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1. Stand und
Nachteile der aktuellen Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Bussystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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BUS-Systeme
ermöglichen
die Überragung
differenzierter Signale zwischen mehreren Komponenten (Teilnehmern)
an einem gemeinsamen und identisch verdrahteten Kabelnetz. Die Ausführung und
Leistungsfähigkeit
dieser Systeme wird dabei durch den Anwendungsfall und der zur Realisierung
der Aufgaben notwendigen Technik bestimmt.
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Das
Pflichtenheft zur Entwicklung des UMB-BUS (UMB = Universales Multimedia
Bussystem) hatte dabei Anforderungen, welche zur Zeit von keinem
bekannten BUS-System erfüllt
werden können.
Die meisten Systeme sind für
die Übertragung
digitaler Signale bestimmt. Sowohl in der Sicherheitstechnik (RS
485) als auch in der Installationstechnik (EIB) werden ausschließlich digitale
Signale, welche in einem bestimmten Timing abgearbeitet werden, übertragen
und verarbeitet.
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Analog
arbeitende BUS-Systeme sind durch die Bandbreite der Übertragung
derzeit nicht möglich,
die Umsetzung von analogen in digitale Signale sind zwar vorhanden
(ISDN), aber in dem geforderten breiten Einsatzfall nur mit sehr
hohen technischen Aufwand realisierbar.
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Gemischte
oder temporär
aufeinanderfolgende Übertragung
von digitalen Steuer- und analogen Sprachsignalen sind möglich und
auch schon im Kommunikationsbereich realisiert. Die gleichzeitige Übertragung
von breitbandigen Videosignalen setzte auch hier wieder physikalische
Grenzen.
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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 Tren-nung
zwischen Gleich- und Wechselspannungskomponenten angeht (immerhin
muß ein
Video-signal bis zu 30Hz hinunter einwandfrei übertragen werden) als auch,
was die unterschiedlichen Stromentnahmen der Teilnehmer über Leitungslängen bis
zu mehreren hundert Metern angeht.
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Ein
weiterer, sehr wichtiger Aspekt ist bei der Mischung von Kommunikations-
und Sicher-heitstechnik zu beachten! Bei Stromausfall muß die Kommunikation,
welche ja auch die Datenübertragung
beinhaltet, weiterhin für
einen definierten Zeitraum gesichert sein. In der bekannten, im
Sicherheitsbereich eingesetzten, BUS-Technologie, wird durch eine
Zentrale bei Ausfall des BUS-Systemes eine Alarm- bzw. Störungsmeldung ausgelöst und ggf.
weitergeleitet.
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Der
Grundgedanke der UMB-Technik geht jedoch von einer dezentralen Architektur
der Gesamtanlage aus (mehrere selbstständige Wohneinheiten), die Aufgabe
der Notstromversorgung muß also
durch jeden Teilnehmer eigenständig
erledigt werden.
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Damit
ist prinzipiell jedes UBM-Modul eine eigenständige Zentraleinheit, welche
nicht nur Überwachungs-
und Steuerungsaufgaben, sondern auch Kommunikationsfunktionen im
Sprach- und Videobereich übernimmt.
Nicht zuletzt sollen die Teilnehmer des UMB-Systemes sehr sicher über den
gesamten Betriebsspannungs- und Temperaturbereich funktionieren
und trotzdem sehr preiswert sein.
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2. Das Pflichtenheft -
Entwicklungsaufgaben
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Aus
den o.g. Stand der aktuellen Technik ergibt sich ein Pflichtenheft,
welches, grundsätzlich
davon ausgehend, all die o.g. Nachteile zu beseitigen, nachfolgende
Entwicklungsrichtlinien enthält:
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2.1. Funktionalität:
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- 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 30Hz ... 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
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2.2. Technische Ausstattung
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- a) universelle Anschlußmöglichkeiten für verschiedenste
Komponenten wie Relais, Schütze,
Bewegungsmelder,
Meßwiderstände (Temperatur,
Helligkeit, Feuchtigkeit usw.),
Sprechanlagen, Monitore, Kameras
usw.
- b) pro Modul mindestens 6 extern anschließbare Eingänge mit einer Auflösung von
0 bis
100 kOhm im Bereich von 0 ... 255 (392 Ohm pro Schritt,
Meßfehler
max. 10%)
- c) pro Modul mindestens 6 extern anschließbare Ausgänge mit kurzschluß- und temperaturgesicherten Hochvolttreibern
bis zu 60V/500mA (gegen 0V schaltende OC-Ausgänge)
- d) prozessorgesteuerte BUS- und Akkuspannungsüberwachung
bzw. – ladung
- e) digitale Frequenzüberwachung
und -regelung für
3 Kommunikationsfrequenzen(Sprache im Vollduplex-Betrieb und Datenkanal) über den
gesamten Spannungs- und Temperaturbereich hinweg
- f) Speisung der Module über
den BUS für
die Elektronik und Pufferung/Ladung der ggf. eingesetzten integrierbaren
Notstromversorgung
- g) Ruhestromverbrauch von maximal 40mA pro Modul im aktiven
Bereitschaftszustand(jederzeitiger Datenaustausch findet statt)
- h) komplementär
passiv geregeltes Netzteil zur halbautomatischen Ausregelung von
Leitungsverlusten
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2.3. Fertigung
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- a) ausschließlicher Einsatz von Halbleitern
und sonstigen Bauelementen, welche in SMD-Ausführung am Markt erhältlich sind
- b) Einsatz von zukunftsfähigen, über viele
Jahre hinaus erhältlichen
Bauelementen, speziell im Bereich der Halbleiter
- c) Einsatz einer sehr begrenzten Bauelemente-Vielfalt – Beschränkung auf
2 Transistortypen – keinerlei Spezialwiderstände (E48-Reihe,
max. 15 verschiedene Werte)- keinerlei Spezialkondensatoren (max.
15 verschiedene Werte)
- d) keine sonstigen Spezialbauteile wie z.B. Spulen usw.- Einsatz
von handelsüblichen
Drosseln (max. 3 Werte)- Einsatz han delsüblicher Filterbausteine (TON-DF-Keramikfilter
aus Fernsehtechnik)
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2.4. Abgleich der Module
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- a) weitestgehender softwaregesteuerter Selbstabgleich – speziell
müssen
alle Sende- und Empfangsfrequenzen selbsttätig abgeglichen und ständig überwacht
werden (Frequenzsynthesizer)
- b) automatisch und ständig
ablaufender Selbsttest aller Funktionen
- c) interne Testprogramme durch Umstecken einer Testbrücke für alle Funktionen
mit einem einfachen an den Eingängen
anzuschließenden
Testgerätes
(1 Drehschalter, 1 Potentiometer,
8 LED's):- messe Eingänge
– schalte Ausgänge
– sende
Daten und empfange Daten
– sende
Sprache und empfange Sprache
– sende Video und empfange
Video
– Anzeige
BUS-Spannung und Akkuspannung
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2.5. Lastausregelung und
Notstromversorgung
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- – sichere
Verarbeitung von BUS-Gleichspannungen im Bereich von 18 bis 40Volt
- – integrierbare
LongLife-Akkus (>10
Jahre –20–80°C) für Weiterbetrieb
bei BUS-Stromausfall sowie zur Übernahme
von Verbrauchsspitzen (z.B. Kameras mit Beleuchtung usw.)
- – ständige Überwachung
von Akkus und BUS-Spannung
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2.6. Umrüstung auf
Funkbetrieb
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- – 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
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2.7. BUS-Stromversorgung
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- a) einfaches, passiv geregeltes Netzteil für bis zu
2 Ampere bei 32 Volt
- b) dämpfungsarme
Durchschleifung aller Wechselspannungssignale von 30Hz bis 20 MHz
- c) stromabhängige
Spannungsabgabe zum Ausgleich von Kabelverlusten
– Spannung
bei 50 mA 24Volt (1 Modul)
– Spannung bei 200 mA 28 Volt
(4 Module)
– Spannung
bei 500 mA 32 Volt (10 Module)
Bitte beachten: UCS (Homeboy)
ergeben keine Gleichspannungslast auf dem BUS!
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2.8. Zukunftsfähigkeit
der Technik
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- 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 Sicherung
von Videobildern der am UBM angeschlossenen Kameras
- c) Download für
neue Software über
den BUS und damit durchgängige
Softwaredownloads über
Telefonleitung bis zum jedem Teilnehmer eines mit UBM ausgerüsteten Sicherheits-
und Kommunikations-Systemes.
- d) autarke Anlagen ohne Zentraleinheit (UCS) durch geänderte Software
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2.9. Herstellkosten
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Die
Herstellkosten sollen, vorausgesetzt, daß die Stückzahlen und Einkaufskonditionen
optimal gestaltet werden können,
im zweistelligen DM-Bereich liegen.
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Im
Vergleich mit technisch etwa gleichwertigen konventionellen, derzeit
am Markt eingesetzten Systemen soll das BUS-System im Gesamtanlagenpreis
auf jeden Fall wesentlich günstiger
abschneiden.
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Unterschiedliche
Anlagenbeispiele werden weiter unten erläutert.
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3. Schaltungsbeschreibung
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Aus
patentrechtlichen Gründen
wird die folgende technische Beschreibung noch nicht anhand eines Schaltplanes
erläutert.
Es wird auf die einzelnen Baugruppen und dessen Funktionen sowie
auf Funktionseinheiten eingegangen.
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Grundsätzlich besteht
jedes Modul aus 6 Baugruppen, welche alle durch einen PIC-Prozessor
parametrisiert, überwacht
und gesteuert werden:
- a) Prozessoreinheit mit
EEprom-Speicher
- b) Stromversorgung mit Watchdog, Stromsparschaltung und Akkupufferung
- c) Verarbeitung der 8 Eingänge
- d) Ansteuerung der 8 Ausgänge
- e) Empfänger
- f) Sender
Weiterhin werden folgende Funktionen besondere
erläutert:
- g) die digitale Frequenzregelung
- h) Signalübertragung über den
BUS
- i) Datenprotokoll
- j) Anzahl der anschließbaren
BUS-Teilnehmer
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Prozessoreinheit mit EEProm
(IC3)
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Zum
Einsatz kommt ein PIC-Prozessor, welcher den Programmablauf und
den Zwischen-speicher 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.
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An
dieser Stelle sei erwähnt,
daß jedes
ausgelieferte Modul eine eigene Modul-Ident-Nummer besitzt und damit
ein Unikat darstellt. Dieses ist wichtig für die automatische Programmierung
der Module. Zur Zeit sind 16,7 Mill. Varianten möglich.
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Er
stellt eine serielle Schnittstelle zur Kommunikation mit einem PC
(Down/Upload der Soft-ware 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, RTN, GND).
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Die
Ports sind teilweise doppelt und auch dreifach mit der Peripherie
verschalten. Chip-Select-Leitungen (CS) bestimmen dabei softwaregesteuert,
welche Funktionseinheiten des Modules angesprochen werden.
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Stromversorgung mit Watchdog,
Stromsparschaltung und Akkupufferung:
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Jedes
Modul ist über
einen induktionsarmer Leistungswiderstand 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 entzerrbar sind.
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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 gewährleistet.
Der dabei fließende
Gleichstrom in Höhe
von ca. 1,5 Ampere ist noch von einem Netzteil zu bewältigen,
wenn die Leitungslängen
nicht zu lang werden (z.Bsp. 300 Meter). Es ist allerdings selbst
in Mehrfamilienhäusern
mit Leitungslängen
von maximal 50-60 Metern zu rechnen.
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An
dieser Stelle sei bemerkt, daß angeschlossene
UCS (Homeboys) eine wesentlich geringere Wechselstromlast (ca. 1
kOhm) und absolut keine Gleichstromlast darstellen. Weiterhin besteht
natürlich
auch die Möglichkeit,
daß einzelne
Module mit erhöhtem
Strombedarf (z.Bsp. An-steuerung von Schaltschützen usw.) örtlich mit einem eigenen Netzteil
versorgt werden können
und damit auch keinerlei Gleichspannungslast für den BUS ergeben.
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Die
ausgekoppelte Gleichspannung wird mittels einer Zenerdiode D3 auf
18 Volt begrenzt und einer Spannungsstabilisierung bereitgestellt.
Gleichzeitig wird an diesem Punkt die Lade/Pufferspannung für die beiden
in Reihe geschalteten und die Klemmen PL3 und PL4 anschließ-baren
Akkumulatoren gewonnen (2 × 9Volt-Block).
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In
die BUS-Einspeisung ist auch ein DIL-Relais geschalten, welches
2 Funktionen erfüllt.
- 1. Akkuspannung messen (hier muß die BUS-Einspeisung
unterbrochen werden, um einen
unverfälschten Spannungswert der Akkus
zu ermitteln
- 2. Lastabtrennung bei analoger Kommunikation von zwei anderen
Modulen über
den BUS
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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 Akkuspannung
und von der Länge
der Kommunikation bestimmt. Durch die Lastabtrennung wird eine möglichst
geringe Belastung der auf den BUS auferlegten Analogsignale erreicht.
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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.
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Der
Prozessor IC3 liefert ein zyklisches pulsweitenmoduliertes Signal
(PIN 12). Dieses Signal wird mit einer Spannungsverdopplerschaltung
(D10, D11) gleichgerichtet. Fällt
dieses Signal länger
als 6 Sekunden aus, lädt
sich C2 über
R7 so lange auf, bis Transistor TR1 durchschaltet. Damit wird C18
entladen und Transistor TR4 gesperrt. Da jetzt wiederum TR3 gesperrt
ist, fehlt dem als Darlingtonpaar geschalteten TR9/TR10 die Vorspannung
und sperren auch.
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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 Zustand und die Span-nungsversorgung
wird wieder eingeschalten.
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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 Spannungsanstieges und damit einem
sicheren Wiederanlauf des Prozessors mittels Power-On-Reset dient
D14 und R23.
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Dieser
Vorgang ist aus 2 Gründen äußerst wichtig.
- 1. Erstens wird bei durch äußere Einflüsse zwar noch nicht beobachteten
aber möglichen
Stillstand des Prozessors automatisch ein Neustart des Modules realisiert
und damit verhindert, daß sich
ein Modul 'aufhängt'.
- 2. Zweitens wird im Notstrombetrieb die Akkustandzeit und damit
die Kommunikationsfähigkeit
eines Modules um Wochen verlängert
(besonders wichtig bei Anschluß sicherheitsrelevanter
Komponenten wie Bewegungsmelder, Brandmelder usw.).
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Nicht
zuletzt ermöglicht
diese Arbeitsweise auch die Ausführung
als Funkmodul, bei welcher ja eine Batteriestandzeit von bis zu
einem Jahr mindestens ermöglicht
werden muß.
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Sowohl
die BUS-Spannung als auch die Akkuspannung werden permanent durch
den Prozes-sor überwacht
und die Meßwerte
im Datenprotokoll ständig
mitgesendet.
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Verarbeitung der 8 Eingänge
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Die
8 Eingänge
werden zyklisch (ca. 1mal pro Sekunde) im Multiplexbetrieb abgefragt.
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Dazu
wird ein spezieller Baustein, ein adrssierbarer 8-Kanal-Analogschalter IC5
eingesetzt.
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Über die
Anschlüsse
9, 10, 11 wird der entsprechende Eingang auf den Ausgang (PIN 3)
durchgeschalten.
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Die
Analog/Digital-Wandlung wird dabei vom Prozessor selbst vorgenommen
und erfordert keine zusätzliche
Hardware. Die damit zu erwar-tende relative Meßungenauigkeit von 10% ist
zu ver nachlässigen
(In der Sicherheitstechnik sind +– 40% gefordert). Der Meßbereich
wird dabei von den Widerständen
R34 und R30 bestimmt und beträgt
0 ... 100 kOhm.
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Realisiert
wird die Messung derart, daß der
Prozessor den Kondensator C27 auf SV schaltet und danach die Zeit
mißt,
in der sich C27 wieder über
den von außen
angeschlossenen Wider-stand 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).
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Extern
können
von den 8 nur 6 Eingänge
genutzt werden, da 2 analoge Eingänge zum Messen der BUS- und
der Akkuspannung genutzt werden.
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Alle
extern anschließbaren
Eingänge
sind mit Schutzwiderständen
(R38-R41) und Supressor-dioden (D17-D22) gegen Überspannungen geschützt.
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Die
6 externen Eingänge
sind zwar beliebig beschaltbar, allerdings ist softwaremäßig vor-gesehen, daß die Eingänge E1-E4
auch als Matrix mit bis zu 15 Tasten, E5 mit einem Heiß-leiter
zur Temperaturmessung und E6 mit einem Fotowiderstand zur Helligkeitsmessung
beschaltet werden. Werden E5 und E6 gleichzeitig gegen Masse kurzgeschlossen,
geht das Modul in den Testmodus und der Prozessor arbeitet ein internes
Testprogramm ab. Dieser Kurzschluß ist auch mittels einer Testbrücke (JA1
11/12) realisierbar.
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Hierzu
werden die Eingänge
E7 und E8 über
die Spannungsteiler R29/R31 und R32/R33 an den Akku bzw. die BUS-Einspeisung
gelegt.
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Um
eine von der BUS-Einspeisung unabhängige Messung der Akkuspannung
zu gewährleisten,
wird bei der Akkumessung die BUS-Spannung
durch das Relais RE1 abgeschalten.
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Ansteuerung der 8 Ausgänge
-
Jedes
Modul besitzt 8 Ausgänge,
von denen 6 extern beschaltet werden können. Die Open-Collector (OC)-Ausgänge werden über einen
Ausgangstreiber-Schaltkreis IC7 gegen Masse (GND) geschalten. Diese sind
gegen induktive Lasten abgesichert und können bis zu 60V und 500mA belastet
werden.
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Zwei
der der 8 Ausgänge
sind nicht ausgeführt
und steuern zwei LED (Leuchtdioden) für die Anzeige der verschiedenen
Betriebsmodi des Modules an.
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Der
Treiber IC7 wird von einem Seriell-zu-Parallel-Wandler IC4 angesteuert,
welcher die eintreffenden seriellen Daten des Prozessors aufnimmt,
zwischenspeichert und mit einem Latch-Impuls (PIN 12) an die Ausgänge durchschaltet.
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Empfänger:
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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 Telefunken produzierte Chip ist äußerst preiswert
und enthält
sämtliche
Kom-ponenten für
den Empfang von amplituden-(AM) und frequenzmodulierten(FM) -Signalen
im Bereich bis zu 145 MHz.
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Die
integrierte automatische Verstärkungsregelung
gestattet die ideale die Anpassung der aufgrund der Leitungslängen unterschiedlichen
Signalpegel. Die Eingangsempfindlichkeit von ca. 0,1 mV ist dabei
völlig ausreichend.
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Die
Beschaltung wurde entsprechend den Einsatzbedingungen angepasst.
So arbeitet der Superphet-Empfänger
mit Oszillatorfrequenzen zwischen 12 und 20 MHz je nach Kanal. Die
Frequenz liegt damit um genau der Zwischen freqenz (5,5 MHz) über der
Empfangsfrequenz
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Als
Zwischenfrequenz wurden 5,5 MHz gewählt, da dieses die Standardfrequenz
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 Demodulatorfilter (Fi2) kommen ab-gleichfreie
Keramikfilter zum Einsatz.
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Eingangs-
und Zwischenkreis sind aperiodisch (unselektiv) gestaltet, da die
unterschiedlichen Frequenzen weit genug voneinander entfernt sind.
Die Anschaltung des Einganges (PIN13) von IC6 an den BUS erfolgt über einen
Hochpass (C3, C4, DR1), welcher Frequenzen unter 5 MHz und damit
Störungen
durch das Videosignal sperrt.
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An
dieser Stelle sei bemerkt, daß der
Empfänger
IC6 im FM-Modus arbeitet. Nur so kann gewährleistet werden, daß das amplitudenmodulierte
Videosignal die Kommunikationskanäle nicht stören kann. Außerdem werden
damit Störeinstrahlungen
auf die meist unabgeschirmten BUS-Leitungen begrenzt und unterdrückt.
-
Die
Frequenzaufteilung ist wie folgt:
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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 elektronischen Zu/Abschalten einer Zusatzkapazität C25 durch
den Transistor TR13 verändert.
Die Feinabstimmung auf die genaue Frequenz wird durch Zu-führung einer
pulsweitenmodulierten Spannung durch den Prozessor IC3 (PIN 8) durchge-führt. Der
Mittelwert der Modulation baut an C19 eine Gleichspannung auf, die
wiederum über
R26 der Katode der Kapazitätsdiode
zugeführt
wird.
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Das
vom NF-Signalausgang des IC6 (PIN23) kommende Signal wird einerseits über C30
auf den Eingang des integrierten NF-Verstärkers (PIN 24) zur direkten
Ansteuerung eines Lautsprechers und andererseits auf IC1, einem
elektronischen Analogschalter auf PIN6 geleitet.
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Wenn
der durch die Frequenzmodulation auftretende Spannungshub groß genug
ist (>1Volt), wird
der Analogschalter IC1 (PIN8 und PIN9) geschlossen und damit der
Eingang des Pro-zessors (PIN5), welcher sonst über R25 an +5Volt liegt, gegen
Masse kurzgeschlossen. Dieser Wechsel zwischen Offen und Kurzschluß ergibt
für den
Prozessor den seriellen Datenstrom, in welchem die Datenprotokolle
enthalten sind.
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Hier
muß auf
zwei schaltungstechnische Besonderheiten hingewiesen werden, die
im Interesse einer fehlerfreien Datenübertragung über größere Leitungslängen realisiert
wurden.
- 1. Es wird für die Datenübertragung ein extrem hoher
Modulationshub beim Sender verwendet, um den im Empfänger IC6
befindlichen Demodulator gezielt völlig zu übersteuern und damit schon
ein praktisch begrenztes Ausgangssignal in Rechteckform zu liefern.
- 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. 1Volt ausreicht, ein sicheres Umschalten der
Analogschalter zu bewirken. Dazu werden 74HCT4066-Typen eingesetzt,
welche bis hinunter zu 2Volt einwandfrei funktionieren.
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Der
NF-Verstärker
wird elektronisch geregelt und im Datenverkehr stummgetastet, so
daß ein
angeschlossener Lautsprecher (bzw. Hörer) nur Signale im Falle einer
Sprachkommunikation oder eines Rufsignales freigibt.
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Sender:
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Der
Sender ist mit 2 pnp-Transistoren (TR6/TR7) in Gegentaktschaltung
aufgebaut. Der sehr stromsparende Aufbau verhindert eigenerwärmung und
damit höheren
Regelaufwand für
den Prozessor. Diese relativ einfache Schaltung ist extrem anschwingsicher
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.
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Durch
elektronische Umschaltung der Spannung (D12, R18) und einer der
Drossel DR2 wechselspannungsmäßig parallel
geschalteten Kapazitätsdiode
D9 wird der gesamte Sende-bereich abgedeckt. Die Feinregelung, Messung
und Nachführung
der Frequenz wird für
alle 3 Kanäle
wie beim Empfänger
quartzgenau durchgeführt
und wird weiter unten beschrieben.
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Die
Modulation des Senders wird aufgrund der unterschiedlichen physikalischen
Merkmale (Rechteck- und Sinus-Signale) und der gewünschten Übermodulation
im Datenübertragungs-bereich
in voneinander abweichenden Arten realisiert.
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Um
bei der Datenübertragung
gewünschte
hohe Flankensteilheit und Übertragungssicherheit
zu erreichen, werden die vom Prozes sor über PIN6 mit einem 5Volt-Pegel
gesendeten Daten über
R11 direkt auf die Betriebsspannung des Oszillators auferlegt. Damit
werden saubere und extrem steile Frequenzsprünge innerhalb eines definierten
Frequenzhubes von +–600
kHz erreicht.
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Sprachsignale
sind sinusförmig.
Der Frequenzhub hier beträgt
die Hälfte
von dem der Daten-übertragung,
um den Demodulator des Empfängers
nicht zu übersteuern.
Die Signale, welche von einer an der Buchse JA1 (PIN1 und PIN2)
angeschlossenem NF-Quelle (meist Kondensa-tormikrofon) über R4 und
C5 eingespeist werden, sind der Abstimmspannung der Kapazitäts-diode
D9 überlagert
und erzeugen hier die gewünschte
Frequenzmodulation. Der Vorwiderstand R4 ist derart ausgelegt, daß es mit
einer Reserve von midestens 30% zu keinen internen Begrenzungen
des Demodulators und damit Verzerrungen beim Empfänger kommt.
-
Da
die erforderliche Signalspannung für die Empfänger sehr gering sein kann,
wird die Verstär-kung des
Sendesignales von einem nur 2-stufigen einfach aufgebauten und galvanisch
gekoppelten Verstärker
realisiert, wobei die erste Stufe die Spannungsverstärkung (TR12)
und die zweite Stufe die Impedanzwandlung (TR11) an die Verhältnisse
des BUS vornimmt.
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Der
Prozessor IC3 kann den Sender über
PIN11 durch Zu- und Abschaltung der Vorspannung des Treibers über den
Widerstand R20 innerhalb von 2 msec. an – und ausschalten.
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Der
Sender selbst (TR7 und TR8) ist immer im Betrieb, um erstens einer
ständigen
Frequenz-kontrolle zu unterliegen und um Zeitverluste beim 'Hochlaufen' des Senders zu verhindern.
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Die digitale Frequenzregelung
von Sender und Empfänger
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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.
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Da
jedes Modul eine andere Aufgabe erfüllen kann, ist es ohne weiteres
möglich,
daß alle
3 Frequenzen als auch ein Videosignal auf dem BUS gleichzeitig anliegen.
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Alle
6 Frequenzen müssen
nicht nur schnell gewechselt werden können, sondern auch eine außerordentliche
Frequenzkonstanz besitzen. Umwelteinflüsse dürfen die Konstanz nicht ne-gativ
beeinflussen. Es könnte
zum Beispiel sein, daß ein
Modul in einer Türsprechanlage
bei –20°C und die
Wohnsprechselle bei +25°C
arbeiten und diese sich trotzdem auf allen Frequen-zen einwandfrei 'verstehen'.
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Der
Einsatz von Quarzen für
jede Frequenz ist aus folgenden Gründen nicht möglich:
- 1. schwere bzw. unmögliche Beschaffbarkeit in diesen
Frequenzgruppen
- 2. erhöhter
Schaltungsaufwand durch elektronische Quarzumschaltungen
- 3. hoher Abgleichaufwand durch genauen Quarzabgleich für jede Frequenz
- 4. keine Frequenzmodulation mit ausreichenden Hub möglich
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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 verwendet.
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Die
gesamte Frequenzregelung für
alle 6 Frequenzen wird wiederum durch den Prozessor IC3 erledigt.
Die Feinabstimmung geschieht bei Sender und Empfänger über die oben beschriebe-nen
Kapazitätsdioden
(D9 und D16) in den mit einfachen Drosseln aufgebauten Schwingkrei-sen.
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 hi-nauf zu 12 MHz luokenlos überstrichen.
Für den
Empfänger liegt
der Bereich von 12,5 MHz bis zu 17,5 MHz.
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Das
Prinzip der Frequenzeinstellung und -kontrolle funktioniert auf
dem eines Frequenzsynthesizers.
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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 (PIN9) über eine
nochmalige Verstärkung
durch TR5 zugeführt.
Da die Amplituden immer noch relativ gering sind, arbeitet dieser
Chip mit 2Volt Betriebsspannung.
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Daraus
und aus der relativ hohen Frequenz folgt der Einsatz eines schnellen
74HCT-Types.
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Diese
Frequenz wird in einem Verhältniss
von 16384 geteilt und steht am Teiler-Chip IC2 am Ausgang 3 als
ein niederfrequentes Rechtecksignal zur Verfügung, welches wiederum direkt
am PIN13 des Prozessors IC3 eingespeist wird.
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Per
Softwaresteuerung öffnet
der Prozessor diesen Eingang in einem genau definierten Zeit-raum
und zählt
die in dieser Zeit eingehenden Impulse. Der so ermittelte Wert wird
dann mit einem der 6 im EEProm hinterlegten Werte verglichen.
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Falls
es Abweichungen vom Sollwert gibt, wird ein pulsweitenmoduliertes
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 geglättet
und über
die Widerstände
R26 bzw. R6 den Kapazitätsdioden
zugeführt.
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Die
Kondensatoren C19 und C7 haben ebenfalls auch die Aufgabe, in den
Regelpausen – immerhin hat
der Prozessor auch noch andere Aufgaben zu erfüllen – die Abstimmspannung konstant
zu halten.
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An
dieser Stelle sei darauf hingeweisen die aktuellsten PWM-Werte ständig zwischenge-speichert
und bei der nächsten
Regelung als vorhergehender Vorgabewert genutzt werden. Mit diesen
Erfahrungswerten wird nicht nur der Zeitaufwand der Regeleung erheblich
vermindert, sondern der Prozessor kann sich langsam ändernden
Umweltbedingungen jederzeit anpassen.
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Im übrigen sind
beliebige Frequenzen innerhalb des möglichen Frequenzbereiches jederzeit
durch ausschließliche
Softwareänderung
möglich.
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Da
alle 6 Frequenzen damit direkt vom Prozessorquarz abhängig sind,
ist hier ein genauester Betrieb über
den gesamten Temperatur- und Betriebsspannungsbereich hinweg gesichert.
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Desweiteren
entfallen aufwendige Abgleicharbeiten im Fertigungsprozeß.
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Signalübertragung über den BUS:
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Alle
Signale werden, auch trotz des einsetzbaren unabgeschirmten 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 Normalwert (75 Ohm) abweichenden niedrigen
Quell-widerstand (ca. 5 Ohm) eingespeist wird.
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Der
niedrige Quellwiderstand bedingt jedoch, daß erstens jedes Videosignal
mit einem Treiber stark verstärkt
und widerstandsangepasst und durch die zu erwartenden Höhenverluste
zusätzlich
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.
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Solche
Module können
leicht über
1 Ampere verbrauchen, so daß der
kurzzeitig ( ca. 1min.) nötige erhöhte Strombedarf
von den integrierten Akkus geliefert wird.
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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 hohen Temperaturbereich, hohe Leistung
schon bei niedrigen Temperaturen und besitzen vor allen Dingen keinen
Memory-Effekt. Sollten nach Jahren (mindestens 6-8 Jahre) die Leistung
der Akkus nachlassen, wird dieses selbstverständlich von den UBM-Modulen erkannt und
weitergemeldet.
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Datenprotokoll:
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Jedes
Datenprotokoll besteht grundsätzlich
aus:
| Leader
zur Starterkennung | (24
Bit) |
| Daten | (96
Bit) |
| Prüfsumme | (16
Bit) |
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Jedes
Protokoll wird zur weiteren Erhöhung
der Sicherheit 3mal hintereinander ausgesendet.
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Während der
Leader ständig
konstant bleibt, sind die Daten unterschiedlichst aufgebaut. Es
gibt dabei Anmeldeprotokolle, Statusprotokolle und Befehlsprotokolle.
- Anmeldeprotokolle: – Mitteilung der eigenen Ident-Nummer
(16,7Mill.
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
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Anhand
der Protokolle läßt sich
auch ersehen, daß maximal
255 UBM incl. UCS (Homeboys) an einem BUS betrieben und getrennt
adressiert werden können.
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Die
Daten werden mit einer Geschwindigkeit von 9600 Bit/sec. (Baud) übertragen.
Diese hohe Geschwindigkeit erlaubt damit theoretisch auch die digitale Übertragung
von Bildern.
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Weiter
soll an dieser Stelle nicht auf die Datenprotokolle eingegangen
werden.
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Anzahl der anschließbaren BUS-Teilnehmer:
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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
physikalische Grenzen, die wie auch schon erläutert in der Wechselstrom-
und Gleichstromlast und im Timing der Datenübertragung der Summe aller
Teilnehmer liegen.
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Hier
ist hardwaremäßig schon
umgesetzt und softwaremäßig geplant,
daß sich
bei einer Kommunikation zwischen 2 Modulen alle anderen Module,
welche eine eigene Notstromver-sorgung mit voll geladenen Akkus
haben, als Last komplett aus dem BUS herausschalten und nur noch
auf den Datenverkehr 'hören'.
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Zusammendfassend ist folgendes
festzuhalten:
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- a) Das UMB-System vereint die Funktionen von
Kommunikation im Sprach- und Videobereich mit den Funktionen einer
Sicherheitsanlage 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, mehrere
hundert Meter sind Kabellänge
sind möglich
- d) selbst die Spannungsversorgung wird über die 2 Drähte realisiert
- 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 angeboten
werden
- i) einfachste Programmierung durch automatische Modulerkennung
und Systemanmeldung
- j) preiswerte Fertigung durch standardisierte Bauelemente mit
geringer Vielfalt
- k) geringer Fertigungsaufwand durch automatischen Selbstabgleich
- l) umfangreiche Testprogramme intern hinterlegt und auch vor
Ort einfach abrufbar
- m) mehrere Netzteile am BUS einfach durch Parallelschaltung
an bliebiger Stelle einsetzbar
