DE4126403C2 - Daten-Übertragungsverfahren mit Ultraschall über Maschinenteile oder Rohrleitungen mit Repeater- oder bidirektionalem Betrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Daten-Übertragungsverfah­ ren mit Ultraschall über Maschinenteile oder Rohr­ leitungen mit Repeater- oder bidirektionalem Betrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist z. B. in der DE 29 38 734 A1 beschrie­ ben.

Es ist bekannt, daß viele Körper, insbesondere Metalle aber auch Flüssigkeiten, Schallschwingungen gut weiter leiten, auch im Ultraschallbereich. Die­ ses läßt sich ausnutzen zur Datenübertragung überall dort, wo eine nachträgliche Verlegung von Datenlei­ tungen schwierig oder im Maschinenbau auch manchmal unmöglich ist. Diese Idee ist nicht neu und in ver­ schiedenen Patentanmeldungen beschrieben worden, neben der o.g. auch z. B. in DE 31 27 184 C2, DE 28 20 979 A1, DE 31 47 339 A1 oder 32 09 189 A1.

Dabei wird jedoch nirgends auf den Nachteil bei einer Datenübertragung mit Ultraschall hingewiesen, daß die erzielbare Reichweite sehr stark von dem Übertragungsmedium abhängt und zwischen nur wenigen Metern und bis höchstens einige 100 m betragen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Daten-Übertragungs­ verfahren anzugeben, das auf der einen Seite eine relativ hohe Datenübertragungsrate zuläßt, auf der anderen Seite einen Repeaterbetrieb ohne wesentliche Verzögerung gegenüber dem Original-Signal bei glei­ cher Arbeitsfrequenz ermöglicht, um somit eine Ver­ größerung der Reichweite bei entsprechenden Anwen­ dungen zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Art Puls-Pausen-Modulation so gestaltet wird,daß das gesamte Datenwort Bit für Bit in feste Zeiten eingeteilt ist und das Vorhandensein oder Fehlen der Begrenzungsschwingungen vor oder hinter den fest eingeteilten Pausen die eigentliche Infor­ mation enthält. Dabei werden die Pausen so groß ge­ wählt, daß eine zusätzliche Begrenzungsschwingung innerhalb eines Bits genau mitten in die Pausen paßt und zusätzlich noch Zeit verbleibt, daß die Strecke ausreichend ausschwingen kann. Somit läßt sich ein Repeatersignal oder ggf. ein zweites zusätzliches Signal in die eine oder andere (Gegen-)Richtung syn­ chronisieren. Es ist bei diesem Verfahren vorteil­ haft, daß die die Pausen begrenzenden Schwingungen aus mehreren Schwingungsperioden bestehen, wie in diesem Fall beispielhaft gewählten 6 Schwingungen für ein Startsignal und 4 Schwingungen für ein "High- Signal", während kein Signal in dem zu erwartenden Zeitfenster ein "Low-Signal" bedeuten. Andere Zuord­ nungen sind in großer Zahl denkbar und kein eigener Erfindungsgedanke. Die Verwendung von mehreren Schwingungen hat den Vorteil,daß ein Mikroprozessor oder auch ein spezielles ASIC genau unterscheiden kann, ob eine in diesem Zeitfenster auftauchende Schwingung ein zufälliger Störimpuls oder ein "Low- Signal" ist, da es sehr unwahrscheinlich ist, daß Störsignale genau in der notwendigen Frequenz, Am­ plitude und Phasenlage auftauchen. Sollte trotzdem ein solch unwahrscheinlicher Fall eintreten,so kann dieser zusätzlich einmal pro Datenwort mit der be­ kannten Hamming-Codierung abgefangen werden, damit trotz allem eine sicherere Übertragung gewährleistet ist.

Es ist ferner vorteilhaft bei der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, daß die empfangenen Schwin­ gen hardwaremäßig heruntergeteilt werden, und zwar aus folgenden Gründen:

• 1. Gerade bei Übertragung im Maschinenbau über sich bewegende Lager ist oftmals an den bewegten Maschi­ nenteilen keine eigene Stromversorgung vorhanden,so daß mit Batterien gearbeitet werden muß. Da der Stromverbrauch eines Prozessors proportional mit seiner Taktfrequenz steigt, kann so mit niedrigerer Taktfrequenz und damit mit weniger Stromaufnahme gearbeitet werden.
• 2. Die Triggerwirkung der Teilerschaltung unterdrückt wirkungsvoll Störsignale unterhalb der Trigger­ schwelle und vergrößert somit die Sicherheit des Übertragungssystems.

Der gesamte Ablauf dieses Verfahrens wird in dem Diagramm 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 bzw. zweite Datenwort.
IV. das geteilte Empfangssignal hinter dem Repeater.

Nicht dargestellt wurde in dem Diagramm die vorhan­ dene Laufzeit zwischen Sender und Empfänger,die für jede Strecke als konstant vorausgesetzt werden kann und demnach nur eine Verschiebung aller Signale vom Startsignal an bewirkt.

Der Ultraschallsender erzeugt zunächst ein Startsig­ nal 1), bestehend aus mehreren Schwingungen 5). Die Anzahl der Schwingungen 5) des Startsignals 1) unter­ scheiden sich von der Anzahl der Schwingungen 5) eines "High-Signals" 2), das dem Startsignal 1) fol­ gen kann, so daß eine Interpretation beispielsweise durch einen Mikroprozessor möglich ist. Im ausge­ führten Falle sind 6 Schwingungen für ein Startsig­ nal und 4 Schwingungen für ein "High-Signal" gewählt, ein "Low-Signal" wird durch das Fehlen von Schwin­ gungen in dem zu erwartenden Zeitfenster charakteri­ siert und in dem Diagramm als gestrichelte Linie (2. Bit) dargestellt. Es ist jedoch für jeden Fach­ mann leicht möglich, andere Zuordnungen für die 3 Signale "Start", "High" und "Low" zu verwenden. Die Abb. 1 zeigt das Diagramm eines Datenwortes im Anfang und zwar bestehend aus einem Startsignal 1), einem "High-Signal" 2), einem "Low-Signal" 4) und als 3. Bit wieder ein "High-Signal" 2). Dabei beginnen die "High-" oder "Low-Signale" jeweils mit einer Pause 3), dann folgen die 4 Schwingungen 5), die das "High-Signal" darstellen bzw. eine weitere Pause für die Zeit von 4 Schwingungen, wenn es sich um ein "Low-Signal" handelt. Dieses Muster setzt sich fort, je nach Daten, bis zum Ende eines Wortes, das hier nicht mehr gesondert gezeichnet ist. Nach einer kurzen Pause kann dann ein neues Startbit beginnen. Auch läßt sich am Ende des Telegramms noch ein ge­ sondertes Stoppbit einführen.

Die Zeile II. stellt das zugehörige heruntergeteil­ te Empfangssignal 6) (hier um den Faktor 2) mit der dann folgenden Pause 8) dar, in die das Zeitfenster 9) von hier 10 Originaltakten eingezeichnet ist. Die gestrichelten Linien 7) symbolisieren wiederum ein "Low-Signal".

Die Zeile III. zeigt das dann um ca. 1/2 Bit verzö­ gerte Repeater-Sendesignal. Dabei deuten die Pfeile an, welches Signal zu welchem gehört.

Die Zeile IV. ist dann schließlich das Ziel-Empfangs­ signal, von dem aus eine Datenweiterverarbeitung erfolgen kann. Die Empfangssignale sind in der Rea­ lität dann allerdings noch um die erwähnte Laufzeit auf der Strecke gegenüber dem Sendesignal verscho­ ben.

Claims (4)

1. Daten-Übertragungsverfahren mit Ultraschall über Maschinenteile oder Rohrleitungen, bei dem ein Repeater- oder bidirektionaler Betrieb möglich ist,wobei als Codierung für die Signale eine Puls- Pausen-Modulation verwendet wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Puls-Pausen-Modulation in ein festes Zeitraster eingeteilt wird,in dem die Pau­ sen (3) und die Begrenzungsschwingungen (5) immer eine konstante Länge haben, daß das Vorhandensein einer Begrenzungsschwingung als logisch "1", das Nichtvorhandensein einer Begrenzungsschwingung als logisch "0" interpretiert wird und daß in die Pau­ sen ein zweites Signal gelegt wird, mit dem ein Repeater die Daten auf der gleichen Frequenz wei­ tersenden oder ein zweites Signal, z. B. für bidi­ rektionalen Betrieb, gesendet werden kann.

2. Datenübertragungsverfahren nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der Empfangsseite das Eingangssignal herunter geteilt wird, um die Taktfrequenz und damit den Stromverbrauch eines Prozessors niedrig zu halten und gleichzeitig Störsignale zu unterdrücken.

3. Datenübertragungsverfahren nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Rückwirkungen von einem Repea­ ter auf einen vorhergehenden Empfänger die Ultra­ schallschwingungen auf das Medium gerichtet ein­ gekoppelt werden.

4. Datenübertragungsverfahren nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Richtwirkung des Ultraschallwandlers ein Keil verwendet wird, der eine Einkopplung in bekannter Weise unter einem bestimmten Winkel ermöglicht, der wiederum abhän­ gig ist von der Wellenlänge und dem Material (Wellenwiderstandsanpassung).