DE4205241C2

DE4205241C2 - Potentialfreie Datenübertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE4205241C2
Application number: DE4205241A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Heberle
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2012-02-22
Also published as: KR930018711A; DE59309537D1; EP0564791A1; JPH0620186A; US5399965A; EP0564791B1; DE4205241A1

Description

Die Erfindung betrifft eine potentialfreie Datenschnittstelle, insbesondere für monolithisch integrierte Schaltungen. Es gibt viele Anwendungsbereiche, bei denen die Daten potentialfrei abgenommen werden müssen, wenn beispielsweise infolge langer und gestörter Datenleitungen die Potentialschwankungen zwischen der Datenquelle und der Datensenke zu groß sind, so daß die Daten falsch erkannt oder die zugehörigen Schaltungen durch übergroße Spannungsspitzen sogar zerstört werden. Eine gewisse Abhilfe schafft die Übertragung der Daten als Differenzsignale über eine Zweidrahtleitung und die Auswertung mittels einer Eingangsdifferenzstufe, die bekanntlich Gleichpegelschwankungen unterdrücken kann, sofern sie im zulässigen Aussteuerbereich liegen. Eine weitere bekannte Maßnahme stellen Optokoppler dar, die als potentialfreie Datenschnittstelle zwischen die jeweilige Schaltung und den Datenbus eingefügt werden. Die Verwendung von Optokopplern ist aber aufwendig und erfordert auf jeden Fall zusätzliche Schaltungen.

Aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift JP 55-8153 A, vgl. auch Patent Abstracts of Japan, sec. E, 26. März 1980, Band 4, Nr. 36, ist eine potentialfreie Datenschnittstelle bekannt, bei der mittels mehrerer Hallspannungsmeßeinrichtungen potentialfrei die jeweilige Signalströme auf den Datenleitungen eines mehradrigen, bidirektionalen Datenbusses abgegriffen werden können, um die übertragenen Daten auf einer Anzeigeeinrichtung sichtbar darzustellen. Um die erforderlichen Magnetfeldstärken für die Hallspannungsmeßeinrichtungen zu bekommen, werden die einzelnen Datenleitungen mit ca. 10 Windungen jeweils auf einen separaten Spulenträger gewickelt, in dessen Zentrum sich die Hallspannungsmeßeinrichtung befindet.

In DE 27 56 382 A1 ist eine Fernschreibanlage mit einer Sende- und Empfangsstation beschrieben, die über den Hin- und Rückstrom einer Zweidrahtverbindung bidirektional Daten austauschen. Die Steuerung der Datenübertragung erfolgt durch die Sendestation als Masterstation mittels geeigneter Datenformate im Binärcode. Hierzu wird ein Strom auf der Zweidrahtverbindung mittels eines elektronischen Schalters ein- oder ausgeschaltet. Die Rückinformation durch die Empfangsstation erfolgt dadurch, daß während spezieller Abfrageintervalle im Datenformat die Empfangsstation den Strom auf der Zweidrahtverbindung je nach dem zu übertragenden Binärcode unterbricht oder die Stromschleife unverändert geschlossen läßt. Die Empfangsstation ändert dabei mittels elektronisch gesteuerter Schalter das Tastverhältnis der empfangenen Stromimpulse und diese Information wird in der Sendestation ausgewertet. Als elektronisches Schaltelement zur Unterbrechung des Stromes wird ein Phototransistor verwendet, dessen Basis über eine Leuchtdiode potentialfrei von der Empfangsstation gesteuert wird.

Aus DE 35 12 280 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, bei der mittels induktiven Hochfrequenzübertragern eine galvanische Trennung einer unidirektionalen Datenübertragungsstrecke für Binärsignale erfolgt. Die einzelnen Bits werden dabei auf der Primärseite durch nadelförmige, hochfrequente Stromimpulse ersetzt, die auf der Sekundärseite gleichgerichtet werden und damit das ursprüngliche Binärsignal wieder zur Verfügung stellen.

Es ist Aufgabe der beanspruchten Erfindung, eine Datenübertragungseinrichtung, bei der auf der Empfängerseite die Daten potentialfrei mittels einer Hallspannungsmeßeinrichtung von einer Datenleitung abgegriffen werden, dahingehend weiterzubilden, daß eine bidirektionale Datenübertragung zwischen einer Master- und mindestens einer monolithisch integrierten Unterstufe ermöglicht wird, wobei die Potentialfreiheit zwischen der Master- und Unterstufe erhalten bleiben muß.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, als potentialfreie Datenschnittstelle eine Hallspannungs- Meßeinrichtung zu verwenden, die das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Koppelschleife auswertet. Der zeitliche Verlauf des Stromes stellt dabei die übertragene Dateninformation dar. Nach den europäischen Patentanmeldungen "Hallsensor mit Selbstkompensation" (EP 0525335 A1) und "Offsetkompensierter Hallsensor" (EP 0548391 A1) lassen sich derartige Hallspannungs-Meßeinrichtungen auf vorteilhafte Weise monolithisch mittels der üblichen Halbleiter- Herstellungsverfahren auf einem Halbleiterchip integrieren, wobei durch geeignete Schaltungen die material- und temperaturabhängigen Toleranzen der eigentlichen Hall- Elemente weitgehend unschädlich gemacht werden können. Die Anordnung und Größe der Koppelschleife ist unkritisch. Sie kann auf dem Halbleiterchip mitintegriert werden, wobei die Potentialtrennung beispielsweise durch eine dicke Oxidschicht auf dem Halbleiterchip erfolgt. Die Koppelschleife kann sich aber auch außerhalb der integrierten Schaltung befinden und braucht dann nicht einmal Anschlußkontakte auf der Chipoberfläche. Der größere Abstand zwischen dem Hallelement und der Koppelschleife erfordert natürlich ein größeres Magnetfeld.

Ein ganz besonderer Vorteil der Halleffekt- Datenschnittstelle liegt darin, daß vom Prinzip her die Koppelschleife niederohmig ist und der Spannungsabfall gering bleibt. Es können daher eine Vielzahl derartiger Schnittstellen hintereinander geschaltet werden. Durch die Niederohmigkeit ist die Empfindlichkeit der Datenleitung für kapazitive Störsignale gering. Die magnetischen Einkopplungen können durch eine verdrillte Zweidrahtleitung ebenfalls klein gehalten werden. Diese günstigen Eigenschaften sind besonders bei der Verwendung im Automobilsektor von Vorteil, weil dort die Datenquellen und -senken räumlich weit getrennt und durch eine Vielzahl von Störquellen gestört sind.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch eine unidirektionale Halleffekt- Datenschnittstelle,

Fig. 2 zeigt schematisch eine Datenquelle und drei Empfängerschaltungen, die über einen Zweidrahtbus in Reihe geschaltet sind,

Fig. 3 zeigt schematisch als Beispiel das Datenformat der übertragenen Daten,

Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer bidirektionalen Schnittstelle,

Fig. 5 zeigt schematisch eine Datentaktperiode im Abfrageintervall und

Fig. 6 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer bidirektionalen Datenschnittstelle.

In Fig. 1 ist eine Datenquelle q über eine Busleitung b mit einer integrierten Schaltung c verbunden. Über die Busleitung fließt ein Strom i, der als Information im einfachsten Fall ein binäres Signal oder ein Datenwort enthält. Die Datenquelle q kann beispielsweise ein zentraler Prozessor sein, der über die Busleitung b eine Signalverarbeitungsschaltung p steuert, indem er dieser ein einzelnes Steuersignal oder in serieller Form Daten bzw. Befehle zuführt. Die Signalverarbeitungsschaltung p ist innerhalb der integrierten Schaltung c mit einer Hallspannungs-Meßeinrichtung verbunden, die aus einer Fühlereinrichtung f und mindestens einem Hallelement h besteht. Die Fühlereinrichtung liefert dabei beispielsweise zwischen den Anschlüssen 2 und 4 den Strom für das Hallelement h und greift zwischen den Anschlüssen 1 und 3 die jeweilige Hallspannung ab. Mittels interner Schaltereinrichtungen, entsprechend der vorgenannten europäischen Patentanmeldung "Offsetkompensierter Hallsensor", können die Anschlüsse 1 bis 4 während der Abfrage auch vertauscht werden - dadurch lassen sich die richtungsabhängigen Eigenschaften des einen oder der zusammenwirkenden Hallelementes h nahezu vollständig kompensieren. Die Koppelschleife k ist in Fig. 1 lediglich mit einer Windung angedeutet, die sich außerhalb der integrierten Schaltung c befindet. Mehrere Windungen erhöhen die Empfindlichkeit.

In Fig. 2 ist die Busleitung b als verdrillte Zweidrahtleitung dargestellt, die von der Datenquelle q mit dem datenabhängigen Strom i gespeist ist. Eine erste, zweite und dritte Schaltung c1, c2, c3 sind seriell über jeweils eine Koppelschleife an die Busleitung b angeschlossen.

In Fig. 3 ist als Beispiel ein Datenformat dargestellt, das durch den datenabhängigen Strom i auf der Busleitung b übertragen wird. Der jeweilige logische Zustand wird durch einen ersten oder zweiten Stromwert übertragen, wobei einer dieser Stromwerte auch Null sein kann. Der erste Stromwert kann auch positiv und der zweite negativ sein. Die Schaltung hierfür ist etwas aufwendiger, bringt jedoch Vorteile durch den doppelten Hub und die gleichmäßigere Strombelastung. Das Datenformat kann mit einem Start- oder Synchronzeichen a′ beginnen. Ihm schließt sich ein Adreßteil a, ein Trennzeichen tr und ein Datenteil d an, der unter Umständen ein Abfrageintervall d′ enthält, in dem entsprechend Fig. 4 oder Fig. 5 die angesprochene Schaltung c4 Daten an die Datenquelle bq zurücksenden kann. Diese wirkt somit als Masterstufe, indem sie je nach Belieben Daten aus den einzelnen Unterstufen abfragt. Dies ist allerdings nur möglich, wenn die potentialfreie Datenschnittstelle in beiden Richtungen wirksam ist. Zwei derartige Ausführungsbeispiele zeigen Fig. 4 und Fig. 6.

Wenn die Auflösung der Hallelement-Meßeinrichtung h, f mehr als zwei Strompegel sicher unterscheiden kann, können auch mehrwertige Datensignale übertragen werden.

Die bidirektionale Datenschnittstelle nach Fig. 4 enthält außer den bereits bekannten Schaltungsteilen, die mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, weitere Schaltungsteile. Wie in Fig. 1 ist eine Datenquelle bq über eine zweiadrige Busleitung b mit einer Schaltung c4 verbunden, die auf Aufforderung jedoch Daten an die Datenquelle bq zurücksenden kann. Dies erfolgt mittels einer Unterbrecherstufe tt, die in der abgefragten Schaltung c4 die Busleitung b oder die Koppelschleife k auftrennt. Mittels einer Stromfühlereinrichtung m und eines Fühlerwiderstandes r in der Datenquelle bq erkennt diese, daß kein Strom i fließt, obwohl ein taktgesteuerter Datengenerator dg mittels eines ersten Schalters s1 eine Stromquelle iq an die Busleitung b angeschlossen hat. Aus dem Widerspruch zwischen dem Soll- und Ist-Zustand auf der Busleitung b erkennt eine Vergleichsschaltung v, daß die Unterbrecherstufe tt von der abgefragten Schaltung c4 aktiviert wurde.

Die Unterbrecherstufe tt besteht beispielsweise aus einem MOS-Transistor vom Anreicherungstyp, im folgenden auch als Unterbrechertransistor tt bezeichnet, dessen Drain-Source- Strecke in Serie zur Koppelschleife k liegt. Dabei wird zwischen die Gate- und Source-Elektrode eine Steuerspannung us geschaltet, die in einer Steuerspannungsquelle sq durch Gleichrichtung aus einem Hochfrequenzsignal gewonnen wird. Auf dem Halbleiterchip befindet sich hierzu eine monolithisch integrierte Hochfrequenzübertragungsstufe ui, deren Primärseite von einem Hochfrequenzgenerator g gespeist ist und deren Sekundärseite die Steuerspannung us nach der Gleichrichtung liefert. Dabei kann die Hochfrequenzübertragungsstufe ui sehr klein ausgebildet werden, weil die zu übertragende Frequenz hoch ist und die Steuerspannung us nur die Gate-Kapazität des Unterbrechertransistors tt umladen muß. Die Entladung der Gate-Kapazität erfolgt im einfachsten Fall durch einen hochohmigen Widerstand R oder durch andere passive oder aktive Schaltungsmaßnahmen. Die datenbezogene Ein- und Ausschaltung der Hochfrequenzübertragungsstufe ui erfolgt durch einen Steuerausgang der Signalverarbeitungsschaltung p, die entweder direkt auf den Hochfrequenzgenerator g einwirkt oder mittels eines zweiten Schalters s2 die Primärseite schließt oder öffnet.

Die Verwendung eines MOS-Transistors vom Anreicherungstyp hat auch den Vorteil, daß die betroffene Koppelschleife auch im spannungslosen Zustand der zugehörigen Schaltung c4 geschlossen bleibt. Dies ermöglicht einen "stand-by- Betrieb", indem beispielsweise nur wenige Schaltungen aktiviert sind. Die Busleitung b darf dabei nicht unterbrochen werden. Eine Anwendung ist z. B. eine aktivierte Diebstahlsicherung im Kraftfahrzeug, bei der der Zentralprozessor nur bestimmte Sensor-Schaltungen abfragen muß, während andere Schaltungen zur Batterieschonung abgeschaltet sind.

Die Ausführung der Hochfrequenzübertragungsstufe ui ist unkritisch und daher ziemlich beliebig. In Fig. 4 ist für die induktiv wirksame Hochfrequenzübertragungsstufe ui beispielsweise eine Mäanderform gewählt. Die Primär- und Sekundärseite können sich dabei in einer Ebene oder in unterschiedlichen Ebenen befinden. Der MOS-Transistor tt, die Diode D und der Widerstand R sind ebenfalls mit integrierte Schaltungselemente. Die Potentialfreiheit zur übrigen Schaltung muß auch im Hinblick auf die erforderliche Spannungs-Durchschlagfestigkeit sichergestellt sein, indem die Abstände zur übrigen Schaltung groß genug sind. Eine galvanische Verbindung ist somit an keiner Stelle und bei keinem Betriebszustand vorhanden.

In Fig. 5 ist eine Datentaktperiode T des Datenformats innerhalb des Abfrageintervalls d′ dargestellt. Der Datengenerator dg schließt beispielsweise den ersten Schalter s1 während der Zeitdauer t1. Soll die abgefragte Schaltung c4 in der betreffenden Datentaktperiode T eine "0" an die Datenquelle bq signalisieren, dann ändert sich am Stromverlauf von Fig. 5 nichts. Soll die abgefragte Schaltung c4 jedoch eine "1" an die Datenquelle dq signalisieren, dann wird der Unterbrechertransistor tt im Intervall t1-t2 geöffnet. Der Strom i hat dann den gestrichelten dargestellten Verlauf. Die Stromflußzeit ist in der Datentaktperiode T vom Intervall t1 auf das Intervall t2 reduziert worden. Die Busleitung b wirkt sich auf die jeweilige Stromflußzeit somit ähnlich aus wie eine "verdrahtete-ODER-Logik" auf den jeweiligen Spannungspegel. Die Auswertung des Tastverhältnisses t1/t2 in der Vergleichsschaltung v gibt den zurückgemeldeten logischen Zustand an. Bitweise können auf diese Weise die Daten seriell abgefragt werden.

Eine derartige Abfrage ermöglicht beispielsweise im Kraftfahrzeug einem Zentralprozessor eine Vielzahl von Daten abzufragen, die Meßgrößen, Stellwerte oder Temperaturen usw. betreffen und für ein Steuerprogramm wichtig sind.

In Fig. 6 ist schließlich schematisch als Teilschaltung ein Ausführungsbeispiel für eine bidirektionale Datenschnittstelle dargestellt, bei der die induktive Hochfrequenzübertragungsstufe ui von Fig. 4 durch eine kapazitive Hochfrequenzübertragungsstufe uk ersetzt wurde. Die Potentialtrennung wird hierbei durch einen ersten und einen zweiten Kondensator k1, k2 sichergestellt, die mit entsprechenden Sicherheitsabständen auf der Schaltung c4 mitintegriert sind. Die Gleichrichtung des Hochfrequenzsignals auf der Sekundärseite erfolgt mittels einer Gleichrichter-Brückenschaltung D′, die effektiver als eine einzelne Diode D ist. Der Hochfrequenzgenerator g kann wie in Fig. 4 ein sinus- oder rechteckförmiges Ausgangssignal zur Speisung der Hochfrequenzübertragungsstufe ui, uk liefern.

Claims

1. Potentialfreie Datenübertragungseinrichtung zwischen einer Master- (q) und mindestens einer monolithisch integrierten Unterstufe (c; c4) mit einer Hallspannungsmeßeinrichtung (h, f), die über das Magnetfeld einer mit der Unterstufe (c, c4) räumlich eng verbundenen, insbesondere mitintegrierten, Koppelschleife (k) den jeweiligen Strom (i) einer an die Koppelschleife angeschlossenen, niederohmig und induktivitätsarm ausgeführten, zweiadrigen Busleitung (b) als Dateninformation auswertet, wobei

- die zweiadrige Busleitung (b) für den Strom (i) den Hin- und Rückstrompfad bildet,
- im Falle von mehr als einer Unterstufe (c; c4) die einzelnen Unterstufen bezüglich der Busleitung (b) in beliebiger Reihenfolge in Serie geschaltet sind, indem die zweiadrige Busleitung (b) für jede Unterstufe jeweils eine Koppelschleife (k) aufweist,
- die von der Masterstufe (q) adressierte Unterstufe (c; c4) rückwärts Daten an die Masterstufe (q) senden kann, indem in der jeweiligen Unterstufe eine galvanisch von dieser getrennte, kapazitiv oder induktiv angesteuerte Unterbrecherstufe (tt) mit einem MOS-Transistor vom Anreicherungstyp als Unterbrechungselement den Strom (i) in der Busleitung (b) definiert unterbricht, und
- die Hallspannungsmeßeinrichtung (h, f) und die Unterbrecherstufe (tt) gemeinsam mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (p) monolithisch in der Unterstufe (c; c4) integriert sind.

2. Datenübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Source-Anschluß des MOS-Transistors (tt) und seinem Gate-Anschluß eine Steuerspannungsquelle (sq) zur Erzeugung einer einen ersten oder einen zweiten Schaltpegel aufweisenden Steuerspannung (us) liegt, wobei der Umschaltzeitpunkt des Schaltpegels von der Signalverarbeitungseinrichtung (p) in der abgefragten Unterstufe (c; c4) gesteuert ist.

3. Datenübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate- bzw. Source-Anschluß des MOS-Transistors (tt) über eine Gleichrichtungsschaltung (D; D′) mit dem zugehörigen Ausgang einer induktiven oder kapazitiven Hochfrequenzübertragungsstufe (ui; uk) verbunden ist.

4. Datenübertragungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Primärseite die induktive oder kapazitive Hochfrequenzübertragungsstufe (ui; uk) mittels einer Schaltereinrichtung (s2) an einen Hochfrequenzgenerator (g) angeschlossen ist.

5. Datenübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Masterstufe (q) eine Stromfühlereinrichtung (m), die mit einem Datengenerator (dg) und einer Vergleichsschaltung (v) gekoppelt ist, enthält,
- die Vergleichsschaltung (v) einen momentanen lst-Strompegel auf der Busleitung (b) mit einem momentanen Soll-Strompegel vergleicht und
- der Ausgang der Vergleichsschaltung (v) der Datenausgang für die von der Unterstufe (c; c4) abgefragten Daten ist.

6. Datenübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Masterstufe (q) mittels unterschiedlicher Tastverhältnisse t1/t2 des Stromes (i) ein binär codiertes Datenformat erzeugt, das den bidirektionalen Datenaustausch zwischen der Masterstufe (q) und der adressierten Unterstufe (c; c4) ermöglicht, indem in einem Abfrageintervall (b′) des Datenformats mindestens während einer Taktperiode (T) das Tastverhältnis t1/t2 durch die Unterbrecherstufe (tt) änderbar ist.