DE102015213390B4

DE102015213390B4 - Bus coupler for a field bus and method for transmitting a bus signal

Info

Publication number: DE102015213390B4
Application number: DE102015213390.7A
Authority: DE
Inventors: René Hoffmann
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2015-07-16
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: DE102015213390A1

Abstract

Buskoppler für einen Feldbus mit einer Feldbuspotentialgruppe (1), einer galvanisch davon getrennten Gerätepotentialgruppe (2), einem ersten Optokoppler (4) zur Übertragung eines Bussignals und einem Empfänger (3) oder einem Sender (6) zum Empfangen oder Senden eines Bussignals, dadurch gekennzeichnet, dass ein Summierer (7), ein Generator (9), eine Auswerteinheit (10), eine Korrektureinheit (11), ein Hochpass (12) und ein Tiefpass (13) vorhanden sind, der Generator (9) ein Testsignal erzeugt, das Testsignal eine niedrigere Frequenz aufweist als das Bussignal, der Summierer (7) das Testsignal und das Bussignal summiert, der Optokoppler (4) dieses Summensignal überträgt, die beiden Signale nach ihrer Übertragung durch eine Frequenzweiche (12, 13) getrennt werden und das übertragene Testsignal mit dem originalen Testsignal verglichen wird, wobei eine Übertragungsfunktion und deren inverse Übertragungsfunktion erzeugt wird, und die inverse Übertagungsfunktion zur Beeinflussung des Bussignals mit Hilfe der Korrektureinheit (11) verwendet wird.Bus coupler for a fieldbus having a fieldbus potential group (1), a galvanically separated device potential group (2), a first optocoupler (4) for transmitting a bus signal and a receiver (3) or a transmitter (6) for receiving or transmitting a bus signal characterized in that a summer (7), a generator (9), an evaluation unit (10), a correction unit (11), a high-pass filter (12) and a low-pass filter (13) are provided, the generator (9) generates a test signal, the test signal has a lower frequency than the bus signal, the summer (7) sums the test signal and the bus signal, the optocoupler (4) transmits this sum signal, the two signals are separated after their transmission by a crossover (12, 13) and the transmitted Test signal is compared with the original test signal, wherein a transfer function and its inverse transfer function is generated, and the inverse transfer function for influencing the bus signal is used by means of the correction unit (11).

Description

Die Erfindung betrifft einen Buskoppler für einen Feldbus gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Übertragung eines Bussignals gemäß Anspruch 5. Feldbusse, wie AS-Interface, CANopen, CC-Link, ControlNet, DeviceNet, Interbus, oder Profibus sind in der industriellen Automatisierungstechnik inzwischen weit verbreitet. Die Verbindung zwischen dem Feldbus und den Sensoren bzw. Aktoren erfolgt bei den genannten Systemen vorzugsweise galvanisch. Es gibt aber auch Anwendungsfälle, wo die galvanische Trennung, d. h. eine potentialfreie Signalübertragung zwischen den auf Feldbuspotential und den auf einem Gerätepotential befindlichen Baugruppen des Buskopplers erforderlich ist. Im Folgenden werden die ersteren als Feldbuspotentialgruppe und die letzteren als Gerätepotentialgruppe bezeichnet.The invention relates to a bus coupler for a fieldbus according to the preamble of claim 1, and a method for transmitting a bus signal according to claim 5. Fieldbus, such as AS-Interface, CANopen, CC-Link, ControlNet, DeviceNet, Interbus, or Profibus are in the industrial automation technology is now widely used. The connection between the fieldbus and the sensors or actuators preferably takes place galvanically in the systems mentioned. But there are also applications where galvanic isolation, i. H. a potential-free signal transmission is required between the modules located on the field bus potential and the components of the bus coupler located on a device potential. In the following, the former are referred to as the field potential group and the latter as the device potential group.

Die DE 199 47 501 A1 offenbart einen Buskoppler für ein Aktuator-Sensor-Interface (AS-i) mit einem Trennbauelement zur galvanischen Trennung zwischen der (Feld) Busleitung und den Anschlüssen für Aktuatoren oder Sensoren. Die Trennung erfolgt vorzugsweise über einen Transformator, wobei die Verwendung von Optokopplern erwähnt, nicht näher betrachtet wird. The DE 199 47 501 A1 discloses a bus coupler for an actuator-sensor interface (AS-i) with a disconnect device for electrical isolation between the (field) bus line and the ports for actuators or sensors. The separation preferably takes place via a transformer, wherein the use of optocouplers mentioned, is not considered in detail.

Die DE 10 2005 059 012 A1 offenbart ein AS-i-Bus-System zum Anschluss von Sensoren oder Aktoren, wobei die Übertragung zumindest teilweise drahtlos ausgebildet ist. Das soll direkt oder auch indirekt mit einer optischen Sende-Empfangseinrichtung erfolgen. The DE 10 2005 059 012 A1 discloses an AS-i bus system for connecting sensors or actuators, wherein the transmission is at least partially wireless. This should be done directly or indirectly with an optical transceiver.

Die DE 10 2010 064 027 A1 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung eines für den Empfang von vorzugsweise digitalen Signalen ausgelegten Empfangskanals mit einem Optokoppler als Potentialtrennglied, wobei die dem Potentialtrennglied zugeführte Grundleistung solange erhöht oder abgesenkt wird, bis ein definierter Signalparameter auf der Sekundärseite einen Schwellenwert unterschreitet bzw. überschreitet. Dabei wird ein Testbit-Impuls zur Ermittlung der Verzögerungszeit beim Passieren des Potentialtrenngliedes erzeugt. Die Verzögerungszeit wird anhand der Impulsbreite und bei starken Verzerrungen anhand der damit verbundenen Amplitudenreduzierung bestimmt. Der Zweck besteht darin, die Optokoppler so gering wie möglich mit Strom zu belasten. Die Signalform wird nicht korrigiert. The DE 10 2010 064 027 A1 describes a method for setting a receiving channel designed for the reception of preferably digital signals with an optocoupler as potential separation element, wherein the base power supplied to the potential separation element is increased or decreased until a defined signal parameter on the secondary side falls below or exceeds a threshold value. In this case, a test bit pulse is generated to determine the delay time when passing the potential separation element. The delay time is determined on the basis of the pulse width and in the case of strong distortions on the basis of the associated amplitude reduction. The purpose is to charge the optocouplers as little as possible with power. The waveform is not corrected.

Die WO 2006 / 010 416 A2 beschreibt eine Schnittstelle für Lichtsteuergeräte, bei dem die Bitlänge durch Mitlesen der vom Sendezweig übermittelten Funktionen durch den weniger toleranzempfindlichen Empfangszweig derselben Seite kontrolliert und korrigiert wird. Hier bleibt die Amplitude des übertragenen Signals unbeeinflusst.The WO 2006/010 416 A2 describes an interface for light control devices, in which the bit length is controlled and read by reading the transmitted from the transmitting branch functions by the less sensitive to receiving branch of the same side. Here, the amplitude of the transmitted signal is unaffected.

Falls definierte Signalpegel oder definierte Signalformen notwendig sind, was einer analogen Signalübertragung entspricht, reichen diese Maßnahmen nicht aus, um Exemplarstreuungen, Bauteilalterung und vor allem Temperaturänderungen auszugleichen, die bei Optokopplern ausgeprägt sind, und sich auf die Übertragungseigenschaften (CTR = Current Transfer Ratio) auswirken. If defined signal levels or defined waveforms are required, corresponding to analog signal transmission, these measures are not sufficient to compensate for specimen scattering, component aging, and most importantly, temperature changes inherent in opto-couplers, which affect the current transfer ratio (CTR) ,

Die DE 10 2011 083 075 A1 offenbart eine Anordnung zur freien Übermittlung von digitalen und analogen Signalen über dieselbe Schnittstelle zur Datenübertragung mit einem Beleuchtungssystem. Übertragen werden vorzugsweise frequenzmodulierte Signale. Gezeigt wird eine Anordnung mit einem ersten Optokoppler zur Vorwärtsübertragung und einen zweiten Optokoppler zur Rückübertragung eines linearen (analogen) Kontrollsignals. Nachteilig sind die Modulation des Analogsignals mit einen Trägersignal mit üblicherweise höherer Frequenz und die damit verbundene Begrenzung der Bandbreite des Analogsignals. The DE 10 2011 083 075 A1 discloses an arrangement for free transmission of digital and analog signals over the same interface for data transmission with a lighting system. Frequency-modulated signals are preferably transmitted. Shown is an arrangement with a first optical coupler for forward transmission and a second optical coupler for retransmission of a linear (analog) control signal. A disadvantage is the modulation of the analog signal with a carrier signal with usually higher frequency and the associated limitation of the bandwidth of the analog signal.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Mängel des Standes der Technik zumindest teilweise zu beseitigen, und ein für Feldbusse besser geeignetes optisches Übertagungssystem und ein Verfahren zu seinem Betrieb anzugeben.The object of the invention is to at least partially overcome the deficiencies of the prior art, and to provide a more suitable for field buses optical transmission system and a method for its operation.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie des Verfahrensanspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. This object is achieved with the features of claim 1, and the method claim 5. The subclaims relate to the advantageous embodiment of the invention.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, das Bussignal gemeinsam mit einem niederfrequenten Testsignal mit einem ersten Optokoppler zu übertragen, wobei die beiden Signale vor der Übertragung summiert und nach der Übertragung durch Bandpässe getrennt werden. Zur Synchronisation wird das Testsignal entweder mit einem weiteren Optokoppler separat in der Gegenrichtung übertragen, oder mit einer charakteristischen Bitfolge codiert, um die zum Vergleich des idealen Testsignals (originalen Testsignal) mit dem übertragenen Testsignal erforderliche Synchronisation, d. h. eine Information über die Phasenlage der beiden Signale zu erhalten. Anschließend wird das originale Testsignal mit dem tatsächlich übertragenen Testsignal verglichen, um so die Übertragungsfunktion (Kennlinie) des Optokopplers zu erhalten, was durch punktweise Division der beiden Signalverläufe geschehen kann. Auf der Grundlage der dadurch gewonnenen Übertragungsfunktion, genauer der Inversen, wird das Bussignal durch senderseitige Verzerrung und/oder empfängerseitige Entzerrung korrigiert. Was durch eine Steuerung oder auch in einer Regelschleife geschehen kann. The essential idea of the invention is to transmit the bus signal together with a low-frequency test signal with a first optocoupler, wherein the two signals are summed prior to transmission and separated after transmission by bandpasses. For synchronization, the test signal is either separately transmitted in the opposite direction with another optocoupler, or coded with a characteristic bit string to provide the synchronization required to compare the ideal test signal (original test signal) with the transmitted test signal, i. H. to obtain information about the phase position of the two signals. Subsequently, the original test signal is compared with the actually transmitted test signal so as to obtain the transfer function (characteristic curve) of the optocoupler, which can be done by pointwise division of the two waveforms. On the basis of the thus obtained transfer function, more precisely the inverse, the bus signal is corrected by transmitter-side distortion and / or receiver-side equalization. What can be done by a controller or in a control loop.

Das Testsignal liegt vorteilhaft in einem Frequenzbereich außerhalb der vom Feldbus genutzten Frequenzen, erfindungsgemäß unterhalb der Feldbusfrequenz. The test signal is advantageously in a frequency range outside the frequencies used by the fieldbus, according to the invention below the fieldbus frequency.

Da die Übertragung der Feldbussignale ohne ein hochfrequentes Trägersignal erfolgt, kann die Korrektur über die gesamte Bandbreite des Buskopplers und damit auch des Feldbusses erfolgen, sofern die Bandbreite des Optokopplers dafür ausreicht. Since the transmission of the field bus signals takes place without a high-frequency carrier signal, the correction can be made over the entire bandwidth of the bus coupler and thus also of the field bus if the bandwidth of the optocoupler is sufficient for this.

Die Korrekturwerte für das Bussignal (Nutzdaten) können wahlweise mit einer analogen oder einer digitalen Schaltung, mit Hilfe von Software, oder mit von programmierbaren Logikbausteinen (ASICs oder PLDs) ermittelt werden, ohne die Erfindung zu verlassen. The correction values for the bus signal (useful data) can be determined either with an analog or a digital circuit, with the aid of software, or with programmable logic components (ASICs or PLDs), without departing from the invention.

Die Erfindung ist auch für Optokoppler mit nichtlinearer Übertragungskennlinie anwendbar. Dann sind mehrere Testsignale mit unterschiedlichen Pegeln (Amplituden) oder ein kompliziertes mit mehreren Amplitudenstufen erforderlich.The invention is also applicable to non-linear transfer characteristic optocouplers. Then several test signals with different levels (amplitudes) or a complicated one with several amplitude levels are required.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass preisgünstige Standard-Optokoppler verwendet werden können. Außerdem werden wegen des Wegfalls eines Transformators hohe Impedanzen im Bereich von mehreren kΩ erreicht, so dass die Busleitung kaum noch belastet wird. An advantage of the invention is that low cost standard optocouplers can be used. In addition, high impedances in the range of several kΩ are achieved because of the elimination of a transformer, so that the bus line is hardly loaded.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung des Empfangskanals, 1 shows an inventive arrangement of the receiving channel,

2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung des Sendekanals, 2 shows an inventive arrangement of the transmission channel,

3 zeigt eine spezielle Ausgestaltung des Empfangskanals, 3 shows a special embodiment of the receiving channel,

4 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung mit Sende- und Empfangskanal, 4 shows a first arrangement according to the invention with transmitting and receiving channel,

5 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Anordnung mit Sende- und Empfangskanal, 5 shows a second arrangement according to the invention with transmitting and receiving channel,

6 zeigt einen Feldbus 16 mit einem Master und diversen Slaves mit Sensoren und/oder Aktoren. 6 shows a fieldbus 16 with a master and various slaves with sensors and / or actuators.

Die 1 zeigt einen passiven Buskoppler für einen Feldbus 16. Das Bussignal gelangt vom Receiver Rx (Empfänger) eines bidirektionalen Bustreibers 14 zu einem Summierer 7, wo es zu einem Testsignal addiert wird. The 1 shows a passive bus coupler for a fieldbus 16 , The bus signal comes from the receiver Rx (receiver) of a bidirectional bus driver 14 to a summer 7 where it is added to a test signal.

Das entstandene Summensignal wird mit einem Optokopler 4 von der auf Feldbuspotential liegenden Feldbuspotentialgruppe 1 zur galvanisch getrennten Gerätepotentialgruppe 2 übertragen. The resulting sum signal is with an optocoupler 4 from the Feldbuspotentialgruppe lying on Feldbuspotential 1 to the galvanically isolated device potential group 2 transfer.

Das Testsignal stammt von einem Generator 9, und wurde vorher durch einen zweiten Optokoppler 5 vom Gerätepotential auf Feldbuspotential übertragen, und von einem Schwellwertschalter 8 auf einen definierten Signalpegel angehoben (regeneriert) wurde. The test signal comes from a generator 9 , and was previously through a second optocoupler 5 transferred from the device potential to field bus potential, and of a threshold 8th was raised (regenerated) to a defined signal level.

Nach der Übertragung auf das Gerätepotential werden das Bussignal und das Testsignal durch eine aus dem Hochpass 12 und dem Tiefpass 13 bestehende Frequenzweiche voneinander getrennt. After being transferred to the device potential, the bus signal and the test signal are turned off by one from the high pass 12 and the low pass 13 existing crossover separated.

Das Testsignal gelangt nun zu einer Auswerteeinheit 10, wo es punktweise mit dem vom Generator 9 erzeugten originalen Testsignal verglichen wird. The test signal now reaches an evaluation unit 10 where it is pointwise with the generator 9 generated original test signal is compared.

Die dadurch gewonnene Übertragungsfunktion bildet die Grundlage für eine Signalkorrektur, die im Wesentlichen der reziproken Übertragungsfunktion des Optokopplers 4 entspricht. Sie wird von der Auswerteeinheit 10 berechnet und von der Korrektureinheit 11 ausgeführt. Das korrigierte Bussignal (Empfangssignal) gelangt nun zum Empfänger 3, wo es auf die bekannte Weise ausgewertet wird. The resulting transfer function forms the basis for a signal correction, which is essentially the reciprocal transfer function of the optocoupler 4 equivalent. It is from the evaluation unit 10 calculated and corrected by the correction unit 11 executed. The corrected bus signal (received signal) now reaches the receiver 3 where it is evaluated in the known way.

Die Ermittlung der Übertragungskennlinie und die Korrektur des Bussignals können analog, digital oder auch durch eine programmierbare Logikschaltung ausgeführt werden. The determination of the transfer characteristic and the correction of the bus signal can be performed analog, digital or by a programmable logic circuit.

Um die Übertragungsfunktion (Kennlinie) des Optokopplers 4 genauer zu erfassen, sind vorteilhaft mindestens zwei Testsignale mit unterschiedlichen Pegeln zu verwenden. To the transfer function (characteristic curve) of the optocoupler 4 To detect more accurately, it is advantageous to use at least two test signals with different levels.

Die 2 zeigt einen aktiven Buskoppler für den Feldbus 16, wobei das von einem Sender 6 erzeugte Bussignal (Nutzsignal) über eine Korrektureinheit 11 zu einen Summierer 7 gelangt, wo es zu einem Testsignal addiert wird. Das Testsignal wurde von einem ebenfalls auf dem gleichen Gerätepotential befindlichen Generator 9 erzeugt. Das entstandene Summensignal wird anschließend mit dem ersten Optokoppler 4 auf das Feldbuspotential übertragen. Dort werden die Signale wie oben beschrieben voneinander getrennt. Das Bussignal gelangt über den Hochpass 12 zum bidirektionalen Bustreiber 14, wo es von dessen Driver Tx (Treiber) als Sendesignal in den Feldbus 16 eingekoppelt wird. The 2 shows an active bus coupler for the fieldbus 16 , where that of a transmitter 6 generated bus signal (useful signal) via a correction unit 11 to a summer 7 reaches where it is added to a test signal. The test signal was from a generator also at the same device potential 9 generated. The resulting sum signal is then connected to the first optocoupler 4 transferred to the Feldbuspotential. There, the signals are separated as described above. The bus signal passes over the high pass 12 to the bidirectional bus driver 14 where it is from its driver Tx (driver) as a transmission signal in the fieldbus 16 is coupled.

Nach der Trennung wird das Testsignal einem Schwellwertschalter 8 zugeführt, wo es digitalisiert, d.h. auf einen definierten Pegel gebracht wird. Anschließend wird es vom zweiten Optokoppler 5 auf das Gerätepotential übertragen, wo es in der Auswerteeinheit 10 mit dem originalen Testsignal verglichen wird. Die Übertragungsfunktion des Optokopplers 4 erhält man beispielsweise mit einem dreieckigen Testsignal, indem der Signalpegel nach der Übertragung durch den ersten Optokopler 4 anhand des Ansprechzeitpunkts des Schwellwertschalters 8 ermittelt wird. Der zweite Optokopler 5 liefert (überträgt) in diesem Fall nur den Ansprechzeitpunkt.After disconnection, the test signal becomes a threshold switch 8th fed, where it is digitized, that is brought to a defined level. Then it is the second optocoupler 5 transferred to the device potential, where it in the evaluation 10 compared with the original test signal. The transfer function of the optocoupler 4 For example, one obtains with a triangular test signal by adjusting the signal level after transmission through the first optocoupler 4 based on the response time of the threshold switch 8th is determined. The second optocoupler 5 In this case, it only delivers (transmits) the response time.

Die Korrektur des Sendesignals erfolgt wie oben beschrieben mit Hilfe der Korrektureinheit 11 Die 3 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung, die ohne die zweifache Übertragung des Testsignals und damit auch ohne den zweiten Optokoppler 5 auskommt. Die Synchronisation der beiden Signale erfolgt hier durch die Modulation des Testsignals mit einer charakteristischen Bitfolge (Codefolge). An Stelle des Signalgenerators 9 tritt nun ein Codefolgengenerator 15. Er erzeugt eine Signalsequenz, deren Aufbau und zeitliche Abfolge der galvanisch getrennten Auswerteeinheit 10 bekannt ist, so dass die zur Synchronisation notwendige Phaseninformation beispielsweise durch Korrelation der beidseitig vorliegenden Bitfolgen gewonnen werden kann. Im einfachsten Fall kann das sogar nur ein Rechtecksignal mit einer für das System begrenzten Bandbreite sein. Sofern die Signalsequenz der Auswerteeinheit 10 bekannt ist, kann sie erkennen, ob ein Testsignal gesendet wurde, und die Signalkorrektureinheit 11 entsprechend ansteuern. Die Übertragungsfunktion (Kanaleigenschaften) des Optokopplers 4 kann nun auf die oben beschriebene Weise gewonnen werden.The correction of the transmission signal is carried out as described above with the aid of the correction unit 11 The 3 shows an embodiment of the invention, without the double transmission of the test signal and thus without the second optocoupler 5 gets along. The synchronization of the two signals takes place here by the modulation of the test signal with a characteristic bit sequence (code sequence). In place of the signal generator 9 Now comes a code string generator 15 , It generates a signal sequence, its structure and time sequence of the galvanically separated evaluation unit 10 is known, so that the phase information necessary for the synchronization can be obtained, for example, by correlation of the bit sequences present on both sides. In the simplest case, this may even be just a square wave signal with a bandwidth limited to the system. If the signal sequence of the evaluation unit 10 is known, it can recognize whether a test signal has been sent and the signal correction unit 11 control accordingly. The transfer function (channel properties) of the optocoupler 4 can now be obtained in the manner described above.

Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen bidirektionalen Buskoppler mit insgesamt drei Optokopplern, wobei der obere, mit 4 (5) bezeichnete, je nach Übertragungsrichtung sowohl zur Übertragung von Summensignalen als auch zur Übertragung von Testsignalen dient. Bei der Referenzierung der Optokoppler wird die Richtung der Signalübertragung durch Klammern angezeigt: (4), (5) bedeutet „aktiv“ (senden) und 4, 5 bedeutet „passiv“ (empfangen). The 4 shows an embodiment of a bidirectional bus coupler with a total of three optocouplers, the upper, with 4 ( 5 ), depending on the direction of transmission both for the transmission of sum signals and for the transmission of test signals is used. When referencing the optocouplers, the direction of the signal transmission is indicated by brackets: ( 4 ) 5 ) means "active" (send) and 4 . 5 means "passive" (received).

Wenn der bidirektionale Buskoppler 14 als Empfänger, d.h. passiv arbeitet, wird das vom Generator 9 erzeugte Testsignal mit dem zweiten Optokoppler 5 zur Feldbuspotentialgruppe 1 übertragen. When the bidirectional bus coupler 14 as a receiver, ie working passively, that is from the generator 9 generated test signal with the second optocoupler 5 to the fieldbus potential group 1 transfer.

Der Ablauf ist wie bereits in der Beschreibung zur 1 erläutert. Die Unterschiede bestehen darin, dass die Feldbuspotentialgruppe 1 einen Summierer 7 mit einem dritten Eingang zur Übertragung des Testsignals im Sendebetrieb aufweist, die Gerätepotentialgruppe 2 einen zweiten mit TP2 bezeichneten Tiefpass 13 für das Sendesignal. Die beiden unterschiedlichen Tiefpässe TP1 und TP2 gibt es, weil der Optokoppler (5) das Empfangssignal in einem reservierten zweiten Frequenzbereich (Frequenzband) übertragen soll.The procedure is as in the description of 1 explained. The differences are that the fieldbus potential group 1 a summer 7 having a third input for transmitting the test signal in the transmission mode, the device potential group 2 a second lowpass designated TP2 13 for the transmission signal. The two different low-pass filters TP1 and TP2 exist because the optocoupler ( 5 ) is to transmit the received signal in a reserved second frequency range (frequency band).

Die Funktion der Baugruppen im Sendebetrieb ist in der Beschreibung zur 2 erläutert. Das vom Sender 6 erzeugte Sendesignal wird von der Korrektureinheit 11 an die Übertragungsfunktion des Optokopplers 5 angepasst und dem Mischer 7 zugeführt, wo es gemeinsam mit einem Testsignal vom Optokoppler 4 vom Gerätepotential auf das Feldbuspotential übertragen wird. Dort werden die Signale auf die bekannte Weise getrennt. Das Sendesignal durchläuft den Hochpass 12 und gelangt über den bidirektionalen Bustreiber 14 zum Feldbus 16. Das niederfrequente Testsignal wird vom Schwellwertschalter 8 auf einen definierten Pegel gebracht und dem Summierer 7 zugeführt, wo es separat oder als Summensignal mit dem Optokoppler 5 wieder auf das Gerätepotential übertragen wird. The function of the modules in transmission mode is described in the description of 2 explained. That from the transmitter 6 generated transmission signal is from the correction unit 11 to the transfer function of the optocoupler 5 adapted and the mixer 7 fed where it together with a test signal from the optocoupler 4 is transferred from the device potential to the field bus potential. There, the signals are separated in the known manner. The transmission signal passes through the high pass 12 and passes through the bidirectional bus driver 14 to the field bus 16 , The low frequency test signal is from the threshold switch 8th brought to a defined level and the summer 7 fed where it is separately or as a sum signal with the optocoupler 5 is transferred back to the device potential.

Dort wird es von einem mit TP2 bezeichneten Tiefpass 13 vom Summensignal getrennt und der senderseitigen Auswerteeinheit 10 zugeführt. Diese analysiert das Signal und korrigiert die Übertragungsfunktion (Kanaleigenschaften) des Optokopplers 5 mit der im Signalpfad befindlichen Korrektureinheit 11, indem das Bussignal mit der reziproken Überragungsfunktion des Optokopplers 5 multipliziert wird. There it gets from a low pass marked TP2 13 separated from the sum signal and the transmitter-side evaluation 10 fed. This analyzes the signal and corrects the transfer function (channel properties) of the optocoupler 5 with the correction unit located in the signal path 11 by the bus signal with the reciprocal transfer function of the optocoupler 5 is multiplied.

Es sei noch erwähnt, dass der Generator 9 hier für beide Übertragungsrichtungen eingesetzt wird. Aus diesem Grund ist er abstimmbar dargestellt, wobei wie auch bei den anderen Baugruppen wegen der besseren Übersicht auf die Darstellung von notwendigen Steuerleitungen verzichtet wurde. It should be noted that the generator 9 used here for both transmission directions. For this reason, it is shown in a tunable manner, whereby, as with the other modules, the representation of necessary control lines has been dispensed with for a better overview.

Die Schwellwertschalter 8 können für beide Kanäle als mehrbittige A/D-Wandler ausgeführt sein. The threshold value switches 8th can be designed as multi-bit A / D converter for both channels.

Die 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bidirektionalen Buskopplers mit drei Optokopplern, wobei der mit (4) 5 bezeichnete Optokoppler sowohl das Sendesignal als auch das empfängerseitige Testsignal überträgt. Die Funktion der einzelnen Baugruppen kann den obigen Beschreibungen entnommen werden. Auch hier wird das Testsignal des Empfangszweiges in einem reservierten Frequenzband gemeinsam mit den anderen Signalen mit über den Optokoppler (4) 5 des Sendezweiges übertragen. Aus diesem Grund gibt es auch hier zwei unterschiedliche Tiefpässe TP1 und TP2, und auch zwei unterschiedliche Generatoren 9 für die beiden Übertragungsrichtungen.The 5 shows a further embodiment of the bidirectional Buskopplers invention with three optocouplers, wherein the with ( 4 ) 5 referred optocoupler transmits both the transmission signal and the receiver-side test signal. The function of the individual modules can be found in the above descriptions. Again, the test signal of the reception branch in a reserved frequency band together with the other signals via the optocoupler ( 4 ) 5 transmit the transmission branch. For this reason, there are also two different low passes TP1 and TP2, and also two different generators 9 for the two directions of transmission.

Es ist zu erwähnen, dass die in den 1 bis 5 dargestellten Empfänger 3 und Sender 6 im Normalfall mit dem Analog-Frontend eines Busteilnehmers (Slave) verbunden sind, der eine integrierte Schaltung, insbesondere ein Field Programmable Gate Array (FPGA), oder einen Mikrocontroller µC aufweisen kann.It is worth mentioning that in the 1 to 5 shown receiver 3 and transmitter 6 Normally connected to the analog front end of a bus subscriber (slave), which may have an integrated circuit, in particular a Field Programmable Gate Array (FPGA), or a microcontroller μC.

Die 6 zeigt einen Feldbus 16 mit einem Master und den Slaves 1 bis n, die jeweils verschiedene Sensoren und/oder Aktoren aufweisen. Dargestellt sind zwei kapazitive, ein induktiver und ein Temperatursensor, sowie ein Motor als Aktor, die von einer übergeordneten Speicherprogrammier-baren Steuerung (SPS) über den Busmaster gesteuert werden. Einige der Sensoren/Aktoren sollen galvanisch vom Feldbus getrennt sein, was die erfindungsgemäße Datenübertragung erforderlich macht. Aus Platzgründen wurde auf die in den 1 bis 5 dargestellten galvanisch getrennten Potentialgruppen 1 und 2 verzichtet. Nur die direkt mit der Busleitung (Feldbus 16) verbundenen bidirektionalen Bustreiber 14 sind detaillierter mit Transmitter TX und Receiver RX dargestellt. The 6 shows a fieldbus 16 with a master and the slaves 1 to n, each having different sensors and / or actuators. Shown are two capacitive, an inductive and a temperature sensor, and a motor as an actuator, which are controlled by a higher-level programmable logic controller (PLC) via the bus master. Some of the sensors / actuators should be galvanically isolated from the fieldbus, which requires the data transmission according to the invention. For reasons of space was on in the 1 to 5 illustrated galvanically isolated potential groups 1 and 2 waived. Only those directly with the bus line (fieldbus 16 ) associated bidirectional bus driver 14 are shown in more detail with Transmitter TX and Receiver RX.

Die Erfindung betrifft einen Feldbuskoppler zur optischen Übertragung eines Bussignals zwischen zwei galvanisch getrennten Potentialen, nämlich dem Feldbuspotential mit einer ersten Gruppe von Bauelementen (Feldbuspotentialgruppe 1) und einem Gerätepotential mit einer zweiten Gruppe von Bauelementen (Gerätepotentialgruppe 2), wobei erfindungsgemäß ein Testsignal mit einer Grundfrequenz unterhalb der Busfrequenz erzeugt, und als Summensignal zusammen mit dem Bussignal von dem einen Potential auf das andere übertragen wird. Nach der Übertragung werden die beiden Signale mit einer aus einem Hochpass 12 und einem Tiefpass 13 bestehenden Frequenzweiche (12, 13) wieder getrennt. Das übertragene Testsignal wird nun mit seinem Original, d. h. dem originalen Testsignal verglichen, was vorzugsweise durch eine punktweise Division der beiden zeitlichen Signalverläufe erfolgen kann. Die dafür notwendige Synchronisation erfolgt entweder durch eine separate Rückübertragung des regenerierten, auf einen definierten (Signal-)Pegel angehobenen Testsignals, oder durch Codierung des Testsignals mit einer charakteristischen Codefolge, die eine Synchronisation, beispielsweise durch Korrelation, erlaubt. Hierzu wird der Generator 9 durch einen Codegenerator 15 ersetzt. The invention relates to a field bus coupler for the optical transmission of a bus signal between two galvanically isolated potentials, namely the field bus potential with a first group of components (Feldbuspotentialgruppe 1 ) and a device potential with a second group of devices (device potential group 2 ), wherein according to the invention generates a test signal with a fundamental frequency below the bus frequency, and is transmitted as a sum signal together with the bus signal from one potential to the other. After the transmission, the two signals with one from a high pass 12 and a low pass 13 existing crossover network ( 12 . 13 ) again separated. The transmitted test signal is now compared with its original, ie the original test signal, which can preferably be done by a pointwise division of the two temporal signal waveforms. The necessary synchronization takes place either by a separate retransmission of the regenerated, to a defined (signal) level raised test signal, or by encoding the test signal with a characteristic code sequence, which allows synchronization, for example by correlation. This is the generator 9 through a code generator 15 replaced.

Die Rückübertragung durch den baugleichen und thermisch mit dem Optokoppler 4 gekoppelten zweiten Optokoppler 5 erlaubt eine weitere Messung der Übertragungsfunktion, wobei nur das Testsignal mit bekannter Form und bekanntem Pegel auf die gleiche Weise wie das Bussignal oder auch das Summensignal übertragen wird. Die Übertragungsfunktion besteht im einfachsten Fall, d. h. bei einem Rechtecksignal, aus dem Grundpegel und einem Übertragungsfaktor k für die Amplitude. Die anschließende Korrektur des Bussignals erfolgt mit Hilfe der von der Auswerteeinheit 10 gesteuerten Korrektureinheit 11 anhand der inversen Übertragungsfunktion, im genannten Fall wäre das 1/k. The retransmission by the identical and thermally with the optocoupler 4 coupled second optocoupler 5 allows a further measurement of the transfer function, wherein only the test signal of known shape and known level in the same manner as the bus signal or the sum signal is transmitted. The transfer function consists in the simplest case, ie in the case of a rectangular signal, of the basic level and a transmission factor k for the amplitude. The subsequent correction of the bus signal takes place with the aid of the evaluation unit 10 controlled correction unit 11 based on the inverse transfer function, in the case mentioned this would be 1 / k.

Das Testsignal dient dazu, die u. a. auch von der Umgebungstemperatur abhängige und damit veränderliche Übertragungsfunktion, bzw. den Übertragungsfaktor des Optokopplers 4 wenigstens punktweise zu erfassen. Hierbei wird die Übertragungsstrecke als Messwandler betrachtet, der ein Eingangssignal gemäß einer Übertragungsfunktion in ein Ausganssignal umwandelt. The test signal is used, inter alia, also dependent on the ambient temperature and thus variable transmission function, or the transmission factor of the optocoupler 4 at least point by point. Here, the transmission path is considered as a transducer, which converts an input signal according to a transfer function into an output signal.

Die Signale werden nach der Übertragung durch eine Frequenzweiche (12, 13) getrennt. Das Bussignal wird korrigiert, indem es entweder vor der Übertragung verzerrt oder nach der Übertragung entzerrt wird, so das ein wenigstens näherungsweise dem empfangenem oder auszusendenden Bussignal entsprechendes Signal erzeugt wird. The signals are transmitted after transmission through a crossover network ( 12 . 13 ) separated. The bus signal is corrected by either distorting it before transmission or equalizing it after transmission so that a signal at least approximately corresponding to the received or to be transmitted bus signal is generated.

Das Testsignal steht in keinem inhaltlichen Zusammenhang mit einem Bussignal und enthält keine über den Feldbus 16 übertragene Daten, oder über den Feldbus zu übertragende Daten. In den 4 und 5 sind Anordnungen zur bidirektionalen Bussignalübertragung dargestellt. Hier werden ein erfindungsgemäßer aktiver unidirektionaler Feldbuskoppler und ein passiver unidirektionaler Feldbuskoppler mit jeweils zwei Optokopplern derart miteinander kombiniert, dass an Stelle der vier Optokoppler nur drei notwendig sind, wobei ein Optokoppler aus dem gerade nicht genutzten Übertragungszweig zur Übertragung eines Testsignals verwendet wird.The test signal is not related in content to a bus signal and does not contain any data via the fieldbus 16 transmitted data, or via the fieldbus to be transmitted data. In the 4 and 5 arrangements for bidirectional bus signal transmission are shown. Here, an active unidirectional fieldbus coupler according to the invention and a passive unidirectional fieldbus coupler with two optocouplers are combined in such a way that only three are necessary instead of the four optocouplers, wherein an optocoupler from the currently unused transmission branch is used to transmit a test signal.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende kennzeichnende Verfahrensschritte auf:

– Erzeugung eines im Vergleich zum Bussignal niederfrequenten Testsignals,
– Summation des Testsignals mit dem Bussignal zur Erzeugung eines Summensignals,
– Potentialfreie Übertragung des Summensignals mit einem Optokoppler (4)
– Trennung des Testsignals vom Bussignal mittels einer Frequenzweiche (12, 13)
– Vergleich des übertragenen Testsignals mit dem originalen Testsignal und Erzeugung der reziproken Übertragungsfunktion des Optokopplers (4) durch den Signalvergleich,
– Korrektur des bereits übertragenen oder noch zu übertragenden Bussignals anhand der reziproken Übertragungsfunktion des Optokopplers (4) mit Hilfe der Korrektureinheit (11).

The process according to the invention has the following characteristic process steps:

Generation of a low-frequency test signal compared to the bus signal,
Summation of the test signal with the bus signal to generate a sum signal,
- Potential-free transmission of the sum signal with an optocoupler ( 4 )
Separation of the test signal from the bus signal by means of a crossover network ( 12 . 13 )
Comparison of the transmitted test signal with the original test signal and generation of the reciprocal transfer function of the optocoupler ( 4 ) by the signal comparison,
Correction of the already transmitted or yet to be transmitted bus signal on the basis of the reciprocal transfer function of the optocoupler ( 4 ) with the help of the correction unit ( 11 ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Feldbuspotentialgruppe, auf Feldbuspotential, galvanisch vom Gerätepotential getrennt Feldbuspotentialgruppe, on Feldbuspotential, galvanically isolated from the device potential
22: Gerätepotentialgruppe, auf Gerätepotential, galvanisch vom Feldbuspotential getrennt Device potential group, at device potential, galvanically isolated from the fieldbus potential
33: Empfänger (zum Empfang des Bussignals) Receiver (to receive the bus signal)
44: Erster Optokoppler (für das Bussignal) First optocoupler (for the bus signal)
55: Zweiter Optokoppler (für das Testsignal) Second optocoupler (for the test signal)
66: Sender (zum Aussenden des Bussignals) Transmitter (for sending the bus signal)
77: Summierer (summiert das Bussignal und das Testsignal) Totalizer (sums the bus signal and the test signal)
88th: Schwellwertschalter (Trigger) Threshold switch (trigger)
99: Signalgenerator (generiert das Testsignal, optional auch abstimmbar) Signal generator (generates the test signal, optionally also tunable)
1010: Auswerteeinheit (für das Testsignal und zur Steuerung der Korrektureinheit) Evaluation unit (for the test signal and for the control of the correction unit)
1111: Korrektureinheit (zur Korrektur des Bussignals) Correction unit (to correct the bus signal)
1212: Hochpassfilter (12 + 13 = Frequenzweiche)High pass filter ( 12 + 13 = Crossover)
1313: Tiefpassfilter (TP1 und TP2 mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen) Low pass filter (TP1 and TP2 with different cutoff frequencies)
1414: Bidirektionaler Bustreiber, Transceiver für den Feldbus 16 Bidirectional bus driver, transceiver for the fieldbus 16
1515: Codegenerator (spezieller Signalgenerator für das Testsignal) Code generator (special signal generator for the test signal)
1616: Feldbus fieldbus

Claims

Bus coupler for a fieldbus with a fieldbus potential group ( 1 ), a galvanically separated device potential group ( 2 ), a first optocoupler ( 4 ) for transmitting a bus signal and a receiver ( 3 ) or a transmitter ( 6 ) for receiving or transmitting a bus signal, characterized in that a summer ( 7 ), a generator ( 9 ), an evaluation unit ( 10 ), a correction unit ( 11 ), a high pass ( 12 ) and a low pass ( 13 ), the generator ( 9 ) generates a test signal, the test signal has a lower frequency than the bus signal, the summer ( 7 ) sums the test signal and the bus signal, the optocoupler ( 4 ) transmits this sum signal, the two signals after their transmission through a crossover ( 12 . 13 ) and the transmitted test signal is compared with the original test signal, whereby a transfer function and its inverse transfer function is generated, and the inverse transfer function for influencing the bus signal by means of the correction unit ( 11 ) is used.

Bus coupler according to claim 1, characterized in that the transmitted test signal is synchronized with the original test signal, the two signals are then compared with each other, wherein the transfer function of the optocoupler ( 4 ) is preferably generated by pointwise division of the two synchronized signals.

Bus coupler according to Claim 1 or 2, characterized in that a second optocoupler ( 5 ) for separately transmitting the test signal and a threshold value switch ( 8th ) is present for raising the test signal to a defined level.

Bus coupler according to claim 1 or 2, characterized in that the generator ( 9 ) by a code generator ( 15 ), which encodes a coded bit sequence for synchronization with an optical coupler ( 4 ) generated test signal with the original test signal.

Method for transmitting a bus signal with a bus coupler according to one of the preceding claims, characterized by the following method steps: - Generation of a test signal which is low compared to the bus signal, - Summation of the test signal with the bus signal to generate a sum signal, - Potential-free transmission of the sum signal with an optocoupler ( 4 ) - Separation of the test signal from the bus signal by means of a crossover ( 12 . 13 ) - Comparison of the transmitted test signal with the original test signal and generation of the reciprocal transfer function of the optocoupler ( 4 ) by the signal comparison, - Correction of the already transmitted or to be transmitted bus signal based on the reciprocal transfer function of the optocoupler ( 4 ) with the help of the correction unit ( 11 ).