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Die
Erfindung betrifft eine Kabelschaltung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein System zur Messdatenübertragung
gemäß Anspruch 30. Des weiteren betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Messsignalübertragung nach Anspruch 31
sowie ein Verfahren zur Messsignalübertragung nach Anspruch
32.
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In
der Prozessautomatisierungstechnik wird eine Vielzahl von verschiedenen
Sensoren zur Erfassung von Prozessvariablen eingesetzt. Beispiele
für derartige Sensoren sind pH-Sensoren, Gassensoren, Durchflusssensoren,
Masseflusssensoren, etc. In modernen Industrieanlagen werden derartige
Sensoren oft unter widrigen Umgebungsbedingungen betrieben, beispielsweise
sind die Sensoren korrosiven Chemikalien, Hitze, Vibrationen etc.
ausgesetzt.
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Zum
Anschluss dieser Sensoren an ein übergeordnetes Messsystem
hat es sich bewährt, die Sensoren über eine kontaktlose
Schnittstelle mit einer Kabelschaltung zu koppeln, welche über
ein Kabel mit einem Messumformer verbunden ist. Bei der kontaktlosen
Schnittstelle kann es sich beispielsweise um eine optische Schnittstelle,
eine kapazitive Schnittstelle oder um eine induktive Schnittstelle handeln.
Durch Verwenden einer kontaktlosen Schnittstelle werden verschleißanfällige
elektrische Kontakte vermieden. Da ein derartiges Sensormodul keine Öffnungen
für elektrische Kontakte aufweist, ist die Oberfläche
des Sensormoduls hermetisch dicht. Das Oberflächenmaterial
des Sensormoduls umschließt das Sensormodul vollständig
und kann an den jeweiligen Einsatzzweck bzw. an das jeweilige korrosive
Medium angepasst werden.
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Die
deutsche Patentanmeldung
102 18 606 A1 beschreibt einen potentiometrischen Sensor.
Ein potentiometrischer Sensor, insbesondere pH-Sensor oder Redoxsensor,
umfasst einen Elementarsensor zum Erfassen einer potentiometrischen
Größe, insbesondere eines pH-Wertes oder eines
Redox-Potentials; und eine Schnittstelle zur Ausgabe eines von der
potentiometrischen Größe abhängigen Signals an
eine übergeordnete Einheit, insbesondere einen Transmitter.
Dabei weist der potentiometrische Sensor einen digitalen Datenspeicher
auf, der fest mit dem Elementarsensor verbunden ist.
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In
der deutschen Patentanmeldung
DE 103 13 639 A1 ist ein elektrochemischer
Gassensor beschrieben. Das Gassensormodul umfasst einen Elementarsensor
zum Erfassen einer Gaskonzentration; einen digitalen Datenspeicher
zur Speicherung von Sensordaten oder Prozessdaten und eine kontaktlose
Schnittstelle zum Anschluss an eine übergeordnete Einheit
zur Energieversorgung des Gassensormoduls und zum Datenaustausch
zwischen dem Gassensormodul und der übergeordneten Einheit.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Qualität der Datenübertragung
zwischen dem Sensormodul und der Kabelschaltung zu verbessern.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1, 30, 31
und 32 angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kabelschaltung, welche über
eine kontaktlose Schnittstelle mit einem Sensormodul gekoppelt ist. Über
ein Kabel ist die Kabelschaltung mit einem Messumformer verbunden.
Zur Verbesserung der Signalübertragung in der Kabelschaltung
wird eine Signalverarbeitungseinheit, beispielsweise ein Mikrokontroller,
in den Signalübertragungspfad integriert. Die Signalverarbeitungseinheit
ist für die Signalaufbereitung der Daten zuständig,
die zwischen Messumformer und Sensormodul in beiden Richtungen übertragen
werden.
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Daten,
die vom Messumformer über das Kabel zur Kabelschaltung
gesendet werden, werden von der Signalverarbeitungseinheit empfangen
und ausgewertet. Anschließend sendet die Signalverarbeitungseinheit
diese Daten über die kontaktlose Schnittstelle zum Sensormodul.
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In
der umgekehrten Übertragungsrichtung empfängt
die Kabelschaltung über die kontaktlose Schnittstelle Daten
vom Sensormodul. Diese Daten werden von der Signalverarbeitungseinheit
empfangen, aufbereitet und über die Kabelschnittstelle
zum Messumformer gesendet.
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Die
in den Signalpfad eingeschleifte Signalverarbeitungseinheit wirkt
in beiden Übertragungsrichtungen als Repeater. Durch das
Empfangen und erneute Senden der Daten wird die Qualität
der übertragenen Signale verbessert. Insbesondere werden verschliffene
Flanken aufgebessert, und das Timing der empfangenen Signale wird
korrigiert. Die qualitative Verbesserung der Signale in der Kabelschaltung führt
zu einer verbesserten Übertragungsqualität für den
Datenaustausch zwischen dem Sensormodul und dem Messumformer. Durch
Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung
kann die Zahl der Übertragungsfehler verringert werden.
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Neben
der Verbesserung der Übertragungsqualität bietet
die Integration des Signalprozessors in den Signalpfad noch weitere
Vorteile. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform
kann über die Signalverarbeitungseinheit eine Indexstruktur
bereitgestellt werden, welche eine Adressierung von spezifischen
Parametern der Kabelschaltung ermöglicht. Dadurch kann
vom Messumformer aus auf spezifische Parameter der Kabelschaltung
zugegriffen werden. Insbesondere kann der Messumformer mit Hilfe der
Indexstruktur Informationen zu Typ, Hersteller, Seriennummer und
Softwareversion der Kabelschaltung von der Kabelschaltung abfragen.
Vom Messumformer aus können Parameter der Kabelschaltung und
des Sensormoduls separat adressiert werden.
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Die
Integration der Signalverarbeitungseinheit in den Signalpfad der
Kabelschaltung bietet darüber hinaus weitere Vorteile.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann ein
Informationsaustausch zwischen der Kabelschaltung und dem Sensormodul
stattfinden, bei dem sich die beiden Einheiten gegenseitig über
die jeweils unterstützen Funktionalitäten informieren.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung prägt
die Kabelschaltung den vom Messumformer zum Sensormodul übermittelten
Telegrammen eigene Informationen auf, um auf diese Weise einen Kommunikationskanal
zum Sensormodul zu eröffnen. Auch das Sensormodul kann
den zum Messumformer übermittelten Telegrammen Informationen
für die Kabelschaltung aufprägen. Vorzugsweise werden
unbenutzte Bits der Telegramme für den Informationsaustausch
zwischen Kabelschaltung und Sensormodul verwendet.
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Über
diesen Informationsaustausch kann die Kabelschaltung eine Anfrage
zum Sensormodul übertragen, welche Funktionen vom Sensormodul unterstützt
werden. Als Antwort darauf kann das Sensormodul einem zum Messumformer übermittelten Telegramm
Informationen darüber aufprägen, welche Funktionen
es unterstützt. Auf diese Weise bekommt die Kabelschaltung
Kenntnis von den Fähigkeiten des Sensormoduls.
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Entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auf
Seiten der Kabelschaltung entschieden, ob für die Datenübertragung über
die kontaktlose Schnittstelle auf ein alternatives Kodierungsverfahren
umgeschaltet werden soll. Mit Hilfe der in den Signalpfad integrierten
Signalverarbeitungseinheit kann ein vorteilhaftes Kodierungsverfahren
für die Datenübertragung über die kontaktlose Schnittstelle
ausgehandelt werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform wird für die Übertragung über
die kontaktlose Schnittstelle ein alternatives Kodierungsverfahren
zu dem im Stand der Technik häufig verwendeten Kodierungsverfahrens „Non-Return-to-Zero"
(NRZ) verwendet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
kann beispielsweise das 8B10B-Kodierungsverfahren oder die Manchester-Kodierung
für die Datenübertragung über die kontaktlose
Schnittstelle eingesetzt werden. Dadurch wird die Qualität
der Datenübertragung über die kontaktlose Schnittstelle
verbessert.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand von mehreren in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 den
Datenaustausch zwischen dem Messumformer, der Kabelschaltung und
dem Sensormodul;
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2 ein
Blockschaltbild einer Kabelschaltung gemäß dem
Stand der Technik;
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3 eine
Ausführungsform von Kabelschaltung und Sensormodul;
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4 ein
Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Kabelschaltung;
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5 eine
Kennlinie eines Klasse-E-Verstärkers; und
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6 einen
Datenaustausch zwischen der Kabelschaltung und dem Sensormodul zum
Aushandeln eines alternativen Kodierungsverfahrens.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes System zum Erfassen und
Weiterleiten von Messwerten dargestellt. Das System umfasst ein
Sensormodul 1, das über eine kontaktlose Schnittstelle 2 mit
einer Kabelschaltung 3 kommuniziert. Der Begriff „kontaktlos" soll
dabei bezeichnen, dass die sensorseitige Schnittstelle von der transmitterseitigen
Schnittstelle elektrisch bzw. galvanisch isoliert ist. Die kontaktlose Schnittstelle 2 kann
beispielsweise als optische, kapazitive oder induktive Schnittstelle
ausgeführt sein, wobei in 1 eine induktive
Schnittstelle dargestellt ist. Um die erfassten Daten an ein übergeordnetes System
weiterleiten zu können, ist die Kabelschaltung 3 über
ein Kabel 4 mit einem Messumformer 5 verbunden.
Der Messumformer 5 kann seinerseits an einen Feldbus angekoppelt
sein.
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Das
Sensormodul 1 umfasst einen Elementarsensor 6.
Bei dem Elementarsensor 6 kann es sich beispielsweise um
einen Durchflusssensor, einen Massenflusssensor, einen pH-Sensor,
einen Gassensor oder um irgendeinen anderen Sensor handeln. Weiter
umfasst das Sensormodul 1 einen Mikroprozessor 7,
welcher vorzugsweise mit einem integrierten Analog-Digital-Wandler
(ADC) 8 ausgestattet ist, um die vom Elementarsensor 6 erfassten analogen
Messwerte in entsprechende Digitalwerte umwandeln zu können.
Vorzugsweise umfasst das Sensormodul 1 darüber
hinaus einen digitalen Datenspeicher 9, in dem Sensordaten
oder Prozessdaten abgelegt werden können. Vorzugsweise
sind in dem digitalen Datenspeicher 9 auch Kalibrationsdaten
für den jeweiligen Elementarsensor 6 gespeichert,
mit deren Hilfe die vom Elementarsensor 6 gelieferten Analogsignale
in entsprechende physikalische Messwerte umgewandelt werden können.
Die für den Elementarsensor 6 ermittelten Kalibrationswerte
können so innerhalb des Sensormoduls 1 abgelegt
werden, so dass eine feste Zuordnung der Kalibrationsdaten zu dem
Elementarsensor 6 ermöglicht wird. Da jedes Sensormodul 1 seine
eigenen Kalibrationsdaten mit sich trägt, werden Verwechslungen
zwischen verschiedenen Sätzen von Kalibrationsdaten verhindert.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die kontaktlose
Schnittstelle 2 als induktive Schnittstelle ausgebildet.
Die induktive Schnittstelle umfasst eine auf Seiten der Kabelschaltung 3 angeordnete
Primärspule 10 sowie eine auf Seiten des Sensormoduls 1 angeordnete
Sekundärspule 11. Wenn das Sensormodul mittels
einer Steckverbinderkupplung auf die Kabelschaltung 3 aufgesteckt
wird, werden die Primärspule 10 und die Sekundärspule 11 in
eine definierte räumliche Position zueinander gebracht,
so dass Hochfrequenzsignale in beiden Richtungen zwischen der Kabelschaltung 3 und
dem Sensormodul 1 übertragen werden können.
Dadurch wird ein Datenaustausch zwischen Kabelschaltung 3 und Sensormodul 1 ermöglicht.
Darüber hinaus kann auch die Energieversorgung des Sensormoduls 1 über
die induktive Schnittstelle erfolgen. Dazu wird das von der Kabelschaltung 3 erzeugte
Hochfrequenzsignal durch die Sekundärspule 11 des
Sensormoduls 1 empfangen und gleichgerichtet, um so eine
Betriebsspannung für den Mikroprozessor 7, den
digitalen Datenspeicher 9 und eventuell auch für den
Elementarsensor 6 zu erzeugen.
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Zusätzlich
zu der kontaktlosen Schnittstelle 2 weist die Kabelschaltung 3 eine
Schnittstelle zum Kabel 4 auf, über die der Datenaustausch
mit dem Messumformer 5 abgewickelt wird. Bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform erfolgt die Datenübertragung zwischen
Messumformer 5 und Kabelschaltung 3 entsprechend
dem Standard EIA485. Zur Umwandlung der zu übertragenden
Signale in den Standard EIA485 umfasst der Messumformer 5 einen EIA485-Schnittstellenwandler 12,
und auch die Kabelschaltung 3 ist mit einem EIA485-Schnittstellenwandler 13 ausgestattet.
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Die
gesamte Kommunikation zwischen dem Messumformer 5, der
Kabelschaltung 3 und dem Sensormodul 1 erfolgt
im Halbduplexbetrieb. Dies bedeutet, dass Daten entweder vom Messumformer 5 über
die Kabelschaltung 3 zum Sensormodul 1 oder aber
in umgekehrter Richtung vom Sensormodul 1 über
die Kabelschaltung 3 zum Messumformer 5 übertragen
werden. Ein gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten ist im
Halbduplexbetrieb nicht möglich. Die jeweilige Übertragungsrichtung
wird dabei durch ein Richtungssignal 14 vorgegeben, das durch
einen auf der Kabelschaltung 3 angeordneten Mikrokontroller 15 erzeugt
wird. Der Mikrokontroller 15 schaltet die Richtung der
Datenübertragung jeweils dann um, wenn die Übertragung
eines sogenannten „Telegramms" abgeschlossen ist.
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Zunächst
ist die Datenübertragungsrichtung so eingestellt, dass
Daten vom Messumformer 5 zum Sensormodul 1 übertragen
werden können. Das zu übertragende Telegramm wird
durch den Schnittstellenwandler 12 kodiert und über
das Kabel 4 zur Kabelschaltung 3 übertragen.
Die empfangenen Daten werden durch den Schnittstellenwandler 13 dekodiert und
dem Rx-Eingang des Mikrokontrollers 15 zugeführt.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik ist der Mikrokontroller 15 bei
der erfindungsgemäßen Kabelschaltung 3 in
den Signalpfad integriert. Der Mikrokontroller 15 empfängt
das am Rx-Eingang anliegende Signal, bereitet es auf und sendet
das Signal zum Modulator 16. Insofern wirkt der in den
Signalpfad eingeschleifte Mikrokontroller 15 als Repeater. Das
aufbereitete Signal gelangt zum Modulator 16, der ein Hochfrequenzsignal
zur Übertragung über die induktive Schnittstelle
entsprechend den zu übertragenden Daten moduliert. Das
modulierte Hochfrequenzsignal wird von der Primärspule 10 zur
Sekundärspule 11 übertragen und kann
dann auf Seiten des Sensormoduls 1 durch den Prozessor 7 ausgewertet
werden.
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Der
Mikrokontroller 15 erkennt, wann die Übertragung
des Telegramms vom Messumformer 5 zum Sensormodul 1 beendet
ist, und schaltet dann die Übertragungsrichtung um. Jetzt
können Daten in umgekehrter Richtung vom Sensormodul 1 über
die Kabelschaltung 3 zum Messumformer 5 übertragen werden.
Auf Seiten des Sensormoduls 1 wird das zu übertragende
Telegramm durch den Mikroprozessor 7 auf ein Hochfrequenzsignal
aufmoduliert. Das modulierte Hochfrequenzsignal wird über
die Sekundärspule 11 zur Primärspule 10 übertragen
und gelangt von dort zum Demodulator 17. Der Demodulator 17 extrahiert
die aufmodulierten Daten aus dem Hochfrequenzsignal und leitet diese
Daten an den in den Signalpfad integrierten Mikrokontroller 15 weiter.
Der Mikrokontroller 15 bereitet die vom Demodulator 17 erhaltenen
Daten auf und sendet diese Daten über seinen Tx-Ausgang
zum EIA485-Schnittstellenwandler 13. Insofern wirkt der
in den Signalpfad eingeschleifte Mikrokontroller 15 auch
in Rückübertragungsrichtung als Repeater für
die vom Sensormodul 1 empfangenen Daten. Diese Daten werden
anschließend durch den EIA485-Schnittstellenwandler 13 in
den Standard EIA485 umgewandelt und über das Kabel 4 zum
Messumformer 5 übertragen. Dort werden die Daten
durch den EIA485-Schnittstellenwandler 12 dekodiert.
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Zum
besseren Verständnis der Erfindung ist in 2 eine
Kabelschaltung 18 gemäß dem Stand der
Technik gezeigt. Bei dieser Kabelschaltung 18 ist der Mikrokontroller 19 nicht
in den Signalpfad eingeschleift. Der in 2 gezeigte
Mikrokontroller 19 ist lediglich dafür zuständig,
den Datenverkehr auf den Signalleitungen 20, 21 zu
beobachten und in Abhängigkeit davon ein Richtungssignal 22 zur
Umschaltung der Übertragungsrichtung zu erzeugen. Bei der Kabelschaltung 18 des
Stands der Technik gelangen die vom EIA485-Schnittstellenwandler 23 empfangenen
Signale ohne weitere Signalaufbereitung zum Modulator 24.
Der Modulator 24 erzeugt ein entsprechend diesen Daten
moduliertes Hochfrequenzsignal, welches dann über die Primärspule 25 zu
einem Sensormodul übertragen wird. Entlang des Signalpfads
verschlechtert sich die Qualität des zu übertragenden
Signals, das Timing wird verschliffen, und die Flautensteilheit
geht teilweise verloren. Dadurch kann es zu Übertragungsfehlern
kommen.
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Entsprechendes
gilt auch für die Signalübertragung in umgekehrter
Richtung. Das von der Primärspule 25 empfangene
modulierte Hochfrequenzsignal wird dem Demodulator 26 zugeführt,
und das demodulierte Signal gelangt ohne weitere Signalaufbereitung
direkt zum EIA485-Schnittstellenwandler 23. Auch hier kommt
es zu einer Verschlechterung der Signalqualität entlang
des Übertragungspfads, wobei das Timing teilweise verloren
geht und die Signalflanken verschliffen werden.
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Durch
Vergleich der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen
Lösung mit der in 2 gezeigten Lösung
des Stands der Technik ist erkennbar, dass durch Einschleifen des
Mikrokontrollers 15 in den Signalpfad eine Repeater-Funktion
implementiert werden kann. Die Realisierung dieser Repeater-Funktion erfordert
keinen zusätzlichen Bauteileaufwand. Der Mikrokontroller 15 wird
in den Datenverkehr bzw. -transfer einbezogen und erzeugt die empfangenen Signale
jeweils neu. Dadurch werden die empfangenen Daten hinsichtlich Timing
und Flankensteilheit aufbereitet. Einer Verschlechterung der Signalqualität
entlang des Übertragungspfads wird aktiv entgegengewirkt.
Der Mikrokontroller beseitigt in beiden Richtungen der Datenkommunikation
mögliche Fehler, die durch verschliffene Flanken oder Timing-Probleme
verursacht werden. Somit empfangen Messumformer und Sensormodul
Signale von verbesserter Qualität, und infolge der verbesserten
Signalqualität wird die Häufigkeit von Übertragungsfehlern
verringert.
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In 3 ist
eine Ausführungsform einer am Ende eines Kabels 27 angeordneten
Kabelschaltung 28 dargestellt. Außerdem ist ein
Sensormodul 29 gezeigt, das über eine Steckverbinderkupplung
mit der Kabelschaltung 28 verbunden werden kann, so dass über
die induktive Schnittstelle eine Daten- und Energieübertragung
erfolgen kann. Das Sensormodul 29 umfasst einen Elementarsensor 30 zur
Erfassung von Messwerten. Das Gehäuse des Sensormoduls 29 weist
ein Gewinde 31 auf, um das Sensormodul 29 in einer
Armatur montieren zu können. An dem vom Elementarsensor 30 abgewandten
Ende des Sensormoduls 29 ist ein zylindrischer Endabschnitt 32 vorgesehen,
in dem eine Sekundärspule 33 einer induktiven
Schnittstelle angeordnet ist. In der Mantelfläche des zylindrischen
Endabschnitts 32 befinden sich Aussparungen eines Bajonettverschlusses.
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Der
zylindrische Endabschnitt 32 des Sensormoduls 29 weist
eine stirnseitige Aussparung 34 auf, welche als Aufnahme
für eine an das Gehäuse der Kabelschaltung 28 angeformte
zylinderförmige Nase 35 dient. Innerhalb der zylinderförmigen
Nase 35 befindet sich ein Ferritkern mit der Primärspule der
induktiven Schnittstelle. Beim Aufstecken der Kabelschaltung 28 auf
das Sensormodul 29 wird die innerhalb der Nase 35 angeordnete
Primärspule in eine definierte räumliche Position
relativ zur Sekundärspule gebracht, so dass eine Daten-
und Energieübertragung zwischen der Kabelschaltung 28 und dem
Sensormodul 29 stattfinden kann. Das Gehäuse der
Kabelschaltung 28 weist an seiner Stirnseite eine hülsenartige
Mantelfläche 36 auf, die axial vorsteht und die
Nase 35 koaxial umgibt. Beim Aufstecken der Kabelschaltung 28 auf
das Sensormodul 29 umschließt die hülsenartige
Mantelfläche 36 zumindest einen Teil des zylindrischen
Endabschnitts 32 des Sensormoduls 29. Radial einwärts
verlaufende Vorsprünge auf der hülsenartigen Mantelfläche 36 befinden
sich dann mit den Aussparungen des Bajonettverschlusses in Eingriff
und sichern die Steckverbinderkupplung.
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4 zeigt
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Kabelschaltung 37.
Die Kabelschaltung 37 ist über ein Kabel 38 mit
einem Messumformer verbunden. Das Kabel 38 umfasst eine
Spannungsversorgung Ub, eine Masse GND sowie
zwei Signalleitungen A und B, über die Daten im Halbduplexbetrieb
zum Messumformer übertragen bzw. vom Messumformer empfangen
werden können. Die Signalleitungen A und B sind über
einen Filter 39 mit einer EIA485-Schnittstelle 40 verbunden.
Das Kabel 38 kann bis zu mehrere hundert Meter lang sein.
Insofern kann es auf der Übertragungsstrecke zwischen Messumformer
und Kabelschaltung zur Einkopplung von elektromagnetischen Störungen
kommen. Der Filter 39 hat die Aufgabe, diese elektromagnetischen
Störungen wegzufiltern, bevor die empfangenen Daten zur
EIA485-Schnittstelle 40 geleitet und dort dekodiert werden.
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Die
dekodierten Daten werden dem Rx-Eingang des Mikrokontrollers 41 zugeführt.
Der Mikrokontroller 41 ist sowohl in den Hin- als auch
in den Rückübertragungspfad integriert. Außerdem
erzeugt der Mikrokontroller 41 ein Richtungssignal 42,
welches die Datenübertragungsrichtung festlegt.
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Der
Mikrokontroller 41 wandelt die von der EIA485-Schnittstelle 40 erhaltenen
Daten in ein Ansteuersignal 43 für einen Klasse-E-Verstärker 44 um. Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform erzeugt der
Mikrokontroller 41 das Ansteuersignal 43 mit Hilfe eines
in Software realisierten Modulators 45. Es ist daher nicht
erforderlich, einen separaten, in Hardware realisierten Modulator
zur Erzeugung des Ansteuersignals 43 zur Verfügung
zu stellen. Stattdessen wird das Ansteuersignal 43 durch
eine im Mikrokontroller 41 abgelegte Signalverarbeitungsroutine erzeugt.
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Der
Klasse-E-Verstärker 44 hat die Aufgabe, das Hochfrequenzsignal
zur Übertragung über die induktive Schnittstelle
zu erzeugen. Mittels des Ansteuersignals 43 werden auf
dieses Hochfrequenzsignal die zu übertragenden Daten aufmoduliert.
Das modulierte Hochfrequenzsignal wird der Primärspule 46 der
induktiven Schnittstelle zugeführt und über die induktive
Schnittstelle zum Sensormodul übertragen.
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Zur
Modulation des Hochfrequenzsignals gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Eine erste Möglichkeit ist, dem Klasse-E-Verstärker 44 ein
hochfrequentes Ansteuersignal 43 zuzuführen, wobei
die zu übertragenden Daten dem Ansteuersignal 43 in
Form einer Frequenzumtastung aufgeprägt werden. Dieses
Modulationsverfahren ist in 5 veranschaulicht. 5 stellt
die Amplitude des vom Klasse-E-Verstärker 44 erzeugten
Hochfrequenzsignals als Funktion der Frequenz des Ansteuersignals 43 dar.
Die Maximalamplitude wird dann erreicht, wenn die Frequenz des Ansteuersignals 43 in
etwa der Resonanzfrequenz fRes des Klasse-E-Verstärkers 43 entspricht.
Diese Resonanzfrequenz kann beispielsweise bei 230 kHz liegen. Wenn
das Ansteuersignal 43 die Frequenz f1 hat,
wird ein Hochfrequenzsignal der Amplitude A1 erzeugt.
Wenn die Frequenz des Ansteuersignals 43 die Frequenz f2 hat, dann verringert sich die Amplitude
des vom Klasse-E-Verstärker 44 erzeugten Hochfrequenzsignals
auf den Wert A2. Durch Umtasten der Frequenz
des Ansteuersignals 43 kann dem vom Klasse-E-Verstärker 44 erzeugten Hochfrequenzsignal
eine Amplitudenmodulation aufgeprägt werden, um auf diese
Weise Daten zum Sensormodul zu übertragen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Mikrokontroller 41 einen
Analog-Digital-Wandler 47, der die Amplitude des vom Klasse-E-Verstärker 44 erzeugten
Hochfrequenzsignals überwacht und ggf. die Frequenz des
hochfrequenten Ansteuersignals 43 so nachregelt, dass die
Amplitude des Hochfrequenzsignals konstant gehalten wird. Indem
im Mikrokontroller 41 eine Regelschleife zur Nachregelung
der Signalamplitude vorgesehen wird, kann sich die Kabelschaltung 37 an
unterschiedliche Sensormodule mit unterschiedlicher Energieaufnahme
anpassen.
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Alternativ
zu der soeben beschriebenen Frequenzumtastung könnten andere
Modulationsverfahren verwendet werden, um dem Hochfrequenzsignal eine
Amplitudenmodulation aufzuprägen. Beispielsweise könnte
eine Lastmodulation des vom Klasse-E-Verstärker 44 erzeugten
Hochfrequenzsignals durchgeführt werden. Bei diesem Modulationsverfahren
stellt der Mikrokontroller 41 ein niederfrequentes Ansteuersignal
zur Verfügung, wobei entsprechend diesem Ansteuersignal
eine Last am Ausgang des Klasse-E-Verstärkers 43 geschaltet
wird. Durch diese Lastmodulation wird das vom Klasse-E-Verstärker 44 erzeugte
Hochfrequenzsignal einer Amplitudenmodulation unterworfen. Auf diese
Weise können auch mit Hilfe eines niederfrequenten Ansteuersignals 43 die
zu übertragenden Daten auf das Hochfrequenzsignal aufmoduliert
werden.
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In
Rückübertragungsrichtung empfängt die Kabelschaltung 37 über
die Primärspule 46 ein von dem Sensormodul ausgesendetes
Hochfrequenzsignal. Das empfangene Hochfrequenzsignal gelangt zu einem
Demodulator 48, der das empfangene Signal demoduliert und
die so erhaltenen Daten dem Mikrokontroller 41 zur Verfügung
stellt. Bei dem Demodulator 48 kann es sich beispielsweise
um einen Hüllkurvengleichrichter handeln, der eine differentielle Auswertung
der Hüllkurve des Hochfrequenzsignals durchführt.
Im Mikrokontroller 41 werden die vom Demodulator 48 erhaltenen
Daten aufbereitet und über den Tx-Ausgang des Mikrokontrollers 41 zur EIA485-Schnittstelle 40 gesendet,
woraufhin sie über das Kabel 38 zum Messumformer
geleitet werden. Insofern wirkt der Mikrokontroller 41 auch
in Rückübertragungsrichtung als Repeater, der
das vom Demodulator 48 erhaltene Signal aufbereitet und
neu sendet.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform erfolgt die
Spannungsversorgung der Kabelschaltung 37 vom Messumformer
aus über das Kabel 38. Insbesondere wird die Versorgungsspannung
Ub vom Messumformer zur Verfügung
gestellt. Dabei kann das Kabel 38 zwischen Messumformer
und Kabelschaltung 37 bis zu mehrere hundert Meter lang
sein. Entlang dieser Strecke kommt es zu einem Spannungsabfall von
ungefähr 150 mV pro 100 m Kabel. Aus diesem Grund ist die
an der Kabelschaltung 37 anliegende Spannung Ub gewissen
Schwankungen unterworfen. Um eine stabilisierte Versorgungsspannung
Vcc zur Verfügung stellen zu können,
umfasst die Kabelschaltung 37 einen Spannungswandler 49, der
die vom Messumformer bereitgestellte Spannung Ub in
eine definierte Betriebsspannung Vcc umwandelt.
Es ist von Vorteil, als Spannungswandler 49 ein Schaltnetzteil
zu verwenden, da Schaltnetzteile einen sehr guten Wirkungsgrad von
90% und mehr aufweisen. Die stabilisierte Versorgungsspannung Vcc wird dem Mikrokontroller 41,
dem Klasse-E-Verstärker 44 sowie dem Demodulator 48 zugeführt.
Insbesondere für den Demodulator 48 ist eine stabilisierte Versorgungsspannung
wichtig, um Fehler beim Dekodieren der von der induktiven Schnittstelle
empfangenen Signale zu vermeiden. Durch Verwendung einer stabilisierten
Versorgungsspannung kann das amplitudenmodulierte Hochfrequenzsignal
mit höherer Genauigkeit erzeugt werden. Insgesamt wird durch
Verwenden einer stabilisierten Versorgungsspannung die Gefahr von Übertragungsfehlern
bei der Datenübertragung über die induktive Schnittstelle verringert.
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Zusätzlich
zu den bereits beschriebenen Vorteilen, die hauptsächlich
die Verbesserung der Signalqualität betreffen, ermöglicht
das Einschleifen des Mikrokontrollers 41 in den Signalpfad
eine Nutzung von verschiedenen Funktionalitäten, die von dem
programmierbaren Mikrokontroller 41 zur Verfügung
gestellt werden. Diese neuartigen Funktionalitäten sollen
im Folgenden beschrieben werden.
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Die
Integration des Mikrokontrollers 41 in den Signalpfad der
Kabelschaltung 37 ermöglicht die Bereitstellung
einer Indexstruktur, mit der spezifische Parameter der Kabelschaltung 37 vom
Messumformer aus abgefragt werden können. Bei den Lösungen
des Stands der Technik konnte der Messumformer lediglich auf Parameter
des Sensormoduls zugreifen; eine gezielte Abfrage von Parametern
der Kabelelektronik war nicht möglich. Bei der erfindungsgemäßen
Lösung hingegen kann der in den Signalpfad integrierte
Mikrokontroller 41 die spezifischen Parameter der Kabelschaltung 37 mit
Hilfe einer separaten, vom Sensormodul völlig unabhängigen
Indexstruktur verwalten. Dadurch wird die Kabelschaltung für
den Messumformer als separat adressierbare Funktionseinheit wahrnehmbar.
Dies eröffnet insbesondere die Möglichkeit, vom
Messumformer aus die Parameter der Kabelschaltung 37 einerseits
und die Parameter des Sensormoduls andererseits mit Hilfe von separaten
Indexstrukturen zu adressieren und auf die beiden Funktionseinheiten separat
zuzugreifen. Beispielsweise könnte der Messumformer unter
Slot 0x01 auf die Parameter des Sensormoduls und unter Slot 0xF1
auf die Parameter der Kabelschaltung zugreifen.
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Als
spezifische Parameter der Kabelschaltung 37 können
ein oder mehrere der folgenden abgefragt werden: der Typ, die Kennung
oder die Seriennummer der Kabelschaltung, Herstellerangaben zur
Kabelschaltung, oder Informationen zur Version der auf der Kabelschaltung
implementierten Software. Derartige Angaben werden häufig
unter dem Begriff „Common Equipment Record" (CER) zusammengefasst.
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Des
weiteren kann die Kabelschaltung mit einem Temperaturfühler
ausgestattet sein, wobei über die Indexstruktur auf die
jeweils gemessene Temperatur der Kabelschaltung zugegriffen werden
kann. Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
erfasst der auf der Kabelschaltung befindliche Mikrokontroller die
Betriebsstunden mit Hilfe eines Betriebsstundenzählers,
wobei der aktuelle Zählerstand mit Hilfe der Indexstruktur
ausgelesen werden kann. Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird alternativ oder zusätzlich die Zahl der Betriebsstunden
erfasst, während denen eine vorgegebene Temperatur überschritten
worden ist.
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Mit
Hilfe der Indexstruktur können all diese Parameter vom
Messumformer aus abgefragt und anschließend auf einer Leitwarte
oder einem PC dargestellt werden. Auf diese Weise wird dem Benutzer ein Überblick über
die vorhandenen Systemkomponenten sowie über den aktuellen
Status des Systems gegeben. Außerdem kann der Betriebszustand
der Kabelschaltung vom Messumformer aus überwacht werden.
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Ein
in den Signalpfad der Kabelschaltung geschalteter Mikrokontroller
bietet darüber hinaus den Vorteil, dass über den
Mikrokontroller eine neue Art des Datenaustauschs zwischen Kabelschaltung
und Sensormodul ermöglicht wird. Dabei kann der Mikrokontroller
die vom Sensormodul unterstützten Funktionalitäten
und Kodierungsverfahren abfragen. Dieser Datenaustausch wird im
folgenden näher beschrieben.
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Bei
dem in 1 dargestellten Übertragungssystem ist
der Messumformer 5 als Master konfiguriert, während
die Kabelschaltung 3 und das Sensormodul 1 im
Slave-Modus betrieben werden. Dies bedeutet, dass der Messumformer 5 die
Kontrolle über den gesamten Datenverkehr zwischen Messumformer,
Kabelschaltung und Sensormodul besitzt. Die Kabelschaltung kann
daher nicht eigenmächtig mit dem Sensormodul kommunizieren.
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Um
dennoch einen von der Kabelschaltung initiierten Informationsaustausch
zwischen Kabelschaltung und Sensormodul zu ermöglichen,
fügt der Mikrokontroller eigene Nachrichten in die vom
Messumformer zur Sensormodul übermittelten Telegramme ein.
Beispielsweise kann der Mikrokontroller unbenutzte Bits der Telegramme
beschreiben, um auf diese Weise Anfragen an das Sensormodul zu richten.
Wenn das Sensormodul derartige fortgeschrittene Funktionalitäten
unterstützt, kann es derartige Anfragen beantworten, indem
es einem vom Sensormodul zum Messumformer übermittelten
Telegramm eine entsprechende Antwort aufprägt. Beispielsweise kann
das Sensormodul dem Mikrokontroller in dieser Antwort mitteilen,
welche Kodierungsverfahren es unterstützt.
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In 6 ist
der Ablauf einer Kommunikation zwischen der Kabelschaltung und dem
Sensormodul dargestellt. In einem ersten Schritt 50 sendet
der Messumformer 51 ein Telegramm 52 zur Kabelschaltung 53.
Die Kabelschaltung 53 weist einen in den Signalpfad integrierten
Mikrokontroller 54 auf. Der Mikrokontroller 54 modifiziert
einige unbenutzte Übertragungsbits des Telegramms 52 und
prägt dem Telegramm 52 auf diese Weise eine Anfrage
an das Sensormodul 55 auf. Falls das Telegramm eine Prüfsumme
umfasst, modifiziert der Mikrokontroller auch diese Prüfsumme entsprechend
den veränderten Übertragungsbit. Das modifizierte
Telegramm 56 wird anschließend von der Kabelschaltung 53 über
die kontaktlose Schnittstelle zum Sensormodul 55 übertragen.
Auf diese Weise wird ein neuartiger Kommunikationskanal zwischen
der Kabelschaltung 53 und dem Sensormodul 55 eröffnet.
Im ersten Schritt 50 werden das Telegramm 52 sowie
das modifizierte Telegramm 56 entsprechend dem Kodierungsverfahren „Non-Return-to-Zero"
(NRZ) übertragen, welches standardmäßig
zur Datenübertragung zwischen dem Messumformer 51,
der Kabelschaltung 53 und dem Sensormodul 55 verwendet
wird.
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Wenn
es sich bei dem Sensormodul um ein älteres Modell handelt,
das die beschriebene Form der Kommunikation zwischen Kabelschaltung
und Sensormodul nicht unterstützt, bleibt die mit dem modifizierten
Telegramm übermittelte Anfrage unbeantwortet. Wenn das
Sensormodul die erfindungsgemäße Kommunikation
zwischen Kabelschaltung und Sensormodul dagegen unterstützt,
dann wird die von der Kabelschaltung gesendete Anfrage erkannt und beantwortet.
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Es
soll angenommen werden, dass das Sensormodul 55 die beschriebene
Kommunikation mit der Kabelschaltung 53 unterstützt.
In einem zweiten Schritt 57 ist dargestellt, wie das Sensormodul 55 die Anfrage
der Kabelschaltung 53 beantwortet. Zur Beantwortung der
Anfrage prägt das Sensormodul 55 einem an den
Messumformer 51 gerichteten Telegramm eine entsprechende
Antwort auf. In dieser Antwort informiert das Sensormodul 55 darüber,
welche Funktionalitäten es unterstützt. Beispielsweise könnte
das Sensormodul 55 in dieser Antwort die Kabelschaltung 53 darüber
informieren, welche anderen Kodierungsverfahren außer NRZ
unterstützt werden. Um die Antwort auf die Anfrage der
Kabelschaltung 53 auf das Telegramm aufzukodieren, modifiziert
das Sensormodul 55 unbenutzte Übertragungsbits
des Telegramms und erzeugt auf diese Weise ein mit Zusatzinformation
kodiertes Telegramm 58, das zur Kabelschaltung 53 gesendet
wird. Auf Seiten der Kabelschaltung wird das Telegramm 58 durch
den Mikrokontroller 54 analysiert. Der Mikrokontroller 54 erfährt
auf diese Weise, welche Funktionalitäten vom Sensormodul 55 unterstützt
werden. Anschließend sendet der Mikrokontroller 54 ein
entsprechendes Telegramm 59 zum den Messumformer 51.
Dabei beeinträchtigt der zusätzliche Informationsaustausch zwischen
Kabelschaltung 53 und Sensormodul 55 den Datenverkehr
zwischen Messumformer 51 und Sensormodul 55 nicht.
Auch im zweiten Schritt 57 erfolgt die Datenübertragung
entsprechend dem Kodierungsverfahren „Non-Return-to-Zero"
(NRZ), welches standardmäßig zur Datenübertragung
verwendet wird.
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Der
Mikrokontroller 54 kennt jetzt sowohl den Funktionsumfang
der Kabelschaltung 53 als auch die vom Sensormodul 55 unterstützten
Funktionen. Insbesondere weiß der Mikrokontroller 54 aus
der Antwort des Sensormoduls 55, welche alternativen Kodierungsverfahren
abgesehen von NRZ durch das Sensormodul 55 unterstützt
werden. Der Mikrokontroller 54 kann jetzt entscheiden,
ob die Kommunikation zwischen der Kabelschaltung 53 und
dem Sensormodul 55 auf ein anderes Kodierungsverfahren umgestellt
werden soll, und welches Kodierungsverfahren für diese
Kommunikation in Zukunft verwendet werden soll.
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Es
soll angenommen werden, dass der Mikrokontroller die Entscheidung
trifft, die Kodierung der über die kontaktlose Schnittstelle übertragenen Telegramme
in Zukunft mittels des Kodierungsverfahrens „8B10B" vorzunehmen,
das sowohl von der Kabelschaltung 53 als auch vom Sensormodul 55 unterstützt
wird. Für die Datenübertragung über die kontaktlose
Schnittstelle bietet das Kodierungsverfahren 8B10B im Vergleich
zu NRZ verschiedene Vorteile. Ein Vorteil ist, dass ein gemäß 8B10B
kodiertes Signal einen konstanten Gleichspannungsanteil aufweist,
während bei NRZ der Gleichspannungsanteil variabel ist.
Deshalb kommt es bei Verwendung von NRZ bei der Datenübertragung über
die kontaktlose Schnittstelle unter Umständen zu einem
Ausgleich des Mittelwerts der Spannung durch Längskondensatoren,
und dies kann Übertragungsfehler verursachen. Daher eignen
sich Übertragungsverfahren wie 8B10B oder die Manchester-Kodierung, bei
denen der Gleichspannungsanteil konstant ist, besser für
eine zuverlässige Datenübertragung über die
kontaktlose Schnittstelle.
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In
einem dritten Schritt 60 veranlasst der Mikrokontroller 54 das
Sensormodul 55 zur Umstellung auf 8B10B als neues Kodierungsverfahren.
Einem Telegramm 61, das die Kabelschaltung 53 vom
Messumformer 51 empfängt, wird ein entsprechender Umschaltbefehl
aufkodiert. Zu diesem Zweck beschreibt der Mikrokontroller 54 unbenutzte
Bits des Telegramms 61. Das modifizierte Telegramm 62 wird zum
Sensormodul 55 übermittelt. Es ist festzuhalten, dass
auch im dritten Schritt 60 die gesamte Kommunikation noch
entsprechend dem Kodierungsverfahren NRZ kodiert ist.
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Auf
Seiten des Sensormoduls 55 wird das von der Kabelschaltung 53 empfangene
Telegramm 62 analysiert, und der in diesem Telegramm enthaltene
Umschaltbefehl wird erkannt. Entsprechend diesem Umschaltbefehl
wird in einem vierten Schritt 63 die Datenübertragung
zwischen der Kabelschaltung 53 und dem Sensormodul 55 auf
das neue Kodierungsverfahren 8B10B umgestellt. Das nächste
Telegramm 64, das vom Sensormodul 55 an die Kabelschaltung 53 gesendet
wird, ist bereits gemäß dem Kodierungsverfahren
8B10B kodiert. Da ab jetzt die gesamte Datenübertragung über
die kontaktlose Schnittstelle gemäß dem Kodierungsverfahren 8B10B
abgewickelt wird, wird die Zuverlässigkeit der Datenübertragung
zwischen der Kabelschaltung 53 und dem Sensormodul 55 verbessert.
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Auf
Seiten der Kabelschaltung 53 wird das Telegramm 64 empfangen
und durch den Mikrokontroller 54 ausgewertet. Anschließend
sendet der Mikrokontroller 54 die empfangenen Daten als
Telegramm 65 zum Messumformer 51 weiter. Dabei
kann auf der Übertragungsstrecke zwischen der Kabelschaltung 53 und
dem Messumformer 51 weiterhin das bisherige Kodierungsverfahren
NRZ verwendet werden. Die Datenübertragung zwischen der
Kabelschaltung 53 und dem Messumformer 51 erfolgt über ein
Kabel, so dass es auf dieser Übertragungsstrecke auch bei
Verwendung von NRZ als Kodierungsverfahren nicht zu Übertragungsproblemen
kommt. Kritisch ist in erster Linie die Datenübertragung über
die kontaktlose Schnittstelle, bei der die Verwendung eines alternativen
Kodierungsverfahrens zu einer Verbesserung der Übertragungsqualität
führt.
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Durch
Einschleifen des Mikrokontrollers 54 in den Signalpfad
der Kabelschaltung 53 lässt sich flexibel ein
geeignetes Kodierungsverfahren für die Datenübertragung
zwischen der Kabelschaltung 53 und dem Sensormodul 55 aushandeln.
Durch Verwenden eines vorteilhaften Kodierungsverfahrens wie beispielsweise
8B10B- Kodierung oder Manchester-Kodierung kann die Zuverlässigkeit
der Datenübertragung über die kontaktlose Schnittstelle verbessert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10218606
A1 [0004]
- - DE 10313639 A1 [0005]