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Datenerfassungssystem
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Die Erfindung betrifft ein Datenerfassungssystem mit einer Vielzahl
von Meßstellen, die an eine Übertragungsleitung angeschlossen sind, über welche
die von den Meßstellen erfaßten Meßdaten im Zeitmultiplex an einen zentralen Empfangsteil
weitergeleitet werden, der sich an einem Ende der übertragungsleitung befindet.
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Datenerfassungssysteme dieser Art finden beispielsweise Anwendung
für die Kontrolle der Bewegung von Schiffen in bestimmten Gewässern. Die Meßstellen
sind dabei am Grund des Gewässers verteilt angeordnet und registrieren durch Magnetfeldmessung
die Größe und ggf. Shrtrichtung darüberfahrender Schiffe.
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Bei einem bekannten Datenerfassungssystem sind die einzelnen über
einen großen Raum verteilten Meßstellen jeweils mit einem separaten Kabel sternförmig
mit einem Zeitmultiplexer verbunden. Die Meßstellen übertragen die Meßdaten kontinuierlich
an den Zeitmultiplexer in analoger Form. Der Zeitmultiplexer ist durch ein übertragungskabel
mit einem entfernten Empfangsteil verbunden. An diesen Empfangsteil werden die Meßdaten
in digitaler Form und zeitlich versetzt übertragen. Am Ort des Empfangsteils werden
die Meßdaten dann ausgewertet.
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Das bekannte Datenerfassungssystem hat den Nachteil, daß insbesondere
dann, wenn viele Meßstellen erwünscht und ihre Abstände groß sind, der Kabelaufwand
und damit die Kosten ausserordentlich hoch sind. Ausserdem ist das bekannte Datenerfassungssystem
zumindest im analogen Bereich, d.h. also zwischen den Meßstellen und dem Zeitmultiplexer
störanfällig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Datenerfassungssystem
zu schaffen, das weniger aufwendig und störanfällig ist.
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Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Datenerfassungssystem ist
die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich an dem anderen Ende der Übertragungsleitung
ein Sendeteil befindet, der eine Folge von Signalen an die Übertragungsleitung abgibt,
daß die Meßstellen an beliebiger Stelle der Übertragungsleitung mit dieser verbunden
sind, und daß jede Meßstelle einen Zeitgeber-Schaltungsteil enthält, der anhand
eines fest eingegebenen Zeitwertes und einer fest eingegebenen Zeitdauer unter Auswertung
der von dem Sendeteil abgegebenen Signal-Folge den Zeitpunkt und die Dauer für die
Meßdaten-Übertragung der Meßstelle im Rahmen der vorgesehenen Zeitmultiplex-Ordnung
bestimmt.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, daß die Zuleitungskabel
zwischen den Meßstellen und der übertragungsleitung entfallen können. Stattdessen
wird nunmehr die Übertragungsleitung selbst so verlegt, daß sie alle Meßstellen
tangiert. Die Meßstellen können die Meßdaten nunmehr am Ort der Erfassung digitalisieren
und codieren und direkt an die Übertragungsleitung abgeben.
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Zweckmäßigerweise werden die Meßstellen direkt in die Übertragungsleitung
eingeschaltet.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, welcher selbständige
erfinderische Bedeutung beigemessen wird, kann darin bestehen, daß jede Meßstelle
ein in die übertragungsleitung eingeschaltetes Dämpfungsglied aufweist, dessen Dämpfungsgrad
entsprechend den von der Meßstelle erfaßten Meßdaten veränderbar ist. Diese passive
Meßdaten-Übermittlung durch Dämpfung hat den Vorteil, daß sie gleichzeitig mit der
Abgabe der Signal-Folge an die Übertragungsleitung erfolgen kann. An der Signal-Folge
können sich die Meßstellen orientieren, wann sie in der vorgesehenen Zeitmultiplex-Ordnung
an der Reihe sind, ihre Meßdaten durch Aktivierung ihres Dämpfungsgliedes zu übermitteln.
Die Dämpfung der Signalfolge durch eine Meßstelle hindert nachgeordnete Meßstellen
nicht, die gedämpfte Signal-Folge für die erwähnte Orientierung aus zu nutzen. Es
können also kontinuierlich Meßdaten abgerufen werden, ohne daß sich die von dem
Sendeteil abgegebenen Signale und die Meßdaten gegenseitig stören, was bei einer
aktiven Meßdaten-Ubermittelung durchEirspeisung der Meßdaten in Form von Signalen
in die Übertragungsleitung nichtauszuschlßen wäre.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann ferner darin bestehen,
daß die Signal-Folge aus aufeinanderfolgenden Signal-Abschnitten besteht, daß jeder
Signal-Abschnitt aus einer Kommando-Phase und einer Meßdaten-Übertragungsphase
besteht,
wobei während der Kommando-Phase Adressen- und Einstell-Informationen von dem Sendeteil
an die Meßstellen übertragen werden und wobei während der Meßdaten-übertragungsphase
nacheinander die Meßdaten von den einzelnen Meßstellen an den Empfangsteil übertragen
werden.
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Die Signal-Folge sollte vorzugsweise aus periodischen Signalen bestehen,
wobei die Signal-Abschnitte durch Signal-Lücken mit der Länge einer Signalperiode
oder eines ganzzahligen Vielfachen davon getrennt sind. In diesem Fall kann jedes
Signal einer Periodenlänge einem Bit entsprechen, wobei der Binärzustand durch den
Grad der Dämpfung der Amplitude des Signals während der betreffenden,Periode repräsentiert
ist.
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Als periodische Signale eignen sich am besten Sinusschwingungen, da
sie für eine selektive Übertragung, die zur Eliminierung von Störungen angestrebt
wird, den geringsten Filteraufwand benötigen.
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Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen,
daß während jeder Meßdaten-übertragungsphase von den Meßstellen Test-Bits mit stets
gleichem Binärzustand an den Empfangsteil übertragen werden.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung wird vorgeschlagen, daß jeder Meßstelle
ein bestimmter Teilbereich in der Meßdaten-übertragungsphase zur Abgabe eines Meßdaten-Wortes
zugeordnet ist, und daß der Zeitgeber-Schaltungsteil jeder Meßstelle einen Zähler
enthält, mit dem die Signalperioden der von dem Sendeteil abgegebenen Signalfolge
abgezählt werden, um den zugeordneten Teilbereich zu erkennen.
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Das Dämpfungsglied kann aus einer Serienimpedanz und einer Parallelimpedanz
bestehen. Zu der Serienimpedanz kann ein Schalter parallel geschaltet sein und/oder
mit der Parallelimpedanz kann ein Schalter i Xeihe geschaltet sein. Bei Verwendung
von
zwei Schaltern müssen diese gegenphasig betrieben werden.
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Jede Meßstelle kann einen Sensor zur analogen Meßdaten-Erfassung aufweisen.
Dieser Sensor kann mit einem Analog/ Digital-Wandler verbunden sein, der die analogen
Meßdaten in digitale Meßdaten umwandelt, die dann in codierter Form als Meßdaten-Wort
übertragen werden.
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Die Meßstellen können über die Übertragungsleitung mit Netzspannung
versorgt werden.
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Der Sendeteil und der Empfangs teil können in einer zentralen Station
vereinigt sein. In diesem Fall bildet die Übertragungsleitung eine Ringleitung.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der
Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild des Datenerfassungssystems; Fig.
2 die zeitliche Bit-Zusammensetzung des Kommandowortes und eines Meßdatenwortes;
Fig. 3a bis 3f die zeitliche Anordnung des Kommandowortes und der Meßdatenworte
in der Signal-Folge; Fig. 4 die Frontplatte eines den zentralen Sende- und Empfangsteil
enthaltendes Gerätes; Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Meßstelle; Fig. 6 ein Blockschaltbild
des Sendeteiles und des Empfangsteiles.
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In Fig. 1 ist ein zu einem Gerät vereinigter zentraler Sendeteil 200
und Empfangs teil 300 durch eine Übertragungsleitung 100 mit 24 Meßstellen 1 bis
24 verbunden, die über die Länge der Übertragungsleitung loo verteilt angeordnet
und direkt in diese eingeschaltet sind. Der Sendeteil 200 überträgt an die Übertragungsleitung
100 kontinuierlich eine Folge von Sinusschwingungen. In eine Kommandoeingabe können
Adressen- und Einstell-Informationen eingegeben werden. Die Sinusschwingungen werden
entsprechend diesen Adressen- und Einstell-Informationen in ihrer Amplitude moduliert.
Mit den Adresseninformationen können ausgewählte Meßstellen angewählt werden. Mit
den Einstellinformationen können beispielsweise bestimmte Betriebsparameter der
angewählten Meßstelle beeinflußt werden.
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Die Meßstellen übertragen im Zeitmultiplex-Betrieb von ihnen erfaßte
Meßdaten auf die Übertragungsleitung loo. Jede Meßstelle 1 bis 24 orientiert sich
anhand der Sinusschwingungen wann sie im Rahmen der Zeitmultiplex-Ordnung für die
Übertragung an der Reihe ist. In jede Meßstelle ist der Zeitpunkt und die Zeitdauer
für die Meßdaten-Übertragung fest eingegeben. Die Übertragung vo +eßdaten einer
Meßstelle an die Übertragungsleitung erfolgt durch Dämpfung. Die Meßdaten werden
in
codierter Form übertragen.
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Der Empfangsteil 300 nimmt die Meßdaten auf und decodiert sie.
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Die Meßdaten stehen entweder an 24 Analogaüsgängen oder einem Computerausgang
zur Verfügung.
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Gemäß Fig. 3 besteht die Signalfolge aus Signalabschnitten, die durch
Signallücken voneinander getrennt sind. Jeder Signalabschnitt enthält ein Kommandowort
des Sendeteiles i (Fig. 3a). An das Kommandowort schließen sich die Meßdatenworte
der Meßstellen 1 bis 24 an. (Fig. 3b bis 3e).
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Die Zeitdauer, während der das Kommandowort übertragen wird, kann
demnach als Kommando-Phase bezeichnet werden. Die Zeitdauer, in der die Meßdatenworte
übertragen werden, kann demnach als Meßdaten-Übertragungsphase bezeichnet werden.
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Die Signallücke hat die Länge einer Periode der Sinusschwingung.
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Fig. 2 zeigt die Wortstrukturen für das Kommandowort und ein Meßdatenwort.
Gezeigt ist das Meßdatenwort der in der zeitlichen Reihenfolge letzten Meßstelle
24.
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Das Kommandowort hat 16 Bit. Bit 1 dient der Auslösung der Datenerfassung
und Digitalisierung. Bit 2 bis 7 dienen der Adressierung einer ausgewählten Meßstelle.
Bit 8 -löst einen Eichsprung aus, um die Strecke vom Sensor (wird noch im Zusammenhang
mit Fig. 5 erläutert) bis zum Empfangsteil zu prüfen. Bit 9 dient dem Verstärkungsabgleich
des Sensors.
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Bit 1o dient dem Null-Abgleich. In welche der Richtung der Ablgeich
erfolgen soll, kann durch Bit 11 und 12 entsprechend + und - gesteuert werden (siehe
Fig. 4). Bit 13 und 14 stehen bei dem angegebenen System als Reserve zur Verfügung.
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Bit 15 ist das Einschalt-Bit, und Bit 16 gibt den Ausführungszeitpunkt
an. Wenn z.B. die Verstärkung einer Meßstelle variiert werden soll, wird erst seine
Adresse eingestellt, anschließend das Bit "Verstärkung" durch Kippen eines Schaltern
(siehe
auch Fig. 4) gesetzt. Dann wird auf die Tasten + oder - gedrückt und nun als letztes
das Bit "Ausführungszeitpunkt" gesetzt. Für die Dauer des Tastendruckes "Ausführungszeitpunkt"
f läuft ein Getriebemotor in dem Sensor und dreht ein Potentiometer, welches die
Verstärkung einstellt. Da erst als letzte die Taste "Ausführungszeitpunkt" bedient
wird, kann während des Umschaltens von Adressen oder anderer Kommando-Bits in der
Meßkette keine Einstellung gestört werden.
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Das Einschalt-Bit 15 dient dazu, eine bereits ferngespeiste Meßstelle
funktionsfähig zu machen. Diese Möglichkeit dient der Betriebssicherung des Systems.
Es gibt mehrere Arten des Ausfalls von Meßstellen. Im günstigsten Fall liefert die
Meßstelle keine Meßdaten mehr. Das bedeutet, daß ein Kanal ausgefallen ist. Ungünstiger
ist das Liefern falscher Meßdaten und am ungünstigsten, wenn eine Meßstelle alle
anderen Meßdaten stört, beispielsweise wenn die Meßstelle wild schwingt.
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Es besteht nun die MÖglichkeit, durch Abschalten der Fernspeisung
die gesamte Meßkette abzuschalten. Anschließend kann durch entsprechendes Adressieren
und Geben des Einschaltkommandos eine Meßstelle nach der anderen wieder in Betrieb
gesetzt werden. Mit dieser Methode läßt sich die defekte Meßstelle herausfinden.
Diese Meßstelle wird man nach einer weiteren Abschaltung nicht mehr aktivieren.
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Das System verfügt im vorliegenden Fall über 24 Meßstellen.
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Der Ausfall einer Meßstelle bedeutet einen Datenverlust von ca. 4%.
Der Ausfall der gesamten Meßkette würde dagegen den Verlust eines möglicherweise
teuren, zeitaufwendigen oder vielleicht nicht einmal wiederholbaren Versuchs mit
sich bringen
Das Meßdatenwort der Meßstelle 24 ist repräsentativ
für alle Meßdatenworte, d.h. also für die Meßdatenworte auch der übrigen 23 Meßstellen.
Zur Codierung eines Meßwertes stehen 12 Bit zur Verfügung. Diese 12 Bit gewährleisten
eine hohe Dynamik von über 7odB und damit eine gute Anpassung an die Meßdynamik
von modernen Sensoren.
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Für die Bits 12 bis 16 sind die entsprechenden Sinusschwinzungen einqezeichnet.
Man erkennt, daß die Sinusschwinaunaen unterschiedliche
haben. Die Sinusschwingungen für die Bits 13,14 und 16 sind gedämpft und repräsentieren
den Binärzustand log 0. Die Sinusschwingungen für die Bits 12 und 15 sind ungedämpft
und repräsentieren den Binärzustand log 1.
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An das letzte Bit 16 des Meßdatenwortes der zeitlich letzten Meßstelle
24 schließt sich die Signallücke an, die durch eine Austastung der Sinusschwingung
gekennzeichnet ist. Danach beginnt einer neuer Signal-Abschnitt.
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Bit 1 und 2 des Meßdatenwortes sind Status-Bits und noch frei; sie
können zur Überwachung der Versorgung oder als Ereignis-Bit verwendet werden. Bit
3 und 4 sind Test-Bits und dienen zur Funktions-überwachung. Durch das zwangsweise
Setzen dieser Test-Bits auf eine 1 oder eine 0 kann ein Funktionsfehler, der lauter
Einsen oder Nullen erkannt und von der Möglichkeit unterschieden werden, daß Meßwert
und Status richtigerweise lauter Einsen oder Nullen ergeben. Ein Fehler liegt mit
Sicherheit immer dann vor, wenn ein komplettes Datenwort nur aus Einsen oder nur
aus Nullen besteht.
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Die in Fig. 4 gezeigte Frontplatte des den Sendeteil und den Empfangs
teil vereinenden zentralen Gerätes weist 24 Lampen auf, die den einzelnen Meßstellen
entsprechen. Die Lampen zeigen an, welche Meßstellen eingeschaltet sind und ob sie
funktionieren.
Unter den Lampen befindet sich ein Meßstellenwähler. Daneben liegen die Tasten für
die Eichsprung, den Nullpunkt-Abgleich und die Verstärkung. Die Fernspeisung kann
mit einem weiteren Schalter ein- oder ausgeschaltet werden.
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Die rechts oben befindliche Taste "Ausführung" aktiviert jeweils das
Einschalt-Kommando und veranlasst damit die Ausführung der Einstell-Information.
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Das Blockschaltbild gemäß E'igl 5 zeigt den Aufbau einer Meßstelle.
In das Schirmkabel loo ist ein Dämpfungsglied lol eingeschaltet. Dieses besteht
aus zwei Serien-Impedanzen 102, 103, und einer Parallel-Impedanz 104, die ein T-Glied
bilden.
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Die beiden Serien-Impedanzen 1o2, 103 sind durch einen elektronischen
Schalter 1o6 überbrückt. Mit der Parallel-Impedanz 104 liegt ein elektronischer
Schalter 105 in Reihe. Durch einen Inverter 107 soll angedeutet werden, daß die
beiden elektronischen Schalter 105, 1o6 gegensinnig geschaltet werden.
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Wenn der Schalter 106 offen und der Schalter 105 geschlossen ist,
so werden die auf dem Schirmkabel 100 übertragenen Signale gedämpft. Wenn der Schalter
1o6 geschlossen und der Schalter 105 offen ist, so erfolgt keine Dämpfung.
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Die von dem Sendeteil 200 an das Schirmkabel 100 abgegebenen Signale
gelangen an den Übertrager 1o8. Dieser trennt den Versorgungsgleichstrom von den
Sinusschwingungen. Der Versorgungsgleichstrom gelangt an das Netzgerät 109, welches
die übrigen Schaltungsteile mit Betriebsspannung versorgt.
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Die Signale gelangen über den Übertrager 1o8 an einen Schaltungsteil
11o, in welchem die Taktfrequenz gewonnen und einer Steuer logik 112 zugeführt wird.
Ferner erfolgt in dem Schaltungsteil
11o eine Adressendecodierung
sowie eine Decodierung der Einstell-Informationen. Als Einstellinformation werden
beispielsweise das Ein- und Ausschalten des Netzgerätes 109 und die Verstärker-Verstellung
für den Sensor 111 übertragen.
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Wenn der Schaltungsteil 110 die Adresse seiner Meßstelle erkennt,
so wird die decodierte Einstell-Information an das Netzgerät 109 bzw. an den Sensor
111 weitergeleitet.
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Der Sensor 111 ermittelt einen Meßwert und gibt analoge Meßdaten an
einen Analog-Digital-Konverter -114 ab. Dieser digitalisiert die Meßdaten mit 12
Bit. Der Ausgang des Analog/Digital-Umsetzer 114 ist mit einem Parallel-Seriell-Umsetzer
115 verbunden, Dieser setzt die ihm parallel zugeführten digitalen Meßdaten in Serien-Form
um. Die seriellen digitalen Meßdaten werden einem Code-Wandler 116 zugeführt.
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Dieser wandelt den 12 Bit-Code unter Einbeziehung der 4 Hilfs-Bits
1 bis 4 (siehe Fig. 2) in einen 16 Bit-Code um und steuert damit die elektronischen
Schalter 105, 1o6.
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In einen Zeitgeber 113 sind der Zeitpunkt und die Dauer für die MeßdatenUbertragung
der betreffenden Meßstelle im Rahmen der Zeitpultiplex-.Ordnung eingespeichert.
Die Steuerlogik 112 enthält einen Zähler, welcher die Sinusschwingungen in jedem
Signal-Abschnit ab zählt. Wenn der eingestellte Zeitpunkt-erreicht ist1 gibt die
Steuerlogik an den Code-Wandler 116 den Befehl zum Ansteuern der elektronishen
105j 106. Zwischen den Code-Wandler 116 und das Dämpfungsglied lol kann noch ein
nicht dargestellter Treiber-Verstärker eingeschaltet sein, Die Steuerlogik steuert
auch den Analog/ Digital-Konverter 114 und den Parallel-Seriell-Wandler 115.
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Der Sendeteil enthält gemäß Fig. 6 einen Taktgenerator 201, welcher
eine Steuerlogik 202 speist. Die Steuerlogik 202 weist eine Kommandoeingabe auf
und speist einen Code-Wandler 204. Letzterer gibt über einen übertrager 205 eine
Signalfolge periodischer Sinusschwingungen an die Übertragungsleitung 100 ab. Der
Übertragungsleitung 100 wird ausserdem von einer Fernspeisung eine Versorgungsgleichspannung
für die Meßstellen zugeführt.
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Der Empfangsteil regeneriert die von der Übertragungsleitung loo kommenden
Meßdaten in einem Schaltungsteil 301. Die Meßdaten werden in einem Decoder 302 regeneriert
und nach Durchlaufen eines Seriell-Parallel-Wandlers 304 in einem Digital/ Analog-Konverter
305 in analoger Form zur Verfügung gestellt.
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Der Decoder 302 stellt ausserdem die Meßdaten in serieller digitaler
Form am Computerausgang zur Verfügung und führt sie dem Lampenanzeigefeld 306 zu.
Weiterhin können dem Decoder 302 die Status-Bits 1,2 entnommen werden.
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Dem 12 Bit Digital/Analog-Wandler ist ein 24-Kanal-Demultiplesri 3c7
nachgeschaltet, der die Rückbildung aller erfaßten Meßdaten in analoger Form zuläßt.
Um die Meßdaten stufenfrei analog aufschreiben zu können, ist dem DemultiplexXer
307 noch ein 24-Kanalausgangsfilter nachgeschaltet.
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