DE3304300C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Busan­ forderung und Sammelquittierung in einem Prozeßbus-Sy­ stem gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2 sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.

Prozeßbus-Systeme werden zur Prozeßdatenkommunikation in der Automatisierungstechnik angewendet, z. B. in Leitan­ lagen zur Führung industrieller Prozesse. Es handelt sich dabei um digitale Systeme mit byte- oder bitseriel­ ler Datenübertragung zwischen mehreren Teilnehmern. Da in solchen Datenübertragungssystemen nicht mehrere Teilneh­ mer zugleich Daten senden dürfen, sorgt eine Steuerungs­ einrichtung für eine Buszuteilung z. B. nach einem zykli­ schen Verfahren, wobei den Teilnehmern der Bus nach einer vorgegebenen Reihenfolge nacheinander zugeteilt wird. Häufig wird außer einer turnusmäßigen Buszuteilung noch eine Möglichkeit zur spontanen Busanforderung für Ereignismeldungen benötigt. Aufgrund einer spontanen Busanforderung kann der zyklische Ablauf unterbrochen werden und eine vom Zyklus unabhängige Buszuteilung er­ folgen. Aus wirtschaftlichen Gründen kann für die spon­ tane Busanforderung zur Ereignismeldung in der Regel nur eine Sammelleitung für sämtliche Teilnehmer zur Verfü­ gung gestellt werden. Trotzdem muß es beliebig vielen Teilnehmern möglich sein, gleichzeitig oder mit beliebi­ ger Phasenverschiebung ein Busanforderungssignal zu sen­ den. Eine solche Sammelleitung ist also als ODER-Ver­ knüpfung aufzufassen.

Außer der Busanforderung zur Ereignismeldung wird manch­ mal auch eine Sammelquittierung mit dem Sammelleitungs­ system durchgeführt. Bei der Sammelquittierung geben normalerweise alle Teilnehmer ständig ein Signal ab. Bei ordnungsgemäßem Empfang einer (durch alle zu quittieren­ den) Nachricht wird für eine gewisse Zeit der Sender ab­ geschaltet. Der Ruhezustand auf der Leitung wird (vom Busverwalter z. B.) als Positiv-Quittierung interpre­ tiert. Bei der Sammelquittierung handelt es sich logisch um eine UND-Verknüpfung, die hier nach den de Mor­ gan'schen Regeln mit Hilfe einer ODER-Verknüpfung reali­ siert wird.

Es gibt jeweils mehrere Lösungen für die Ereignismeldung oder Quittierung auf Sammelleitungssystemen. Im DIN-Ent­ wurf 19241, Teil 2, vom Oktober 1982 ist auf Seite 6 eine zyklische Kurzabfrage beschrieben. Dabei wird den Teilnehmern in einem besonderen Abfragezyklus die Mög­ lichkeit gegeben, eine Busanforderung durchzuführen. Die zyklische Kurzabfrage verringert allerdings den Daten­ durchsatz, d. h. die pro Zeiteinheit übertragbare Daten­ menge.

In dem Buch "Digitale Prozeßdaten-Kommunikationssysteme (Bus-Systeme), Herausgeber K. Fleck, VDE-Verlag, 1980 ist auf Seite 71 eine im System TDC 2000 der Firma Honeywell realisierte Ereignisabfrage nach dem Zeitmul­ tiplexprinzip beschrieben. Dabei wird im Zyklus von min­ destens 10 ms eine Abfrage durchgeführt, wobei die Teil­ nehmer nacheinander innerhalb eines vorbestimmten Zeit­ fensters antworten und gegebenenfalls eine Busanforde­ rung melden können. Dieses Verfahren ist jedoch auf wenige Teilnehmer beschränkt, weil die Abfrage sonst zuviel Zeit beanspruchen würde. Anstelle Zeitmultiplex ist auch Frequenzmultiplex möglich, erfordert aber eine individuelle Einstellung der Teilnehmer-Sender.

Weiterhin ist aus DIN IEC 625, Teil 1, Mai 1981, Seite 67 bis 69 eine ODER-Verknüpfung mit Hilfe eines Leitungstreibers mit offenem Kollektor bekannt. Die An­ wendung dieser Schaltung ist auf kurze Buslängen (z. B. innerhalb eines Schrankes) und niedrige Übertragungsge­ schwindigkeiten beschränkt.

Für das Sammelleitungssystem eines Prozeßbusses im Anla­ genbereich mit Entfernungen bis zu einigen Kilometern wird ein Signal benötigt, das nachstehenden Anforde­ rungen genügt:

• a) Es muß gleichstromfrei sein und sich z. B. induktiv auf eine Übertragungsleitung einkoppeln lassen.
• b) Die additive Überlagerung einer begrenzten Zahl zeitlich beliebig gegeneinander versetzter Sende­ signale darf nicht zur totalen Auslöschung inner­ halb des Beobachtungszeitraumes führen.

Um eine Mehrfachnutzung des Übertragungswegs im Fre­ quenzmultiplex zu erleichtern, wird außerdem gefordert:

• c) Die Sendeleistung des Signals soll in einem belie­ big vorgebbaren Frequenzband zu etwa 80% konzen­ triert sein.
• d) Die Überlagerung einer begrenzten Zahl von Sende­ signalen darf nicht zur totalen Auslöschung der Sendeleistung in diesem vorgegebenen Band führen.
• e) Das Signal soll in allen Sendern ohne individuelle Einstellung nach dem gleichen Bildungsgesetz gebil­ det werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung anzugeben, die eine ODER-Ver­ knüpfung auf einem Sammelleitungssystem eines Prozeßbus­ ses mit Hilfe eines gleichstromfreien bandbegrenzten und überlagerungsfähigen Signals entsprechend den vorstehen­ den Forderungen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Verfahren mit den in den Ansprüchen 1 bzw. 2 gekennzeichneten Merkmalen und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 4.

Gemäß der Aufgabenstellung wird ein gleichstromfreies überlagerungsfähiges Signal benötigt. Die Gleichstrom­ freiheit des Signals wird im Hinblick auf eine Übertra­ gungsmöglichkeit ohne galvanische Kopplung gefordert. Dieser Bedingung genügen periodisch gleichstromfreie Signale. Ein Signal der Periodendauer T wird als gleich­ stromfrei bezeichnet, wenn das Integral des Signals über die Periodendauer T den Wert null ergibt.

Der außerdem geforderten Überlagerungsfähigkeit genügen jedoch nicht alle periodisch gleichstromfreien Signale. Sinusschwingungen und Rechteckschwingungen sind z. B. nicht unbegrenzt überlagerungsfähig, da die Überlagerung zweier um eine halbe Periode gegeneinander phasenver­ schobener Signale gleicher Amplitude zum Nullsignal, also zur Auslöschung führen. Dagegen ist eine Sägezahn­ schwingung theoretisch unbegrenzt überlagerungsfähig. In der Praxis wird die Überlagerungsfähigkeit allerdings durch die zur Verfügung stehende Bandbreite begrenzt. Die Überlagerung von zwei gleichgroßen Sägezahnschwin­ gungen, die gegeneinander um eine halbe Periode verscho­ ben sind, ergibt nämlich eine Sägezahnschwingung glei­ cher Amplitude und doppelter Frequenz. Entsprechend steigt bei sonst gleichen Voraussetzungen bei M Signalen die resultierende Frequenz auf das M-fache.

In praktischen Anwendungen ist eine unbegrenzte Überla­ gerungsfähigkeit des Signals jedoch nicht erforderlich. Es genügt eine auf eine bestimmte Anzahl von Signalen, nämlich auf die Zahl der bei einem Prozeßbus-System zu­ gelassenen Teilnehmer begrenzte Überlagerungsfähigkeit. Solche begrenzt überlagerungsfähigen Signale lassen sich relativ einfach mittels einer Digitalschaltung erzeugen und auf eine relativ geringe Bandbreite begrenzen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.

Das Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Übertragung von Daten und von Signalen zur Busanforderung oder Sammelquittierung auf einer ge­ meinsamen Leitung in getrennten Frequenzbändern. Die bekannte Übertragung von Daten wird im folgenden jedoch nicht weiter ausgeführt, sondern nur die erfindungsge­ mäße Erzeugung und Übertragung des überlagerungsfähigen bandbegrenzten Signals zur Busanforderung und Sammel­ quittierung. Es zeigt

Fig. 1 Blockschaltbild eines digitalen Rauschsenders,

Fig. 2 Signalkurven zur Erläuterung der Arbeitsweise des Rauschsenders,

Fig. 3 Leistungsspektrum des Pseudorauschsignals,

Fig. 4 Blockschema der Übertragungsstrecke.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild eines digitalen Rauschsenders 6 dargestellt. Der Rauschsender 6 besteht aus einem Rechteckgenerator 1, einem Frequenzteiler 2, einem Pseudo-Rauschfolge-Generator 3, einem Exklusiv-ODER-Glied 4 und einem Signalverstärker 5. Der Ausgang des Rechteckgenerators 1 ist mit dem Eingang des Frequenzteilers 2 und mit einem Eingang des Exklusiv-ODER-Glieds 4 verbunden. Der Ausgang des Fre­ quenzteilers 2 ist mit dem Eingang des Pseudo-Rausch­ folge-Generators 3 verbunden, dessen Ausgang auf einen zweiten Eingang des Exklusiv-ODER-Glieds 4 führt. Der Signalverstärker 5 ist dem Exklusiv-ODER-Glied 4 nach­ geschaltet.

Die Arbeitsweise des Rauschsenders 6 aus Fig. 1 wird mit Hilfe der Signalkurven in Fig. 2 beschrieben. Der Recht­ eckgenerator 1 gibt eine wählbare (siehe weiter unten) Rechteckschwingung S ₁ mit der Frequenz f ₁ ab. Im nachge­ schalteten Frequenzteiler 2 wird diese Rechteckschwin­ gung S ₁ umgesetzt in eine Schwingung S ₂. Im dargestell­ ten Beispiel hat der Frequenzteiler einen Teiler k = 2, die Frequenz wird also im Verhältnis 2 : 1 herabgesetzt.

Die Schwingung S ₂ wird dem Pseudo-Rauschgenerator 3 zu­ geführt. Der Pseudo-Rauschgenerator 3 ist auch unter der Bezeichnung PN (Pseudo Noise)-Generator bekannt. Solche Generatoren sind in der Literatur beschrieben:
J. MacWilliams, N. J. A. Sloane, "Pseudo-Random Sequences and Arrays", Proc. IEEE 64 (1976) 12, Seite 1715-1729. Der Pseudo-Rauschgenerator 3 erzeugt mit Hilfe eines rückgekoppelten Schieberegisters im Takt der Schwingung S ₂ eine bestimmte Folge von Binärimpulsen, die sich nach einer Impulszahl N periodisch wiederholen. Diese Folge von Binärimpulsen wird hier als pseudostochastische Binärfolge BF bezeichnet und ist in Fig. 2 in einem Ab­ schnitt beispielhaft dargestellt. Am Ausgang des Pseu­ do-Rauschgenerators 3 erscheint ein digitales Signal S ₃ , das der Binärfolge BF entspricht.

Mit Hilfe des Exklusiv-ODER-Glieds 4 wird die Rechteck­ schwingung S ₁ durch das digitale Signal S ₃ phasenmodu­ liert. Das am Ausgang des Exklusiv-ODER-Glieds 4 erscheinende Signal wird noch einem Signalverstärker 5 (Leitungstreiber) zugeführt und von diesem als Sendesig­ nal abgegeben. Das Sendesignal ist in Fig. 2 als Impuls­ folge S ₄ dargestellt. Die Impulse werden symmetrisch zur Nullinie umgetastet und sind periodisch gleichstromfrei.

Die zweckmäßige Wahl der Frequenz f ₁, der Rechteck­ schwingung S ₁, des Teilers k, des Frequenzteilers 2 und die Anzahl N der Impulse je Periode der Binärfolge BF wird anhand der Darstellung des Leistungsdichtespektrums S des Pseudo-Rauschsignals in Fig. 3 beschrieben. In Fig. 3 ist das Leistungsdichtespektrum S für ein Bei­ spiel mit k = 2 und N = 15 dargestellt. Dabei ist eine normierte Leistungsdichte L der Einzelimpulse über einer normierten Frequenz f aufgetragen. Bei dieser Normierung wird die Frequenz f ₁ der Rechteckschwingung S ₁ (= Nyquistfrequenz) gleich 1 und die Leistung des gesamten Sendeimpulses ebenfalls gleich 1. Aus Fig. 3 ist zu ent­ nehmen, daß sich die Sendeleistung auf einzelne Spek­ trallinien aufteilt, jedoch hauptsächlich auf Spektral­ linien in der Nähe der Frequenz f ₁ konzentriert ist. Durch Wahl des Teilers k kann die Form des Spektrums S beeinflußt werden. Je größer k ist, desto schmaler ist das Band, in dem der größte Teil, z. B. 80%, der Sende­ leistung liegt. Damit läßt sich erreichen, daß die Ver­ luste in den Filtern zur Bandbegrenzung des zu übertra­ genden Signals gering sind.

Die Zahl der lückenlos vorhandenen Spektrallinien zwi­ schen den beiden Nullstellen, die am nächsten bei der Frequenz f ₁ liegen, beträgt 2 N - 1. Theoretisch wäre damit das Rauschsignal (2 N - 1)fach überlagerungsfähig. Unter der Annahme, daß das Übertragungsband so weit be­ grenzt wird, daß etwa N Spektrallinien in den Durchlaß­ bereich fallen und unter Berücksichtigung der relativ geringen Leistung der Spektrallinie bei der Frequenz f ₁, kann man in der Praxis mit einem lückenlosen Spektrum aus etwa ^N /₂-Spektrallinien mit etwa gleichmäßig hoher Leistung rechnen, d. h. das Rauschsignal als ^N /₂-überla­ gerungsfähig ansehen. Man wird also zweckmäßig die An­ zahl N der Impulse je Periode der Binärfolge BF etwa doppelt so hoch wählen wie die Anzahl der maximal an das Bussystem anschließbaren Teilnehmer.

Der Fig. 3 ist zu entnehmen, daß das Maximum des Lei­ stungsspektrums nicht genau mit der Frequenz f ₁ der Rechteckschwingung S ₁ übereinstimmt. Die Frequenz f ₁ wählt man deshalb so, daß das Maximum des Leistungsspek­ trums S des Sendesignals (Impulsfolge S ₄) mit der Band­ mittenfrequenz f _M eines vorgegebenen Frequenzbandes mit der Frequenzbreite B übereinstimmt. Die gewünschte Kon­ zentration der Sendeleistung auf Spektrallinien in einem schmalen Band erreicht man, indem man den Teiler k so wählt, daß ¹/ _k in etwa der relativen Bandbreite B/f _M entspricht.

Fig. 4 zeigt die gesamte Übertragungsstrecke als Hinter­ einanderschaltung des in Fig. 1 dargestellten Rauschsen­ ders 6, eines Sende-Bandfilters 7, einer Übertragungs­ leitung 8, eines Empfangs-Bandfilters 9, einer Einrich­ tung 10, die das Empfangssignal gleichrichtet, und einer Begrenzerschaltung 11, die Signale unterhalb eines ein­ gestellten Schwellwertes unterdrückt. Die Funktion des Sende-Bandfilters 7 und des in Fig. 1 dargestellten Signalverstärkers 5 kann auch in einem Begrenzerverstär­ ker zusammengefaßt sein. In Fig. 4 ist nur ein Teilneh­ mer dargestellt, der mit seinem Sender zur Busanforde­ rung an die Übertragungsleitung 8 angeschlossen ist. In einer Datenübertragungsanlage sind jedoch mehrere Teil­ nehmer parallel angeschlossen, so daß auf der Übertra­ gungsleitung 8 die ODER-Verknüpfung des Signals zur Bus­ anforderung oder Sammelquittierung erfolgt. Außerdem können an die Übertragungsleitung 8 die Datensender der Teilnehmer angeschlossen werden, die in einem anderen Frequenzband senden.

Als Alternative zu dem im Ausführungsbeispiel beschrie­ benen digitalen Rauschsignal läßt sich auch ein nach einem anderen Verfahren erzeugtes Rauschsignal verwen­ den. Es ist z. B. bekannt, daß Rauschsignale mit Hilfe von in Sperrichtung betriebenen Dioden erzeugt werden können. Dabei kann es sich z. B. um eine Zenerdiode oder um die Basisemitterdiode eines Transistors handeln. In Versuchen hat sich gezeigt, daß mit derartigen relativ einfachen Rauschsendern ein überlagerungsfähiges Signal erzeugt werden kann. Allerdings können Streuungen in den Eigenschaften der in den Rauschsendern verwendeten Dio­ den die Einstellung eines in einem bestimmten Frequenz­ band liegenden Rauschsignals mit dem erforderlichen Lei­ stungspegel erschweren. Ein digitales Rauschsignal hat demgegenüber den Vorzug, daß das Signal in der gewünsch­ ten Form erzeugt und seine Überlagerungsfähigkeit mathe­ matisch nachgewiesen werden kann.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich so zusammenfassen:

Durch Bandbegrenzung ist eine Übertragung von Daten und Signalen zur Busanforderung oder Sammelquittierung im Frequenzmultiplex auf einer Leitung möglich. Rauschsig­ nale als Signale zur Busanforderung oder Sammelquittie­ rung erübrigen eine individuelle Einstellung der Teil­ nehmer. Soweit es sich um digitale Rauschsignale han­ delt, ist ihre Überlagerungsfähigkeit zur Durchführung der ODER-Verknüpfung mathematisch nachweisbar und sie können in einer solchen Form erzeugt werden, daß bei einer Bandbegrenzung nur geringe Leistungsverluste auf­ treten.

Claims (4)

1. Verfahren zur Busanforderung durch einen oder gleichzeitig durch mehrere Teilnehmer oder zur Übertra­ gung mehrerer gleichzeitig gesendeter Quittiersignale (Sammelquittierung) der Teilnehmer in einem Prozeßbus- System zur seriellen Datenübertragung, wobei die Teil­ nehmer ein gleichstromfreies, überlagerungsfähiges, auf ein bestimmtes Frequenzband begrenztes und bei allen Teilnehmern nach dem gleichen Bildungsgesetz erzeugtes Signal senden, das von einer Benutzereinrichtung ausge­ wertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als überlage­ rungsfähiges Signal ein digitales Pseudo-Rauschsignal verwendet wird, wobei

• - das Signal für alle Teilnehmer gleich ist und eine Impulsfolge (S ₄) darstellt, die sich aus Rechteck­ schwingungen (S ₁) zusammensetzt, die durch ein mit einer pseudostochastischen Binärfolge (BF) gebilde­ ten digitalen Signal (S ₃) phasenmoduliert sind,
• - die Anzahl N der Impulse je Periode der Binärfolge (BF) etwa doppelt so hoch gewählt wird, wie die An­ zahl der maximal an das Prozeßbus-System anschließ­ baren Teilnehmer,
• - die Frequenz (f ₁) der Rechteckschwingung (S ₁) so gewählt wird, daß das Maximum des Leistungsdichte­ spektrums (S) der Impulsfolge (S ₄) etwa mit der Bandmittenfrequenz (f _M ) eines vorgegebenen Frequenz­ bandes mit der Bandbreite (B) übereinstimmt,
• - die Anzahl k der Rechteckschwingungen (S ₁) je Impuls der Binärfolge (BF) so gewählt wird, daß ¹/ _k in etwa der relativen Bandbreite B/f _M entspricht.

2. Verfahren zur Busanforderung durch einen oder gleichzeitig durch mehrere Teilnehmer oder zur Übertra­ gung mehrerer gleichzeitig gesendeter Quittiersignale (Sammelquittierung) der Teilnehmer in einem Prozeßbus- System zur seriellen Datenübertragung, wobei die Teil­ nehmer ein gleichstromfreies, überlagerungsfähiges, auf ein bestimmtes Frequenzband begrenztes und bei allen Teilnehmern nach dem gleichen Bildungsgesetz erzeugtes Signal senden, das von einer Benutzereinrichtung ausge­ wertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als überlage­ rungsfähiges Signal ein bandbegrenztes Rauschsignal ver­ wendet wird, das mit einer in Sperrichtung betriebenen Diode erzeugt und durch Filter begrenzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Übertragung von Daten und die Übertragung der Signale zur Busanforderung oder Sam­ melquittierung auf einer gemeinsamen Leitung in getrenn­ ten Frequenzbändern erfolgt.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des digitalen Pseudo-Rauschsignals ein Rauschsender (6) vorgesehen ist, der aufgebaut ist aus

• - einem Rechteckoszillator (1), dessen Ausgang sowohl mit einem Eingang eines Exklusiv-ODER-Glieds (4) als auch mit dem Eingang eines Frequenzteilers (2) ver­ bunden ist,
• - einem Pseudo-Rauschgenerator (3), der ein rückge­ koppeltes Schieberegister enthält, wobei der Eingang des Generators (3) mit dem Ausgang des Frequenztei­ lers (2) verbunden ist und wobei der Ausgang des Generators (3) auf einen zweiten Eingang des Exklu­ siv-ODER-Glieds (4) geführt ist, sowie
• - einem Signalverstärker (5), der dem Exklusiv-ODER- Glied (4) nachgeschaltet ist.