekannt ist und daher nicht weiter erläutert werden soll.The information is bidirectional after an appropriate one Protocol sent in the form of serial pulse trains, which is known per se and therefore should not be explained further.

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 1 gesendeten Impulse in jedem Fall zu den Unterstationen 2 durch und können empfangen werden. Daher gelingt es auch in einer solchen Störung des Datenverkehrs alle Unterstationen 2 zunächst in den Wartezustand zu bringen, in dem sie nur empfangen und dann 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 ausgedehntes System unvermeidbar sind.Due to disturbances it can happen that both the center 1 and want to send one or more substations 2 at the same time. Because of the above electrical circuit penetrate the pulses sent by the center 1 in each Fall through to substations 2 and can be received. Therefore it works also in such a Disruption of data traffic to all substations 2 first in the waiting state in which they only receive and then the to begin an orderly exchange of data. This results with the help of more suitable Programs in the control center 1 and in the substations 2 provide a particularly high level of security against disturbances caused by electromagnetic influences on such a spatial extensive system are inevitable.

- L e e r s e i t e -- L e r s e i t e -

Claims

"PATENT CLAIM Process for the transmission of digital and analog Data in bidirectional direction between a control center 1 and substations 2 that are connected to each other in parallel with two wires in any network.

characterized in that in the idle state about half the operating voltage (1/2 Ub) is generated via a series resistor Ri between two lines 9 and 10 and that in the case of transmission from the control center 1, the operating voltage Ub via a second series resistor R2 to the lines 9 and 10 is given and that in the case of sending a substation 2 this connects the two lines 9 and 10 via a resistor Rs and thereby lowers the voltage between the lines 9 and 10 so far that this is reliably recognized as a signal by the control center.

2. The method according to claim 1 gekennzeicnnet that in the substations 2 the threshold voltage of the Zener diode Z is chosen so that it is half the operating voltage 1/2 Ub exceeds and thereby a withdrawal of energy from the ring line in the idle state is prevented.

3. The method according to claim 1, characterized in that the resistor R2 is dimensioned so that the transmitted current is sufficient for the connected substations 2 via the Zener diode Z with connected resistor Rv and the respective optocoupler Operate oil.

4. The method according to claim 1, characterized in that the substations 2 are designed such that a simultaneous transmission operation of several substations 2 is not possible.

5. The method according to claim 1, characterized in that the transmission process of substations 2 by varying that of Rs and the transistor of the optocoupler 02 formed resistance takes place and therefore no electrical energy from the Substation 2 on lines 9 and 10 will be.

6. The method according to claim 1, characterized in that the resistor R2 can be varied in such a way that even in the event of a fault, several substations 2 wrongly send at the same time by sending the central station itself resulting voltage between lines 9 and 10 is so high that the substations 2 can receive.