DE102006044901A1

DE102006044901A1 - Mischsignal-Eindraht-Bussystem

Info

Publication number: DE102006044901A1
Application number: DE200610044901
Authority: DE
Inventors: Bernhard Engl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-09-22
Filing date: 2006-09-22
Publication date: 2008-04-03

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Mischsignal-Eindraht-Bussystem, bei dem auf dem Eindrahtbus (19, 29) digitale Kommandos von einem Wirt (21) zu an den Bus angeschlossenen Teilnehmern (1, 32) übertragen werden und analoge Signalspannungen von den Teilnehmern zum Wirt übertragen werden, der diese mit seinem ADC weiterverarbeitet. Neuartige Koppelelemente (32) erlauben dabei die Bildung von Nebenzweigen (29) und Umgehungsverbindungen (41) sowie die Abtrennung von Zweigen zur direkten Übertragung von analogen Signalen (42) zwischen Teilnehmern. Die Erfindung umfasst Verfahren zum Rücksetzen der Teilnehmer über den Bus, für die Adressierung von Teilnehmern, für die Konfiguration des Netzwerks und für die Erkennung und Meldung von Übertragungsfehlern. Die Erfindung ist besonders geeignet, um auf Baugruppenebene eine Vielzahl von analogen Sensoren über nur eine Leitung an einen Mikrocontroller anzuschließen, ohne dass jeder Sensor einen eigenen ADC benötigt. Sie kann auch als softwarekonfigurierbares Vermittlungsnetzwerk für analoge Signale benutzt werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung liegt im Gebiet der integrierten Schaltungen und Betriebsverfahren hierfür und befaßt sich insbesondere mit der Architektur eines Mischsignal – Eindrahtbussystems, bei dem eine Vielzahl von integrierten Schaltungen an einen Eindrahtbus angeschlossen werden können, auf dem nicht nur digitale Kommandos und Informationen fliessen, sondern auch analoge Signalspannungen übertragen werden.
STAND DER TECHNIK
Dem Stand der Technik sind verschiedene Eindraht – Bussysteme bekannt, [1]–[9], die jedoch grösstenteils rein digitaler Natur sind, das heisst, sie können auf ihrem Eindrahtbus keine analogen Signale zur Weiterverarbeitung durch einen Analog-Digitalwandler (ADC) übertragen. Dies gelingt erst dem System von Luitje et al [9]. Allerdings haften diesem System durch die Umsetzung des Widerstandswerts von resistiven Sensoren in einen Strom, der einer Kommandospannung auf dem Eindrahtbus eingeprägt wird, verschiedene Nachteile an, wie geringe erzielbare Genauigkeit, hoher Strombedarf bei grossen Signalpegeln, hohem Rauschen bei kleinen Signalpegeln, sowie die Notwendigkeit zur Umsetzung des Stromsignals in ein Spannungsignal durch einen weiteren integrierten Schaltkreis, der dem Mikrocontroller als Businterface vorgeschaltet werden muss. Ein kostensparender direkter Anschluss des Bus an den Mikrocontroller ist hier systembedingt nicht möglich.
Keinem dieser früheren Bussysteme gelingt es, über denselben Eindrahtbus analoge Signalspannungen von weitgehend beliebiger Herkunft, Modulation und Codierung von an den Bus angeschlossenen Teilnehmern zu einem Wirt und digitale Kommandos vom Wirt zu Teilnehmern zu übertragen, ohne dass der erzielbare Dynamikumfang des Analogsignals und damit die Genauigkeit leidet, und ohne dass dabei auf Seite des Wirts spezielle Schaltungsmittel benötigt werden, so dass zum Anschluss des Bus ein Mehrzweck – Eingangs/Ausgangsanschluss mit unter Softwaresteuerung stehenden digitalen Treibern und einem ADC genügt, wie es von gewöhnlichen Mikrocontrollern offeriert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe, die insbesondere für intelligente Sensoren Bedeutung hat, hat der Erfinder eine integrierte Schaltung mit einer Mischsignal – Eindrahtschnittstelle zum Patent angemeldet, für die das deutsche Patent Nr. 102005014133 erteilt worden ist [10].
Obwohl die dort dargestellten Ideen, Mittel und Verfahren sich bereits für viele Anwendungen gut eignen, beispielsweise für batteriebetriebene Reifenluftdruckprüfer oder andere tragbare Messgeräte, so fehlen diesem grundlegenden System jedoch einige Fähigkeiten, die für anspruchsvollere Anwendungen, beispielsweise aus der Industriemesstechnik oder dem Automobilbereich gefordert sind.
Ein erster Nachteil des vorigen Systems ist das Fehlen eines Rücksetzverfahres, das sich immer und zu jeder Zeit, in jedem Betriebszustand des Bus, und auch bei völlig ausser Kontrolle geratenen Teilnehmern durchführen lässt, um alle Teilnehmer am Bus in einen geordneten Anfangszustand zu bringen. Die Implementierung eines geeigneten Rücksetzverfahrens scheiterte bisher daran, dass das Bussystem bereits alle vorhandenen Möglichkeiten für Signale am Bus benutzt: am Bus können sowohl digitale als, auch analoge Signalspannungen anliegen, und in seinen Betriebszuständen treten alle mit einfachen Mitteln erkennbaren Signalspannungspegel, Stromimpulse, schnelle Flanken und dergleichen als Signale bereits auf, so dass es nicht möglich schien, ohne erheblichen und teuren Schaltungsaufwand ein Rücksetzsignal einzuführen, das in allen vorkommenden Zuständen zuverlässig über den Eindrahtbus übertragen werden kann, dessen Erkennung nur geringen schaltungstechnischen Aufwand erfordert, und dessen Unterscheidung von anderen Signalen auf dem Bus absolut sicher ist.
Ein zweiter Nachteil des vorigen Systems ist die technisch bedingte Beschränkung der Zahl der Teilnehmer auf dem Bus auf eine relativ geringe Anzahl. Bei beispielsweise mehr als vier Teilnehmern wird es für den Wirt immer schwieriger und energieaufwendiger, Signale durch Gegentreiben auf dem Bus an die Teilnehmer zu senden. Die naheliegende Skalierung der relevanten Parameter der Teilnehmer auf niedrigere Stromwerte führt zu einer geringeren Störsicherheit und Geschwindigkeit des Busystems, falls dann solche stromreduzierten Teilnehmer dann in geringerer Zahl betrieben werden sollen. Es ist unwirtschaftlich, für jede vorgesehene Zahl von Teilnehmern auf den Bus speziell optimierte Varianten anzubieten.
Ein dritter Nachteil des vorigen Systems liegt darin, dass es keine Möglichkeit kennt, die digitalen Kommandos und Daten auf dem Bus gegen Störungen abzusichern, indem etwaige Bitfehler erkannt und an den Wirt gemeldet werden. Die Einführung von Prüfsummen, wie sie von rein digitalen Bussystemen her längst bekannt ist, ist nutzlos, solange es keinen Weg gibt, einen Fehler an den Wirt zu melden, was sich aus denselben Gründen wie beim Resetsignal als schwierig herausstellt, da Betriebsmodi vorkommen, bei denen keine Rückmeldung als digitaler Signalpegel konsistent zur bisherigen Lehre der Erfindung möglich ist, etwa den Analoglesemodus oder dem Schlafmodus.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In Fortsetzung der in [10] beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren und aufbauend auf deren Grundideen wird im folgenden ein verbessertes Mischsignal – Eindraht – Bussystem offenbart, bei dem es möglich ist, eine sehr viel grössere Anzahl von integrierten Schaltungen mit jeweils einer Mischsignal – Eindrahtschnittstelle zu einem Netzwerk zu verschalten, als es im Rahmen der Lehren der vorigen Erfindung [10] möglich ist, und wobei eine weitgehend frei wählbare Netzwerktopologie realisiert werden kann. Einige der möglichen Netzwerktopologien haben dabei den besonderen Vorteil, dass das Gesamtnetzwerk gegen Störungen und Defekte einzelner Teilnehmer insofern robust ist, als dass nur der Zweig mit dem gestörten oder defekten Teilnehmer ausfällt, die anderen Zweige im Netzwerk aber weiterhin funktionieren.
Dieser Fortschritt gegenüber der vorigen Erfindung wird erzielt durch Einführung eines neuartigen Rücksetzverfahrens für an Mischsignal – Eindrahtnetzwerke angeschlossene Teilnehmerschaltkreise, neuartige Koppelschaltkreise (Hubs) für die Verschaltung von Mischsignal – Eindrahtnetzwerken, sowie neuartige Mittel und Verfahren zur Erkennung und Meldung von Fehlern in der Kommandoübermittlung und zum Leiten von Mischsignalen auf Signalpfaden durch Mischsignal – Eindrahtnetzwerke.
KURZBESCHREIBUNG DER TECHNISCHEN GRUNDLAGEN
Für das Verständnis der zu offenbarenden Erfindung ist es zweckmäßig, die in der vorigen Erfindung [10] detailliert beschriebenen Ideen, Mittel und Verfahren an dieser Stelle in verkürzter Form darzustellen, soweit sie für das Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich sind. Hierbei wird die nach dem derzeiten Stand der Erkenntnis bestmögliche Ausführung und Anwendung der vorigen Erfindung [10] zugrundegelegt.
Bei derartigen Mischsignal – Eindrahtbussystemen ist zunächst ein Wirt vorhanden, beispielsweise ein Mikrocontroller, der über einen Anschlussgin mit einem Treiber verfügt, der eine digitale „0" oder eine digitale „1" treiben kann, und der auch abgeschaltet werden kann. Dieser Zustand wird in der Fachsprache oft als „Z" oder „float" bezeichnet. Ferner soll der Mikrocontroller auch einen Analog-zu-Digitalwandler (ADC) besitzen, der ein an denselben Anschlussgin angelegtes Analogsignal digitalisieren kann. Derartige per Software konfiguierbare Universalanschlusspins sind bei bei heutigen Mikrocontrollern gewöhnlich. Wird nun an einen solchen Anschlussgin ein einzelner integrierter Schaltkreis mit Mischsignal – Eindrahtschnittstelle gemäß [10] angeschlossen, ergibt sich ein minimales Mischsignal – Eindrahtnetzwerk. Werden mehrere solche integrierten Schaltkreise als sogenannte „Teilnehmer" angeschlossen, dann handelt es sich schon um einen Mischsignal – Eindrahtbus, der ein nichtminimales Mischsignal – Eindrahtnetzwerk ist.
Diese Teilnehmer gehorchen digitalen Kommandos, die der Wirt (Mikrocontroller) auf den Bus ausgibt. Das besondere an einem Mischsignal – Eindrahtnetzwerk ist nun, dass es Kommandos gibt, die einen Teilnehmer dazu veranlassen, ein analoges Signal auf den Bus aufzuschalten, damit es der Mikrocontroller mit seinem ADC weiterverarbeiten kann. Da dieses analoge Signal aus Gründen des Dynamikbereichs und der Genauigkeit möglichst den gesamten verfügbaren Eingangsspannungsbereich des ADC durchlaufen soll und aus einer beliebigen Quelle stammen kann, sind keine vorherigen Annahmen über die Modulation oder Codierung des Analogsignals möglich. Dies macht die Realisierung eines universell anwendbaren Mischsignal – Eindrahtbussystems zu einem schwierigen Unterfangen, da es nichttrivial ist, beliebige Analogsignale auf dem Bus von Kommandos oder anderen Steuersignalen zu unterscheiden.
Gelöst wurde dieses Problem in [10] durch eine realistische und praxisgerechte Annahme über die Bandbreite und die Flankensteilheit der Analogsignale, die sich aus dem Abtasttheorem und der maximalen Taktrate des ADC ergibt. In den Teilnehmern werden Stromdetektoren und Flankendetektoren benutzt, um das Ende der Analogsignalverarbeitung festzustellen, und den Betriebszustand des Bus im Sinne eines Busprotokolls fortzuschalten.
Benennungen einiger Betriebszustände sind: Kommandomodus, Analoglesemodus, Digitallesemodus, Quittungsmodus, Schlafmodus, Kompatibilitätsmodus sowie jeweils ein Leerlaufmodus für den Analoglesemodus und den Digitallesemodus. Dies sind zweckmäßig verkürzte Begriffe aus [10].
Im Kommandomodus treiben die Teilnehmer den Bus auf einen Kommandospannungspegel, der zwischen den beiden durch die Versorgungsspannung liegenden Grenzen liegt, vorzugweise auf die Mitte der Versorgungsspannung. Kommandobits werden vom Wirt ausgegeben, indem er seinen Ausgangstreiber aktiviert und benutzt, um den Bus entweder gegen die positive Versorgungsschiene zu treiben oder gegen die negative Versorgungsschiene. Dies erlaubt die Codierung der beiden logischen Zustände für 1 und 0. Die Treiber in den Teilnehmern verfügen über eine Strombegrenzung, so dass dabei keine zu grossen Ströme fliessen, sowie über Mittel zur Detektion des Stroms, aus denen auch die Kommandoinformation abgeleitet wird. Ein Takt für die Kommandobits entsteht, wenn der Wirt seinen Treiber deaktiviert und der Strom erlischt. Wenn alle Kommandobits eingegangen sind, werden diese decodiert und es erfolgt ein Übergang des Betriebszustands in den Analoglesemodus, den Digitallesemodus, den Schlafmodus, oder bei nicht selektieren Teilnehmern in einen der beiden Leerlaufmodi. Kann das Kommando jedoch sofort ausgeführt werden, so dass alle Teilnehmer für das nächste Kommando bereit sind, dann bleibt die Ablaufsteuerung der Teilnehmer im Kommandomodus.
Im Analoglesemodus beginnt der selektierte Teilnehmer das Analogsignal auf den Bus zu treiben. Nichtselektierte Teilnehmer befinden sich dabei im Analogsignal – Leerlaufmodus und beobachten den Bus passiv, um das Ende des Analoglesemodus zu erkennen. Dies wird vom Wirt ausgelöst, indem er seine Treiber aktiviert und gegen das Analogsignal treibt, so dass wiederum eine Strombegrenzung in dem selektierten Teilnehmer anspricht und dieser den Quittungmodus betritt. Im Quittungmodus gibt der Teilnehmer einen fest vorgegebenen digitalen Pegel auf dem Bus aus, an dem der Wirt feststellen kann, ob sein Abbruch des Analoglesemodus erfolgreich war. Hierzu läßt er den Bus los („float"), d.h. er deaktiviert seinen Treiber, und prüft dann nach, ob der für das Quittungssignal vorgegebene Pegel anliegt und sich von dem zuletzt digitalisierten Analogsignal hinreichend unterscheidet. Der Wirt treibt nun einmalig gegen das Quittungssignal und läßt den Bus dann los („float"). Dies bewirkt einen Übergang aller Teilnehmer in den Kommandomodus: der selektierte Teilnehmer erkennt das über seinen Stromdetektor, und die im Leerlaufmodus befindlichen Teilnehmer erkennen es an einer schnellen Flanke auf dem Bus, die von einem Flankendetektor festgestellt wird, gefolgt von einem längeren Anliegen des Kommandospannungspegels, was mittels Komparatoren und Zeitgliedern erkannt werden kann.
Diese beiden Modi, Kommandomodus und Analoglesemodus, sind für eine Minimalimplementierung des erfindungsgemäßen Bussystems ausreichend. Zusätzliche Modi können seine Nützlichkeit jedoch erhöhen:
Im Digitallesemodus können digitale Daten aus den Teilnehmern ausgelesen werden. Der selektierte Teilnehmer treibt die digitale Information bitweise mit vollem digitalen Signalhub auf den Bus. Hierzu wird ein strombegrenzter Treiber benutzt. Nach dem Empfang eines Bits treibt der Wirt dagegen und läßt den Bus dann wieder los, um zum nächsten Bit fortzuschalten. Nachdem das letzte Bit gelesen wurde, schaltet der selektierte Teilnehmer wieder in den Kommandoempfangsmodus und beginnt, den Kommandospannungspegel auf den Bus zu treiben. Diesen können die nicht selektierten und in einem Leerlaufmodus befindlichen Teilnehmer durch Pegeldetektoren erkennen, worauf sie ebenfalls in den Kommandoempfangsmodus gehen.
Im Schlafmodus treibt der Wirt den Bus auf einen frei programmierbaren Schlafzustand, entweder digital '0' oder digital '1'. Alle Treiber in den schlafenden Teilnehmern sind ausgeschaltet, und ihre Schaltkreise können auf minimalen Stromverbrauch konfiguriert sein. Ändert der Wirt den Zustand am Bus, dann wachen die Teilnehmer auf und gehen wieder in den Kommandomodus.
Im Kompatibilitätsmodus zählen die Teilnehmer, wie oft der Wirt den Bus treibt und anschliessend wieder loslässt (Busfloat). Nach Erreichen eines frei programmierbaren Zählerstandes gehen sie wieder in den Kommandomodus. Dieses Verfahren erlaubt den Anschluss herkömmlicher integrierter Schaltungen an den Bus, die dann freilich über ein zusätzliches externes Selektionssignal verfügen müssen, mit dem sie vom Bus getrennt werden können.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung, Verfahren zum Rücksetzen von Teilnehmern in einem Mischsignal – Eindrahtbussystem anzugeben, das zu allen Betriebszuständen des Bussystems kompatibel ist.
Es ist ein zweite Aufgabe der Erfindung, Mittel zur Implementierung des Rücksetzverfahrens anzugeben.
Es ist eine dritte Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem es gelingt, die Zahl der Zweige des Mischsignal – Eindrahtbussystems und damit die Zahl der daran anschließbaren Teilnehmer zu erhöhen.
Es ist eine vierte Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Befehlsweitergabe in einem Mischsignal – Eindrahtbussystem anzugeben, das bei vielen Teilnehmern besonders geeignet ist.
Es ist eine fünfte Aufgabe der Erfindung, Verfahren vorzusehen, um das Mischsignal – Eindrahtbussystem abhängig von der Zahl der an einen Zweig angeschlossenen Teilnehmer jeweils auf optimale Betriebsbedingungen programmieren zu können.
Es ist eine sechste Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem Störungen der Kommandoübermittlung in einem Mischsignal – Eindrahtbussystem erkannt und gemeldet werden können.
Es ist eine siebte Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem es gelingt, das Mischsignal – Eindrahtbussystem als programmierbares Verteilernetzwerk für analoge Signale zu benutzen.
Es ist eine achte Aufgabe der Erfindung, integrierte Schaltungen zu beschreiben, mit denen die Verfahren für das Mischsignal – Eindrahtbussystem durchgeführt werden können.
Diese Aufgaben ähneln zwar im Prinzip jenen Aufgaben, wie sie bei rein digitalen Eindrahtbus- oder Netzwerksystemen, beispielweise beim sogenannten Ethernet, ebenfalls anzutreffen sind, allerdings ist die Lösung sehr viel schwieriger und nicht offensichtlich, da auf dem Bus nicht nur digitale Signale, sondern auch weitgehend beliebige analoge Signale anzutreffen sind, die keiner vorher bestimmten Modulation oder Codierung unterworfen sind, und die daher aus der Sicht der Teilnehmer am Bus eine eher zufällige Natur haben.
KURZBESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Mischsignal – Eindrahtbussystem offenbart, 1, das aus einem Wirt (21) besteht, der mit dem Hauptzweig (19) des Bus verbunden ist, und mit Teilnehmern (1, 32), die mit dem Hauptzweig (19) oder Nebenzweigen (29) des Bus verbunden sind, wobei Nebenzweige dadurch gebildet werden, indem an einen Haupt- oder Nebenzweig statt gewöhnlicher Teilnehmer ein spezielle Art von Teilnehmer geschaltet wird, dessen Aufgabe es ist, als Koppelelement (32) zu wirken, das eine programmierbare Verbindung zwischen einem ranghöheren Zweig und einem rangniedrigeren Zweig des Mischsignal – Eindrahtbussystems herstellt. Ranghöhere Zweige sind dabei jene, die näher am Wirt liegen.
Diese Koppelelemente, 2, in digitalen Netzwerksystemen oft auch „Hub" genannt, kennen das Busprotokoll und leiten die vom Wirt stammenden Kommandos und Rücksetzsignale von ranghöheren Zweigen (30) auf rangniedrigere Zweige (31) weiter. Sobald ein Teilnehmer selektiert ist, leiten sie die vom Teilnehmer auf den rangniedrigeren Zweig (31) getriebenen analogen Signale oder digitalen Daten auf den ranghöheren Zweig (30) weiter. Im Analoglesemodus dient hierzu ein niederohmiger Analogschalter (36), so dass das Analogsignal nicht verfälscht wird, insbesondere nicht durch einen Offsetfehler, den ein Trennverstärker mit sich bringen würde. Im Digitallesemodus werden die digitalen Daten durch Treiber (37) regeneriert, die das Gegentreiben durch den Wirt erkennen können und dieses über weitere Treiber (38) auf den rangniedrigeren Zweig weiterreichen. Die Treiber (38) und Analogschalter (36) sind dabei einzeln steuerbar, so dass einer der rangniedrigeren Zweige ausgewählt werden kann. In den eventuell vorhandenen weiteren Betriebsmodi des Mischsignal – Bussystems wird sinngemäß verfahren.
In einem derartigen Bussystem entsteht durch die Einführung von Koppelelementen zunächst eine baumartige Netzwerktopologie. Bei einem Mischsignal – Eindrahtbussystem der beschriebenen Art können jedoch wie in der 1 gezeigt jederzeit durch Umgehungsverbindungen (41) zwischen rangniedrigeren Zweigen und Teilnehmern höheren Rangs abgekürzte Pfade für Signale geschaffen werden. Umgehen diese Abkürzungen ein Koppelelement (Pfad 41 von F nach B umgeht E), kann der Baum zu Netzwerken allgemeinerer Topologie umgewandelt werden, bei denen einzelne Zweige in einen autonomen Modus geschaltet werden können, bei dem sie vom Rest des Bus vorübergehend getrennt sind. Beispielsweise könnte Teilnehmer C autonome analoge Signale (42) an Teilnehmer D liefern (bis Koppelelement B dies durch Gegentreiben beendet), während der für das autonome analoge Signal benötigte Zweig über einen weiteren Anschluss des Koppelements B umgangen wird, so dass der Wirt auch weiterhin auf Teilnehmer F, G, H zugreifen kann. Auf diese Weise kann das Netzwerk mehrere verschiedene analoge Signale gleichzeitig transportieren, und es können defekte (blockierte) Zweige des Netzwerks umgangen werden. Die Netzwerktopologie ist dabei aufgrund der Möglichkeit von Umgehungsverbindungen (41) über Zweige hinweg je nach Anwendung weitgehend frei wählbar.
Für die größtmögliche Robustheit eines solchen Mischsignal – Eindrahtbussystems ist es notwendig, über Verfahren zur Fehlererkennung, Fehlermeldung, und Rücksetzung aller Teilnehmer in einen definierten Anfangszustand zu verfügen.
Vorzugsweise wird die Fehlererkennung durch eine Absicherung der Kommandos mit Prüfsummen erreicht. Stimmt die Prüfsumme nicht überein, dann wird das betroffene (gestörte) Kommando von den Teilnehmern nicht ausgeführt, sondern es wird von ihnen ein Fehlersignal auf den Bus ausgegeben, das es dem Wirt erlaubt, das Vorliegen eines Kommandofehlers zu erkennen. Der Wirt führt daraufhin das Rücksetzverfahren durch, um die Teilnehmer wieder in einen definierten Anfangszustand zu versetzen. Es ist vorteilhaft, wenn die selektierten Teilnehmer über eine Variante des digitalen Lesemodus verfügen, bei dem der Teilnehmer eine fest vorgegebene Identifikationsinformation als digitale Daten liefert. Auf diese Weise kann der Wirt prüfen, ob alle Teilnehmer erreichbar und korrekt initialisiert sind, und er kann blockierte (beispielsweise kurzgeschlossene) Zweige des Bus feststellen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt beispielhaft eine mögliche Topologie des erfindungsgemäßen Bussystems.
2 zeigt beispielhaft und stark vereinfacht das Innenleben eines Koppelelementes.
3 zeigt beispielhaft eine erste Variante des Rücksetzverfahrens und seine Spannungsverläufe am Bus.
4 zeigt beispielhaft eine zweite Variante des Rücksetzverfahrens und seine Spannungsverläufe am Bus.
5 zeigt ein Realisierungsbeispiel für Schaltmittel, die für die zweite Variante des Rücksetzverfahrens erforderlich sind.
6 zeigt ein Beispiel für die Encodierung eines Befehlssatzes für Teilnehmer und Koppelelemente.
7 zeigt beispielhaft eine vom Wirt ausgegebene Kommandofolge und die dadurch entstehenden Spannungsverläufe auf den Zweigen des Bus vor und nach einem Koppelelement.
8 zeigt ein Realisierungsbeispiel für die notwendigen Schaltmittel in einem integrierten Schaltkreis, der als Teilnehmer am Bus angeschlossen werden kann.
9 zeigt ein Realisierungsbeispiel für die notwendigen Schaltmittel in einem integrierten Schaltkreis, der als Koppelelement am Bus angeschlossen werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die zahlreichen innovativen Lehren der vorliegenden Patentanmeldung werden unter besonderem Bezug auf die derzeit bevorzugte Verkörperung beschrieben werden. Jedoch soll verständlich sein, daß diese Klasse von Verkörperungen nur einige wenige Beispiele der vielen vorteilhaften Anwendungen der darin enthaltenen innovativen Lehren geben kann. Generell beschränken Aussagen, die in der Spezifikation der vorliegenden Patentanmeldung gemacht werden, nicht notwendigerweise irgendeine der mannigfaltigen beanspruchten Erfindungen. Zudem können manche Aussagen auf einige der innovativen charakteristischen Merkmale zutreffen, aber nicht auf andere.
Neuartige Rücksetzverfahren
Wie schon aus der obigen Kurzbeschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ersichtlich ist, ist der wichtigste Punkt die Verfügbarkeit eines Verfahrens zum Rücksetzen aller Teilnehmer des Mischsignal – Eindrahtbussystems, das jederzeit wirksam ist, also in jedem Betriebszustand des Bus funktioniert, auch dann, wenn einzelne Teilnehmer einen vom Soll abweichenden Zustand haben, und auch dann, wenn Koppelelemente vorhanden sind.
Hierbei stellt vor allem die analoge Natur des Bussystems eine grosse Herausforderung dar, denn die analogen Signale, die sich im Analoglesemodus auf dem Bus befinden, sollen niemals in der Lage sein, Teilnehmern ein Rücksetzkommando vorzutäuschen. Gleiches gilt natürlich auch für den digitalen Lesemodus und alle anderen Betriebszustände des Bus. Zu Berücksichtigen ist dabei auch, dass sich nach einer massiven Störung jeder Teilnehmer in einem anderen Betriebszustand befinden kann, manche im Analoglesemodus, manche im Digitallesemodus, manche wiederum könnten glauben, gerade in der Mitte des Empfangs eines Kommandoworts zu sein, weil ihre Zustandmaschinen und Bitzähler durch die Störung auf beliebige Werte gesetzt worden sein können. Von einem Rücksetzverfahren ist zu fordern, dass es auch ein derartig durcheinander geratenes Mischsignal – Eindrahtbussystem in einen eindeutigen Anfangszustand versetzen kann.
Ist wie bei der ursprünglichen Erfindung [10] noch kein derartiges Verfahren bekannt, dann muss das betroffene Gerät nach einer Störung aus- und wieder eingeschaltet werden, wobei dann eine sogenannte Power – an – Reset – Schaltung (POR), die nach dem Stand der Technik eine jede sequentielle Schaltung ohne eigenen Resetanschluss haben sollte, den eindeutigen Anfangszustand herstellt. Diese Vorgehensweise ist gewöhnlich nur für billige Anwendungen aus dem Consumerbereich tragbar. Für industrielle oder automobile Anwendungen muss das Bussystem jederzeit rücksetzbar sein, ohne dass dazu seine Stromversorgung unterbrochen wird.
Das neuartige Verfahren zum Rücksetzen eines Mischsignal – Eindrahtbussystems ist durch zwei wesentliche Schritte („Step 1", „Step 2" in den 3 und 4) gekennzeichnet:
Im ersten Schritt bringt der Wirt alle Teilnehmer aus einem etwaigen Analoglesemodus oder Digitallesemodus heraus, indem er seine Ausgangstreiber (27), (28) abwechselnd aktiviert, ohne den Bus zwischendurch loszulassen. Auf dem Bus entsteht dadurch eine Folge von Impulsen mit grossem Hub zwischen den durch die Versorgungsspannung vorgegebenen Maxima. Aufgrund der geforderten Strombegrenzung der Treiber aller Teilnehmer auf einen zweckmäßigen Wert – beispielsweise 1 Milliampere – gelingt dies den gewöhnlich starken digitalen Treibern des Wirts auch dann, wenn mehrere Teilnehmer auf dem Bus gleichzeitig analoge oder digitale Signale treiben, was im Normalbetrieb nicht vorkommt, wohl aber nach einer Störung vorkommen könnte. Die Zahl der für den ersten Schritt erforderlichen Impulse ergibt sich aus der maximalen Zahl der Datenbits im Digitallesemodus, die innerhalb der Ablaufsteuerung des Busprotokolls begrenzt werden muss. Bei einem praxisgerechten Wert von beispielsweise 4 Bytes wird der digitale Lesemodus unabhängig von den gelesenen Daten nach 4·8 = 32 Signalflanken beendet sein, da jede Signalflanke sowohl von einem Zustand „0” als auch einem Zustand „1” begrenzt wird und somit unabhängig vom Zustand des gerade getriebenen Bits einen Bittakt auslöst. Wenn das Bussystem in seiner Minimalform ohne einen Digitallesemodus realisiert wurde, dann genügt eine geringere Zahl von Impulsen, um einen möglicherweise vorliegenden analogen Lesemodus zu beenden und den Quittungsmodus zu durchlaufen. Je nach Auslegung des Busprotokolls sind dazu typischerweise etwa drei bis vier Signalflanken erforderlich.
Nach der Durchführung des ersten Schritts befinden sich mit Sicherheit keine Teilnehmer mehr im Digitallesemodus und auch nicht im Analoglesemodus oder Quittungsmodus, da die Impulsfolge bei hinreichender Geschwindigkeit in jedem Fall gegen jedes denkbare Analogsignal gegentreibt und nicht nur den Analoglesemodus beendet, sondern auch den Quittungsmodus durchläuft. Es befindet sich auch kein Teilnehmer mehr im Schlafmodus, da beide digitalen Zustände und damit der Aufweckzustand vorlagen. Allerdings könnten sich einige der Teilnehmer immer noch in der Endphase eines der beiden Leerlaufmodi befinden, oder im Kommandomodus oder Kompatibilitätsmodus, wobei zugehörige interne Zählerstände noch immer undefiniert sein könnten.
Im zweiten Schritt wird ein etwaig noch vorhandener Kompatibilitätsmodus oder Leerlaufmodus beendet und es wird der Kommandomodus mit definiertem Bitzählerstand hergestellt. Hierzu gibt es zwei grundsätzlich verschiedene Lösungen:
In einer ersten Variante, 3, gibt der Wirt eine Folge von Kommandobits aus, in der für das System normalen Weise, indem er beispielsweise für eine „0" sein negatives Ausgangstreiberelement (28) aktiviert und dann wieder deaktiviert, um den Bus loszulassen, und indem er für eine „1" sein positives Ausgangstreiberelement (27) aktiviert und dann wieder deaktiviert. Aufgrund des noch unbekannten Zählerstandes des internen Bitzählers muss unbedingt verhindert werden, dass die so gegebenen Kommandos ausgeführt werden. Dies gelingt beispielsweise durch die Vereinbarung, dass auf eine Folge von Kommandobits ein „1" – Bit kommen muss, um die Kommandodecodierung und Ausführung einzuleiten, andernfalls wird das Schieberegister, das die seriellen Kommandobits sammelt, einfach weitergetaktet. Dann ist es dem Wirt möglich, eine Folge von „0" – Bits zu senden, die lang genug ist, um das Schieberegister in jeden Fall auf Null zu bringen. Wenn nun die weitere Vereinbarung gilt, dass ein Kommandowort, das ausschliesslich aus Nullen besteht, eine Leeroperation bedeutet, die einfach ignoriert wird, und den Bitzähler rücksetzt, dann wird nach dem „1" – Bit das nächste Kommandobit bei Zählerstand Null eingelesen und die Bitzähler aller Teilnehmer laufen nun synchron.
Wird der Zähler für die Busfloats im Kompatibilitätsmodus ebenfalls in seiner Breite beschränkt, dann bewirkt eine hinreichend lange Folge von „0" – Kommandobits, die länger ist als der maximale Zählerstand, dass der Kompatibilitätsmodus ebenfalls verlassen und der Kommandomodus betreten wird. Wird der Bitzähler für das Kommandowort beim Betreten des Kommandomodus rückgesetzt, dann genügt eine Folge von „0" – Kommandobits, deren Länge das Maximum der Anzahl der Bits im Kommandowort und dem größtmöglichen Zählerstand des Zählers für den Kompatibilitätsmodus ist, um das Ziel des zweiten Schrittes des Rücksetzverfahrens zu erreichen.
Diese erste Variante des Rücksetzverfahrens kann ohne grossen Mehraufwand in einem integrierten Schaltkreis gemäß der Lehre der vorigen Erfindung [10] hinzugefügt werden, allerdings hat es auch Nachteile: Der oben beschriebene Ablauf geht zwar davon aus, dass die Zustandsmaschinen von Teilnehmern am Bus vor der Durchführung des Rücksetzverfahrens in beliebigen, unterschiedlichen Zuständen sind, jedoch müssen diese Zustände einen gültigen Zustand repräsentieren, der auch im normalen Betrieb, also ohne Störung, angefahren werden kann. Es ist nun zwar bekannt, wie Zustandsmaschinen so ausgelegt werden können, dass unerlaubte Zustände bei einem nächsten Takt zum Übergang in einen erlaubten Zustand führen, in einem so komplexen System wie diesem kann es jedoch gerade beim Einsatz von Logiksynthese aus einer höheren Beschreibungsebene (wie etwa VHDL oder Verilog) sehr schwierig sein sicherzustellen, dass die Zustandscodierungen und die synthetisierte Logik in jedem Fall (und jedem denkbaren Störzustand) die Treiber und Stromdetektoren so steuert, dass aus den Bemühungen des Wirts überhaupt ein Takt entsteht. Denn ohne einen solchen Takt bleiben die Zustandsmaschinen in einem nach einer Störung eventuell vorhandenen unerlaubten Zustand, der eine Takterzeugung verhindert, und dieser „Deadlock" wäre dann wieder nur durch Aus- und Einschalten der Stromversorgung und einem POR zu beheben. Allerdings ist es sehr wohl möglich, durch sorgfältige Auslegung aller Zustandsmaschinen und Zustandscodierungen per Hand zu einer sicher funktionierenden Lösung gemäß der ersten Variante zu kommen, es darf nur keine Kombination von Zuständen geben, bei dem alle Taktgeneratoren und die zugehörigen Stromdetektoren abgeschaltet sind.
Eine für den automatisierten Entwurf geeignetere zweite, besonders vorteilhafte Variante des Rücksetzverfahrens, 4, entkoppelt die für das Rücksetzen erforderliche Logik völlig von der Logik des Busprotokolls.
Der erste Schritt bleibt dabei gleich, allerdings zählen die Teilnehmer die schnellen Signalflanken der Impulsfolge jeweils in einem eigenen Zähler mit. Am Ende des ersten Schritts liegt ein Zählerstand vor, der die maximale Zahl der Datenbits des Digitallesemodus erreicht oder überschreitet, da der Anfangszustand des Zählers unbekannt ist. Wie schon oben dargestellt wurde, ist dann sowohl der Analoglesemodus als auch der Digitallesemodus beendet, sofern das Schaltwerk für das Busprotokoll nicht in einem Deadlock hängt, was jedoch für den Flankenzähler selbst nicht hinderlich ist.
Der zweite Schritt besteht nun darin, dass weitere vom Wirt ausgegebene Impulsfolgen den Zählerstand des Flankenzählers über die maximale Zahl der Datenbits des Digitallesemodus hinaus erhöhen, bevorzugt weit darüber hinaus, so dass auch dann, wenn während dem regulären digitalen Lesemodus Glitch – Impulse auf dem Bus auftreten würden, ein entsprechend hoher Zählerstand nicht erreicht werden kann. Ein hinreichend hoher Zählerstand aktiviert nun ein Resetsignal innerhalb der Teilnehmer, das auf alle für das Busprotokoll nötigen Schaltwerke und internen Register wirkt, ausser auf den Flankenzähler selbst. Vorzugsweise ist der Rücksetzzustand der Kommandomodus, jedoch bleiben die Treiber für die Kommandospannung noch deaktiviert, solange das Resetsignal aktiv ist. Der Wirt fährt nun unbeirrt mit dem Treiben der Impulsfolge fort, und auch der Flankenzähler zählt weiter hoch, bespielsweise zwei weitere Flanken, bevor er sich selber rücksetzt und das Resetsignal beendet. Dies stellt eine hinreichende Breite des Resetsignals sicher. Es sei angemerkt, dass abhängig von der Vorgeschichte und dem Ausmass einer eventuellen Störung die einzelnen Teilnehmer ihr Resetsignal durchaus zu verschiedenen Zeitpunkten bekommen können, da die Flankenzähler selbst auch gestört sein können. Ist die Gesamtzahl der schnellen Flanken, die der Wirt im ersten und im zweiten Schritt ausgibt, jedoch größer als der maximale Zählerstand des Flankenzählers, bei dem sich dieser selbst rücksetzt, dann ist sicher, dass jeder Teilnehmer am Bus ein internes Resetsignal erlebt hat, und sich im Kommandomodus befindet. Nun ist es – wie bei den Grundlagen bereits beschrieben wurde – eine Eigenschaft der Takterzeugung im Kommandomodus, dass ein Bittakt nur dann erzeugt wird, wenn der Wirt den Bus loslä8t. Eine überzählige Zahl von schnellen Flanken, die noch zum zweiten Schritt der Resetimpulsfolge gehören, werden daher nicht als Kommandobits interpretiert. Erst nach dem zweiten Schritt dieser zweiten Variante des Rücksetzverfahrens wird vom Wirt das erste Kommandobit gegeben: ist das erste Kommandobit beispielsweise eine „0", dann beendet der Wirt das Treiben der Resetimpulsfolge, wenn er gerade sein negatives Ausgangstreiberelement (28) aktiviert hatte, ist das erste Kommandobit jedoch eine „1", dann beendet der Wirt das Treiben der Resetimpulsfolge, wenn er gerade sein positives Ausgangstreiberelement (27) aktiviert hatte. Um zu verhindern, dass sich im regulären Betrieb schnelle Signalflanken im Flankenzähler akkumulieren und zum Auslösen des Resetsignals führen, wird der Flankenzähler rückgesetzt, sobald der Kommandospannungspegel für längere Zeit anliegt, als es bei gewöhnlichen Signalwechseln der Fall ist. Diese Ansprechzeit eines Kommandospannungsdetektors kann recht kurz bemessen sein (ein bis zwei Mikrosekunden genügen) und ist vom Wirt zwischen den Kommandos einzuhalten.
Mittel zur Implementierung des bevorzugten Rücksetzverfahrens
In der 5 werden beispielhaft die für das besonders vorteilhafte Rücksetzverfahren notwendigen Schaltmittel innerhalb der Teilnehmer dargestellt.
Eingangsseitig befinden sich zwei an die Busleitung (19) angeschlossene Komparatoren (40), welche die Spannung an der Busleitung mit zwei Schwellenspannungen (VH, VL) vergleichen, die vorzugsweise bei einem bzw. zwei Dritteln der Versorgungsspannung liegen. Der Ausgang des mit VL verbundenen Komparators wird log. 1, sobald die Spannung am Bus unterhalb von VL liegt. Der Ausgang des mit VH verbundenen Komparators wird log. 1, sobald die Spannung am Bus oberhalb von VH liegt. Sobald einer der beiden Ausgänge log. 1 ist, wird der Kondensator (C) des Kommandospannungsdetektors (44) über eine der Dioden D1, D2 rasch aufgeladen, und das Ausgangssignal LOGU des invertierenden Schmitt – Triggers (64) geht auf log. 0, was bedeutet, dass ein gültiger Logikpegel, nicht aber die Kommandospannung auf dem Bus anliegt. Sind beide Ausgänge der Komparatoren log. 0, dann wird der Kondensator (C) über den dazu parallel geschalteten Widerstand (R) entladen, und nach einer gewissen Zeitkonstante wird das Signal LOGU log. 1, was bedeutet, dass die Kommandospannung für eine gewisse Mindestzeitdauer am Bus anliegt. Dies setzt über das Oder-Gatter (49) und den Rücksetzeingang (50) den Flankenzähler (46) zurück. Aus den Komparatorausgängen wird über Verzögerungselemente (43) und eine daran angeschlossene Logik (45) das Signal FEDGE gebildet, das bei einer schnellen Flanke am Bus (19) einen Impuls aufweist, mit dem der Flankenzähler (46) über seinen Takteingang (51) hochgezählt wird. Flanken, welche die Zone zwischen VL und VH langsamer durchlaufen als die Summe der Ansprechverzögerungen der Komparatoren und die Verzögerungszeit der Verzögerungselemente, führen nicht zu einem FEDGE – Impuls. Der Dekoder (47) liefert ab einem bestimmten Zählerstand das Rücksetzsignal RESET für die Schaltwerke des Teilnehmers. Ein nochmals um einige Zählschritte erhöhter Zählerstand wird ebenfalls dekodiert und setzt schliesslich über eine Signalleitung (48) den Flankenzähler selbst zurück. Die Signale FEDGE und LOGU sind zudem auch für die Erkennung bestimmter Betriebszustände des Bus nützlich. Falls der Kommandospannungstreiber nicht über eine eigene Stromerkennung verfügt, können die Komparatorausgänge im Kommandoempfangsmodus zur Erkennung der Kommandobits benutzt werden.
Verfahren zur Erhöhung der an den Bus anschließbaren Teilnehmer
In dem erfindungsgemäßen Mischsignal – Eindrahtbussystem wird das Konzept des Gegentreibens benutzt, um Steuersignale vom Wirt an die Teilnehmer zu senden. Dies bedingt eine Strombegrenzung innerhalb der Treiber der Teilnehmer, und bringt zudem die Forderung mit sich, dass die Treiber des Wirts in jeder Situation stärker sind als alle Teilnehmer zusammen, da störungsbedingt mehrere (im schlimmsten Fall: alle) Teilnehmer ihre Treiber gleichzeitig aktivieren könnten. Bei praktischen Realisierungen des Bussystems ergibt sich daraus beispielsweise eine Limitierung auf etwa vier am Bus angeschlossene Teilnehmer. Nun sind aber Anwendungen denkbar, bei denen eine grössere Zahl von Teilnehmern an den Bus angeschlossen werden soll. Die naheliegende Lösung, die Treiber dieser Teilnehmer dann eben schwächer auszulegen, so dass ihre Strombegrenzung bei kleineren Strömen einsetzt, oder die Begrenzung programmierbar zu machen, führt jedoch vor allem bei grösseren Teilnehmerzahlen rasch zu schwächlichen Signalen, reduzierter Signalbandbreite und niedrigen Datenübertragungsraten auf dem Bus.
Eine bessere und daher bevorzugte Lösung ist die Verwendung von neuartigen Koppelelementen, mit denen Teilnehmer zu Mischsignal Netzwerken verschaltet werden können. Herkömmliche Koppelelemente sind aus der digitalen Netzwerktechnik bekannt und werden dort oft als „Hubs" bezeichnet. Diese Hubs interpretieren einen digitalen Datenstrom, entnehmen ihm Addressinformationen, und reichen die digitalen Daten bidirektional zwischen einem Hauptzweig und mehreren adressierbaren Nebenzweigen eines digitalen Netzwerks hin und her.
Die neuartigen Koppelelemente für Mischsignal – Eindrahtnetzwerke verwenden ähnliche Konzepte, sie haben aber zudem die Fähigkeit, im Analoglesemodus analoge Signalspannungen unverfälscht zwischen Hauptzweigen und Nebenzweigen des Bus zu vermitteln und in den diversen Betriebsmodi des Bus auch die durch Gegentreiben des Wirts erzeugten Kommando- und Steuersignale, die letztlich Stromsignale sind, zu erkennen und verstärkt weiterzugeben.
1 zeigt beispielhaft, wie neuartige Koppelelemente (32) zusammen mit gewöhnlichen Teilnehmern (1) und einem Wirt (21) zu einem hierarchisch aufgebauten Mischsignal – Eindrahtnetzwerk verschaltet werden können. Beispielsweise ist hier die ranghöhere Pforte des Koppelelementes B mit dem Hauptzweig (19) des Bus verbunden, und seine rangniedrigen Pforten sind mit Nebenzweigen (29) des Bus verbunden.
Das Verfahren zur Erhöhung der an den Bus schliessbaren Teilnehmer besteht aus mehreren Teilen:
Der erste Teil ist die Verschaltung des Wirts mit Teilnehmern und Koppelelementen zu einem Mischsignal – Eindrahtnetzwerk, wobei der Unterschied zu rein digitalen Netzwerken des bekannten Standes der Technik darin besteht, dass auf den Zweigen des Mischsignal – Eindrahtnetzwerks je nach Betriebszustand nicht nur digitale Signalspannungen, sondern auch analoge Signalspannungen vorhanden sind, und dass diese durch Ströme gesteuert werden, die durch Gegentreiben des Wirts verursacht werden, so dass die neuartigen Koppelelemente sowohl beliebige Spannungssignale als auch bestimmte Stromsignale erkennen und zwischen ihren Pforten weitergeben müssen, was bei rein digitalen Netzwerken nicht vorkommt.
Der zweite Teil des Verfahrens dient zur Adressierung von einzelnen Teilnehmern innerhalb des Mischsignal – Eindrahtnetzwerks.
Der dritte Teil des Verfahrens offenbart, welche Abläufe innerhalb der Koppelelemente stattfinden. Dieser Teil wird weiter unten im Text am Beispiel einer integrierten Schaltung, die ein geeignetes Koppelelement realisiert, beschrieben.
Der erste Teil des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Busanschlusspin des Wirts an den Hauptzweig (19) des Mischsignal – Eindrahtbussystems angeschlossen wird, an den wiederum mindestens der erste Anschlussgin eines Koppelelements angeschlossen wird, das über mindestens einen zweiten Anschlussgin verfügt, an den ein Nebenzweig (29) des Mischsignal – Eindrahtbussystems angeschlossen wird. Ein Koppelelement kann auch über dritte und weitere Anschlussgins weitere Nebenzweige ableiten. Mindestens ein Teilnehmer wird an den Nebenzweig angeschlossen. Weitere Teilnehmer können an den Hauptzweig oder an Nebenzweige angeschlossen sein. Aus der Sicht des Koppelelementes ist der Hauptzweig der ranghöhere Zweig und der (oder die) Nebenzweig(e) der rangniederigere Zweig. Der Rang eines Zweigs im Netzwerk sinkt mit der Entfernung zum Wirt, und mit der Zahl der Koppelemente, die ein analoges Signal passieren muss, bis es vom Teilnehmer zum Wirt gelangt.
Der zweite Teil des Verfahrens dient zur Adressierung der Teilnehmer im Netzwerk. Hierzu ist es zweckmäßig, die Codierung des Befehlssatzes und deren Zusammenwirken mit dem aus der vorigen Erfindung [10] bekannten Adressierungsmethode mit Adressmasken näher zu betrachten. Als besonders vorteilhaft hat sich inzwischen ein Befehlssatz herausgestellt, 6, der über zwei Adressmaskenbits AMA1, AMA0 und zwei Adressbits ADR1, ADR0 verfügt, sowie über vier weitere Bits zur Festlegung der Operation auf dem Bus, mit denen beispielsweise der Analoglesemodus oder der Digitallesemodus ausgewählt werden kann. Gefolgt werden diese acht Kommandobits von einem neu eingeführten weiteren Bit, in der Figur mit EXEC bezeichnet, das angibt, ob Parameter für die Operation folgen (EXEC = 0), oder ob der Befehl ausgeführt werden soll (EXEC = 1). Zur Ausgabe eines Kommandos sind somit mindestens neun Kommandobits nötig: dies wäre dann ein Kurzbefehl aus nur einem einzigen Kommandowort ohne daran angehängte weitere Kommandoworte als Parameter.
Aufgrund der zwei Adressbits gibt es insgesamt vier Teilnehmeradressen: 00, 01, 10, 11. Die Adressmaskenbits geben an, welche der beiden Adressbits innerhalb der Teilnehmer mit der jedem Teilnehmer vorgegebenen Kennung verglichen werden: ein Vergleich findet nur statt, wenn das zugehörige Adressmaskenbit auf „1" gesetzt ist. Dies erlaubt es bei kleineren Bussystemen mit nur einem oder zwei Teilnehmern eine Bestückung der Baugruppen mit Teilnehmern, die eine nicht ganz exakt zutreffende Kennung haben, beispielsweise wird bei Adressmaske = 01 nur das rechte Adressbit verglichen, so dass der erste Teilnehmer eine der Kennungen 00 oder 10 haben kann, und der zweite Teilnehmer eine der Kennungen 01 oder 11. Diese Konvention erlaubt es, die Kennungen von Teilnehmern so zu verteilen, dass für derartige Minimalsysteme nicht von jedem Teilnehmertyp Varianten mit allen vier möglichen Kennungen auf Lager gehalten werden müssen.
Eine Sonderrolle haben Kommandos mit Adressmaske 00. Da nun kein Adressvergleich mehr stattfindet, fühlen sich alle Teilnehmer angesprochen und führen das Kommando geichzeitig aus. Dies erlaubt beispielsweise, bestimmte Konfigurationsdaten, die für alle Teilnehmer gelten, mit nur einem einzigen Kommando zu übertragen („Broadcast” – Kommando). Kandidaten für solche Kommandos sind beispielsweise der Schlafmodus und der Kompatibilitätsmodus.
Bei dem erfindungsgemäßen erweiterten Bussystem mit Koppelelementen und daher mit mehr als vier möglichen Teilnehmern auf dem Bus muss dieses aus [10] bekannte Adressierungsverfahren in geeigneter Weise erweitert werden. Dies ist nicht einfach zu lösen, da eine schlichte Erweiterung der Zahl der Adressbits nicht rückwärtskompatibel wäre, und außerdem die Länge der Kommandoworte erhöhen würde, was aus praktischen Überlegungen unerwünscht ist.
Eine rückwärtskompatible Adressierung von Teilnehmern in einem Mischsignal – Eindrahtbussystem mit Koppelelementen gelingt durch ein neues Adressierungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf einem ranghöheren, ersten Zweig des Bus gegebenes erstes Kommando ein Koppelelement selektiert, dass auf das erste Kommando ein zweites Kommando folgt, das einen Teilnehmer selektiert, der an einen rangniedrigeren, zweiten Zweig des Bus angeschlossen ist, der aus dem mit dem ersten Kommando selektierten Koppelelement entspringt, wobei das erste Kommando von dem Koppelelement und das zweite Kommando von den Teilnehmern so ausgeführt wird, dass sie auf dem ersten Zweig und dem zweiten Zweig weitgehend zeitgleich denselben Betriebszustand bewirken, wobei als Betriebszustände mindestens ein Kommandomodus und ein Analoglesemodus zur Auswahl stehen.
Auf diese Weise führen die Teilnehmer auf dem ranghöheren Zweig (vor dem Koppelelement) mit dem ersten Kommandowort für das Koppelelement ein geringfügig anderes Kommandowort aus als die Teilnehmer auf dem rangniedrigeren Zweig (nach dem Koppelelement) mit dem zweiten Kommandowort und dadurch kann auf dem ranghöheren Zweig das Koppelelement adressiert werden, und auf dem rangniedrigeren Zweig der gewünschte Teilnehmer, wobei sich die beiden Kommandoworte vor allem in den Adressbits (ADR1, ADR0) unterscheiden, nicht aber in der Kommandoart, beispielsweise müssen beide Kommandos den Analoglesemodus einleiten.
Sollte das Koppelelement mehr als einen rangniedrigeren Zweig besitzen, dann wird der zu benutzende Zweig vorher mit einem eigenen Kommando, das sich nur an das Koppelelement wendet, aktiviert. Diese Einstellung bleibt solange erhalten, bis mit einem erneuten Kommando ein anderer rangniedrigerer Zweig aktiviert wird. Somit entsteht, wenn bei mehreren aufeinanderfolgenden Kommandos kein anderer rangniedrigerer Zweig benötigt wird, kein unnötiger Verkehr auf dem Bus.
Mit diesem Verfahren gelingt es, eine theoretisch beliebige Zahl von Koppelementen und Zweigen in einem Mischsignal – Eindrahtbussystem zu adressieren und gezielt anzusprechen, wobei die Teilnehmer letztlich nur dieselben einfachen Kommandoworte verstehen müssen wie beim Stand der vorigen Erfindung [10], und über keinerlei zusätzliche Mittel verfügen müssen, so dass eine vollständige Rückwärtskompatibilität gegeben ist. Desweiteren hat das neue Verfahren den Vorteil, dass im Netzwerk immer nur diejenigen Zweige aktiv sein müssen, die für die Herstellung der Verbindung zwischen dem Wirt und dem anzuwählenden Teilnehmer erforderlich sind, und die dafür nicht benötigten Zweige bleiben in energiesparender Weise passiv.
Verfahren für die Befehlsweitergabe
Das neue Verfahren für die Befehlsweitergabe durch Koppelelemente ist dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement das erste Kommandowort einer Kommandowortfolge, die durch EXEC = „1" beendet ist, nicht an rangniedrigere Zweige weitergibt, und das zweite und die folgenden Kommandoworte bis einschließlich dem letzten EXEC – Bit, das die Kommandoausführung bewirkt, an einen rangniedrigeren Zweig weitergibt.
Dieses Verfahren ergänzt das neue Verfahren zur Adressierung, so dass es weder nötig ist, für Koppelelemente spezielle Kommandocodes vorzusehen, noch nötig ist, in den Teilnehmern aufwendige Massnahmen zu ergreifen, um unter ersten und zweiten Kommandoworten das richtige Kommandowort herauszufinden. Da die Koppelelemente das für sie bestimmte erste Kommandowort entfernen und nicht an Teilnehmer oder Koppelelemente auf dem rangniedrigeren Zweig weitergeben, ist auf dem rangniedrigeren Zweig das zweite Kommandowort des ranghöheren Zweigs das erste auf dem rangniedrigeren Zweig empfangene Kommandowort. Jedes am Bus angeschlossene Koppelelement und jeder Teilnehmer führt unbeachtlich seiner Rangfolge das erste von ihm empfangene Kommandowort aus. Somit ergibt sich eine volle Rückwärtskompatibilität des Verfahrens und es können an den neuartigen Mischsignal – Eindrahtbussystemen auch Teilnehmer angeschlossen werden, die vor der Einführung von Koppelelementen entwickelt wurden. Zudem erlauben diese Verfahren in ihrer Kombination die theoretisch beliebige Kaskadierung von Koppelementen, und die Aufbau von Netzwerktopologien mit mehr als zwei Rängen, wobei die Tiefe der Kaskadierung in der Praxis nur durch die Signalverluste im Analoglesemodus beschränkt ist.
Bei Mischsignal – Eindrahtbussystemen, die am Ende der Kommandobitfolge eine Prüfsumme übertragen, muss das Verfahren der Befehlsweitergabe um eine Sonderbehandlung für die Prüfsumme erweitert werden. Hierbei errechnet das Koppelelement während der Kommandoübertragung eine neue Prüfsumme, die nach dem entfernten ersten Kommandowort beginnt, und ersetzt bei der Weitergabe auf den rangniedrigeren Zweig die vom Wirt ausgegebene Prüfsumme durch die selbst errechnete Prüfsumme.
Hierzu ist es notwendig, dass das Koppelelement weilt, wie viele Kommandoworte die Kommandobitfolge haben wird. Die Anzahl der Kommandoworte kann fest vorgegeben sein oder durch ein vorangestelltes Kommando in ein Register des Koppelelements eingespeichert werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Lösung, die Anzahl der Kommandoworte als Teil des ersten Kommandoworts zu übertragen. Das entsprechende Bitfeld dient auch bei gewöhnlichen Teilnehmern als Parameterfeld für das Kommando und kann bei den Koppelelementen für die Steuerung des Koppelprozesses herangezogen werden.
6 zeigt beispielhaft eine besonders vorteilhafte Kommandocodierung.
„Broadcast" – Kommandos, die sich an alle Teilnehmer wenden, haben ihre Adressmaskenbits AMA1, AMA0 auf 0 gesetzt, und dadurch erfolgt kein Vergleich der Adressbits ADR1, ADR0 mehr. Diese beiden Bits können dann dazu benutzt werden, um den Umfang des Operationscodes vorteilhaft von vier Bit auf sechs Bit zu erhöhen.
Bei den „branch select" – Kommandos handelt es sich um jene Kommandos, die einen bestimmten rangniedrigeren Zweig des selektierten Koppelelements aktivieren, im Feld „Branch" können hierzu vier mögliche Zweige codiert werden. Zusätzliche Parameter für den Koppelprozess können fallweise als weiteres Kommandowort angehängt werden, insbesondere jene für das spätere Abtrennen des aktivierten rangniedrigeren Zweigs.
Die „Digital Write", „Digital Read", und „Analog Read" – Kommandos, die an das Koppelelement gerichtet sind, enthalten bei Mischsignal – Eindrahtbussystemen, die am Ende der Kommandobitfolge eine Prüfsumme übertragen, im „PARAM" – Feld die binär codierte Zahl der Kommandoworte bis zur Prüfsumme.
7 zeigt ein Beispiel für die Befehlsweitergabe durch ein Koppelelement. Es wurde angenommen, dass der ranghöhere Zweig (30) des Bus mit dem Wirt verbunden ist. Der rangniedrigere Zweig (31) geht vom Koppelelement aus. In der Figur sind die Verläufe der Spannungen auf den Zweigen über die Zeit entsprechend mit V (30) und V (31) bezeichnet. Im Kommandoempfangsmodus liegt auf beiden Zweigen zunächst die Kommandospannung (35) an. Sollte der gewünschte rangniedrigere Zweig, hier Nummer 2 (binär 10), noch nicht gewählt sein, gibt der Wirt zunächst ein „branch select" – Kommando (52) aus, um diesen zu aktivieren, die Nummer des Zweigs findet sich dabei in Bits Nummer 7 und B. Das Koppelelement hat hier die Adresse 3 (binär 11), zu finden in den Bits Nummer 3 und 4 des Kommandos (52). Nun soll ein auf dem rangniedrigeren Zweig angeschlossener Teilnehmer mit der Adresse 1 (binär 01) in den Analoglesemodus versetzt werden. Der Wirt gibt eine Befehlsfolge aus, die aus einem Analoglesekommando für das Koppelement (53), einem Analoglesekommando für den Teilnehmer (54) sowie einem optinalen Parameterwort (55) besteht, gefolgt von einer vom Wirt errechneten Prüfsumme (56), die für die Kommandofolge auf dem ranghöheren Zweig gilt. Das Koppelelement gibt beginnend mit dem Kommando für den Teilnehmer (54) dieselbe Folge auf den rangniedrigeren Zweig weiter, es ersetzt aber die vom Wirt stammende Prüfsumme (CRC1, 56) durch eine solche, die es selbst errechnet hat (CRC2, 57), und die für die verkürzte Kommandofolge gültig ist. Die Position der Prüfsumme wurde dem Koppelement in seinem Kommando (53) mitgeteilt: die Bits Nummer 7 und 8 sind 01, was bedeutet, dass dem obligatorischen Kommandowort für den Teilnehmer ein einziges Parameterwort folgt.
Nach dem gesetzten EXEC – Bit am Ende der Kommandofolge gehen sowohl das Koppelement als auch der selektierte Teilnehmer in den Analoglesemodus, die nicht selektierten Teilnehmer auf beiden Zweigen des Bus gehen in den Analogsignal – Leerlaufmodus, vorausgesetzt, die Prüfsumme ist korrekt. In diesem Fall liefert der Teilnehmer zunächst weiterhin den Kommandospannungspegel (35), oder einen anderen Signalpegel, der innerhalb des Ansprechbereichs des Kommandospannungsdetektors liegt, und der sich von einem Fehlersignal sicher unterscheiden lässt. Das Koppelelement gibt diesen Signalpegel mit seinem eigenen Kommandospannungstreiber an den Wirt weiter und meldet so, dass in der Kommandoübermittlung kein Fehler vorlag.
Um das eigentliche Analogsignal auf den Bus aufzuschalten aktiviert nun der Wirt seinen Treiber (28, 3) kurzzeitig und lässt den Bus dann wieder los. Das Koppelelement gibt diesen kurzen Gegentreibimpuls (58) an den rangniedrigeren Zweig (31) weiter, indem es starke digitale Treiber (38, 2) aktiviert. Daraufhin schaltet der Teilnehmer das eigentliche Analogsignal (59) auf den Bus auf. Dieses gelangt bevorzugt durch Analogschalter (36, 2) vom rangniedrigeren Zweig zum ranghöheren Zweig.
Bei einer Kommandoübertragung ohne Prüfsumme entfallen die Prüfsummen (56, 57) und nach dem gesetzten EXEC – Bit schließt sich sofort das Analogsignal (59) an.
Verfahren zur programmierbaren Optimierung von Betriebsparametern
Bei dem erfindungsgemäßen Mischsignal – Eindrahtbussystem kann an jedem Zweig des Netzwerks eine bestimmte Zahl von Teilnehmern angeschlossen werden. Es versteht sich, dass es einen wesentlichen Unterschied macht, ob an einem Zweig nur ein Teilnehmer oder die maximal zulässige Zahl von Teilnehmern angeschlossen ist.
Dabei ist insbesondere die Auslegung des Kommando spannungstreibers schwierig. Bei Optimierung für einen einzigen Teilnehmer wird, falls mehrere Teilnehmer angeschlossen sind, der Treiber des Wirts stark belastet, und es entsteht ein unnötig hoher Strombedarf. Bei Optimierung für mehrere Teilnehmer könnte der Treiber zu schwach und der Bus daher zu langsam sein, falls nur ein Teilnehmer angeschlossen ist.
Ein Verfahren zur Abhilfe ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Stärke des Kommandospannungstreibers programmierbar gemacht wird.
Hierzu wird in den Teilnehmern (und auch den Koppelelementen, die ja ebenfalls Teilnehmer am Bus sind) ein Busmodusregister vorgesehen, und ein Befehl, mit dem der Wirt das Busmodusregister setzen kann, beispielsweise „Digital Write" aus 6. Der Registerinhalt wird dazu benutzt, um mindestens die Treiberstärke des Kommandospannungstreibers programmierbar zu machen.
Besonders vorteilhaft ist ein Kommandotreiber mit resistiver Ausgangscharakteristik, der in mehreren Stufen so programmierbar ist, dass der Wirt für jede zulässige Anzahl von an einen Zweig angeschlossen Teilnehmern einen Registerinhalt setzen kann, so dass er im Kommandomodus unabhängig von der Zahl der Teilnehmer im wesentlichen immer den gleichen Lastwiderstand treiben muss.
Verfahren zur Erkennung und Meldung von Störungen der Kommandoübermittlung
In jedem Bussystem können durch extern eingestreute Störungen Bitfehler auftreten. Es ist dem Stand der Technik der digitalen Bussysteme bekannt, wie Prüfsummen, beispielsweise durch Polynomzähler errechnete CRC – Prüfbytes, dazu benutzt werden können, um Bitfehler zu erkennen. Dieses bekannte Verfahren zur Erkennung von Bitfehlern kann unverändert auf das erfindungsgemäße Mischsignal – Eindrahtbussystem angewandt werden, es genügt beispielsweise, den oben beschriebenen Kommandowortfolgen ein CRC – Prüfbyte anzuhängen, und den Teilnehmern einen Polynomzähler hinzuzufügen, der die empfangenen Kommando- und Datenbytes und das CRC – Prüfbyte verrechnet. Bei einer ungestörten Übertragung muss der Polynomzähler nach dem Empfang der Kommandowortfolge einen ganz bestimmten Wert aufweisen, beispielsweise Null. Andernfalls liegt ein Bitfehler vor. Soweit genügt der bekannte Stand der Technik.
Allerdings ist es mit der Erkennung des Bitfehlers nicht getan, er muss auch behandelt und gemeldet werden. Wie dies in dem erfindungsgemäßen Mischsignal – Eindrahtbussystem geschehen soll, ist nicht offensichtlich. Der naheliegende Lösungsvorschlag, nach jeder Kommandowortfolge ein digitales Quittungsignal zum Wirt zu schicken, welches den Fehlerstatus enthält, erweist sich als nicht praktikabel im Rahmen der Lehre der Erfindung, da dies beispielsweise zur Sabotage der Erkennung des Endes des analogen Leerlaufmodus führen würde. Auch der Schlafmodus und andere Modi müssten komplett geändert werden. Es wäre nötig, zusätzliche Komplikationen einzuführen, die es verhindern würden, dass einfachere und billiger herzustellende Teilnehmer ohne CRC – Prüfsummenlogik zusammen mit komplizierteren und teureren Teilnehmern, die eine solche Prüfsummenlogik haben, auf demselben Bus betrieben werden können. Eine derartige Aufwärts- und Abwärtskompatibilität ist aber aus Kostengründen vorteilhaft.
Eine kompatible Lösung ist jedoch dennoch möglich, wie im folgenden offenbart werden soll. Das neuartige Verfahren zur Erkennung und Meldung von Störungen der Kommandoübermittlung in einem Mischsignal – Eindrahtbussystem ist dadurch gekennzeichnet, dass am Ende einer jeden Kommandowortfolge ein Prüfsummenbyte steht, das von den Teilnehmern mit Prüfsummenlogik ausgewertet wird, wobei diese im fehlerfreien Fall zunächst einen Spannungspegel auf den Bus ausgeben, der in der Nähe der Kommandospannung liegt, im Fehlerfall aber einen Fehlersignaltreiber aktivieren, der stark genug ist, um den Bus auch gegen andere Teilnehmer auf einen Fehlersignalpegel zu treiben, der sich von der Kommandospannung messbar unterscheidet, wobei der Fehlersignaltreiber schwach genug ist, um von den Treibern des Wirts überwunden zu werden.
Auf diese Weise wird das Busprotokoll der vorigen Erfindung [10] dahingehend erweitert, dass in seinem Ablauf ein Fenster für ein Fehlerstatussignal geöffnet wird, das analoger Natur ist und das daher konsistent mit der Lehre der Erfindung benutzt werden kann, weil es im fehlerlosen Fall keine Aktivitäten am Bus hervorruft, die zur einer unerwünschten vorzeitigen Beendigung des Analog- oder Digitalleerlaufmodus führen würde.
Teilnehmer ohne Prüfsummenlogik ignorieren das Prüfbyte einfach und führen das Kommando aus, auch wenn es aufgrund einer Störung verfälscht sein sollte. Die Forderungen an die Stärke des Fehlersignals stellen sicher, dass es sich in jedem Fall durchsetzt.
Das im fehlerlosen Fall in einigen Betriebsmodi erforderliche Umschalten des Bus auf das eigentlich zu lesende analoge oder digitale Signal kann durch Ablauf eines Zeitgebers erfolgen, der dem Wirt genug Zeit lässt, das Fehlerstatussignal auszuwerten.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, diese Umschaltung dadurch zu bewerkstelligen, dass der Wirt einmalig kurz gegentreibt und den Bus dann wieder losläßt. Die Teilnehmer können dann zur Signalisierung des fehlerlosen Zustandes ihren Kommandospannungstreiber benutzen, und das Gegentreiben des Wirts mit den gleichen Mitteln erkennen wie beim Kommandoempfang.
Es kann im Zusammenhang mit der Fehlerbehandlung darüber hinaus auch nützlich sein, über ein Signal zu verfügen, das anzeigt, ob jeder Teilnehmer auch wirklich in einen befohlenen Schlafmodus gegangen ist. Hierzu soll auf jedem Zweig des Netzwerks mindestens ein Teilnehmer über einen sogenannten „Buskeeper" verfügen, der nur im Schlafmodus aktiv ist, und der den Buszustand in schwächlicher Weise versucht zu halten. Ein geeigneter Buskeeper kann in bekannter Weise aus einem Tristate – Buffer gebildet werden, dessen Eingang mit dem Bus verbunden ist, dessen Ausgang über einen Widerstand von einigen Kiloohm mit dem Bus verbunden ist, und dessen Enable – Eingang mit einem Steuersignal verbunden ist, das den Tristate – Buffer im Schlafmodus aktiviert.
Vorzugsweise wird die Polarität des Fehlersignals programmierbar gemacht. Hierzu kann ein Bit im schon oben beschriebenen Busmodusregister vorgesehen werden. Es kann auch nützlich sein, die Prüfsummenlogik abschaltbar zu machen, um in Betriebsphasen, wo es auf hohe Geschwindigkeit und damit auf möglichst kurze Kommandos ankommt, Zeit sparen zu können. Zudem kann die Prüfsummenlogik auch dazu benutzt werden, im Digitallesemodus zum Wirt übertragene Daten mit einem Prüfbyte abzusichern.
Die Durchführung des wirtsseitigen Verfahrens ist wie folgt: der Wirt erzeugt für jede abzusichernde Kommandowortfolge ein Prüfsummenbyte, und überträgt dieses am Ende der Kommandowortfolge. Je nach Art des Kommandos folgen dann die weiteren Verfahrensschritte:
Nach Kommandos, die wieder zum Kommandomodus oder in den Kompatibilitätsmodus führen, prüft der Wirt, ob der Bus auf dem Kommandospannungspegel liegt. Hierzu kann er seinen ADC benutzen, oder einen programmierbaren Komparator, der in manchen Mikrocontrollern neben dem ADC verfügbar ist, aber schneller reagiert. Ist ein Teilnehmer im Fehlermodus, dann weicht der Spannungspegel am Bus von der Kommandospannung messbar ab, und dies erkennt der Wirt als Fehlersignal. Er kann dann das Rücksetzverfahren durchführen, um die Teilnehmer am Bus in einen geordneten Zustand zurückzuversetzen. Liegt kein Fehler vor, dann kann der Wirt das nächste Kommando geben.
Nach Kommandos, die in den Analoglesemodus führen, prüft der Wirt, ob der Bus auf dem Kommandospannungspegel liegt und falls das zutrifft, also kein Fehlersignal vorliegt, aktiviert er einen seiner Treiber (27 oder 28) und deaktiviert ihn wieder. Dieser kurze Gegentreib – Impuls veranlasst den selektierten Teilnehmer, auf das eigentlich zu verarbeitende Analogsignal umzuschalten. Wird dagegen ein Fehlersignal erkannt, folgt das Rücksetzverfahren.
Nach Kommandos, die in den Digitallesemodus führen, ist das Vorgehen des Wirts identisch zum vorigen Fall. Der selektierte Teilnehmer wird jedoch, falls kein Fehlersignal vorliegt, nach dem Gegentreibimpuls des Wirts freilich nicht ein Analogsignal, sondern das erste Bit der vom Wirt angeforderten digitalen Daten auf den Bus treiben.
Nach Kommandos, die in den Schlafmodus oder Kompatibilitätsmodus führen, ist das Vorgehen sinngemäß, diese Modi werden ebenfalls erst nach dem Gegentreibimpuls des Wirts betreten.
Im Schlafmodus gibt der Wirt durch die Polarität des Gegentreibens im fehlerlosen Fall den Schlafzustand (digital „0" oder digital „1") vor und deaktiviert dann seinen Treiber. Sind alle Teilnehmer dann im Schlafzustand, dann wird der Buskeeper den Bus auf dem Schlafzustand halten, was der Wirt feststellen kann. In diesem Fall aktiviert er den Treiber wieder, damit der Schlafzustand nicht so leicht zu stören ist als wenn er nur durch den schwachen Buskeeper gehalten wird. Ist dagegen ein Teilnehmer aufgrund einer Störung nicht im Schlafzustand, dann wird sein Kommandospannungstreiber noch aktiviert sein, der stärker sein soll als der Buskeeper, und der Wirt kann den noch unerlaubt wachgebliebenen Teilnehmer daran erkennen, dass der Spannungspegel am Bus vom Schlafzustand messbar abweicht. Nach dem Aufwecken aller Teilnehmer kann der Wirt dann einen neuen Versuch unternehmen.
Dieses Verfahren zur Erkennung und Meldung von Störungen der Kommandoübermittlung in einem Mischsignal – Eindrahtbussystem ist voll aufwärts- und abwärtskompatibel mit Teilnehmern ohne und mit Prüfsummenlogik. Das heißt, es können auf demselben Bus Teilnehmer mit und ohne Prüfsummenlogik betrieben werden. Bei letzteren wird die Prüfung einfach abgeschaltet, bevor ihnen ein Lesekommando oder Kompatibilitätskommando gegeben wird. Hierzu dient vorzugsweise ein Bit im Busmodusregister.
Für die korrekte Funktion des Fehlersignals in solchen Bussystemen, auf denen Teilnehmern ohne und mit Prüfsummenlogik betrieben werden, muss der Fehlersignaltreiber stärker sein als die Analogsignal- und Digitalsignaltreiber der Teilnehmer ohne Prüfsummenlogik. Eine praxistaugliche Dimensionierung wäre beispielsweise, die Strombegrenzung der Analog- und Digitalsignaltreiber auf 1 mA auszulegen, und die Strombegrenzung der Fehlersignaltreiber auf den doppelten Wert einzustellen. Dies läßt genügend Spielraum für Streuungen in den Herstellungsprozessen der integrierten Schaltungen und handelsübliche Mikrocontroller sollten dennoch stark genug sein, die 8 bis 10 mA zu treiben, die dann nötig wären, um die Fehlersignaltreiber von vier Teilnehmern zu überwinden.
Es kann zwecks Senkung des Energieverbrauchs im Fehlerfall vorteilhaft sein, den Fehlersignaltreiber so auszulegen, dass er sich selber abschaltet, sobald während der Durchführung des Resetverfahrens eine gewisse Zahl von Rücksetzimpulsen gezählt wurde, allerdings treten Übertragungsfehler normalerweise so selten auf, dass nicht unbedingt auch an dieser Stelle gespart werden muss.
Verfahren zur Benutzung eines Mischsignal – Eindrahtbussystems als programmierbares Verteilernetzwerk
Es kann in bestimmten Anwendungsfällen nützlich sein, das Mischsignal – Eindrahtbussystem als programmierbares Verteilernetzwerk für analoge Signale zu nutzen, was so zu verstehen ist, dass analoge Signale dabei nicht nur in Richtung des Wirts weitergereicht werden, sondern über speziell dafür ausgerüstete Teilnehmer wieder zurück in das Gesamtsystem gespeist werden können. Diese speziellen Teilnehmer sollen im Analogsignal – Leerlaufmodus in der Lage sein, das von einem anderen Teilnehmer auf den Bus getriebene Signal vom Bus aufzunehmen und über einen Analogsignalanschluss in das Gesamtsystem zurückzuspeisen.
Im einfachsten Fall genügt hierzu ein Analogschalter, der innerhalb des Teilnehmers zwischen dem Bus und dem Analogsignalanschluss geschaltet ist, und der dann eingeschaltet wird, wenn der Teilnehmer im Analogsignal – Leerlaufmodus ist. Sollte dies zu einer zu starken Belastung des Bus führen, dann kann innerhalb des Teilnehmers ein Analogsignaltreiber vorgesehen sein, dessen Eingang mit dem Bus, und dessen Ausgang mit dem Analogsignalanschluss verbunden ist.
Konfigurationsbits in einem vom Wirt beschreibbaren Register des Teilnehmers können benutzt werden, um den Analogschalter bzw. den Treiber freizugeben oder fest auszuschalten, oder um einen von mehreren Analogsignalanschlüssen des Teilnehmers auszuwählen, dem das Analogsignal zugeführt werden soll.
Das grundlegende Verfahren zur Benutzung eines Mischsignal – Eindrahtbussystems als programmierbares Verteilernetzwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass Teilnehmer über ein an sie adressiertes Kommando so konfiguriert werden können, dass sie bei einem nachfolgenden Analoglesekommando, das an einen anderen Teilnehmer addressiert ist, zwar in den Analoglese – Leerlaufmodus gehen, aber das analoge Signal auf dem Bus über einen weiteren Anschlussgin, der nicht mit dem Bus, sondern mit dem Gesamtsystem verbunden ist, an dieses weiterleiten.
Sollte der Bus mit Prüfsumme betrieben werden, dann erfolgt die Weitergabe des Analogsignals in das Gesamtsystem erst, nachdem der Wirt das Kennungssignal für den fehlerfreien Zustand einmalig gegengetrieben und den Bus dann wieder losgelassen hat.
Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Benutzung eines Mischsignal – Eindrahtbussystems als programmierbares Verteilernetzwerk ist dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Zweige, die sich im Analoglesemodus befinden, vom Rest des Netzwerks abgetrennt werden können, indem das letzte Koppelelement, das die Verbindung des Wirts zu dem selektierten Teilnehmer hergestellt hat, durch ein zuvor gegebenes Kommando angewiesen wird, die Verbindung zu dem gerade aktivierten rangniedrigeren Zweig zu kappen, sobald der Zweig sich im Analoglesemodus befindet.
Auf diese Weise können einzelne Zweige des Netzwerks autonom für sich arbeiten und analoge Signale transportieren, während der Wirt andere Teile des Netzwerks für andere Zwecke gebrauchen kann.
Eine Wiederanbindung der abgetrennten Zweige ist beispielsweise dadurch möglich, dass ein Kommando vorgesehen ist, das sich an Koppelelemente richtet, und das der Wirt dazu benutzen kann, um den abgetrennten Zweig gegenzutreiben und dadurch den dortigen Analoglesemodus zu beenden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn dieses Kommando auf dem ranghöheren Zweig des Bus den Digitallesemodus bewirkt, denn auf diese Weise kann das Koppelelement dem Wirt Statusinformationen mitteilen, beispielsweise das Quittungssignal und das Vorliegen der Kommandospannung auf dem rangniedrigeren Zweig.
Integrierte Schaltung, die als Teilnehmer eines rücksetzbaren Mischsignal – Eindrahtbussystems geeignet ist
Werden eines oder mehrere der beschriebenen Verfahren in einer integrierten Schaltung verkörpert, die dadurch als Teilnehmer eines rücksetzbaren Mischsignal – Eindrahtbussystems geeignet ist, dann soll eine derartige integrierte Schaltung als Verkörperung der oder des Verfahrens ebenfalls ein Schutzrecht begründen.
Der Vollständigkeit der Offenbarung wegen soll nun das Blockschaltbild einer integrierten Schaltung als Beispiel für eine besonders vorteilhafte Verkörperung einiger der erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben werden, die als Teilnehmer in dem erfindungsgemäßen Bussystem geeignet ist.
In der 8 sind am Beispiel der Innenschaltung eines integrierten Schaltkreises mit nur sechs Anschlussgins sämtliche Schaltmittel dargestellt, die zur Realisierung der beschriebenen Verfahren notwendig sind. Zwei der Anschlussgins (5, 7) dienen zur Stromversorgung. Der mit dem Eindrahtbus (19) zu verbindende Anschlussgin (6) ist intern mit verschiedenen Schaltungsblöcken verbunden, die als Treiber und Empfänger dienen: den aus 5 bekannten Logikpegeldetektor und Flankendetektor mit der Rücksetzsteuerung (60), wobei die Komparatorausgänge ebenfalls herausgeführt werden, da die Komparatoren (40) im Kommandoempfangsmodus als Stromdetektoren für das Gegentreiben des Wirts benutzt werden können, ein mit einem Steuereingang deaktivierbarer Analogsignaltreiber (11), ein deaktivierbarer Buskeeper (62, 63), ein deaktivierbarer Schmitt – Trigger (64), ein strombegrenzter Digitalsignal- und Fehlersignaltreiber (37), ein Kommandospannungstreiber (34) mit resistiver Ausgangscharakteristik, ein Analogmultiplexer (67), der mit Analogsignalanschlüssen (14) verbunden ist, Analogsignalverbindungsschalter (68), und Analogsignalverbindungstreiber (69), die ebenfalls mit den Analogsignalanschlüssen (14) verbunden sind. Letztere Schaltmittel (68, 69) sind nur dann notwending, wenn das Verfahren zur Benutzung eines Mischsignal – Eindrahtbussystems als programmierbares Verteilernetzwerk implementiert werden soll.
Gesteuert werden die diversen aufgezählten Schaltmittel durch eine digitale Ablaufsteuerung (70), die das Busprotokoll verwirklicht. Aufgrund der sehr detaillierten Beschreibung der einzelnen Betriebsmodi des Bus und der genauen Abläufe auf dem Bus und innerhalb der Teilnehmer in diesem Text sowie in [10] sollte die Realisierung der digitalen Ablaufsteuerung in einer Hochsprache wie VHDL oder Verilog dem Fachmann ohne weiteres möglich sein, so dass auf die Details der Ablaufsteuerung hier nicht weiter eingegangen werden muss. Die folgende Beschreibung der Funktion der einzelnen Schaltmittel ist ebenfalls knapp gehalten und soll Feinheiten erläutern und einen Bezug zu den erfindungsgemäßen Verfahren herstellen.
Im Kommandoempfangsmodus aktiviert die Ablaufsteuerung (70) einen oder mehrere der Kommandospannungsschalter (72) im Kommandospannungstreiber (34). Die resistive Ausgangscharakteristik kann durch Widerstände (73) oder entsprechende Auslegung und Ansteuerung von MOSFET – Transistoren, welche die Kommandospannungsschalter (72) bilden, erzielt werden. Die Kommandospannungsquelle (35) kann einfach ein mit der Versorgungsspannung verbundener resistiver Spannungteiler sein, dem eine Treiberstufe nachgeschaltet ist. Treibt der Wirt (21) nun gegen die Kommandospannung, indem er einen seiner starken Treiber (27, 28) aktiviert, dann gelingt es diesen bei sachgemäßer Auslegung der resistiven Ausgangscharakteristik, den Spannungspegel am Bus (19) von der Kommandospannung über eine der Schaltschwellen (VL, VH, 5) der Komparatoren (40) hinaus wegzuziehen. Auf diese Weise detektieren die Komparatoren den duch das Gegentreiben des Wirts ausgelösten Strom, und wirken als Stromdetektoren, ihre Ausgangssignale werden über die Kommandosignalleitungen (8, 9) an die Ablaufsteuerung geführt. Aufgrund dieser Mehrfachausnutzung einer ohnehin nötigen Funktion kann ein separater Stromdetektor für den Kommandospannungstreiber eingespart werden. Das Verfahren zur programmierbaren Optimierung von Betriebsparametern kann nun dadurch realisiert werden, indem in der Ablaufsteuerung ein über ein Kommando programmierbares Busmodusregister sitzt, das die Zahl der aktivierten Kommandospannungsschalter beeinflusst.
Zum Analogsignaltreiber (11) ist lediglich anzumerken, dass es sich hier auch um einen verstärkenden Treiber oder um einen Operationsverstärker oder ähnliches handeln kann. Er muss für den erfindungsgemäßen Einsatz lediglich über einen Stromdetektionsausgang (71) verfügen, über den die Ablaufsteuerung (70) das Gegentreiben des Wirts zum Abbruch des Analoglesemodus erkennen kann.
Der Buskeeper (62, 63) ist nur dann erforderlich, wenn das Verfahren zur Erkennung und Meldung von Störungen der Kommandoübermittlung implementiert werden soll, und auch für Kommandos benutzt werden soll, die den Schlafmodus einleiten. Der Buskeeper wird nur dann aktiviert, wenn der Schlafmodus vorliegt. Er bewirkt bei geeigneter Auslegung als rein digitales CMOS – Gatter keinen merklichen Ruhestromverbrauch. Sein Ausgangswiderstand (63) kann sich im Bereich einiger 10 Kiloohm bewegen. Dieser Ausgangswiderstand kann auch durch entsprechend schwach dimensionierte MOSFETs seiner Treiberstufe (62) realisiert werden.
Der gewöhnliche CMOS – Schmitt – Trigger (64) dient zur Überwachung des Bus im Schlafzustand, da hier bevorzugt alle stromverbrauchenden Schaltungsteile abgeschaltet sind. Wenn kein Schlafzustand vorliegt, ist der Schmitt – Trigger über seinen von der Ablaufsteuerung (70) kommenden Deselect – Eingang abgeschaltet. Dies ist vor allem im Analoglesemodus wichtig, da eingeschaltete CMOS – Schmitt – Trigger im Bereich ihres Umschaltpunktes einen Querstrom aus der Versorgung ziehen, der zwar typisch nur einige 10 Mikroampere beträgt, jedoch für batteriebetriebene Anwendungen bereits nachteilig sein kann.
Der Digitalsignal- und Fehlersignaltreiber (37) besteht aus MOSFET – Stromspiegeln, deren Ausgangszweige schaltbar sind, und deren Arbeitspunkt durch einen Widerstand (74a) eingestellt wird. Durch Parallelschalten eines weiteren Widerstandes (74b) über einen Analogschalter (36) kann der Strom für das Fehlersignal erhöht werden. Als Schalter betriebene MOSFETs (75, 76) schalten das Digitalsignal oder das Fehlersignal unter Steuerung durch die Ablaufsteuerung (70) auf den Bus auf.
Der Analogspannungs – Eingangsmultiplexer (67) erlaubt es der Ablaufsteuerung (70), eines von drei analogen Eingangssignalen (an 14) auf den Analogsignaltreiber (11) zu geben. Die Signalquelle wird beispielsweise durch die im Analoglesekommando noch unbelegten zwei Bits ausgewählt.
Die Analogsignalverbindungsschalter (68) oder Analogsignalverbindungstreiber (69) dienen für das Verfahren zur Benutzung des Mischsignal – Eindrahtbussystems als programmierbares Verteilernetzwerk zur Weiterleitung des auf dem Bus befindlichen analogen Signals auf die Analogsignalanschlusspins (14), die in diesem Fall als Ausgang wirken. Sie (68, 69) werden durch die Ablaufsteuerung (70) im Analog – Leerlaufmodus aktiviert, wenn dies zuvor per Kommando programmiert worden ist. Es ist zweckmäßig, dass die Ablaufsteuerung (70) hierfür ein Register enthält, das diesen speziellen Betriebsmodus aktiviert.
Es versteht sich, dass diese Mittel zur Realisierung und Durchführung der verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahren auf mannigfache Weise variiert und ersetzt werden können, ohne dass dem Geist und den Ansprüchen der Erfindung ausgewichen wäre. Beispielsweise könnte der Digitalsignal- und Fehlersignaltreiber (37) durch eine geeignete Ansteuerung der Ausgangstransistoren des Analogsignaltreibers (11) realisiert werden. Der Kommandospannungstreiber (34) könnte ebenfalls durch eine geeignete Gegenkopplungsschaltung eines als Analogsignaltreiber (11) benutzten Operationsverstärkers verwirklicht sein. In diesem Fall wäre es nicht nötig, die Komparatoren aus Block 60 zur Erkennung des Gegentreiben des Wirts im Kommandomodus einzusetzen, sondern es könnte das Stromdetektionssignal (71) benutzt werden.
Integrierte Schaltung, die als Koppelelement (Hub) eines rücksetzbaren Mischsignal – Eindrahtbussystems geeignet ist
Im folgenden wird eine integrierte Schaltung, 9, als Beispiel für das Innenleben und die Funktionen eines Koppelelementes in dem erfindungsgemäßen Bussystem beschrieben.
Zunächst einmal muss ein Koppelelement die für seine Rolle als Teilnehmer auf dem ranghöheren Zweig (30) des Bus notwendigen Schaltmittel und Funktionen erhalten, die sich auch bei den oben beschriebenen Teilnehmer – Schaltkreisen finden. Hinzu kommen jene Schaltmittel und Funktionen, die für seine Rolle als Koppelelement notwendig sind.
Die schon für Teilnehmer zuvor beschriebenen Schaltmittel und Funktionen (34, 37, 60, 62, 63, 64) haben bei Koppelelementen dieselbe Aufgaben und Funktionen und werden hier nicht nochmals beschrieben. Bei Koppelelementen entfällt in der Regel der Analogsignaltreiber (11, 8). Der Analogmultiplexer (67) hat bei Koppelelementen eine andere Aufgabe.
Die für die Rolle als Koppelelement notwendigen zusätzlichen Schaltmittel sind jeweils ein Analogschalter (36) und ein deaktivierbarer digitaler Treiber (38) für jeden möglichen rangniedrigeren Zweig (31), ein Stromdetektor (39), der als Differenzverstärker ausgeführt sein kann, sowie ein zweiter Kommandospannungsdetektor (65) für den aktivierten rangniedrigeren Zweig. Dieser kann aus der Schaltung in 5 durch Weglassen aller Teile erzielt werden, die für die Erzeugung des Signals LOGU nicht notwendig sind. Die Ablaufsteuerung des Koppelelementes (33) hat Kenntnis des Busprotokolls und sie führt das Betriebsverfahren des Koppelelements durch.
Die Funktion und Wirkung dieser Schaltmittel erklärt sich weitgehend aus der Gesamtbeschreibung und der Beschreibung des Betriebsverfahrens. Es gibt darüber hinaus einige Feinheiten anzumerken: bei den deaktivierbaren digitalen Treibern (38) handelt es sich nicht um strombegrenzte Digitaltreiber wie im Block 37, sondern um gewöhnliche Tristate – Digitaltreiber, die ebenso stark (oder stärker) sind wie die entsprechenden Treiber (27, 28) des Wirts. Sie haben haben die Aufgabe, auf rangniedrigeren Zweigen (31) anstelle des Wirts ein Gegentreiben gegen die Kommandospannung oder gegen ein Analogsignal mit hinreichender Stärke durchführen zu können. Im Analogsignalmodus wird das Gegentreiben des Wirts auf dem ranghöheren Zweig (30) dadurch entdeckt, dass dann über den aktivierten Analogschalter (36), der naturgemäß einen bestimmten Einschaltwiderstand hat, eine wesentlich höhere Spannung abfällt als ohne Gegentreiben. Diese Differenzspannung wird vom Differenzverstärker (39) verstärkt, um ein digitales Signal zur Ablaufsteuerung (33) zu erzeugen, welches dieser das Gegentreiben durch den Wirt meldet.
Das Betriebsverfahren des Koppelelements bei ausgeschalteter Prüfsumme sieht für jeden Betriebsmodus sinngemäß wie bei gewöhnlichen Teilnehmern eine Beobachtung der angeschlossenen Zweige durch Pegeldetektoren und Stromdetektoren vor, um Gegentreiben des Wirts und bestimmte Signalzustände zu erkennen, etwa das Anliegen der Kommandospannung. Die Steuereinheit (33) des Koppelelements verfolgt wie alle anderen Teilnehmer die Vorgänge auf dem Bus und ein darin befindliches Schaltwerk führt dieselben Übergänge des Betriebszustandes des Bus aus wie die entsprechenden Schaltwerke in den anderen Teilnehmern. Abhängig vom Betriebszustand des Bus benutzt das Koppelelement seine Treiber (34, 37, 38) oder seine Analogschalter (36), um analoge und digitale Signale zwischen den angeschlossenen Zweigen zu vermitteln:
Im Kommandomodus treibt das Koppelelement den ranghöheren Zweig (30) mittels eines strombegrenzten Kommandospannungstreibers (34), der vorzugsweise eine resistive Ausgangscharakteristik hat. Treibt der Wirt nun eine digitale „0" oder „1" auf den ranghöheren Zweig, kann dies durch einen im Treiber (34) befindlichen Stromdetektor oder durch Komparatoren (in Block 60) erkannt werden. Solange der Wirt treibt, und wenn Kommandobits auf rangniedrigere Zweige weitergeben werden sollen, aktiviert das Koppelelement seinen auf den aktivierten rangniedrigeren zweig wirkenden digitalen Treiber (38) und reicht damit das Kommandobit auf den rangniedrigeren Zweig fort. Die ersten neun Kommandobits einer Kommandowortfolge werden jedoch nicht weitergegeben. Das Koppelelement interpretiert die ersten neun Kommandobits, und sollte daraus geschlossen werden, dass an dieses Koppelelement angeschlossene rangniedrigere Zweige in Aktion treten sollen, dann werden alle folgenden Kommandobits auf diese Zweige weitergereicht, andernfalls werden die Kommandobits nicht weitergereicht und alle rangniedrigeren Zweige des Bussystems bleiben passiv, was nebenbei auch Energie spart.
Im Analoglesemodus stellt das selektierte Koppelelement über einen Analogschalter (36) eine niederohmige Verbindung zwischen einem rangniedrigeren Zweig (31) und dem ranghöheren Zweig (30) her, so dass das von an den aktivierten rangniedrigeren Zweig angeschlossenen Teilnehmer stammende Analogsignal möglichst unverfälscht auf den ranghöheren Zweig gelangt. Das Gegentreiben des Wirts zur Beendigung des Analoglesemodus wird durch einen Differenzverstärker (39) erkannt und dann durch Aktivierung eines auf den rangniedrigeren Zweig wirkenden digitalen Treibers (38) verstärkt weitergegeben. Der Analogschalter (36) kann unmittelbar zuvor geöffnet werden. Die im darauf folgenden Quittungsmodus nötige Übertragung des Quittungsignals entspricht der Übertragung von digitalen Datenbits im Digitallesemodus. Nichtselektierte Koppelelemente verhalten sich im Analoglesemodus ebenso wie nichtselektierte Teilnehmer und beobachten den ranghöheren Zweig mit Block (60) passiv, bis sie das Ende des Analoglesemodus erkennen und in den Kommandomodus übergehen.
Im Digitallesemodus wirkt das Koppelelement als digitaler Treiber und gibt das digitale Datenbit zwischen einem rangniedrigeren Zweig (31) auf den ranghöheren Zweig weiter. Der den ranghöheren Zweig treibende Digitalsignaltreiber (37) ist dabei strombegrenzt, dadurch kann das Koppelelement ein Gegentreiben des Wirts zum Weiterschalten auf das nächste zu lesende Bit mittels der Komparatoren in Block (60) erkennen, und aktiviert seinen starken digitalen Treiber für den rangniedrigeren Zweig (38), um das Gegentreiben des Wirts weiterzureichen.
Im Schlafmodus wird der Schlafzustand mittels der digitalen Treiber für rangniedrigere Zweige (38) direkt weitergereicht.
Der Kompatibilitätsmodus ist nur auf dem Hauptzweig des Bus sinnvoll. Das Koppelelement führt ihn in gleicher Weise durch wie andere Teilnehmer. Alle rangniedrigeren Zweige des Bussystems bleiben während der Ausführung des Kompatibilitätsmodus im Kommandomodus.
Das besonders vorteilhafte zählerbasierte Rücksetzverfahren wird von den Koppelelementen dadurch unterstützt, dass sie ab einem bestimmten Stand ihres eigenen Flankenzählers, der höher ist als die maximale mögliche Zahl von schnellen Flanken im Digitallesemodus, einen digitalen Signalpfad vom ranghöheren Zweig (30) auf alle rangniedrigeren Zweige (31) schalten, indem sie ihre digitalen Treiber (38) für rangniedrigere Zweige aktivieren. Der Wirt gibt eine entsprechend erhöhte Zahl von Rücksetzimpulsen aus. Dieses Verfahren gewährleistet, dass alle rangniedrigeren Teilnehmer ebenfalls eine genügende Zahl von Rücksetzimpulsen erhalten.
Das Betriebsverfahren des Koppelelements bei eingeschalteter Prüfsumme entspricht weitgehend dem Verfahren bei ausgeschalteter Prüfsumme, jedoch kommen folgende Aktionen des Koppelelements hinzu:
Im Kommandomodus werden die Prüfsummen sämtlicher Kommandos, die an einen an rangniedrigere Zweige angeschlossenen Teilnehmer durchgereicht werden, von dem Koppelelement neu errechnet und statt der vom Wirt ausgegebenen Prüfsumme wird die vom Koppelelement errechnete Prüfsumme an die rangniedrigeren Zweige weitergegeben. Diese empfangen daher im störungsfreien Fall die korrekte Prüfsumme für die um ein Kommandowort (neun Bit) verkürzte Kommandowortfolge.
Unmittelbar nach Beginn der Ausführung eines Kommandos wird zunächst kein Signalpfad vom rangniedrigeren zum ranghöheren Zweig des Bus oder umgekehrt hergestellt, sondern das Koppelelement prüft mit dem zweiten Kommandospannungsdetektor (65), ob die Teilnehmer am rangniedrigeren Zweig ein Fehlersignal liefern oder nicht. Das Fehlersignal liegt vor, wenn nach dem Beginn der Ausführung des Kommandos die Kommandospannung nicht für eine gewisse Mindestzeit am rangniedrigeren Zweig anliegt. Sollte ein derartiges Fehlersignal vorliegen, dann geht das Koppelelement selbst in den Fehlermodus, auch dann, wenn die Prüfsumme auf dem ranghöheren Zweig des Bus gestimmt haben sollte (andernfalls wäre das Koppelelement gleich selber in den Fehlermodus gegangen). Sollte dagegen kein Fehlersignal vorliegen, also die Kommandospannung für die definierte Mindestzeit sowohl am rangniedrigeren als auch am ranghöheren Zweig vorhanden gewesen sein, dann führt das Koppelelement abhängig vom Betriebszustand des Bus dieselben Aktionen aus wie für das Verfahren bei ausgeschalteter Prüfsumme beschrieben wurde, die Weitergabe des Gegentreiben des Wirts (58, 7) zur Umschaltung auf das eigentliche Analog- oder Digitalsignal erfolgt dabei mit denselben Mitteln wie im Kommandomodus.
Wie klar zu sehen ist, stellt die vorliegende Erfindung und ihre verschiedenen Verkörperungen und Variationen einen wesentlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Architektur von Mischsignal – Eindrahtbussystemen dar. Der wesentliche Fortschritt, der seit der grundlegenen vorigen Erfindung [10] erzielt werden konnte, erlaubt nun den Betrieb von sehr viel größeren und komplexeren Bussystemen mit vielen Teilnehmern (es sei daran erinnert, dass vorher nur etwa vier Teilnehmer am ganzen Bus angeschlossen werden konnten). Zudem kennt das hiermit offenbarte verbesserte Mischsignal – Eindrahtbussystem effiziente Verfahren zum Rücksetzen aller Teilnehmer, zur Fehlerabsicherung, Fehlererkennung und Fehlermeldung, und kann als universelles programmierbares Vermittlungsnetzwerk für analoge Signale benutzt werden.
Es hat damit eine einzigartige Stellung in der Welt der Eindrahtbussysteme erreicht und der Erfinder glaubt, dass es aufgrund seiner Leistungsfähigkeit und durch bisher ungeahnte Möglichkeiten kreativen Entwicklern aus aller Welt einen Ansporn liefert, vielseitige und neuartige Anwendungsgebiete dafür zu finden. Auch wenn die mannigfachen neuartigen Methoden und Verfahren der vorhergehenden Beschreibung anhand von einem Eindrahtbussystem beispielhaft beschrieben worden sind, lassen sich möglicherweise einige der darin enthaltenen Ideen und Verfahren auch in nutzbringender Weise auf Mehrdraht – Bussysteme anwenden. Diese Varianten sind Kandidaten für mögliche Abzweigungen.
Es wird geglaubt, daß die vorliegende Erfindung besonders effektiv ist, wenn sie wie hierin beschrieben konfiguriert und benutzt wird, jedoch werden diejenigen, die in der Kunst bewandert sind, bereits erkennen, daß eine Vielzahl von Variationen und Ersetzungen in der Erfindung und ihrer Anwendung und Konfiguration gemacht werden können, um im wesentlichen dieselben Resultate wie die Verkörperungen zu erreichen, insbesondere der hierin beschriebenen bevorzugten Verkörperung. Jede Variation ist absichtlich in diese Beschreibung eingeschlossen worden und bildet einen Teil der vorliegenden Erfindung. Die vorhergehende detaillierte Beschreibung versteht sich deswegen nur zur Erläuterung und als Beispiel, und der Geist und geistige Gesichtskreis der vorliegenden Erfindung soll nur durch die angefügten Ansprüche beschränkt sein.
LITERATUR

[1] U.S. Pat. 4556958 , Ugon: "Device for single line bidirectional data transmission between an intelligent card's microprocessor and a second processor"
[2] U.S. Pat. 4736367 , Wroblevski et al.: "Smart control and sensor devices single wire bus multiplex system"
[3] U.S. Pat. 4817040 , Bodley-Scott: "Vehicle condition monitoring system"
[4] U.S. Pat. 5398326 , Lee: "Method for data communication"
[5] U.S. Pat. 5412644 , Heberle: "Serial bus system with a single-wire line"
[6] U.S. Pat. 5809518 , Lee: "Command/data transfer protocol for one-wire-bus architecture"
[7] U.S. Pat. 6239732 , Cusey: "One-wire device with A-to-D converter"
[8] WO 00/62455 A1 , Wettroth et al: „Single wire bus interface for multidrop applications"
[9] U.S. Pat. 5936520 , Luitje et al: „Analog sensor status detection single wire bus multiplex system"
[10] Deutsches Pat. 102005014133 , Engl: „Integrierte Schaltung mit Mischsignal – Eindrahtschnittstelle und Verfahren zu ihrem Betrieb."

1: Teilnehmer am Bus (Integrierter Schaltkreis)
5: Anschluss für positive Versorgungsspannung
6: Anschluss für Bus
7: Anschluss für negative Versorgungsspannung/Masse
8: Kommandosignalleitung für Kommandobit '1'
9: Kommandosignalleitung für Kommandobit '0'
11: Analogsignaltreiber
14: Analogsignalanschluss
19: Mischsignal – Busleitung
21: Wirt/Mikrocontroller
22: positiver Stromversorgungsanschluss von 21
23: negativer Stromversorgungsanschluss von 21
26: Analog-zu-Digital-Wandler/Komparator
27: positives Ausgangstreiberelement von 21
28: negatives Ausgangstreiberelement von 21
29: Nebenzweig des Bussystems
30: ranghöherer Zweig des Bussystems
31: rangniedrigerer Zweig des Bussystems
32: Koppelelement, „Hub"
33: Ablaufsteuerung von 32
34: Kommandospannungstreiber
35: Kommandospannungsquelle, Kommandospannungspegel
36: Analogschalter
37: Treiber für Digitalsignal und Fehlersignal
38: digitaler Treiber für rangniedrigeren Zweig
39: Differenzverstärker als Stromdetektor
40: Komparator für Spannungspegel
41: Umgehungsverbindung
42: autonomes analoges Signal auf entkoppelten Zweig
43: Verzögerungselement
44: Kommandospannungsdetektor
45: digitale Logik
46: Flankenzähler
47: Dekoder für Zählerstände
48: Rücksetzsignal, bei maximalem Zählerstand aktiv
49: Oder – Gatter
50: Rücksetzeingang von 46
51: Takteingang von 46
52: Kommando zur Aktivierung eines rangniedrigeren Zweigs
53: Kommando an das Koppelelement
54: Kommando an den rangniedrigeren Zweig
55: Parameter für 54
56: Prüfsumme, vom Wirt berechnet
57: Prüfsumme, vom Koppelelement berechnet
58: Gegentreiben des Wirts
59: Analogsignal
60: Logikpegeldetektor, Flankendetektor, Rücksetzsteuerung
61: digitale Logik von 60
62,: Treiber für Buskeeper
63: Ausgangswiderstand von 62
64: Schmitt – Trigger
65: zweiter Kommandospannungsdetektor
67: Analogmultiplexer
68: Analogsignalverbindungsschalter
69: Analogsignalverbindungstreiber
70: Ablaufsteuerung
71: Stromdetektionsausgang von 11
72: Kommandospannungsschalter
73: Widerstand von 34
74: Widerstand für Einstellung der Strombegrenzung von 37
75: N – Kanal – MOSFET
76: P – Kanal – MOSFET
V_H: Schwellenspannung für logisch '1'
V_L: Schwellenspannung für logisch '0'

Claims

Mischsignal –Eindraht – Bussystem, bestehend aus – einem Wirt (21), – mindestens einem Teilnehmer (1, 32), – mindestens einer Busleitung (19), die den Wirt und einen Teilnehmer verbindet, – wobei das Bussystem mindestens zwei Betriebszustände aufweist: – einen ersten Betriebszustand, Kommandomodus, bei dem auf der Busleitung digitale Kommandos bitseriell zu Teilnehmern übertragen werden, indem die Busleitung bei einem ersten Kommandobitwert in Richtung einer positiven Versorgungsspannung getrieben wird, und bei einem zweiten Kommandobitwert in Richtung einer negativen Versorgungsspannung getrieben wird, und das Treiben am Ende des Kommandobits beendet wird, – einen zweiten Betriebszustand, Analoglesemodus, bei dem ein Teilnehmer eine analoge Signalspannung auf die Busleitung treibt, wobei der zweite Betriebszustand dadurch beendet werden kann, dass auf der Busleitung durch einen Treiber (27, 28) ein Gegentreiben gegen die analoge Signalspannung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass am Bus angeschlossene Teilnehmer rückgesetzt werden indem – in einem ersten Schritt ein Treiber (27, 28) auf der Busleitung mindestens so oft gegen dort vorliegende Signalspannungen treibt, dass mindestens jene Betriebszustände beendet werden, die durch Gegentreiben beendet werden können, – in einem zweiten Schritt der erste Betriebszustand so hergestellt wird, dass ein nach dem zweiten Schritt folgendes Kommandobit von den Teilnehmern als erstes Kommandobit eines neuen Kommandos verstanden wird.
Verfahren zum Rücksetzen eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass im ersten Schritt ein Treiber (27, 28) die Busleitung (19) mehrmals wiederholt abwechselnd in die Richtung der positiven und der negativen Versorgungsspannung (22, 23) treibt, – dass im zweiten Schritt vom Treiber Kommandobitfolgen ausgegeben werden, die aus einer Anzahl von Kommandobits eines ersten Bitwerts bestehen, gefolgt von mindestens einem Kommandobit eines zweiten Bitwerts, – wobei die Anzahl der Kommandobits des ersten Bitwerts grösser oder gleich der minimalen Anzahl der Kommandobits in einem Kommando ist.
Verfahren zum Rücksetzen eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass im ersten Schritt ein Treiber (27, 28) die Busleitung (19) mehrmals wiederholt abwechselnd in die Richtung der positiven und der negativen Versorgungsspannung (22, 23) treibt, – dass im zweiten Schritt der Treiber die Busleitung mehrmals wiederholt abwechselnd in die Richtung der positiven und der negativen Versorgungsspannung treibt, – wobei das Treiben bei Richtungswechsel des Treibens nicht unterbrochen oder nur so kurz unterbrochen wird, dass ein Kommandospannungsdetektor (44) keine Kommandospannung feststellt, – wobei das abwechselnde Treiben auf der Busleitung schnelle Signalflanken bewirkt, die von einem Flankenzähler (46) gezählt werden, – und das abwechselnde Treiben mindestens solange fortgesetzt wird, bis der Flankenzähler einen Stand erreicht, bei dem er ein Resetsignal auslöst, wobei – das Resetsignal bewirkt, dass ein nach dem zweiten Schritt folgendes Kommandobit von den Teilnehmern als erstes Kommandobit eines neuen Kommandos verstanden wird.
Verfahren zur Erweiterung eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach Anspruch 1 um Nebenzweige (29), dadurch gekennzeichnet, – dass dem Bussystem mindestens ein Koppelelement (32) hinzugefügt wird, wobei – ein erster Anschluss des Koppelelementes mit dem Hauptzweig (19) des Bussystems verbunden wird, und – mindestens ein zweiter Anschluss des Koppelelementes mit einem Nebenzweig (29) des Bussystems verbunden wird, – mindestens ein Teilnehmer (1) an den Nebenzweig (29) angeschlossen wird.
Verfahren zur Adressierung von Teilnehmern auf Nebenzweigen eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass ein auf einem ranghöheren Zweig (30) des Bussystems gegebenes erstes Kommando ein Koppelelement (32) selektiert, das mit dem ranghöheren Zweig verbunden ist, – dass auf das erste Kommando ein zweites Kommando folgt, das einen Teilnehmer (1) selektiert, der mit einem rangniedrigeren Zweig verbunden ist, der aus dem mit dem ersten Kommando selektierten Koppelelement stammt, wobei – das erste und zweite Kommando bei Teilnehmern auf dem ranghöheren und dem rangniedrigeren Zweig weitgehend zeitgleich denselben Betriebszustand bewirken, wobei – als Betriebszustände mindestens ein Kommandomodus und ein Analoglesemodus zur Auswahl stehen.
Verfahren zur Kommandoweitergabe durch die Koppelelemente eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement das erste Kommandowort einer Kommandowortfolge, die durch ein gesetztes Kommandoausführungsbit (EXEC = „1") beendet ist, nicht an rangniedrigere Zweige (31) weitergibt, und die folgenden Kommandoworte bis einschliesslich dem gesetzten Kommandoausführungsbit vom ranghöheren Zweig (30) an einen rangniedrigeren Zweig (31) weitergibt.
Verfahren zur Fehlererkennung und Fehlermeldung in einem Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, – dass am Ende einer Kommandowortfolge eine Prüfsumme steht, die für die Kommandowortfolge gilt, – dass die Teilnehmer am Bus die Prüfsumme auf Übereinstimmung mit der Kommandowortfolge prüfen, – dass der selektierte Teilnehmer bei korrekter Prüfsumme zunächst einen Signalspannungspegel auf die Busleitung treibt, der im wesentlichen der Kommandospannung (35) entspricht, die im Kommandomodus dann auf der Busleitung anliegt, wenn kein Kommandobit getrieben wird, – dass Teilnehmer, die eine nicht übereinstimmende Prüfsumme feststellen, ein strombegrenztes Fehlersignal auf den Bus treiben, das dort einen Spannungspegel hervorruft, der sich von der Kommandospannung messbar unterscheidet.
Verfahren zur Kommandoweitergabe durch die Koppelelemente eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, – dass das Koppelelement beginnend mit dem zweiten Kommandowort einer Kommandowortfolge eine neue Prüfsumme (57) errechnet, – dass das Koppelelement anstelle der Prüfsumme des ranghöheren Zweigs (56) die neue Prüfsumme (57) auf den rangniedrigeren Zweig weitergibt.
Verfahren zur Optimierung von Betriebsparametern eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Treiber, die im Kommandomodus auf der Busleitung die Kommandospannung einstellen, durch ein Kommando programmierbar gemacht wird.
Verfahren zur Nutzung eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 als programmierbares Verteilernetzwerk für analoge Signale, dadurch gekennzeichnet, dass Teilnehmer das im Analogsignalmodus auf der Busleitung befindliche analoge Spannungssignal (59) auf einen zu ihnen gehörenden Analogsignalanschluss (14) leiten können.
Verfahren zur Nutzung eines Mischsignal – Eindraht – Bussystems nach Anspruch 10 als programmierbares Verteilernetzwerk für analoge Signale, dadurch gekennzeichnet, dass über Koppelelemente angeschossene rangniedrigere Zweige (31) nach der Einleitung des Analoglesemodus in einem der daran angeschlossenen Teilnehmer vom Bussystem abgetrennt werden können, indem das Koppelelement diesen rangniedrigeren Zweig (31) vorübergehend nicht mehr treibt, bis dem Koppelelement auf dem ranghöheren Zweig (30) ein Kommando gegeben wird, das es anweist, den rangniedrigeren Zweig wieder zu treiben.
Vorrichtung für das Rücksetzverfahren nach Anspruch 3, anzuwenden in einem Teilnehmer (1) oder Koppelelement (32), dadurch gekennzeichnet, – dass Komparatoren (40) vorhanden sind, um die Spannung auf der Busleitung (19) mit Spannungpegeln für logisch „1" (V_H) und logisch „0" (V_L) zu vergleichen, – dass Schaltmittel vorhanden sind (43, 45), um aus den Komparatorsignalen ein erstes Signal (FEDGE) abzuleiten, das bei einer schnellen Signalflanke auf der Busleitung (19) einen Impuls aufweist, – dass Schaltmittel vorhanden sind (44), um aus den Komparatorsignalen ein zweites Signal (LOGU) abzuleiten, das aktiv wird, wenn auf der Busleitung für eine Mindstzeitdauer ein Spannungspegel zwischen logisch „1" (V_H) und logisch „0" (V_L) vorliegt, – dass ein Flankenzähler (46) vorhanden ist, der die Impulse des ersten Signals (FEDGE) zählt und der rückgesetzt wird, falls das zweite Signal (LOGU) aktiv wird, – dass bei einem bestimmten Zählerstand des Flankenzählers ein Rücksetzsignal (RESET) aktiv wird, das den Teilnehmer (1) oder das Koppelelement (32) in einen definierten Zustand versetzt.
Integrierter Schaltkreis als Teilnehmer für das Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, – dass der Schaltkreis Schaltmittel (68, 69) hat, um in einem Analogsignal – Leerlaufmodus das auf seinem Busanschluss (6) anliegende Analogspannungssignal auf einen seiner Analogsignalanschlüsse (14) auszugeben, wobei – der Analogsignal – Leerlaufmodus eintritt, wenn der Schaltkreis ein Kommando empfangen hat, das einen anderen Schaltkreis selektiert, der an den Bus angeschlossen ist, und diesen anderen Schaltkreis dazu veranlasst, ein Analogsignal auf die Busleitung zu treiben.
Integrierter Schaltkreis als Koppelelement für das Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, – dass der Schaltkreis Schaltmittel (36, 38) hat, die es ihm erlauben, analoge und digitale Signale zwischen einem ranghöheren Zweig (30) und einem rangniedrigeren Zweig (31) zu vermitteln, wobei – die Schaltmittel die Auswahl von mindestens einem rangniedrigeren Zweig durch ein Kommando zulassen, – die Schaltmittel die Auswahl von keinem rangniedrigeren Zweig durch ein Kommando zulassen, – so dass das Koppelelement dazu programmiert werden kann, einzelne oder alle rangniedrigeren Zweige zu treiben oder nicht zu treiben.