DE19648783C2 - Baugruppe für ein Akuator-Sensor-Interface eines Feldbus-Systems - Google Patents

Baugruppe für ein Akuator-Sensor-Interface eines Feldbus-Systems

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Description

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für ein Aktuator-Sensor-Interface (ASI) eines Feldbus-Systems, insbesondere Sensor und/oder Aktuator und/oder Eingangs-Ausgangsmodul, über das mehrere Baugruppen ansteuerbar sind und jede Baugruppe mit zwei Leiterbahnen an da Bussystem angeschlossen ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei Feldbussystemen war es bisher nicht möglich, binäre Sensoren oder Aktuatoren direkt busfähig zu machen. Durch hochintegrierte Technolo­ gien können heute Sensoren neben dem eigentlichen Schaltzustand noch weitere Funktionen liefern, die Einstell- und Diagnosemöglichkeiten der Sensoren oder Aktuatoren bieten. Dazu wurde der Aktuator-Sensor-Inter­ face-Standard, ASI-Standard genannt, geschaffen, der ein Feldbuskonzept darstellt, mit dem binäre Aktuatoren and Sensoren mit der untersten bzw. ersten Steuerungsebene verknüpft werden, um sie kommunikationsfähig zu machen. Das Aktuator-Sensor-Interface ersetzt dabei den Kabelbaum, Verteilerschränke, Klemmleisten usw. durch ein einfaches Zweileiter- Flachbandkabel, nämlich ASI-P und ASI-N, über das ASI-Daten mit den Peripherie-Elementen ausgetauscht werden und das diese zugleich mit Energie versorgt. Mit einem separaten ASI-Anschluß in Form eines standardisierten Moduls, der Teil der Busstruktur ist, macht ASI zunächst einmal die meisten konventionellen Peripherie-Elemente busanschlußfä­ hig. Beim integrierten ASI-Anschluß befindet sich hingegen in einer ASI- Baugruppe ein sogenannter Slave-Baustein, die dadurch selbst busfähig ist (ASI-Verein in: Sonderdruck aus Feldbussysteme für die Investitions­ güterindustrie, Herausgeber VDMA, Frankfurt 1992, Stand 3.12.1992 sowie Druckschrift: Fabrikautomation VariNet-A Aktuator-Sensor-Interface Katalog Sensorsysteme 5, Ausgabe 1994, Herausgeber: Pepperl + Fuchs GmbH, D- 68301 Mannheim; Druckschrift: ASI: Das Aktuator-Sensor- Interface für die Automation, herausgegeben von Werner Kriesel und Otto Madelung, Hanser-Verlag 1994).
Der Master, ASI-Master genannt, übernimmt alle Aufgaben, die für die Ab­ wicklung des Busbetriebs der Slaves notwendig sind einschließlich von Aufgaben der Initialisierung und der Diagnose. Über den AST-Master ist an den Feldbus ein übergeordneter Verarbeitungsrechner, wie speicherpro­ grammierbare Steuerung oder Bus-Rechner oder PC oder VME-Busrech­ ner, angeschlossen, dem sämtliche Signale aller ASI-Slaves zugeführt werden.
Bei den an den Bus angeschlossenen ASI-Baugruppen muß die Erdkapa­ zität der Leitungen des Zweileiter-Flachbandkabels, nämlich ASI-P und ASI-N, sehr klein sein und darf nur um maximal 10% voneinander abweichen. Durch ein geeignetes Layout der Schaltungsplatine kann eine Unsymmetrie kompensiert werden, was jedoch eine hohe Entwicklungszeit benötigt, da nur durch iterative Änderungen der Leiterbahnführungen die Symmetrie hergestellt werden könnte.
Durch den Aufsatz von Bresch, Güttler, Patzke "Übertragungssicherheit bei Feldbussen", Automatisieren Feldbusse, Elektronik 15/1991, ist bekannt geworden, Feldbusse zu verwenden, die in stark störender Prozeßum­ gebung eingesetzt werden, die deshalb einem deutlich höheren Stör­ aufkommen gerecht werden, wobei Übertragungssysteme mit hoher Störsicherheit (Standard EIA 485; RS-485) einsetzt werden, die Störabstände nach ISO 8482 aufweisen. Damit soll verhindert werden, daß bei solchen Bussystemen durch induktive oder kapazitive Einkopplungen auf die Datenleitungen es zu störenden Gegentaktaussteuerungen kommt, deren Ursache in Unsymmetrieen in unterschiedlichen Leiterbahnführungen für die Datenleitungen auf Platinen liegen kann:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ASI-Baugruppen für ein Aktuator-Sensor-Interface der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei welchen die Erdkapazitäten zu den Zuleitungen ASI-P und ASI-N bzw. Gehäusekapazitäten auf einfache Weise symmetriert sind.
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Kompensation einer Unsymmetrie der Leiterbahnen oder Streukapazitäten gegenüber Bezugspotential zur Eingangsimpedanz (RIN, LIN, CIN) der Baugruppe die Baugruppe innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, wobei wenigstens ein Teil der auf einer Schaltungsplatine angeordneten Bau­ elemente der Baugruppe von einer metallisierten Folie oder einer Kupfer­ fläche innerhalb des Gehäuses in isolierter Weise umgeben ist und zur Kompensation einer Unsymmetrie der Kapazitäten der Leiterbahnen zur Eingangsimpedanz (ZIN = RIN, LIN, CIN) der Baugruppe gegenüber der metallisierten Folie oder Kupferfläche die ausgemessenen Kapazitäten und der Leiterbahnen gegen die metallisierte Folie oder Kupferfläche durch mindestens zwei Kondensatoren entsprechender Größe zwischen den Leiterbahnen und der metallisierten Folie oder Kupferfläche symmetriert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.
Somit ist zur Kompensation einer Unsymmetrie der Leiterbahnen- oder Streukapazitäten von ASI-N, ASI-P, CNS und Cps zu Erde oder zu einem Bezugspotential, zur Eingangsimpedanz (ZIN = RIN, LIN, CIN) der ASI- Baugruppe die ASI-Baugruppe innerhalb eines Gehäuses angeordnet, wobei wenigstens ein Teil der auf einer Schaltungsplatine angeordneten Bauelemente der ASI-Baugruppe von einer metallisierten Folie oder einer Kupferfläche innerhalb des Gehäuses in isolierter Weise umgeben ist; zur Kompensation einer Unsymmetrie der Kapazitäten der Leiterbahnen und der Bauelemente von ASI-N und ASI-P zur Eingangsimpedanz (RIN, LIN, CIN) der ASI-Baugruppe gegenüber der metallisierten Folie oder Kupferfläche werden die ausgemessenen Kapazitäten CNS und Cps der Leiterbahnen gegen die metallisierte Folie oder Kupferfläche durch min­ destens zwei Kondensatoren entsprechender Größe zwischen ASI-P und ASI-N und der metallisierten Folie oder Kupferfläche symmetriert.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß in einfacher Weise eine ASI- Baugruppe mittels wenigstens zwei Kapazitäten symmetriert werden kann, so daß die Forderung von maximal 10% Abweichung der Erdkapazitäten bzw. parasitären Kapazitäten von ASI-N und ASI-P leicht einzuhalten ist. Desweiteren hat sich gezeigt, daß sich aufgrund der Symmetrierung das EMV-Verhalten der einzelnen ASI-Baugruppen verbessert. In vorteilhafter Weise werden Unsymmetrieen innerhalb einer ASI-Baugruppe, nämlich der Leitungs- oder Streukapazitäten von ASI-N, CNS, und ASI-P, CPS zu Erde oder zu einem Bezugspotential, zur Eingangsimpedanz (RIN, LIN, CIN) der ASI-Baugruppe kompensiert, wobei die ausgemessenen Leitungs- oder Streukapazitäten der Leiterbahnen ASI-P und ASI-N gegen Erde bzw. gegen das Bezugspotential der ASI-Baugruppe symmetriert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer ASI-Baugruppe mit komplexem Eingangswiderstand und zwei parasitären Streukapazitäten zwischen ASI-N und ASI-P und dem Gehäuse und
Fig. 2 ein Schaltbild gemäß Fig. 1 zur Darstellung der Erfindung, wobei die Bauelemente auf einer metallischen Folie oder Kupferfläche der Schaltungsplatine innerhalb eines Metallgehäuses angeordnet sind.
Fig. 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer ASI-Baugruppe 1, nämlich ein ASI- Slave, der insbesondere ein Sensor und /oder ein Aktuator und /oder ein Eingangs- oder Ausgangsmodul sein kann, Teil eines Aktuator-Sensor- Interface (ASI-Master), der gemäß ASI-Standard aufgebaut ist. Derartige ASI-Baugruppen 1 und der ASI-Master sind Teile eines Bussystems, über das eine Mehrzahl derartiger ASI-Baugruppen 1 ansteuerbar ist und umgekehrt. Die ASI-Baugruppe 1 ist in einem Gehäuse 2 angeordnet, welches vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff besteht oder sonstwie metallisiert ist und mit Erde 10 bzw. Masse 10 verbunden sein kann. Jede ASI-Baugruppe 1 ist durch zwei metallische Leiterbahnen 3, 4, wie Drähte oder Flachbandkabel oder ähnliches, nämlich ASI-P 3 und ASI-N 4, die zu Steckbuchsen 16, 17 innerhalb einer der Wandungen 18 des Gehäuses 2 führen, über dies Steckbuchsen 16, 17 an den (nicht dargestellte) außen vorbeiführenden ASI-Bus angeschlossen.
Die ASI-Baugruppe 1 besitzt einen komplexen Innenwiderstand ZIN, der im wesentlichen in einem Ersatzschaltbild durch einen ohmschen Innen­ widerstand 5, RIN, eine Kapazität 7, CIN, sowie gegebenenfalls eine Induktivität 6, LIN, dargestellt werden kann. Zur Symmetrierung der Kapazitäten zwischen den beiden Leiterbahnen oder Leitungen 3, 4, ASI-P 3 und ASI-N 4, werden diese parasitären Kapazitäten CNS und CPS, gemessen und zwischen die Leitungen 3, 4, ASI-P 3 und ASI-N 4 wenigstens zwei Kondensatoren 11, 12 (Fig. 2) angeordnet, die entsprechend dem Verhältnis von CNS zu CPS so demensioniert werden, daß CNS und CPS symmetriert sind. Dadurch ist in einfacher Weise eine Symmetrierung zwischen den beiden Leiterbahnen 3, 4, ASI-P 3 und ASI-N 4, erreicht.
Wenigstens ein Teil der auf einer Schaltungsplatine angeordneten Bauelemente der Schaltung ist gemäß Fig. 2 von einer metallisierten Folie 13 oder Metallfolie oder von einer Kupferfläche innerhalb des Metallgehäuses 2 umgeben sein, welches mit Erde 10 oder Masse verbunden ist; die Folie oder Kupferfläche 13 ist in geeigneter Weise von den Bauelementen bzw. der Schaltungsplatine elektrisch isoliert. Die ASI- Baugruppe 1 besitzt wie in Fig. 1 wiederum einen komplexen Innen­ widerstand ZIN, dargestellt in einem Ersatzschaltbild durch RIN und CIN und gegebenenfalls LIN.
Zur Kompensation von Unsymmetrieen, die allgemein von Unsymmetrieen der Leiterbahnführungen sowie der Anordnung der Bauelemente herrühren können, von parasitären Streukapazitäten oder Erdkapazitäten, nämlich hauptsächlich die inneren Kapazitäten von ASI-N 4 und ASI-P 3, gegenüber der metallisierten Folie 13 oder Kupferfläche oder ein sonstiges Bezugspotential innerhalb des Gehäuses, werden die ausgemessenen Kapazitäten CNS und CPS der Leiterbahnen 3, 4 gegen die metallisierte Folie 13 oder Kupferfläche durch mindestens je einen zwischen ASI-P 3 und ASI- N 4 angeordneten Kondensator 11, 12 symmetriert. Entsprechend dem Verhältnis von CNS zu CPS sind die Symmetrierungskapazitäten, bestehend aus den Kondensatoren 11, 12, so dimensioniert, daß CNS und CPS symmetriert sind.
Die metallisierte Folie 13 ist vorteilhaft umlaufend über die Schaltung der ASI-Baugruppe 1 geführt; dabei kann die Folie 13 rund umlaufend und/oder auch geschlossen umlaufend sein. Zur Herstellung der metallisierten Kupferfläche 13 kann auch ein Teil der Schaltungsplatine metallisiert sein.
Zur Symmetrierung können parallel zum komplexen Innenwiderstand ZIN der ASI-Baugruppe 1, dargestellt im wesentlichen durch das Ersatzschalt­ bild eines ohmschen Widerstandes 5 BIN, eines parallel zu den Leiter­ bahnen 3, 4, ASI-P 3 und ASI-N 4, liegenden Kondensators 7 CIN sowie einer Induktivität 6 LIN kapazitiver Spannungsteiler aus wenigstens zwei in Reihe liegenden Kondensatoren 11, 12 CP und CN angeordnet ist, wobei ein Mittenabgriff 15 zwischen den Kondensatoren 11, 12 CP und CN auf die metallisierte Folie 13 oder Kupferfläche gelegt ist.
Die Symmetrierungskapazitäten 11, 12 sind nach Fig. 2 parallel zum komplexen Innenwiderstand, RIN, CIN, LIN, der ASI-Baugruppe 1, als kapazitiver Spannungsteiler aus wenigstens zwei in Reihe liegenden Kondensatoren 11, 12, nämlich CP und CN, gezeigt.
Bezugszeichenliste
1
ASI-Baugruppe
2
Gehäuse
3
,
4
ASI-P und ASI-N-Leitungen im Gehäuse
5
ohmscher Innenwiderstand der Eingangsimpedanz
6
Induktivität der Eingangsimpedanz
7
Kapazität der Eingangsimpedanz
8
,
9
parasitäre Kapazitäten
10
Erde
11
,
12
Symmetrierungskapazitäten
13
metallisierte Folie oder Kupferfläche
14
Streukapazität
15
Mittenabgriff
16
,
17
Steckerbuchsen
18
Wandung des Gehäuses

Claims (5)

1. Baugruppe für ein Aktuator-Sensor-Interface (ASI) eines Feldbus- Systems, insbesondere Sensor und/oder Aktuator und/oder Eingangs- Ausgangsmodul, über das mehrere Baugruppen (1) ansteuerbar sind und jede Baugruppe mit zwei Leiterbahnen (3, 4) an das Bussystem angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation einer Unsymmetrie der Leiterbahnen oder Streukapazitäten (8, 9) gegenüber Bezugspotential (10) zur Eingangsimpe­ danz (RIN, LIN, CIN) der Baugruppe (1) die Baugruppe (1) innerhalb eines Gehäuses (2) angeordnet ist, wobei wenigstens ein Teil der auf einer Schaltungsplatine angeordneten Bauelemente der Baugruppe (1) von einer metallisierten Folie (13) oder einer Kupferfläche innerhalb des Gehäuses (2) in isolierter Weise umgeben ist und zur Kompensation einer Unsymmetrie der Kapazitäten (8, 9) der Leiterbahnen (3, 4) zur Eingangsimpedanz (ZIN = RIN, LIN, CIN) der Baugruppe (1) gegenüber der metallisierten Folie (13) oder Kupferfläche die ausgemessenen Kapazitäten (8, 9) der Leiterbahnen (3, 4) gegen die metallisierte Folie (13) oder Kupferfläche durch mindestens zwei Kondensatoren (11, 12) entsprechender Gröle zwischen den Leiterbahnen (3, 4) und der metallisierten Folie (13) oder Kupferfläche symmetriert werden.
2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierte Folie (13) umlaufend über die Schaltung der Baugruppe (1) bzw. der Schaltungsplatine geführt ist.
3. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierte Folie (13) geschlossen umlaufend über die Schaltung der Baugruppe (1) geführt ist.
4. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der metallisierten Kupferfläche (13) ein Teil der Schaltungsplatine metallisiert ist.
5. Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum komplexen Innenwiderstand (ZIN) der Baugruppe (1), dargestellt im wesentlichen durch das Ersatzschaltbild eines ohmschen Widerstandes (5) RIN, eines parallel zu den Leiterbahnen (3, 4), liegenden Kondensators (7) sowie einer Induktivität (6) ein kapazitiver Spannungs­ teiler aus wenigstens zwei in Reihe liegenden Kondensatoren (11, 12) angeordnet ist, wobei ein Mittenabgriff (15) zwischen den Kondensatoren (11, 12) auf die metallisierte Folie (13) oder Kupferfläche gelegt ist.
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