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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen industrielle Regelgrößen-Sender
bzw. -Geber. Speziell betrifft die vorliegende Erfindung physikalische
Schichten für
digitale Übertragungsprotokolle
in solchen Sendern.
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Hintergrund der Erfindung
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Industrielle
Regelgrößen-Sender
können modular
sein. Modulare Sender können
mit unterschiedlichen Hauptmodulen zusammengesetzt sein, um ein
gewünschtes
Regelgrößen-Ausgabeprotokoll,
ein Feldkabelgehäuse,
eine lokale Anzeige oder andere modulare Merkmale bereitzustellen.
Die Hauptmodule sind entweder direkt auf dem Sender oder im Fall
einer Anzeige innerhalb von etwa 30 Metern des industriellen Senders
angebracht.
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Industrielle
Regelgrößen-Sender
werden häufig
in Bereichen einer industriellen Anlage eingebaut, in denen zündgefährliche
Umgebungen vorhanden sein können.
Regelgrößen-Ausgabeprotokolle
sind energiebegrenzt, um das Entzünden der zündgefährlichen Umgebungen bei Störungsbedingungen
zu vermeiden. Typischerweise wird eine energiebegrenzte Zweidraht-Schleife für 4–20 mA verwendet,
wobei die Schleife die gesamte Speisung des Senders bereitstellt.
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Die
Schaltungstechnik innerhalb des Senders, die die Regelgröße erfasst,
und die die Ausgabe der Regelgröße bereitstellt,
verbraucht das meiste der minimalen Energiemen ge, die für den Sender verfügbar ist,
wenn die Schleife bei 4 mA arbeitet. Sehr wenig Energie, typischerweise
1–2 Milliwatt,
ist zum Speisen zusätzlicher
Verbraucher und für
die digitale Übertragung
mit Hauptmodulen verfügbar.
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Es
wird eine Schaltung mit äußerst wenig Energie
für die
Speisung und die Übertragung
mit den Hauptmodulen benötigt,
ohne die verfügbare
Energiebegrenzung in einem Sender zu überschreiten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Offenbart
wird ein Regelgrößen-Sender,
der Verbindungen umfasst, die mit einer zusätzlichen Last bzw. einem zusätzlichen
Verbraucher in Eingriff gebracht und gelöst werden können. Die Verbindungen weisen
einen Bus-Kontakt und einen gemeinsamen Kontakt auf. Der Regelgrößen-Sender
umfasst außerdem
eine Senderschaltung, die einen gemeinsamen Leiter hat, der mit
dem gemeinsamen Kontakt gekoppelt ist, und der einen Versorgungsleiter,
einen seriellen Eingang und einen seriellen Ausgang hat.
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Eine
Empfängerschaltung
im Regelgrößen-Sender
ist mit dem seriellen Eingang und durch einen seriellen Bus mit
dem Bus-Kontakt gekoppelt.
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Eine
Versorgungsbegrenzer-Schaltung entnimmt einen Versorgungsstrom vom
Versorgungsleiter und stellt eine Ausgabe der gespeicherten Energie
bereit. Die Versorgungsbegrenzer-Schaltung stellt
eine Versorgungsstrom-Begrenzung bereit.
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Eine
rezessive Treiberschaltung entnimmt einen Treiberstrom von der Ausgabe
der gespeicherten Energie und koppelt den Treiberstrom mit dem seriellen
Bus, wobei die rezessive Treiberschaltung eine Treiberstrom-Begrenzung
bereitstellt.
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Eine
dominante Treiberschaltung ist zwischen dem seriellen Ausgang und
dem seriellen Bus gekoppelt. Die domi nante Treiberschaltung hat
einen dominanten Zustand, in dem sie den Treiberstrom leitet und
einen inaktiven Zustand, in dem der Treiberstrom für den zusätzlichen
Verbraucher verfügbar
ist.
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Diese
und verschiedene weitere Merkmale sowie Vorteile, die die vorliegende
Erfindung kennzeichnen, werden beim Lesen der folgenden ausführlichen
Beschreibung und der Durchsicht der zugehörigen Zeichnungen deutlich.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
auseinander gezogene Ansicht eines modularen Differenzialdruck-Senders
und eines Hauptmoduls;
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2 einen
Sender mit Anschlussdraht-Verbindungen;
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3 ein
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Regelgrößen-Senders;
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4 ein
Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Regelgrößen-Senders;
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5–6 zusammen
eine schematische Darstellung einer physikalischen Schicht für einen Bus
in einem Regelgrößen-Sender;
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7 einen
schematischen Schaltplan eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Anlaufschaltung;
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8 eine
schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Versorgungs-Begrenzerschaltung.
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Ausführliche Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsbeispiele
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In
den unten beschriebenen Ausführungsbeispielen
wird ein industrieller Regelgrößen-Sender bzw.
-Geber mit einem Bus bereitgestellt. Der Bus speist beliebige Hauptmodule, die
mit dem Sender verbunden sind, und führt außerdem die digitale Übertragung
zwischen dem Sender und den Hauptmodulen durch. Der Bus weist eine
physikalische Schicht auf, die eine Schaltung mit äußerst niedriger Energie
ist, die sowohl die Speisung als auch die Übertragung auf dem gleichen
Buskontakt bereitstellt, ohne die verfügbaren Energiebegrenzungen
in einem Sender zu überschreiten.
Die physikalische Schicht weist einen ersten Strombegrenzer auf,
der die Begrenzung auf die Energiemenge einstellt, die die physikalische
Schicht von einer Senderschaltung entnimmt, und stellt eine Ausgabe
der gespeicherten Energie für
die physikalische Schicht bereit. Die physikalische Schicht weist
außerdem
einen rezessiven Bustreiber auf, der seinen Treiberstrom von der
Ausgabe der gespeicherten Energie entnimmt und eine weitere, zweite
Treiberstrom-Begrenzung einstellt. Die physikalische Schicht weist
außerdem
eine dominante Treiberschaltung auf, die einen inaktiven Zustand
hat, in dem der Treiberstrom für
den zusätzlichen
Verbraucher verfügbar
ist. Der Sender arbeitet völlig
in den Leistungsbegrenzungen von 4–20 mA oder einem anderen energiebegrenzten
Regelgrößen-Ausgabeprotokoll
und ohne das Erfassen der Regelgröße oder das Bereitstellen der
Regelgrößen-Ausgabe
zu beeinflussen. Die physikalische Schicht kann bei 200 Mikroampere
oder weniger des Schleifenstroms arbeiten, da die physikalische Schicht
niedrige Vermittlungsverluste während
der Übertragung
ohne bedeutenden Verlust der Störfestigkeit
hat.
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CMOS-Logik,
FET's und Niedrigenergie-Operationsverstärker und
-Komparatoren werden verwendet, um den statischen Energieverbrauch
zu minimieren. Strombegrenzungs-Schaltungen regeln den Spitzen-
und durchschnittlichen Stromverbrauch.
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1 veranschaulicht
eine auseinander gezogene Ansicht eines modularen Differenzialdruck-Senders 100 und
ei nes Hauptmoduls 102. Der Sender 100 weist ein
Druckerfassungs-Modul 104 auf, das an einem koplanaren
Flansch 106 angeschraubt werden kann, wobei die Flanschadapter-Anschlussstücke 108 in
gestrichelten Linien dargestellt sind. Die Flanschadapter-Anschlussstücke 108 sind
mit einem Gewinde versehen und werden mit Gewinderohren verbunden,
die unter Druck stehende Verfahrensfluide zum Druck-Sender 100 befördern, um
sie zu erfassen.
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Der
Sender 100 weist außerdem
ein Gehäuse 110 für die Senderelektronik
auf, das zum Druckerfassungs-Modul hin versiegelt ist. Das Gehäuse 110 umschließt die elektronischen
Schaltungen des Senders (in 1 nicht
dargestellt) und weist einen elektrischen Verbinder 112 auf,
der vorzugsweise hermetisch versiegelt ist. Der elektrische Verbinder 112 weist
eine Reihe von Kontakten einschließlich eines Bus-Kontaktes 114 und
eines gemeinsamen Kontaktes 116 auf, um den Sender 100 mit
einem beliebigen von verschiedenen Hauptmodulen oder Zusatzgeräten zu verbinden.
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Ein
solches Hauptmodul ist das Hauptmodul 102, das auf den
elektrischen Verbinder 112 gedreht oder geschraubt wird.
Das Hauptmodul 102 weist eine Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung (liquid crystal
display – LCD) 120 auf.
Die LCD 120 zeigt den Stromwert der durch den Sender 100 erfassten
Regelgröße oder
andere vom Sender 100 empfangene Daten an. Die LCD-Schaltung 120 ist
mit dem Bus-Kontakt 114 und dem gemeinsamen Kontakt 116 verbunden.
Die LCD-Schaltung wird vom Bus-Kontakt 114 gespeist und überträgt außerdem digitale Daten
zum und vom Bus-Kontakt 114. Die Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung
(LCD) 120 ist mit den Verbindungen 114, 116 gekoppelt.
Der Regelgrößen-Sender 100 speist
und steuert die Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung 120.
Die Flüssigkeitskristallanzeige-Schaltung 120 kann
vor Ort angeordnet sein, wie es veranschaulicht ist, oder kann an
einer Stelle angeordnet sein, die vom Regelgrößen-Sender 100 entfernt
ist und von einem Bediener bequem zu betrachten ist. Die LCD 120 kann
bis zu 30 Meter (100 Fuß)
vom Sender 100 entfernt sein. Hauptmodule wie ein Temperatursensor-Modul
oder ein Luftdrucksensor-Modul können
ebenfalls mit den Verbindungen 114, 116 gekoppelt
werden.
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Das
Hauptmodul 102 weist außerdem eine Feldkabelkammer
(nicht dargestellt) auf, die durch einen Kammerdeckel 122 verschlossen
wird. Das Feldkabel 124 von einem Verfahrens-Steuersystem (nicht
dargestellt) wird durch eine Gewinde-Einführungsöffnung 126 geführt und
mit einer Zweidraht-Ausgangsschnittstelle
des Senders 100 verbunden. Der Verbinder 112 weist
außerdem
Kontakte auf, die die Zweidraht-Ausgangsschnittstelle
tragen. Das Feldkabel 124 speist den Sender 100.
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Der
Sender 100 wiederum speist und steuert die LCD-Anzeige 120 durch
den Bus-Kontakt 114 und den gemeinsamen Leiter 116.
In einigen Fällen kann
der gemeinsame Leiter 116 als ein Rückleiter sowohl für den Bus
als auch für
die Zweidraht-Schnittstelle verwendet werden. Die Schalttechnik
des Senders 100 wird unten ausführlicher in Beispielen erläutert, die
in 3–8 veranschaulicht werden.
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2 veranschaulicht
einen Sender 101 mit Anschlussdraht-Verbindungen 115, 117, 119.
In 2 verwendete Bezugsziffern, die die gleichen Bezugsziffern
sind, die in 1 verwendet wurden, kennzeichnen
die gleichen oder ähnliche
Merkmale. In 2 hat der Sender 101 keinen
mit Gewinde versehenen elektrischen Verbinder, sondern stattdessen Anschlussdrähte 115, 117, 119,
um den Sender 101 mit einem Bus oder anderen Hauptmodulen
oder Zusatzgeräten
zu verbinden. Die Anordnung gemäß 2 kann
zum Beispiel mit einem Schnellfeuer-Bus verwendet werden. Die Anschlussdrähte 115, 117, 119 können mit
einem zusätzlichen
Verbraucher durch einfache Drahtverbindungen wie Drahtmuttern, Schrauben-Anschlussleisten
und anderen bekannten in Eingriff bringbaren und lösbaren Verbindungen
in Eingriff gebracht und gelöst
werden.
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3 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Regelgrößen-Senders 200.
Der Sender 200 erfasst eine Regelgröße 202. Die Regelgröße 202 kann
ein Differenzialdruck (wie in 1 veranschaulicht),
ein Messdruck, ein absoluter Druck, eine Strömung, eine Temperatur, ein
pH-Wert, die Fluid-Leitfähigkeit,
die Dichte, die chemische Zusammensetzung oder eine andere bekannte
Regelgröße von Materialien
sein, die in einer Verfahrens-Anlage wie einer chemischen Anlage,
einer Papiermühle,
einer Wasser-Aufbereitungsanlage oder dergleichen verarbeitet wird.
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Der
Sender 200 weist ein Gehäuse 204 auf, das einen
elektrischen Verbinder 206 aufweist. Der elektrische Verbinder 206 kann
mit einem zusätzlichen
Verbraucher, (wie einem in 1 veranschaulichten
Hauptmodul 102) in Eingriff gebracht und gelöst werden.
Der Verbinder 206 weist einen Bus-Kontakt 208 und einen gemeinsamen
Kontakt 210 auf, der in einigen Anlagen geerdet ist.
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Der
Sender 200 weist eine Senderschaltung 212 auf,
die einen gemeinsamen Leiter 214 hat, der mit dem gemeinsamen
Kontakt 210 gekoppelt ist. Die Senderschaltung 212 stellt
einen Versorgungsleiter 216, einen seriellen Eingang 218 und
einen seriellen Ausgang 220 bereit. Der Sender 200 weist
einen Regelgrößen-Sensor 213 auf.
In einer bevorzugten Anordnung umfasst der Verfahrens-Sensor 213 einen Drucksensor.
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Die
Senderschaltung 212 hat eine Zweidraht-Sender-Ausgangsschnittstelle
an den Sender-Ausgangsleitungen 222, 224, die
einen Senderstrom 226 von einem Zweidraht-Verfahrens-Steuerbus
wie einem Feldkabel 124 in 1 entnimmt.
Die Senderschaltung 212 stellt eine Senderstrom-Begrenzung
von typischerweise etwa 25 Milliampere auf dem Zweidraht-Verfahrens-Steuerbus
bereit. Die Zweidraht-Verfahrens-Steuerschleife
stellt die gesamte Speisung des Senders bereit. In einer bevorzugten
Anordnung umfasst die Zweidraht-Sender-Ausgangsschnittstelle
einen geregelten Strom von 4–20
mA. Außerdem
kann eine digitale HART-Signalisierung auf dem geregelten Strom
von 4–20
mA überlagert
werden, um eine digitale Übertragung über die
Steuerschleife bereitzustellen.
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Der
Sender 200 weist eine Empfängerschaltung 230 auf,
die mit dem seriellen Eingang 218 und außerdem mit
dem seriellen Bus-Kontakt 208 durch einen seriellen Bus 232 gekoppelt
ist. Eine Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 entnimmt einen
Versorgungsstrom vom Versorgungsleiter 216 und stellt eine
Ausgabe der gespeicherten Energie 236 bereit. Die Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 stellt
eine Versorgungsstrom-Begrenzung in der Strommenge bereit, die sie
vom Versorgungsleiter 216 entnehmen kann. Die Versorgungsstrom-Begrenzung ist typischerweise
eine äußerst kleine
Größe wie 500
Mikroampere. Die Versorgungsstrom-Begrenzung gewährleistet, das die Energieanforderungen
der Schaltung der physikalischen Schicht den Ausgangsstrom des Senders
nicht über
einen Alarm-Schleifenpegel (typischerweise 3,5 mA) hinaus betreiben
kann, selbst wenn der Bus kurzgeschlossen ist.
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Der
Sender 200 weist eine rezessive Treiberschaltung 238 auf,
die einen Treiberstrom 240 von der Ausgabe der gespeicherten
Energie 236 entnimmt oder ableitet. Die rezessive Treiberschaltung 238 koppelt
den Treiberstrom 240 mit dem seriellen Bus 232.
Die rezessive Treiberschaltung 238 stellt eine Treiberstrom-Begrenzung
in der Größe des Treiberstroms 240 bereit.
Die Treiberstrom-Begrenzung beträgt
typischerweise 5 Milliampere. Wenn ein Speicherkondensator 284 (wird
unten in Verbindung mit 5 beschrieben) geleert wird,
begrenzt die Versorgungsstrom-Begrenzung noch die Wiederaufladungsrate
des Speicherkondensators 284 auf 500 Mikroampere, wobei
dadurch die Schleife von 4–20 mA
im unteren Alarmpegel gehalten wird. Alternativ wird die Begrenzung
der rezessiven Treiberschaltung auf 5 mA eingestellt, damit der
Speicherkondensator 284 bei einem ersten Low-Zustand auf
dem Bus nicht vollständig
entladen wird. Die rezessive Treiberstrom-Begrenzung ist hoch genug
eingestellt, um eine Kabel-Kapazität von 30
Metern (100 Fuß)
plus einer LCD-Eingangskapazität von einem
LOW-Zustand zu einen HIGH-Zustand
in 2/8 einer Bit-Zeit zu betreiben.
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Der
Sender 200 weist außerdem
eine dominante Treiberschaltung 242 auf, die zwischen dem seriellen
Ausgang 220 und dem seriellen Bus 232 gekoppelt
ist. Die dominante Treiberschaltung 242 hat einen dominanten
Zustand, in dem sie den Treiberstrom 240 leitet, und einen
inaktiven Zustand, in dem der Treiberstrom 240 für den zusätzlichen
Verbraucher verfügbar
ist, der mit dem Buskontakt 208 und dem gemeinsamen Kontakt 210 verbunden
ist. Während
des inaktiven Zustands stellt die rezessive Treiberschaltung 238 die
Speisung für
den zusätzlichen Verbraucher
bereit. Die dominante Treiberschaltung 242 schaltet zwischen
ihrem dominanten und ihrem inaktiven Zustand hin und her, um dem
zusätzlichen Verbraucher
digitale Daten zu senden. In einer bevorzugten Anordnung werden
die verschiedenen Non-Hardware-Schichten der digitalen Daten entsprechend
einem CAN-Bus-Netzwerks-Protokoll (controller
area network – CAN)
formatiert.
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4 veranschaulicht
ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Regelgrößen-Senders 300.
Der Sender 300 ist ähnlich
wie der in 3 veranschaulichte Sender 200,
wobei jedoch im Sender 300 bestimmte zusätzliche
Merkmale vorgesehen sind. In 4 verwendete
Bezugsziffern, die mit den in 3 verwendeten
Bezugsziffern gleich sind, kennzeichnen gleiche oder ähnliche Merkmale.
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In 4 sind
die Sender-Ausgangsleitungen 222, 224 mit einer
industriellen Zweidraht-Steuerschleife von 4–20 mA (auch als Telemetrie-Schleife bezeichnet)
verbunden, die die gesamte Speisung des Senders 300 bereitstellt.
Die industrielle Zweidraht-Steuerschleife von 4–20 mA wird als eine Spannungsquelle
oder Energieversorgung 250 in Reihe mit einem Lastwiderstand 252 veranschaulicht.
Die Spannung über
den Lastwiderstand 252 wird typischerweise mit einer Steuervorrichtung
oder einem Verfahrens-Steuersystem gekoppelt.
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Außerdem wird
in 4 eine serielle Schnittstelle 254 als
Teil der Senderschaltung 212 veranschaulicht. Die serielle
Schnittstelle 254 stellt den seriellen Eingang 218 und
den seriellen Ausgang 220 bereit. Die serielle Schnittstelle 254 ist
vorzugsweise Teil eines gewöhnlichen
Mikroprozessors wie einer ATMEL 8 Bit Mikro-Steuereinheit mit einer CAN-Steuervorrichtung,
ATMEL Teil-Nummer T89C51CC01 von ATMEL Corporation 2325 Orchard Parkway,
San Jose CA 95131 USA. Ein selbstständiges MCP2510 CAN-Steuergerät mit SPI-Schnittstelle von
Microchip Technology Inc. kann mit einer Schnellfeuer-Konfiguration
zum Beispiel ebenfalls verwendet werden.
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In 4 stellt
die dominante Treiberschaltung 242 entlang einer Leitung 256 eine
Mitkopplung bzw. Optimalwertsteuerung für die Empfängerschaltung 230 bereit.
Der Empfänger 230 reguliert
einen Empfänger-Grenzwert
in Reakti on auf die Optimalwertsteuerung- bzw. Mitkopplungs-Ausgabe 256.
Die Mitkopplung ermöglicht
es, dass der Ausgang 218 der Empfängerschaltung schnell auf einen
Wechsel auf einen logischen Low-Zustand des seriellen Busses anspricht,
wenn der Zustandswechsel durch die dominante Treiberschaltung 242 eingeleitet
wird. Der schnell ansprechende Ausgang 218 der Empfängerschaltung
wird durch die Leitung 258 mit der rezessiven Treiberschaltung 238 gekoppelt,
wobei die rezessive Treiberschaltung 238 den Treiberstrom 240 während des
logischen Low-Zustands schnell auf einen niedrigen Pegel reduziert,
um Energie zu sparen. Der Empfänger 230 erzeugt
wirksam eine Treiberreduktionsausgabe auf der Leitung 258,
die aktiv ist, wenn sich der serielle Bus in einem LOW-Zustand befindet.
Die Treiberreduktionsausgabe auf der Leitung 258 wird mit
der rezessiven Treiberschaltung gekoppelt. Die rezessive Treiberschaltung 238 reduziert
den Treiberstrom 240 in Reaktion auf die Treiberreduktionsausgabe
auf der Leitung 258. Die dominante Treiberschaltung 242 erzeugt
die Mitkopplungs-Ausgabe 256, die nach einem Zustandswechsel
des seriellen Busses 232 aktiv ist.
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Mit
dem seriellen Bus 232 wird eine Anlaufschaltung 260 gekoppelt.
Die Anlaufschaltung 260 stellt für den seriellen Bus 232 während eines
Anlaufs-Intervalls Strom bereit. Der serielle Bus 232 weist
eine Spannungsbegrenzer-Schaltung auf, die zwischen dem seriellen
Bus 232 und dem Bus-Kontakt 208 gekoppelt ist.
Der Spannungsbegrenzer umfasst zwei Klemmdioden 262, die
zwischen dem seriellen Bus 232 und den Energieversorgungsschienen gekoppelt
sind und weist außerdem
einen Strombegrenzungs-Widerstand 266 in Reihe zwischen
dem seriellen Bus 232 und dem Buskontakt 208 auf.
Der Spannungsbegrenzer hilft, vor einer statischen Elektrizität zu schützen, die
in den Buskontakt 208 entladen wird.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird der dominante Treiber 242 mit einer Diode 270 gekoppelt, die
vorgespannt wird, um eine Sockelspannung von 0,6 Volt über der
Spannung (gemeinsame Gleichspannung) des gemeinsamen Leiters bereitzustellen. Wenn
sich der dominante Treiber 242 in einem aktiven oder LOW-Zustand
befindet, verbindet der dominante Treiber 242 im Wesentlichen
den seriellen Bus 232 mit der Diode 270. Der LOW-Zustand
auf dem seriellen Bus 232 befindet sich damit 0,6 Volt
oder mehr über
dem gemeinsamen Gleichspannungspegel. Durch das Vermeiden, dass
sich die mit dem seriellen Bus 232 verbundenen Kapazitäten den
ganzen Weg hinunter auf dem gemeinsamen Gleichspannungs-Pegel entladen,
wird weniger Energie verbraucht.
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Eine
Spannungsdifferenz zwischen dem Bus-Kontakt und dem gemeinsamen
Kontakt ist eine geregelte Spannungsdifferenz über einem Betriebstemperaturbereich,
wobei die Empfängerschaltung über den
Betriebstemperaturbereich temperaturkompensiert ist, um die geregelte
Temperaturdifferenz zu akzeptieren. Wenn diese Anordnung in entfernten Anwendungen
verwendet wird, hat sie den Vorteil von gleichförmigeren Vermittlungs-Verlusten
(fVppC) über
den Betriebstemperaturbereich der Schaltungen. Dies verbessert lange
Verlegungen von Kabeln zwischen dem Regelgrößen-Sender und der entfernten
Vorrichtung (LCD).
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Zusätzlich zu
einem Versorgungsleiter 216 mit 4,3 Volt liefert die Senderschaltung 212 außerdem eine
niedrigere Versorgung auf der Leitung 280 von 3,0 Volt.
Der HIGH-Pegel auf dem seriellen Bus 232 wird auf 3,0 Volt
oder weniger reduziert, wobei der Energieverbrauch reduziert wird.
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Die
Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 weist einen Strombegrenzer 282 und
einen Energiespeicher 284 auf. Die Anordnung des Strombegrenzers 282 und
des Energiespeichers 284 ermöglicht es, das die rezessive
Treiberschaltung 282 unverzüglich einen Strom 240 bereitstellt,
der in der Amplitude höher
ist als die augenblickliche Amplitude des Versorgungsstroms auf
dem Versorgungsleiter 216.
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5–6 veranschaulichenden
gemeinsamen ein Ausführungsbeispiel
einer schematischen Darstellung einer physikalischen Schicht 400 für einen
Bus in einem Regelgrößen-Sender. Eine untere Kante
von 5 kann über
einer oberen Kante von 6 angeordnet werden, um ein
vollständiges Schaltbild
zu bilden. Die physikalische Schicht 400 ist ähnlich wie
die physikalische Bus-Schicht des in 4 veranschaulichten
Senders 300. In 5–6 verwendete
Bezugsziffern, die die gleichen wie die in 4 verwendeten
Bezugsziffern sind, kennzeichnen die gleichen oder ähnliche
Merkmale.
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EMPFÄNGER
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In
diesem Ausführungsbeispiel
weist der Empfänger 230 einen
Niedrigenergie-CMOS-Komparator 402 auf. Die Verwendung
des Komparators 402 ermöglicht
die Verwendung eines Widerstandsteilers 404, 406,
um beim Empfangen der Grenzwert-Einstellungen eine Flexibilität bereitzustellen. Ein
Rückkopplungswiderstand 408 stellt
eine kleine Größe einer
Eingangs-Hysterese für
eine verbesserte Störfestigkeit
bereit. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
verschiebt ein CMOS-Wechselstromwandler für eine hohe Eingangs-Toleranzspannung 410 den Pegel
für die
Empfangs-Komparatorausgabe von 4,3 Volt an 218 auf 3,0
Volt für
eine Eingabe in einen Mikroprozessor.
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DOMINANTE TREIBERSCHALTUNG
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Mit
Bezug auf 6 wird der serielle Bus 232 mit
einem niedrigen Ein-Widerstands-FET 420 in der dominanten
Treiberschaltung 242 von einem rezessiven (High) Zustand
auf einen dominanten (Low) Zustand angetrieben. Der FET 420 hat
einen Eingang mit hoher Impedanz 423, der den Verbrauch des
Treiberstroms am Eingang mit hoher Impedanz minimiert. Um den Stromverbrauch
zu regeln, sind in der dominanten Treiberschaltung 242 verschiedene Merkmale
enthalten. Wenn der Empfangs-Komparator 402 einen Low-Zustand
auf dem seriellen Bus 232 erfasst, wird die rezessive Treiberschaltung 238 wenigstens
teilweise abgeschaltet, um das Fließen des vollen Treiberstroms
durch den dominanten Treiber 242 zu unterbrechen, während er
sich im dominanten Zustand befindet. Dies hilft, während der Übertragung
Energieverluste zu minimieren. Um Verluste weiter zu reduzieren,
wird die Source-Leitung 422 vom FET 420 in Reihe
mit einer Diode 270 verbundenen, um den niedrigen Spannungspegel
auf dem seriellen Bus 232 auf einen Dioden-Abfall (0,6
Volt) über
der gemeinsamen Gleichspannung an 214 festzuhalten. Dies
reduziert die Schwingungen der Ausgangspannung auf dem seriellen
Bus 232, wodurch die Energieverluste bei der Übertragung
auf Grund des Ladens und Entladens der kapazitiven Verbraucher auf
dem seriellen Bus 232 reduziert werden. Die Sockeldiode 270 begrenzt
die Spitzenamplitude des Signals auf dem seriellen Bus 232 auf
etwa 3 Volt, um Übertragungs-Stromverluste zu
reduzieren, wenn ein vollständig
geladener Bus betrieben wird. Die Diode 270 temperaturkompensiert
vorzugsweise den Signalpegel, so dass er sowohl die Versorgungsspannung
auf der Leitung 280 als auch die Empfangsgrenzwerte verfolgt.
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Der
Energieverbrauch während
der Übertragungen
wird durch das Laden und Entladen der mit dem seriellen Bus 232 verbundenen
Verbraucherkapazität
bestimmt. Der Ladestrom I entspricht etwa I = C * Vpp *
f, wobei C die Verbraucherkapazität, Vpp die Spannung
von Spitze zu Spitze und f die Frequenz ist. Der Strom kann durch
das Begrenzen von Vpp reduziert werden.
Der High-Zustand wird vorzugsweise auf etwa 3,6 Volt über den
Anlauftransistor 430 begrenzt. Die Spannung von Spitze
zu Spitze wird vorzugsweise auf etwa 3 Volt begrenzt, wodurch der Stromverbrauch
minimiert wird, wenn die kapazitiven Verbraucher betrieben werden.
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Ein
Vorteil der Sockeldiode 270 ist es, dass sie den Signalpegel
auf dem Bus 232 zur Leitung 236 und die Empfangs-Grenzwerte
temperaturkompensiert. Dies trifft zu, da sich die Leitung 236 einen Spannungsabfall
am Basis-Emitter-Übergang
(Vbe) über
der Leitung 280 befindet, wobei das Low-Signal auf einen Dioden-Abfall über Masse
festgelegt wird und die Empfangs-Grenzwerte über einen Widerstandsteiler 404, 406 errichtet
werden, auf dem bei 2 Dioden-Abfällen über Masse
Bezug genommen wird.
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Der
FET 420 schaltet schnell genug, um eine induktive Eigenschwingung
an den Flanken zu erzeugen, so dass ein Widerstand 424 und
ein Kondensator 426 hinzugefügt werden, um einen Tiefpassfilter
bereitzustellen, der den FET verlangsamt und die Schaltflanken abrundet,
um eine Eigenschwingung zu vermeiden. Der Widerstand 428 ist
ein kleiner Reihenwiderstand, der ebenfalls hilft, die Eigenschwingung
zu reduzieren.
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DOMINANTE TREIBER-MITKOPPLUNG
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In
einem Ausführungsbeispiel
wird ein Mitkopplungskondensator 450 zwischen dem FET-Eingang 423 und
dem Spannungs-Widerstandsteiler 404, 406 gekoppelt,
um eine zusätzliche
Reduzierung der Vermittlungsstromverluste durch ein schnelles Abschalten
des rezessiven Treibers 238 bereitzustellen, wenn der dominante
Treiber 242 ein dominantes Low-Bit sendet. Um die Vermittlungsverluste zu
minimieren, wenn der dominante Treiber 242 ein Low-Bit
sendet, muss der rezessive Treiber 238 so schnell wie möglich abgeschaltet
werden. Der Mitkopplungskondensator 450 stellt einen Wechselstrompfad
für den
positiven Eingang des Empfangs-Komparators 402 bereit.
Wenn der dominante Treiber 242 einen Low-Wert sendet, erfasst
der Komparator 402 den TX-Übergang (vom Pegelumsetzer 409)
und schaltet den rezessiven Treiber 238 ab, bevor der serielle
Bus 232 die Zeit hatte, auf einen Low-Zustand überzugehen.
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REZESSIVER TREIBER
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Mit
Bezug auf 5 kann der rezessive Treiber 238 ebenfalls
eine Störung
erzeugen. Der Widerstand 432 arbeitet mit der parasitären Kapazität des Transistors 434,
um die Wirkung des Transistors 434 zu verlangsamen und
die Vermittlungs-Störung
zu reduzieren.
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Der
serielle Bus 232 wird von einem dominanten Low- auf einen
rezessiven High-Zustand mit einem strombegrenzten FET 436 in
der rezessiven Treiberschaltung 238 angetrieben. Der FET 436 hat einen
Eingang mit hoher Impedanz 437, der den Eingangsstrom minimiert.
In einem Ausführungsbeispiel ist
die Strombegrenzung des rezessiven Treibers auf annähernd 5
mA eingestellt, um zu verhindern, dass der Volumen-Speicherkondensator 284 beim Übergang
vom High- zum Low-Zustand
zu schnell entladen wird. Der rezessive Treiber 238 wird über eine impulsbreitenbegrenzte
Schaltung angeschaltet. Die Impulsbreite kann durch Non-Hardware-Schichten des Übertragungsprotokolls,
durch eine mit dem Mitkopplungskondensator 450 verbundene
RC-Zeitkonstante oder einer Kombination von beiden begrenzt werden.
Wenn der Empfangs-Komparator
einen High-Wert auf dem seriellen Bus 232 erfasst, wird
der rezessive Treiber 238 im An-Zustand festgehalten, um
Gleichstrom-Energie an den seriellen Bus 232 abzugeben.
Wenn der Bus zufällig
kurzgeschlossen ist, oder wenn zwei Hauptvorrichtungen versuchen, gleichzeitig
zu übertragen,
wobei eine äußere Vorrichtung
den seriellen Bus 232 auf einen Low-Wert zieht, während die
andere Vorrichtung versucht, ihn auf einen High-Wert zu ziehen,
dominiert der dominante Treiber 242 oder siegt über den
rezessiven Treiber 238. Im CAN-Protokoll wird dies zum
Beispiel als Bit-Zuteilung
definiert. Dann erfasst der Empfangs-Komparator 402 den
Low-Wert, wobei der rezessive Treiber abgeschaltet wird, nachdem
die Impulsbreiten-Zeitbegrenzung abläuft. Dies geschieht, um die
Energiemenge zu begrenzen, die während
einer Bit-Zuteilung zur Masse parallel geschaltet wird (oder wenn
der Bus kurzgeschlossen ist). Wenn eine Bit-Zuteilung stattfindet,
erfasst die CAN-Maschine im Mikroprozessor, dass der Bus aktiv ist,
unterbricht das Senden ihrer Information und wartet bis zum Ende
der gegenwärtigen
Information, um sie zurückzusenden.
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Die
Verwendung des Treiberstroms, der rezessiv ist, reduziert Vermittlungsverluste
durch das Begrenzen des Spitzenstroms, der vom seriellen Bus 232 zur
gemeinsamen Gleichstromleitung 214 während der Übertragungen fließen kann.
In einem Ausführungsbeispiel
ermöglicht
dies das Fließen
eines Spitzenstroms von 5 mA vom Volumen-Speicherkondensator 284 zu
einer Vorrichtung, die Energie vom Bus entnimmt, ungeachtet des
Spannungspegels auf der Leitung 236. Dies ermöglicht es
dem dominanten (Low) Treiber 242, den seriellen Bus 232 zu
steuern.
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Der.
Empfängerabschnitt 230 hält den rezessiven
Treiber 238 auf An, wenn sich der serielle Bus 232 auf
einem High-Wert
befindet, um Gleichstromenergie an den seriellen Bus 232 abzugeben.
Der Komparator 402 schaltet den Transistor 436 des
rezessiven Treibers ab, wenn sich der serielle Bus 232 auf
einem LOW-Wert befindet, um das Fließen des Stroms zum seriellen
Bus 232 zu unterbrechen. Der Strombegrenzungstransistor 434 des
rezessiven Treibers erfasst den Strom durch den Widerstand 438 und
begrenzt die Treiberspannung am Transistor 436 des rezessiven
Treibers.
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Der
rezessive Treiber 238 begrenzt die Zeit, in der der Strom
zum seriellen Bus 232 während
der Bit-Zuteilung fließen
kann. Der Mitkopplungskondensator 450 ist so dimensioniert,
dass er die Zeitbegrenzung einstellt.
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Der
rezessive Treiber 238 ist strombegrenzt, damit ein dominanter
Low-Treiber (wie ein dominanter Treiber 423 oder ein dominanter
Treiber in einem zusätzlichen
Verbraucher) den rezessiven Treiber 238 übersteuern
und den Bus 232 steuern kann. Zusätzlich begrenzt der rezessive
Treiber 238 die Strommenge, die während der Übertragungen oder der Bit-Zuteilungen zur Masse
fließt,
wobei damit die Vermittlungsverluste reduziert werden. Die Strombegrenzung
im rezessiven Treiber 238 ist hoch genug eingestellt, um
eine adäquate
Störsicherheit
bereitzustellen und zu gewährleisten,
dass der Treiber eine adäquate
Energie an den zusätzlichen
Verbraucher wie eine LCD 120 (1) bereitstellen
kann, die ihre ganze Speisung oder Energie vom Bus 232 bezieht.
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Wenn
der serielle Bus 232 ein CAN-Bus ist, kann sich der Bus 232 für ein Maximum
von 5 Bit-Zeiten auf einem Low-Wert
befinden, wie er durch die Non-Hardware-Schichten des CAN-Protokolls
begrenzt wird. Das CAN-Protokoll bewirkt, dass das sechste Bit als
ein High-Bit aufgefüllt
wird, um eine Synchronisationsflanke bereitzustellen. Der Volumen-Speicherkondensator 284 speichert
die Ladung während
der Low-Bits, so dass die physikalische Schicht die Ladung zum Bus 232 während des nächsten High-Bits übertragen
kann, um zu gewährleisten,
dass die richtige Durchschnittsenergie aufrechterhalten wird. Das
aufgefüllte
High-Bit stellt eine Gelegenheit bereit, die Ladung übertragen.
Um dies zu tun, muss der rezessive Treiber genug Spitzenstrom bereitstellen
können,
so dass in 1 Bit-Zeit genügend
von der gespeicherten Ladung zum zusätzlichen Verbraucher übertragen
werden kann, um ihn zu während
5 aufeinander folgenden Low-Bit-Zeiten zu speisen, wie es durch
das CAN-Protokoll ermöglicht
wird.
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Zusätzlich muss
der Treiber in der Lage sein, einen vollständig geladenen CAN-Bus in weniger
als 2/8 der Bit-Zeit
auf einen High-Wert zu ziehen, um die Zeitanforderungen zu erfüllen.
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Der
Strom des rezessiven Treibers wird durch den Widerstand 438 erfasst.
In einem Ausführungsbeispiel
wird der Transistor 434 angeschaltet, um den Stromfluss
durch den FET 436 zu begrenzen, wenn die Spannung über den
Widerstand 438 etwa 0,6 Volt erreicht.
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Wenn
sich der serielle Bus 232 auf einem Low-Wert befindet,
wird der rezessive Treiber 238 abgeschaltet, um zu verhindern,
dass der Strom unnötigerweise über den
seriellen Bus 232 zur Masse fließt. Dies wird durch das Überwachen
des seriellen Busses 232 mit dem Empfangs-Komparator 402 durchgeführt. Wenn
sich der serielle Bus auf einem Low-Wert befindet, befindet sich
der Ausgang des Empfangs-Komparators an der Leitung 258 auf
einem High-Wert, wodurch der rezessive Treiber 238 abgeschaltet
wird. Wenn sich der serielle Bus 232 auf einem High-Wert
befindet, befindet sich der Komparator-Ausgang 258 auf
einem Low-Wert, wodurch der rezessive Treiber 238 angeschaltet
wird, um Energie an den seriellen Bus 232 abzugeben. Diese
Funktion wird durch das Verbinden des Ausgangs des Komparators 402 mit
dem Gate des FET 436 des rezessiven Treibers über den
Widerstand 440 durchgeführt.
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Wenn
die physikalische Schicht einen High-Bit durchsetzt, gibt sie Strom über den
rezessiven Treiber 238 an den Bus 232 ab. Wenn
der Bus 232 auf Grund eines Kurzschlusses oder weil ein
zusätzlicher
Verbraucher den Bus 232 auf einen Low-Wert gezogen hat,
wie bei einer Bit-Zuteilung, auf einen Low-Wert gehalten wird, würde Strom
zur Masse fließen
und vergeudet werden. Um die Verluste in diesem Fall zu minimieren,
versucht der rezessive Treiber 238 den Bus 232 für eine begrenzte
Zeit auf einen High-Wert zu ziehen. Wenn der Bus 232 auf
einem Low-Wert gehalten wird, wird der Empfangs-Komparator 402 nicht permanent
schalten, um den rezessiven Treiber 238 auf An zu halten,
wobei der rezessive Treiber nach einem festgelegten Zeitabschnitt
abgeschaltet wird. Der Mitkopplungskondensator 450 stellt
für diesen
Zweck zusammen mit den Widerständen 424, 404, 406, 408 eine
RC-Zeitbegrenzung ein. Wenn ein TX-High-Wert durchgesetzt wird,
wird eine niedrige Spannung auf der Leitung 220 zu einem
positiven Eingang des Empfangs-Komparators 402 über den
Kondensator 450 gesendet, der den rezessiven Treiber 238 anschaltet. Wenn
der Bus 232 auf einem Low-Wert gehalten wird, hält der Empfangs-Komparator 402 den
rezessiven Treiber 238 nicht permanent auf An. Sobald der Kondensator 450 vollständig geladen
ist, gibt es am positiven Eingang des Komparators 402 keinen Low-Wert
mehr, so dass der rezessive Treiber 238 abgeschaltet wird.
Die Zeitbegrenzung muss lang genug eingestellt sein, um zu gewährleisten,
dass ein vollständig
geladener Bus auf einen High-Wert gezogen werden kann, bevor die
Zeitüberwachung
des Komparators abgelaufen ist.
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VERSORGUNGSBEGRENZER +
VOLUMEN-SPEICHERKONDENSATOR
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird Gleichstromenergie jedes Mal an zusätzliche Verbraucher (wie einer
LCD) über
den Bus 232 abgegeben, wenn sich der Bus 232 in
einem rezessiven Zustand befindet. Während eines dominanten Zustandes
wird im Volumen-Kondensator 284 die Ladung gespeichert und
dann als ein hoher Stromimpuls an den Bus 232 abgegeben,
sobald der Bus 232 in einen rezessiven Zustand zurückkehrt.
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Die
Energie der physikalischen Schicht wird über eine erste, strombegrenzte
Quelle 234 bereitgestellt, die ausgelegt ist, um den Strom
auf typische 500 μA
zu begrenzen, der vom Versorgungsleiter entnommen wurde. Diese Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 ist
wesentlich, um zu gewährleisten,
dass ein überladener
Bus 232 den Sender nicht aus seinen geplanten, bewegungslosen
Strombereich heraus drängt.
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Der
Versorgungsbegrenzer 234 begrenzt den für den Bus 232 verfügbaren Gleichstrom,
um zu verhindern, dass wegen eines Skalenfehlers auf der Sender-Stromschleife
von 4–20
mA eine Überlast entsteht.
Der Volumen-Speicherkondensator 284 speichert die Ladung,
wenn sich der Bus 232 auf einem Low-Wert befindet. Wenn
sich der Bus 232 auf einem High-Wert befindet, wird die
Ladung auf eine Vorrichtung übertragen,
die den Bus 232 abgeschaltet hat.
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VERSORGUNGSBEGRENZER-SCHALTUNG
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Gemäß 5 ist
die Versorgungsbegrenzer-Schaltung 234 für die Arbeitsweise
einer Vorrichtung für
4–20 mA
entscheidend, die CAN-Übertragungen
verwendet. Sie gewährleistet,
dass ein überladener
CAN-Bus nicht genug Strom entnehmen kann, um den gesamten Sender-Ausgangsstrom über dem
maximal niedrigen Alarmstrom zu betreiben, der für die Ausführung zulässig ist. Der Operationsverstärker 452 ist
eine I/O Komponente von Schiene zu Schiene, die den FET 454 steuert,
um eine Strombegrenzung zu errichten. Der Widerstand 456 ist
ein Erfassungs-Widerstand. Die Widerstände 458, 460 bilden
einen Spannungsteiler, der eine Strombegrenzungs-Abhängigkeit
herstellt. Die Strombegrenzungsschaltung bezieht sich auf den Ort zwischen
der Leitung 280 und der Leitung 216, um eine ordnungsgemäße Anlauffolge
des Senders zu gewährleisten.
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Um
einem zusätzliche
Verbraucher auf dem Bus 232 Energie in einer effizienten
Weise bereitzustellen, muss die physikalische Schicht die Ladung speichern,
während
sich der Bus 232 auf einem Low-Wert befindet, und die Ladung
auf den Bus 232 übertragen,
wenn der Bus 232 auf den High-Wert zurück schaltet. Der Volumen-Kondensator 284 führt dies
durch.
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Da
der Kondensator 284 über
den FET 454 geladen wird, der strombegrenzt ist, wird seine
Spannung augenblicklich abfallen, wenn der Bus 232 einen
hohen Spitzenstrom davon abzieht. In einem Ausführungsbeispiel muss der Kondensator
284 im Wert groß genug
sein, um eine 3,0 Volt Arbeitsspannung während der Übertragung aufrechtzuerhalten. Dies
gewährleistet,
dass eine CAN-Vorrichtung wie eine LCD eine ausreichende Versorgungsspannung hat,
um zu arbeiten. Der Kondensator 284 wird zwischen den Übertragungs-Paketen
wieder aufgefüllt. Es
gibt zwei Fälle
zu beachten. Der erste besteht nach einer Kette von fünf Low-Bits.
Der rezessive Treiber 238 wird einen Stromimpuls zum Bus 232 einspeisen,
um den durchschnittlichen Strom konstant zu halten. Der Zustand
des schlimmsten Falles besteht mit einem zusätzlichen Verbraucher auf dem Bus,
der den maximalen Durchschnittsstrom entnimmt. Da der Kondensator 284 vorzugsweise
auf etwa 3,6 Volt festgehalten wird, kann er beim Start des Übertragungspakets
abfallen, um für
den Bus 232 einen Spitzenstrom bereitzustellen. Der Spannungsabfall
wird auf einen akzeptablen Pegel begrenzt, da der Kondensator 284 während der Low-Bits
aufgeladen wird, bevor die gespeicherte Ladung beim nächsten High-Bit übertragen
wird.
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Diese
Situation wird etwas komplizierter, wenn der Bus vollständig geladen
ist, wie bei einem 30 Meter (100 Fuß) langen, LCD-Fernsteuerkabel. Die
Spannung am Kondensator 284 wird abfallen, da sie den Verbraucher
während
der Übertragungen lädt. Der
Einfachheit halber muss eine CAN-Vorrichtung während eines Übertragungspakets
keine Energie entneh men. Der zusätzliche
Verbraucher hat seine eigene Volumen-Kapazität, um sich durch den Übertragungsvorgang
zu bewegen. Der Zustand des schlimmsten Falles wäre es, wenn eine Kette von Einsen
und Nullen übertragen
wird. Durch die Ausführung
ist der Strom, der der betreiben soll (Iverbraucher =
CVerbraucher * Vpp *
f), kleiner als die CAN-Strombegrenzung, so dass die Spannung am
Kondensator 284 nicht abfallen wird. Tatsächlich wird
er aufgeladen und beginnt, den Bus zu speisen, was bedeutet, dass
die Annahme, dass die LCD während
der Übertragungen
nicht gespeist wird, eine konservative ist. Zusätzlich muss der Strom, der
verbraucht wird, um die maximale, spezifizierte, kapazitive Ladung
zu betreiben, niedrig genug sein, um zu ermöglichen, dass der Kondensator 284 zwischen
den Informationen wieder aufgeladen wird.
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Der
zweite zu betrachtende Fall ist der Welleneffekt auf Grund der Bit-Zuteilung.
In diesem Fall wird der rezessive Treiber 238 dem Bus 232 für die gesamte,
festgelegte Zeitbegrenzung, die durch den Mitkopplungskondensator 450 eingestellt
wird, Strom zuführen.
Der Kondensator 284 ist im Wert groß genug, um den Welleneffekt
in diesem Fall unter 100 mV zu halten. Der Volumen-Kondensator 284 muss zwischen
den Zuteilungs-Vorgängen
wieder aufgeladen werden. Da ein Vorgang nur maximal einmal pro Information
stattfinden kann, gibt es reichlich Zeit, um den Kondensator 284 zu
laden.
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ANLAUFSCHALTUNG
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Um
richtig anzulaufen, wenn Energie das erste Mal zugeführt wird
oder um sich von einem kurzgeschlossenen CAN-Bus zu erholen, muss
es einen alternierenden Pfad geben, der Strom an den Bus abgibt.
Um diese Forderung zu erfüllen,
wird ein PNP-Transistor 430 angeschaltet, um Energie an den
Bus abzugeben, nachdem der Volumen-Speicherkondensator vollständig geladen
ist. Die Anlaufschaltung 260 zieht den CAN-Bus beim Anlaufen oder
bei einer fehlerhaften Erholung, nachdem der Bus zur Masse kurz
geschlossen wurde, auf einem High-Wert. Die Anlaufschaltung 260 stellt
ein ordnungsgemäßes Einschalten
und eine effiziente Verwendung der Energie dadurch bereit, dass
es dem Volumen-Kondensator 284 möglich ist, sich vollständig aufzuladen,
bevor irgendein Strom an den Bus abgegeben wird. Die physikalische
CAN-Schicht schaltet
den rezessiven Treiber 238 ab, wenn sich der Bus 232 auf
einem Low-Wert befindet, um den Strom zu bewahren. Dies wirft beim
Anlaufen oder nachdem der Bus zur Masse kurzgeschlossen wurde, ein
Problem auf. Da sich der Bus in jedem dieser Fälle auf einem Low-Wert befindet,
wird der rezessive Treiber abgeschaltet. Nichts würde den
Bus auf einen High-Wert ziehen, so dass er anläuft oder sich von einem kurzgeschlossenen
Zustand erholt. Ein bipolarer PNP-Transistor 430 stellt den Anzugs-Pfad bereit,
um diese Funktion auszuführen.
Der Emitter des Transistors 430 ist mit der Leitung 236 durch
den Widerstand 438 verbunden, die Basis ist mit der Leitung 280 verbunden,
wobei der Kollektor mit dem Bus 232 verbunden ist. In diesem
Ausführungsbeispiel wird,
sobald der Leitung 236 etwa 3,6 Volt erreicht, der Transistor 430 angeschaltet
und gibt Strom an den Bus 232 ab. Dies erzeugt eine 3,6
Volt-Schiene, die für
die Anforderungen der physikalischen Schicht ausreichend ist. Sobald
die Schiene 236 bei 3,6 Volt angelangt ist, ist der Kondensator 284 voll
geladen, so dass es keine Möglichkeit
gibt, zusätzliche
Ladung zu speichern. Es ist akzeptabel, Strom als einen Anzugs-Mechanismus
für den
Bus abzugeben. Wenn der Bus kurzgeschlossen ist, wird der Strom
zur Masse fließen,
die Leitung 236 wird aber auf 3,6 Volt festgelegt. Wenn
es keinen Gleichstrom-Verbraucher auf dem Bus gibt, wird der Strom
durch den Basis/Emitter-Übergang
des Transistors 430 und in die 3,0 Volt-Schiene fließen, um
wieder verwendet zu werden. Ein zusätzlicher Vorteil ist es, dass
die physikalische Schicht die ganze Zeit einen festgelegten Strom
entnimmt, so dass sich die Gleichstrom-Energiebegrenzungsschaltung
nicht in einer dynamischen Anwendung befindet und dadurch die geschalteten, mit
dem seriellen Bus verbundenen Verbraucher von der internen 4,3 Volt-Schiene
und von der 4–20
mA Schleifen-Regulierungsschaltung isoliert gehalten werden. Dies
ermöglicht
die Verwendung eines relativ langsamen Niedrigenergie-Operationsverstärkers 452.
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MIKROPROZESSOR
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In
einem Ausführungsbeispiel
kann sich die CAN-Maschine in einem gewöhnlichen, von ATMEL hergestellten
Mikroprozessor befinden. Sie führt
eine Fehlerüberprüfung durch
und steuert die Sende- und Empfangsanschlüsse RX, TX per CAN-Protokoll.
Die CAN-Maschine ist kein Teil der physikalischen Schicht, aber
die Ausführung
der physikalischen Schicht berücksichtigt
die Eigenschaften der nicht physikalischen Schichten in der CAN-Maschine.
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7 veranschaulicht
einen schematischen Schaltplan eines alternativen Ausführungsbeispiels einer
Anlaufschaltung 500, die eine Diagnoseausgabe 502 zum
Erfassen einer niedrigen CAN-Spannung aufweist. In einer bevorzugten
Anordnung zeigt die Diagnoseausgabe gespeicherte Energie an, wobei ein
Mikroprozessor die Diagnoseausgabe empfängt. In dieser Schaltung 500 wird
der Transistor 504 angeschaltet, wenn die Ausgabe der gespeicherte
Energie 506 auf etwa 3,6 Volt angestiegen ist, und sendet eine
hohe Spannung auf Leitung 502 an einen Mikroprozessor,
wobei angezeigt wird, dass eine stabile Spannung errichtet wurde.
Der Widerstand 508 bewirkt, dass die Spannung auf Leitung 506 hoch
genug ansteigt, um zu gewährleisten,
dass der Transistor 504 angeschaltet wird. Der Widerstandswert 508 des
Widerstands ist niedrig genug, um die Leitung 506 so nahe
wie möglich
an 3,6 Volt zu halten. Der Widerstand 510 hat einen viel
höheren
Widerstandswert als der Widerstand 508. Der Widerstand 510 begrenzt
den Strom, der durch den Basis/Emitter-Übergang des Transistors 430 fließt, und
gewährleistet, dass
der Transistor 430 angeschaltet und gesättigt ist.
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8 ist
ein schematischer Schaltplan eines alternativen Ausführungsbeispiels
einer Versorgungsbegrenzer-Schaltung 600.
Die Begrenzerschaltung 600 stellt einen durch Software
und/oder Hardware auswählbaren
Gleichstrom-Begrenzungswert für
eine Vielseitigkeit bereit. Wenn sich der Anschluss 602 auf
einem Low-Wert befindet, wird der Transistor 604 aus sein,
wobei der Verstärker 606 hoch
gesättigt
ist, um den Strom im Transistor 608 abzuschalten. Wenn
sich der Anschluss 602 auf einem High-Wert befindet, ist
der Transistor 604 an, wobei ein Strombegrenzungswert über den
Spannungsteiler 610, 612 errichtet wird. In dieser
Konfiguration können
zwei Grenzwerte ausgewählt
werden. Wenn zusätzliche
Anschlüsse
genutzt werden, können
zusätzliche
Grenzwerte verfügbar
gemacht werden.
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Es
sollte verständlich
sein, dass, selbst wenn zahlreiche Eigenschaften und Vorteile von
verschiedenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung in der vorangegangenen Beschreibung dargelegt wurden, diese
Offenlegung zusammen mit den Einzelheiten des Aufbaus und der Funktion
von verschiedenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung nur veranschaulichend ist, und Änderungen im Detail, besonders
was den Aufbau und die Anordnung von Teilen betrifft, innerhalb
der Grundsätze
der vorliegenden Erfindung bis zum vollen Umfang vorgenommen werden
können,
die durch die breite, allgemeine Bedeutung der Begriffe angezeigt
werden, in denen die abhängigen
Ansprüche
ausgedrückt
werden. Zum Beispiel können
spezielle Teile abhängig
von der speziellen Anwendung für
den Regelgrößen-Sender
variieren, während
im Wesentlichen die gleiche Funktionalität erhalten bleibt, ohne von
Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Gezeigte
der vorliegenden Erfindung kann auf andere Verfahrensvorrichtungen
angewandt werden, ohne von Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Zusammenfassung
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Ein
Regelgrößen-Sender
(200) verbindet einen seriellen Bus (232) mit
einem zusätzlichen
Verbraucher. Eine Versorgungsbegrenzer-Schaltung (234)
stellt eine erste Versorgungsstrom-Begrenzung bereit und stellt
eine Ausgabe der gespeicherten Energie (236) bereit. Eine
rezessive Treiberschaltung (238) entnimmt einen Treiberstrom
von der Ausgabe der gespeicherten Energie (236) und koppelt
den Treiberstrom mit dem seriellen Bus (232). Die rezessive
Treiberschaltung (238) stellt eine Treiberstrom-Begrenzung
bereit. Eine dominante Treiberschaltung (242) hat einen
dominanten Zustand, in dem sie den Treiberstrom leitet, und einen
inaktiven Zustand, in dem der Treiberstrom für den zusätzlichen Verbraucher verfügbar ist.