Elektrische
Systeme sind heutzutage häufig dezentral
aufgebaut, d.h. sie weisen verteilt angeordnete, zumeist mikroprozessorgesteuerte
elektrische Geräte
auf. So bilden beispielsweise einzelne Geräte zur Telekommunikation, wie
Telekommunikationsendgeräte
und -vermittlungsgeräte,
gemeinsam ein Telekommunikationsnetzwerk und einzelne Computer,
wie PCs oder Server, sind untereinander zu Rechnernetzwerken verbunden.
Ebenso sind sogenannte Feldgeräte,
wie sie in industriellen Fertigungsprozessen, energie- oder verfahrenstechnischen
Systemen oder auch Anlagen zur Verteilung von elektrischer Energie,
Gas oder Wasser vorhanden sind, üblicherweise
dezentral angeordnet und zum Zwecke des Datenaustauschs untereinander und/oder
mit einer Leitstelle zu einem Netzwerk zusammengefasst. Solche Netzwerke
können
beispielsweise gemäß dem allgemein
bekannten Ethernet-Standard ausgelegt sein.
In
Kommunikationsnetzwerken werden zwischen den einzelnen elektrischen
Geräten
zu übertragende
Daten über
sogenannte Verbindungsmedien übertragen.
Als solche Verbindungsmedien können
beispielsweise elektrische Übertragungsleitungen
(wie Twisted-Pair-Leitungen) oder Lichtwellenleiter zum Einsatz
kommen. Bei einem Lichtwellenleiter werden die Daten in Form von
Lichtimpulsen über
optische Fasern übertragen.
Zur Ankopplung an die jeweiligen Geräte des Netzwerkes sind die
Lichtwellenleiter über
entsprechende Schnittstellen mit optischen Sende- und Empfangsbausteinen
mit diesen verbunden.
Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verbinden eines Lichtwellenleiters
mit einem mikroprozessorgesteuerten elektrische Gerät mit einem mit
dem elektrischen Gerät
in Verbindung stehenden Rechenmodul, das Netzwerkfunktionalitäten zur
Anbindung des elektrischen Gerätes
an ein Netzwerk aufweist, einem mit dem Rechenmodul verbundenen Schnittstellenbaustein
in Form eines integrierten Schaltungsbausteins und einem mit dem
Schnittstellenbaustein einerseits und dem Lichtwellenleiter andererseits
verbundenen optischen Sende- und Empfangsbaustein.
Eine
solche Anordnung ist beispielsweise aus der deutschen Übersetzung
DE 696 15 249 T2 der
europäischen
Patentschrift
EP 0
735 706 B1 bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird zum
Verbinden eines Lichtwellenleiters mit einem elektrischen Gerät eine Schnittstelleneinrichtung
beschrieben, die einen mit dem elektrischen Gerät in Verbindung stehenden ersten
IC (Integrated Circuit = integrierte Schaltung) als Rechenmodul
aufweist, der wiederum mit einem zweiten IC verbunden ist. Letzterer
stellt einen Schnittstellenbaustein zu einem einen optischen Sender
und Empfänger
aufweisenden optischen Verbinder dar, der wiederum mit dem Lichtwellenleiter
verbunden ist. Über
die gesamte Schnittstelleneinrichtung können in einem elektrischen
Gerät erzeugte
Eingangsdaten in entsprechende Lichtimpulse umgewandelt und über den
Lichtwellenleiter zu einem entfernten elektrischen Gerät versendet
bzw. von einem solchen empfangen und in entsprechende Ausgangsdaten
für das
elektrische Gerät
umgewandelt werden. Diese werden dem elektrischen Gerät zur Verfügung gestellt
und können
von diesem beispielsweise weiterverarbeitet, gespeichert oder ausgegeben
werden.
Der
bei der bekannten Schnittstelleneinrichtung mit dem elektrischen
Gerät direkt
in Verbindung stehende erste IC weist hierbei die zur Netzwerkanbindung
des elektrischen Gerätes
notwendigen Netzwerkfunktionalitäten,
also Funktionalitäten
zur Steuerung, Überprüfung und
Verarbeitung des Datenflusses, auf, wie z.B. eine logische Verbindungssteuerungsschicht
(LLC = Logic Link Control Layer), eine Medienzugriffsschicht (MAC
= Medien-Zugangssteuerung) sowie eine sogenannte Signalsubschicht.
Diese Schichten stellen einzelne Komponenten des OSI-Schichtenmodells
dar (OSI = Open Systems Interconnection), das eine allgemeine Grundlage
zum Aufbau und zur Implementierung von Hard- und Software für Netzwerkanwendungen
beschreibt. Die einzelnen Schichten (Layer) regeln hierbei beispielsweise
den Datenfluss oder stellen Fehlererkennungs- und korrekturfunktionalitäten zur
Verfügung.
Der
mit dem ersten IC verbundene zweite IC dient als bidirektionale
Schnittstelle zwischen diesem ersten IC und dem optischen Verbinder
und setzt die von dem elektrischen Gerät auszusendenden Daten in für den optischen
Verbinder verständliche
Impulse um. Analog werden durch diesen zweiten IC von dem optischen
Verbinder empfangene Daten in für
das elektrische Gerät
verständliche
Daten umgesetzt.
Der
optische Verbinder enthält
einen optischen Sender, wie beispielsweise eine Leuchtdiode zum
Aussenden von optischen Impulsen mit einer vorgegebenen Wellenlänge, und
einen optischen Empfänger,
wie beispielsweise einen Fotoempfänger.
An
den optischen Verbinder ist über
passende Anschlüsse
ein Lichtwellenleiterpaar angeschlossen.
Ausgehend
von einer Anordnung der oben genannten Art liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine besonders leistungs fähige Anordnung zum Verbinden
eines Lichtwellenleiters mit einem elektrischen Gerät anzugeben.
Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Anordnung der genannten Art vorgeschlagen,
bei der in den Schnittstellenbaustein Funktionsmodule integriert
sind, die zumindest Teile der Netzwerkfunktionalitäten bereitstellen.
Funktionsmodule
stellen im Sinne der Erfindung nicht unbedingt eigenständige elektronische Komponenten
dar, vielmehr sind solche Funktionsmodule vollständig in den Schnittstellenbaustein
integriert; ihre Funktionalität
wird über
entsprechende logische Schaltungen realisiert.
Der
wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
dass der Schnittstellenbaustein neben seiner Funktion als bidirektionale Schnittstelle
zwischen dem Rechenmodul und dem Sende- und Empfangsbaustein auch
Netzwerkfunktionalitäten
bereitstellt, die bisher üblicherweise
von dem Rechenmodul geleistet werden mussten. Anders ausgedrückt handelt
es sich um eine Verlagerung von zumindest einigen Aufgaben des Rechenmoduls
in den Schnittstellenbaustein. Da es sich bei dem Schnittstellenbaustein
um einen integrierten Schaltungsbaustein handelt, ist eine solche
Integration weiterer Funktionen – je nach Komplexität des integrierten
Schaltungsbausteins – ohne
großen
Aufwand möglich.
Durch diese Maßnahme
wird ein üblicherweise
in dem Rechenmodul vorhandener Mikroprozessor deutlich entlastet.
Unter Umständen
kann hier sogar auf einen leistungsschwächeren Mikroprozessor zurückgegriffen
werden, wodurch die Kosten für
die gesamte Anordnung sinken. Die geringere Auslastung des Mikroprozessors
führt ferner
zu einer geringeren Wärmeabgabe
des Mikroprozes– sors, was
bei kleinen elektrischen Geräten
in geschlossenen Gehäusen
einen deutlichen Vorteil bedeutet.
Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
dass zumindest ein in den Schnittstellenbaustein integriertes Funktionsmodul
eine Switch-Funktionalität bereitstellt.
Ein
Baustein mit Switch-Funktionalität
stellt in einem Netzwerk Verbindungen zwischen einzelnen elektrischen
Geräten
des Netzwerks her, wobei über
den Switch gleichzeitig mehrere elektrischen Geräte miteinander kommunizieren
können.
Auf diese Weise kann beispielsweise besonders vorteilhaft eine Redundanzumschaltung,
also ein möglichst
unterbrechungsfreies Umschalten von einem elektrischen Gerät auf ein
zweites (gleichartiges) elektrisches Gerät, realisiert werden.
Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht
darin, dass zumindest ein in den Schnittstellenbaustein integriertes
Funktionsmodul eine Filterfunktionalität bereitstellt. Auf diese Weise
kann beispielsweise eine Filterung empfangener Daten bereits in
der Schnittstelleneinheit und nicht in dem Rechenmodul vorgenommen
werden. Da Filterungen üblicherweise
rechenintensive Vorgänge
darstellen, wird durch die Verlagerung der Filterung in den Schnittstellenbaustein
wiederum der Mikroprozessor des Rechenmoduls entlastet.
Gemäß weiterer
vorteilhaften Ausbildungsformen kann der Schnittstellenbaustein
beispielsweise durch einen programmierbaren Schaltungsbaustein,
wie einen EPLD (electronically programmable logic device) oder einen
FPGA (field programmable gate array), sowie durch einen nicht programmierbaren Schaltungsbaustein,
wie einen ASIC (application specific integrated circuit), gebildet
werden.
Die
Verwendung eines ASIC kann vorteilhafterweise insbesondere dort
erfolgen, wo mit niedrigen Herstellungskosten große Stückzahlen
desselben Schaltungsbausteins hergestellt werden sollen. Die Verwendung
programmierbarer Schaltungsbausteine wie einem FPGA oder einem EPLD
eignet sich hingegen insbesondere bei Geräten, die in niedrigen bis mittleren
Stückzahlen
produziert werden.
Vorteil
aller dieser Ausführungsformen
ist insbesondere eine variable Anpassung des Schnittstellenbausteins
an den jeweils geforderten Anwendungsfall. Neben der Möglichkeit,
in einem entsprechend komplexen Schaltungsbaustein nahezu beliebige
Netzwerkfunktionalitäten
bereitzustellen, kann beispielsweise auch durch Ausbildung einer
optischen Schnittstelle, die den Anschluss von leistungsarmen Sendeleuchtdioden
erlaubt, die Verlustleistung der gesamten Anordnung deutlich minimiert werden.
Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung ist in der Figur eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Anordnung zum Anbinden eines Lichtwellenleiters an ein mikroprozessorgesteuertes elektrisches
Gerät dargestellt.
Hierbei
ist in der Figur in einem strichliert gezeichneten Rahmen eine Anordnung 1 zum
Anbinden eines Lichtwellenleiterpaares 2 an ein in der
Figur nur ansatzweise dargestelltes mikroprozessorgesteuertes elektrisches
Gerät 3 gezeigt.
Bei dem mikroprozessorgesteuerten elektrischen Gerät 3 kann es
sich beispielsweise um einen Computer, ein Gerät zur Telekommunikation oder
ein Feldgerät,
beispielsweise eines Leitsys tems, zur Steuerung der Verteilung von
elektrischer Energie handeln.
Die
Anordnung 1 weist einen Rechenbaustein 4 auf,
der über
entsprechende – in
der Figur nur schematisch angedeutete – elektrische Verbindungen 5 mit
dem elektrischen Gerät 3 verbunden
ist. Der Rechenbaustein 4 dient zur Steuerung des Datenaustauschs
zwischen dem elektrischen Gerät 3 und
einem entfernt angeordneten weiteren elektrischen Gerät über die
Lichtwellenleiter 2. Dazu enthält der Rechenbaustein 4 u.
a. einen Mikroprozessor 4a sowie eine sogenannte Medienzugriffssteuerung (MAC) 4b.
Der Rechenbaustein ist ferner über
Anschlüsse 6 mit
einem Schnittstellenbaustein 7 verbunden, der wiederum über weitere
Anschlüsse 8 in Verbindung
mit einem Sende- und Empfangsbaustein 9 steht. Der Sende-
und Empfangsbaustein enthält
einen optischen Sender 9a, beispielsweise in Form einer
Leuchtdiode, und einen optischen Empfänger 9b, beispielsweise
in Form eines Fotoempfängers.
Der Sende- und Empfangsbaustein 9 ist über entsprechende optische
Koppler 10 mit den Lichtwellenleitern 2 verbunden. Üblicherweise
steht sowohl für
die Empfangs- als auch für
die Senderichtung je ein Lichtwellenleiter zur Verfügung.
Der
Schnittstellenbaustein 7 ist in Form eines integrierten
Schaltungsbausteins, wie beispielsweise eines programmierbaren Schaltungsbausteins, – etwa ein
FPGA oder ein EPLD – bzw.
eines nicht programmierbaren Schaltungsbausteins – etwa ein ASIC – ausgeführt. Solche
integrierte Schaltungsbausteine weisen insbesondere den Vorteil
auf, dass sie bei ihrer Auslegung genau auf ihre spätere Einsatzfunktion
zugeschnitten werden können;
es kann also für
jede Einsatzfunktion ein genau passender integrierter Schaltungsbaustein
entwickelt werden. Hierzu existieren spezielle Auslegungswerkzeuge, auf
die an dieser Stelle jedoch nicht weiter eingegangen werden soll.
Der Schnittstellenbaustein 7 dient gemäß seiner ursprünglichen
Funktion zunächst
als Umsetzer von Daten, die von dem elektrischen Gerät über den
Rechenbaustein an den optischen Sende- und Empfangsbaustein gesendet
oder in umgekehrter Richtung empfangen werden sollen. Hierzu wandelt
der Schnittstellenbaustein 7 die von dem Rechenmodul 4 abgegebenen
Daten gemäß einem Standard
für optische
Schnittstellen (beispielsweise PECL = Pseudo Emitter Coupled Logic)
um und gibt sie an den optischen Sende- und Empfangsbaustein 9 ab,
wo diese in entsprechende Lichtimpulse umgewandelt und über die
Lichtwellenleiter 2 übertragen werden.
Neben seiner Schnittstellenfunktionalität weist der Schnittstellenbaustein 7 – in der
Figur nur schematisch angedeutete – Funktionsmodule 7a, 7b und 7c auf,
die Netzwerkfunktionalitäten
bereitstellen. Beispielsweise kann hier der Funktionsbaustein 7a eine
Switch-Funktionalität bereitstellen
und damit die Verbindung zweier elektrischer Geräte über ein Netzwerk steuern. Mittels
der Switch-Funktionalität kann
ebenfalls eine schnelle Redundanzumschaltung im Falle des Ausfalls
des elektrischen Gerätes 3 erfolgen,
in diesem Fall wird auf ein gleichartiges elektrisches Gerät umgeschaltet.
Der Funktionsmodul 7b stellt beispielsweise einen elektronischen
Filter z. B. zur Filterung von empfangenen Daten dar. Da es sich
bei dem Schnittstellenbaustein 7 um einen integrierten
Schaltungsbaustein handelt, können
alle solche Funktionen in Form eines entsprechenden logischen Schaltungsaufbau
des Schnittstellenbausteins 7 in diesen integriert werden.
Die Durchführung
der entsprechenden Funktionen durch den Schnittstellenbaustein 7 entlastet
den Mikroprozessor 4a des Rechenbausteins 4 deutlich
und steigert insgesamt die Leistungsfähigkeit der gesamten Anordnung.
Gegebenenfalls kann auch auf einen leistungsschwächeren Mikroprozessor 4a zurückgegriffen
werden, wodurch die gesamte An ordnung kostengünstiger ausfallen würde. Durch
die Entlastung des Mikroprozessors 4a kann ferner eine
geringere Wärmeabgabe
des Rechenbausteins 4a erreicht werden, was insbesondere
bei einer platzsparenden Ausführung
der gesamten Anordnung 1 oder bei der Ausführung in
einem kleinen Gehäuse
den Vorteil eines geringeren Kühlungsbedarfs
der Anordnung mit sich bringt. Dadurch, dass der Schnittstellenbaustein 7 in
Form eines FPGAs eines EPLDs oder eines ASICs variabel auf seinen
Anwendungsfall zugeschnitten werden kann, kann hier ferner auch
die Bereitstellung einer optischen Schnittstelle mit geringer Verlustleistung,
beispielsweise einer TTL-Schnittstelle (TTL = Transistor-Transistor-Logic),
vorgesehen werden. Auf diese Weise können leistungsärmere Leuchtdioden
in dem Sende- und Empfangsbaustein 9 angesteuert werden
und die Leistungsaufnahme und damit die Wärmeabgabe der gesamten Anordnung 1 deutlich
reduziert werden.
Im
Vergleich zu bisher häufig
eingesetzten sogenannten PHY-Transceivern
als Schnittstellenbausteine, die häufig sowohl eine optische als
auch eine elektrische Schnittstelle zur Verfügung stellen, kann durch das
bewusste Aussparen der elektrischen Schnittstelle zudem die Verlustleistung
und somit die Wärmeentwicklung
der gesamten Anordnung 1 vergleichsweise gering gehalten
werden.
Die
gesamte Anordnung 1 kann beispielsweise in einem externen
Gehäuse
enthalten und über einen
entsprechenden Schnittstellenanschluss an das elektrische Gerät 3 angeschlossen
sein. Üblicherweise
wird die Anordnung 1 jedoch z.B. auf einer Einschubleiterplatte
realisiert und in das elektrische Gerät 3 eingesetzt sein.
In einem solchen Fall kommt die reduzierte Wärmeentwicklung der Anordnung 1 auch
dem gesamten elektrischen Gerät
zugute.