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Die heute übliche Form der Bauweise beruht auf einer Platinenbauweise.
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Diese Platinen sind teilweise sehr komplex und enthalten viele Funktionen.
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Bei der Entwicklung dieser Platinen, sind mehrere Schritte erforderlich. Es muss ein Schaltplan entwickelt werden, wobei die erforderlichen Bauelemente bestimmt werden, es werden Stücklisten erstellt. Danach erfolgt das körperliche Design der gedruckten Schaltung.
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Nach diesen Schritten kann eine Nullserie in Auftrag gegeben werden. Aufgrund der Komplexität bleibt es nicht aus, dass die Platinen noch Fehler aufweisen. Dies erfordert einen sogenannten weiteren Umlauf.
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Die tägliche Praxis zeigt, dass mehrere Umläufe erforderlich sind, bis die Platine vollständig fehlerfrei ist, damit sie in Serie gehen kann. Das kostet sehr viel Zeit und einen enormen Entwicklungsaufwand.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, die Entwicklung der Geräte zu beschleunigen und die Herstellungskosten zu minimieren.
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Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, dass die Platinen der herkömmlichen Bauweise durch Basisplatinen ersetzt werden, auf denen Module in Satellitenbauform vorgesehen sind, wobei die einzelnen Satellitenmodule durch standardisierte Datenbusse (UART, SPI, 12C) miteinander kommunizieren, wodurch diese voneinander unabhängig sind, wodurch die einzelnen Module unabhängig voneinander entwickelt werden können und in gleicher Bauform in unterschiedlichen Geräten zum Einsatz kommen können, wodurch die gefertigten Stückzahlen der einzelnen Module erheblich gesteigert werden kann.
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Die einzelnen Module können mit Schnittstellen (USB, LAN, WLAN) ausgerüstet sein.
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Die Module werden durch eine gemeinsame Betriebsspannung versorgt, sodass sichergestellt ist, dass sie auf dem gleichen Masseniveau liegen und sich keine Erdschleifen bilden.
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Das Gerät entsprechend der Erfindung sieht mindestens einen Modul vor, der als Contollermodul fungiert, der progammierbar ist.
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Die Erfahrung zeigt, dass die Firmware, das ist das Programm, das auf dem Controllermodul läuft, mit steigender Komplexität und durch Hinzufügung weiterer Funktionen während der Lebensdauer immer komplexer wird, sodass die Pflege häufig zu einem bekannten schwerwiegenden Problem wird.
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Die Erfindung sieht vor, dass auch die Firmware modular vorgesehen wird. Dabei werden den einzelnen Modulen gekapselte SubProgramme zugeordnet. Wenn z. B. über eine LAN Schnittstelle einem anderen Gerät Daten zugeführt werden sollen, so wird ein spezielles LAN Subprogramm aufgerufen, dem die Daten zugeführt werden. Das LAN Subprogramm wird durch seine LAN Schnittstelle Daten an externe Gerät transferieren.
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Dadurch können bei Modifikation des Gerätes oder auch durch mehrere Ausführungen, auf einfache Weise Subprogramme hinzugefügt oder entfernt werden. Die bekannte Software-Fehleranfälligkeit kann dadurch stark eingeschränkt werden.
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Häufig sind die Gräte so komplex, dass bei nur einer Basisplatine diese so groß würde, dass das Gerät für den tatsächlichen Gebrauch zu unhandlich würde.
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Deshalb werden mehrere Basisplatinen vorgesehen, auf denen die Module verteilt sind. Eine solche Bauform sind z. B. die bekannten Europakarten in vorgefertigten Einschüben. Die Europakarten stehen bei dieser Bauform senkrecht.
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Dagegen sieht die Erfindung vor, dass die einzelnen Basisplatinen in einer Sandwichbauweise liegend angeordnet sind.
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In diesem Falle ist es zweckmäßig eine oberste Basisplatine vorzusehen, deren Module die Aufgabe haben via Sensoren und Aktoren mit der physikalischen Welt zu kommunizieren. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Anschlussleitungen der Sensoren und Aktoren auf einfache Weise via Klemmen an das Gerät angeschlossen werden können.
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Um die Grundfläche möglichst klein zu halten sind, entsprechend des folgenden Ausführungsbeispiels drei Basisplatinen vorgesehen.
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Erfindungsgemäß sind die Klemmen der Analogeingänge, die dem Anschluss der Sensoren dienen, unter einem abnehmbaren Deckel vorgesehen.
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Dadurch erreicht man, dass die Klemmen geschützt vor der Umgebungstemperatur und innerhalb eines geschlossenen Raumes die gleiche Temperatur aufweisen. Dies ist zur genauen Temperaturmessung mit Thermoelementen erforderlich. Thermoelemente liefern bekanntlich ein Maß für die Differenztemperatur der beiden Klemmen. Um die genaue Temperatur zu erhalten, ist daher die Klemmentemperatur hinzuzurechnen. Das bedeutet, dass die Temperatur aller Klemmen gleich sein muss, um genaue Temperaturmesswerte zu erhalten.
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Die folgenden Ausführungsbeispiele enthalten unter Umständen weitere erfindungsgemässe Gedanken.
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- zeigt einen senkrechten Schnitt, durch ein schematisiert dargestelltes Gerät, das als Messdatenerfassungsgerät bezeichnet wird.
- zeigt die oberste der drei Basisplatinen, die als Messdatenerfassungseinheit bezeichnet wird, die mit Modulen bestückt ist. Deren Aufgabe ist es, die analogen und digitalen Messwerte eines beliebigen Prozesses zu erfassen und Steuersignale an den Prozess auszusenden.
- zeigt die mitlere der drei Platinen, die als Kommunikationseinheit bezeichnet wird, deren Aufgabe es ist, die Messdaten via Standardschnittstellen an externe Geräte zu senden.
- zeigt die unterste der drei Platinen, die als Spannungsversorgungseinheit bezeichnet wird, deren Aufgabe es ist die zentrale Stromversogung ist der Module zu ermöglichen.
- zeigt wie die Module der einzelnen Einheiten via Standardbusse miteinander kommunizieren.
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In , dem Messdatenerfassungsgerät, ist bezeichnet,
- mit 1 die oberste Basisplatine, die als Messdatenerfassungseinheit bezeichnet wird.
- mit 2 die Module, die auf der Messdatenerfassungseinheit angeordnet sind,
- mit 3 die mittlere der drei Basisplatinen, die als Kommunikationseinheit bezeichnet wird.
- mit 4 die Module, die auf der Kommunikationseinheit angeordnet sind,
- mit 5 die untere der drei Basisplatinen, die als als Spannungsversorgungseinheit bezeichnet wird.
- mit 6 das Modul, das auf der Spannungsversorgungseinheit angeordnet ist,
- mit 7 die Klemmen, mit denen die Sensoren und Aktoren angeschlossen sind,
- mit 8 eine Klarsichthaube, unter der die Klemmen angeodnet sind.
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Die Funktion des Messdatenerfassungsgerätes entsprechend ist folgende:
- Bei dem beispielhaften Gerät handelt es sich um ein
- Messdatenerfassungs- und Steuergerät.
- Das Gerät ist in Sandwichbauweise aufgebaut, wobei drei Ebenen vorgesehen sind.
- Die oberste Ebene mit der Basisplatine 1 und und den Modulen 2, sowie mit den beiden Klemmen 7 und dient dem Anschluss der Sensoren und Aktoren. Die Klemmen 7 sind mittels eines abnehmbaren Deckels 8 abgedeckt. Dieser dient der genauen Messung mit Thermoelementen.
- Die mittlere Ebene mit der Basisplatine 3 mit ihren Modulen 4 dient der Kommunikation mit übergeordneten externen Geräten.
- Die untere Ebene mit der Basisplatine 5 und dem Modul 6 dient der Stromversorgung.
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In , der Messwerterfassungseinheit, ist bezeichnet,
- mit 10 die Klemmen, mit denen die analogen Signale angeschlossen sind.
- mit 11 die Klemmen, mit denen die digitalen Signale angeschlossen sind.
- mit 12 Die Basisplatine, die mit Messwerterfassungeinheit bezeichnet wird.
- mit 13 einen Analog-Digitalwandler Modul, mit dem die analogen Messwerte digitalisiert und in physikalische Grössen umgerechnet werden.
- mit 14 einen Controllermodul dessen Aufgabe die Kommunikation mit den digitalen Ein/Ausgängen ist.
- mit 15 ein USB-Schnittstellenmodul
- mit 16 verschiedene Formen von analogen Sensoren
- mit 17 verschieden Formen von digitalen Ein/Ausgängen.
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Die Funktion der Messdatenerfassungseinheit entsprechend ist folgende:
- Die analogen Signale der Sensoren 16 werden dem Analog-Digitalwandler Modul 13 via Klemmen 10 zugeführt, dessen Aufgabe es ist, die analogen Messwerte zu digitalisieren und in physikalische Grössen (z.B. Temperaturen in °C, Drücke in bar) umzurechnen. Die digitalen Messwerte 17 werden via Klemmen 11 dem Controllermodul 14 zugeführt, dessen Aufgabe es ist, die digitalen Eingangswerte zu erfassen, sowie durch digitale Ausgangswerte (Schalter, Frequenzen, PWM-Ausgänge) Prozesse zu steuern. Die USB-Schnittstelle 15 ermöglicht es, mit übergeordneten Systemen (z. B. PCs) direkt Daten auszutauschen.
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In , der Kommunikationseinheit ist bezeichnet,
- mit 20 die Basisplatine, der Kommunikationseinheit,
- mit 21 den Controllermodul, der die Kommunikation mit übergeordneten Geräten organisiert,
- mit 22 eine LAN Schnittstelle, die mit übergeordneten Geräten kommunizieren kann.
- mit 23 WiFi Schnittstelle, die mit übergeordneten Geräten kabellos kommunizieren kann.
- mit 24 eine USB Schnittstelle, die mit übergeordneten Geräten kommunizieren kann.
- mit 25 eine weitere USB Schnittstelle, die mit übergeordneten Geräten kommunizieren kann.
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Die Funktion der Kommunikationseinheit entsprechend ist folgende:
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Auf der Basisplatine 20 befindet sich der Controllermodul 21, der via Standardbus (z.B. I2C, SPI, UART) die analogen und digitalen Daten der Messdatenerfassungseinheit entsprechend erhält.
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Die Aufgabe des Controllermoduls 21 ist es, die analogen und digitalen Daten an die LAN Schnittstellen 22, der WiFi Schnittstelle 23 und der USB-Schnittstelle 24 weiterzugeben.
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Damit stehen die analogen und digitalen Daten über verschiedene Schnittstellen in einem Netzwerk anderen Messdatenerfassungsgeräten, sowie übergeordneten Geräten (PCs) zur Verfügung.
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Die USB-Schnittstelle 25 kann z. B. mit weiteren Messdatenerfassungsgeräten zu einem örtlich begrenzten Datennetz verbunden werden.
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In , der Spannungsversorgungseinheit ist bezeichnet,
- mit 30 die Basisplatine Spannungsversorgungseinheit,
- mit 31 der Spannungsversorgungs-Modul,
- mit 32 die Klemmen zur Zuführung der Netzspannung.
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Die Funktion der Spannungsversorgungseinheit entsprechend ist folgende:
- Die Spannungsversorgungseinheit ( ) versorgt die Module der Messdatenerfassungseinheit ( ) und die Module der
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In zeigt wie die Module der einzelnen Einheiten via Standardbusse miteinander kommunizieren.
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In , der Datenkommunikation via Datenverbindungen ist bezeichnet,
- mit 40 die Klemmen für die analogen Sensoren,
- mit 41 die Klemmen, für die digitalen Ein/Ausgänge,
- mit 42 einen Analog/Digitalwandlermodul,
- mit 43 einen Controllermodul,
- mit 44 einen Controllermodul,
- mit 45 einen Modul LAN Schnittstelle,
- mit 46 einen Modul USB Schnittstelle,
- mit 47 einen Modul WiFi Schnittstelle,
- mit 48 Datenverbindungen der analoge Signale,
- mit 49 Datenverbindungen der digitale Signale,
- mit 50, 51 und 52 Datenbusverbindungen,
- mit 53 die Spannungsversorgung
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Die Funktion der Datenkommunikation via Datenverbindungen entsprechend ist folgende:
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Die analogen Signale, die an den Klemmen 40 anliegen werden dem Analog-Digitalwandler Modul 42 zugeführt, der die analogen Signale in digitale Daten wandelt.
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Dieser liefert via Standardbus 50 (z.B. I2C, SPI, UART) die digitalisierten Daten an den Controllermodul 43.
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Die Signale der digitalen Ein/Ausgänge werden über die Klemmen 41 und den Datenverbindungen 49 dem Controllermodul 43 zugeführt. Der Controllermodul 43 bereitet die Daten auf und übergibt die Daten via Standardbus 51 (z.B. I2C, SPI, UART) dem Controller 44. Der Contoller 44 hat die Aufgabe via Standardbus 52 (z.B. SPI, UART) die Daten an die LAN-Schnittstelle 45, an die USB-Schnittstelle 46 und die WiFi Schnittstelle 47 zu übergeben. Somit können die Daten über verschiedene Schnittstellen an übergeordnete Einrichtungen gesendet werden.
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Der Datenverkehr kann wie folgt vorgesehen sein:
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Als erstes in einem Umlauf werden die Analogmesswerte über die Klemmen 40 dem Analog/Digitalwandlermodul 42 über die Leitungen 48 zugeführt. Dieser wandelt die Analogmesswerte in digitale Daten und fügt einen Zeitstempel hinzu.
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Nach Eingang eines Datensatzes der Analogmesswerte und Wandlung derselben in digitale Daten löst der Analog/Digitalwandlermodul 42 einen Interrupt aus, wodurch die digitalen Daten, die der Controllermodul 43 produziert hinzugefügt werden. Dadurch entsteht ein Gesamtpaket der Messdaten, die über die Klemmen 40 und 41 erfasst wurden.
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Dieses Gesamtpaket wird über den Standardbus 51 (z.B. SPI, UART) dem Contollermodul 44 zugeführt.
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Der Contollermodul 44 sendet die Daten des Gesamtpaketes via Standardbus 52 (z.B. SPI, UART) an die Schnittstellen LAN 45, UsB 46 und WiFi 47
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Die Versorgungseinheit 53 (Power Supply) sorgt dafür, dass alle Module mit der gleichen Spannung versorgt werden, wodurch sichergestellt wird, dass alle Module auf dem gleichen Massepotential liegen.
