DE19725710A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Leistungs- und Datenübermittlung auf gemeinsamen Leitungen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Leistungs- und Datenübermittlung auf gemeinsamen Leitungen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lei­ stungs- und Datenübermittlung auf gemeinsamen Leitungen, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Steuerung für Feuerschutzklappen mit einer solchen Vor­ richtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patent­ ansprüche.
Es ist bekannt, auf einem Leitungspaar sowohl Daten als auch Leistung zu übertragen. Hierbei wird die Leistung z. B. als im wesentlichen konstante Gleichspan­ nung übertragen, die Daten werden als Hochfrequenzsignal auf die Gleichspannung aufmoduliert. Diese Lösung ist je­ doch schaltungstechnisch aufwendig, da sie komplizierte Modulatoren und Demodulatoren erfordert.
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die diesen Nachteil vermeiden.
Diese Aufgabe wird vom Gegenstand der unab­ hängigen Ansprüche gelöst.
Diese Lösung kommt ohne Hochfrequenzkomponen­ ten aus und kann schaltungstechnisch einfach implemen­ tiert werden. Besonders einfach zu realisieren ist die Schaltung, wenn die Daten vom Master zum Slave mittels Phasenmodulation der Übertragungspulse und/oder die Daten vom Slave zum Master mittels Amplitudenmodulation der Spannung während der Übertragungspulse übertragen werden.
Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren Datenworte mit mehreren Bits ausgetauscht, wo­ bei mindestens ein Teil der Datenworte wiederholt gesen­ det wird. Damit erhöht sich die Übertragungssicherheit und der Slave erhält Gelegenheit, verzögert eine Antwort auf ein Datenwort zu schicken.
Die Erfindung kann überall dort verwendet werden, wo Stromversorgung und Datenaustausch in einer Master-Slave-Anordnung über dieselben Leitungen geführt werden müssen. Besonders geeignet ist sie für Anwendun­ gen, bei denen hohe Übertragungssicherheit gefordert wird aber die Menge der zu übertragenden Daten beschränkt ist. In einer bevorzugten Ausführung wird die Erfindung zur Fernüberwachung von elektrischen Stellantrieben, insbe­ sondere für Feuerschutzklappen in HLK-Anlagen, einge­ setzt.
Weitere Vorteile und Anwendungen der Erfin­ dung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung ei­ nes Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Dabei zei­ gen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Ausführung der erfindungsgemäßen Master-Slave-Anordnung,
Fig. 2 die Interface-Schaltung des Masters,
Fig. 3 die Interface-Schaltung des Slaves,
Fig. 4 den Verlauf der Spannung zwischen den Verbindungsleitungen bei der Übertragung eines einzelnen Pulses, und
Fig. 5 der Verlauf der Spannung zwischen den Verbindungsleitungen bei der Übertragung eines Daten­ worts.
Der Grundaufbau einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung ist in Fig. 1 dargestellt. Das hier gezeigte Ausführungsbeispiel umfaßt einen "Master" 1 und einen "Slave" 2, die über zwei Verbindungsleitungen 3, 4 ver­ bunden sind.
Der Master 1 und der Slave 2 können zum Bei­ spiel Teil eines Steuerungssystems für Feuerschutzklappen in einer Lüftungsanlage sein. Der Master 1 ist hierbei in einer Zentrale angeordnet. Er ist ausgebildet, um den Slave 2 über die Leitungen 3, 4 mit Strom zu versorgen und gleichzeitig fernzusteuern. Er muß in der Lage sein, Befehle an den Slave zu senden und Antworten bzw. Status­ meldungen vom Slave zu empfangen.
Im Master 1 ist eine Stromversorgung 5 unter­ gebracht, welche eine nicht regulierte Gleichspannung z. B. im Bereich von 24 bis 35 Volt liefert. Die Stromver­ sorgung 5 kann auch außerhalb des Masters untergebracht sein, so daß der Master lediglich mit einem geeigneten Versorgungseingang auszurüsten ist. Ferner umfaßt der Master einen Mikroprozessor 6. Der Mikroprozessor 6 kann jedoch ebenfalls auch außerhalb des Masters angeordnet werden, so daß der Master selbst lediglich mit geeigne­ ten analogen oder digitalen Ein- und Ausgängen ausgerü­ stet werden muß. Schließlich besitzt der Master eine Interface-Schaltung 7, welche die Versorgungsleitungen 3, 4 ansteuert. Die Interface-Schaltung 7 ist einerseits mit der Stromversorgung 5, andererseits mit dem Mikroprozes­ sor 6 verbunden.
Im Slave 2 ist ebenfalls eine Interface-Schal­ tung 8 vorgesehen, ferner ein Verbraucher 9 und ein Mikroprozessor 10. Der Verbraucher 9 umfaßt zum Beispiel einen Treiber für ein Stellglied 11 und wird vom Mikro­ prozessor 10 gesteuert.
Die Aufgabe der Interface-Schaltungen 7, 8 liegt darin, über die Leitungen 3, 4 sowohl Leistung als auch Daten zu übertragen. Die Leistung fließt dabei vom Master 1 zum Slave 2, die Übertragung der Daten erfolgt bidirektional.
Der konkrete Aufbau der Interface-Schaltungen 7 und 8 ergibt sich aus den Fig. 2 bzw. 3.
Die Interface-Schaltung des Masters besitzt einen Spannungseingang Vin, der mit der Stromversorgung 5 verbunden ist und die erwähnte ungeregelte Gleichspannung trägt. Weiter besitzt sie einen Eingang TX1 für ein digi­ tales Signal vom Mikroprozessor 6 und einen Ausgang RX1 für ein analoges Signal zu einem Analog/Digital-Wandler des Mikroprozessors 6. Ein weiterer Ausgang Ref liefert ein zu Vin proportionales Signal, welches ebenfalls zu einen Analog/Digital-Wandler des Mikroprozessors 6 ge­ führt wird. Schließlich besitzt die Schaltung zwei An­ schlüsse P1 und P2 für die Verbindungsleitungen 3, 4.
Während die eine Verbindungsleitung 4 perma­ nent auf Masse liegt, ist die andere Verbindungsleitung 3 über einen Schalter T1, T2 und einen dazu parallelen Wi­ derstand R1 mit Vin verbunden.
Der Schalter T1, T2 kann vom Mikroprozessor 6 über Eingang TX1 und Transistor T3 angesteuert werden. Sind T1 und T2 eingeschaltet (TX1 auf logisch 1), so ist die Verbindungsleitung 3 niederohmig mit dem Versorgungs­ eingang Vin verbunden. Sind T1 und T2 ausgeschaltet (TX1 auf logisch 0), so ist die Verbindungsleitung 3 hochohmig über R1 mit Vin verbunden.
Ein Filterwerk R2-R6 und C1-C3 beschränkt die Schaltgeschwindigkeit von T1, T2, so daß durch deren Ein- und Ausschalten keine hochfrequenten Störungen er­ zeugt werden.
Der Ausgang RX1 trägt eine Spannung, die pro­ portional zu jener auf Verbindungsleitung 3 ist. Der Zweck dieses Ausgangs wird weiter unten beschrieben.
Die Interface-Schaltung des Slave 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Sie besitzt zwei Anschlüsse P3 und P4 für die Verbindungsleitungen 3 bzw. 4. Zwei Ausgänge VOUT1, VOUT2 liefern eine Gleichspannung für den Verbrau­ cher 9. Zum Mikroprozessor 10 ist ein digitaler Ausgang RX2 und ein digitaler Eingang TX2 vorgesehen.
Die von den Verbindungsleitungen P3, P4 kom­ mende Spannung wird durch einen Brückengleichrichter G1 geführt, so daß die Schaltung unabhängig von der Polung der Verbindungsleitungen 3, 4 ist. Der eine Ausgang des Gleichrichters bildet die Referenzspannung VOUT2, der an­ dere Ausgang ist über eine Koppeldiode D10 mit einem Speicherkondensator C10 verbunden. Dieser Kondensator bildet einen Energiespeicher für den Verbraucher 9, sowie für einen konventionellen integrierten Spannungsregler U10.
Der Spannungsregler U10 dient zur Versorgung eines Komparators U11. Am positiven Eingang des Kompara­ tors U11 liegt eine Spannung, die zu jener über C10 pro­ portional ist. Sie wird über einen Spannungsteiler R10, R11 erzeugt und beträgt im vorliegenden Fall ca. 6.4% der Spannung über C10. Am negativen Eingang liegt ein zweiter Spannungsteiler R12, R13, der ca. 7.6% der Ausgangsspan­ nung des Gleichrichters G1 liefert. Der Ausgang des Kom­ parators U11 ist über Anschluß RX2 mit dem Mikroprozes­ sor 10 des Slave verbunden.
Zwischen den Ausgängen des Gleichrichters G1 liegt ferner ein Transistor T10 in Serie mit einem Wider­ stand R15. Parallel zu diesen liegt dauernd ein Wider­ stand R16.
Im folgenden wird nun die Funktionsweise der Schaltungen gemäß Fig. 2 und 3 beschrieben.
Im Normalbetrieb ist das Signal TX1 auf 1, d. h. die Transistoren T1, T2 sind durchgeschaltet und über den Verbindungsleitungen 3, 4 liegt im wesentlichen die Spannung Vin. Diese Spannung lädt über Koppeldiode D10 den Kondensator C10 und dient zur Versorgung des Ver­ brauchers 9. Da das Teilungsverhältnis des Spannungstei­ lers R12, R13 etwas kleiner ist als jenes von R10, R11, die Spannungen über den Teilern aber etwa gleich groß, ist der Ausgang des Komparators U11 auf logisch 0. Der Mikroprozessor des Slave hält TX2 auf 0, T10 ist unter­ brochen.
Die Datenübertragung geschieht mittels ein­ zelner Übertragungspulse, von denen einer in Fig. 4 ge­ zeigt wird. Zur Einleitung des Pulses setzt der Mikropro­ zessor 6 des Masters das Signal TX1 zur Zeit t0 auf 0. Dadurch werden die Transistoren T1, T2 unterbrochen. Lei­ tung 3 ist nun über R1 hochohmig mit Vin verbunden. Die Spannung U über den Leitungen 3, 4 fällt auf einen Wert U1 ab, der durch den Spannungsteiler gebildet aus R1 und R16 gegeben ist. Der Abfall der Spannung geschieht dank dem bereits erwähnten Filterwerk innert einer Zeit dt von ca. 1 ms.
TX1 bleibt während ca. 5 ms bis zur Zeit t3 auf 0.
Sobald die Spannung U auf den Wert U1 abge­ fallen ist, geht RX2 auf 0 und der Mikroprozessor 10 des Slaves weiß, daß ein Puls begonnen hat. Nun kann der Slave seinerseits die Spannung U beeinflussen.
Wenn das Signal TX2 auf 0 bleibt, so ist T10 weiterhin unterbrochen und die Impedanz zwischen den Lei­ tungen 3 und 4 ist dauernd durch R16 gegeben. Damit bleibt die Spannung U während des ganzen Pulses auf dem Wert U1 und folgt dem gestrichelt dargestellten Verlauf 15.
Wenn der Mikroprozessor 10 des Slave anderer­ seits zur Zeit t1 das Signal TX2 auf 1 setzt, so vermin­ dert sich die Impedanz zwischen den Leitungen 3 und 4 auf etwa 500 Ohm und die Spannung U fällt auf den Wert U2 ab, bis der Slave, rechtzeitig vor dem Ende des Pulses, zur Zeit t2, TX2 wieder auf 0 setzt. In diesem Fall folgt der Spannungsverlauf der durchgezogenen Kurve 16.
Im Master werden während des Pulses die Span­ nungen Ref und RX1 verglichen. Der Spannungsteiler R7, R8, der das Signal Ref erzeugt, ist so dimensioniert, das Ref kleiner als RX1 ist, wenn die Spannung U den Wert U1 hat, und größer als RX1, wenn U den Wert U2 hat. Auf diese Weise kann der Mikroprozessor 6 des Masters unab­ hängig vom genauen Wert von Vin feststellen, ob das Si­ gnal TX2 während des Pulses auf 1 ging oder nicht. Der Slave 2 kann also während des Pulses ein Signal an den Master 1 senden, indem er die Amplitude der Spannung U ändert.
Die Datenübertragung vom Master 1 zum Slave 2 geschieht andererseits über eine Phasenmodulation. Dies ist in Fig. 5 illustriert. Diese Figur zeigt ein Daten­ wort, welches zwei Startbits S0, S1, vier Datenbits D0-D3 und z. B. zwei Kontrollbits C0, C1 umfaßt. Jedes Bit entspricht einem Puls gemäß Fig. 3.
Das Datenwort beginnt mit dem Startbit S0 zur Zeit 0, gefolgt vom Startbit S1 zur Zeit t = 50 ms. Im zweiten Startbit S1 senkt der Slave die Spannung U ab und gibt somit Empfangsbereitschaft zu erkennen. Sodann folgt das erste Datenbit D0, entweder zur Zeit 1.5t = 75 ms (gestrichelter Puls) oder 2t = 100 ms (nicht gestri­ chelter Puls), abhängig vom Wert, den der Master 1 dem Bit D0 zuordnet. Somit kann der Slave 2 aus dem Start­ zeitpunkt von D0 dessen Wert ermitteln. Dasselbe gilt auch für die folgenden Datenbits D1-D3, sowie für die Kontrollbits: Beginnt ein Bit zu einer Zeit n·t (wobei n eine ganze Zahl ist), so ist sein Wert z. B. 1, beginnt es zur Zeit (n-0.5)·t, so ist sein Wert 0.
Damit diese Übertragung sicher funktioniert, muß die Zeitdauer t dem Master und dem Slave möglichst genau bekannt sein. Hierzu mißt der Slave im vorliegen­ den Beispiel den Abstand zwischen den bei den Startbits S0 und S1.
Die Kontrollbits C0, C1 bilden z. B. eine Kontrollsumme der vorangehenden Datenbits und erlauben es, die Korrektheit der Datenübertragung zu verifizieren. Je nach gewünschter Übertragungssicherheit kann die Zahl der Kontrollbits variieren. Die Kontrollbits können unter Umständen auch ganz wegfallen, falls einzelne Datenworte mehrmals übertragen werden.
Im Normalbetrieb sendet der Master jedes Da­ tenwort mehrmals aus. Zwischen den Datenworten wird ein Mindestabstand von z. B. 300 ms eingehalten. Die Mehrfa­ che Übertragung der Datenworte erlaubt es dem Slave, z. B. beim ersten Empfang des Datenworts dieses auszuwerten, und seine Antwort während dem nächsten Datenwort zurück­ zusenden. Auch erhöht sich durch die mehrfache Übertra­ gung die Übertragungssicherheit.
Zwischen den Datenworten befindet sich das System in einem Versorgungsmodus und die Leitungen 3, 4 dienen nur zur Leistungsübertragung, d. h. zum Aufladen des Speicherkondensators C10. Während dieser Zeit über­ wacht der Master 1 die Spannung U, indem er regelmäßig das Signal RX1 mit einem aus dem Signal Ref abgeleiteten Minimalwert vergleicht. Auf diese Weise kann ein Kurz­ schluß zwischen den Leitungen 3, 4 festgestellt werden. Sinkt RX1 unter den Minimalwert, so setzt der Prozessor 6 des Masters das Signal TX1 auf 0, wodurch T1 und T2 aus­ geschaltet werden und eine Überlastung der Komponenten verhindert wird. Da der Prozessor 6 einen Kurzschluß nur mit einer gewissen Verzögerung feststellen kann, sind T1 und T2 zusätzlich mit einer Strombegrenzung versehen, in­ dem der Emitterwiderstand von T1 bei zu hohem Strom die Emitterspannung von T1 derart absenkt, daß T1 nicht mehr voll ausgesteuert wird.
Während der Übertragung eines Datenworts be­ findet sich das System in einem Übertragungsmodus. Da die Länge der einzelnen Pulse nur etwa 1/10 des mittleren Ab­ stands zwischen den Pulsen beträgt, ist auch in diesem Modus eine ausreichende Versorgung des Speicherkondensa­ tors C10 gewährleistet.
Wie bereits erwähnt, eignet sich die Erfin­ dung insbesondere zum Einsatz in Anwendungen, bei denen eine relativ geringe Datenmenge mit hoher Sicherheit über Versorgungsleitungen übertragen werden muß, wie es z. B. bei der Fernsteuerung von Stellantrieben der Fall ist. Weitere Einsatzgebiete liegen z. B. in der Fernsteuerung bzw. Abfrage von Sensoren, von Antennensteuerungen und -verstärkern, Energie- und Klimaanlagen, usw.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Verbindungsleitungen während den Übertragungspulsen über den Widerstand R1 von 10 kΩ hochohmig mit der Versorungs­ spannung Vin verbunden. Der Wert dieses Widerstandes kann jedoch in weiten Grenzen variiert werden, solange es für den Slave zu einer deutlich meßbaren Reduktion des Wer­ tes von U kommt, wenn T1, T2 abgeschaltet werden. R10 kann im Extremfall sogar unendlich sein, wobei in diesem Falle der Slave z. B. unter Verwendung von Energie aus C10 eine Amplitudenmodulation bewirken kann.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Master über die zwei Leitungen mit einem Slave verbunden. Es ist auch denkbar, im Rahmen der Erfindung am gleichen Leitungspaar mehrere Slaves anzuordnen, wobei die An­ steuerung der einzelnen Slaves z. B. über Adreßbits im Datenwort geschieht oder aufgrund einer festen Zeitein­ teilung erfolgt.
In der Ausführung nach Fig. 4 wird pro Über­ tragungspuls D0-D3 genau ein Bit in jeder Richtung über­ tragen. Um die Übertragungsrate zu erhöhen, können auch mehr Bits pro Puls ausgetauscht werden. So können z. B. mehr als zwei Phasenpositionen für die Pulse vorgesehen sein, z. B. bei n·t, (n-¼)·t, (n-½)·t und (n-¾)·t, zur Übertragung von vier verschiedenen Werten vom Master zum Slave. Andererseits kann der Slave pro Übertragungspuls mehr als einmal die Impedanz zwischen den Leitungen än­ dern, oder daß er die Spannung U auf mehr als zwei Werte setzen kann.
Es ist auch denkbar, daß der Master gemäß einem vorgegebenen Protokoll seinerseits auch die Span­ nung U der Leitungen während der Übertragungspulse vari­ iert, um Daten an den Slave zu senden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Leistungs- und Datenüber­ mittlung auf gemeinsamen Verbindungsleitungen (3, 4) zwi­ schen einem Master (1) und mindestens einem Slave (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Master (1) in einem Ver­ sorgungsmodus die Verbindungsleitungen (3, 4) niederohmig mit einer Stromversorgung (5) verbindet und in einem Ü­ bertragungsmodus die Verbindungsleitungen (3, 4) während Übertragungspulsen nur hochohmig mit der Stromversorgung (5) verbindet und in den Übertragungspulsen Daten vom Master zum Slave und vom Slave zum Master übermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Daten vom Master (1) zum Slave (2) mittels Phasenmodulation der Übertragungspulse übertra­ gen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Übertragungsmodus zuerst mindestens ein erster Übertragungspuls (S0, S1) als Startbit erzeugt wird und daß sodann weitere Übertagungspulse als Daten­ bits (D0-D3) und gegebenenfalls Kontrollbits (C0, C1) er­ zeugt werden, wobei sich der Wert der Daten- und gegebe­ nenfalls Kontrollbits aus deren genauem zeitlichen Ab­ stand vom Startbit (S0) ergibt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten vom Slave (2) zum Master (1) mittels Amplitudenmodulation der Span­ nung (U) der Verbindungsleitungen während der Übertra­ gungspulse übertragen werden, und vorzugsweise daß wäh­ rend der Übertragungspulse im Slave (2) die Impedanz zwischen den Verbindungsleitungen (3, 4) abhängig von den vom Slave (2) an den Master (1) zu übertragenden Daten geändert wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß pro Übertra­ gungsimpuls im wesentlichen ein Bit vom Master (1) zum Slave (2) und ein Bit vom Slave (2) zum Master (1) über­ tragen wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Master (1) und Slave (2) Datenworte ausgetauscht werden, wobei jedes Datenwort mehrere Datenbits (D0-D3) umfaßt und wobei mindestens ein Teil der Datenworte wiederholt übertragen wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Master (1) die Spannung (U) der Verbindungsleitungen (3, 4) sowie die Spannung (Vin) der Stromversorgung (5) gemessen werden, und daß aus diesen Spannungen ermittelt wird, ob die Verbindungsleitungen im Versorgungsmodus kurzgeschlossen sind und/oder was für ein Signal der Slave im Übertra­ gungsmodus aus sendet.
8. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen Master (1), mindestens einen Slave (2) und Verbindungsleitungen (3, 4) zwischen dem Ma­ ster (1) und dem Slave (2) aufweist, wobei der Master ein Schaltelement (T1, T2) aufweist, welches eine Stromquelle (5) wahlweise hoch- oder niederohmig mit den Verbindungs­ leitungen (3, 4) verbindet und wobei der Slave (2) eine erste Meßschaltung (U11) aufweist, zur Erzeugung eines Signals (RX2), welches anzeigt, ob die Verbindungsleitun­ gen (3, 4) hoch- oder niederohmig mit der Stromquelle (5) verbunden sind, sowie einen Energiespeicher (C10), der über die Verbindungsleitungen (3, 4) aufladbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Master (1) eine zweite Meßschal­ tung aufweist, zur Überwachung der Spannung (U) der Ver­ bindungsleitungen (3, 4) und zur Erzeugung mindestens ei­ nes von der Spannung abhängigen Kontrollsignals.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit der zweiten Meßschaltung ein Da­ tensignal abhängig von der Spannung (U) der hochohmig mit der Stromquelle (5) verbundenen Verbindungsleitungen (3, 4) erzeugbar ist und vorzugsweise auch ein Kurz­ schluß-Warnsignal abhängig von der Spannung (U) der nie­ derohmig mit der Stromquelle (5) verbundenen Verbindungs­ leitungen (3, 4).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Master (1) Filter­ mittel (R2-R6, C1-C3) zur Reduktion der Schaltgeschwin­ digkeit des Schaltelements (T1, T2) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Slave (2) ein mit einem Datensignal (TX2) ansteuerbares Mittel (T10) zur Änderung der Impedanz zwischen den Verbindungsleitungen (3, 4) aufweist.
13. Fernsteuerung für Feuerschutzklappen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12.
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