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Die
Erfindung betrifft das allgemeine technische Gebiet der Messgeräte. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Übertragen
von Daten zwischen einem Feldgerät
und einem Steuergerät,
einen Datenlogger, eine Feldgerät-Anordnung,
ein Verfahren zum Übertragen von
Daten, eine Schaltungsanordnung zum Speichern von Daten eines Feldgeräts und zum Überspielen
der Daten auf ein Steuergerät
und Verwendung einer portablen Datenspeichereinrichtung zum Speichern
von Daten eines Feldgeräts
und zum Überspielen
der Daten auf ein Steuergerät.
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Zur
Messung des Füllstands
von Flüssigkeiten
und Feststoffen in Behältern
aus Ausnutzung der Messung von Laufzeit von elektromagnetischen
Wellen werden Messvorrichtungen üblicherweise
an oder in der Behälterwand
montiert. Die Messvorrichtung sendet anschließend Wellen entweder geführt durch
einen Wellenleiter oder abgestrahlt über eine Antenne in Richtung
des Füllgutes.
Die am Füllgut
reflektierten Wellen werden anschließend von der Messvorrichtung
wieder empfangen. Aus der daraus ermittelbaren Laufzeit ergibt sich
der Abstand zwischen Sensor und Füllgut und aus der Kenntnis
der Position von Sensor zum Behälterboden
die gesuchte Füllhöhe.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Datenübertragungseinrichtung
für Messsignale
anzugeben.
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Demgemäß wird eine
Schaltungsanordnung zum Übertragen
von Daten zwischen einem Feldgerät
und einem Steuergerät,
ein Datenlogger, eine Feldgerät-Anordnung,
ein Verfahren zum Übertragen von
Daten, eine Schaltungsanordnung zum Speichern von Daten eines Feldgeräts und zum Überspielen
der Daten auf ein Steuergerät
und Verwendung einer portablen Datenspeichereinrichtung zum Speichern
von Daten eines Feldgeräts
und zum Überspielen
der Daten auf ein Steuergerät
gemäß den unabhängigen Patentansprüchen geschaffen.
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Gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Übertragen
von Daten zwischen einem Feldgerät
und einem Steuergerät
angegeben. Die Schaltungsanordnung weist dabei eine erste Datenschnittstelle
auf, mit der die Schaltungsanordnung an das Steuergerät gekoppelt
werden kann. Mit einer zweiten Datenschnittstelle, kann die Schaltungsanordnung
an das Feldgerät
gekoppelt werden. Darüber
hinaus weist die Schaltungsanordnung zumindest eine Datenspeichereinrichtung
auf.
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Die
erste Datenschnittstelle und die zweite Datenschnittstelle sind
kommunizierfähig
gekoppelt. An zumindest einer der ersten Datenschnittstelle oder
der zweiten Datenschnittstelle ist die Datenspeichereinrichtung
angekoppelt. Die Datenspeichereinrichtung ist derart ausgebildet,
dass bei Bedarf Daten, die zwischen der ersten Datenschnittstelle
und der zweiten Datenschnittstelle ausgetauscht werden, gespeichert
bzw. zwischengespeichert oder gepuffert werden können.
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Es
kann von Interesse sein, dass Messdaten, die zu einem Messzeitpunkt
anfallen, nicht sofort an ein Steuergerät oder Auswertegerät weitergeleitet werden.
Mögliche
Fälle,
in denen eine sofortige Weiterleitung von Messwerten ungewünscht ist,
können vorliegen,
wenn beispielsweise die Auswertung einer Zeitreihe erwünscht ist.
Dazu sollen Messwerte gesammelt zur Verfügung gestellt werden.
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Eine
Schnittstelleneinrichtung, die eine Datenspeichereinrichtung aufweist,
kann über
einen Zeitraum Messwerte erfassen, ohne mit dem Steuergerät verbunden
zu sein. So kann die Aufnahme von Messreihen über einen Zeitraum autark erfolgen.
In diesem Zusammenhang bedeutet autark insbesondere, dass es nicht
nötig ist,
gleichzeitig oder während
der Messung ein Steuergerät
an das Messgerät angeschlossen
zu haben und dass dieses Steuergerät nicht überwacht werden muss. Folglich
können Messreihen über Nacht
aufgenommen werden. In anderen Worten bedeutet das, dass die Schaltungsanordnung
von einer Energieversorgung mittels des Steuergeräts unabhängig ist.
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Ein
anderes Beispiel für
eine nicht unmittelbare Weiterleitung von Messwerten könnte die
Aufnahme von sogenannten Hüllkurven
sein. Handelt es sich bei einem Messgerät beispielsweise um ein Ultraschall-
oder ein Radarmessgerät,
bei dem ein Echo von einem Füllgut
reflektiert wird, so interessiert in vielen Fällen nicht der exakte zeitliche
Verlauf der Echowerte, sondern die Tendenz, die in Form einer Hüllkurve,
insbesondere einer Echohüllkurve,
dargestellt werden kann. Eine Hüllkurve
kann beispielsweise Extremwerte einer zeitlichen Oszillation nachzeichnen.
So können
beispielsweise aus den Echohüllkurven
von Radarsensoren örtliche
Lagen von Objekten erkannt werden.
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Auch
bei dem Auftreten eines Datenstaus kann eine Datenspeicherung nützlich sein.
Sind in einem Moment für
eine Schnittstelle zur Weiterverarbeitung zu viele Daten vorhanden,
kann mittels einer Datenspeichereinrichtung eine Zwischenspeicherung,
ein Loggen, Protokollieren oder eine Pufferung von Daten erfolgen.
Somit kann zusammenfassend gesagt werden, dass mittels einer Datenspeichereinrichtung
eine Erhöhung
der Datensicherheit, insbesondere der Aufnahme und Auswertung vorhandener Daten,
erfolgen kann.
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Gemäß einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird ein Datenlogger mit einer Schaltungsanordnung
zum Übertragen
von Daten zwischen einem Feldgerät und
einem Steuergerät
bereitgestellt. Ein Datenlogger kann als autarkes Gerät zur Kopplung
eines Steuergeräts
und eines Feldgeräts
in einem Exbereich und zur Zwischenspeicherung von Daten eingesetzt
werden. Der Datenlogger kann autark betrieben werden, da er entweder
eine eigene interne Stromversorgung aufweist oder von einem Feldgerät mit Energie
versorgt werden kann. Wenn der Datenlogger von dem Feldgerät mit Energiebetrieben
wird, ist das Messsystem, das das Feldgerät und den Datenlogger umfasst,
als Einheit autark betreibbar.
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Gemäß noch einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eine Feldgerät-Anordnung mit einer Schaltungsanordnung
oder einem Datenlogger und einem Feldgerät geschaffen. Die Schaltungsanordnung bzw.
der Datenlogger weisen die oben beschriebenen Merkmale auf.
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Gemäß noch einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Verfahren zum insbesondere seriellen Übertragen
von Daten geschaffen, wobei Daten zwischen der ersten Datenschnittstelle
und der zweiten Datenschnittstelle werden und bei Bedarf eine Speicherung
der zu übertragenden
Daten stattfindet.
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Gemäß einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Speichern
von Daten eines Feldgeräts
und zum Überspielen
der Daten auf ein Steuergerät
bereitgestellt. Die Schaltungsanordnung weist eine Daten-Schnittstelle auf,
die sowohl zum Koppeln an ein Feldgerät als auch an ein Steuergerät eingerichtet
ist. Die Daten-Schnittstelle weist eine Datenspeichereinrichtung
auf, die derart eingerichtet ist, bei Bedarf Daten von der Daten-Schnittstelle
aufzunehmen und bei Bedarf die Daten wieder an der Daten-Schnittstelle
bereitzustellen.
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Dabei
kann die Datenspeichereinrichtung eingerichtet sein, zu erkennen,
dass die Schaltungsanordnung an ein Feldgerät, insbesondere an eine Schnittstelle
des Feldgeräts
gekoppelt worden ist. Durch die Kopplung kann der Datenspeicher
angestoßen
werden, automatisch vorhandene Daten von dem Feldgerät einzusammeln
und in der Datenspeichereinrichtung zu speichern.
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Die
Schaltungsanordnung kann portabel ausgebildet sein, so dass sie
leicht an das Feldgerät ankoppelbar
ist.
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Mittels
der gleichen Daten-Schnittstelle, mit der sie an das Feldgerät ankoppelbar
ist, kann die Schaltungsanordnung auch an ein Steuergerät anschließbar ausgebildet
sein. Bei dem Anschließen
an das Steuergerät
kann der Datenspeicher erkennen, dass Daten in der Datenspeichereinrichtung
vorhanden sind und dass das Steuergerät ausgebildet ist, die Daten
empfangen zu können.
Dadurch kann der Datenspeicher veranlasst werden, die Daten an das Steuergerät zu übertragen.
Somit kann eine portable Speichereinrichtung für das Feldgerät geschaffen werden.
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An
dem Feldgerät
kann auf ein drahtgebundenes Bussystem zum Übertragen von Daten auf ein Steuergerät verzichtet
werden. Die Datenübertragung
und auch die Übertragung
von Parametern oder Steuerbefehlen für das Feldgerät kann mittels
der portablen Seichereinrichtung erfolgen.
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Gemäß einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung einer portablen
Datenspeichereinrichtung zum Speichern von Daten eines Feldgeräts und zum Überspielen
der Daten auf ein Steuergerät angegeben.
Beispielsweise kann eine Datenübertragung
zwischen einem Feldgerät
und einer Steuereinrichtung mit einem Memorystick erfolgen.
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Exemplarische
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Gemäß einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist die Schaltungsanordnung ein galvanisches Trennelement
auf. Das galvanische Trennelement ist zwischen der ersten Daten-Schnittstelle
und der zweiten Daten-Schnittstelle kommunizierfähig angekoppelt.
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Die
Datenspeichereinrichtung kann in einer Flussrichtung der Daten vor
oder hinter der galvanischen Trennung liegen. Eine Datenspeichereinrichtung
vor einer galvanischen Trennung kann beispielsweise durch ihre Pufferwirkung
den Engpass der galvanischen Trennung entzerren.
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Bei
Arbeiten in einer sogenannten Exumgebung kann es gefordert sein,
dass gewisse Voraussetzungen an elektrische Geräte gestellt werden, um diese
Geräte
in der Exumgebung zu betreiben. Eine Exumgebung kann in mehrere
Schutzklassen aufgeteilt sein. Exbereiche können Bereiche sein, in denen explosionsgefährdete Materialien
oder Prozessgrößen eingesetzt
werden. Wenn ein in einem Exbereich eingesetztes Messgerät einen
Funkenüberschlag
erzeugt, kann dieser Funkenschlag, wegen der Nähe zu dem explosionsgefährdeten
Material, zu einer ungewollten Entzündung des Materials führen, wodurch eine
Explosion ausgelöst
werden kann.
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Zu
einem Einsatz eines Messgerätes
in einem explosionsgefährdeten
Bereich kann es kommen, wenn beispielsweise ein Füllstandsmessgerät für die Messung
von Füllständen in
einem Öltank
eingesetzt wird. Es kann aufgrund der Größe des Öltanks vorkommen, dass das
Gehäuse
des Öltanks ein
Potential aufweist, das sich von dem Potential eines Steuergerätes unterscheidet.
Ein Steuergerät kann
für die
Bedienung des Messgerätes
oder Feldgerätes
benötigt
werden.
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Da
ein Bussystem ein elektrisch leitfähiges System sein kann, kann
durch die Verbindung eines Steuergerätes und eines Messgerätes an dem Öltank, zwischen
dem Öltank
und damit auch dem Messgerät
und dem Steuergerät
ein elektrischer Ladungsausgleich stattfinden. Mittels einer galvanischen
Trennung des elektrisch leitenden Systems kann ein Ausgleich der
Potentialunterschiede unterbunden werden. In anderen Worten bedeutet
das, dass die galvanische Trennung des Messgerätes und des Steuergerätes verhindern
kann, dass ein niederfrequenter Strom, insbesondere ein Gleichstrom, zwischen
dem Messgerät
und dem Steuergerät
fließen
kann.
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Gemäß einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann die Schaltungsanordnung zumindest
einen ersten und zumindest einen zweiten Parallel-/Seriellwandler
aufweisen. Der erste Parallel-/Seriellwandler ist mit der ersten
Datenschnittstelle und der zweite Parallel-/Seriellwandler ist mit
der zweiten Datenschnittstelle gekoppelt. Der erste und der zweite
Parallel-/Seriellwandler sind ausgebildet untereinander Daten seriell
zu übertragen Mittels
Parallel-/Seriellwandler kann es ermöglicht werden, ein als ein
paralleles digitales Signal vorliegendes Signal einer gewissen Bitbreite über eine
einzige serielle Leitung zu übertragen.
Dadurch kann beispielsweise die Anzahl von benötigten Verbindungen zwischen
zwei Datenschnittstellen reduziert werden. Somit lassen sich beispielsweise
Auswirkungen durch Gegensprecheffekte von parallelen Leitungen untereinander
vermeiden.
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Durch
die Reduzierung der benötigten
Verbindungen zwischen den Schnittstellen kann auch die Anzahl Verbindungsleitungen
zwischen beispielsweise zwei gekoppelten Baugruppen verringert werden.
So kann auch die Anzahl möglicherweise
benötigter
galvanischer Trennelemente reduziert werden, denn zur Vermeidung
von Ausgleichsströmen
könnte jede
elektrische Verbindung zwischen Schnittstellen, in denen unterschiedliche
Potentiale auftreten können,
mittels eines galvanischen Trennelements abgetrennt sein. Daher
kann mittels der Serialisierung von parallelen Daten, die Anzahl
der benötigten
galvanischen Elemente reduziert werden.
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Der
erste Parallel-/Seriellwandler und der zweite Parallel-/Seriellwandler
können
auch derart kommunizierfähig
gekoppelt sein, dass der erste Parallel-/Seriellwandler zwischen
der ersten Daten-Schnittstelle und einem galvanischen Element angeordnet
ist und der zweite Parallel-/Seriellwandler
zwischen der zweiten Datenschnittstelle und dem galvanischen Element
angeordnet ist. Dabei übertragen
der erste Parallel-Seriell Wandler und der zweite Parallel-Seriell Wandler untereinander
die Daten seriell.
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Gemäß einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
sind der erste Parallel-/Seriellwandler oder der zweite Parallel-/Seriellwandler
oder der erste Parallel-/Seriellwandler und der zweite Parallel-/Seriellwandler
als LVDS-Bauteil ausgebildet. Die LVDS (Low Voltage Differential
Signaling)-Technologie erlaubt es, parallel vorliegende Daten seriell
zu übertragen.
LVDS ist ein Schnittstellenstandard für die Datenübertragung. Dabei kommt eine
niedrige Spannung zum Einsatz, das bedeutet, anstatt der üblichen
hohen Spannung von 5 V (TTL) oder 3 V für digitale Systeme wird eine
niedrigere Spannung verwendet.
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Es
ist folglich nicht eine relativ hohe Spannungsdifferenz von beispielsweise
3 V nötig,
um eine Null von einer Eins zu unterscheiden, wodurch es vermieden
werden kann, eine entsprechend hohe Leistung zu verbrauchen. Typischerweise
arbeitet die LVDS-Technologie mit 0,4 V und einer Leitungsimpedanz
von 100 Ohm. Dadurch kann die mit jeder Signalflanke zu ändernde
Ladung des Kabels geringer sein und es können schnellere Signalflanken
realisiert werden.
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LVDS
basiert auf einer differentiellen Signalübertragung, d. h. einem engliegenden
Zweidrahtsystem, dessen Signale um 180° phasenverschoben sind. Dies
ermöglicht
es, Störungen
leicht und effizient zu filtern, da eine Störung bei beiden Leitungen an
der gleichen Stelle in der gleichen Intensität auftritt. Eine typische Datenrate,
die mit LVDS-Technologie erreicht werden kann, liegt bei einer Leitungslänge von
2 m bei einer Datenrate von 200 Megabit pro Sekunde. Ein weiterer
möglicher
Bereich, in dem mittels LVDS-Technologie erzielbare Datenraten liegen können, ist
der Bereich von 520 Megabit pro Sekunde bis 600 Megabit pro Sekunde
oder 600 Megabit pro Sekunde bis 1,5 Gigabit pro Sekunde.
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Gemäß einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist die Schaltungsanordnung einen ersten
Schnittstellentreiber auf. Der erste Schnittstellentreiber kann ausgebildet
sein, eine Anpassung der niedrigen LVDS-Logikpegel an ein für die Schnittstelle
vorgesehenen Spannungs-, Energie- oder Leistungspegel anzupassen.
So kann beispielsweise die erste Datenschnittstelle als USB (Universal
Serial Bus)-Schnittstelle für
ein Steuergerät
ausgebildet sein, dessen Pegel bei ca. +5 V liegt. Ein erster Schnittstellentreiber
würde eine
entsprechende Spannungsanpassung vornehmen.
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Ein
Schnittstellentreiber kann die vorliegenden Nutzsignale an die von
einem entsprechenden Schnittstellenstandard geforderten Pegel und
ein dem Standard entsprechendes Zeitverhalten der Signale anpassen.
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Gemäß einem
noch anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist die Schaltungsanordnung an ihrer
zweiten Datenschnittstelle einen zweiten Schnittstellentreiber auf.
Der zweite Schnittstellentreiber kann ausgebildet sein, um beispielsweise
an der zweiten Datenschnittstelle einen Leistungspegel für eine feldgerät-spezifische
Schnittstelle zur Verfügung
zu stellen. Sollte es sich bei einem Feldgerät, das an der Schaltungsanordnung
angeschlossen werden soll, um ein Feldgerät mit einem HART®-Bus
handeln, liegen die geforderten Spannungspegel bei HART®-Bus
typischen Spannungspegeln im Bereich von 270 mV bis 700 mV.
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Mittels
unterschiedlicher Schnittstellentreiber an dem Steuergerät-Interface
und an dem Messgerät-Interface
lassen sich für
das Steuergerät
und das Messgerät
unterschiedliche Spannungspegel realisieren.
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Insbesondere
kann der Datenlogger als Schnittstellenkonverter eingerichtet sein,
d. h. als Vorrichtung, welche ein unterschiedliches Schnittstellenformat
zwischen der Schnittstelle zum Anschließen des Steuergeräts und der
Schnittstelle zum Anschließen
des Feldgeräts
ermöglicht.
Auf diese Art und Weise können
auch zwei auf völlig
unterschiedlichen Standards basierende Geräte miteinander kommunizieren,
wenn ein erfindungsgemäßer Datenlogger
als „Übersetzer" dazwischengeschaltet ist.
Ein modularer Aufbau, bei dem die Schnittstellentreiber austauschbar
oder aufsteckbar sind, ist möglich.
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Gemäß einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann die erste Datenschnittstelle eine
USB-, RS.232-Schnittstelle oder eine andere bei einem Gerät der Datenverarbeitung übliche Schnittstelle
sein. Ein Steuergerät
kann üblicherweise ein
PC oder ein PDA sein. Durch die Bereitstellung einer entsprechenden
Schnittstelle kann eine Bedienung der Schaltungsanordnung mit dem
Steuergerät
ermöglicht
werden.
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Gemäß noch einem
anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann die zweite Datenschnittstelle eine HART®-Bus-,
VBUS-, Feld-Bus- oder I2C-Busschnittstelle
sein. Die zweite Datenschnittstelle kann an eine Schnittstelle eines
Messgerätes
angepasst sein. Folglich ist der Anschluss eines Messgerätes an der zweiten
Datenschnittstelle möglich,
wodurch der Empfang von einem Messgerät bereitgestellten Daten ermöglicht werden
kann.
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Gemäß noch einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist die Schaltungsanordnung ein weiteres
galvanische Trennelement auf. Dabei ist das weitere galvanische
Trennelement ausgebildet, eine Energiezufuhr zu der Schaltungsanordnung
galvanisch zu trennen.
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Die
Energiezufuhr kann zwei getrennte Schaltungsteile mit einer Energie
versorgen, ohne dass es über
die Energieversorgung zu einem Gleichstromfluss zwischen den Schaltungsteilen kommen
kann.
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Gemäß einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist die Datenspeichereinrichtung als
Flash NAND ausgebildet. Ein Flash NAND kann ein Speicherbaustein sein,
der einen hohen Datendurchsatz erlauben kann. Somit kann ein sehr
schnelles Schreiben und Lesen von Daten stattfinden. Durch die schnelle
Zugriffsgeschwindigkeit kann die Verarbeitungsgeschwindigkeit der
Schaltungsanordnung insgesamt erhöht werden. Durch diese Geschwindigkeitssteigerung
kann die Gesamtperformance der Schaltungsanordnung erhöht werden.
Die Datenspeichereinrichtung kann mittels eines NAND Flash Speichers
an die hohe Übertragungsrate
der seriellen Datenverbindung angepasst sein. In anderen Worten
bedeutet das, dass die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Datenspeichereinrichtung
an die Übertragungsrate
der seriellen Verbindung angepasst ist.
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Gemäß noch einem
weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung weist das galvanische Trennelement zumindest einen
Kondensator auf. Bei einem Kondensator kann es sich um zwei von
einem dielektrischen Material getrennte Leiterplatten handeln. Die
Trennung mittels dielektrischem Material kann einen Funkenüberschlag
und einen Fluss von Gleichstrom zwischen den Kondensatorplatten
verhindern. Mittels eines Kondensators als galvanischem Trennelement
können
die Anforderungen des Exschutzes an die Schaltungsanordnung erfüllt werden.
Physikalisch gesehen werden mittels des dielektrischen Materials
zwei nicht leitfähig
verbundene Stromkreise geschaffen.
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Möglich sind
auch Kondensatorbänke,
Parallel- und/oder Serienverkettungen von Kondensatoren.
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Ein
Kondensator in einer Leitung kann einen Ladungsaustausch zwischen
den an der Leitung angeschlossenen Elementen verhindern. Dadurch
kann ein Kondensator zwischen der ersten Daten-Schnittstelle und
der zweiten Daten-Schnittstelle einen Stromfluss zwischen den beiden
Schnittstellen verhindern. LVDS Verbindungen können differentiell aufgebaut
sein. Somit kann jede Verbindung eine Vielzahl von Leitungen aufweisen.
Jede dieser Vielzahl von Leitungen kann ein galvanisches Trennelement in
der Form eines Kondensators aufweisen.
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Viele
Fortbildungen der Erfindung wurden bezugnehmend auf die Schaltungsanordnung,
den Datenlogger und die Feldgerät-Anordnung
beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für das Verfahren zum seriellen Übertragen
von Daten.
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I2C
oder I2C (für Inter-Integrated Circuit)
ist ein serieller Bus für
Computersysteme. Er kann benutzt werden, um Geräte mit geringer Übertragungsgeschwindigkeit
an ein Embedded System oder eine Hauptplatine anzuschließen.
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Das
HART®-Protokoll
(Highway Addressable Remote Transmitter) kann insbesondere als ein
offenes Master-Slave-Protokoll für
busadressierbare Feldgeräte
bezeichnet werden. Es kann eine Methode implementieren, Daten mittels
Frequency Shift Keying (FSK), aufgesetzt auf dem 4 bis 20 mA-Prozesssignal,
zu übertragen,
um Fernkonfiguration und Diagnoseüberprüfung zu ermöglichen.
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Sowohl
I2C als auch HART® eignen sich als Protokoll
zur Kommunikation mit einem Feldgerät, z. B. mit einem Flüssigkeitsmessgerät oder mit
einem Druckmessgerät.
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Im
Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung mit Verweis auf die Figuren beschrieben.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Übertragung
von Daten zwischen Feldgerät
und Steuergerät
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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2 zeigt
eine Feldgerät-Anordnung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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3 zeigt
eine Feldgerät-Anordnung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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4 zeigt
eine Feldgerät-Anordnung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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5 zeigt
einen Schaltplan eines Datenloggers gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Gleiche
oder ähnliche
Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern
versehen.
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Die
Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung 100 zur Übertragung
von Daten zwischen einem Feldgerät
und einem Steuergerät
(beide sind in 1 nicht gezeigt). An dem ersten
Interface 101 kann ein Steuergerät angeschlossen werden. Die
für den
Betrieb benötigten
Signalpegel, insbesondere die für
den Betrieb benötigte
Energie wird dem Interface bzw. dem daran angeschlossenen Steuergerät über den
ersten Interfacetreiber 102 entnommen. Der erste Interfacetreiber 101 kann
beispielsweise als USB Anschluss ausgebildet sein und über eine
dafür in
dem USB Anschluss vorgesehene Leitung Energie beziehen.
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Alternativ
und ergänzend
zu einer Energieversorgung ist der Interfacetreiber 102 auch
für die Weiterleitung
empfangener Daten verantwortlich. Die Daten empfängt bzw. sendet der erste Interfacetreiber 102 über die
parallelen Leitungen 103. Im vorliegenden Fall beträgt die Breite
der parallelen Zuleitung 103 acht Bit. Diese Datenübertragung
erfolgt in Hin- und Rückrichtung
getrennt. Für
jede Richtung wird eine acht Bit breite Datenleitung verwendet.
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Der
erste Parallel-/Seriellwandler 104 ist für die Umwandlung
von parallelen Daten, die über
die Leitung 103 empfangen bzw. gesendet werden, in serielle
Daten, die über
die Leitung 105 ausgesandt bzw. empfangen werden, zuständig. Der
erste Parallel-/Seriellwandler 104 erzeugt auf Leitung 105 die sog.
LVDS-Signale. Zur Weiterleitung auf den benachbarten Parallel- /Seriellwandler 107 muss
das Signal das galvanische Trennelement 108 überbrücken und über die
serielle LVDS-Leitung 106 den zweiten Parallel-/Seriellwandler 107 erreichen.
Die galvanische Trennung 108 setzt einem Gleichstromsignal bzw.
einem Gleichtaktsignal einen nahezu unendlich hohen Widerstand entgegen,
so dass sich dieses Gleichtaktsignal nicht über die galvanische Trennung 106 hinweg
ausbreiten kann. Die Ausbreitung über das galvanische Trennelement 108 kann
sowohl in der Richtung von dem ersten Parallel-/Seriellwandler 104 zu
dem zweiten Parallel-/Seriellwandler 107 als auch in die
umgekehrte Richtung stattfinden.
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Der
zweite Parallel-/Seriellwandler 107 kann ein Signal, das
seriell auf der Leitung 106 empfangen wurde, in parallele
Datenströme
zurückwandeln.
Die parallelen Datenströme
werden auf der Leitung 109 dem zweiten Interfacetreiber 110 zur
Verfügung
gestellt. Der zweite Interfacetreiber 110 kann hierbei eine
physikalische Anpassung der parallelen Daten an das entsprechende
Messinterface 111 vornehmen. Die Anpassung erfolgt diesbezüglich insbesondere
im Hinblick auf Signalpegel und Timingverhalten. Ein I2C-Interface
als Messinterface 111 unterscheidet sich von einem HART®-Busprotokoll,
so dass nur angepasste Interface 111 zur Kommunikation
mit einem entsprechenden Gerät
eingesetzt werden können.
Der Typ der Schnittstelle 111 kann auch über eine
Umschaltung eingestellt werden. Dabei kann das zu bedienende Interface über die
Schaltungsanordnung ausgewählt
werden.
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Alternativ
oder ergänzend
zu der Energieversorgung über
das erste Interface 101 und den ersten Interfacetreiber 102 kann
eine Energieversorgung der Schaltung 100 über das
zweite Interface 111 und den zweiten Interfacetreiber 110 erfolgen.
Somit ist eine Energieversorgung der Schaltung von einem Feldgerät aus, das
am zweiten Interface 111 angeschlossen ist, möglich.
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Eine
Umschaltung zur Bestimmung ob eine Energieversorgung der Schaltungsanordnung 100 über das
erste Interface 101 oder über das zweite Interface 111 erfolgen
soll kann automatisch erfolgen, indem die Schaltung 100 beispielsweise
erkennt, an welchem Interface überhaupt
eine Energieversorgung angeschlossen ist.
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In 1 ist
an dem zweiten Interfacetreiber 110 ebenfalls der Datenspeicher 112 angeschlossen. Er
liegt für
Daten, die von dem Messgerät
an dem Anschluss 111 zu der Steuereinrichtung an dem Anschluss 101 übertragen
werden, vor dem galvanischen Trennelement 108. Es kann
sich dabei um einen integrierten aber auch um einen externen Datenspeicher 112 handeln.
In 1 ist ein externer Datenspeicher 112 gezeichnet.
Der Datenspeicher 112 kann eingesetzt werden, um Daten,
die über
das zweite Interface 111 schneller geliefert werden als
sie von dem Parallel-/Serienwandler 107 weiterverarbeitet
werden können,
zwischenzuspeichern oder zu puffern.
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Die
Schaltungsanordnung 100 kann für den Datenaustausch zwischen
einem Messgerät
und einem Steuergerät
verwendet werden.
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2 zeigt
eine Feldgerät-Anordnung
gemäß einem
exemplarischen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Feldgerät-Anordnung 200 enthält einen
Steuer-PC 201, einen Datenlogger 202 und ein Füllstandsmessgerät 203 zum
Messen des Füllstands
in einem angeschlossenen Tank 204.
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Der
Datenlogger 202 weist eine Schaltungsanordnung 100 zum Übertragen
von Daten auf. Der Datenlogger 202 enthält eine erste Datenschnittstelle 205,
welche ein USB-Anschluss 205 ist, so dass der PC 201 und
der Datenlogger 202 über
den USB-Bus 205 gekoppelt sind.
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Ferner
enthält
der Schnittstellenkonverter 202 zweite Datenschnittstellen 206,
mittels welchen der Datenlogger 202 mit dem Füllstandsmessgerät 203 gekoppelt
werden kann, und zwar selektiv gemäß dem I2C-Standard
oder dem HART®-Standard. In
der in 2 gezeigten Konfiguration sind der Datenlogger 202 und
das Füllstandsmessgerät 203 gemäß dem HART®-Standard
gekoppelt.
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Der
Datenlogger 202 kann sowohl über den USB Anschluss 205 als
auch über
den Messanschluss 206 mit Energie versorgt werden. Die
Energiequelle kann dabei von dem Datenlogger gewählt werden. Eine Umschaltung
kann automatisch erfolgen.
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Ferner
realisiert der Datenlogger 202 eine galvanische Trennung
zwischen dem Steuer-PC 201 und dem Füllstandmessgerät 203,
welches in einer explosionsgefährdeten
Umgebung angeordnet sein kann. Durch die galvanische Trennung werden
die Schaltkreise 206 und 205 physikalisch entkoppelt.
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Der
Datenlogger 202 kann Daten, die zwischen PC 201 und
Füllstandmessgerät 203 ausgetauscht
werden, in einem internen Speicher des Datenloggers 202 (nicht
gezeichnet in 2) aufzeichnen oder loggen.
Somit werden mittels des Datenlogger 202 Daten, beispielsweise
Messwerte mit Zeitstempel oder Echokurven, von dem Feldgerät oder Sensor 203 aufgezeichnet.
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In 3 ist
nochmals eine Feldgerät-Anordnung
gezeigt, die mit einem Programmiergerät 300 zur Einstellung
der Datenaufzeichnung gekoppelt werden kann. Ferner ist auch der
hier auf das Füllstandmessgerät 203 aufgesetzte
Datenlogger 202 aus 2 gezeigt.
Der Datenlogger 202 weist eine Form und eine Anschlussvorrichtung
auf, die für
den Anschluss an das Feldgerät 203 angepasst
ist. In 3 sind das Programmiergerät 300 und
der Datenlogger 202 nicht gekoppelt.
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Der
Datenlogger 202 kann autark, d. h. ohne mit dem USB-Anschluss 205 des
Steuergeräts 300 verbunden
zu sein, Daten, die er von dem Messgerät 203 erhält, speichern.
Die gespeicherten Daten können
dann zu einem späteren
Zeitpunkt von dem PC 201 aus dem Datenlogger 202 ausgelesen
werden. Dazu muss der Datenlogger 202 nicht mit dem Feldgerät verbunden
werden. Während
der Aufzeichnung kann der Datenlogger seine Energie von einer eigenen
Energieversorgung, beispielsweise einem Netzteil oder einer Solarzelle
(nicht gezeichnet in 3), oder aber auch über das
Feldgerät
beziehen.
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In 4 ist
eine weitere Feldgerät-Anordnung
gezeigt, in welcher ein Steuer-PC 201 mit dem Datenlogger 202 über einen
USB-Bus 205 gekoppelt ist. Auf diese Art und Weise kann
ein Auslesen von Daten erfolgen. Ebenfalls können Daten, die während eines
autarken Betriebs des Datenloggers 202 gesammelt wurden,
weiterverarbeitet werden. In 4 ist der
Datenlogger 202 nicht mit einem Feldgerät verbunden. Die Daten sind
folglich in dem Datenlogger 202 gespeichert und können ohne
einer weiteren Verbindung zum Feldgerät ausgelesen werden.
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5 zeigt
eine Vielzahl von Komponenten, wobei im Folgenden vorwiegend auf
die Schaltungsanordnung 607 Bezug genommen werden soll.
Die Schaltungsanordnung 607 zeigt eine Anordnung zum Übertragen
von Daten zwischen einem Feldgerät und
einem Steuergerät.
In der dargestellten Schaltungsanordnung 607 findet eine
Datenübertragung zwischen
dem USB-Anschluss 205 und dem Messgeräteanschluss 206 bidirektional
statt. Der Messgeräteanschluss 206 kann
wahlweise zwischen einem I2C-Busanschluss 206 und
einem HART®-Anschluss 206 umgeschalten
werden. In anderen Worten ausgedrückt weist der Anschluss 206 immer
die gleichen physikalischen Pins auf. Der Inhalt der Signale auf den
einzelnen Leitungen bzw. Pins des Anschluss 206 kann entsprechend
den unterschiedlichen Bus-Standards unterschieden werden.
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Die
Signale für
den I2C-Bus werden über den Ausgang 604 des
Mikrocontrollers 603 bereitgestellt. Ferner werden die
Signale des HART®-Busses über den
Ausgang 605 des Mikrocontrollers 603 und dem HART®-Interfacetreiber 606 an
dem Anschluss 206 bereitgestellt. Über den Messgeräteanschluss 206 können sowohl
Signale zu einem Messgerät,
d. h. aus der Schaltungsanordnung 607 heraus, als auch von
dem Messgerät,
also in die Schaltungsanordnung 607 hinein, übertragen
werden.
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Der
Mikrocontroller 603 ist mit einem Datenspeicher 608,
der im vorliegenden Fall ein Flash NAND mit 256 Megabyte Kapazität ist, verbunden. Der
Anschluss des Datenspeicher 608 erfolgt über eine
sechsadrige Leitung 609 und eine achtadrige Leitung 610.
Der Flashspeicher 608 ist über die Energieversorgungsleitung 612 mit
der Energieversorgung 601 verbunden. Die Energieversorgung 601 weist
das messgerätseitige
Potential 612 und das steuergerätseitige Potential 613 auf,
wobei das steuergeräteseitige
Potential 613 das feldgerätseitige Potential 612 übersteigt.
Z.B. kann das steuergerätseitige
Potential im Bereich von +4,4 V bis +5 V, das feldgerätseitige
Potential im Bereich von +3 V bis +3,3 V liegen.
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Eine
Trennung zwischen den beiden Potentialen 612 und 613 ist
in 6 durch die virtuelle Trennlinie 602 angedeutet.
Die galvanische Trennung der Potentiale 612 und 613 ist
mittels des galvanischem Trennelements 627 in der Energieversorgung 601 realisiert.
Das galvanische Trennelement 627 umfasst vier Kondensatoren,
wobei je zwei Kondensatoren in den Versorgungsleitungen 628 und 629 angeordnet
sind.
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Die
Trennlinie 602 deutet die galvanische Trennung zwischen
dem messgerätseitigen
Teil 614 der Schaltungsanordnung 607 und dem steuergerätseitigen
Teil 615 der Schaltungsanordnung 607 an. Mittels
dem galvanischen Trennelemente 616 erfolgt die galvanische
Trennung zwischen dem feldgerätseitigen
Teil 614 der Schaltungsanordnung 607 und dem steuergerätseitigen
Teil 615 der Schaltungsanordnung 607 bezüglich der
Signalleitungen 620 und 621.
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Mittels
der galvanischen Trennelemente 627 und 616 erfolgt
somit eine vollständige
galvanische Trennung der Steuergeräteseite 615 der Schaltungsanordnung 607 und
der Messgeräteseite 614 der Schaltungsanordnung 607.
Folglich sind sowohl die Energieversorgung als auch die Datenverbindung zwischen
der Steuergeräteseite 615 und
der Feldgeräteseite 614 getrennt.
Die Energie kann dabei beispielsweise über die USB-Schnittstelle 205 bezogen werden.
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In 6 ist das galvanischen Trennelemente 616 durch
vier Kondensatoren dargestellt, die verhindern, dass ein Ausgleichsstrom
zwischen den beiden Schaltungsteilen 614, 615 aufgrund
der unterschiedlichen Potentiale 612, 613 fließen kann.
Dieser Ausgleichsstrom könnte
nicht nur aufgrund der unterschiedlichen Potentiale 613 und 612 entstehen,
sondern könnte
auch durch eine Aufladung auf der Feldgerätseite hervorgerufen werden.
Ein Wechselstrom kann hingegen die galvanische Trennung 616 überwinden
und da die Information in Signalen meist wechselförmig ist,
kann eine Übertragung
von Signalen über
das galvanische Trennelement 616 stattfinden.
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Ein
möglicher
Ausgleichsstrom könnte
einen Funkenübersprung
bewirken, der zu einer Explosion führen könnte, falls die Schaltungsanordnung 607 in einem
Exbereich verwendet werden würde.
Um die Anzahl der galvanischen Trennelemente 616 zwischen
den beiden Schaltungsteilen gering zu halten, werden die an dem
Ausgang 618 des IC des Mikrocontroller 603 als
parallele Signale zur Verfügung
stehenden Daten mittels Seriell-/Parallelwandler 619 in einen
seriellen, d. h. hintereinander liegenden, Datenstrom gewandelt.
Es findet die Wandlung von einem 16 Bit breiten parallelen Signal
auf eine serielle Hinleitung 620 statt. In Gegenrichtung
erfolgt die Übertragung
auf der seriellen Leitung 621 analog zu dem oben beschriebenen
Wandelverfahren. Die Richtung in die die Datenübertragung erfolgt kann mittels
eines Umschalters (nicht in 6 dargestellt) bestimmt
werden. Zu der Richtungsumschaltung kann ein Mikrokontroller eingesetzt
werden.
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Der
serielle Datenstrom der Leitung 620 erreicht den Seriell-/Parallelwandler 622,
in welchem das serielle Signal wieder in das 16 Bit breite Datensignal
zurückgewandelt
wird, das dem Mirkocontroller bzw. der Treiberstufe 623 zur
Verfügung
gestellt wird. Parallel zu den Daten, die auf den Leitungen 618 übertragen
werden, findet über
die Leitung 624 bzw. 625 die Übertragung des Taktsignals
statt. Ähnlich
findet die Übertragung
in der Gegenrichtung statt.
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Die
als parallele Leitungen angedeuteten seriellen Leitungen 620 und 621 sind
für die Übertragung
von differentiellen Signalen ausgestaltet. Die Richtung der Signalübertragung
erfolgt auf den beiden Leitungen 620 und 621 in
entgegengesetzter Richtung. Dazu weist die Leitung 620 bzw. 621 jeweils
eng, parallel aneinanderliegende Strecken 630, 631 und 632, 633 auf,
auf denen differentielle Signale überlagen werden. Jede der Strecken 630, 631 und 632, 633 weist
zwei Kondensatoren zur physikalischen Trennung auf.
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Die
Pegel der Signale auf den Leitungen 630 und 631 sind
gegenseitig invertiert. Ebenso sind die Pegel der Leitungen 632 und 633 gegenseitig
invertiert. Zur Synchronisierung der über die Leitungen übertragenen
Signale kann ein Takt Signal eingesetzt werden.
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Der
Treiber 623 stellt die empfangenen parallelen Daten an
dem Ausgang 626 in der dem USB-Standard entsprechenden
Form zur Verfügung. Die
Signale des Ausgangs 626 der Treiberstufe 623 werden
dem Interface 205 zusammen mit der Steuergerätespannung 613 zur
Verfügung
gestellt.
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Auch
in der Energieversorgung 601 findet eine galvanische Trennung
statt. Somit ist der Datenlogger 202 komplett galvanisch
getrennt. D. h. sowohl die Energieversorgung als auch die Datenverbindung
ist zwischen Steuergeräteseite 615 und Feldgerätseite 614 getrennt.
Die Energie kann beispielsweise über
die USB-Schnittstelle 205 bezogen werden.
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Ergänzend ist
darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente
oder Schritte ausschließt
und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis
auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben
worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten
anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele
verwendet werden können.
Bezugszeichen in den Ansprüchen
sind nicht als Einschränkung
anzusehen.