DD254284A1

DD254284A1 - Verfahren zur seriellen datenuebertragung

Info

Publication number: DD254284A1
Application number: DD29702886A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Geike; Winfried Kuenzel; Ulrich Van De Loo
Original assignee: Geraete & Regler Werke Veb
Priority date: 1986-12-04
Filing date: 1986-12-04
Publication date: 1988-02-17
Also published as: DD254284B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur seriellen Datenuebertragung zwischen mehreren an einer Stromschleife angekoppelten Stationen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dasz die zum Speisen der Stromschleife verwendete Stromquelle einen als Konstantstromquelle geschalteten Spannungsreglerschaltkreis aufweist. Parallel zur Stromschleife ist ein Ballasttransistor geschaltet. Zwischen dem Ausgang B des Spannungsreglerschaltkreises und der Basis des Ballasttransistors sind in Reihe geschaltete Z-Dioden angeordnet. Auszerdem sind am Ausgang B sowie jeweils zwischen zwei Z-Dioden Klemmen installiert.{Datenuebertragung; seriell; Stromschleife; Stationen; Sender; Empfaenger; Konstantstromquelle; Spannungsreglerschaltkreis; Ballasttransistor; Schaltungsanordnung}

Description

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die zum Speisen der Stromschleife verwendete Stromquelle derart gestaltet ist, daß an ihren Klemmen die Spannung bei unterbrochener Stromschleife der Spannung bei geschlossener Stromschleife entspricht.

Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Lösung werden zuerst die Strom-Spannungs-Verhältnisse einer bekannten Stromschleife beschrieben.

Das Öffnen des Sendeschalters {Aktivität einer Station) bewirkt ein Ansteigen der Spannung über dem geöffneten Schalter auf den Wert der Leerlaufspannung der unbelasteten Stromquelle. Der Spannungssprung von der Sättigungsspannung des geschlossenen Schalters auf den Wert der Leerlaufspannung der Stromquelle bewirkt ein Aufladen der an den Klemmen wirkenden Schalt- und Leitungskapazitäten mit dem maximal möglichen Strom der Signalstromquelle, so daß selbst nach dem Öffnen des Sendeschalters noch Signalstrom fließt, um die Kapazitäten der Leitung und des Schalters aufzuladen. Dies bedeutet eine Schrittverzerrung des Signalstromes der Stromschleife in der Aufladephase.

Wird der Sendeschalter geschlossen, so erfolgt zunächst eine Entladephase der am Sendeschalter aufgeladenen Kapazitäten.

Der dabei fließende Entladestrom wirkt dem Schleifenstrom entgegen, was zur zeitlich begrenzten Auslöschung des Schleifenstromes führt. Dies bedeutet eine Schrittverzerrung des Signalstromes in der Entladephase. Bei hohen Sendegeschwindigkeiten bedeutet dies ein ständiges Auf- und Entladen der an den Klemmen des Sendeschalters wirkenden Schalt- und Leitungskapazitäten. Da dies immer nur mit dem Strom der Stromquelle erfolgen kann, erfolgt bei höheren Übertragungsgeschwindigkeiten keine vollständige Auf- und Entladung der Kapazitäten, der eigentlich durch den Stationssender unterbrochene Signalström der Stromschleife fließt dennoch über die wirksamen Kapazitäten. Bei höheren Übertragungsgeschwindigkeiten ist deshalb die Sendeinformation durch die Empfangseinrichtungen der Stationen nicht mehr lesbar.

Je höher die an den Sendeeinrichtungen wirkende Schalt- und Leitungskapazität ist, z. B. bei sehr großer Entfernung des Senders von der Stromeinspeisung der Stromschleife, um so geringer wird die Lesbarkeit der gesendeten Informationen. Die beschriebenen Probleme treten bei der erfindungsgemäßen Stromschleife nicht auf. Der Stromkreis wird durch eine abgleichbare Stromquelle, den Stationen mit den als elektronische Schalter wirkenden Sendern, den Leuchtdiodenstrecken der Optokoppler der Empfänger und der die Stationen verbindenen Zweidrahtleitung gebildet. Bei geschlossener Schleife wird die entsprechend dem geforderten Schleifenstrom dimensionierte Stromquelle soweit durchgesteuert, daß die geforderte Stromstärke gerade erreicht wird.

Wird jetzt der Stromfluß im Stromkreis unterbrochen, steigt die Leerlaufspannung an den Klemmen der Stromquelle nur unwesentlich an.

Damit verändern sich die Verhältnisse innerhalb der Stromschleife gegenüber dem Stand der Technik.

Bei Einsatz einer abgeglichenen, spannungsbegrenzten Stromquelle ergeben sich, über den Klemmen der Stromquelle gemessen, nur geringe Spannungsdifferenzen zwischen geöffneter und geschlossener Stromschleife. Dieses Verhalten ergibt sich aus dem nichtlinearen Strom-Spannungs-Verhalten der Stromschleife und der angeschlossenen Teilnehmer einerseits und andererseits aus der Leerlaufspannungsbegrenzung der Stromquelle. Danach wird die Leerlaufspannung der Stromquelle nur so hoch gewählt, damit gerade der Schleifenstrom fließen kann. Damit ergibt sich eine Spannungsdifferenz über den Klemmen der Stromquelle (geöffnete bzw. geschlossene Stromschleife), deren Größe von dem ohmschen Widerstand der Schleifenanordnung bestimmt wird. Diese Spannungsdifferenz ist im Verhältnis zum Gesamtspannungsabfail der Stromschleife sehr gering, so daß auch die Umladeprozesse der wirksamen Leitungskapazität geringer sind.

Bezogen auf einen Teilnehmer (Sender und Empfänger) ergeben sich auch veränderte Verhältnisse gegenüber dem Stand der Technik. Bedingt durch die Überlagerung der nichtlinearen Komponenten der Stromschleife (Sättigungsverhalten des Sendeschalters, Diodenkennlinie des Empfangs-Optokopplers, Begrenzungseigenschaften der Stromquelle für Strom und Spannung) ergibt sich zwischen den logischen Grenzen des Schleifenstromes („O"-Bereich bzw. „1 "-Bereich) ein differentiell sehr hoher Widerstand der Stromschleife, der aber durch den ohmschen Anteil innerhalb der Schleife (z. B. Leitungswiderstände, Anpassungswiderstände im Empfänger) begrenzt wird. Daraus erklärt sich auch die oben genannte Spannungsdifferenz über den Klemmen der Stromquelle.

Bei einer Sendeaktivität eines Teilnehmers (Sendeschalter schaltet Schleifenstrom) verändert sich zwar die Größe des Schleifenstromes („O"-Bereich bzw. „1 "-Bereich) aber der Spannungsabfall über dem Sendeschalter verändert sich nur unwesentlich, nicht zuletzt durch den Einfluß der an den beiden Anschlüssen des Sendeschalters wirksamen Leitungs- und Schaltkapazitäten. Damit werden bei größeren Datenraten die Zeiten für ein Umladen der Schaltungskapazitäten immer kurzer, der dafür notwendige Strom ist auf Grund des differentiell hohen Widerstandes sehr gering. Damit sind die Signalverfälschungen durch den Anteil des Umladestromes in gewissen Grenzen gering und somit höhere Datenraten als bisher (Stand der Technik) möglich.

Ausführungsbeispiel

Das Verfahren zur seriellenDatenübertragung wird im Ausführüngsbeispiel an Hand einer konkreten Stromschleife beschrieben. Die Stromschleife besteht aus der Stromquelle 10, den angeschlossenen Stationen 20 und der diese Bausteine verbindenden Zweidrahtleitung 30. Die Stationen 20 enthalten die Sender 21 und die Empfänger 24. Von Sender 21 sind der Sendeschalter 22 und der Sende-Optokoppler 23 dargestellt. Vom Empfänger 24 ist der Empfangs-Optokoppler 25 dargestellt. Die Stromquelle 10 ist entsprechend dem Wesen der Erfindung gestaltet. Sie enthält einen als Konstantstromquelle geschalteten Spannungsreglerschaltkreis 11 (B 3171). Durch den Widerstand 12, der zwischen seinen Anschlüssen A und B geschaltet ist, wird die Größe des Konstantstromes bestimmt. Über den Anschluß C erfolgt die Spannungsversorgung durch die Spannungsquelle E. Am Anschluß A ist der Bailasttransistor 13 zur Stromübernahme angeschlossen. Über die zwischen Basis des Ballasttransistors 13 und dem Anschluß B des Spannungsreglerschaltkreises 11 angeordneten Z-Dioden 14 kann die Schnellspannung des Ballasttransistors und damit die Leerlaufspannung der Stromquelle 10 bei unterbrochenem Stromfluß auf der Stromschleife in Stufen eingestellt werden. Dazu sind die Klemmen 15 installiert.

DerStrorrrftuß in der geschlossenen Stromschleife im statischen Fall wird bestimmt durch die Sättigungsspannung der Sendeschalter 22, den Flußspannungen der Empfangs-Optokoppler 25 und den Ohmschen Widerständen der Zweidrahtleitung 30. Der zur Inbetriebnahme der Stromschleife erforderliche Abgleich wird bei geschlossenen Sendeschaltern mit dem Zustand begonnen, bei dem alle Klemmen 15 der Stromquelle 10 verbunden sind. Der von der Konstantstromquelle 11 ausgehende Strom fließt über den Ballasttransistor 13. Schrittweise wird der Kurzschluß über den Z-Dioden 14 beseitigt, bis der Ballasttransistor völlig gesperrt ist und der Konstantstrom durch die Stromschleife fließt. Der Abgleich ist damit beendet. Wird zu Zwecken der Datenübertragung die Stromschleife durch einen Sendeschalter unterbrochen, bleibt die Klemmenspannung der Stromquelle 10 annähernd auf dem Wert, der bei geschlossener Stromschleife anliegt. Damit sind auf der Stromschleife Strom-Spannungs-Verhältnisse realisiert, die den Einfluß der Leitungskapazitäten auf die Signalform des Schleifenstromes entscheidend verringern.

Claims

Verfahren zur seriellen Datenübertragung zwischen mehreren an einer Stromschleife angekoppelten, jeweils Sender und Empfänger aufweisenden Stationen, wobei zum Senden der Sendeschalter der betreffenden Station den Stromfluß in der Stromschleife unterbricht, gekennzeichnet dadurch, daß die zum Speisen der Stromschleife verwendete Stromquelle (10) derart gestaltet ist, daß an ihren Klemmen die Spannung bei unterbrochener Stromschleife der Spannung bei geschlossener Stromschleife entspricht.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur seriellen Datenübertragung zwischen mehreren an einer Stromschleife angekoppelten Stationen.

Typischer Anwendungsfall ist die Datenübertragung mit seriellem, asynchronem Interface über eine20-mA-Stromschleife. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens in Automatisierungsanlagen wurden mit 8 Stationen und Entfernungen bis 1 000m Datenübertragungsgeschwindigkeiten >9600Bd erreicht.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Schaitungsanordnungen bekannt, bei denen mehrere Teilnehmer (z. B. Geräte mit Mikrorechnern) über eine schleifenförmige Ankopplung und eine Stromschleife verbunden werden. Der Stromkreis wird durch einen Stromquellenzweipol, den als elektronischer Schalter fungierenden Sendeeinrichtungen, den Infrarotleuchtdiodenstrecken der Optokoppler der Empfangseinrichtungen und der die Stationen verbindenden Zweidrahtleitung gebildet. Bei geschlossener Stromschleife wird sich ein Schleifenstrom einstellen, der alle angeschlossenen Stationen verbindet. Für den Stromquellenzweipol wird eine Konstantstromquelle verwendet, so daß Spannungsabfälle entlang der Stromschleife, z. B. durch ohmsche Verluste in der Zweidrahtleitung bzw. Spannungsabfälle der Sender (Sättigungsspannung des elektronischen Schalters) und Empfänger, ohne Einfluß auf die Größe des Schleifenstromes bleiben. Somit ist bei beliebiger Schleifenanordnung bzw. Leitungslänge kein spezieller Abgleich der Anordnung notwendig. Spannungsverluste werden durch die Konstantstromquelle bis an die Grenzen ihrer maximalen Leerlaufspannung ausgeregelt. Das Senden von Informationen erfolgt durch Unterbrechen des Stromflusses innerhalb der Stromschleife. Die Sendeeinrichtung einer der angeschlossenen Stationen unterbricht durch Öffnen ihres elektronischen Schalters den Schleifenstrom, so daß in allen Empfangseinrichtungen dies als „Space" bzw. „0" erkannt wird.

In der Offenlegungsschrift DE 3436235 Al wird eine solche Datenübertragungseinrichtung zur Erfassung von physikalischen Größen offenbart, bei der der wesentliche Vorteil in einer zeitmultiplexen Datenübertragung zwischen mehreren Meßeinrichtungen und der zentralen Prozessoreinheit unter Erzielung einer hohen Übertragungsqualität mit nur einer einzigen Stromschleife besteht. Gekennzeichnet ist diese Erfindung durch die Reihenschaltung aller Sende- und Empfangseinrichtungen derTeilnehmer in einem einzigen Stromkreis mit einer Betriebsspannungsquelle. Sende- und Empfangsstufe der zentralen Prozessoreinheit sind so ausgelegt, daß den logischen Pegeln Strompegel unterschiedlicher Höhe zugeordnet werden —z.B. sehr kleiner Schleifenstrom — logischer Pegel 1; hoher Schleifenstrom — logischer Pegel 0. Die bekannten Anordnungen mit Stromschleife haben den Nachteil, daß mit wachsender Übertragungsgeschwindigkeit und wachsender Leitungslänge die Signalform verfälscht wird, so daß die Leistungsfähigkeit der Stromschleifen begrenzt ist. Bei bekannten Systemen ist deshalb die maximale Übertragungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Leitungslänge vorgeschrieben (TGL 42886, DIN 66020 bzw. 66021).

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur seriellen Datenübertragung mittels Stromschleife. Gegenüber der bekannten Stromschleife soll eine wesentlich größere Entfernung bzw. eine wesentlich höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit ermöglicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Ursache für die Begrenzung der Übertragungsgeschwindigkeit bzw. der Leitungslänge ist darin zu sehen, daß mit jedem Signalwechsel ein Au£- bzw., Entladen der Leitungskapazität verbunden ist, wodurch die Signalform verschliffen wird. Die Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird, besteht darin, die Strom-Spannungs-Verhältnisse in der Stromschleife derart zu · gestalten, daß der Einfluß der Leitungskapazitäten auf die Signalform des Schleifenstromes verringert wird.