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Die
Erfindung betrifft eine automatisierungstechnische Einrichtung,
bei der eine Mehrzahl räumlich
verteilter Funktionseinheiten mittels eines gemeinsamen Übertragungsprotokolls
miteinander kommunizieren. Entsprechend ihrer automatisierungstechnischen
Funktion treten diese Funktionseinheiten als Feldgeräte oder
Bediengeräte
in Erscheinung.
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In
der Meß-,
Steuerungs- und Regelungstechnik ist es seit längerem üblich, über eine Zweitdrahtleitung
ein Feldgerät
zu speisen und Meßwerte von
diesem Feldgerät
zu einem Anzeigegerät und/oder
zu einer regelungstechnischen Anlage beziehungsweise Stellwerte
von einer regelungstechnischen Anlage zum Feldgerät zu übertragen.
Dabei wird jeder Meßwert
beziehungsweise Stellwert in einen proportionalen Gleichstrom umgeformt,
der dem Speisegleichstrom überlagert
wird, wobei der den Meßwert
beziehungsweise Stellwert präsentierende Gleichstrom
ein Vielfaches des Speisegleichstroms sein kann. So ist üblicherweise
der Speisestrombedarf des Feldgerätes auf ca. 4 mA eingestellt
und der Dynamikumfang des Meßwertes
beziehungsweise Stellwertes auf Ströme zwischen 0 und 16 mA abgebildet,
so daß die
bekannte 4...20 mA-Stromschleife verwendbar ist.
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Neuere
Feldgeräte
zeichnen sich darüber
hinaus durch universelle, weitgehend an den jeweiligen Prozeß adaptierbare
Eigenschaften aus. Dazu ist parallel zum unidirektionalen Gleichstromübertragungsweg
ein bidirektional betreibbarer Wechselstromübertragungsweg vorgesehen, über den
in Richtung zum Feldgerät
Parametrierdaten und aus Richtung des Feldgerätes Meßwerte und Zustandsdaten übertragen
werden. Die Parametrierdaten und die Meßwerte sowie die Zustandsdaten
sind auf eine Wechselspannung moduliert, vorzugsweise frequenzmoduliert.
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In
der Prozeßleittechnik
ist es üblich,
im sogenannten Feldbereich Feldgeräte, das sind Meß-, Stell-
und Anzeigebaugruppen, entsprechend den vorgegebenen Sicherheitsbedingungen
vor Ort anzuordnen und zu verknüpfen.
Diese Feldgeräte
weisen zur Datenübertragung
untereinander analoge und digitale Schnittstellen auf. Die Datenübertragung
wird dabei über
die Speiseleitungen der im Wartenbereich angeordneten Stromversorgung
vorgenommen. Zur Fernsteuerung und Ferndiagnose dieser Feldgeräte sind
auch Bediengeräte
in dem sogenannten Wartenbereich vorgesehen, an dessen Sicherheitsbestimmungen
regelmäßig geringere
Anforderungen gestellt sind.
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Die
Datenübertragung
zwischen den Bediengeräten
im Wartenbereich und den Feldgeräten
wird durch Überlagerung
der bekannten 20 mA-Stromschleifen mit Hilfe der der FSK-Modulation
(Frequenz Shift Keying) realisiert. Dabei werden zwei Frequenzen,
die den binären
Zuständen „0" und „1" zugeordnet sind,
rahmenweise analog übertragen.
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Die
Rahmenbedingungen für
das FSK-Signal und die Art der Modulation sind in der „HART Physical
Layer Specification Revision 7.1-Final" vom 20.06.1990 (Rosemount Dokument
Nr. D8900097; Revision B) beschrieben.
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Zur
Implementierung des FSK-Interface gemäß dem HART – Protokoll sind speziell für diesen Zweck
ausgeprägte
ASIC's, wie beispielsweise
der HT2012 der Firma SMAR, handelsüblich und gebräuchlich.
Nachteilig ist an diesen speziellen Schaltkreisen der unabänderlich
feststehende Funktionsumfang und damit einhergehende fehlende Flexibilität zur Anpassung
an sich verändernde
Anforderungen.
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Bekannte
neuzeitliche automatisierungstechnische Einrichtungen sind üblicherweise
mit einer Verarbeitungseinheit, einem sogenannten Mikrocontroller,
ausgestattet, der in Abhängigkeit
von der automatisierungstechnischen Aufgabe der betreffenden Funktionseinheit
zur bestimmungsgemäßen Datenverarbeitung
verwendet wird.
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Es
wird angestrebt, die Funktionen des FSK-Interface gemäß dem HART-
Protokoll in der Steuerung der Verarbeitungseinheit der automatisierungstechnischen
Einrichtungen abzubilden, ohne dabei die automatisierungstechnische
Aufgabe der betreffenden Funktionseinheit zu beeinträchtigen.
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Der
Erfindung liegt daher im einzelnen die Aufgabe zugrunde, eine automatisierungstechnische Einrichtung
mit Mitteln zur Umsetzung eines FSK-Signals in einen Daten-Bitstrom
mit Hilfe eines für
sich bekannten Mikrocontrollers anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen genannt.
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Die
Erfindung geht aus von einer automatisierungstechnischen Einrichtung
mit einer Verarbeitungseinheit, der mindestens eine Speichereinheit zur
Ablage von Instruktionen und Daten zugeordnet ist. An diese Verarbeitungseinheit
ist sendeseitig ein Digital-Analog-Umsetzer angeschlossen, dem ein Filter
nachgeschaltet ist.
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Der
Daten-Bitstrom wird durch zwei Signalfrequenzen, die den binären Zuständen „0" und „1" zugeordnet sind
und entsprechend der Daten-Bitfolge umgetastet werden, übertragen.
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Zur
Rekonstruktion des gesendeten Daten-Bitstroms aus dem frequenzumgetasteten
Leitungssignal ist ein Nulldurchgangsdetektor vorgesehen, dem ein
erstes, ein zweites und ein drittes retriggerbares Monoflop parallel
nachgeschaltet sind. Das erste retriggerbare Monoflop weist eine
Haltezeit auf, die kleiner ist als die hälftige Periodendauer der höheren Signalfrequenz.
Das zweite retriggerbare Monoflop weist eine Haltezeit auf, die
kleiner ist als die hälftige
Periodendauer der niedrigeren Signalfrequenz und größer ist
als die hälftige
Periodendauer der höheren
Signalfrequenz. Das dritte retriggerbare Monoflop weist eine Haltezeit
auf, die größer ist
als die hälftige
Periodendauer der niedrigeren Signalfrequenz.
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Die
Ausgänge
des ersten, zweiten und dritten Monoflops sind mit einer Auswertestufe
verbunden, in der in Abhängigkeit
von den Ausgangszuständen
des ersten, zweiten und dritten Monoflops ein Datenbit ermittelt
und ausgegeben wird.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Monoflops durch Zeitgeberkanäle des Mikrocontrollers
gebildet. Vorteilhafterweise kommt die Rekonstruktion des gesendeten
Daten-Bitstroms mit wenigen Bauelementen aus.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Monoflops durch Zeitschleifen
in der Programmausführung
des Mikrocontrollers gebildet. Damit wird die Erfindung auch mit
solchen Mikrocontrollern realisierbar, deren Anzahl verfügbarer Zeitgeberkanäle zu gering
ist.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die
hierzu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer automatisierungstechnischen Einrichtung
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2 eine
schematische Darstellung zur Umsetzung eines FSK-Signals in einen
Daten-Bitstroms
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In 1 ist
eine automatisierungstechnische Einrichtung 100 in dem
Umfange prinzipiell dargestellt, wie sie zum Verständnis der
vorliegenden Erfindung erforderlich ist. Die automatisierungstechnische Einrichtung 100 ist über eine
Kommunikationsleitung 200 mit einer im wesentlichen gleichartigen
automatisierungstechnischen Einrichtung 100' verbunden. Die Kommunikationsleitung 200 ist
bidirektional beaufschlagt. Die von der automatisierungstechnischen Einrichtung 100 gesendeten
Informationen werden von der automatisierungstechnischen Einrichtung 100' empfangen und
umgekehrt. Im weiteren wird daher nur auf die detailiert dargestellte
automatisierungstechnische Einrichtung 100 Bezug genommen.
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Ein
Kernbestandteil der automatisierungstechnische Einrichtung 100 ist
ein Controller 110, der zumindest mit einem Speicher 150 und
einem taktgebenden Element, im weiteren der Einfachheit halber als
Taktgenerator 120 bezeichnet, verbunden ist.
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Üblicherweise
sind jedoch Teile des Taktgenerators 120 bereits im Controller 110 implementiert.
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Der
Controller 110 weist Anschlüsse zum Anschluß einer
Datensenke 130 und einer Datenquelle 140 auf.
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Als
Datenquelle 140 kann ein Sensor zur Umsetzung einer physikalischen
Größe in eine
elektrische Größe vorgesehen
sein, der konfigurierbar und/oder parametrierbar ist. Dabei ist
die Konfiguration und/oder Parametrierung die Datensenke 130.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass die Datensenke 130 ein Aktor zur
Umsetzung einer elektrischen Größe in eine
physikalische Größe ist,
dessen Eigenschaften diagnostizierbar sind. Die hierzu vorgesehene
Diagnoseeinrichtung ist dann die Datenquelle 140.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass die automatisierungstechnische Einrichtung 100 ein
Bestandteil einer übergeordnete Einrichtung
ist, die zur bidirektionalen Kommunikation mit weiteren automatisierungstechnischen
Einrichtungen 100' ausgebildet
ist. In dieser Ausführungsform
ist die übergeordnete
Einrichtung sowohl die Datenquelle 140 als auch die Datensenke 130.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die automatisierungstechnische Einrichtung 100 als
sogenannter Protokollumsetzer ausgebildet sein. In dieser Ausführungsform
ist die übergeordnete
Einrichtung sind die Datenquelle 140 und die Datensenke 130 durch
ein zweites Kommunikationssystem gebildet.
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Zur
Durchführung
der Erfindung ist jedoch das Vorhandensein der Datenquelle 140 bei
Fehlen der Datensenke 130 ausreichend.
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Darüber hinaus
ist an den Controller 110 ein Digital-Analog-Umsetzers 160 angeschlossen,
dem ein Filter 170 nachgeschaltet ist. Der Ausgang des Filter 170 ist
mit der Kommunikationsleitung 200 verbunden. Ferner ist
die Kommunikationsleitung 200 an Eingangsanschlüsse des
Controllers 110 geführt, über die
eine Aufnahme des Leitungssignals 201 auf der Kommunikationsleitung 200 vorgesehen
ist.
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Ausgehend
von der Kommunikationsleitung 200 weist die automatisierungstechnische
Einrichtung empfangsseitig eine Demodulationseinrichtung 180 auf.
Die Demodulationseinrichtung 180 besteht im wesentlichen
aus einem Nulldurchgangsdetektor 182 zur Erkennung des
Nulldurchgangs des Leitungssignals, dem dem ein erstes, ein zweites
und ein drittes retriggerbares Monoflop parallel nachgeschaltet
sind.
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Das
erste retriggerbare Monoflop 183 weist eine Haltezeit auf,
die kleiner ist als die hälftige
Periodendauer der höheren
Signalfrequenz. Das zweite retriggerbare Monoflop 184 weist
eine Haltezeit auf, die kleiner ist als die hälftige Periodendauer der niedrigeren
Signalfrequenz und größer ist
als die hälftige Periodendauer
der höheren
Signalfrequenz. Das dritte retriggerbare Monoflop 185 weist
eine Haltezeit auf, die größer ist
als die hälftige
Periodendauer der niedrigeren Signalfrequenz.
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Die
Ausgänge
des ersten, zweiten und dritten Monoflops 183, 184 und 185 sind
mit einer Auswertestufe 186 verbunden, in der in Abhängigkeit
von den Ausgangszuständen
des ersten, zweiten und dritten Monoflops 183, 184 und 185 ein
Datenbit ermittelt und ausgegeben wird.
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Im
weiteren wird vorausgesetzt, dass die niedrigere Signalfrequenz
zur Übertragung
einer logischen „1" und die höhere Signalfrequenz
zur Übertragung
einer logischen „0" vorgesehen ist.
Aus dem Rückfall
des zweiten Monoflops 184 in die Ruhelage bei gleichzeitigem
Halten des ersten Monoflops 183 wird eine logische „0" erkannt. Aus dem
Rückfall
des dritten Monoflops 185 in die Ruhelage bei gleichzeitigem
Halten des zweiten Monoflops 184 wird eine logische „1" erkannt.
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In
besonderer Ausführung
der Erfindung sind die Monoflops 183, 184 und 185 durch
Zeitgeberkanäle
des Mikrocontrollers 110 gebildet. Vorteilhafterweise kommt
die Rekonstruktion des gesendeten Daten-Bitstroms mit wenigen Bauelementen
aus.
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In
alternativer Ausführung
der Erfindung sind die Monoflops 183, 184 und 185 durch
Zeitschleifen in der Programmausführung des Mikrocontrollers 110 gebildet.
Damit wird die Erfindung auch mit solchen Mikrocontrollern 110 realisierbar,
deren Anzahl verfügbarer
Zeitgeberkanäle
zu gering ist.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist dem Nulldurchgangsdetektor
ein Filter 181 vorgeschaltet. Dadurch werden Störsignale
aus dem Leitungssignal entfernt.
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- 100,
100'
- automatisierungstechnische
Einrichtung
- 110
- Controller
- 120
- Taktgenerator
- 130
- Datensenke
- 140
- Datenquelle
- 150
- Speicher
- 160
- Digital-Analog-Umsetzer
- 170
- Filter
- 180
- Demodulationseinrichtung
- 181
- Filter
- 182
- Nulldurchgangsdetektor
- 183
- erstes
retriggerbares Monoflop
- 184
- zweites
retriggerbares Monoflop
- 185
- drittes
retriggerbares Monoflop
- 186
- Auswertestufe
- 200
- Kommunikationsleitung