DE102012214699A1

DE102012214699A1 - Elektronische Bestückungsleiterplatte mit einem Funkslave-Speicherbauelement

Info

Publication number: DE102012214699A1
Application number: DE201210214699
Authority: DE
Inventors: Christian Schreiter
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2013-02-21
Also published as: DE102012214693A1; DE102012016266A1

Abstract

Leiterplatte (1) für ein und/oder in einem Sensorgerät (10), insbesondere für ein und/oder in einem Näherungssensorgerät (10) oder einen/einem Näherungsschalter (10), der Automatisierungstechnik und/oder industriellen Meß- und Steuertechnik zur Ausgabe von Prozeßdaten in Form von be- bzw. verarbeiteten Messwerten und/oder daraus abgeleiteten Signalen, insbesondere Schaltsignalen, mindestens eines Sensorgerät-(10-)internen Sensors als Meßschnittstelle zu einem Automatisierungs- und/oder industriellen Prozeß, wobei auf der Leiterplatte (1, 1h) mehrere elektronische und/oder elektrische Komponenten (12, 12e, 12a), insbesondere auch mindestens ein manuelles Eingabebauelement (12e) wie Taster, Schalter oder Potentiometer, befestigt, gelötet und über die Leiterbahnen elektrisch miteinander bzw. mit den anderen Komponenten (12) bzw. mit den Sensorgerät-(10-)-in- oder -externen Anschlüssen (1n, 1ni, 1ne) der Leiterplatte (1, 1h) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte für ein und/oder in einem Sensorgerät, insbesondere für ein und/oder in einem Näherungssensorgerät oder einen/einem Näherungsschalter, der Automatisierungstechnik und/oder industriellen Meß- und Steuertechnik zur Ausgabe von Prozeßdaten in Form von be- bzw. verarbeiteten Messwerten und/oder daraus abgeleiteten Signalen, insbesondere Schaltsignalen, mindestens eines Sensorgerät-internen Sensors als Meßschnittstelle zu einem Automatisierungs- und/oder industriellen Prozeß.
In automatisierten Produktionsabläufen ist der Einsatz von Sensoren als Informationsgeber Voraussetzung. Sie senden die notwendigen Signale über Positionen, Endlagen, Füllstände, oder dienen als Impulsgeber. Ohne zuverlässig arbeitende Sensoren ist die beste Steuerung nicht in der Lage, Prozesse zu kontrollieren. Generell bestehen all diese Sensoren aus zwei Komponenten: Die erste registriert die Änderung physikalischer Zustände (Elementarsensor), die zweite setzt die Signale des Elementarsensors in elektrische Ausgangssignale um (Signalverarbeitung). Man unterscheidet allgemein zwischen so genannten binären Sensoren, die ein eindeutiges Hoch-Niedrig-Signal schalten, und sogenannten analogen Sensoren, die vorzugsweise in der Messtechnik zur Temperatur-, Weg-, Druck-, Kraftmessung usw. eingesetzt werden. Hierbei gibt der Sensor ein analoges Signal ab, welches zur Messung und Regelung weiter ausgewertet wird. Im Bereich der Prozessmesstechnik ist es auch üblich, dass das Sensorgerät ein analoges und ein Schalt-Ausgangssignal abgibt. Derartige Sensorgeräte sind durch den Benutzer mittels Tasten und/oder Potentiometern bedienbar, d.h. es können Gerätdaten, wie Parametrierdaten, in das Gerät eingegeben oder aus dem Gerät visuell ausgelesen, falls es über eine entsprechende Anzeige verfügt, siehe z.B. DE19808878B4 . Andererseits gibt es von einem Steuergerät (Master) ansprechbare netzwerkfähige Sensorgeräte wie ASi- und IO-Link-Sensor- bzw. Slavegeräte mit mindestens einem elektronischen nichtflüchtigen Speicher, deren Ausgangsanschlüsse modulierte bzw. bearbeitete Messwertdaten oder daraus abgeleitete Signale ausgeben können und die zugleich für die bidirektionale Kommunikation über diese Anschlüsse mit einem Steuergerät (IO-Link oder ASi-Master) geeignet sind. Über diese Anschlüssen können Nichtprozeßdaten wie Gerätdaten, z.B. Konfigurationsdaten, ein- und/oder ausgelesen werden. Diese Sensorgeräte erfordern jedoch einen höheren Material- und Softwareaufwand, sie sind somit teurer als einfache Näherungsschalter und Sensorgeräte.
Aufgabe der Erfindung ist es, Nichtprozeßdaten effektiv und einfach in einen Speicher eines vorzugsweise preiswerten und somit nichtnetzwerkfähigen elektronischen Sensorgerätes bzw. Näherungsschalters zu bringen, die durch ein Anzeigebauelement der Leiterplatte bzw. des zugehörigen Sensorgerätes direkt oder bearbeitet anzeigbar sind.
Die Erfindung ist gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Die Leiterplatte bzw. das daraus entstehende bzw. entstandene Sensorgerät weist mindestens einen Sensor auf, dessen Sensorsignale mittels einer Bearbeitungsseinheit der Leiterplatte transformiert und mittels einer Ausgabeeinheit bzw. einer Transistorendstufe an ein Steuergerät, z.B. eine SPS, ausgebbar sind. Der Sensor ist die Meßschnittstelle zu einem Automatisierungs- und/oder industriellen Prozeß. Auf der Leiterplatte sind mehrere elektronische und/oder elektrische Komponenten, insbesondere auch mindestens ein manuelles Eingabebauelement wie Taster, Schalter oder Potentiometer, befestigt, gelötet und über die Leiterbahnen elektrisch miteinander bzw. mit den anderen Komponenten bzw. mit den Sensorgerät-in- oder -externen Anschlüssen der Leiterplatte verbunden ist. Außerdem weist die Leiterplatte u.a. auf:

a) einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller oder ein IC in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers,
b) besagte elektronische Bearbeitungseinheit zur Bearbeitung und/oder Umformung der Meßsignale und/oder zur Ableitung von Sekundärsignalen, insbesondere Schaltsignalen, dieses Sensors und zur Übergabe solcher Signale an
c) eine elektronische oder elektrische Ausgabeeinheit. Diese hat vorteilhafterweise eine elektronische oder elektrische Endstufe zur Signalformung und/oder Verstärkung mit Anschlüssen für die binäre, digitale oder analoge Ausgabe der Prozeßdaten an ein Steuergerät wie SPS, IO-Link-Master oder Ähnliches.

Wesentlich ist, dass mindestens ein elektronisches Speicherbauelement mit einem Arbiter, einem Transponder als Funkslave und einem nichtflüchtiger Speicher vorhanden ist. Das Speicherbauelement ist zweikanalig ist, wobei zwei erste Kanäle für den funk-seitigen Energie- und Daten-Anschluß vorhanden sind und zwei zweite Kanäle für den gerätseitigen Energie- und Daten-Anschluß an das Master-Slave-Bussystem eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers. Dieser kann vom Funkmaster (im stromlosen Zustand der Leiterplatte) eingeschriebene Nichtprozeßdaten, wie z.B. Herstellungsdaten, Typschilddaten und die Seriennummer, des Sensor-Gerätes aus dem gemeinsamen Speicher im betriebsbereiten Zustand auslesen, d.h. wenn die Hauptstromversorgung verfügbar ist. Das Speicherbauelement hat neben dem Arbiter eine integrierte Hilfsstromversorgung. Diese ermöglicht es dem Speicherbauelement im Zusammenspiel mit der Antenne des Slavegerätes, dass unabhängig vom Zustand „Fehlende Betriebsspannung“ hinsichtlich der Hauptstromstromversorgung des Speicherbauelementes und/oder des Sensorgerätes über die Luftstrecke der Funkschnittstelle das Speicherbauelement mit soviel elektrischer Antenne-Energie aus der Sendeenergie des in der Nähe des Sensorgerätes befindlichen Funkmasters versorgt werden kann bzw. versorgt ist, dass diese Nichtprozeßdaten in den nichtflüchtigen Speicher schreiben und/oder ausgelesen werden können. Dies setzt voraus, dass der Funkmaster vom Sensorgerät über diese Funkstrecke die Genehmigung zum Schreiben und/oder Auslesen erhalten hat. Nichtprozeßdaten, die vom Funkmaster erhalten und eingelesen wurden, können zumindest vom IC über diese Drahtschnittstelle des Speicherbauelementes, vorzugsweise auch über die Kommunikationsleitung, im betriebsfähigen Zustand des ICs und/oder des Sensorgerätes datenseriell ausgelesen werden. Dazu ist der IC oder Mikroprozessor bzw. Microcontroller als Master und das Speicherbauelement als Slave eines Master-Slave-Datenbusses ausgebildet. Standardisierte und etablierte, preiswerte Systeme sind vorzugsweise: RS232, SPI, SCI oder IIC/I2C. Da zur Erfüllung von Aufgaben des Slavegerätes ein Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller aufgrund seiner sehr guten Preis-Leistungsverhältnisses vorteilhaft einsetzbar ist, kann dieser gleichzeitig auch als Master dieses Master-Slave-Bussystems eingesetzt werden.
Im Folgenden werden einige Anwendungen und Vorteile der Erfindung aufgezählt:
Immer mehr Sensorgeräte enthalten programmierbare Mikrorechner (Microcontroller oder Mikroprozessoren). Die Funktionalität wird dadurch in steigendem Maße durch die Firmware in diesen Geräten bestimmt. In der Produktion werden oft zunächst nur Grundgeräte hergestellt, die erst im letzten Produktionsschritt die eigentliche Funktionalität durch Herunterladen der richtigen Firmware und anschließende Kalibrierung erhalten. Gegenwärtige nichtnetzwerkfähige Leiterplatten bzw. Sensorgeräte bzw. solche, die keine slavegerät-Leiterplatten bzw. Slavegeräte sind, haben selten eine Programmierschnittstelle, die für die Rückverfolgung bei Chargen- oder Bauteilefehlern sind Serien- oder Chargennummern und deren Zuordnung zu den Produktionsdaten sinnvoll und/oder einsatzfähig wäre. Diese Rückverfolgung erfordert bei den üblichen entkoppelten Produktionsschritten einen hohen, aber trotzdem fehleranfälligen, administrativen Aufwand. Um diesen Aufwand zu vermeiden, erhalten Leiterplatten und/oder Sensorgeräte oft mehrere an den jeweiligen Bauteilen aufgedruckte oder aufgeklebte Seriennummern, die nur schwer oder gar nicht auszuwerten sind. Um eine sichere Überprüfung der Firmware-Version einer eingelagerten Leiterplatte bzw. eines eingelagerten Sensorgerätes vornehmen zu können, muss es elektrisch an ein Diagnosewerkzeug angeschlossen werden. Die auf dem Teil oder dessen Verpackung aufgedruckten Versionsnummern können fehlerhaft sein. Parametrierbare Funktionalitäten sollen dem Anwender solcher Einheiten einen größeren Nutzen bieten. Um die neuen einstellbaren Funktionalitäten Anwender-seitig nutzen zu können, erhalten die Sensorgeräte Kommunikationsschnittstellen, die zudem immer preisgünstiger realisierbar sind. Für die Identifikation von Bestückleiterplatten und/oder Sensorgeräten mit derartigen Leiterplatten sind beim Zusammenbau eines Sensorgerätes und/oder bei Inbetriebnahme und Betrieb einer Anlage eindeutige Kennzeichen wie Adressen und Betriebsmittelkennzeichen (BMKZ) immer wichtiger.
In der RFID-Technik, die auch bei Sensorgeräten Anwendung findet, gibt es sehr viele Varianten und Lösungen. Die RFID-Transponder unterscheiden sich zunächst je nach Übertragungsfrequenz, Hersteller und Verwendungszweck voneinander. Der Aufbau eines RFID-Transponders sieht prinzipiell eine Antenne, einen analogen Schaltkreis zum Empfangen und Senden (Transceiver), sowie einen digitalen Schaltkreis und einen permanenten Speicher vor. Der digitale Schaltkreis besitzt bei komplexeren Modellen eine Von-Neumann-Architektur. RFID-Transponder verfügen mindestens über einen einmal beschreibbaren und oft lesbaren Speicher, der ihre unveränderliche Identität enthält. RFID-Transponder können über einen mehrfach beschreibbaren Speicher verfügen, in den während der Lebensdauer Informationen abgelegt werden können. Nach Anwendungsgebiet unterscheiden sich auch die sonstigen Kennzahlen, wie z. B. Taktfrequenz, Übertragungsrate, Lebensdauer, Kosten pro Einheit, Speicherplatz, Lesereichweite und Funktionsumfang.
Prinzipiell funktioniert die RFID-Kommunikation folgendermaßen: Das Lesegerät (Reader) erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, welches die Antenne des RFID-Transponders (RFID-Tag) beleuchtet. In der Antennenspule entsteht, sobald sie in das elektromagnetische Feld kommt, ein Induktionsstrom. Dieser Strom wird gleichgerichtet und damit ein Kondensator als Kurzzeitspeicher aufgeladen, welcher für den Lesevorgang die Stromversorgung des Chips besorgt. Diese Versorgung übernimmt bei aktiven Tags eine eingebaute Batterie. Bei halb-aktiven Tags übernimmt die Batterie lediglich die Versorgung des Mikrochips. Der so aktivierte Mikrochip im RFID-Tag decodiert die vom Lesegerät gesendeten Befehle. Die Antwort codiert und moduliert dieser „Reader“ in das eingestrahlte elektromagnetische Feld durch Feldschwächung im kontaktfreien Kurzschluss oder gegenphasige Reflexion des vom Lesegerät ausgesendeten Feldes. Damit sendet das Tag seine eigene unveränderliche Seriennummer, weitere Nummern des gekennzeichneten Objekts oder andere vom Lesegerät abgefragte Daten. So sendet das Tag selbst kein Feld aus, sondern verändert nur das elektromagnetische Sendefeld des Readers. In der Betriebsfrequenz unterscheiden sich die HF-Tags mit Langwelle bei 128 kHz, mit Kurzwelle 13,56 MHz, mit UHF-Tags bei 865–869 MHz (Europäische Frequenzen) bis 950 MHz (US-Amerikanische und Asiatische Frequenzbänder) oder mit SHF-Tags bei 2,45 GHz oder 5,8 GHz: Regional (Asien, Europa, Amerika) unterscheiden sich die freigegebenen Frequenzen für LF-und UHF-Tags. HF-Tags verwenden Lastmodulation, das heißt, sie verbrauchen durch Kurzschließen einen Teil der Energie des magnetischen Wechselfeldes. Dies kann das Lesegerät, theoretisch aber auch ein weiter entfernter Empfänger, detektieren. Die Antennen eines HF-Tags bilden eine Induktionsspule mit mehreren Windungen. UHF-Tags hingegen arbeiten im elektromagnetischen Fernfeld zum Übermitteln der Antwort, das Verfahren nennt man Rückstreuung (engl. backscattering). Hier wird die elektromagnetische Welle entweder absorbiert (gegenphasiger Kurzschluss) oder mit möglichst großem gegenphasigen Rückstrahlquerschnitt reflektiert (Spiegel). Bei den UHF- oder SHF-Antennen handelt es sich meist um lineare, gefaltete oder spiralige Dipole, der Chip sitzt in der Mitte zwischen den linearen oder mehrfach gewinkelten Dipolarmen des RFID-Tags. Es gibt auch UHF-Tags ohne solche Antennen, deren Reichweite ist extrem kurz. Damit ein Tag sowohl horizontal als auch vertikal gelesen werden kann, verwendet man häufig zirkulare Polarisation. Diese reduziert zwar das Signal-Rausch-Verhältnis, dafür ist jedoch beim Bekleben der Ware in zwei Achsen irrelevant, in welcher Orientierung das Tag aufgeklebt wurde. Da Wasser die UHF-Energie sehr stark absorbiert und Metall diese elektromagnetischen Wellen sehr stark reflektiert, beeinflussen diese Materialien die Ausbreitung der Antennenfelder. Weiterhin ‚verstimmen‘ dielektrische Untergrundmaterialien die Resonanzfrequenz der Antennen, daher ist es notwendig, UHF-Tags möglichst genau auf die Materialien der gekennzeichneten Objekte abzustimmen. Die UHF- oder SHF-Technik sind erheblich komplexer ausgelegt als die LF- oder HF-Technik. Aufgrund ihrer Schnelligkeit können UHF- und SHF-Tags bei einer Passage erheblich längere Datensätze übertragen. Da die Energieversorgung des Mikrochips bei passiven Tags durch die Beleuchtung gedeckt werden muss (ein handelsüblicher UHF-Tag mit NXP-Chip nach ISO/IEC 18000-6C benötigt für den Chip etwa 0,35 Mikroampere an Strom), muss der Reader während des Lesevorganges ein hinreichend starkes Feld erzeugen. Diese Betriebsweise der Trägerwelle nennt man in der Hochfrequenztechnik Dauerstrich (engl. continuous wave = Dauerwelle). Aufgrund der Tatsache, dass die Feldstärke quadratisch mit der Entfernung abnimmt und diese Entfernung in beide Richtungen – vom Lesegerät zum Tag und retour – zurückgelegt werden muss, wird diese Dauerwelle hinreichend leistungsstark gesendet. Üblicherweise verwendet man hier zwischen 0,5 und 2 Watt EIRP Sendeleistung. Semi-aktive Tags kommen für gleiche Reichweite mit einem Hundertstel dieser Sendeleistung aus. Zum Auslesen der Tags stehen im UHF-Bereich zehn freie Kanäle zur Verfügung, zusätzlich oberhalb ein Kanal und unterhalb drei Kanäle, welche lediglich mit geringerer Leistung betrieben werden dürfen. Alle Kanäle erstrecken sich über eine Breite von 200 kHz. Die Funk-Antwort des UHF-Tags erfolgt durch Modulieren des Antwortsignals mit 200 kHz auf die Grundwelle.
Im Folgenden werden einige Anwendungen und Vorteile der Erfindung aufgezählt:
Immer mehr Netzwerk-Geräte enthalten programmierbare Mikrorechner (Microcontroller). Die Funktionalität wird dadurch in steigendem Maße durch die Firmware in diesen Geräten bestimmt. In der Produktion werden oft zunächst nur Grundgeräte hergestellt, die erst im letzten Produktionsschritt die eigentliche Funktionalität durch Download der richtigen Firmware und anschließende Kalibrierung erhalten. Für die Rückverfolgung bei Chargen- oder Bauteilefehlern sind Serien- oder Chargennummern und deren Zuordnung zu den Produktionsdaten nötig. Diese Rückverfolgung erfordert bei den üblichen entkoppelten Produktionsschritten einen hohen, aber trotzdem fehleranfälligen, administrativen Aufwand. Um diesen Aufwand zu vermeiden erhalten Geräte oft mehrere an den jeweiligen Bauteilen aufgedruckte oder aufgeklebte Seriennummern, die nur schwer oder gar nicht auszuwerten sind. Um eine sichere Überprüfung der Firmware Version eines eingelagerten Slasvegerätes vornehmen zu können, muss das Gerät elektrisch an ein Diagnosetool angeschlossen werden. Die auf dem Gerät oder der Verpackung aufgedruckten Versionsnummern können fehlerhaft sein. Parametrierbare Funktionalitäten sollen dem Anwender der Geräte einen größeren Nutzen bieten. Um die neuen einstellbaren Funktionalitäten Anwenderseitig nutzen zu können, erhalten die Geräte Kommunikationsschnittstellen, die zudem immer preisgünstiger realisierbar sind. IO-Link ist eine sehr preisgünstige Kommunikationsschnittstelle. Dadurch steigt die Anzahl Parametrierbarer und Diagnosefähiger Geräte in Anlagen sprunghaft an. Für die Identifikation der Geräte bei Inbetriebnahme und Betrieb einer Anlage sind daher eindeutige Kennzeichen wie Betriebsmittelkennzeichen (BMKZ) immer wichtiger. Die mechanische Montage von Anlagen erfolgt meist nicht durch den für die Inbetriebnahme zuständigen Programmierer und oft ohne Anbindung an den zentralen Steuerschrank. Daher wird die Adressierung der Geräte erst im bereits montierten Zustand über den Master (aktiver Teilnehmer) bzw. IO-Link-Master oder durch Verbindung von Gerät (passiver Teilnehmer) mit einem speziellen Programmierkabel ausgeführt. Die Betriebsmittelkennzeichen werden ausgedruckt und mechanisch am Gerät angebracht. Diese BMKZ können beschädigt werden oder sogar verloren gehen. Die erhöhten Qualitäts- und Garantie-Ansprüche an Gerätehersteller und an Anlagenhersteller erfordern eine Überwachung der verwendeten Geräte, um die Verwendung minderwertigerer Geräte in Form von Fälschungen ausschließen zu können. Dazu könnten RFID-Transponder in Geräte eingebaut werden, welche bei Überprüfungen in der Anlage oder in Rückläufern ausgelesen und verifiziert werden können. Das Auslesen ist ausschließlich durch ein RFID-Lesegerät möglich, die zentrale Systemdiagnose hat keinen Zugriff auf diese Daten. Für den Endanwender ergibt sich allerdings kein direkter Nutzen aus dieser RFID-Lösung, daher ist die Akzeptanz gering. Aus diesem Grund wird diese Funktionalität bisher nicht bei IO-Link-Systemen eingesetzt. Im Fall eines mechanischen oder elektrischen Ausfalls eines Gerätes können die dort eingestellten Parameter wie auch die protokollierten Betriebsdaten meist nicht mehr ausgelesen werden. Die Diagnose der protokollierten Betriebsdaten ist dann nicht mehr möglich. Die Parametrierung von Austauschgeräten ist daher nur dann möglich, wenn diese Einstellungen im überlagerten System gesichert wurden. Eine zentrale Diagnose erleichtert die Fehlersuche im System, ist aber bei IO-Link- und anderen derartigen Systemen nur sehr begrenzt verfügbar. Die Diagnose vor Ort erfordert aber immer noch ein manuelles Bedieninterface am Endgerät. Expertensysteme als Diagnosehilfe im Endgerät erfordern viel Aufwand im Gerät und erfordern ebenso ein Bedieninterface. Durch die Erfindung ist es ohne die Dichtigkeits- oder Komfortprobleme der bekannten Lösungen u.a. auch möglich, drahtlos mittels einer preiswerten Technologie, vorzugsweise in Form der RFID-/NFC-Geräte, gerätspezifische Daten als Nichtprozeßdaten ein- und auszulesen und gleichzeitig Ein- und Auslesemöglichkeiten über die drahtgebundene Hauptkommunikationsschnittstelle (Punkt-zu-Punkt-Verbindungsschnittstelle) bereitzustellen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1: Eine erfindungsgemäße starre, bestückte und gelötete Hauptleiterplatte 1h vor dem Zusammenbau zu einem elektronischen Sensorgerät 10 mit einer Hilfsleiterplatte 1, Bauelementen 12, einem Anzeigebauelement 12a, einem Einstellbauelement 12e, einem Mikroprozssor-IC 1m und einem Speicherbauelement-ASIC 20 in Form eines Funk-Doppelkanal-ASICs mit einer integrierten Antenne, dessen mehrmals beschreibbarer elektronischer EEPROM-Speicher mittels eines Funkmasters 40 mit Nichtprozeßdaten, vorzugsweise Typschild-, Herstellungs- und Bauelementedaten und/oder Betriebssoftware, beschrieben werden kann bzw. beschrieben ist.
2: Querschnittsdarstellung eines zylinderförmigen Sensorgerätes 10 mit einer erfindungsgemäßen flexiblen, bestückten und gelöteten Hauptleiterplatte 1h mit Bauelemente 12, einen Anzeigebauelement 12a, einem Einstellbauelement 12e einem Microcontroller-IC 1m und einem Funk-Doppelkanal-ASIC 20 mit Antenne auf dem Gehäuse des ASICs 20, wobei die flexible Leiterplatte 1 partiell auf einem starren Hilfsträger befestigt ist und beide vom Gehäusemantel des Sensorgerätes 10 umgeben sind
Nachfolgend wird die Erfindung weitergehend erläutert:
Die Leiterplatte 1 ist für ein elektronisches Sensorgerät 10 geeignet, insbesondere für ein Näherungssensorgerät 10 oder einen Näherungsschalter 10 der Automatisierungstechnik und/oder industriellen Meß- und Steuertechnik zur Ausgabe von Prozeßdaten in Form von be- bzw. verarbeiteten Messwerten und/oder daraus abgeleiteten Signalen, insbesondere Schaltsignalen. Die Leiterplatte 1 und/oder das Sensorgerät 10 mit einer solchen Leiterplatte 1 weist mindestens einen Sensor auf, dessen Sensorsignale mittels einer Bearbeitseinheit der Leiterplatte 1 transformiert und mittels einer Ausgabeeinheit 12a bzw. einer Transistorendstufe 12a an ein Steuergerät 30, z.B. eine SPS, ausgebbar sind. Der Sensor ist die Meßschnittstelle zu einem Automatisierungs- und/oder industriellen Prozeß. Auf der Leiterplatte 1 sind mehrere elektronische und/oder elektrische Komponenten 12, 12e, 12a, insbesondere auch mindestens ein manuelles Eingabebauelement 12e wie Taster, Schalter oder Potentiometer, befestigt, gelötet und über die Leiterbahnen elektrisch miteinander bzw. mit den anderen Komponenten 12 bzw. mit den Sensorgerät-10-in- oder -externen Anschlüssen 1n, 1ni, 1ne der Leiterplatte 1, 1h verbunden ist. Außerdem weist die Leiterplatte 1 auf:

a) einen Mikroprozessor 1m oder Mikrocontroller 1m oder ein IC 1m in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers,
b) besagte elektronische Bearbeitungseinheit 1t zur Bearbeitung und/oder Umformung der Meßsignale und/oder zur Ableitung von Sekundärsignalen, insbesondere Schaltsignalen, dieses Sensors und zur Übergabe solcher Signale an
c) eine elektronische oder elektrische Ausgabeeinheit 1ta. Diese hat vorteilhafterweise eine elektronische oder elektrische Endstufe zur Signalformung und/oder Verstärkung mit Anschlüssen 1n, 1ne für die binäre, digitale oder analoge Ausgabe der Prozeßdaten an ein Steuergerät 30 wie SPS, IO-Link-Master oder Ähnliches.

Weiterhin sind vorhanden:

a) mindestens ein elektronischer nichtflüchtiger Speicher,
b) Anschlüsse 1n, 1ni, 1ne für die elektrische Verbindung der Leiterplatte 1, 1h mit Sensorgerät-in- und/oder -externen Geräten, Teilen, Komponenten 12 bzw. Bauteilen 12. Dies kann z.B. sein: Anschlußleitung, LED, Anzeigebauelement 12a, Einstellbauelement 12e, Potentiometer 12e u.Ä.,
c) elektrische Anschlüsse 1n, 1ni und/oder Komponenten 12 für die Hauptspannungsversorgung der Leiterplatte 1, 1h bzw. seiner Komponenten 12 mittels einer externen Betreibsspannungsversorgung und/oder einer (hilfsweisen) Betriebsspannungsversorgung mittels einer auf der Leiterplatte 1, 1h befestigten Batterie oder eines Akkumulators,
d) Anschlüsse 1n für die kabelgebundene datenserielle Ausgabe (elektrisch und/oder optisch) dieser transformierte Prozeßdaten an das Steuergerät.

12

20

1

1m

Weitere Merkmale sind:

a) Das IC 1m bzw. der Mikroprozessor 1m bzw. der Mikrocontroller 1m ist der Master und das Speicherbauelement 20 der Slave eines drahtgebundenen Master-Slave-Datenbusses. Geeignet und üblich sind insbesondere RS232, SPI, SCI oder IIC/I2C.
b) Dieses Speicherbauelement 20 weist neben dem Drahtslave eine weitere, funk- und antennebasierte Speicherzugriffsschnittstelle (Funkschnittstelle) für einen Sendefrequenzbereich eines speicherschreibfähigen Funkmasters 40 von 0,5 bis 2000 GHz als Eingang für den in das Speicherbauelement integrierten Transponder auf und stellt somit auch einen Funkslave dar. Das Speicherbauelement speichert ausschließlich Nichtprozeßdaten, vorzugsweise Produktions- und/oder Identifizierungs-Daten der Leiterplatte 1 und/oder Ihrer Bestandteile/Komponenten 12, elektronische Typschilddaten, Konfigurations- und/oder Parametrierungs-Software und/oder -Daten. Diese Nichtprozeßdaten sind vom Funkmaster 40 über eine Luftstrecke und diese Funkschnittstelle datenseriell in diesen nichtflüchtigen Speicher schreibbar.
c) Das Speicherbauelement 20 hat neben dem Transponder und einem Arbiter eine Hilfsspannungsversorgung, die es dem Speicherbauelement 20 im Zusammenspiel mit der Antenne als Eingang des Transponders ermöglicht, über die Luftstrecke der Funkschnittstelle das Speicherbauelement 20 mit soviel elektrischer Antenne-Energie aus der Sendeenergie des in der Nähe des Speicherbauelementes 20 befindlichen Funkmasters 40 versorgt zu werden bzw. versorgt zu sein, um diese Nichtprozeßdaten in den nichtflüchtigen Speicher allein mit dieser Hilfsenergie zu schreiben. Im betriebsfähigen, ggf. komplettierten Zustand der Leiterplatte 1, d.h. mit Hilfe der Hauptspannungsversorgung, sind diese Nichtmeßwertdaten, zumindest ein Teil davon, die vom Funkmaster 40 erhalten und in den nichtflüchtigen Speicher eingelesen wurden, vom Master-Slave-Bussystem des ICs 1m bzw. Mikroprozessors 1m bzw. Mikrocontrollers 1m über diese Drahtschnittstelle des Speicherbauelementes 20 auslesbar. Sie werden anderen Komponenten 12 der Leiterplatte 1, insbesondere dem Anzeigebauelement 12a der Leiterplatte 1, 1h oder des Sensorgerätes und/oder oder deren Anschlüssen 1ne für die kabelgebundene datenserielle Ausgabe (elektrisch und/oder optisch) dieser Nichtprozeßdaten an das Steuergerät 30, zur Ausgabe/Verarbeitung/Anzeige verfügbar gemacht.

Vorteilhaft ist, wenn das der Funkübertragung zwischen Funkmaster 40 und dem Transponder zugrundeliegende Protokoll bzw. System für die Übertragung der Nichtmeßwertdaten nicht mit dem der drahtbasierten Verbindung zwischen dem IC 1m und den entsprechenden Anschlüssen 1n der Leiterplatte 1 zur direkten oder indirekten elektrischen, kabelgebundenen elektrischen und/oder optischen Verbindung mit dem Steuergerät (SPS) identisch ist, d.h. das systemverschiedene Protokolle bzw. Standards verwendet bzw. implementiert sind, weil jedes Master-Slave-System spezifische Vor- und Nachteile hat und die Nutzung etablierter, standardisierter und weitverbreiteter Master-Slave-Systeme wie RFID- und NFC-basierter Systeme zumindest Konstenvorteile bringt. Günstig ist es, wenn das Funkprotokoll bzw. -System ein RFID- oder NFC-basiertes ist, wobei der Transponder vorzugsweise ausgebildet ist für eine steuerschalterbasierte Kurzschluß-Modulation des vom Funkmaster 40 generierten elektromagnetischen Feldes als Transponder-Sendeenergie-freie Form der Nichtprozeßdatenübermittlung durch den Transponder an den Funkmaster 40.
Eine weitere erfindungegemäße Variante besteht, darin, dass die Leiterplatte 1 so gestaltet ist, dass der Funkmaster 40 Nichtprozeßdaten aus dem Speicherbauelement 20 über diese Funkstrecke nur einlesen kann bzw. darf, wenn er zuvor Speicherzugriffsrechte-relevante Daten aus dem Speicherbauelement 20 ein- und ausgelesen hat und durch dieses Ein- und Auslesen entweder das Schreiben vom Speicherbauelement 20 freigegeben wurde und/oder der Funkmaster 40 erkannt hat, dass er berechtigt ist zum Schreiben von Nichtmeßwertdaten in den nichtflüchtigen Speicher.
Eine weitere erfindungegemäße Variante besteht, darin, dass die Platine 1, 1h eine flexible Leiterplatte 1, 1h ist, die im gebogenen, gefalteten oder gerollten Zustand in dem Gehäuse eines Sensorgerätes 10, insbesondere eines Näherungssensorgerätes oder Näherungsschalters, fixierbar ist, und/oder die Hauptplatine 1h eines Sensorgerätes 10 ist, insbesondere eines Näherungssensorgerätes oder Näherungsschalters, und/oder mittels der Platine 1 in deren betriebsbereitem Zustand ein Aktor zur Beeinflussung eines Automatisierungs- und/oder industriellen Prozesses steuerbar ist, wobei vorzugsweise der Sensor und der Aktor Bestandteile des selben Automatisierungs- und/oder industriellen Prozesses sind.
Eine weitere erfindungegemäße Variante besteht, darin, dass im betriebsbereiten Zustand der Leiterplatte 1 über die elektrischen und/oder optischen Anschlüsse 1n der Leiterplatte 1 für das Steuergerät 30 Nichtprozeßdaten datenseriell über das IC 1m bzw. den Mikrocontroller 1m bzw. den Mikroprozessor 1m in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes 20 übertragbar und einlesbar sind und diese Nichtprozeßdaten vom einem geeigneten und berechtigten Funkmaster 40 ausgelesen werden können, so dass auch das IC 1m bzw. der Mikrocontroller 1m bzw. der Mikroprozessor 1m Nichtprozeßdaten in diesen nichtflüchtigen Speicher schreiben kann und diese vom Busmaster des ICs 1m bzw. Mikrocontrollers 1m bzw. Mikroprozessors 1m in den nichtflüchtigen Speicher bzw. einen seiner Speicherbereiche geschriebenen bzw. schreibbaren Nichtprozeßdaten, über die Funkschnittstelle unabhängig vom Zustand „Fehlende Betriebsspannung“ des nichtflüchtigen Speichers und/oder der Leiterplatte 1 vom Funkmaster 40 ausgelesen werden können.
Eine weitere erfindungegemäße Variante besteht, darin, dass die Leiterplatte 1m IO-Link-fähig ist, d.h., dass im betriebsbereiten Zustand der Leiterplatte 1 Prozeßdaten über deren Anschlüsse zum Steuergerät (IO-Link-Master) übertragen werden können und die Leiterplatte ein IO-Link-Slave oder Teil eines IO-Link-Slaves eines IO-Link-Systems ist.
Eine weitere erfindungegemäße Variante besteht, darin, dass das IC 1m in das ASIC 20 integriert ist und/oder, dass die Leiterplatte 1 ein Sensor-ASIC aufweist, in das zumindest die Bearbeitungseinheit 1t und/oder die Endstufe und/oder die Ausgabeeinheit 1ta mit der Endstufe, zumindest ein Teil einer oder mehrerer dieser Einheiten 1t, 1ta, integriert ist und das Sensor-ASIC ebenfalls in das ASIC 20 integriert ist
Eine weitere erfindungegemäße Variante besteht, darin, dass ein funktionsmodularer Verbund von mehreren übereinanderliegenden Funktionsleiterplatten 1 vorhanden ist, von denen eine Leiterplatte 1 die Kommunikationsleiterplatte 1 mit dem Speicherbauelement 20 und der Antenne und ggf. weiteren Komponenten 12 ist für die funk-basierte Übertragung der Nichtprozeßdaten.
Ein erfindungsgemäßes System der Automatisierungstechnik für die datenserielle bidirektionale Übertragung von Nichtprozeßdaten zwischen einem Funkmaster 40 und einer Leiterplatte 1 mit einem solchen Funkmaster und einer solchen Leiterplatte mit einem Funkslave im Speicherbauelement 20 hat verschiedene Vorteile, u.a., dass es eine recht universelle Schnittstelle hat bzw. bildet, die die Übertragung auch größerer Mengen von Nichtprozeßdaten ohne eine kabelgebundenen elektro- bzw. optomechanische Schnittstelle in den nichtflüchtigen Speicher der Leiterplatte 1, 1h ermöglicht, auch wenn diese bzw. einige ihrer Kompenenten 12 stromlos ist/sind. Nichtprozeßdaten können vom Funkmaster 20 über diese Funkschnittstelle datenseriell in diesen nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes 20 ein- und ausgelesen werden. Nichtprozeßdaten, die vom Funkmaster 40 in diesen nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes 20 eingelesen wurden, können im Zustand „Vorhandene Betriebsspannung“ des ICs 1m bzw. des Mikrocontrollers 1m bzw. des Mikroprozessors 1m bzw. der Leiterplatte 1 vom Busmaster des ICs 1m bzw. des Mikrocontrollers 1m bzw. des Mikroprozessors 1m über diese Drahtschnittstelle des Speicherbauelementes 20 drahtgebunden datenseriell ausgelesen werden können. oder sind, und/oder, dass, Nichtprozeßdaten, die vom IC 1m bzw. Mikrocontroller 1m bzw. Mikroprozessor 1m in diesen nichtflüchtigen Speicher über dessen internes Bussystem datenseriell eingelesen wurden, unabhängig vom Zustand „fehlende Betriebsspannung“ des Speicherbauelementes 20 und/oder der Leiterplatte 1, vom diesem oder einem anderen berechtigten Funkmaster 40 ausgelesen werden können bzw. ausgelesen sind.
Eine Variante ist, dass dieses System so ausgebildet ist, dass im betriebsbereiten Zustand der Leiterplatte 1 Informationen als Nichtprozeßdaten, die manuell über Eingabebauelemente 12e wie z.B. Potentiometer, Taster und Schalter direkt oder indirekt über elektrische und/oder optische Anschlüsse 1n, 1ni der Leiterplatte 1 über das IC 1m bzw. den Mikrocontroller 1m bzw. den Mikroprozessor 1m in den nichtflüchtigen Speicher des Spéicherbauelementes 20 übertragbar und einlesbar sind, von einem geeigneten und berechtigten Funkmaster 40, insbesondere einem RFID-, NFC-fähigen Funkmaster 40, vorzugsweise einem entsprechenden Handy 40, ausgelesen werden können, so dass auch das IC 1m bzw. der Mikrocontroller 1m bzw. der Mikroprozessor 1m Nichtprozeßdaten in diesen nichtflüchtigen Speicher schreiben kann und diese vom Busmaster des ICs 1m bzw. Mikrocontrollers 1m bzw. Mikroprozessors 1m in den nichtflüchtigen Speicher bzw. einen seiner Speicherbereiche geschriebenen Nichtprozeßdaten, über die Funkschnittstelle unabhängig vom Zustand „Fehlende Betriebsspannung“ des Speicherbauelementes und/oder der Leiterplatte 1 vom Funkmaster ausgelesen werden können. Hierbei ist im Zustand „Fehlende Betriebsspannung“ die Hilfsenergie für den Betrieb des Speicherbauelementes bzw. der Einheiten, die für die drahtlose Übermittlung dieser Nichtprozeßdaten an den im Übertragungsbereich befindlichen Funkmaster 40 zuständig sind, allein aus der Sendeenergie des Funkmasters 40 gewinnbar. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Übertragung von Nichtprozeßdaten von einem Funkmaster 40, insbesondere einem RFID-, NFC-fähigen Funkmaster 40, vorzugsweise einem entsprechenden Handy 40, über einen Funkslave bzw. Transponder in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes 20 der Leiterplatte 1 bzw. Hauptleiterplatte 1h hat folgende Verfahrensschritte:

a) Senden von trägerwellebasierten, modulierten Signalen des maximal 30–50 cm, vorzugsweise nur 10–20 cm, vom Funkslave der Leiterplatte 1 bzw. Hauptleiterplatte 1h entfernten Schreib-Lese-Gerätes (Funkmaster 40) an den Funkslave mit einer Trägerfrequenz im Bereich von 0,5 bis 2000 GHz, wobei der Funkmaster 40 nur bis zu einer maximalen Funkslave-Entfernung von 30–50 cm, vorzugsweise von nur 10–20 cm, Nichtprozeßdaten in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes schreiben und/oder lesen kann,
b) Umwandlung der Sendeenergie der Trägerwelle in elektrische Energie durch das Speicherbauelement 20 für den Betrieb des Speicherbauelementes 20 einschließlich des Empfangens und Modulierens von Nichtprozeßdaten vom bzw. zum Funkmaster 40, ggf. auch zum Senden dieser Nichtprozeßdaten
c) Dekodieren der Sendesignale des Funkmasters 40 durch das Speicherbauelementes 20, vorzugsweise durch dessen den Transponder,
d) Rücksendung von Signalen des Funkslaves bzw. Transponders an den Funkmaster 40 allein mithilfe der transformierten Sendeenergie des Funkmasters 40,
e) Schreiben von Nichtprozeßdaten durch den Funkmaster 40 in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes 20, sofern der Funkmaster seine Schreibberechtigung für dieses Speicherbauelement 20 erkannt hat bzw. diese ihm vom Speicherbauelement mittels dieser Rücksendesignale übermittelt wurde,
f) Auslesen aller oder eines Teils dieser Nichtprozeßdaten durch das IC 1m bzw. den Mikrocontroller 1m bzw. den Mikroprozessor 1m im betriebsbereiten Zustand (Betriebsspannung bzw. Hauptversorgungsspannung vorhanden) mittels seines Busmasters über dessen Busleitungen, vorzugsweise wenn auch die Leiterplatte 1 im betriebsbereiten Zustand ist, insbesondere wenn das Sensorgerät 10 komplettiert und im betriebsbereiten Zustand ist.

Eine bevorzugte Variante besteht in der datenserielle Übertragung bzw. Zurverfügungstellung dieser vom Funkmaster gelieferten Nichtprozeßdaten zu bzw. an den entsprechenden Anschlüssen 1n, 1ne, 1ni der Leiterplatte 1, an denen direkt oder indirekt (über die sonstigen Anschlüsse des Sensorgerätes) diese Nichtprozeßdaten zur Verfügung gestellt werden bzw. an ein angeschlossenes und betriebsbereites Steuergerät, vorzugsweise eine SPS oder ein IO-Link-Master, weitergeleitet werden bzw. durch dieses diese Nichtprozeßdaten datenseriell abrufbar sind. Besonders geeignet sind etablierte, relativ preiswerte Kommunikationscerfahren wie RFID- und NFC-Verfahren. Hier ist die Anwendung der Antenne-Steuerschalter-basierten Kurzschluß-Modulation des vom Funkmaster 40 generierten elektromagnetischen Feldes als Transponder-Sendeenergie-freie Form der Nichtprozeßdatenübermittlung durch den Transponder bzw. Funkslave sehr vorteilhaft, weil der Transponder keine eigene energieintensive Trägerwelle erzeugen muß, sondern nur das Feld des sendenden Funkmasters kurzschlußmoduliert und der Funkmaster die Fähigkeit hat bzw. haben muß, diese Art der Modulation zu erkennen. Da es bereits Handys mit Bluetooth-Funktionen gibt, ist es günstig, ein solches Handy so auszuführen, dass es die Funktionen eines Funkmasters 40 für ein erfindungsgemäßes Slavegerät 10 bzw. ein erfindungsgemäßes Single-Master-Slave-System übernehmen und ausführen kann, d.h. insbesondere RFID- oder NFC-fähig ist. NFC ist eine, für sehr kurze Entfernung konzipierte, bidirektionale Funk Kommunikation, die ermöglicht, daß ein Leser kleine Datenmengen aus anderen aktiven Geräten oder passiven Medium (Tags, RFID Etiketten) liest, wenn man sie nahe genug zusammen bringt. Bei NFC beträgt der Leseabstand nur einige wenige Zentimeter.
Die neue, bezüglich des Transponder-Speicherbauelementes 20 zweikanalige Schnittstelle ermöglicht also in erfindungsgemäßen Sensorgeräten 20 und Systemen mit einem oder mehreren derartigen Geräten 20 folgende Funktionen:

a) Produktionsdaten zuordnen: Die Seriennummern können sofort nach PCB-Bestückung vergeben und in das Vor-Gerät (Leiterplatte, Platine) mittels des Funkmasters 40 geschrieben werden. Die Chargeninformationen und Firmware-Stände können bei den weiteren Produktionsschritten ebenso dort abgelegt bzw. aktualisiert werden.
b) Produktions- bzw. Herstellungsdaten-Verfolgung: Seriennummern und andere Produktdaten der bestückten und gelöteten Leiterplatte 1 sind während des gesamten Produktlebenslaufes der Leiterplatte und des Sensorgerätes mit einer derartigen Leiterplatte einfach auslesbar. Im Lager des Herstellers oder auch bei dessen Kunden sind die Daten auch durch die Verpackung hindurch erfassbar. Vor dem Versand kann bei Bedarf die Seriennummer durch die Verpackung hindurch gelesen und im Lieferschein festgehalten werden. Nach dem Einbau der Sensorgerätes 10 in eine Anlage können die Nichtprozeßdaten über das anzeigebauelement der Leiterplatte 1 und/oder des Sensorgerätes 10 einfach angezeigt und/oder über einen Funkmaster 40 ausgelesen werden.
c) In jeder Leiterplatte bzw. Sensorgerät 10 kann eine eindeutige Seriennummer, Herstellerkennung, Gerätebauart und andere Informationen elektronisch und dauerhaft zur Verfügung gestellt. Hier ist die frühe Hinterlegung der Seriennummer und/oder der Typschilddaten sehr vorteilhaft.
d) Gerätsoftware-/Firmware-aktualisierung: Bei geringem Firmwareumfang kann die Firmware über diese Schnittstelle in das Gerät übertragen werden, ohne das ein Minimalbetriebssystem oder ein Programmieradapter entwickelt werden muss. Solche Geräte könnten auch in der Verpackung auf einen neuen Firmwarestand gebracht werden. Alternativ bietet diese Schnittstelle auch die Möglichkeit,
g) Kundenspezifische Leiterplatten 1 bzw. Sensorgeräte 10v können über die zusätzliche Daten-Schnittstelle in Form der (RFID-/NFC-)Luftschnittstelle 21 in der Produktion, oder auch kurz vor Auslieferung, durch Laden von speziellen Parametern, erzeugt werden. Die Einstellung neuer Parameter vor Ort kann ohne Trennung vom Steuergerät

Zusammenfassend sind hier noch einmal die Vorteile der Erfindung aufgelistet:
Die Nichtprozeßdaten wie Sensorgerät- und/oder Leiterplatte-1-spezifischen Daten können neu eingeschrieben, überschrieben oder gelesen werden, auch wenn das Sensorgerät 10 bzw. das Slavegerät 10v stromlos ist. Eine Überprüfung des Lagerbestandes ist durch die Verpackung hindurch einfach und zuverlässig möglich. Der zum Adressieren und Konfigurieren benötigte Energiebedarf ist sehr gering, da nur der RFID-Transponder über die Transponder-Antenne mit Strom versorgt werden muss. Das mobile Programmierwerkzeug (RFID-Lesegerät 10) muss für die Dauer des Lesens und Schreibens von Daten nicht zusätzlich das Slavegerät 10 mit Strom versorgen, wodurch der Akkumulator dieses Gerätes mehr Schreib-/Lesevorgänge unterstützen kann. Das manuelle oder mechanische Anbringen der Seriennummer(n), Chargennummer(n) oder Betriebsmittelkennzeichen auf dem Gerät kann entfallen, weil es durch ein preiswertes elektronisches Anbringen abgelöst ist, das in jedem Schritt des Herstellungsprozesses im Zugriff ist und außerdem zu einem extrem frühen Zeitpunkt vorgenommen werden kann (nach Bestückung des RFID-Transponders auf der Geräte-Leiterplatte). Daher wird eine lückenlose Dokumentation des Produktionsprozesses durch den Hersteller möglich. Das manuelle oder mechanische Anbringen der Betriebsmittelkennzeichen durch den Anlagenbauer bei der Montage der Anlage am Gerät kann entfallen, weil es durch ein preiswertes elektronisches Anbringen abgelöst wird.
Zukünftig kann diese Information zusätzlich bei einem weiterentwickelten ASi-System bei der Feststellung des Systemzustandes des ASi-Slavegerätes 10v vom Master 30m ausgelesen und dokumentiert werden. ASi-Geräte können ohne eine mechanischen Anschluss an ein Adressiergerät drahtlos adressiert werden. Durch die Verwendung von Antennen mit kurzer Reichweite, was auch über die verwendete RFID-Frequenz, die minimal erreichbare Entfernung der Tansponderantenne zum RFID-Lesegerät 40 als Konfigurations- oder Service-Gerät 40 sowie über das verwendete RFID-Verfahren einstellbar ist, ist die eindeutige Zuordnung auch bei nebeneinander montierten Slavegeräten 10v möglich. Beim Defekt des Slavegerätes 10v können in den meisten Fällen Diagnoseinformationen, Parameter und Betriebsmittelkennzeichen aus dem Gerät ausgelesen, ausgewertet und zur Programmierung des Austauschgerätes verwendet werden. Ist die Kapazität des gemeinsamen flüchtigen Speichers des speicherbauelementes 20 für Teile der Firmware des Gerätes ausreichend, kann die Programmierung ohne Programmieradapter über RFID erfolgen. Eine Aktualisierung ist damit auch später ohne Öffnen des Gerätes möglich. Vorteilhafterweise werden mehrmals und dauerhaft beschreibbare nichtflüchtige Speicher verwendet. Eine Integration der Funktionalität in den Prozessor oder im Systemspeicher des Slavegerätes 10v ist möglich und bietet Potenzial für Kosteneinsparung bei gleichzeitiger Standardisierung. Da die Nichtprozeßdaten-Übertragung aufgrund der genauen Lokalisierung nur über eine kurze Distanz erfolgen darf, können die Antennen relativ klein bauen, was günstig für eine Integration auf einem ASIC 20 ist. Der Master kann durch Nutzung der erhalteten Nichtprozeßdaten umfassende Diagnos- und Kommunikationssicherheits-Informationen zur Verfügung stellen. Zusätzlich ist vorgesehen, an besonderen Slaves eine Kommunikationsverbindung einzubauen, die diese Diagnoseinformationen des Masters dezentral verfügbar macht. Dies könnte über die in der Erfindung dargestellte RFID Schnittstelle realisiert werden. Zusätzlich kann aber auch die lokale Slavegerät-10v-Diagnose problemlos ausgelesen werden.
Bezugszeichenliste

1: Leiterplatte (Bestückungsleiterplatte) mit bestückten und gelöteten bzw. kontaktierten Bauelementen, Komponenten, Unterleiterplatten und/oder Baugruppen
1h: Hauptleiterplatte
1m: Mikrorechnereinheit bzw- -bauelement bzw. Mikroprozessor oder Mikrocontroller oder ein IC in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers,
1n: Draht- bzw. kabelgebundener elektrischer oder optischer Anschluß der Leiterplatte für Sensorgerät-in- oder -externe Komponenten oder Bauteile oder Baugruppen
1ne: Externer Anschluß der Leiterplatte 1 für Sensorgerät-externe Komponenten oder Bauteile
1ni: Interner Anschluß der Leiterplatte 1 für Sensorgerät-10-interne Komponenten oder Bauteile
1t: Elektronische Bearbeitungseinheit auf der Leiterplatte zur Bearbeitung und/oder Umformung der Meßsignale und/oder zur Ableitung von Sekundärsignalen, insbesondere von Schaltsignalen, wobei deren Ausgangssignale zur Übergabe an eine elektrische oder elektronische Ausgabeeinheit geeignet und vorgesehen sind
1ta: Elektronische oder elektrische Ausgabeeinheit, ggf. mit einer elektronischen (Transistor- oder FET-Endstufe) oder elektrischen (z.B. Relai) Endstufe mit Anschlüssen für die binäre, digitale oder analoge Ausgabe der be-/verarbeiteten Sensorsignale bzw. der daraus erzeugten Signale und/oder Schaltsignale als transformierte Prozeßdaten an ein Steuergerät wie SPS, IO-Link-Master oder Ähnliches
10: Sensorgerät, ggf. mit einem integrierten Aktor
10v: Slavegerät mit einem in- oder externen Sensor und/oder Aktor, dessen (bearbeitete) Prozeßdaten (Sensor-Messdaten bzw. Aktor-Steuerdaten) zwischen Master 30m und Slavegerät 10v im betriebsbereiten Zustand übertragen werden (können)
10va: Slave-ASIC
11: Extern-Anschlüsse des Sensorgerätes, z.B. für die Stromversorgung oder die Kabelverbindung zum Steuergerät
12: Bauelemente bzw. Komponenten im oder am Sensorgerät und/oder auf der Leiterplatte des Sensorgerätes 10 bzw. Slavegerätes 10v
12a: Anzeigebauelement wie LCD-/LED-Display, LED, LED-Balkenanzeige u.Ä.
12e: Einstellbauelement wie Potentiometer, Taster oder Schalter o.Ä.
20: Speicherbauelement (ASIC)
20m: Speicherbauelement (ASIC) mit integriertem Mikroprozessor 1m oder Mikrocontroller 1m oder integriertem IC 1m in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers
30: Steuergerät, vorzugsweise SPS oder Master eines Single-Master-Bussystems, vorzugsweise eines IO-Link oder ASi- oder Sensor-Aktor-Netzwerkes, das über ein Kabel mit dem Sensorgerät 10 bzw. dem Slavegerät 10v verbindbar ist 30m Master eines Single-Master-Systems
40: Funkmaster, vorzugsweise RFID-, NFC-fähigen Funkmaster bzw. entsprechendes Handy
50: Single-Master-Slave-System
50a: ASi als Single-Master-Slave-System
50i: IO-Link-System als Single-Master-Slave-System

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19808878 B4 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO/IEC 18000-6C [0009]

Claims

Leiterplatte (1) für ein und/oder in einem Sensorgerät (10), insbesondere für ein und/oder in einem Näherungssensorgerät (10) oder einen/einem Näherungsschalter (10), der Automatisierungstechnik und/oder industriellen Meß- und Steuertechnik zur Ausgabe von Prozeßdaten in Form von be- bzw. verarbeiteten Messwerten und/oder daraus abgeleiteten Signalen, insbesondere Schaltsignalen, mindestens eines Sensorgerät-(10-)internen Sensors als Meßschnittstelle zu einem Automatisierungs- und/oder industriellen Prozeß, wobei auf der Leiterplatte (1, 1h) mehrere elektronische und/oder elektrische Komponenten (12, 12e, 12a), insbesondere auch mindestens ein manuelles Eingabebauelement (12e) wie Taster, Schalter oder Potentiometer, befestigt, gelötet und über die Leiterbahnen elektrisch miteinander bzw. mit den anderen Komponenten (12) bzw. mit den Sensorgerät-(10-)-in- oder -externen Anschlüssen (1n, 1ni, 1ne) der Leiterplatte (1, 1h) verbunden ist, und zwar: a) eines Mikroprozessor oder Mikrocontroller oder eines ICs in Form eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers, b) eine elektronische Bearbeitungseinheit zur Bearbeitung und/oder Umformung der Meßsignale und/oder zur Ableitung von Sekundärsignalen, insbesondere Schaltsignalen, dieses Sensors und zur Übergabe solcher Signale an c) eine elektronische oder elektrische Ausgabeeinheit (12a), ggf. mit einer elektronischen oder elektrischen Endstufe mit Anschlüssen (1n, 1ne) für die binäre, digitale oder analoge Ausgabe der Prozeßdaten an ein Steuergerät wie SPS, IO-Link-Master oder Ähnliches, wobei weiterhin vorhanden sind: a) mindestens ein elektronischer, nichtflüchtiger Speicher,. b) Anschlüsse (1n, 1ni, 1ne) für die elektrische Verbindung der Leiterplatte (1, 1h) mit Sensorgerät-(10-)in- und/oder -externen Geräten, Teilen, Komponenten (12) bzw. Bauteilen (12), wie z.B. Anschlußleitung, LED, Anzeigebauelement (12a), Einstellbauelement (12e), Potentiometer (12e) u.Ä., c) elektrische Anschlüsse (1n, 1ni) und/oder Komponenten (12) für die Hauptspannungsversorgung der Leiterplatte (1, 1h) bzw. seiner Komponenten (12) mittels einer externen Betreibsspannungsversorgung und/oder einer (hilfsweisen) Betriebsspannungsversorgung mittels einer auf der Leiterplatte (1, 1h) befestigten Batterie oder eines Akkumulators, d) Anschlüsse (1n) für die kabelgebundene datenserielle Ausgabe (elektrisch und/oder optisch) dieser transformierte Prozeßdaten an das Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherbauelement (20) als ASIC (20) mit einem nichtflüchtigen Speicher auf der Leiterplatte (1) befestigt und über eine drahtgebundene Speicherzugriffsschnittstelle (Drahtschnittstelle) mit dem IC (1m) bzw. dem Mikroprozessor (1m) bzw. dem Mikrocontroller (1m) elektrisch verbunden ist, wobei a) das IC (1m) bzw. der Mikroprozessor (1m) bzw. der Mikrocontroller (1m) der Master und das Speicherbauelement (20) der Slave eines drahtgebundenen Master-Slave-Datenbusses ist, insbesondere RS232, SPI, SCI oder IIC/I2C, b) dieses Speicherbauelement (20) neben dem Drahtslave eine weitere, funk- und antennebasierte Speicherzugriffsschnittstelle (Funkschnittstelle) für einen Sendefrequenzbereich eines speicherschreibfähigen Funkmasters von 0,5 bis 2000 GHz als Eingang für den in das Speicherbauelement integrierten Transponder aufweist und somit auch einen Funkslave darstellt, und ausschließlich Nichtprozeßdaten, vorzugsweise Produktions- und/oder Identifizierungs-Daten der Leiterplatte und/oder Ihrer Bestandteile/Komponenten, elektronische Typschilddaten, Konfigurations- und/oder Parametrierungs-Software und/oder -Daten, vom Funkmaster (40) über eine Luftstrecke und diese Funkschnittstelle datenseriell in diesen nichtflüchtigen Speicher geschrieben werden können bzw. geschrieben sind, c) das Speicherbauelement (20) neben dem Transponder und einem Arbiter eine Hilfsspannungsversorgung aufweist, die es dem Speicherbauelement (20) im Zusammenspiel mit der Antenne als Eingang des Transponders ermöglicht bzw. ermöglichen kann, über die Luftstrecke der Funkschnittstelle das Speicherbauelement mit soviel elektrischer Antenne-Energie aus der Sendeenergie des in der Nähe des Speicherbauelementes (20) befindlichen Funkmasters (40) versorgt zu werden bzw. versorgt zu sein, um diese Nichtprozeßdaten in den nichtflüchtigen Speicher allein mit dieser Hilfsenergie zu schreiben, und im betriebsfähigen, ggf. komplettierten Zustand der Leiterplatte, d.h. mit Hilfe der Hauptspannungsversorgung, Nichtmeßwertdaten, die vom Funkmaster erhaltbar/erhalten und in den nichtflüchtigen Speicher einlesbar sind bzw. eingelesen sind, vom Master-Slave-Bussystem des ICs bzw. Mikroprozessors bzw. Mikrocontrollers über diese Drahtschnittstelle des Speicherbauelementes auslesbar und anderen Komponenten der Leiterplatte, insbesondere deren Anzeigebauelement(en) und/oder oder deren Extern-Anschlüssen (1ne) für die kabelgebundene datenserielle Ausgabe (elektrisch und/oder optisch) dieser Nichtprozeßdaten an das Steuergerät, zur Ausgabe/Verarbeitung/Anzeige verfügbar sind.
Leiterplatte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das der Funkübertragung zwischen Funkmaster (40) und dem Transponder zugrundeliegende Protokoll bzw. System für die Übertragung der Nichtmeßwertdaten nicht mit dem der drahtbasierten Verbindung zwischen dem IC (1m) und den entsprechenden Anschlüssen der Leiterplatte zur direkten oder indirekten elektrischen, kabelgebundenen elektrischen und/oder optischen Verbindung mit dem Steuergerät (SPS) identisch ist, d.h. das systemverschiedene Protokolle bzw. Standards verwendet bzw. implementiert sind, wobei das Funkprotokoll bzw. -System vorzugsweise ein RFID- oder NFC-basiertes ist, wobei der Transponder vorzugsweise ausgebildet ist für eine steuerschalterbasierte Kurzschluß-Modulation des vom Funkmaster generierten elektromagnetischen Feldes als Transponder-Sendeenergie-freie Form der Nichtprozeßdatenübermittlung.durch den Transponder an den Funkmaster (40).
Leiterplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funkmaster (40) Nichtprozeßdaten aus dem Speicherbauelement (20) über diese Funkstrecke nur einlesen kann bzw. darf, wenn er zuvor Speicherzugriffsrechte-relevante Daten aus dem Speicherbauelement (20) ein- und ausgelesen hat und durch dieses Ein- und Auslesen entweder das Schreiben vom Speicherbauelement (20) freigegeben wurde und/oder der Funkmaster (40) erkannt hat, dass er berechtigt ist zum Schreiben von Nichtmeßwertdaten in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes (20).
Leiterplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine (1, 1h) eine flexible Leiterplatte (1, 1h) ist, die im gebogenen, gefalteten oder gerollten Zustand in dem Gehäuse eines Sensorgerätes (10), insbesondere eines Näherungssensorgerätes oder Näherungsschalters, fixierbar ist, und/oder die Hauptplatine (1h) eines Sensorgerätes ist, insbesondere eines Näherungssensorgerätes oder Näherungsschalters, und/oder mittels der Platine in deren betriebsbereitem Zustand ein zusätzlich im Sensorgerät vorhandener Aktor zur Beeinflussung eines Automatisierungs- und/oder industriellen Prozesses steuerbar ist, wobei vorzugsweise der Sensor und der Aktor Bestandteile desselben Automatisierungs- und/oder industriellen Prozesses sind.
Leiterplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im betriebsbereiten Zustand der Leiterplatte (1) über die elektrischen und/oder optischen Anschlüsse der Leiterplatte (1) für das Steuergerät Nichtprozeßdaten datenseriell über das IC (1m) bzw. den Mikrocontroller (1m) bzw. den Mikroprozessor (1m) in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes (20) übertragbar und einlesbar sind und diese Nichtprozeßdaten vom einem geeigneten und berechtigten Funkmaster (40) ausgelesen werden können, so dass auch das IC (1m) bzw. der Mikrocontroller (1m) bzw. der Mikroprozessor (1m) Nichtprozeßdaten in diesen nichtflüchtigen Speicher schreiben kann und diese vom Busmaster des ICs (1m) bzw. Mikrocontrollers (1m) bzw. Mikroprozessors (1m) in den nichtflüchtigen Speicher bzw. einen seiner Speicherbereiche geschriebenen bzw. schreibbaren Nichtprozeßdaten, über die Funkschnittstelle unabhängig vom Zustand „Fehlende Betriebsspannung“ des nichtflüchtigen Speichers und/oder der Leiterplatte (1) vom Funkmaster (40) ausgelesen werden können. wobei vorzugsweise zumindest ein oder mehrere elektrische oder optische Leitungen (bzw. Anschlüsse (1n) der Leiterplatte (1)), die für die Übertragung der Prozeßdaten vom IC (1m) zu den entsprechenden Anschlüssen (1n) der Leiterplatte (1) zum Auslesen mittels eines Steuergerätes bzw. zum Ausgeben an ein Steuergerät benutzt werden bzw. benutzbar sind und/oder als Betriebsspannungsleitungen sind bzw. als solche benutzt werden, auch für die uni- oder bidirektionale datenserielle Übertragung von Nichtprozeßdaten zwischen dem IC (1m) bzw. dem Mikrocontroller (1m) bzw. dem Mikroprozessor (1m) und den entsprechenden Anschlüssen der Leiterplatte (1m) für ein externes Steuergerät verwendet werden bzw. verwendet sind.
Leiterplatte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (1m) IO-Link-fähig ist, d.h., dass im betriebsbereiten Zustand der Leiterplatte (1) Prozeßdaten über deren Anschlüsse zum Steuergerät (IO-Link-Master) übertragen werden können und die Leiterplatte (1) ein IO-Link-Slave oder Teil eines IO-Link-Slaves eines IO-Link-Systems ist.
Leiterplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das IC (1m) in das ASIC (20) integriert ist und/oder, dass die Leiterplatte (1) ein Sensor-ASIC aufweist, in das zumindest die Bearbeitungseinheit (1t) und/oder die Endstufe und/oder die Ausgabeeinheit (1ta) mit der Endstufe, zumindest ein Teil einer oder mehrerer dieser Einheiten (1t, 1ta), integriert ist und das Sensor-ASIC ebenfalls in das ASIC (20) integriert ist und/oder, dass ein funktionsmodularer Verbund von mehreren übereinanderliegenden Funktionsleiterplatten (1) vorhanden ist, von denen eine Leiterplatte (1) die Kommunikationsleiterplatte (1) mit dem Speicherbauelement (20) und der Antenne und ggf. weiteren Komponenten (12) ist für die funk- und drahtbasierte Kommunikation von Nichtprozeßdaten mit Sensorgerät-externen Geräten wie dem Funkmaster (40) und dem Steuergerät, und eine andere Leiterplatte zumindest den Sensor und/oder sensorsignalverarbeitende Komponenten einschließlich der Bearbeitungseinheit trägt.
System der Automatisierungstechnik für die datenserielle bidirektionale Übertragung von Nichtprozeßdaten (zwischen einem Funkmaster (40) und einer Leiterplatte (1)) mit einem solchen Funkmaster (40) und einer solchen Leiterplatte (1) mit einem Funkslave im Speicherbauelement (20) nach einem der Ansprüche 1–7, wobei Nichtprozeßdaten vom Funkmaster (20) über diese Funkschnittstelle datenseriell in diesen nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes (20) ein- und ausgelesen werden können, Nichtprozeßdaten, die vom Funkmaster (40) in diesen nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes (20) eingelesen wurden, im Zustand „Vorhandene Betriebsspannung“ des ICs (1m) bzw. des Mikrocontrollers (1m) bzw. des Mikroprozessors (1m) bzw. der Leiterplatte (1) vom Busmaster des ICs (1m) bzw. des Mikrocontrollers (1m) bzw. des Mikroprozessors (1m) über diese Drahtschnittstelle des Speicherbauelementes (20) drahtgebunden datenseriell ausgelesen werden können oder sind, und/oder, dass, Nichtprozeßdaten, die vom IC (1m) bzw. Mikrocontroller (1m) bzw. Mikroprozessor (1m) in diesen nichtflüchtigen Speicher über dessen internes Bussystem datenseriell eingelesen wurden, unabhängig vom Zustand „fehlende Betriebsspannung“ des Speicherbauelementes (20) und/oder der Leiterplatte (1), vom diesem oder einem anderen berechtigten Funkmaster (40) ausgelesen werden können bzw. ausgelesen sind.
System nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass dieses System so ausgebildet ist, dass im betriebsbereiten Zustand der Leiterplatte (1) Informationen als Nichtprozeßdaten, die manuell über Eingabebauelemente (12e) wie z.B. Potentiometer, Taster und Schalter direkt oder indirekt über elektrische und/oder optische Anschlüsse (1n, 1ni) der Leiterplatte (1) über das IC (1m) bzw. den Mikrocontroller (1m) bzw. den Mikroprozessor (1m) in den nichtflüchtigen Speicher des Spéicherbauelementes (20) übertragbar und einlesbar sind, von einem geeigneten und berechtigten Funkmaster (40), insbesondere einem RFID-, NFC-fähigen Funkmaster (40), vorzugsweise einem entsprechenden Handy (40), ausgelesen werden können, so dass auch das IC (1m) bzw. der Mikrocontroller (1m) bzw. der Mikroprozessor (1m) Nichtprozeßdaten in diesen nichtflüchtigen Speicher schreiben kann und diese vom Busmaster des ICs (1m) bzw. Mikrocontrollers (1m) bzw. Mikroprozessors (1m) in den nichtflüchtigen Speicher bzw. einen seiner Speicherbereiche geschriebenen Nichtprozeßdaten, über die Funkschnittstelle unabhängig vom Zustand „Fehlende Betriebsspannung“ des Speicherbauelementes (20) und/oder der Leiterplatte (1) vom Funkmaster ausgelesen werden können, wobei im Zustand „Fehlende Betriebsspannung“ die Hilfsenergie für den Betrieb des Speicherbauelementes (20) bzw. der Einheiten, die für die drahtlose Übermittlung dieser Nichtprozeßdaten an den im Übertragungsbereich befindlichen Funkmaster (40) zuständig sind, allein aus der Sendeenergie des Funkmasters (40) gewonnen ist bzw. gewinnbar ist.
Verfahren zur Übertragung von Nichtprozeßdaten von einem Funkmaster (40), insbesondere einem RFID-, NFC-fähigen Funkmaster (40), vorzugsweise einem entsprechenden Handy mit einem derartigen integrierten Funkmaster (40), über einen Funkslave bzw. Transponder in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes (20) der Leiterplatte (1) bzw. Hauptleiterplatte (1h) nach einem der Ansprüche 1–7 mit folgenden Verfahrensschritten, vorzugsweise Übertragung dieser Nichtprozeßdaten durch Anwendung von RFID- und NFC-Verfahren, insbesondere Anwendung der Antenne-Steuerschalter-basierten Kurzschluß-Modulation des vom Funkmaster (40) generierten elektromagnetischen Feldes als Transponder-Sendeenergie-freie Form der Nichtprozeßdatenübermittlung durch den Transponder bzw. Funkslave,: a) Senden von trägerwellebasierten, modulierten Signalen des maximal 30–50 cm, vorzugsweise nur 10–20 cm, vom Funkslave der Leiterplatte (1) bzw. Hauptleiterplatte (1h) entfernten Schreib-Lese-Gerätes (Funkmaster 40) an den Funkslave mit einer Trägerfrequenz im Bereich von 0,5 bis 2000 GHz, wobei der Funkmaster (40) nur bis zu einer maximalen Funkslave-Entfernung von 30–50 cm, vorzugsweise von nur 10–20 cm, Nichtprozeßdaten in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes schreiben und/oder lesen kann, b) Umwandlung der Sendeenergie der Trägerwelle in elektrische Energie durch das Speicherbauelement (20) für den Betrieb des Speicherbauelementes (20) einschließlich des Empfangens und Modulierens von Nichtprozeßdaten vom bzw. zum Funkmaster (40), ggf. auch zum Senden dieser Nichtprozeßdaten c) Dekodieren der Sendesignale des Funkmasters (40) durch das Speicherbauelementes (20), vorzugsweise durch dessen den Transponder, d) Rücksendung von Signalen des Funkslaves bzw. Transponders an den Funkmaster (40) allein mithilfe der transformierten Sendeenergie des Funkmasters (40), e) Schreiben von Nichtprozeßdaten durch den Funkmaster (40) in den nichtflüchtigen Speicher des Speicherbauelementes (20), sofern der Funkmaster seine Schreibberechtigung für dieses Speicherbauelement (20) erkannt hat bzw. diese ihm vom Speicherbauelement mittels dieser Rücksendesignale übermittelt wurde, f) Auslesen aller oder eines Teils dieser Nichtprozeßdaten durch das IC (1m) bzw. den Mikrocontroller (1m) bzw. den Mikroprozessor (1m) im betriebsbereiten Zustand (Betriebsspannung bzw. Hauptversorgungsspannung vorhanden) mittels seines Busmasters über dessen Busleitungen, vorzugsweise wenn auch die Leiterplatte (1) im betriebsbereiten Zustand ist, insbesondere wenn das Sensorgerät (10) komplettiert und im betriebsbereiten Zustand ist.