DE102018008751B3

DE102018008751B3 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102018008751B3
Application number: DE102018008751.5A
Authority: DE
Inventors: Enrico SCHULZ; Thomas Freund
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2038-11-09
Also published as: CN110823281A; CN110823281B

Abstract

Schaltungsanordnung mit einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit einen Prozessor und einen Busanschluss und einen Signalausgang aufweist, und mit einer ersten Sensoreinheit und einer zweiten Sensoreinheit, wobei die Sensoreinheiten als integrierte Sensoreinheiten ausgebildet sind und jeweils einen Prozessor und einen Busanschluss und einen Signaleingang und einen Signalausgang umfassen, und mit wenigstens einer Busleitung, wobei die Steuereinheit und die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit an der wenigstens einen Busleitung angeschlossen sind, und mit einer Strangleitung, wobei die Steuereinheit und die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit mittels der Strangleitung seriell verschaltet sind, indem der Signalausgang der Steuereinheit mit dem Signaleingang der ersten Sensoreinheit und der Signalausgang der ersten Sensoreinheit mit dem Signaleingang der zweiten Sensoreinheit verschaltet ist, und mit einem ersten Referenzpotential und einem zweiten Referenzpotential, wobei die Steuereinheit und die Sensoreinheiten jeweils mit einem ersten Referenzpotential und mit einem zweiten Referenzpotential verschaltet sind, wobei jeder Signalausgang in einem ersten Zustand auf dem ersten Referenzpotential oder in Nähe des ersten Referenzpotentials liegt oder in dem zweiten Zustand auf dem zweiten Referenzpotential oder in Nähe des zweiten Referenzpotentials liegt, und ein Terminierungswiderstand vorgesehen ist, um die Busleitung abzuschließen, und die Sensoreinheiten eingerichtet sind, mittels des Prozessors das Potential des Signalausgangs zu überwachen und bei einem Potentialwechsel den Terminierungswiderstand mit der Busleitung zu verbinden oder von der Busleitung zu trennen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
Aus der DE 10 2016 002 488 B3 ist eine Schaltungsanordnung mit einer seriellen Verschaltung von Sensoreinheiten bekannt. Aus der DE 10 2004 052 075 A1 ist eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung bekannt, wobei jeder Signalausgang in einem ersten Zustand auf dem ersten Referenzpotential oder in dem zweiten Zustand auf dem zweiten Referenzpotential liegt und ein Terminierungswiderstand vorgesehen ist um die Busleitung abzuschließen.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung mit einer Steuereinheit und mit einer ersten Sensoreinheit und einer zweiten Sensoreinheit bereitgestellt.
Die Steuereinheit weist einen Prozessor und einen Busanschluss und einen Signalausgang auf.
Die Sensoreinheiten sind als integrierte Sensoreinheiten ausgebildet und weisen jeweils einen Prozessor und einen Busanschluss und einen Signaleingang und einen Signalausgang auf.
Der Busanschluss umfasst wenigstens eine Busleitung.
Die Steuereinheit und die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit sind an der wenigstens einen Busleitung angeschlossen.
Es ist eine Strangleitung vorgesehen, wobei die Steuereinheit und die erste Sensoreinheit und die zweite Sensoreinheit mittels der Strangleitung seriell verschaltet sind.
Der Signalausgang der Steuereinheit ist mit dem Signaleingang der ersten Sensoreinheit und der Signalausgang der ersten Sensoreinheit ist mit dem Signaleingang der zweiten Sensoreinheit verschaltet.
Es ist ein erstes Referenzpotential und ein zweites Referenzpotential vorgesehen, wobei die Steuereinheit und die Sensoreinheiten jeweils mit dem ersten Referenzpotential und mit dem zweiten Referenzpotential verschaltet sind.
Jeder Signalausgang liegt in einem ersten Zustand auf dem ersten Referenzpotential oder in Nähe des ersten Referenzpotentials oder in einem zweiten Zustand auf dem zweiten Referenzpotential oder in Nähe des zweiten Referenzpotentials.
Es ist ein Terminierungswiderstand vorgesehen, um die Busleitung abzuschließen. Vorzugsweise weist der Terminierungswiderstand einen Wert von einhundertzwanzig Ohm auf.
Die Sensoreinheiten sind eingerichtet, mittels des Prozessors das Potential des Signalausgangs zu überwachen und bei einem Potentialwechsel den Terminierungswiderstand mit der Busleitung zu verbinden oder von der Busleitung zu trennen.
Es sei angemerkt, dass mit dem Ausdruck „auf das Referenzpotential gelegt wird“ vorliegend auch Zustände umfasst sind, bei denen der Signaleingang als auch der Signalausgang mittels sogenannter „pull-up“ oder „pull-down“ Widerstände aufgrund des Spannungsabfalls an den Widerständen nicht genau auf dem jeweiligen Referenzpotential liegen.
Des Weiteren sei angemerkt, dass die Steuereinheit und die Sensoreinheiten mittels der Strangleitung in einer sogenannten „daisy-chain“ Anordnung verschaltet sind.
Hierdurch liegt an dem Signalausgang der Steuerleitung und dem Signaleingang der ersten Sensoreinheit das gleiche Potential an.
Entsprechend gilt, dass an dem Signalausgang und dem Signaleingang zwei mittels der Strangleitung verschalteten Sensoreinheiten jeweils das gleiche Potential d.h. entweder das erste Bezugspotential oder das zweite Bezugspotential anliegt.
Auch versteht es sich, dass sich anstelle von nur einer ersten und einer zweiten Sensoreinheit auch genau drei oder genau vier Sensoreinheiten oder vorzugsweise auch eine Vielzahl von Sensoreinheiten seriell verschalten lassen. Vorzugsweise wird unter dem Begriff „Vielzahl“ eine Anzahl von Sensoreinheiten größer als vier, insbesondere größer als acht und vorzugsweise größer als dreißig verstanden, insbesondere liegt die Anzahl in einem Bereich zwischen 2 und 254.
Es sei angemerkt, dass mit dem Ausdruck „integriert“ vorliegend Sensoreinheiten bezeichnet werden, welche die Widerstände für den Abschluss der Signaleingänge und Signalausgänge bereits intern aufweisen. Eine äußere Verschaltung mittels diskreten Bauelementen erübrigt sich.
Insbesondere sind die Sensoreinheiten als vergossene Bauelemente ausgebildet, welche vorzugsweise nur noch Bus- und Signalanschlüsse und Versorgungsspannungsanschlüsse aufweisen.
Ein Vorteil der Schaltungsanordnung ist es, dass sich die Anzahl der an einem Bus angeschlossenen Sensoreinheiten auch in einem sogenannten heißen Zustand, d.h. bei einer anliegenden Versorgungsspannung leicht verändern lässt.
Insbesondere lassen sich bei einer bestehenden Anordnung die Anzahl der Sensoreinheiten einfach erhöhen, da nach einer Erhöhung der Anzahl der Sensoreinheiten der Busanschluss automatisch immer richtig terminiert ist.
Entsprechendes gilt, sofern sich die Anzahl der seriell mittels der Strangleitung verschalteten Sensoreinheiten verringert. Durch den Potentialwechsel bei einem der Signalausgänge wird automatisch eine neue Terminierung initiiert.
Hierzu wird das Potential der Signalausgänge mittels des Prozessors überwacht. Bei einem Potentialwechsel, d.h. von dem zweiten Referenzpotential zu dem ersten Referenzpotential wird mittels des Prozessors und mittels eines steuerbaren Terminierungsschalters innerhalb der jeweiligen Sensoreinheit ein Terminierungswiderstand zwischen die beiden Busleitungen geschaltet.
Entsprechend wird bei einem Wechsel des Potentials der Signalausgänge von dem ersten Referenzpotential zu dem zweiten Referenzpotential mittels des Prozessors der steuerbare Terminierungsschalter geöffnet, d.h. die beiden Busleitungen sind nicht mehr mittels des Terminierungswiderstandes verbunden.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der Terminierung nur derjenige Potentialwechsel berücksichtigt wird, der sich aus dem Zusammenwirken des pull-up Widerstandes und des pull-down Widerstandes ergibt.
Auch nach einem Anlegen der Versorgungsspannung an die Sensoreinheiten wird die automatische Terminierung auf einfache und kostengünstige Weise durchgeführt.
Eine Einstellung der Terminierungswiderstände mit sogenannten „dip“-Schaltern erübrigt sich. Insbesondere wird die Zuverlässigkeit bei Anwendungen von den „dasiy-chain“ verschalteten Sensoreinheiten im Feld wesentlich erhöht und die Installationskosten gesenkt, indem ein falscher Anschluss von Terminierungswiderständen zuverlässig verhindert wird.
In einer Weiterbildung nimmt bei einer Verschaltung des Signalausgangs mit dem Signaleingang einer nachfolgenden Sensoreinheit der Signalausgang den zweiten Zustand an.
In einer Ausführungsform ist das erste Referenzpotential als Versorgungsspannung und das zweite Referenzpotential als Massepotential ausgebildet oder das erste Referenzpotential als Massepotential und das zweite Referenzpotential als Versorgungsspannung ausgebildet ist.
In einer anderen Weiterbildung ist in dem ersten Zustand der Terminierungswiderstand mit der Busleitung verschaltet.
In einer Ausführungsform weist der Signalausgang einen ersten Widerstand und der Signaleingang einen zweiten Widerstand auf. Vorzugsweise weist der erste Widerstand einen anderen Widerstandswert auf als der zweite Widerstand. Insbesondere ist der Signalausgang mittels des ersten Widerstands mit einem ersten Referenzpotential und der Signaleingang mittels des zweiten Widerstands mit einem zweiten Referenzpotential verschaltet.
In einer Weiterbildung weist der erste Widerstand einen wenigstens um den Faktor zwei größeren Widerstandswert als der zweite Widerstand auf, sodass bei einer Verschaltung von zwei Sensoreinheiten der jeweilige Signalausgang das zweite Bezugspotential annimmt, sofern nicht mittels einem parallel zu dem ersten Widerstand angeordneter steuerbarer Schalter das Potential auf das erste Referenzpotential geklemmt wird.
Anders ausgedrückt bleibt der Signalausgang offen, d.h. wird nicht mit dem Signaleingang einer nachfolgenden Sensoreinheit verschaltet, wird jeder Signalausgang der Sensoreinheit mittels des ersten Widerstandes auf das erste Referenzpotential geklemmt. Vorzugsweise ist der erste Widerstand um einen Faktor fünf, höchst vorzugsweise um einen Faktor zehn größer als der zweite Widerstand.
In einer anderen Weiterbildung umfasst jede Sensoreinheit einen schaltbaren Terminierungswiderstand.
In einer Ausführungsform ist zwischen dem Anschluss des ersten Widerstands an dem Signalausgang und dem Signalausgang eine Diode vorgesehen.
In einer anderen Weiterbildung umfassen die untereinander mittels der Strangleitung verschalteten Sensoreinheiten jeweils einen induktiven und / oder einen kapazitiven Sensor und / oder einen optischen Sensor und / oder einen Ultraschallsensor. Vorzugsweise werden derartige Sensoren in Systemen zur Messung des Füllstandes von Behältern eigesetzt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigen, die

1a eine Ansicht auf eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens,
1b eine detaillierte Ansicht auf die Schaltungsanordnung der 1a zur Durchführung des Verfahrens.

Die Abbildung der 1a zeigt eine Ansicht einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, aufweisend eine Schaltungsanordnung 10 mit einer Steuereinheit M und einer ersten Sensoreinheit S1 und einer zweiten Sensoreinheit S2 und einer dritten Sensoreinheit S3. Es versteht sich, dass die Steuereinheit M und die Sensoreinheiten S1 bis S3 jeweils mit einer Versorgungsspannung VCC und einem Massepotential MA verschaltet sind.
Des Weiteren weist jede Sensoreinheit S1 bis S3 einen schaltbaren vorzugsweise integrierten Terminierungswiderstand TR, dargestellt in der 1b, auf, um, sofern eine der Sensoreinheiten S1 bis S3 als letzte Sensoreinheit angeordnet ist, die Busleitungen B1 und B2 vorschriftsmäßig zu terminieren.
Des Weiteren weist jede Sensoreinheit S1 bis S3 einen Prozessor - nicht dargestellt - auf.
Die Steuereinheit M und die Sensoreinheiten S1 bis S3 weisen jeweils einen Signalausgang OUT auf. Außerdem weisen die Sensoreinheiten S1 bis S3 jeweils zusätzlich noch einen Signaleingang IN auf.
Die Steuereinheit M ist mittels einer ersten Busleitung B1 und einer zweiten Busleitung B2 parallel mit den Sensoreinheiten S1 bis S3 verschaltet. Zwischen der Steuereinheit M und den Sensoreinheiten S1 bis S3 ist eine Strangleitung STRL ausgebildet. Mittels der Strangleitung STRL ist die Steuereinheit M mit den Sensoreinheiten S1 bis S3 seriell in einer sogenannten daisy-chain Anordnung verschaltet, indem der Signalausgang der Steuereinheit M mit dem Signaleingang IN der ersten Sensoreinheit S1 und der Signalausgang der ersten Steuereinheit S1 mit dem Signaleingang IN der zweiten Sensoreinheit S2 verschaltet ist.
Weiterhin ist der Signalausgang der zweiten Steuereinheit S2 mit dem Signaleingang IN der dritten Sensoreinheit S3 versschaltet. Der Signalausgang OUT der dritten Sensoreinheit S3 ist nicht verschaltet. Hierdurch ist die dritte Sensoreinheit S3 die letzte Sensoreinheit in der vorliegenden Schaltungsanordnung 10.
In der Abbildung der 1b ist eine detaillierte Ansicht auf die Schaltungsanordnung 10 der 1a zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zu der Abbildung der 1a erläutert.
Bei allen Sensoreinheiten S1 bis S3 das Potential der Signalausgänge OUT mittels des Prozessors überwacht. Bei einem Potentialwechsel, d.h. von dem zweiten Referenzpotential zu dem ersten Referenzpotential wird mittels des Prozessors und mittels eines steuerbaren Terminierungsschalters TRSA innerhalb der jeweiligen Sensoreinheit S1 bis S3 ein Terminierungswiderstand TR zwischen die beiden Busleitungen B1 und B2 geschaltet. Entsprechend wird bei einem Wechsel des Potentials der Signalausgänge OUT von dem ersten Referenzpotential zu dem zweiten Referenzpotential mittels des Prozessors der steuerbare Terminierungschalter TRSA geöffnet, d.h. die beiden Busleitungen B1 und B2 sind nicht mehr mittels des Terminierungswiderstandes TR verbunden. Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der Terminierung nur derjenige Potentialwechsel berücksichtigt wird, der sich aus dem Zusammenwirken des pull-up Widerstandes R1 und des pull-down Widerstandes R2 ergibt.
Bei der ersten Sensoreinheit S1 sowie bei den anderen Sensoreinheiten S2 und S3 ist intern die Leitung des Signalausgangs OUT mittels eines steuerbaren Schalters T1 mit der Versorgungsspannung VCC verbindbar.
Außerdem ist die Leitung noch mittels eines ersten Widerstands R1 mit der Versorgungsspannung VCC verschaltet. Zusätzlich ist der Ausgang OUT noch mit einer Diode D1 geschützt.
Der Signalausgang OUT ist mittels der Strangleitung STRL mit dem Signaleingang IN der zweiten Sensoreinheit S2 verschaltet. In der zweiten Sensoreinheit 52 ist der Signaleingang IN mittels eines zweiten Widerstands R2 mit dem Massepotential MA verschaltet.

Claims

Schaltungsanordnung (10), mit - einer Steuereinheit (M), wobei die Steuereinheit (M) einen Prozessor und einen Busanschluss und einen Signalausgang (OUT) aufweist, - einer ersten Sensoreinheit (S1) und einer zweiten Sensoreinheit (S2), wobei die Sensoreinheiten (S1, S2, S3) als integrierte Sensoreinheiten (S1, S2, S3) ausgebildet sind und jeweils einen Prozessor und einen Busanschluss und einen Signaleingang (IN) und einen Signalausgang (OUT) umfassen, - wenigstens einer Busleitung (B1, B2), wobei die Steuereinheit (M) und die erste Sensoreinheit (S1) und die zweite Sensoreinheit (S2) an der wenigstens einen Busleitung (B1, B2) angeschlossen sind, - einer Strangleitung (STRL), wobei die Steuereinheit (M) und die erste Sensoreinheit (S1) und die zweite Sensoreinheit (S2) mittels der Strangleitung (STRL) seriell verschaltet sind, indem der Signalausgang (OUT) der Steuereinheit (M) mit dem Signaleingang (IN) der ersten Sensoreinheit (S1) und dem Signalausgang (OUT) der ersten Sensoreinheit (S1) mit dem Signaleingang (IN) der zweiten Sensoreinheit (S2) verschaltet ist, - einem ersten Referenzpotential und einem zweiten Referenzpotential, wobei die Steuereinheit (M) und die Sensoreinheiten (S1, S2,) jeweils mit einem ersten Referenzpotential und mit einem zweiten Referenzpotential verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Signalausgang (OUT) in einem ersten Zustand auf dem ersten Referenzpotential oder in Nähe des ersten Referenzpotentials liegt oder in dem zweiten Zustand auf dem zweiten Referenzpotential oder in Nähe des zweiten Referenzpotentials liegt, - ein Terminierungswiderstand (TR) vorgesehen ist, um die Busleitung (B1, B2) abzuschließen, - die Sensoreinheiten (S1, S2, S3) eingerichtet sind, mittels des Prozessors das Potential des Signalausgangs (OUT) zu überwachen und bei einem Potentialwechsel den Terminierungswiderstand (TR) mit der Busleitung (B1, B2) zu verbinden oder von der Busleitung (B1, B2) zu trennen.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verschaltung des Signalausgangs (OUT) der Steuereinheit (M) mit dem Signaleingang (IN) der ersten Sensoreinheit (S1) und bei einer Verschaltung des Signalausgangs (OUT) der ersten Sensoreinheit (S1) mit dem Signaleingang (IN) der zweiten Sensoreinheit (S2) der Signalausgang (OUT) der Steuereinheit (M) oder der Signalausgang (OUT) zweiten Steuereinheit der zweite Zustand annimmt.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Referenzpotential als Versorgungsspannung (VCC) und das zweite Referenzpotential als Massepotential (MA) oder das erste Referenzpotential als Massepotential (MA) und das zweite Referenzpotential als Versorgungsspannung (VCC) ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Zustand der Terminierungswiderstand mit der Busleitung (B1, B2) verschaltet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalausgang (OUT) der Steuereinheit (M) und der Sensoreinheit (S1, S2) einen ersten Widerstand (R1) und der Signaleingang (IN) der Sensoreinheit (S1, S2) einen zweiten Widerstand (R2) aufweist und der erste Widerstand (R1) einen anderen Widerstandswert als der zweite Widerstand (R2) aufweist und der Signalausgang (OUT) mittels des ersten Widerstands (R1) mit einem ersten Referenzpotential und der Signaleingang (IN) mittels des zweiten Widerstands (R2) mit einem zweiten Referenzpotential verschaltet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (R1) an dem Signalausgang (OUT) einen wenigstens um den Faktor zwei größeren Widerstandswert als der zweite Widerstand (R2) an dem Signaleingang (IN) aufweist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem ersten Widerstand (R1) der Steuereinheit (M) und der Sensoreinheit (S1, S2) ein steuerbarer Schalter (T1) angeordnet ist, um mittels des steuerbaren Schalters (T1) der Signalausgang (OUT) mit dem ersten Referenzpotential zu verbinden und den Signalausgang (OUT) auf das erste Referenzpotential zu klemmen.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sensoreinheit (S1, S2, S3) einen schaltbaren Terminierungswiderstand umfasst.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheiten (S1, S2, S3) jeweils einen induktiven und / oder einen kapazitiven Sensor und / oder einen optischen Sensor und / oder einen Ultraschallsensorumfassen.
System zur Messung des Füllstandes von Behältern umfassend eine Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.