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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 FSK Physical
Layer Specification, Revision 8.1" vom 24.11.1999 (HART Communication
Foundation Document Number: HCF_SPEC-54) 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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Hierzu
sind aus Tietze/Schenk „Halbleiter-Schaltungstechnik", 6. Auflage, Springer-Verlag, Berlin u.
a., Seiten 739–742
verschiedene Widerstandsnetzwerke bekannt, mit deren Hilfe ausgehend von
einer Referenzspannung und einer Mehrzahl Schaltern, deren Stellung
einen Zahlenwert repräsentiert,
eine diesem Zahlenwert entsprechende Spannung abgeleitet wird. Insbesondere
ist ein Widerstandsnetzwerk bestehend aus einer Kette gleicher Widerstände R nach
Art eines Spannungsteilers, dessen Teilspannungen dem Zahlenwert
entsprechend abgegriffen werden.
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In
einem weiteren Widerstandsnetzwerk folgen die Widerstände einer
Reihe Rn+1 = 2Rn,
wobei alle Widerstände
des Widerstandsnetzwerks mit einem Anschluß an einem Summationspunkt
zusammengeschaltet sind und mit dem anderen Anschluß jeweils
mit einem Wechselschalter verbunden sind, der entsprechend dem umzusetzenden
Zahlenwert mit einer Referenzspannung oder Masse verbunden ist.
Bei hoher Auflösung,
entsprechend der Anzahl der Wechselschalter und der Widerstände des
Widerstandsnetzwerks, spreizt die Differenz der Widerstandswerte
soweit auf, dass bei technisch sinnvollem Größtwert der Kleinstwert der
Widerstandswerte die zur Verfügung
stehende Leistung einer schleifengespeisten automatisierungstechnischen
Einrichtung übersteigt.
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In
einem weiteren Widerstandsnetzwerk ist ein belasteter Spannungsteiler
gezeigt, der aus einer Kette gleicher Widerstände R zwischen einer Referenzspannung
und Masse nach Art eines Spannungsteilers besteht, deren Abgriffe über Widerstände doppeltem
Widerstandswerts 2R mit Wechselschaltern verbunden sind, die wahlweise
entsprechend dem umzusetzenden Zahlenwert mit einer Referenzspannung
oder Masse verbunden sind.
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Alle
diese Widerstandsnetzwerke gehen von einer niederohmigen Speisung
aus der besagten Referenzspannung aus. Die dafür nötige Leistung steht in einer
aus einer Leiterschleife gespeisten automatisierungstechnischen
Einrichtung der eingangs beschriebenen Art regelmäßig nicht
zur Verfügung.
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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, Mittel
zur Umsetzung eines einen Daten-Bitstrom abbildenden, quantisierten
Binärsignals
in ein periodisches FSK-Signal mit Hilfe eines für sich bekannten Mikrocontrollers
anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung geht aus von einer automatisierungstechnischen Einrichtung
mit einem Mikrocontroller, dem mindestens ein Taktgenerator und eine
Speichereinheit zur Ablage von Instruktionen und Daten zugeordnet
ist. Dieser Mikrocontroller ist mindestens an eine Datenquelle,
die zur Ausgabe eines zu sendenden Daten-Bitstroms ausgebildet ist, und eine
Datensenke, zur Annahme eines empfangenen Daten-Bitstroms ausgebildet
ist, angeschlossen. Der zu sendende Daten-Bitstrom wird in eine Folge
von aufeinanderfolgenden binärcodierten
Abtastwerten eines periodischen FSK-Signals überführt.
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Dabei
kann vorgesehen sein, die aufeinanderfolgenden Abtastwerte in einer
Tabelle abzulegen, die in der Speichereinheit abrufbar gespeichert
ist.
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Der
Mikrocontroller weist eine Mehrzahl von Ein-/Ausgabeanschlüssen auf,
die zumindest teilweise in Gruppen zusammengefasst sind. Diese Gruppen
werden als Ports bezeichnet. Ein Port bezeichnet eine Gruppe zusammengehöriger, gemeinsam adressierbarer
Ein-/Ausgabeanschlüsse,
die auf die Verarbeitungsbreite des Mikrocontrollers abgestimmt ist.
Regelmäßig stimmt
die Anzahl der Ein-/Ausgabeanschlüsse eines Ports mit der Anzahl
gleichzeitig verarbeitbarer Bit überein.
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An
eine derartige Gruppe von Ein-/Ausgabeanschlüssen ist ein Widerstandsnetzwerk
bestehend aus einer Mehrzahl von Widerständen angeschlossen, deren jeweils
erster Anschluss an einen der Ein-/Ausgabeanschlüsse angeschlossen ist und deren
jeweils zweite Anschlüsse
zusammengeschaltet an einen Eingang eines Verstärkers geschaltet sind. Die
Widerstandswerte folgen einer Reihe m·R, mit 1 ≤ m ≤ n, wobei n die Anzahl der beschalteten Ein-/Ausgabeanschlüsse und
m die Ordnungsnummer des jeweiligen Ein-/Ausgabeanschlusses beginnend
bei m = 1 für
das LSB ist.
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Die
aufeinanderfolgenden binärcodierten Abtastwerte
des periodischen FSK-Signals werden über die Gruppe von Ein-/Ausgabeanschlüssen auf das
Widerstandsnetzwerk ausgegeben.
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Zur
Ausgabe eines jedes logischen Zustands ist der jeweilige Ein-/Ausgabeanschluss
aktiv auf den zugehörigen
logischen Pegel geschaltet. Dadurch können Widerstände im Megaohmgereich
eingesetzt werden. Im Erfolg wird der Stromfluss auf ein schaltungstechnisch
bedingtes Minimum reduziert.
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Vorteilhafterweise
zeichnet sich eine derartig ausgeführte Einrichtung durch einen
geringen Energiebedarf aus. Damit ist eine derartig ausgestattete automatisierungstechnische
Einrichtung ist insbesondere für
ferngespeiste und batteriegespeiste Geräte geeignet.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Verstärker ein
Filter nachgeschaltet. Damit werden die aufeinanderfolgenden, den
Abtastwerten adäquaten
Spannungspegel in einen geschlossenen Zeitverlauf eines frequenzmodulierten
Leitungssignals überführt.
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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 ein
Wirkschaltbild einer Digital-Analog-Umsetzung
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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. 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 auf der Kommunikationsleitung 200 vorgesehen
ist.
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Dem
Controller 110 ist ein erstes Programm zur Umsetzung eines
zu sendenden Daten-Bitstroms in eine Folge von Abtastwerten eines
adäquaten
frequenzmodulierten Leitungssignals zugeordnet. Darüber hinaus
ist dem Controller 110 ein zweites Programm zur Erkennung
eines frequenzmodulierten Leitungssignals und zu dessen sequentieller
Umsetzung in einen empfangenen Daten-Bitstroms zugeordnet. Das erste
und das zweite Programm sind in dem Speicher 150 abrufbar
gespeichert. Das erste und das zweite Programm sind wechselweise
ausführbar.
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Der
in der Datenquelle 140 bereitgehaltene, zu sendende Daten-Bitstrom
wird quantisiert in den Controller 110 eingelesen. In Abhängigkeit
vom logischen Wert jedes zu sendenden Bit wird eine Sequenz aufeinanderfolgender
Abtastwerte einer ersten oder einer zweiten Frequenz ausgegeben.
Dabei steht die erste Frequenz für
eine logische Null und die zweite Frequenz für eine logische Eins.
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Dazu
kann vorgesehen sein, die aufeinanderfolgenden Abtastwerte in einer
Tabelle abzulegen, die in dem Speicher 150 abrufbar gespeichert
ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an diesen Controller 110 sendeseitig
ein Digital-Analog-Umsetzer 160 angeschlossen, dem ein
Filter 170 nachgeschaltet ist. Damit werden die aufeinanderfolgenden
Abtastwerte in einen geschlossenen Zeitverlauf eines frequenzmodulierten
Leitungssignals überführt und
auf die Kommunikationsleitung 200 ausgegeben.
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In 2 ist
das Prinzip der Digital-Analog-Umsetzung anhand eines Prinzipschaltbilds
dargestellt. Der Controller 110 weist Ein-/Ausgabeanschlüsse auf,
die in einer Gruppe zusammengefasst sind. Diese Gruppe wird nachstehend
als Port 115 bezeichnet. Die Ein-/Ausgabeanschlüsse eines
Port 115 sind gemeinsam adressierbarer und die auf die Verarbeitungsbreite
des Mikrocontrollers abgestimmt. Unabhängig von der Anzahl der Ein-/Ausgabeanschlüsse eines
Ports 115 sind in 2 nur die erfindungswesentlichen
Anschlüsse
dargestellt.
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An
den Port 115 ist ein Widerstandsnetzwerk 162 bestehend
aus einer Mehrzahl von Widerständen 1621 bis 162n angeschlossen,
deren jeweils erster Anschluss an einen der Portanschlüsse angeschlossen
ist und deren jeweils zweite Anschlüsse zusammengeschaltet an einen
Eingang eines Verstärkers 161 geschaltet
sind. Die Widerstandswerte folgen einer Reihe m·R, mit 1 ≤ m ≤ n, wobei m die Anzahl der beschalteten
Portanschlüsse
und n die Ordnungsnummer des jeweiligen Portanschlusses beginnend
bei m = 1 für
das LSB ist. Danach ist am Portanschluss zur Ausgabe des LSB die
Ordnungsnummer m = 1 und der Widerstandswert des angeschlossenen
Widerstands 1621 ist R. Der am Portanschluss für das nächst höherwertige
Bit mit der Ordnungsnummer m = 2 angeschlossene Widerstand 1622 hat
den doppelten Widerstandswert 2R des Widerstands 1621 am
Portanschluss zur Ausgabe des LSB. Diese Reihe setzt sich fort bis
zum Portanschluss zur Ausgabe des MSB, der durch die Ordnungsnummer
m = n gekennzeichnet ist und an den der Widerstand 162n angeschlossen
ist. Der Widerstand 162n hat den n-fachen Widerstandswert
n·R des
Widerstands 1621 am Portanschluss zur Ausgabe des LSB.
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Die
aufeinanderfolgenden binärcodierten Abtastwerte
des periodischen FSK-Signals werden über die Portanschlüsse auf
das Widerstandsnetzwerk 162 ausgegeben.
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Zur
Ausgabe eines jedes logischen Zustands ist der jeweilige Portanschluss
aktiv auf den zugehörigen
logischen Pegel geschaltet. Zur Ausgabe einer logischen Eins wird
der Portanschluss auf den Pegel der Betriebsspannung am Betriebsspannungsanschluss 118 gelegt.
Zur Ausgabe einer logischen Null wird der Portanschluss auf den
Massepegel am Masseanschluss 119 geschaltet. Dadurch können für das Widerstandsnetzwerk 162 sehr
hochohmige Widerstände
im Megaohmgereich eingesetzt werden. Im Erfolg wird der Stromfluss
auf ein schaltungstechnisch bedingtes Minimum reduziert.
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- 100,
100
- automatisierungstechnische
Einrichtung
- 110
- Controller
- 115
- Port
- 118
- Betriebsspannungsanschluss
- 119
- Masseanschluss
- 120
- Taktgenerator
- 130
- Datensenke
- 140
- Datenquelle
- 150
- Speicher
- 160
- Digital-Analog-Umsetzer
- 161
- Verstärker
- 162
- Widerstandsnetzwerk
- 1621
bis 162n
- Widerstand
- 170
- Filter
- 200
- Kommunikationsleitung