DE19918969A1

DE19918969A1 - Universal-Multimedia-Bussystem

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Publication number: DE19918969A1
Application number: DE1999118969
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-27
Filing date: 1999-04-27
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2019-04-28
Also published as: WO2000065460A1; EP1185935A1; DE19918969B4

Abstract

Das UMB-System vereint die Funktionen von Kommunikation im Sprach- und Videobereich mit den Funktionen einer Sicherheitsanlage und den Funktionen einer Meß- und Steueranlage (Hausleittechnik), wobei die Spannungsversorgung als auch die Signale zur Datenübertragung ausschließlich über zwei Leitungen gleichzeitig übertragbar sind.

Description

1. Stand und Nachteile der aktuellen Technik

BUS-Systeme ermöglichen die Übertragung differenzierter Signale zwischen mehreren Komponenten (Teilnehmern) an einem gemeinsa men und identisch verdrahteten Kabelnetz.

Die Ausführung und Leistungsfähigkeit dieser Systeme wird dabei durch den Anwendungsfall und der zur Realisierung der Aufgaben notwendigen Technik bestimmt.

Das Pflichtenheft zur Entwicklung des UMB-BUS hatte dabei An forderungen, welche zur Zeit von keinem bekannten BUS-System erfüllt werden können. Die meisten Systeme sind für die Über tragung digitaler Signale bestimmt. Sowohl in der Sicherheit stechnik (RS 485) als auch in der Installationstechnik (EIB) werden ausschließlich digitale Signale, welche in einem be stimmten Timing abgearbeitet werden, übertragen und verarbei tet.

Analog arbeitende BUS-Systeme sind duch die Bandbreite der Übertragung derzeit nicht möglich, die Umsetzung von analogen in digitale Signale sind zwar vorhanden (ISDN), aber in dem ge forderten breiten Einsatzfall nur mit sehr hohen technischen Aufwand realisierbar.

Gemischte oder temporär aufeinanderfolgende Übertragung von di gitalen Steuer- und analogen Sprachsignalen sind möglich und auch schon im Kommunikationsbereich realisiert. Die gleich zeitige Übertragung von breitbandigen Videosignalen setzte auch hier wieder physikalische Grenzen.

Die ideale BUS-Architektur, speziell für den Kommunikations- und Sicherheitsbereich, sollte die gleichzeitige Spannungsver sorgung über den BUS für die Teilnehmer mit übernehmen. Hier sind die größten Probleme zu erwarten, da die Technik Grenzen setzt, sowohl was die Trennung zwischen Gleich- und Wechsels pannungskomponenten angeht (immerhin muß ein Videosignal bis zu 30 Hz hinunter einwandfrei übertragen werden) als auch, was die unterschiedlichen Stromentnahmen der Teilnehmer über Lei tungslängen bis zu mehreren hundert Metern angeht.

Ein weiterer, sehr wichtiger Aspekt ist bei der Mischung von Kommunikations- und Sicherheitstechnik zu beachten! Bei Strom ausfall muß die Kommunikation, welche ja auch die Datenübertra gung beinhaltet, weiterhin für einen definierten Zeitraum gesi chert sein. In der bekannten, im Sicherheitsbereich eingesetz ten, BUS-Technologie, wird durch eine Zentrale bei Ausfall des BUS-Systemes eine Alarm- bzw. Störungsmeldung ausgelöst und ggf. weitergeleitet.

Der Grundgedanke der UMB-Technik geht jedoch von einer dezen tralen Architektur der Gesamtanlage aus (mehrere selbstständige Wohneinheiten), die Aufgabe der Notstromversorgung muß also durch jeden Teilnehmer eigenständig erledigt werden.

Damit ist prinzipiell jedes UBM-Modul eine eigenständige Zen traleinheit, welche nicht nur Überwachungs- und Steu erungsaufgaben, sondern auch Kommunikationsfunktionen im Sprach- und Videobereich übernimmt. Nicht zuletzt sollen die Teilnehmer des UMB-Systemes sehr sicher über den gesamten Be triebsspannungs- und Temperaturbereich funktionieren und trotz dem sehr preiswert sein.

2. Das Pflichtenheft - Entwicklungsaufgaben

Aus den o. g. Stand der aktuellen Technik ergibt sich ein Pflichtenheft, welches, grundsätzlich davon ausgehend, all die o. g. Nachteile zu beseitigen, nachfolgende Entwicklungsrichtli nien enthält:

2.1. Funktionalität

a) 2-Draht-BUS in unabgeschirmter Ausführung
b) BUS-Länge mindestens 200 mtr. für alle Funktionen (bei 0,75 mm²)
c) Übertragung von Videosignalen im Bereich von 30 Hz . . . 5 Mhz
d) Übertragung von Datensignalen bis zu 9600 Bit/sec (Baud)
e) Übertragung von Sprachsignalen im Vollduplexbetrieb
f) Einsatz eines Netzteiles für die Speisung aller UBM-Module über den 2-Draht-BUS
g) Kaskadierungsmöglichkeit mit weiteren Netzteilen bei hohen Leitungslängen bzw. einer hohen Anzahl von Modulen durch einfaches Aufschalten auf den BUS
h) Änderungen der Funktionen durch ausschließliche Änderung der Software

2.2. Technische Ausstattung

a) universelle Anschlußmöglichkeiten für verschiedenste Kompo nenten wie Relais, Schütze, Bewegungsmelder, Meßwiderstände (Temperatur, Helligkeit, Feuchtigkeit usw.), Sprechanlagen, Monitore, Kameras usw.
b) pro Modul mindestens 6 extern anschließbare Eingänge mit ei ner Auflösung von 0 bis 100 kOhm im Bereich von 0 . . . 255 (392 Ohm pro Schritt, Meß fehler max. 10%)
c) pro Modul mindestens 6 extern anschließbare Ausgänge mit kurzschluß- und temperaturgesicherten Hochvolttreibern bis zu 60 V/500 mA (gegen 0 V schaltende OC-Ausgänge)
d) prozessorgesteuerte BUS- und Akkuspannungsüberwachung bzw. -ladung
e) digitale Frequenzüberwachung und -regelung für 3 Kommunika tionsfrequenzen (Sprache im Vollduplex-Betrieb und Datenkanal) über den gesamten Spannungs- und Temperaturbereich hinweg
f) Speisung der Module über den BUS für die Elektronik und Puf ferung/Ladung der ggf. eingesetzten integrierbaren Notstromver sorgung
g) Ruhestromverbrauch von maximal 40 mA pro Modul im aktiven Be reitschaftszustand (jederzeitiger Datenaustausch findet statt)
h) komplementär passiv geregeltes Netzteil zur halbautomati schen Ausregelung von Leitungsverlusten

2.3. Fertigung

a) ausschließlicher Einsatz von Halbleitern und sonstigen Bau elementen, welche in SMD-Ausführung am Markt erhältlich sind
b) Einsatz von zukunftsfähigen, über viele Jahre hinaus erhält lichen Bauelementen, speziell im Bereich der Halbleiter
c) Einsatz einer sehr begrenzten Bauelemente-Vielfalt - Be schränkung auf 2 Transistortypen - keinerlei Spezialwiderstände (E48-Reihe, max. 15 verschiedene Werte) - keinerlei Spezialkon densatoren (max. 15 verschiedene Werte)
d) keine sonstigen Spezialbauteile wie z. B. Spulen usw. - Ein satz von handelsüblichen Drosseln (max. 3 Werte) - Einsatz han delsüblicher Filterbausteine (TON-DF-Keramikfilter aus Fern sehtechnik)

2.4. Abgleich der Module

a) weitestgehender softwaregesteuerter Selbstabgleich - spezi ell müssen alle Sende- und Empfangsfrequenzen selbsttätig abge glichen und ständig überwacht werden (Frequenzsynthesizer)
b) automatisch und ständig ablaufender Selbsttest aller Funk tionen
c) interne Testprogramme durch Umstecken einer Testbrücke für alle Funktionen mit einem einfachen an den Eingängen anzu schließenden Testgerätes (1 Drehschalter, 1 Potentiometer, 8 LEDs):
- - messe Eingänge
- - schalte Ausgänge
- - sende Daten und empfange Daten
- - sende Sprache und empfange Sprache
- - sende Video und empfange Video
- - Anzeige BUS-Spannung und Akkuspannung

2.5. Lastausregelung und Notstromversorgung

- sichere Verarbeitung von BUS-Gleichspannungen im Bereich von 18 bis 40 Volt
- integrierbare LongLife-Akkus (<10 Jahre -20-80°C) für Weiter betrieb bei BUS-Stromausfall sowie zur Übernahme von Ver brauchsspitzen (z. B. Kameras mit Beleuchtung usw.)
- ständige Überwachung von Akkus und BUS-Spannung

2.6. Umrüstung auf Funkbetrieb

- einfache Umrüstung auf Funkbetrieb durch Frequenzwechsel mit 2 veränderten Induktivitäten in einen beliebigen Bereich bis zu max. 100 MHz (eine Übertragung von Videosignalen ist durch den BZT bis 100 MHz nicht erlaubt!)
- Realisierung des Stromsparmodus (Sleep-Modus) und zyklische Informationsabgabe durch Softwarewechsel

2.7. BUS-Stromversorgung

a) einfaches, passiv geregeltes Netzteil für bis zu 2 Ampere bei 32 Volt
b) dämpfungsarme Durchschleifung aller Wechselspannungssignale von 30 Hz bis 20 MHz
c) stromabhängige Spannungsabgabe zum Ausgleich von Kabelverlu sten
- - Spannung bei 50 mA/24 Volt (1 Modul)
- - Spannung bei 200 mA/28 Volt (4 Module)
- - Spannung bei 500 mA/32 Volt (10 Module)
Bitte beachten: UCS (Homeboy) ergeben keine Gleichspan nungslast auf dem BUS!

2.8. Zukunftsfähigkeit der Technik

a) aktive Netzteile mit prozessorgesteuerter Spannungsreglung und eigenständigen Aus- bzw. Eingängen zum Anschluß von Haus/Hoflicht, Gas- und Wassermeldern im Keller usw.
b) digitale Zwischenspeicher je Modul zur Aufnahme und Siche rung von Videobildern der am UBM angeschlossenen Kameras
c) Download für neue Software über den BUS und damit durchgän gige Softwaredownloads über Telefonleitung bis zum jedem Teil nehmer eines mit UBM ausgerüsteten Sicherheits- und Kommunika tions-Systemes.
d) autarke Anlagen ohne Zentraleinheit (UCS) durch geänderte Software

2.9. Herstellkosten

Die Herstellkosten sollen, vorausgesetzt, daß die Stückzahlen und Einkaufskonditionen optimal gestaltet werden können, im zweistelligen DM-Bereich liegen.

Im Vergleich mit technisch etwa gleichwertigen konventionellen, derzeit am Markt eingesetzten Systemen soll das BUS-System im Gesamtanlagenpreis auf jeden Fall wesentlich günstiger abschneiden.

Unterschiedliche Anlagenbeispiele werden weiter unten erläu tert.

3. Schaltungsbeschreibung

Aus patentrechtlichen Gründen wird die folgende technische Be schreibung noch nicht anhand eines Schaltplanes erläutert. Es wird auf die einzelnen Baugruppen und dessen Funktionen sowie auf Funktionseinheiten eingegangen.

Grundsätzlich besteht jedes Modul aus 6 Baugruppen, welche alle durch einen PIC-Prozessor parametrisiert, überwacht und gesteu ert werden:

a) Prozessoreinheit mit EEprom-Speicher
b) Stromversorgung mit Watchdog, Stromsparschaltung und Akku pufferung
c) Verarbeitung der 8 Eingänge
d) Ansteuerung der 8 Ausgänge
e) Empfänger
f) Sender

Weiterhin werden folgende Funktionen besonders erläutert:

a) die digitale Frequenzregelung
b) Signalübertragung über den BUS
c) Datenprotokoll
d) Anzahl der anschließbaren BUS-Teilnehmer

Prozessoreinheit mit EEProm (IC3)

Zum Einsatz kommt ein PIC-Prozessor, welcher den Programmablauf und den Zwischenspeicher für Meßgrößen und Programmvariablen über ein seriell angeschlossenen EEProm mit 2048 Byte Kapazität realisiert. Auch bei totalen Stromausfall behält das EEProm das Programm und wichtige Daten wie zum Beispiel Modul-Ident- Nummer, Meßgrößen usw. gespeichert.

An dieser Stelle sei erwähnt, daß jedes ausgelieferte Modul ei ne eigene Modul-Ident-Nummer besitzt und damit ein Unikat dar stellt. Dieses ist wichtig für die automatische Programmierung der Module. Zur Zeit sind 16,7 Mill. Varianten möglich.

Er stellt eine serielle Schnittstelle zur Kommunikation mit ei nem PC (Down/Upload der Software sowie zwei I/O-Ports mit insgesamt 16 Ein-/Ausgängen zur Verfügung. Die serielle Schnittstelle ist an den Anschlüssen 1-4 von IC3 ausgeführt (RX, TX, ATN, GND).

Die Ports sind teilweise doppelt und auch dreifach mit der Pe ripherie verschalten. Chip-Select-Leitungen (CS) bestimmen da bei softwaregesteuert, welche Funktionseinheiten des Modules angesprochen werden.

Stromversorgung mit Watchdog, Stromsparschaltung und Akkupuffe rung

Jedes Modul ist über einen induktionsarmen Leitungswiderstand R1 am BUS angeschlossen. Dieser Widerstand bestimmt auch gleichzeitig die Gleich - und die Wechselstromlast pro Modul und beträgt 330 Ohm. Er stellt auch die frequenzunabhängige Trennung zwischen Gleich- und Wechselspannung dar. Der Einsatz frequenzabhängiger Glieder ist nicht möglich, da es zu starken Veränderungen des Videosignales kommt, die nicht mehr entzerr bar sind.

Wenn zum Beispiel 32 Module am BUS angeschlossen sind, welche auch mit Gleichspannung über den BUS versorgt werden, ergibt sich eine Gesamt-Wechselstromlast von ca. 10 Ohm. Bei einem Quellwiderstand von ca. 5 Ohm für das Videosignal ist nach wie vor eine einwandfreie Übertragung des Videosignales gewährlei stet. Der dabei fließende Gleichstrom in Höhe von ca. 1,5 Am pere ist noch von einem Netzteil zu bewältigen, wenn die Lei tungslängen nicht zu lang werden (z.Bsp. 300 Meter). Es ist al lerdings selbst in Mehrfamilienhäusern mit Leitungslängen von maximal 50-60 Metern zu rechnen.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß angeschlossene UCS (Homeboys) eine wesentlich geringere Wechselstromlast (ca. 1 kOhm) und ab solut keine Gleichstromlast darstellen. Weiterhin besteht na türlich auch die Möglichkeit, daß einzelne Module mit erhöhtem Strombedarf (z. Bsp. Ansteuerung von Schaltschützen usw.) ört lich mit einem eigenen Netzteil versorgt werden können und da mit auch keinerlei Gleichspannungslast für den BUS ergeben.

Die ausgekoppelte Gleichspannung wird mittels einer Zenerdiode D3 auf 18 Volt begrenzt und einer Spannungsstabilisierung be reitgestellt. Gleichzeitig wird an diesem Punkt die Lade/Puf ferspannung für die beiden in Reihe geschalteten und die Klem men PL3 und PL4 anschließbaren Akkumulatoren gewonnen (2×9 Volt-Block).

In die BUS-Einspeisung ist auch ein DIL-Relais geschalten, wel ches 2 Funktionen erfüllt.

1. Akkuspannung messen (hier muß die Bus-Einspeisung unterbro chen werden, um einen unverfälschten Spannungswert der Akkus zu ermitteln
2. Lastabtrennung bei analoger Kommunikation von zwei anderen Modulen über den BUS

Unter der Voraussetzung, daß Akkus eingebaut sind und diese auch ausreichend geladen sind, schalten sich alle Module, die an einer Video/Sprachkommunikation nicht teilnehmen, vom BUS weg. Die Dauer der Abschaltung wird von der eigenen Akkuspan nung und von der Länge der Kommunikation bestimmt. Durch die Lastabtrennung wird eine möglichst geringe Belastung der auf den BUS auferlegten Analogsignale erreicht.

Die Spannungstabilisierung mit TR9, TR10, D15 ist konventionell aufgebaut, um einerseits Kosten zu sparen und andererseits mit dem gleichen Schaltungsteil eine Stromsparschaltung und die Einkopplung des Watchdog zu realisieren.

Der Prozessor IC3 liefert ein zyklisches pulsweitenmoduliertes Signal (PIN 12). Dieses Signal wird mit einer Spannungsverdopp lerschaltung(D10, D11) gleichgerichtet. Fällt dieses Signal län ger als 6 Sekunden aus, lädt sich C2 über R7 so lange auf, bis Transistor TR1 durchschaltet. Damit wird C18 entladen und Tran sistor TR4 gesperrt. Da jetzt wiederum TR3 gesperrt ist, fehlt dem als Darlingtonpaar geschalteten TR9/TR10 die Vorspannung und sperren auch.

Das gesamte Modul fällt in einen Stromsparmodus, in dem es nur noch max. 13 µA (0,000013 A) benötigt. Dieser Strom fließt über R12 zum aufladen von C18. Ist die Durchbruchspannung von der Zenerdiode D13 erreicht, geht TR4 wieder in den leitenden Zu stand und die Spannungsversorgung wird wieder eingeschalten.

Die Zeit des Stromsparmodus ist vom Kondensator C18 abhängig und beträgt bei dieser Dimensionierung 20 Sekunden. Danach "fährt" das Modul wieder hoch, der Prozessor wird neu gestartet und der Vorgang beginnt von vorn. Zur Beschleunigung des Span nungsanstieges und damit einem sicheren Wiederanlauf des Pro zessors mittels Power-On-Reset dient D14 und R23.

Dieser Vorgang ist aus 2 Gründen äußerst wichtig.

Erstens wird bei durch äußere Einflüsse zwar noch nicht be obachteten aber möglichen Stillstand des Prozessors automatisch ein Neustart des Modules realisiert und damit verhindert, daß sich ein Modul "aufhängt".

Zweitens wird im Notstrombetrieb die Akkustandzeit und damit die Kommunikationsfähigkeit eines Modules um Wochen verlängert (besonders wichtig bei Anschluß sicherheitsrelevanter Komponen ten wie Bewegungsmelder, Brandmelder usw.).

Nicht zuletzt ermöglicht diese Arbeitsweise auch die Ausführung als Funkmodul, bei welcher ja eine Batteriestandzeit von bis zu einem Jahr mindestens ermöglicht werden muß.

Sowohl die BUS-Spannung als auch die Akkuspannung werden perma nent durch den Prozessor überwacht und die Meßwerte im Daten protokoll ständig mitgesendet.

Verarbeitung der 8 Eingänge

Die 8 Eingänge werden zyklisch (ca. 1mal pro Sekunde) im Multi plexbetrieb abgefragt.

Dazu wird ein spezieller Baustein, ein adrssierbarer 8-Kanal- Analogschalter IC5 eingesetzt.

Über die Anschlüsse 9, 10, 11 wird der entsprechende Eingang auf den Ausgang (PIN 3) durchgeschalten.

Die Analog/Digital-Wandlung wird dabei vom Prozessor selbst vorgenommen und erfordert keine zusätzliche Hardware. Die damit zu erwartende relative Meßungenauigkeit von 10% ist zu ver nachlässigen (In der Sicherheitstechnik sind ± 40% gefordert). Der Meßbereich wird dabei von den Widerständen R34 und R30 be stimmt und beträgt 0 . . . 100 kOhm.

Realisiert wird die Messung derart, daß der Prozessor den Kon densator C27 auf 5 V schaltet und danach die Zeit mißt, in der sich C27 wieder über den von außen angeschlossenen Widerstand entlädt. Diese Zeit wird dann rechnerisch den Widerstandswerten zugeordnet und als Wert von 0 . . . 255 gespeichert und übertragen. Die Auflösung beträgt dabei 392,16 Ohm pro Zähleinheit (392,16 mal 255 = 100 kOhm).

Extern können von den 8 nur 6 Eingänge genutzt werden, da 2 analoge Eingänge zum Messen der BUS- und der Akkuspannung ge nutzt werden.

Alle extern anschließbaren Eingänge sind mit Schutzwiderständen (R38-R41) und Supressor-dioden (D17-D22) gegen Überspannungen geschützt.

Die 6 externen Eingänge sind zwar beliebig beschaltbar, aller dings ist softwaremäßig vorgesehen, daß die Eingänge E1-E4 auch als Matrix mit bis zu 15 Tasten, E5 mit einem Heißleiter zur Temperaturmessung und E6 mit einem Fotowiderstand zur Hel ligkeitsmessung beschaltet werden. Werden E5 und E6 gleichzei tig gegen Masse kurzgeschlossen, geht das Modul in den Testmo dus und der Prozessor arbeitet ein internes Testprogramm ab. Dieser Kurzschluß ist auch mittels einer Testbrücke (JA1 11/12) realisierbar.

Hierzu werden die Eingänge E7 und E8 über die Spannungsteiler R29/R31 und R32/R33 an den Akku bzw. die BUS-Einspeisung ge legt.

Um eine von der BUS-Einspeisung unabhängige Messung der Ak kuspannung zu gewährleisten, wird bei der Akkumessung die BUS- Spannung durch das Relais RE1 abgeschalten.

Ansteuerung der 8 Ausgänge

Jedes Modul besitzt 8 Ausgänge, von denen 6 extern beschaltet werden können. Die Open-Collector (OC)-Ausgänge werden über ei nen Ausgangstreiber-Schaltkreis IC7 gegen Masse (GND) geschal ten. Diese sind gegen induktive Lasten abgesichert und können bis zu 60 V und 500 mA belastet werden.

Zwei der der 8 Ausgänge sind nicht ausgeführt und steuern zwei LED (Leuchtdioden) für die Anzeige der verschiedenen Betriebs modi des Modules an.

Der Treiber IC7 wird von einem Seriell-zu-Parallel-Wandler IC4 angesteuert, welcher die eintreffenden seriellen Daten des Pro zessors aufnimmt, zwischenspeichert und mit einem Latch-Impuls (PIN 12) an die Ausgänge durchschaltet.

Empfänger

Als Empfänger für die Sprach- und Datensignale wird ein AM/FM- Empfänger-Chip (IC6) eingesetzt, welcher in großen Stückzahlen weltweit in Radiorecordern zum Einsatz kommt. Dieser von Tele funken produzierte Chip ist äußerst preiswert und enthält sämt liche Komponenten für den Empfang von amplituden-(AM) und fre quenzmodulierten(FM)-Signalen im Bereich bis zu 145 MHz. Die integrierte automatische Verstärkungsregelung gestattet die ideale die Anpassung der aufgrund der Leitungslängen unter schiedlichen Signalpegel. Die Eingangsempfindlichkeit von ca. 0,1 mV ist dabei völlig ausreichend.

Die Beschaltung wurde entsprechend den Einsatzbedingungen ange passt. So arbeitet der Superphet-Empfänger mit Oszillatorfre quenzen zwischen 12 und 20 MHz je nach Kanal. Die Frequenz liegt damit um genau der Zwischenfrequenz (5,5 MHz) über der Emp fangsfrequenz.

Als Zwischenfrequenz wurden 5,5 MHz gewählt, da dieses die Stan dardfrequenz für den Fernsehtonempfang in allen CCIR-Empfängern ist. Die Filter sind damit in großen Stückzahlen und sehr preiswert erhältlich. Als ZF-Filter (Fi1) und als Demodulator filter (Fi2) kommen abgleichfreie Keramikfilter zum Einsatz.

Eingangs- und Zwischenkreis sind aperiodisch (unselektiv) ge staltet, da die unterschiedlichen Frequenzen weit genug vonein ander entfernt sind. Die Anschaltung des Einganges (PIN 13) von IC6 an den BUS erfolgt über einen Hochpass (C3, C4, DR1), welcher Frequenzen unter 5 MHz und damit Störungen durch das Videosi gnal sperrt.

An dieser Stelle sei bemerkt, daß der Empfänger IC6 im FM-Modus arbeitet. Nur so kann gewährleistet werden, daß das amplituden modulierte Videosignal die Kommunikationskanäle nicht stören kann. Außerdem werden damit Störeinstrahlungen auf die meist unabgeschirmten BUS-Leitungen begrenzt und unterdrückt.

Die Frequenzaufteilung ist wie folgt:

1. Videokanal: bis 5 MHz
2. Kommunikationskanal I. 7,4 MHz (Oszillatorfrequenz: 12,9 MHz)
3. Kommunikationskanal II: 8,8 MHz (Oszillatorfrequenz: 14,3 MHz)
4. Datenkanal: 11,7 MHz (Oszillatorfrequenz: 17,2 MHz)

Durch die weiter unten beschriebene digitale Frequenzregelung sind beliebig andere Kombinationen ebenfalls möglich.

Zur Auswahl der 3 Frequenzen wird die Oszillatorfrequenz des Empfängers IC6 mittels einer Kapazitätsdiode D16 und dem elek tronischen Zu/Abschalten einer Zusatzkapazität C25 durch den Transistor TR13 verändert. Die Feinabstimmung auf die genaue Frequenz wird durch Zuführung einer pulsweitenmodulierten Spannung durch den Prozessor IC3 (PIN 8) durchgeführt. Der Mittelwert der Modulation baut an C19 eine Gleichspannung auf, die wiederum über R26 der Katode der Kapazitätsdiode zugeführt wird.

Das vom NF-Signalausgang des IC6 (PIN 23) kommende Signal wird einerseits über C30 auf den Eingang des integrierten NF- Verstärkers (PIN 24) zur direkten Ansteuerung eines Laut sprechers und andererseits auf IC1, einem elektronischen Ana logschalter auf PIN6 geleitet.

Wenn der durch die Frequenzmodulation auftretende Spannungshub groß genug ist (<1 Volt), wird der Analogschalter IC1 (PIN 8 und PIN 9) geschlossen und damit der Eingang des Prozessors (PIN 5), welcher sonst über R25 an +5 Volt liegt, gegen Masse kurzgeschlossen. Dieser Wechsel zwischen Offen und Kurzschluß ergibt für den Prozessor den seriellen Datenstrom, in welchem die Datenprotokolle enthalten sind.

Hier muß auf zwei schaltungstechnische Besonderheiten hingewie sen werden, die, im Interesse einer fehlerfreien Datenübertra gung über größere Leitungslängen realisiert wurden.

1. Es wird für die Datenübertragung ein extrem hoher Modulati onshub beim Sender verwendet, um den im Empfänger IC6 befindli chen Demodulator gezielt völlig zu übersteuern und damit schon ein praktisch begrenztes Ausgangssignal in Rechteckform zu lie fern.
2. Der Analogschalter IC1 wird nicht mit 5 Volt, sondern mit 2,4 Volt betrieben, um die Schalthystere der Control-Eingänge soweit herunterzuziehen, daß ein Spannungshub von ca. 1 Volt ausreicht, ein sicheres Umschalten der Analogschalter zu bewir ken. Dazu werden 74HCT4066-Typen eingesetzt, welche bis hinun ter zu 2 Volt einwandfrei funktionieren.

Der NF-Verstärker wird elektronisch geregelt und im Datenver kehr stummgetastet, so daß ein angeschlossener Lautsprecher (bzw. Hörer) nur Signale im Falle einer Sprachkommunikation oder eines Rufsignales freigibt.

Sender

Der Sender ist mit 2 pnp-Transistoren (TR6/TR7) in Gegentakt schaltung aufgebaut. Der sehr stromsparende Aufbau verhindert eigenerwärmung und damit höheren Regelaufwand für den Prozes sor. Diese relativ einfache Schaltung ist extrem anschwingsi cher und sehr einfach durch Änderungen der Betriebsspannung in der Frequenz einstell- und modulierbar. Auch hier wird wieder nur eine handelsübliche Drossel (DR2) für die Festlegung der Oszillatorfrequenz eingesetzt.

Durch elektronische Umschaltung der Spannung (D12, R18) und ei ner der Drossel DR2 wechselspannungsmäßig parallel geschalteten Kapazitätsdiode D9 wird der gesamte Sendebereich abgedeckt. Die Feinregelung, Messung und Nachführung der Frequenz wird für alle 3 Kanäle wie beim Empfänger quartzgenau durchgeführt und wird weiter unten beschrieben.

Die Modulation des Senders wird aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Merkmale (Rechteck- und Sinus-Signale) und der gewünschten Übermodulation im Datenübertragungsbereich in von einander abweichenden Atten realisiert.

Um bei der Datenübertragung gewünschte hohe Flankensteilheit und Übertragungssicherheit zu erreichen, werden die vom Prozes sor über PIN 6 mit einem 5-Volt-Pegel gesendeten Daten über R11 direkt auf die Betriebsspannung des Oszillators auferlegt. Da mit werden saubere und extrem steile Frequenzsprünge innerhalb eines definierten Frequenzhubes von +-600 kHz erreicht.

Spachsignale sind sinusförmig. Der Frequenzhub hier beträgt die Hälfte von dem der Datenübertragung, um den Demodulator des Empfängers nicht zu übersteuern. Die Signale, welche von einer an der Buchse JA1 (PIN 1 und PIN 2) angeschlossenem NF-Quelle (meist Kondensatormikrofon) über R4 und C5 eingespeist werden, sind der Abstimmspannung der Kapazitätsdiode D9 überlagert und erzeugen hier die gewünschte Frequenzmodulation. Der Vorwider stand R4 ist derart ausgelegt, daß es mit einer Reserve von mi destens 30% zu keinen internen Begrenzungen des Demodulators und damit Verzerrungen beim Empfänger kommt.

Da die erforderliche Signalspannung für die Empfänger sehr ge ring sein kann, wird die Verstärkung des Sendesignales von ei nem nur 2-stufigen einfach aufgebauten und galvanisch gekop pelten Verstärker realisiert, wobei die erste Stufe die Span nungsverstärkung (TR12) und die zweite Stufe die Impedanzwand lung (TR11) an die Verhältnisse des BUS vornimmt.

Der Prozessor IC3 kann den Sender über PIN 11 durch Zu- und Ab schaltung der Vorspannung des Treibers über den Widerstand R20 innerhalb von 2 msec. an- und ausschalten.

Der Sender selbst (TR7 und TR8) ist immer im Betrieb, um er stens einer ständigen Frequenz-kontrolle zu unterliegen und um Zeitverluste beim "Hochlaufen" des Senders zu verhindern.

Die digitale Frequenzregelung von Sender und Empfänger

Sowohl Sender als auch Empfänger arbeiten in drei, um 5,5 MHz versetzten Frequenzgruppen. Je nach Aufgabe wird entweder der Datenkanal oder einer der Kommunikationskanäle benutzt.

Da jedes Modul eine andere Aufgabe erfüllen kann, ist es ohne weiteres möglich, daß alle 3 Frequenzen als auch ein Videosi gnal auf dem BUS gleichzeitig anliegen.

Alle 6 Frequenzen müssen nicht nur schnell gewechselt werden können, sondern auch eine außerordentliche Frequenzkonstanz be sitzen. Umwelteinflüsse dürfen die Konstanz nicht negativ be einflussen. Es könnte zum Beispiel sein, daß ein Modul in einer Türsprechanlage bei -20°C und die Wohnsprechselle bei +25°C ar beiten und diese sich trotzdem auf allen Frequenzen einwand frei "verstehen".

Der Einsatz von Quarzen für jede Frequenz ist aus folgenden Gründen nicht möglich:

1. schwere bzw. unmögliche Beschaffbarkeit in diesen Frequenz gruppen,
2. erhöhter Schaltungsaufwand durch elektronische Quarzumschal tungen,
3. hoher Abgleichaufwand durch genauen Quarzabgleich für jede Frequenz,
4. keine Frequenzmodulation mit ausreichenden Hub möglich.

Hier wurde ein Weg gefunden, welcher prinzipiell auch in allen digital abgestimmten Rundfunk- und Fernsehempfängern angewendet wird. Zur Kostenersparnis wurden hier allerdings keine Spezial- Chips sondern handelsübliche, sehr preiswerte CMOS-Chips ver wendet.

Die gesamte Frequenzregelung für alle 6 Frequenzen wird wieder um durch den Prozessor IC3 erledigt. Die Feinabstimmung ge schieht bei Sender und Empfänger über die oben beschriebenen Kapazitätsdioden (D9 und D16) in den mit einfachen Drosseln aufgebauten Schwingkreisen. Die Frequenzbereichsumschaltung geschieht beim Empfänger mittels C25 und TR13 sowie beim Sender mittels D12 und R18. Damit wird effektiv ein Frequenzband von 7 MHz bis hinauf zu 12 MHz lückenlos überstrichen. Für den Emp fänger liegt der Bereich von 12,5 MHz bis zu 17,5 MHz.

Das Prinzip, der Frequenzeinstellung und -kontrolle funktioniert auf dem eines Frequenzsynthesizers.

Die vom Empfänger-Oszillator kommende und über TR6 verstärkte Frequenz und die vom Sender über C8 kommende Frequenz werden über den Analogschalter IC1 wechselweise dem Teiler-Chip IC2 (PIN 9) über eine nochmalige Verstärkung durch TR5 zugeführt. Da die Amplituden immer noch relativ gering sind, arbeitet dieser Chip mit 2 Volt Betriebsspannung.

Daraus und aus der relativ hohen Frequenz folgt der Einsatz ei nes schnellen 74HCT-Types.

Diese Frequenz wird in einem Verhältnis von 16384 geteilt und steht am Teiler-Chip IC2 am Ausgang 3 als ein niederfrequentes Rechtecksignal zur Verfügung, welches wiederum direkt am PIN 13 des Prozessors IC3 eingespeist wird.

Per Softwaresteuerung öffnet der Prozessor diesen Eingang in einem genau definierten Zeitraum und zählt die in dieser Zeit eingehenden Impulse. Der so ermittelte Wert wird dann mit einem der 6 im EEProm hinterlegten Werte verglichen.

Falls es Abweichungen vom Sollwert gibt, wird ein pulsweitenmo duliertes Signal (PWM) entprechender Größe generiert und am PIN 8 für den Empfänger bzw. am PIN 14 für den Sender ausgegeben. Diese Signale werden durch die Kondensatoren C19 bzw. C7 ge glättet und über die Widerstände R26 bzw. R6 den Kapazitätsdi oden zugeführt.

Die Kondensatoren C19 und C7 haben ebenfalls auch die Aufgabe, in den Regelpausen - immerhin hat der Prozessor auch noch ande re Aufgaben zu erfüllen - die Abstimmspannung konstant zu hal ten.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die aktuellsten PWM-Werte ständig zwischengespeichert und bei der nächsten Re gelung als vorhergehender Vorgabewert genutzt werden. Mit die sen Erfahrungswerten wird nicht nur der Zeitaufwand der Rege leung erheblich vermindert, sondern der Prozessor kann sich langsam ändernden Umweltbedingungen jederzeit anpassen.

Im übrigen sind beliebige Frequenzen innerhalb des möglichen Frequenzbereiches jederzeit durch ausschließliche Softwareände rung möglich.

Da alle 6 Frequenzen damit direkt vom Prozessorquarz abhängig sind, ist hier ein genauester Betrieb über den gesamten Tempe ratur- und Betriebsspannungsbereich hinweg gesichert.

Desweiteren entfallen aufwendige Abgleicharbeiten im Ferti gungsprozeß.

Signalübertragung über den BUS

Alle Signale werden, auch trotz des einsetzbaren unabgeschirm ten Kabels, unsymmetrisch übertragen. Die Störfestigkeit wurde dabei trotzdem erreicht, da erstens die Sprachkanäle und der Datenkanal ausschließlich mit Frequenzmodulation (FM) arbeiten und zweitens das Videosignal mit einem extrem vom Nor malwert (75 Ohm) abweichenden niedrigen Quellwiderstand (ca. 5 Ohm) eingespeist wird.

Der niedrige Quellwiderstand bedingt jedoch, daß erstens jedes Videosignal mit einem Treiber stark verstärkt und widerstand sangepasst und durch die zu erwartenden Höhenverluste zusätz lich verzerrt werden muß. Diese in jedem Modul befindliche Schaltung nimmt im Betriebsfall einen relativ hohen Strom von allein 45 mA auf. Deshalb ist der Betrieb einer Kamera, welche ja zusätzlich noch einen Strombedarf von 100-250 mA (je nach Typ) hat und einer damit verbundenen Beleuchtung nur in einem akku-gepufferten Modul möglich.

Solche Module können leicht über 1 Ampere verbrauchen, so daß der kurzzeitig (ca. 1 min.) nötige erhöhte Strombedarf von den integrierten Akkus geliefert wird.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß durch den Einsatz neuester NI-MH-Sinterzellen, welche auch sehr preisgünstig sind, keinerlei Betriebs- und Wartungsnachteile zu erwarten sind. Diese Akkus sind langlebig, wartungsfrei, haben einen ho hen Temperaturbereich, hohe Leistung schon bei niedrigen Tempe raturen und besitzen vor allen Dingen keinen Memory-Effekt. Sollten nach Jahren (mindestens 6-8 Jahre) die Leistung der Ak kus nachlassen, wird dieses selbstverständlich von den UBM- Modulen erkannt und weitergemeldet.

Datenprotokoll

Jedes Datenprotokoll besteht grundsätzlich aus:

Leader zur Starterkennung (24 Bit)
Daten (96 Bit)
Prüfsumme (16 Bit)

Jedes Protokoll wird zur weiteren Erhöhung der Sicherheit 3mal hintereinander ausgesendet.

Während der Leader ständig konstant bleibt, sind die Daten un terschiedlichst aufgebaut. Es gibt dabei Anmeldeprotokolle, Statusprotokolle und Befehlsprotokolle.

Anmeldeprotokolle: - Mitteilung der eigenen Ident-Nummer (16,7 Mill. Unikate)
- Zuteilung der internen BUS-Nummer (1 . . . 255)
Statusprotokolle: - Mitteilung der eigenen Zustände aller Eingänge, internen Meßwerte und Ausgänge
Befehlsprotokolle: - Abruf von allen Zuständen des adressierten Modules

Anhand der Protokolle läßt sich auch ersehen, daß maximal 255 UBM incl. UCS (Homeboys) an einem BUS betrieben und getrennt adressiert werden können.

Die Daten werden mit einer Geschwindigkeit von 9600 Bit/sec. (Baud) übertragen. Diese hohe Geschwindigkeit erlaubt damit theoretisch auch die digitale Übertragung von Bildern.

Weiter soll an dieser Stelle nicht auf die Datenprotokolle ein gegangen werden.

Anzahl der anschließbaren BUS-Teilnehmer

Wie weiter oben schon erläutert, können softwaremäßig bis zu 255 Teilnehmer (das ist die Summe aller UBM-Module, UCS- Homeboys und Netzteile). Dabei gibt es natürlich physi kalische Grenzen, die wie auch schon erläutert in der Wechsel strom- und Gleichstromlast und im Timing der Datenübertragung der Summe aller Teilnehmer liegen.

Hier ist hardwaremäßig schon umgesetzt und softwaremäßig ge plant, daß sich bei einer Kommunikation zwischen 2 Modulen alle anderen Module, welche eine eigene Notstromversorgung mit voll geladenen Akkus haben, als Last komplett aus dem BUS heraus schalten und nur noch auf den Datenverkehr "hören".

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten:

a) Das UMB-System vereint die Funktionen von Kommunikation im Sprach- und Videobereich mit den Funktionen einer Sicherheits anlage und den Funktionen einer Meß- und Steuerungsanlage (Hausleittechnik),
b) dabei werden alle Informationen über nur 2 Drähte und zwar gleichzeitig übertragen
c) abgeschirmte Leitungen sind nicht zwingend notwendig, mehre re hundert Meter sind Kabellänge sind möglich
d) selbst die Spannungsversorgung wird über die 2 Drähte reali siert
e) die Module sind ideal für den gemeinsamen Einsatz mit dem UCS-System (Homeboy) und nutzen dann die gesamten erheblichen Möglichkeiten
f) durch Softwareanpassung ist eine autarke Arbeitsweise der Module ohne UCS möglich
g) die Alleinstellungsmerkmale und das erreichbare Preis/Leistungsverhältniss lassen eine äußerst erfolgreiche Vermarktung erwarten
h) einfachste und damit wesentlich preiswertere Varianten für Nur-Sprechbetrieb und für Nur-Sprech/Videobetrieb können durch umfangreiche und unkomplizierte Abrüstung erstellt und angebo ten werden
i) einfachste Programmierung durch automatische Modulerkennung und Systemanmeldung
j) preiswerte Fertigung durch standardisierte Bauelemente mit geringer Vielfalt
k) geringer Fertigungsaufwand durch automatischen Selbstab gleich
l) umfangreiche Testprogramme intern hinterlegt und auch vor Ort einfach abrufbar
m) mehrere Netzteile am BUS einfach durch Parallelschaltung an bliebiger Stelle einsetzbar

Claims

1. Universelles-Multimedia-Bussystem mit einer Prozessorein heit, die einen EEPROM-Speicher aufweist, einer Stromversorgun seinrichtung sowie mit an die Prozessoreinheit angeschlossenen Sender und Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Spannungsversorung als auch Signale zur Datenübertragung aus schließlich über zwei Leitungen gleichzeitig übertragbar sind.

2. Universelles-Multimedia-Bussystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale digitale Signale bis zu etwa 19200 Bit/Sekunde sind.

3. Universelles-Multimedia-Bussystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale analoge Signale bis zu etwa 8,5 MHz sind.