DE4126403A1

DE4126403A1 - Spezielles uebertragungsverfahren zur ultraschalldatenuebertragung ueber maschinenteile und rohrleitungen

Info

Publication number: DE4126403A1
Application number: DE19914126403
Authority: DE
Inventors: Eckart Kinderling; Stefan Hagedorn; Peter Reich
Original assignee: INNOTECH MICROELECTRONIC GmbH
Current assignee: INNOTECH MICROELECTRONIC GmbH
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2011-08-10
Also published as: DE4126403C2

Description

Es ist bekannt, daß viele Körper, insbesondere Metalle und Flüssigkeiten, gut Schallschwingungen weiterleiten, insbesondere auch im Ultraschallbereich. Dieses läßt sich ausnutzen zur drahtlosen Signalübertragung. Dabei sind einige Randbedingungen zu beachten:

Die Dämpfung im Material nimmt mit höherer Ultraschallfrequenz zu. Sie beträgt z. B. in reinem Wasser bei 100 kHz 0,0022 dB pro Meter, bei 1 MHz 0,22 dB pro Meter und bei 10 MHz 22 dB pro Meter. Daraus ergibt sich, daß die Frequenz für eine Ultraschallübertragung möglichst bei niedriger Frequenz zu erfolgen hat. Auf der anderen Seite ist zu berücksichtigen, daß Störgeräusche aus dem normalen Schallbereich, z. B. Lagergeräusche und ähnliches, bis weit in den Ultraschallbereich hineinreichen. Umfangreiche Messungen haben ergeben, daß diese Frequenzen bis ca. 45 kHz gehen. Daher ist es günstig, die Übertragungsfrequenz in einen Bereich von ca. 60 bis 100 kHz zu legen. Diese Tatsache ist bekannt und wird bereits zur Datenübertragung mit Ultraschall auf Rohrleitungen benutzt. Zur Signaldarstellung benutzt man entweder Frequenzmodulationsverfahren, z. B. für ein High-Signal 101 kHz und für das Low-Signal 99 kHz, oder aber ein normales Puls-Pausen-Modula tionsverfahren., s. P 41 13 978.6, DE 31 27 184 C2, DE 28 20 979 A1. Diesem Verfahren haften gewisse Mängel an:

Ein normales Puls-Pausen-Modulationsverfahren hat den Nachteil einer hohen Störanfälligkeit, während das Verfahren der Frequenzmodulation den Nachteil hat, sehr langsam zu sein, da die Frequenzen jeweils erst aufgebaut, gezählt und ausge wertet werden müssen. Dabei sind Übertragungsraten von lediglich 20 Baud zu ver wirklichen, um eine störungsfreie Übertragung zu ermöglichen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Übertragungsverfahren anzugeben, das eine wesentlich höhere Datenrate zuläßt, bei gleichzeitig hoher Datensicherheit. Dieses wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um Störungen von außen wirksam auszuschalten. Im Prinzip handelt es sich bei diesem Verfahren um ein an sich bekanntes Puls-Pausen-Modulationsverfahren. Es sind zwei Impuls-Pausen-Modulationsverfahren bekannt: Entweder werden zwei unterschiedliche Zeiten verwendet, um ein High- oder Low-Signal darzustellen, zum Beispiel 10 Impulse Pause vom Startsignal aus würden ein Low-Signal bedeuten, 15 oder 18 Impulse würden dann ein High-Signal darstellen. Die andere, an sich auch bekannte Methode ist, die Pause konstant zu halten und für das High-Signal einen zweiten Impuls zu verwenden und für das Low-Signal dort eine Lücke zu bekom men. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß ein festes Puls-Pausen-Verhältnis besteht, so daß die Länge eines Datenwortes genau vorhersagbar ist. Nachteilig an dieser Anordnung ist, daß nicht genau zu unterscheiden ist, ob im Falle eines Low- Signales es sich z. B. tatsächlich um ein Low-Signal handelt, oder ob zufällig eine Unterbrechung auf der Datenleitung vorhanden ist. Ebensowenig kann man unter scheiden, ob im Falle eines Störsignales bei einem eigentlichen Low-Signal es sich um eine Störung oder um ein High-Signal handelt. Trotz dieses offensichtlichen Nachteiles wird diese Methode angewandt. Im nachfolgenden wird gezeigt, wie durch zusätzliche Maßnahmen diese Methode sicherer und zuverlässiger gemacht werden kann. Gleichzeitig werden Vorteile durch die speziellen Anforderungen bei der Ultraschalldatenübertragungstechnik erreicht, wie im folgenden naher erläutert wird:
Durch die Verwendung eines festen Puls-Pausen-Verhältnisses ist es möglich, daß das High-Signal bzw. Startsignal nicht nur aus einem Impuls besteht, sondern daß für das High-Signal mehrere z. B. zwei Impulse und für das Startsignal mindestens drei Impulse verwendet werden. Bei einer Auswertung mit einem Mikroprozessor kann dieser nun bei einem Low-Signal unterscheiden, ob ein ankommender Impuls im richtigen Zeitraster liegt und ob genau zwei Impulse in der gewünschten Zeit eintreffen, oder ob es sich dabei um eine Störung handeln muß. Trifft z. B. bei einem Low-Signal in dem entsprechenden Zeitraster ein Störimpuls ein, ohne daß der erwartete Zeitimpuls folgt, so erkennt der Prozessor, daß es eine Störung war. Ebenso kann der Prozessor unterscheiden, wenn ein Impuls genau in die Lücke zwi schen beiden Impulsen während des Nullsignales fällt. Verwendet man sogar mehr als zwei Impulse, so kann man die Übertragungssicherheit noch weiter erhöhen. Dadurch, daß man ein festes Zeitfenster für die Pulse und Pausen verwendet, ist es möglich, daß während der Pausenzeiten die Empfangsmöglichkeit abgeschaltet wird, so daß Störungen, die während der Pausenzeiten auftreten, wirkungsvoll unterdrückt werden.

Diese Pausen lassen sich aber auch wirkungsvoll zur Übertragung von weiteren Signalen nutzen, z. B. von Repeatersignalen. Repeater sind Einrichtungen, die ein Datensignal aufnehmen und es anschließend weitersenden. Dieses kann erforderlich sein, wenn längere Datenwege zu überbrücken sind, bei denen die Dämpfung auf der Strecke zu groß wird. Dann ist ein solcher Repeater zwischenzuschalten. Dieser nimmt das Signal auf und sendet es weiter. Normalerweise sind hierzu unter schiedliche Frequenzen erforderlich, damit Empfangssignal und Sendesignal sich nicht gegenseitig beeinflussen. Dadurch, daß ein Puls-Pausen-Übertragungsverfahren benutzt wird, ist es jetzt möglich, die ersten Bits sofort in die Pausen zu legen. Da vorher an der Strecke liegende Empfänger in dieser Zeit bereits abgeschaltet haben, werden diese von dem Signal nicht mehr gestört. So gelingt es, daß durch den Repeater eine Verzögerung nur von einen, halben Bit erzeugt wird, obwohl für die beiden Sende- und Repeatersignale die gleiche Frequenz verwendet wird. Dieses kann im allgemeinen für die Übertragung als unkritisch angesehen werden. So ist es möglich, auch längere Strecken mit Ultraschall zu überbrücken. Auch bei Verwendung von mehreren Repeatern hintereinander addieren sich lediglich diese halben Bits zu einer Verzögerungszeit, mit dem Vorteil, daß nachfolgende Empfänger auf der gleichen Frequenz arbeiten können, wodurch die Serienfertigung und Austauschbarkeit wesentlich vereinfacht wird. Dieses Verfahren wird anhand des nachfolgenden Diagrammes, Abb. 1, noch näher erläutert:

Die vier Zeilen des Diagramms kennzeichnen:
I. Sendesignal (HF-Signal mit Pausen),
II. das geteilte Signal hinter dem Empfänger,
III. das in den Pausen liegende Repeater-Sendesignal,
IV. das geteilte Empfangssignal hinter dem Repeater.

Der Ultraschallsender erzeugt zunächst ein Startsignal 1), bestehend aus mehreren Schwingungen 5). Die Anzahl der Schwingungen 5) des Startsignales unterscheidet sich von der Anzahl der Schwingungen 5) des High-Signales 2), das später folgt, so daß ein Prozessor entscheiden kann, daß es sich um das Startsignal handelt, zum Beispiel durch 3 nacheinanderfolgende Schwingungen 5), während das High-Signal nur 2 nacheinanderfolgende Schwingungen 5) besitzt. Es können aber auch eine be liebige Anzahl Schwingungen 5) und deren Verhältnisse ein Startsignal und ein High-Signal charakterisieren, z. B. Vielfache davon. Im ausgeführten Falle sind 6 Schwingungen für das Startsignal und 4 Schwingungen für das High-Signal gewählt. Unter Berücksichtigung einer Pausenzeit 8) von 10 Schwingungen 9) ist es damit möglich, diese Zeiten genau auf die gewünschte Sendefrequenz in dem Bereich von ca. 60 bis 100 KHz zu legen, und gleichzeitig die gewünschte Baudrate von 4800 Baud zu erreichen, d. h. Taktfrequenz, Baudrate und Pulspausenzeiten sind exakt aufeinander abgestimmt. In dem vorliegenden Verfahren wird für das High-Signal 4 Takte der Ultraschallfrequenz verwendet, während für das Low-Signal eine Pause vorgesehen ist. Es ist jedoch auch möglich, für das Low-Signal eine weitere Folge von Takten zu verwenden, die sich von dem High-Signal unterscheiden. Die Abb. 1 zeigt das Diagramm eines Datenwortes im Anfang und zwar bestehend aus dem Startsignal 1), einer Pause 3), einem High-Signal 2), einer weiteren Pause 3), dann folgt ein Low-Signal, dargestellt durch ein gestricheltes High-Signal, d. h. dort ist eine weitere Pause, dann kommt wieder eine Pause 3), es folgt ein weiteres High- Signal 2). Dieses Muster setzt sich fort, je nach Daten, bis zum Ende des Wortes. Dabei ist für das Datenwort 12 Bit vorgesehen oder aber vom Verfahren her beliebig lange Worte und zusätzlich eine Reihe von Parity-Bits zur Sicherung der Über tragung. Werden 5 Parity-Bits verwendet, so kann bei einem 12-Bit-Datenwort eine Hemming-Distanz von 3 erreicht werden. Die Auswertung dieser Taktsignale erfolgt vorzugsweise mit einem standardmäßigem Ein-Chip-Mikroprozessor, aber auch spezielle Logikschaltungen, sowie ASICs und dergleichen, sind einsetzbar. Um die Stromaufnahme im Mikroprozessor zu reduzieren, ist es zweckmäßig, daß der Mikro prozessor mit einer möglichst geringen Taktfrequenz arbeitet. Aus diesem Grunde wird, bevor das Taktsignal vom Vorverstärken in den Mikroprozessor gelangt, eine Frequenzteilung vorgenommen. Damit sieht der Prozessor für ein Startsignal 3 Impulse und für ein High-Signal 2 Impulse 6). Dieses ist dann zu unterscheiden. Ein Low-Signal ist dann vorhanden, wenn in dem vorgesehenen Zeitfenster kein Signal 7) erscheint.

Das Vorschalten eines Teilers hat den weiteren Vorteil, daß durch den Einbau einer Triggerschwelle die Störempfindlichkeit der Schaltung erheblich herabgesetzt werden kann. Zur weiteren Erhöhung der Störsicherheit wird der Vorverstärker sehr selektiv ausgeführt, d. h. er arbeitet nur sehr schmalbandig in den, vorgesehenen Frequenzbereich. Störgeräusche, die sich auf der Leitung befinden, werden daher wirksam unterdrückt, insbesondere Störungen von Lagergeräuschen u.ä., die sich im allgemeinen nach umfangreichen Messungen bis ca. 45 KHz bemerkbar machen. Fer ner ist der Verstärker so geregelt, daß das Nutzsignal immer einen bestimmten Pegel erreicht, um die nachfolgende Zähler-Trigger-Stufe sicher zu durchsteuern. Darüber hinausgehende Impulse werden abgeschnitten bzw. kleinere Impulse werden unter drückt. Störsignale, die größer oder gleich groß sind wie das Nutzsignal, werden dadurch herausgefiltert, daß in den zu erwartenden Pausenzeiteil der Empfang aus geblendet wird, d. h. nur während des Zeitfensters des zu erwartenden Impulses wird ein Signal weiterverarbeitet. Entstehen während der zu erwartenden Nutzsignale Störimpulse, so ist im allgemeinen davon auszugehen, daß dieses Störsignal nicht genau in das Zeitfenster des Signales paßt. Dieses kann vom Mikroprozessor erkannt und ausgeblendet werden. Zur Erhöhung der Übertragungssicherheit werden dem nach folgende Maßnahmen ergriffen:

1. Der Vorverstärker arbeitet sehr selektiv, so daß alle anderen Frequenzen außer der Nutzfrequenz sicher ausgeschaltet werden.
2. Die Ausgangsamplitude des Nutzsignales des Vorverstärkers ist so geregelt, daß Nutzsignale nur in einer bestimmten Höhe über die Trigger-Stufe zum Prozessor gelangen können.
3. Während der Pausenzeiten ist sowohl der Verstärker als auch der Prozessor abgeschaltet, so daß Störungen während dieser Zeit nicht durchkommen kön nen.
4. Innerhalb des vorgesehenen Signalfensters, müssen die Signale in einem bestimmten richtigen Rhythmus eintreffen. Sind die Signale asymmetrisch in Folge von Störsignalen, die zusätzlich auf der Leitung vorhanden sind, so wird dieses vom Prozessor erkannt und das Datenwort wird verworfen, bzw. durch den Hamming-Code automatisch wieder korrigiert.
5. Sicherheit durch Hamming-Codierung innerhalb dieses Übertragungsweges. Für die in diesem Falle vorgesehene Übertragung von 12 Bit werden zusätz lich 5 Parity-Bits übertragen, so daß ein Fehler sicher erkannt und korrigiert werden kann.
6. Eine weitere Sicherheit kann vom Anwender dieser Übertragungsstrecke ein gebaut werden, indem er innerhalb seines Übertragungswortes eine weitere Hamming-Codierung einbaut.

Repeater: Zeile III und IV des Diagramms.

Nach dem Startsignal 1 schwingt der Sendepiezo mit einigen Schwingungen aus. In diesem Moment kann bereits das Startsignal vom Repeater wieder ausgesendet wer den, so daß es rechtzeitig vor dem ersten Bit des Originalsenders wieder abgeklungen ist. Beim Senden von High-Signalen ist das zeitliche Verhalten unkritischer, weil hier nur 4 statt 6 Schwingungen gesendet werden.

Claims

1. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall auf Maschinenteilen, Rohren, Trägern usw. durch ein an sich bekanntes Puls-Pausen-Modulationsverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Übertragungssicherheit dieses Verfahren mit einer Reihe von weiteren Sicherungsmaßnahmen kombiniert wird.

2. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das High-Signal durch einen Impuls, das Low-Signal durch das Fehlen eines Impulses dargestellt werden. Dabei ist die Pausenzeit konstant.

3. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung eines High-Impul ses mehrere Ultraschallimpulse verwendet werden.

4. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallfrequenz genau mit der gewünschte Baudrate und die Taktfrequenz abgestimmt werden.

5. Datenübertragungssystem mittels Ultraschall nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ultraschallfrequenz eine Frequenz zwischen 50 und 100 KHz gewählt wird, um einerseits die Störimpulse von Geräuschen zu unterbinden und andererseits die Dämpfung bei höheren Frequenzen noch in erträglichem Rahmen zu halten.

6. Datenübertragungssystem mittels Ultraschall nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Vorverstärkung ein sehr schmal bandiger Verstärker gewählt wird, der nur die gewünschte Ultraschall frequenz durchläßt.

7. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung dieses Vorverstärkers so vorgenommen wird, daß das Ausgangssignal im High-Signal immer die glei che Spannungshöhe hat.

8. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe dieses Analogsignals genau einen Schmitt-Trigger ansteuern kann, so daß Signale, die kleiner als das gewünschte High-Signal sind, nicht mehr durchgelassen werden und dadurch eine wirkungsvolle Störunterdrückung erreicht wird, insbesondere auch von Reflexionen auf der Leitung.

9. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schmitt-Trigger eine Teiler stufe geschaltet wird, so daß das ursprüngliche Hochfrequenzsignal um den Faktor 2 oder ein Vielfaches davon heruntergeteilt wird, damit die Takt frequenz des Prozessors niedrig gehalten werden kann.

10. Datenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls eine definierte Länge in einem bestimmten Zeitfenster haben muß, andernfalls wird das gesamte Datenwort verworfen, wodurch eine weitere Sicherheit für die Übertragung gegeben ist.

11. Datenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger in den Sendepausen abgeschaltet wird, so daß eine Unterdrückung von Störgeräuschen, ein doppelter Empfang durch Reflexionen auf den Übertragungswegen oder bei Verwendung von Repeatern und unnötiger Stromverbrauch für Batteriebetrieb vermieden wird.

12. Datenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Sendepausen ein Repeater seine Signale legen kann, so daß zwischen einem Original-Signal und einem Repeater-Signal nur eine Zeitverzögerung von ca. einem halben Bit entsteht.

13. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Rückwirkungen von dem Repeater auf einen der vorhergehenden Empfänger Ultraschallschwingungen auf das Medium gerichtet eingekoppelt werden.

14. Datenübertragungsverfahren mittels Ultraschall nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Richtwirkung des Ultraschallwandlers ein Keil ver wendet wird, der eine Einkopplung in bekannter Weise unter ca. 45 Grad ermöglicht.

15. Datenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren auch bei normalen drahtgebundenen Übertragungssystemen zur Erhöhung der Störsicherheit angewandt werden kann, indem statt auf den Ultraschallsendewandler direkt auf die Daten leitung eingekoppelt und vor den Filterstufen des Verstärkers wieder aus gekoppelt wird.

16. Datenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren auch bei Infrarot-Datenübertragungs strecken angewendet wird, indem statt in den Ultraschallsendewandler in einen Infrarotsender (z. B. eine oder mehrere LED′s) eingespeist wird und für den Empfang ein Infrarotphotoempfänger (z. B. Photodiode oder ähnliches) verwendet wird.

17. Datenübertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt der normalen Vorstufe des Ultraschallempfängers eine an sich bekannte Vorstufe für IR-Empfänger geschaltet wird, die Gleichlichtanteile des Tages lichts oder künstlicher Beleuchtung kompensiert.

18. Datenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Verfahren auch zur Erhöhung der Störsicherheit bei Übertragungen auf dem normalen 220 V Versorgungsnetz verwendet wird, indem das Sendesignal in an sich bekannter Weise in das Netz eingekoppelt und auf der Empfangsseite ausgekoppelt wird.

19. Datenübertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Übertragungsverfahren auch kom biniert werden können, um Strecken mit unterschiedlichen Anforderungen zu überbrücken.