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Die
Erfindung betrifft einen Signalverteiler.
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Bei
der Überwachung
und/oder Steuerung einer industriellen Anlage, beispielsweise eine
Anlage zur Energieerzeugung und/oder Energieverteilung, werden regelmäßig Daten,
beispielsweise Zustandsdaten, der Anlage über eine Datenleitung an eine
Zentrale, beispielsweise eine Leitzentrale weitergeleitet. Umgekehrt werden über die
Datenleitung auch Steuersignale von der Leitzentrale an die Anlage übermittelt.
Die Leitzentrale und die von dieser auszusteuernde oder zu überwachende
Anlage können
hierbei sehr weit voneinander entfernt sein. Die Entfernung kann
hier ohne weiteres mehrere Kilometer betragen.
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Für derartige
Anwendungsfälle
wird insbesondere auch aufgrund der langen Übertragungsstrecken eine serielle
Datenübertragung
mit geeigneten Datenleitungen gewählt. Hierzu weisen die Anlage
sowie die Leitzentrale Kommunikationsmodule, auch Modem genannt,
auf, die über
eine serielle Datenschnittstelle verfügen. Die Kommunikationsmodule
bilden allgemein Sender und Empfänger.
Im folgenden wird ein anlagenseitiges Kommunikationsmodul als Sender
und ein leitzentralenseitiges Kommunikationsmodul als Empfänger bezeichnet.
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Um
eine hohe Ausfallsicherheit zu gewährleisten sind die Datenleitungen
teilweise redundant ausgeführt.
Eine parallel ausgeführte
serielle Datenübertragung
erfordert allerdings einen zusätzlichen
Aufwand, um eine eindeutige Datenübertragung zu gewährleisten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine
sichere und zuverlässige
serielle Datenübertragung
insbesondere bei der Kommunikation zwischen einer Leitzent rale und
einer entfernten Anlage oder einem entfernten Anlagenfeld zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch einen Signalverteiler, der zur seriellen Datenübertragung
ausgebildet ist und zur Anordnung in zwei parallelen mehradrigen
Datenleitungen vorgesehen ist, die zur seriellen Datenverbindung
von zwei Sendern mit zwei Empfängern
vorgesehen sind. Der Signalverteiler weist hierbei zwei senderseitige
mehrpolige Eingänge
sowie zwei empfängerseitige
mehrpolige Ausgänge
auf. Die Eingänge
sind nunmehr mit den Ausgängen
kreuzweise derart verknüpft,
dass ein jeweiliges senderseitiges Anliegen des Datensignals automatisch
an beiden empfängerseitigen
Ausgängen
bereitgestellt ist.
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Der
Signalverteiler ist daher unabhängig
und außerhalb
von den senderseitigen bzw. empfängerseitigen
Modulen innerhalb der parallel geführten Datenleitungen integriert
und verknüpft
die beiden Datenleitungen logisch derart miteinander, dass unabhängig davon,
von welchem Sender Daten bereitgestellt werden, die Daten jeweils
parallel an beide Empfänger
weitergeleitet werden. Durch diesen Signalverbinder wird daher erstmals
auf einfache Weise ein wahlweises Senden von Informationen von zwei
getrennten Sendern auf jeweils zwei Empfänger über eine serielle Datenverbindung
ermöglicht.
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Der
Signalverteiler ist hierbei eine zwischen den Sendern und den Empfängern in
die Datenleitungen geschaltete sender- und empfängerunabhängige Baueinheit, die universell
für unterschiedlichste
Anforderungen eingesetzt werden kann.
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Der
Signalverteiler dient insbesondere zum Einsatz bei Industrieanlagen,
bei denen eine Anlage oder Anlagenkomponenten über eine redundante Datenverbindung
mit einer zentralen Leitwarte verbunden sind.
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Der
Signalverteiler ist hierbei beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Empfängerseite
angeordnet und einem als Empfän ger
ausgebildeten Einschubmodul eines Schaltschranks unmittelbar vorgeschaltet.
In diesem Fall ist die Datenverbindung zu dem beispielsweise mehrere
Kilometer entfernt angeordneten Sendern über ihre gesamte Länge redundant
ausgeführt.
Bei Ausfall einer Leitung kann auf die andere Leitung ausgewichen
werden.
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Zweckdienlicherweise
ist hierbei der Signalverteiler für eine serielle digitale Datenübertragung
nach dem so genannten EIA-232-Standard
ausgebildet (EIA: Electronic Industries Alliance), der auch unter
dem Namen RS323-Standard bekannt ist. Der Signalverteiler ist daher
vorzugsweise für
den weitestverbreiteten Standard für serielle Schnittstellen ausgelegt.
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Der
EIA-232-Standard definiert eine Spannungsschnittstelle, bei der
die digitalen Informationen (Bit) durch elektrische Spannungspegel
kodiert werden. Zu dem EIA-232-Standard gibt es handelsübliche mehrpolige
Steckverbinder. Hierbei kommen insbesondere ein 9-poliger sowie
ein 25-poliger Stecker (so genannte Sub-D-Stecker) zum Einsatz. Über den
Standard sind üblicherweise
die Funktionen bzw. Belegung der einzelnen PINS vorgegeben. Nachfolgend
wird beispielhaft ein 2-poliger Stecker beschrieben. Für die Datenübertragung
von Informationen sind hierbei vor allem der so genannte TXD-(Transmit
Data) sowie der RXD(Receive Data)-PIN von besonderer Bedeutung.
Dem TXD-PIN ist üblicherweise
die PIN-Nummer 2 und dem RXD-PIN die
PIN-Nummer 3 zugeordnet. Für
diese Datenleitungen wird eine so genannte negative Logik verwendet. Dies
bedeutet, dass für
anliegende Spannungen im negativen Bereich, insbesondere im Bereich
zwischen –3 Volt
und –15
Volt eine logische Eins und für
Spannungen im positiven Bereich, insbesondere im Bereich zwischen
+3 Vol und +15 Volt, eine logische Null definiert ist. Signalpegel
zwischen –3
Volt und +3 Volt gelten als undefiniert.
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Eine
Vielzahl der weiteren PINs werden heutzutage oftmals nicht belegt,
sind teilweise über
eine Brücke
steckerintern miteinander verbunden oder geben Zustandsignale ab,
wie beispielsweise der RTS-PIN (request to send, PIN-Nr. 4) oder
der CTS-PIN (clear to send, PIN-Nr. 5). Durch die Verwendung der
standardmäßigen Schnittstellenlogik
lässt sich
der Signalverteiler problemlos in eine nach diesem Standard arbeitende
serielle Datenverbindung zwischen den Sendern und Empfänger integrieren,
ohne dass diese modifiziert werden müssen. Zudem können darüber hinaus
standardmäßig erhältliche
Bauteile verwendet werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Verknüpfung zwischen
den Eingängen
und den Ausgängen
rein schaltungstechnisch mit Hilfe von Elektronikbauteilen. Es ist
daher ausschließlich
mit Hilfe der Elektronikbauteile eine schaltungstechnisch logische
Verknüpfung
zwischen den an den Eingängen
anliegenden Signalen mit den an den Ausgängen bereitgestellten Signalen
verwirklicht. Es ist also keine Festverdrahtung vorgesehen, da bei
einer reinen Festverdrahtung ein manueller Umschalter erforderlich
wäre. Auch
ist aufgrund der rein schaltungstechnischen Ausgestaltung kein Mikrokontroller
erforderlich und vorgesehen, der wiederum eine Firmware oder eine
Software erfordern würde.
Der Signalverteiler arbeitet daher vollständig softwareunabhängig.
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Für die logische
Kreuzverknüpfung
zwischen den Eingängen
und den Ausgängen,
insbesondere der Verknüpfung
der für
die Datenübertragung
vorgesehenen Adern der mehradrigen Datenleitung, insbesondere die
TXD-Adern, ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung eine integrierte Schaltung vorgesehen.
Diese ist eingangsseitig mit jedem der beiden senderseitigen Eingänge zum
Empfang der Datensignale (TXD-Datensignale) verbunden. Diese TXD-Datensignale
der beiden Sender werden anschließend mit Hilfe einer Schaltungslogik
jeweils insbesondere UND-verknüpft.
Die verknüpften
Datensignale werden dann ausgangsseitig der Schaltung an jeden der
empfängerseitigen
Ausgänge übermittelt,
und dort als gleichartiges Datensignal, beispielsweise TXD-Datensignal
für die
Weiterleitung an den Empfänger
bereitgestellt. Dies bedeutet, dass das am Eingang anliegende Datensignal
und das am Ausgang bereitgestellte, verknüpfte Datensignal auf die gleiche
Ader oder PIN, beispielsweise PIN-Nr. 2, geschalten sind.
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Durch
die UND-Verknüpfung
wird durch einfache logische Standard-Elektronikbauteile erreicht,
dass ein eingangsseitig bereitgestelltes Datensignal ausgangsseitig
parallel bei beiden Ausgängen
bereitgestellt wird. Durch diese Maßnahme ist daher parallel an
beiden Ausgängen
jeweils ein Signal bereitgestellt, sobald eingangsseitig an zumindest
einem Eingang ein Datensignal anliegt.
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Schaltungstechnisch
wird dies vorzugsweise dadurch erreicht, dass die an den Eingängen bereitgestellten
digitalen Datensignale, also logische Einsen und logische Nullen,
durch Negierungen und UND-Verknüpfungen
derart miteinander verknüpft
werden, dass an jedem der Ausgänge
eine logische Eins bereitgestellt wird, sobald an einem der Eingänge eine
logische Eins anliegt. Hierzu werden insbesondere die an den Eingängen bereitgestellten
logischen Datensignale zunächst
negiert, die negierten Signale auf die Eingänge eines UND-Gatters gelegt
und anschließend
wieder negiert. Durch diese Abfolge wird gewährleistet, dass eine logische
Eins ausgangsseitig bereitgestellt wird, sobald an einem der Eingänge eine
logische Eins anliegt. Hierbei ist für jeden Ausgang eine derartige
Abfolge von Negierungen und Verknüpfungen vorgesehen, d. h. die
Eingangssignale der beiden Eingänge
werden jeweils auf zwei logische Verknüpfungs-Stränge mit zumindest einem UND-Gatter aufgeteilt,
wobei jeder Verknüpfungs-Strang
einem Ausgang zugeordnet ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist ein Spannungsentkoppler vorgesehen,
der einerseits mit den Eingängen
und Ausgängen
und andererseits mit der Schaltungslogik verbunden ist, derart,
dass unabhängig
von den an den Eingängen
und Ausgängen
anliegenden Spannungspegel ein definierter Spannungspegel für die Schaltungslogik
eingestellt ist. Der Spannungsentkoppler wird daher auch als Pegelumsetzer
bezeichnet.
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Hierdurch
wird die Funktionsfähigkeit
der Schaltungslogik gewährleistet,
insbesondere vor dem Hintergrund, dass über die serielle Schnittstelle
an den Eingängen
und Ausgängen
unterschiedlich hohe Spannungspegel (+/–5 Volt, +/–9 Volt, +/–15 Volt) anliegen können. Der
Spannungsentkoppler gewährleistet
daher, dass die Schaltungslogik lediglich mit Spannungspegel, insbesondere
5-Volt-Pegel beaufschlagt wird, für die die Schaltungslogik ausgebildet
ist.
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Als
Spannungsentkoppler wird hierbei vorzugsweise ein integrierter Schaltkreis
(IC) verwendet, und zwar insbesondere ein Standard-IC, wie er für serielle
Schnittstellen, insbesondere nach dem EIA-232-Standard, zur Ermöglichung
der Datenkommunikation herangezogen wird. Derartige integrierte
Schaltkreise werden auch als Schnittstellentreiber bezeichnet. Für die EIA-232-Schnittstellennorm
ist auch der Begriff V.24-Treiber gebräuchlich. Beispiele für einen
derartigen V.24-Treiber IC sind beispielsweise die unter den Namen
MAX 232 oder MAX 3232 bekannte Treiber-ICs von Maxime Integrated
Products oder weitere ICs dieser Baureihe. Derartige Treiber dienen üblicherweise
in seriellen Schnittstellen von Computern, um die Ein- und Ausgangspegel
für die
serielle Datenübertragung
auf die interne Betriebsspannung des PCs, beispielsweise 5 Volt
umzusetzen. Bei diesen Treibern ist üblicherweise vorgesehen, dass
die Spannungspegel jeweils negiert werden, dass also ein von den
Eingängen
des Spannungsverteilers am IC anliegendes Datensignal negiert wird,
so dass bereits eine Negierung für
die nachfolgende UND-Verknüpfung
vorgenommen wurde. Umgekehrt wird das von der Schaltungslogik wieder
an den IC bereitgestellte Datensignal wiederum negiert, bevor es dann
ausgangsseitig an den Ausgängen
des Spannungsverteilers bereitgestellt wird.
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Vorzugsweise
sind die Eingänge
und die Ausgänge
des Signalverteilers bidirektional kreuzweise derart verknüpft, dass
auch ein jeweiliges empfängerseitiges
anliegendes Datensignal automatisch an beiden senderseitigen Eingängen bereitgestellt
ist. Der Signalverteiler ist also auch in der umgekehrten Da tenübertragungsrichtung
von den Empfängern
zu den Sendern derart ausgebildet, dass ein wahlweise von den Empfängern bereitgestelltes
Datensignal jeweils parallel auf beide Sender übermittelt wird. Derartige
Datensignale sind beispielsweise Steuerbefehle, die von der Leitwarte
an die Anlage übermittelt
werden.
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Um
dies zu erreichen, ist die beschriebene Schaltungslogik dupliziert
mit der Maßgabe,
dass sie mit den entsprechenden Datenadern verbunden ist, die für die umgekehrte
Datenübertragungsrichtung
vorgesehen sind. Dies ist insbesondere die RXD-Ader, die üblicherweise
durch den PIN mit der Nr. 3 belegt ist. Für den Spannungsentkoppler wird
hierzu wahlweise ein zum ersten baugleicher zweiter Spannungsentkoppler
eingesetzt. Alternativ wird ein beispielsweise 8-poliger Spannungsentkoppler
eingesetzt, welcher jeweils vier Eingänge und vier Ausgänge zur
Verbindung mit den insgesamt acht RXD- bzw. TXD-Datenadern (PINS)
der beiden Eingänge
und der beiden Ausgänge
des Signalverteilers aufweist. Die Schaltungslogik, wie sie zuvor
beschrieben wurde, ist daher für
die Datenübertragung
in Richtung vom Empfänger
zum Sender in logischer Hinsicht spiegelbildlich ausgebildet.
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In
einer zweckdienlichen Ausgestaltung ist der Signalverteiler unabhängig von
einer externen Energiequelle und weist eine integrierte Spannungsversorgungseinheit
auf, die mit zumindest einem der eingangs- oder ausgangsseitigen
Pole verbunden ist, um im Betrieb einen an diesem zumindest einen
Pol bereitgestellten Spannungspegel abzugreifen. Der Signalverteiler
nutzt hierbei daher die sowieso über
die serielle Schnittstelle bereitgestellten Spannungspegel zur eige-nen
Energieversorgung aus. Damit ist ein autarker Betrieb ermöglicht und
insgesamt ein sehr einfacher Aufbau erzielt. Der Signalverteiler
kann daher in einfacher Weise in ein Datenkabel mit den parallel
verlaufenden Datenleitungen angeordnet oder integriert werden.
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Vorzugsweise
werden hierbei die Spannungspegel derartiger Pole ausgenutzt, die
für die
Datenübertragung
nicht relevant sind. Beispielsweise werden die Spannungspegel von
einem der nachfolgenden Leitungsstränge des EIA-232-Standards herangezogen:
DSR-Strang (Data set ready, PIN Nr. 6), RI-Strang (Ring indicator,
PIN Nr. 22), CTS- und RTS-Strang (Clear To Send, Request To Send,
PIN Nr. 5 bzw. Nr. 4, oftmals im Stecker direkt überbrückt), DTR-Strang (Data Terminal
Ready, PIN Nr. 20).
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Zweckdienlicherweise
werden hierbei parallel mehrere dieser Stränge für die Spannungsversorgung herangezogen.
Die Spannungsversorgungseinheit ist daher mit mehreren Polen gleichzeitig
zum Spannungsabgriff verbunden. Durch diese Maßnahme ist eine dauerhafte
Spannungsversorgung sichergestellt, auch bei Pegelwechsel an den
einzelnen Polen. Insbesondere werden hierbei derartige Pole für den Spannungsabgriff herangezogen,
bei denen aufgrund der Beschaltung zwangsweise zumindest immer an
einem Pol ein Spannungspegel anliegen muss.
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Zweckdienlicherweise
umfasst die Spannungsversorgungseinheit einen Spannungsregler, der
die über
die Pole bereitgestellte Spannung auf eine konstante Betriebsspannung
regelt. Dies ist insbesondere ein so genannter Festspannungsregler
oder auch eine geeignete Zenerdiode.
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Um
bei Pegelwechsel an den einzelnen Polen Spannungsschwankungen in
der Betriebsspannung zu verhindern, ist weiterhin eine Glättung der
Pegelsignale vorgesehen. Hierzu wird insbesondere auf die Anordnung
von Kondensatoren zurückgegriffen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist der Signalverteiler eine separate
in sich abgeschlossene Baueinheit mit einem Gehäuse, in dem die gesamte Schaltung
beispielsweise auf einer Leiterplatte integriert ist. Jedem der
Eingänge
und Ausgänge
ist hierbei ein Steckverbinder, insbesondere ein so genannter Sub-D-Stecker
oder eine entsprechende Buchse zugeordnet. Die se Stecker/Buchsen
sind von außen
zugänglich
am Gehäuse
angeordnet. Um den Signalverteiler in die Datenleitungen einzubinden,
bedarf es daher lediglich einer einfachen Steckverbindung über die
standardmäßig vorgesehen
Sub-D-Stecker/Buchsen.
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Alternativ
zu der Anordnung in einem separaten Gehäuse ist der Signalverteiler
integraler Bestandteil eines Datenübertragungskabels, welches
die beiden parallelen Datenleitungen umfasst. Hier ist der Signalverteiler
daher direkt mit den einzelnen Strängen der Datenleitungen verbunden
und es ist keine Steckverbindung zwischen der Datenleitung und dem
Signalverteiler vorgesehen. Vorzugsweise sind beidendseitig des
Datenübertragungskabels
jeweils zwei Stecker/Buchsen angeordnet, über die dann die Sender bzw.
die Empfänger ansteckbar
sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
jeweils in schematischen und teilweise stark vereinfachten Darstellungen:
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1, 2 zwei
logische Blockbild-Darstellungen einer Datenverbindung zwischen
zwei Sendern und zwei Empfängern
mit zwischengeschaltetem Signalverteiler zur Erläuterung der Funktionsweise
des Signalverteilers,
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3 eine
stark vereinfachte Darstellung eines Datenübertragungskabels mit integriertem
Signalverteiler und
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4 ein
Schaltungsbild des Signalverteilers.
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Aus
den 1 und 2 ist eine Daten- oder Kommunikationsverbindung
zwischen zwei Sendern 2a, b und zwei Empfängern 4a,
b zu entnehmen. Die Sender 2a, b sind Teil einer industriellen
Anlage 6 und die Empfänger 4a,
b sind Teil einer leittechnischen Einrichtung 8, die üblicherweise
entfernt von der industriellen Anlage 6 angeordnet ist.
Die industrielle Anlage 6 ist beispielsweise eine Anlage
zur Energieerzeugung oder Energieverteilung, wie beispielsweise
ein Umspannwerk. Die leittechnische Einrichtung 8 ist beispielsweise eine
mehrere Kilometer hiervon entfernt angeordnete Leitzentrale, die
von der Anlage 6 und weiteren gleichartigen Anlagen 6 Daten
empfängt
und insbesondere zur Überwachung
oder auch Steuerung der Anlagen 6 vorgesehen ist.
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Die
Sender 2a, b sind üblicherweise
Kommunikationsmodule, beispielsweise speziell ausgebildete Einschubmodule
in Schaltschränken,
die Signale von der Anlage, wie Zustands- ober Überwachungssignale, zur seriellen
Datenübertragung
bereitstellen. Gleichzeitig sind die Module üblicherweise auch zum Empfang von
Steuer- oder sonstigen Signalen von der leittechnischen Einrichtung 8 an
die Anlage 6 ausgebildet. Auch die Empfänger 4a, b sind entsprechend
ausgebildete Kommunikationsmodule. Die beiden Sender 2a,
b werden oftmals zur redundanten Übertragung von identischen
Datensignalen eingesetzt, um eine redundante und ausfallsichere
Daten- und Kommunikationsverbindung zwischen der Anlage 6 und
der leittechnischen Einrichtung 8 zu gewährleisten.
D. h. die beiden Sender 2a, b senden jeweils die gleichen
Datensignale, die ihnen beispielsweise von einer entsprechenden
Datenverarbeitungseinheit in der industriellen Anlage 6 oder
eventuell auch direkt von einem Sensor bereitgestellt werden. Diese
redundanten Datensignale werden über
zwei parallel geführte
Datenleitungen 10a, b an die Empfänger 4a, b übermittelt.
Auf der Empfängerseite 4a,
b wird dann üblicherweise
ein Datenabgleich durchgeführt,
um die beiden empfangenen Datensignale im Hinblick auf ihre Übereinstimmung
zu überprüfen. Treten
hier Unterschiede auf, wird auf eine mögliche Störung zurückgeschlossen. Beispielsweise
kann eine der Datenleitungen schadhaft sein oder beispielsweise
eine der beiden Sendermodule 2a, b.
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Die
Datenkommunikation erfolgt hierbei seriell durch so genannte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
Um zu gewährleisten,
dass unabhängig
davon, von welchem Sender 2a, b ein Datensignal eingespeist
wird, das Datensignal jeweils parallel an beide Empfängern 4a,
b übermittelt
wird, ist ein Signalverteiler 12 vorgesehen, der in die
Datenleitungen 10a, b geschalten ist. Der Signalverteiler 12 ist
hierbei derart ausgebildet, dass er die Sender 2a, b mit
den Empfängern 4a,
b kreuzweise logisch derart verknüpft, dass unabhängig von
welchem Sender 2a, b ein Signal anliegt, jeweils das Datensignal
parallel an beide Empfänger 4a,
b übermittelt wird.
Diese Situation ist in 1 dargestellt.
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Der
Signalverteiler 12 ist vorzugsweise für eine bidirektionale Datenübertragung
ausgebildet, und zwar derart, dass auch ein wahlweise von einem
der Empfänger 4a,
b abgegebenes Datensignal parallel beiden Sendern 2a, b übermittelt
wird. Diese Situation ist in 2 dargestellt.
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In
den Ausführungsbeispielen
der 1 und 2 ist der Signalverteiler 12 als
eine zwischengeschaltete, separate Baueinheit mit eigenem Gehäuse 14 ausgebildet,
an dem von außen
zugänglich
insgesamt vier Stecker 6 zur Ausbildung einer Steckverbindung
mit den Datenleitungen 10a, b angeordnet sind. Unter Stecker 16 werden
hierbei allgemein Stecker oder Buchsen verstanden.
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Im
Unterschied hierzu ist der Signalverteiler 12 im Ausführungsbeispiel
der 3 ein integraler Bestandteil eines Datenübertragungskabels 18.
Der Signalverteiler 12 ist hierzu unmittelbar in den beiden
parallel geführten
Datenleitungen 10a, b angeordnet, die Teile des Datenübertragungskabels 18 sind.
Der Signalverteiler 12 ist daher unmittelbar und dauerhaft
fest (nicht reversibel lösbar)
mit zumindest einigen der Adern der Datenleitungen 10a,
b verbunden. Endseitig an den Datenleitungen 10a, b sind
jeweils Stecker 16 angeschlagen, über die das Datenübertragungskabel 18 an
die Sender 2a, b bzw. an die Empfänger 4a, b angeschlossen werden
kann. Das Datenübertragungskabel 18 weist
beispielsweise einen gemeinsamen Kabelmantel 20 auf, in
dem die beiden Datenleitungen 10a, b geführt sind
und der Signalverteiler 12 angeordnet ist.
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Der
Signalverteiler 12 ist bevorzugt hermetisch nach außen abgedichtet,
beispielsweise durch insbesondere vollständiges Umgießen mit
einer geeigneten Gussmasse. Hierdurch ist auch ein problemloser
Einsatz in explosionsgefährdeten
Bereichen möglich.
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Der
schaltungstechnische Aufbau und die Funktionsweise des Signalverteilers 12 wird
nunmehr anhand des Schaltungsbildes gemäß 4 näher erläutert. Im
Ausführungsbeispiel
der 4 sind insgesamt vier 25-polige Sub-D-Stecker
dargestellt. Diese bilden die senderseitigen Eingänge 22a,
b sowie die empfängerseitigen
Ausgänge 24a,
b. Die Eingänge 22a,
b sind zur Verbindung mit den Sendern 2a, b und die Ausgänge 24a,
b zur Verbindung mit den Empfängern 4a,
b vorgesehen. Die Eingänge 22a,
b sind hierbei insbesondere als Buchsen und die Ausgänge 24a,
b als Stecker ausgebildet. Jeder Stecker und jede Buchse (allgemein "Stecker") umfasst im Ausführungsbeispiel
insgesamt fünfundzwanzig
PINs, die mit entsprechenden arabischen Ziffern durchnummeriert
sind und die einzelnen Pole 26 bilden. Jeder Pol 26 ist
daher mit jeweils einer Leitungsader der jeweiligen mehrpoligen
Datenleitung 10a, b verbunden. Bei dem EIA-232-Standard
sind üblicherweise
die Pole mit der Nummer 7 mit Massepotenzial (GND, System Ground)
belegt, die Pole mit der PIN-Nummer 2 sind für die Übertragung von Daten (TXD,
Transmit Data) und die Pole mit der PIN-Nummer 3 für den Empfang
von Daten (RXD, Receive Data) vorgesehen. Über die weiteren Pole 26 werden
die eigentlichen Datensignale nicht übertragen. Diese dienen zur Übertragung
von anderweitigen Informationen, beispielsweise zur Übermittlung,
ob ein Gerät
bereit ist, um zu senden/empfangen (PIN 5: CTS, Clear To Send, PIN
4: RTS, Request To Send) oder werden nicht benötigt.
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Der
Signalverteiler 12 umfasst im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen
zwei Schaltungseinheiten, nämlich
eine Spannungsversorgungseinheit 28 sowie eine Schaltungsanordnung 30.
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Die
Spannungsversorgungseinheit 28 dient allgemein zur Energieversorgung
der Schaltungsanordnung 30. Die Spannungsversorgungseinheit 28 greift
hierzu die Signalpegel von mehreren der Pole 26 ab, bereitet
die Signalpegel entsprechend auf, um für die Schaltungsanordnung 30 eine
gleichmäßige, kontinuierliche
Betriebsspannung zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Schaltungsanordnung 30 ist für die eigentliche logische
Verknüpfung
zuständig.
Die Schaltungsanordnung 30 lässt sich hierbei in eine Schaltungslogik 32 sowie
einen integrierten Schaltkreis (IC) 34 unterteilen. Der
IC 34 dient als Spannungsentkoppler, auch als Pegelumsetzer
bezeichnet. Der IC 34 steht einerseits mit den Eingängen 22a,
b und mit den Ausgängen 24a,
b über
seine Ein-/Ausgänge
mit den Nummer 7, 8, 13 und 14 in Verbindung. An diesen Ein-/Ausgängen stellt
der Schaltkreis 34 geeignete Spannungspegel entsprechend
der EIA-232-Schnittstelle
an den jeweiligen Polen 26 zur Verfügung bzw. empfängt von
den Polen 26 die entsprechenden Spannungspegel. Auf der
anderen Seite ist der IC 34 mit der Schaltungslogik 32 verbunden.
Der IC 34 wirkt nun insofern als Spannungsentkoppler oder
Pegelumsetzer, als dass er auf seiner Schaltungslogik-Seite eine
definierte Spannung bereitstellt, er wandelt also die an seinen
Eingängen 8,
13 anliegenden Spannungspegel beispielsweise von +/–5 Volt,
+/–9 Volt
oder +/–15
Volt in einen entsprechenden TTL (Transistor-Transistor-Logik) Spannungspegel
auf der Schaltungslogik-Seite um und umgekehrt.
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Das
in der 4 dargestellte Schaltungsbild illustriert lediglich
die logische Verknüpfung
der Datensignale von den Sendern 2a, b zu den Empfängern 4a,
b. Für
die Übermittlung
der Datensignale ist hier der Pol 26 mit der PIN-Nummer
2 vorgesehen. Die entsprechenden Pole 26 der Eingänge 22a,
b sind mit den Eingängen 8,
13 des ICs 34 direkt verbunden. Diese werden nach entsprechender
Spannungsumwandlung ausgangsseitig am IC 34 an dessen Ausgängen 12,
9 bereitgestellt. Aufgrund des speziellen Aufbaus des im Ausführungsbeispiel
verwendeten ICs 34, werden die Datensignale hierbei als
invertierte Da tensignale bereitgestellt. Da es sich hier um digitale
Signale handelt, wird diesen regelmäßig eine logische Null oder
eine logische Eins zugeordnet, in Abhängigkeit des jeweiligen Spannungspegels
(positiver Spannungspegel oder negativer Spannungspegel). Eine logische
Eins wird daher in eine logische Null und eine logische Null in
eine logische Eins negiert. Diese negierten Datensignale werden
jeweils auf zwei parallele Verknüpfungsstränge geschaltet, wobei
endseitig jeder der Verknüpfungsstränge mit
den Eingängen
T1IN, T2IN des integrierten Schaltkreises 34 (Nummer 10,
11) auf dessen Schaltungslogik-Seite verbunden sind. Durch eine
entsprechende Pegelumsetzung werden diese Spannungspegel wieder
an den Ausgängen
T1OUT, T2OUT des Ics 34 (Nr. 14, 7) als negierte Datensignale
bereitgestellt. Die Ausgänge
mit den Nummern 7, 14 des ICs 34 sind mit den Polen mit der
PIN-Nummer 2 der empfängerseitigen
Ausgänge 24a,
b verbunden.
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Das
eigentliche Kernstück
der logischen Kreuzverbindung für
die Datensignale ist die Schaltungslogik 32. Diese ist
im Wesentlichen geprägt
durch zwei parallele UND-Verknüpfungen.
Hierzu werden jeweils die von den Eingängen 22a, b kommenden
Datensignale UND-verknüpft
und in Kombination durch eine vorherige als auch nachfolgende Negierung
derart aufbereitet, dass an den Ausgängen des ICs 34 (T1OUT,
T2OUT) jeweils dann gleichzeitig eine logische Eins anliegt, sobald
an einem der beiden Eingänge
des ICs 34 (R1IN, R2IN) eine logische Eins anliegt. Beim
Ausführungsbeispiel
sind an den Ausgängen
(T1OUT, T2OUT; R1OUT, R2OUT) des ICs 34 bereits Negierungen
implementiert, die in logischer Hinsicht der Schaltungslogik 32 zuzuordnen
sind. (Die Negierungen sind im Schaltungsbild jeweils durch ungefüllte Kreise
dargestellt). Es wird also allein durch die einfache logische UND-Verknüpfung mit
entsprechender Negierung erreicht, dass ein Datensignal parallel
an beiden Ausgängen 24a,
b bereitgestellt wird, unabhängig
davon, an welchem Eingang 22a, b das Datensignal anliegt.
Die UND-Verknüpfung
ist hierbei weiterhin derart ausgebildet, dass auch dann ein eindeutiges
Signal an den Ausgang abgegeben wird, wenn über beide Eingänge 22a,
b Datensignale parallel bereitgestellt werden.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist die maßgebende
UND-Verknüpfung
durch zwei parallel angeordnete NAND-Gatter U2A, U2D (UND-Gatter mit anschließender Negierung)
verwirklicht. Im Anschluss an die beiden NAND-Gatter U2A, U2D ist
jeweils ein weiteres NAND-Gatter U2b, U2C vorgesehen, das im Wesentlichen
lediglich zur Spannungsverstärkung
dient.
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Eine Übersicht über die
logischen Verknüpfungen
für die
unterschiedlichen Zustände
ist der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen. Anstelle des hier beschriebenen
NAND-Gatters kann natürlich
auch ein normales AND-Gatter mit anschließender Negierung verwendet
werden.
| IC-Eingänge (R12N, R2IN) | Negierung | NAND-Gatter | | IC-Ausgänge (T1OUT, T2OUT) |
| Ein | Ein | Aus |
| 1 | 1 | → | 0 | 0 | 1 | → | 1 |
| 0 | 1 | → | 1 | 0 | 1 | → | 1 |
| 1 | 0 | → | 0 | 1 | 1 | → | 1 |
| 0 | 0 | → | 1 | 1 | 0 | → | 0 |
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Wie
aus der Tabelle unmittelbar zu entnehmen ist, wird an den jeweiligen
IC-Ausgängen
jeweils dann eine logische Eins bereitgestellt, wenn zumindest an
einem der IC-Eingänge
(R1IN, R2IN) eine logische Eins anlag.
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Um
eine autarke und einfache Energieversorgung zu gewährleisten,
ist die Spannungsversorgungseinheit 28 vorgesehen.
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Diese
greift von mehreren Polen 26 die Spannungspegel ab. Im
Spannungsabgriff sind jeweils Dioden D3 bis D14 angeordnet.
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Die
einzelnen über
die Dioden D3 bis D14 geschützten
Spannungsabgriffe sind gemeinsam miteinander verbunden und werden
einer Schaltungseinheit bereitgestellt, über die eine Spannungsglättung und
Spannungsregelung erfolgt. Hierzu ist ein so genannter Festspannungsregler 36 oder
alternativ eine Zenerdiode D2 vorgesehen. Zur Glättung sind weiterhin Kon densatoren
C1, C2, C7 und C8 vorgesehen. Als Massepotenzial wird direkt die über den
Pol mit der PIN-Nummer 7 bereitgestellte Masse herangezogen. Weiterhin
ist noch eine Leuchtdiode D1 vorgesehen, die als Betriebsbereitschaftsanzeige
dient.
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Der
hier beschriebene Spannungsverteiler 12 ermöglicht in
einfacher Weise das wahlweise Senden von Informationen von zwei
getrennten Sendern 2a, b auf jeweils zwei Empfänger 4a,
b über
eine serielle Datenverbindung. Die besonderen Vorteile des Signalverteilers 12 sind
darin zu sehen, dass er seine Energieversorgung unmittelbar aus
den sowieso anliegenden Signalpegeln der Schnittstelle auf der Sender-
und/oder Empfängerseite
bezieht, dass er also keine separate Stromversorgung, insbesondere
kein eigenes Netzteil benötigt.
Auch ist die logische Verknüpfung
ausschließlich
durch einfache, Elektronikbauteile verwirklicht. Es ist keine Verwendung
von Mikroprozessoren oder Mikrokontrollern vorgesehen, die eine
Software oder eine Firmware benötigen
würden,
welche wiederum speziell angepasst werden müsste und zudem störanfällig ist.
Durch den gewählten
Aufbau der Schaltungsanordnung 30 ist zudem die Wirkungsweise
unabhängig
von der jeweils speziell eingesetzten EIA-232-Protokollstruktur
und den anliegenden Signalpegeln. Insgesamt zeichnet sich der Signalverteiler 12 auch
durch einen sehr einfachen und damit kostengünstigen Aufbau aus. Durch seinen einfachen
Aufbau ist er darüber
hinaus extrem ausfallsicher, zuverlässig und damit auch wartungsfrei.
Zudem kann der Signalverteiler 12 durch eine geeignete
Abdichtung, beispielsweise durch Vergießen, in explosionsgefährdeten
Bereichen eingesetzt werden. Durch seinen einfachen Aufbau ist er
weiterhin sehr Platz sparend, so dass er problemlos überall integriert
werden kann. Die einzelnen elektrischen und elektronischen Komponenten
des Signalverteilers sind hierbei vorzugsweise auf einer Leiterplatte
angebracht.